JP2007204578A - Polymer electrolyte material, polymer electrolyte membrane, and polymer electrolyte part, polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and polymer electrolyte-type fuel cell using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte material and a polymer electrolyte membrane which have excellent proton-conductivity, fuel separation, mechanical strength, physical durability, hot water resistance, hot methanol resistance, processability and chemical stability and, when used in a polymer electrolyte, achieves a high output, a high energy density and a long durability and a polymer electrolyte part, polymer electrolyte membrane, membrane electrode composite and polymer electrolyte-type fuel cell using these. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte material comprises an ionic group-containing polymer having a crystallization peak observed by differential scanning calorimetry. The polymer electrolyte part, polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and polymer electrolyte-type fuel cell are composed by using the polymer electrolyte material. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材料および高分子電解質膜、ならびにそれを用いた高分子電解質部品、高分子電解質膜、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 provides a polymer electrolyte material and a polymer electrolyte membrane excellent in practical use capable of achieving high output, high energy capacity and long-term durability, and a polymer electrolyte component, a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte material, The present invention relates to a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、水素、メタノールなどの燃料を電気化学的に酸化することによって、電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。なかでも高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が100℃前後と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として幅広い応用が期待されている。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、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、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   BACKGROUND ART A fuel cell is a kind of power generation device that extracts electrical energy by electrochemically oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol, and has recently attracted attention as a clean energy supply source. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low standard operating temperature of around 100 ° C. and a high energy density, so that it is a relatively small-scale distributed power generation facility, a mobile power generator such as an automobile or a ship. As a wide range of applications are expected. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは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携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also attracting attention. Since DMFC is liquid and does not use a reformer, it has the advantage that the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以降、MEAと略称することがある。)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。高分子電解質膜は高分子電解質材料を主として構成される。高分子電解質材料は電極触媒層のバインダー等にも用いられる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are sometimes referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, abbreviated as MEA). ) And a cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. The polymer electrolyte membrane is mainly composed of a polymer electrolyte material. The polymer electrolyte material is also used as a binder for the electrode catalyst layer.

高分子電解質膜の要求特性としては、第一に高いプロトン伝導性が挙げられる。また、高分子電解質膜は、燃料と酸素の直接反応を防止するバリアとしての機能を担うため、燃料の低透過性が要求される。特に、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、メタノール透過はメタノールクロスオーバー(以降、MCOと略称することがある。)と呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率の低下という問題を引き起こす。その他の要求特性としては、メタノール等の高濃度燃料を使用するDMFCにおいて、高濃度燃料に対する長期耐久性として耐溶剤性も重要な特性である。その他にも燃料電池運転中の強い酸化雰囲気に耐えるための化学的安定性、薄膜化や膨潤乾燥の繰り返しに耐えうる機械強度および物理的耐久性などを挙げることができる。   The required characteristics of the polymer electrolyte membrane include firstly high proton conductivity. In addition, since the polymer electrolyte membrane functions as a barrier that prevents direct reaction between the fuel and oxygen, low permeability of the fuel is required. In particular, in a polymer electrolyte membrane for DMFC that uses an organic solvent such as methanol as a fuel, methanol permeation is called methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO), which means a reduction in battery output and energy efficiency. Cause problems. As another required characteristic, in DMFC using high concentration fuel such as methanol, solvent resistance is an important characteristic as long-term durability against high concentration fuel. Other examples include chemical stability to withstand a strong oxidizing atmosphere during fuel cell operation, mechanical strength and physical durability to withstand repeated thinning and swelling and drying.

これまで高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(登録商標)(Nafion(登録商標)、デュポン社製。)が広く用いられてきた。ナフィオン(登録商標)は多段階合成を経て製造されるため非常に高価であり、かつ、クラスター構造を形成するために燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、耐熱水性や耐熱メタノール性等が不足するため、膨潤乾燥によって膜の機械強度や物理的耐久性が失われるという問題、軟化点が低く高温で使用できないという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。パーフルオロスルホン酸系膜は高分子電解質膜として概ねバランスのとれた特性を有するが、当該電池の実用化が進むにつれて、さらなる特性の改善が要求されるようになってきた。   Until now, Nafion (registered trademark) (Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been widely used for polymer electrolyte membranes. Nafion (registered trademark) is very expensive because it is manufactured through multi-step synthesis, and there is a problem that fuel crossover is large to form a cluster structure. In addition, due to lack of hot water resistance, methanol resistance, etc., problems such as loss of mechanical strength and physical durability of the membrane due to swelling and drying, problems of low softening point and inability to use at high temperatures, and disposal treatment after use There were also problems such as difficulties in recycling materials. Perfluorosulfonic acid-based membranes have characteristics that are generally balanced as polymer electrolyte membranes, but further improvements in properties have been required as the batteries are put into practical use.

このような欠点を克服するために非パーフルオロ系ポリマーの炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材料についても既にいくつかの取り組みがなされている。ポリマー骨格としては、耐熱性、化学的安定性の点から芳香族ポリエーテルケトンや芳香族ポリエーテルスルホンについて特に活発に検討がなされてきた。   In order to overcome such drawbacks, several efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoropolymer hydrocarbon polymers. As the polymer skeleton, aromatic polyether ketone and aromatic polyether sulfone have been particularly actively studied from the viewpoint of heat resistance and chemical stability.

例えば、芳香族ポリエーテルケトンである、難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製)等があげられる。)のスルホン化物(例えば、非特許文献1参照。)、芳香族ポリエーテルスルホンである狭義のポリスルホン(以降、PSFと略称することがある。)(UDEL P−1700(アモコ社製)等があげられる)や狭義のポリエーテルスルホン(以降、PESと略称することがある。)(スミカエクセル(登録商標)PES(住友化学社製)等があげられる)のスルホン化物(例えば、非特許文献2)等が報告されたが、プロトン伝導性を高めるためにイオン性基の含有量を増加すると作成した膜が膨潤し、メタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題があり、また、ポリマー分子鎖の凝集力が低いためにポリマーの高次構造の安定性に乏しく、作成した膜の機械強度や物理的耐久性が不十分という問題があった。   For example, a sulfonated product (for example, non-soluble aromatic polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex), etc.)), which is an aromatic polyetherketone, is used. Patent Document 1), a narrowly defined polysulfone that is an aromatic polyethersulfone (hereinafter sometimes abbreviated as PSF) (UDEL P-1700 (manufactured by Amoco) and the like) and a narrowly defined polyethersulfone. (Hereinafter, it may be abbreviated as PES.) Sulfonated products (for example, Non-Patent Document 2) of SUMIKAEXCEL (registered trademark) PES (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) have been reported. When the content of ionic groups is increased to increase conductivity, the created membrane swells, and fuel crossover such as methanol is large. Cormorants There is a problem, also, poor stability of the conformation of the polymer due to the low cohesive force of polymer molecular chains, there is a problem that insufficient mechanical strength and physical durability of the film produced.

また、芳香族ポリエーテルケトン(以降、PEKと略称することがある。)(ビクトレックス PEEK−HT(ビクトレックス製)等が挙げられる)のスルホン化物(例えば、特許文献1および2)においては、その高い結晶性ゆえに、低いスルホン酸基密度の組成を有するポリマーは、結晶部分が残存することにより溶剤に不溶で加工性不良となる問題、逆に加工性を高めるためにスルホン酸基密度を増加させると、ポリマーは結晶性でなくなることにより、水中で著しく膨潤し、作成した膜の燃料クロスオーバーが大きいだけでなく、作成した膜の機械強度や物理的耐久性が不十分であった。   Moreover, in the sulfonated product (for example, Patent Documents 1 and 2) of an aromatic polyether ketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEK) (including Victrex PEEK-HT (manufactured by Victrex)). Due to its high crystallinity, polymers with a low sulfonic acid group density composition are insoluble in the solvent due to the remaining crystalline portion, resulting in poor processability. Conversely, the sulfonic acid group density is increased to improve processability. As a result, the polymer became non-crystalline, so that it swelled remarkably in water, and not only the fuel crossover of the prepared membrane was large, but also the mechanical strength and physical durability of the prepared membrane were insufficient.

このように、従来技術による高分子電解質材料は経済性、加工性、プロトン伝導性、燃料クロスオーバー、耐溶剤性、機械強度、物理的耐久性、ひいては長期耐久性を向上する手段としては不十分であり、産業上有用な燃料電池用高分子電解質材料とはなり得ていなかった。
「ポリマー」(Polymer), 1987, vol. 28, 1009. 「ジャーナル オブ メンブレンサイエンス」(Journalof MembraneScience), 83 (1993) 211-220. 特開平6−93114号公報 特表2004−528683号公報
Thus, the polymer electrolyte material according to the prior art is insufficient as a means for improving economy, workability, proton conductivity, fuel crossover, solvent resistance, mechanical strength, physical durability, and thus long-term durability. Therefore, it could not be an industrially useful polymer electrolyte material for fuel cells.
"Polymer", 1987, vol. 28, 1009. “Journal of Membrane Science”, 83 (1993) 211-220. JP-A-6-93114 Japanese translation of PCT publication No. 2004-528683

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、プロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、機械強度、物理的耐久性、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度、長期耐久性を達成することができる高分子電解質材料および高分子電解質膜、ならびにそれを用いた高分子電解質部品、高分子電解質膜、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供せんとするものである。   In view of the background of such prior art, the present invention is excellent in proton conductivity and excellent in fuel cutoff, mechanical strength, physical durability, hot water resistance, heat resistant methanol resistance, workability, and chemical stability. , Polymer electrolyte materials and polymer electrolyte membranes that can achieve high output, high energy density and long-term durability when used as a polymer electrolyte fuel cell, and polymer electrolyte components and polymer electrolytes using the same A membrane, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell are provided.

本発明は、上記課題を解決するため次のような手段を採用するものである。まず第1の手段としては、本発明の高分子電解質材料は示差走査熱量分析法によって結晶化ピークが認められるイオン性基含有ポリマーからなることを特徴とするものである。また、本発明の高分子電解質膜、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は、かかる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ものである。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. First, as a first means, the polymer electrolyte material of the present invention is characterized by comprising an ionic group-containing polymer in which a crystallization peak is recognized by differential scanning calorimetry. The polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte component, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell of the present invention are characterized by using such a polymer electrolyte material.

次に第2の手段としては、本発明の高分子電解質膜はイオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質膜であって、23℃、相対湿度50%の雰囲気下でのエルメンドルフ引裂強度が45N/cm以上1000N/cm以下であることを特徴とするものである。   Next, as a second means, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane made of an ionic group-containing polymer, and has an Elmendorf tear strength of 45 N / in under an atmosphere of 23 ° C. and a relative humidity of 50%. cm or more and 1000 N / cm or less.

また、第3の手段としては、本発明の高分子電解質膜はイオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質膜であって、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張破断強度が80MPa以上1000MPa以下、かつ引張破断伸度が100%以上1000%以下であることを特徴とするものである。   As a third means, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane made of an ionic group-containing polymer, and has a tensile strength at break of 80 MPa or more in an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60%. 1000 MPa or less and the tensile elongation at break is 100% or more and 1000% or less.

本発明によれば、プロトン伝導性に優れ、かつ燃料遮断性、機械強度、物理的耐久性、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れた、高出力、高エネルギー容量および長期耐久性を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材料および高分子電解質膜ならびにそれを用いた高性能な高分子電解質部品、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, the proton conductivity is excellent, the fuel blocking property, the mechanical strength, the physical durability, the hot water resistance, the heat resistant methanol property, the processability, the chemical stability, the high output, the high energy capacity, and Provided are a polymer electrolyte material and a polymer electrolyte membrane excellent in practical use that can achieve long-term durability, a high-performance polymer electrolyte component, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell using the same. be able to.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

最初に本発明の第1の手段について、前記課題、つまり、プロトン伝導性に優れ、かつ燃料遮断性、機械強度、物理的耐久性、耐熱水性、耐熱メタノール性、加工性、化学的安定性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度および長期耐久性を達成することができる高分子電解質材料について鋭意検討し、高分子電解質材料の高プロトン伝導度、燃料遮断性および機械強度、物理的耐久性の性能が、高分子電解質材料の高次構造の安定性、つまりポリマーの結晶性や結晶/非晶状態に大きく左右されることを見出した。   First, regarding the first means of the present invention, the above-mentioned problems, that is, excellent proton conductivity, fuel cutoff, mechanical strength, physical durability, hot water resistance, hot methanol resistance, workability, and chemical stability. In addition to being excellent, we have eagerly investigated polymer electrolyte materials that can achieve high output, high energy density, and long-term durability when used as polymer electrolyte fuel cells. It has been found that the properties of barrier properties, mechanical strength, and physical durability are greatly affected by the stability of the higher-order structure of the polymer electrolyte material, that is, the crystallinity of the polymer and the crystalline / amorphous state.

すなわち、示差走査熱量分析法によって結晶化ピークが認められるイオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料を使用した場合に、プロトン伝導性、燃料遮断性、耐溶剤性に優れるだけでなく、ポリマー高次構造が安定化されることによって、極めて強靱な機械強度、物理的耐久性を達成することができ、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。   In other words, when a polymer electrolyte material made of an ionic group-containing polymer that shows a crystallization peak by differential scanning calorimetry is used, not only is it excellent in proton conductivity, fuel blocking property, and solvent resistance, By stabilizing the next structure, extremely tough mechanical strength and physical durability can be achieved, and it has been sought to solve such problems all at once.

本発明の高分子電解質材料は、示差走査熱量分析法(DSC)における結晶化ピークの有無で評価することが出来る。ただし、ポリマーは結晶化、融解、熱分解等を経てしまうとポリマーの化学構造や高次構造(結晶および非晶状態)が変化しまうため、本発明の高分子電解質材料は示差走査熱量分析法において1回目の昇温時に結晶化ピークが認められるか否かで評価することが必要である。すなわち、本発明の高分子電解質材料は、示差走査熱量分析法において1回目の昇温時に結晶化ピークが認められることが必要である。   The polymer electrolyte material of the present invention can be evaluated by the presence or absence of a crystallization peak in differential scanning calorimetry (DSC). However, when the polymer undergoes crystallization, melting, thermal decomposition, etc., the chemical structure and higher order structure (crystalline and amorphous state) of the polymer change, so the polymer electrolyte material of the present invention is used in differential scanning calorimetry. It is necessary to evaluate whether or not a crystallization peak is observed at the first temperature increase. That is, the polymer electrolyte material of the present invention needs to have a crystallization peak observed at the first temperature rise in the differential scanning calorimetry.

ポリマーが熱分解してしまう場合には、熱重量示差熱同時測定(TG−DTA)等によってポリマーの熱分解温度を先に確認した上で、熱分解温度以下の温度までの昇温で結晶化ピークの有無を確認する必要がある。熱分解温度以上で結晶化ピークが認められた場合には、ポリマーの化学構造が変化している可能性があり、そのポリマーが結晶性を有していたとは判断できない。   If the polymer is thermally decomposed, first confirm the polymer thermal decomposition temperature by thermogravimetric differential thermal simultaneous measurement (TG-DTA), etc., and then crystallize by raising the temperature to a temperature below the thermal decomposition temperature. It is necessary to confirm the presence or absence of a peak. If a crystallization peak is observed above the thermal decomposition temperature, the chemical structure of the polymer may have changed, and it cannot be determined that the polymer had crystallinity.

示差走査熱量分析法において1回目の昇温時に結晶化ピークが認められる高分子電解質材料は、イオン性基含有ポリマーが結晶性ポリマーである必要がある。非晶性ポリマーのみからなる高分子電解質材料は、示差走査熱量分析法で結晶化ピークが認められない。また、本発明の高分子電解質材料は、昇温によって結晶化が進行する非晶部分を有することが必要である。昇温によって結晶化が進行する非晶部分を残存させることによって、プロトン伝導性、燃料遮断性に優れるだけでなく、極めて優れた耐溶剤性や機械強度、物理的耐久性を達成することができることを見出し、本発明に至った。   In the polymer electrolyte material in which a crystallization peak is observed at the first temperature increase in the differential scanning calorimetry, the ionic group-containing polymer needs to be a crystalline polymer. A polyelectrolyte material composed only of an amorphous polymer does not show a crystallization peak by differential scanning calorimetry. In addition, the polymer electrolyte material of the present invention needs to have an amorphous part where crystallization proceeds with increasing temperature. By leaving the amorphous part where crystallization proceeds with increasing temperature, not only has excellent proton conductivity and fuel barrier properties, but also can achieve extremely excellent solvent resistance, mechanical strength, and physical durability. And found the present invention.

本発明において、結晶性ポリマーとはポリマーがなんらかの条件で結晶化されうる、結晶化可能な性質を有することを意味する。また、非晶性ポリマーとは、結晶性ポリマーではない、実質的に結晶化が進行しないポリマーを意味する。従って、結晶性ポリマーであっても、結晶化が十分に進行していない場合には、ポリマーの状態としては非晶状態である場合がある。これらポリマーの結晶性の有無、結晶部分と非晶部分の状態については、広角X線回折(XRD)、示差走査熱量分析法(DSC)、温度変調DSC、核磁気共鳴スペクトル(NMR)、赤外線吸収スペクトル(IR)、ラマンスペクトル等によって評価することができる。   In the present invention, the crystalline polymer means that the polymer has a crystallizable property that can be crystallized under some conditions. An amorphous polymer means a polymer that is not a crystalline polymer and that does not substantially proceed with crystallization. Therefore, even if it is a crystalline polymer, if the crystallization is not sufficiently advanced, the polymer may be in an amorphous state. With regard to the presence or absence of crystallinity of these polymers and the state of crystalline and amorphous parts, wide angle X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), temperature modulation DSC, nuclear magnetic resonance spectrum (NMR), infrared absorption It can be evaluated by spectrum (IR), Raman spectrum, or the like.

示差走査熱量分析法において1回目の昇温時に結晶化ピークが認められない場合には、本発明の効果が得られない場合があり、好ましくない。具体的には、ポリマーが結晶性を有することなく非晶性である場合、結晶性を有するが、結晶化が進行可能な非晶部分を残存していない場合に分けられる。非晶性ポリマーからなる高分子電解質材料では、十分な機械強度、物理的耐久性、燃料遮断性、耐熱水性、耐熱メタノール性を得ることができず、高濃度燃料の使用が困難であり、燃料電池に用いた際に高エネルギー容量や長期耐久性を達成することができない。   In the differential scanning calorimetry, when the crystallization peak is not observed at the first temperature rise, the effect of the present invention may not be obtained, which is not preferable. Specifically, when the polymer is amorphous without having crystallinity, it is divided into cases where there is no amorphous part that has crystallinity but is capable of proceeding crystallization. A polymer electrolyte material made of an amorphous polymer cannot obtain sufficient mechanical strength, physical durability, fuel barrier properties, hot water resistance, and heat resistance methanol property, and it is difficult to use high concentration fuel. High energy capacity and long-term durability cannot be achieved when used in batteries.

また、ポリマーが結晶性を有するが、結晶化が進行可能な非晶部分を残存しない場合には、加工性が不十分で強靱な高分子電解質膜を得ることができず、燃料電池に用いた場合に長期耐久性を達成することができない場合がある。この場合は、一旦ポリマーが融解されれば降温時、あるいは2回目の昇温時に結晶化ピークが認められる可能性があるが、ポリマーの高次構造が変化しており、元のポリマーの状態が非晶であったとは判断できない。   In addition, when the polymer has crystallinity but no amorphous portion that can be crystallized remains, a tough polymer electrolyte membrane with insufficient processability cannot be obtained and used for a fuel cell. In some cases, long-term durability may not be achieved. In this case, once the polymer is melted, a crystallization peak may be observed when the temperature is lowered or when the temperature is raised for the second time. However, the higher-order structure of the polymer is changed, and the state of the original polymer is changed. It cannot be judged that it was amorphous.

このように高分子電解質材料が、ポリマーの性質としての結晶性/非晶性、ポリマーの状態としての結晶/非晶に分類することが重要であることに本発明者は着目した。   Thus, the present inventor has paid attention to the fact that it is important to classify the polymer electrolyte material into crystalline / amorphous as a polymer property and crystalline / amorphous as a polymer state.

従来技術においては、イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料は、スルホン酸基などの嵩高いイオン性基を有するため、その大部分が非晶性ポリマーであった。これら非晶性ポリマーからなる高分子電解質材料はポリマー分子鎖の凝集力に乏しいため、膜状に成型された場合に靭性やポリマー高次構造の安定性が不足し、十分な機械強度や物理的耐久性を達成することができなかった。また、イオン性基の熱分解温度が融解温度よりも低いために溶融成型が困難で通常キャスト成型が用いられるため、溶剤不溶性の結晶を含むポリマーでは均一で強靱な膜を得ることはできなかった。   In the prior art, polymer electrolyte materials made of ionic group-containing polymers have bulky ionic groups such as sulfonic acid groups, and most of them are amorphous polymers. Polyelectrolyte materials composed of these amorphous polymers have poor cohesion of polymer molecular chains, so when molded into a film, the toughness and stability of polymer higher-order structures are insufficient, resulting in sufficient mechanical strength and physical properties. Durability could not be achieved. In addition, since the thermal decomposition temperature of the ionic group is lower than the melting temperature, it is difficult to melt mold, and usually cast molding is used, so a polymer containing solvent-insoluble crystals could not obtain a uniform and tough film. .

従って、本発明者らは、ポリマー分子鎖の凝集性の高い結晶性を有しながら、加工性に優れた高分子電解質材料について、さらに、ポリマーの高次構造と高分子電解質材料としての特性との関係について鋭意検討し、結晶性ポリマーに結晶化が進行可能な非晶部分を残存させることで、高プロトン伝導度、燃料遮断性だけでなく、優れた耐溶剤性、極めて強靱な機械強度、物理的耐久性を達成することができる本発明の高分子電解質材料を見出すに至った。   Therefore, the inventors of the present invention have further described a polymer electrolyte material excellent in processability while having high crystallinity of polymer molecular chains, and further has a higher polymer structure and characteristics as a polymer electrolyte material. By intensively studying the relationship, and leaving an amorphous part that can proceed to crystallize in the crystalline polymer, not only high proton conductivity and fuel barrier properties, but also excellent solvent resistance, extremely tough mechanical strength, The inventors have found a polymer electrolyte material of the present invention that can achieve physical durability.

本発明の高分子電解質材料は、示差走査熱量分析法(DSC)によって測定される乾燥ポリマー単位g当たりの結晶化熱量ΔHが2J/g以上であることがより好ましい。示差走査熱量分析法(DSC)としては、測定精度の点で温度変調DSCがより好ましく使用できる。中でも、機械強度、物理的耐久性、耐熱メタノール性および燃料遮断性の点からΔHが5J/g以上であることがより好ましく、さらに好ましくは10J/g以上、最も好ましくは15J/g以上である。ΔHが2J/g未満である場合には、結晶性あるいは結晶化が進行可能な非晶部分の量が不足し、機械強度、物理的耐久性など本発明の効果が十分に得られない場合があり、好ましくない。   In the polymer electrolyte material of the present invention, it is more preferable that the crystallization heat amount ΔH per unit of dry polymer unit g measured by differential scanning calorimetry (DSC) is 2 J / g or more. As the differential scanning calorimetry (DSC), a temperature modulation DSC can be more preferably used in terms of measurement accuracy. Among them, ΔH is more preferably 5 J / g or more, more preferably 10 J / g or more, and most preferably 15 J / g or more in terms of mechanical strength, physical durability, heat resistant methanol resistance, and fuel cutoff. . When ΔH is less than 2 J / g, there is a case where the crystallinity or the amount of an amorphous part capable of proceeding crystallization is insufficient, and the effects of the present invention such as mechanical strength and physical durability may not be sufficiently obtained. Yes, not preferred.

かかる高分子電解質材料の温度変調DSCによる結晶化ピークの有無確認および結晶化熱量測定は、実施例の方法で行う。熱分解温度については、別途熱重量示差熱同時測定等によって確認することが好ましい。   The confirmation of the presence or absence of a crystallization peak and temperature measurement of crystallization by temperature-modulated DSC of the polymer electrolyte material are performed by the method of the example. The pyrolysis temperature is preferably confirmed separately by simultaneous thermogravimetric differential heat measurement or the like.

結晶化ピークは不可逆過程に認められ、温度としてはガラス転移温度以上、融解温度以下に認められる。結晶化熱量は結晶化ピークの面積から算出することができるが、スルホン酸基を有する高分子電解質材料の場合には、結晶化温度と熱分解温度や融解温度が近く、結晶化ピークの高温側が分解や融解による影響を受ける場合があるので、本発明においては、低温側からピークトップまでの熱量を2倍した値を結晶化熱量と定義する。   The crystallization peak is observed in an irreversible process, and the temperature is observed above the glass transition temperature and below the melting temperature. The amount of crystallization heat can be calculated from the area of the crystallization peak. However, in the case of a polymer electrolyte material having a sulfonic acid group, the crystallization temperature, the thermal decomposition temperature, and the melting temperature are close to each other. In the present invention, a value obtained by doubling the amount of heat from the low temperature side to the peak top is defined as the amount of crystallization heat.

本発明の高分子電解質材料は、機械強度、物理的耐久性の点から広角X線回折によって測定される結晶化度が0.5%未満であることがより好ましい。結晶化度が0.5%以上である場合には、加工性が不足して均一で強靱な電解質膜が得られなかったり、靭性が不足して長期耐久性が不足する場合があり、好ましくない。   The polymer electrolyte material of the present invention more preferably has a crystallinity of less than 0.5% as measured by wide-angle X-ray diffraction from the viewpoint of mechanical strength and physical durability. When the crystallinity is 0.5% or more, workability is insufficient and a uniform and tough electrolyte membrane may not be obtained, or toughness may be insufficient and long-term durability may be insufficient. .

かかる高分子電解質材料の広角X線回折による結晶有無判定および結晶化度測定は、実施例に記載の方法で行う。   Determination of the presence or absence of crystals and measurement of crystallinity by wide-angle X-ray diffraction of such a polymer electrolyte material are performed by the methods described in the examples.

本発明の高分子電解質材料は高分子電解質部品に好適に用いられる。本発明において高分子電解質部品とは、本発明の高分子電解質材料を含有する部品を意味する。本発明において、具体的な部品の形状としては、膜類(フィルムおよびフィルム状のものを含む)の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状、微多孔状、コーティング類、発砲体類など、使用用途によって様々な形態をとりうる。機械特性や耐溶剤性等の各種特性が優れることから、幅広い用途に適応可能である。   The polymer electrolyte material of the present invention is suitably used for polymer electrolyte parts. In the present invention, the polymer electrolyte component means a component containing the polymer electrolyte material of the present invention. In the present invention, specific shapes of parts include plates (including films and films), plates, fibers, hollow fibers, particles, lumps, micropores, coatings, and foams. It can take various forms depending on usage, such as body. Since various properties such as mechanical properties and solvent resistance are excellent, it can be applied to a wide range of applications.

本発明によって得られる高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、高分子電解質膜および電極触媒層などが好適である。中でも高分子電解質膜に好適に用いられる。燃料電池用として使用する場合、通常、膜の状態で高分子電解質膜や電極触媒層バインダーとして使用されるからである。   When the polymer electrolyte material obtained by the present invention is used for a fuel cell, a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer are suitable. Among them, it is preferably used for a polymer electrolyte membrane. This is because when used for a fuel cell, it is usually used as a polymer electrolyte membrane or an electrode catalyst layer binder in a membrane state.

本発明の高分子電解質膜は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。また、人工筋肉としても好適である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. It is also suitable as an artificial muscle. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable.

次に、本発明の第2の手段について説明する。本発明の高分子電解質膜は、イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質膜であって、23℃、相対湿度50%の雰囲気下で測定したエルメンドルフ引裂強度が45N/cm以上、1000N/cmである高分子電解質膜である。   Next, the second means of the present invention will be described. The polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane made of an ionic group-containing polymer, and has an Elmendorf tear strength of 45 N / cm or more and 1000 N / cm measured in an atmosphere of 23 ° C. and a relative humidity of 50%. A polymer electrolyte membrane.

本発明者らは、高分子電解質型燃料電池としたときに長期耐久性を達成することができる高分子電解質膜について、鋭意検討し、機械強度の中でも特に引裂強度に優れた膜によって高分子電解質型燃料電池の物理的耐久性が向上することに着目し、引裂強度に特に優れた本発明の高分子電解質膜を見出すに至った。高分子電解質型燃料電池を実用的な条件で運転する際には、燃料電池の起動停止に対応する膨潤収縮が繰り返される。通常、高分子電解質膜は高いプロトン伝導性が必要とされるため、多量の水分を含有する必要があるが、前記膨潤収縮が繰り返される条件下においては膜の機械強度や物理的耐久性が不足し、膜が破損するという問題があった。本発明者らは、前記膨潤収縮に対する物理的耐久性向上には、ポリマー分子鎖の凝集力向上が有効であり、ポリマー分子鎖の凝集性と相関のある引裂強度に着目した。   The inventors of the present invention have made extensive studies on a polymer electrolyte membrane that can achieve long-term durability when used as a polymer electrolyte fuel cell, and the polymer electrolyte has a mechanical strength that is particularly excellent in tear strength. Focusing on the improvement of the physical durability of the fuel cell, the present inventors have found a polymer electrolyte membrane of the present invention that is particularly excellent in tear strength. When the polymer electrolyte fuel cell is operated under practical conditions, the swelling and shrinkage corresponding to the start and stop of the fuel cell is repeated. In general, polymer electrolyte membranes require high proton conductivity, so they need to contain a large amount of moisture. However, the mechanical strength and physical durability of the membrane are insufficient under the conditions of repeated swelling and shrinkage. However, there was a problem that the membrane was broken. The inventors of the present invention are effective in improving the cohesive strength of polymer molecular chains in order to improve the physical durability against the swelling and shrinkage, and have focused on the tear strength that correlates with the cohesiveness of the polymer molecular chains.

本発明の高分子電解質膜は、エルメンドルフ引裂強度として、物理的耐久性の点でさらに好ましくは80N/cm以上、最も好ましくは120N/cm以上である。エルメンドルフ引裂強度が45N/cm未満である場合には、長時間発電を続けたり、膨潤乾燥を繰り返すような条件で使用すると膜が破れる場合があり、好ましくない。エルメンドルフ引裂強度は大きいほどより好ましいが、大きいほどプロトン伝導性が小さくなる傾向があるので、現実的な上限は1000N/cmである。かかる高分子電解質膜のエルメンドルフ引裂強度測定は、実施例記載の方法で行う。   The polymer electrolyte membrane of the present invention has an Elmendorf tear strength of more preferably 80 N / cm or more, most preferably 120 N / cm or more in terms of physical durability. If the Elmendorf tear strength is less than 45 N / cm, the film may be broken if used under conditions where power generation is continued for a long time or swelling and drying are repeated, such being undesirable. The higher the Elmendorf tear strength is, the more preferable, but the higher the value, the lower the proton conductivity, so the practical upper limit is 1000 N / cm. The Elmendorf tear strength of such a polymer electrolyte membrane is measured by the method described in the examples.

最後に、本発明の第3の手段について説明する。本発明の高分子電解質膜は、イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質膜であって、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張破断強度が80MPa以上1000MPa以下、かつ引張破断伸度100%以上1000%以下である高分子電解質膜である。   Finally, the third means of the present invention will be described. The polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane made of an ionic group-containing polymer, and has a tensile strength at break of 80 MPa to 1000 MPa in an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60%. The polymer electrolyte membrane is 100% or more and 1000% or less.

本発明者らは、高分子電解質型燃料電池としたときに長期耐久性を達成することができる高分子電解質膜について、鋭意検討し、実用的な条件で長期安定性を達成するためには、機械強度の中でも特に引張破断強度と引張破断伸度の両方に優れた膜が必要なことに着目し、引張破断強度と引張破断伸度の両方に優れた本発明の高分子電解質膜を見出した。   In order to achieve long-term stability under practical conditions, the present inventors have intensively studied a polymer electrolyte membrane that can achieve long-term durability when a polymer electrolyte fuel cell is obtained. Focusing on the need for a film excellent in both tensile rupture strength and tensile rupture elongation, among other mechanical strengths, the polymer electrolyte membrane of the present invention excellent in both tensile rupture strength and tensile rupture elongation was found. .

本発明の高分子電解質膜の引張破断強度として、さらに好ましくは100MPa以上、最も好ましくは120MPa以上である。引張破断強度は大きいほどより好ましいが、大きいほど触媒層との界面抵抗が大きくなる傾向があるので、現実的な上限は1000MPaである。また、引張破断伸度としては、より好ましくは250%以上、さらに好ましくは350%以上である。最も好ましくは、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張破断強度が120MPa以上1000MPa以下、かつ引張破断伸度350%以上1000%以下である。引張破断強度が80MPa未満である場合は、耐クリープ性が不足して薄膜化による破損が発生しやすくなる場合があるので好ましくない。また、引張破断伸度100%未満である場合には、靭性が不足し、長時間発電を続けたり、膨潤乾燥を繰り返すような条件で使用すると膜が破れる場合があり、好ましくない。   The tensile strength at break of the polymer electrolyte membrane of the present invention is more preferably 100 MPa or more, and most preferably 120 MPa or more. The larger the tensile strength at break, the more preferable, but the larger the value, the higher the interfacial resistance with the catalyst layer, so the practical upper limit is 1000 MPa. Further, the tensile elongation at break is more preferably 250% or more, and further preferably 350% or more. Most preferably, the tensile strength at break in an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60% is 120 MPa to 1000 MPa and the tensile elongation at break is 350% to 1000%. When the tensile strength at break is less than 80 MPa, creep resistance is insufficient and damage due to thinning may be easily generated. Further, when the tensile elongation at break is less than 100%, the toughness is insufficient, and the film may be broken if used under conditions where power generation is continued for a long time or swelling and drying are repeated, such being undesirable.

本発明の高分子電解質膜は、長期耐久性の観点から、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張弾性率が0.8GPa以上、5GPa以下であることがより好ましい。さらに好ましくは1GPa以上、3GPa以下、最も好ましくは、1.2GPa以上、2.5GPa以下である。引張弾性率が0.8GPa未満である場合には、耐クリープ性に劣るために長期耐久性が不十分となる場合がある。引張弾性率が5GPaを越える場合には、触媒層との接着に問題があったり、靭性が不十分で膜が破れやすい場合がある。   From the viewpoint of long-term durability, the polymer electrolyte membrane of the present invention more preferably has a tensile elastic modulus of 0.8 GPa or more and 5 GPa or less in an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60%. More preferably, it is 1 GPa or more and 3 GPa or less, Most preferably, it is 1.2 GPa or more and 2.5 GPa or less. When the tensile elastic modulus is less than 0.8 GPa, the long-term durability may be insufficient due to poor creep resistance. If the tensile modulus exceeds 5 GPa, there may be a problem in adhesion to the catalyst layer, or the film may be easily broken due to insufficient toughness.

また、本発明の高分子電解質膜は、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張降伏点強度が30MPa以上であることがより好ましい。さらに、好ましくは、50MPa以上である。30MPa未満である場合には、耐クリープ性に劣るために長期耐久性が不十分となったり、膨潤乾燥を繰り返すような条件で使用すると膜が破れる場合がある。   The polymer electrolyte membrane of the present invention more preferably has a tensile yield point strength of 30 MPa or more in an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60%. Furthermore, Preferably, it is 50 MPa or more. If it is less than 30 MPa, the long-term durability may be insufficient due to poor creep resistance, and the film may be broken if used under conditions such as repeated swelling and drying.

かかる高分子電解質膜の引張破断強度、引張破断伸度、引張弾性率および引張降伏点強度は引張強伸度測定により求められる。引張強伸度測定は、実施例に記載の方法で行う。   The tensile strength at break, tensile elongation at break, tensile modulus, and tensile yield strength of such a polymer electrolyte membrane can be determined by measuring tensile strength and elongation. The tensile strength / elongation measurement is performed by the method described in Examples.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜においては、燃料遮断性や高濃度燃料使用による高エネルギー容量化の観点から、耐溶剤性に優れる、すなわち100℃のN−メチルピロリドンに2時間浸漬後の重量減が70重量%以下であることがより好ましい。液体燃料としてはメタノールなどのアルコール類が使用される場合が多いが、本発明において耐溶剤性評価としてはポリマー種に関係なく優れた溶解性を有するN−メチルピロリドンを用いて評価する。さらに好ましくは50重量%以下、最も好ましくは30重量%以下である。重量減が70重量%を越える場合は、燃料遮断性だけでなく、ポリマー結晶性が不足するために機械強度や物理的耐久性が不十分であったり、高温高濃度のメタノール水溶液を燃料として用いるDMFC用に用いた場合には、膜が溶解したり大きく膨潤するので好ましくない。また、高分子電解質膜に直接、触媒ペーストを塗工して膜電極複合体を作製することが困難となり、製造コストが増大するだけでなく、触媒層との界面抵抗が大きくなり、十分な発電特性が得られない場合がある。かかる高分子電解質材料のN−メチルピロリドンに対する重量減は、実施例の方法で測定する。   The polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention are excellent in solvent resistance, that is, immersed in N-methylpyrrolidone at 100 ° C. for 2 hours from the viewpoint of fuel barrier properties and high energy capacity by using high concentration fuel. More preferably, the subsequent weight loss is 70% by weight or less. Alcohols such as methanol are often used as the liquid fuel. In the present invention, the solvent resistance is evaluated using N-methylpyrrolidone having excellent solubility regardless of the polymer type. More preferably, it is 50 weight% or less, Most preferably, it is 30 weight% or less. When the weight loss exceeds 70% by weight, not only the fuel barrier property but also the polymer crystallinity is insufficient, so that the mechanical strength and physical durability are insufficient, or a high-temperature and high-concentration methanol aqueous solution is used as the fuel. When used for DMFC, it is not preferable because the membrane dissolves or swells greatly. In addition, it becomes difficult to apply a catalyst paste directly to the polymer electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly, which not only increases the manufacturing cost but also increases the interfacial resistance with the catalyst layer, resulting in sufficient power generation. Characteristics may not be obtained. The weight loss of such a polymer electrolyte material relative to N-methylpyrrolidone is measured by the method of the example.

本発明において、耐熱水性、耐熱メタノール性に優れるとはそれぞれ高温水中、高温メタノール中での寸法変化(膨潤)が小さいことを意味する。この寸法変化が大きい場合には、高分子電解質膜として使用している途中に膜が破損してしまったり、膨潤で電極触媒層と剥離し、抵抗が大きくなるので好ましくない。さらに、耐熱水性や耐熱メタノール性に劣る場合には、高濃度メタノール水溶液等の高濃度燃料を使用した場合に、高分子電解質膜や触媒層のバインダーが溶解するので好ましくない。これら耐熱水性、耐熱メタノール性の特性はいずれも高分子電解質型燃料電池に使用される電解質ポリマーに要求される重要な特性である。   In the present invention, being excellent in hot water resistance and hot methanol resistance means that the dimensional change (swelling) in hot water and hot methanol is small. If this dimensional change is large, the membrane may be broken during use as a polymer electrolyte membrane, or it may swell and peel from the electrode catalyst layer, resulting in an increase in resistance. Furthermore, when the hot water resistance or the hot methanol property is inferior, when a high concentration fuel such as a high concentration methanol aqueous solution is used, the polymer electrolyte membrane and the binder of the catalyst layer dissolve, which is not preferable. These hot water resistance and hot methanol properties are both important characteristics required for the electrolyte polymer used in the polymer electrolyte fuel cell.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜に用いられるイオン性基含有ポリマーは炭化水素系ポリマーであることがより好ましい。本発明でいうイオン性基含有炭化水素系ポリマーとは、パーフルオロ系ポリマー以外のイオン性基を有するポリマーのことを意味している。   The ionic group-containing polymer used in the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention is more preferably a hydrocarbon polymer. The ionic group-containing hydrocarbon polymer referred to in the present invention means a polymer having an ionic group other than a perfluoro polymer.

ここで、パーフルオロ系ポリマーとは、該ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。本明細書においては、ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の85%以上がフッ素原子で置換されたポリマーを、パーフルオロ系ポリマーと定義する。   Here, the perfluoro polymer means a polymer in which most or all of the hydrogen atoms in the alkyl group and / or alkylene group in the polymer are substituted with fluorine atoms. In the present specification, a polymer in which 85% or more of hydrogen of an alkyl group and / or an alkylene group in a polymer is substituted with a fluorine atom is defined as a perfluoro polymer.

本発明のイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの代表例としては、Nafion(登録商標)(デュポン社製)、フレミオン(登録商標)(旭硝子社製)およびアシプレックス(登録商標)(旭化成社製)などの市販品を挙げることができる。これらのイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの構造は下記一般式(N1)で表すことができる。   Representative examples of the perfluoro polymer having an ionic group of the present invention include Nafion (registered trademark) (manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark) (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and Aciplex (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.). ) And other commercial products. The structure of the perfluoro polymer having these ionic groups can be represented by the following general formula (N1).

Figure 2007204578
Figure 2007204578

[式(N1)中、n、nはそれぞれ独立に自然数を表す。kおよびkはそれぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
これらイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーは、ポリマー中の疎水性部分と親水性部分が明確な相構造を形成するために、含水状態ではポリマー中にクラスターと呼ばれる水のチャンネルが形成される。この水チャンネル中はメタノールなどの燃料の移動が容易であり、燃料クロスオーバー低減が望めない。嵩高い側鎖のために、示差走査熱量分析法で結晶化ピークは認められないので好ましくない。また、ポリマー分子鎖のパッキングが悪いために、引裂強度や引張破断強度が小さいので好ましくない。
[In formula (N1), n 1 and n 2 each independently represents a natural number. k 1 and k 2 each independently represent an integer of 0 to 5. ]
In the perfluoro-based polymer having these ionic groups, a hydrophobic portion and a hydrophilic portion in the polymer form a clear phase structure, so that a water channel called a cluster is formed in the polymer in a water-containing state. In such a water channel, fuel such as methanol can easily move, and a reduction in fuel crossover cannot be expected. Due to the bulky side chain, no crystallization peak is observed in the differential scanning calorimetry, which is not preferable. Moreover, since the packing of the polymer molecular chain is poor, the tear strength and tensile strength at break are small, which is not preferable.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜を得るための具体的な例を挙げる。本発明の高分子電解質材料は、保護基を有するイオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料から該保護基の少なくとも一部を脱保護せしめることにより得ることが出来る。また、本発明の高分子電解質膜は、保護基を有するイオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料を膜状に成型した後、成型された高分子電解質膜の該保護基の少なくとも一部を脱保護せしめることにより得ることが出来るがこれに限定されるものではない。   Specific examples for obtaining the polymer electrolyte material and polymer electrolyte membrane of the present invention will be given. The polymer electrolyte material of the present invention can be obtained by deprotecting at least a part of the protecting group from the polymer electrolyte material comprising an ionic group-containing polymer having a protecting group. In the polymer electrolyte membrane of the present invention, a polymer electrolyte material made of an ionic group-containing polymer having a protective group is molded into a film shape, and then at least a part of the protective group of the molded polymer electrolyte membrane is formed. Although it can obtain by deprotecting, it is not limited to this.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜を得るためのその他の達成手段としては、融解温度がイオン性基の熱分解温度よりも低い結晶性イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料、あるいは、耐熱性が極めて高く溶融成型が可能な結晶性イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料を作製し、溶融成型する方法、有機化合物、ポリマー、有機金属等とのポリマー錯体を形成させた高分子電解質材料から有機化合物、ポリマー、有機金属を除去する方法等が挙げられる。   As other achievement means for obtaining the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention, a polymer electrolyte material comprising a crystalline ionic group-containing polymer whose melting temperature is lower than the thermal decomposition temperature of the ionic group, Alternatively, a polymer electrolyte material made of a crystalline ionic group-containing polymer having extremely high heat resistance and capable of being melt-molded was produced, and a polymer complex with an organic compound, polymer, organic metal, or the like was formed by a melt-molding method. Examples thereof include a method of removing an organic compound, a polymer, and an organic metal from the polymer electrolyte material.

本発明に使用する保護基の具体例としては、有機合成で一般的に用いられる保護基があげられ、該保護基とは、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基であり、反応性の高い官能基を保護し、その後の反応に対して不活性とするものであり、反応後に脱保護して元の官能基に戻すことのできるものである。すなわち、保護される官能基と対となるものであり、例えばt−ブチル基を水酸基の保護基として用いる場合があるが、同じt−ブチル基がアルキレン鎖に導入されている場合は、これを保護基とは呼ばない。保護基を導入する反応を保護(反応)、除去する反応を脱保護(反応)と呼称される。   Specific examples of the protecting group used in the present invention include protecting groups generally used in organic synthesis, and the protecting group is temporarily introduced on the assumption that it is removed at a later stage. It is a substituent that protects a highly reactive functional group and renders it inactive to the subsequent reaction, and can be deprotected and returned to the original functional group after the reaction. That is, it is a pair with a functional group to be protected. For example, a t-butyl group may be used as a protective group for a hydroxyl group, but when the same t-butyl group is introduced into an alkylene chain, It is not called a protecting group. The reaction for introducing a protecting group is called protection (reaction), and the reaction for removal is called deprotection (reaction).

このような保護反応としては、例えば、セオドア・ダブリュー・グリーン(Theodora W. Greene)、「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)、米国、ジョン ウイリー アンド サンズ(John Wiley & Sons, Inc)、1981、に詳しく記載されており、これらが好ましく使用できる。保護反応および脱保護反応の反応性や収率、保護基含有状態の安定性、製造コスト等を考慮して適宜選択することが可能である。また、重合反応において保護基を導入する段階としては、モノマー段階からでも、オリゴマー段階からでも、ポリマー段階でもよく、便宜選択することが可能である。   Such protection reactions include, for example, Theodora W. Greene, “Protective Groups in Organic Synthesis”, US, John Wiley & Sons, Inc), 1981, which can be preferably used. It can be appropriately selected in consideration of the reactivity and yield of the protection reaction and deprotection reaction, the stability of the protecting group-containing state, the production cost, and the like. In addition, the stage for introducing a protecting group in the polymerization reaction may be from the monomer stage, the oligomer stage, or the polymer stage, and can be selected for convenience.

保護反応の具体例を挙げるとすれば、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/脱保護する方法が挙げられる。これらの方法については、前記「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)のチャプター4に記載されている。また、スルホン酸と可溶性エステル誘導体との間で保護/脱保護する方法、芳香環に可溶性基としてt−ブチル基を導入および酸で脱t−ブチル化して保護/脱保護する方法等が挙げられる。しかしながら、これらに限定されることなく、保護基であれば好ましく使用できる。一般的な溶剤に対する溶解性を向上させる点では、立体障害が大きいという点で脂肪族基、特に環状部分を含む脂肪族基が保護基として好ましく用いられる。   Specific examples of the protection reaction include protecting / deprotecting a ketone moiety with an acetal or ketal moiety, and protecting / deprotecting a ketone moiety with a heteroatom analog of the acetal or ketal moiety, such as thioacetal or thioketal. The method of doing is mentioned. These methods are described in Chapter 4 of “Protective Groups in Organic Synthesis”. Further, a method for protecting / deprotecting between a sulfonic acid and a soluble ester derivative, a method for protecting / deprotecting by introducing a t-butyl group as a soluble group into an aromatic ring and det-butylating with an acid, etc. . However, it is not limited to these, and any protective group can be preferably used. In terms of improving the solubility in a general solvent, an aliphatic group, particularly an aliphatic group containing a cyclic moiety, is preferably used as a protective group in terms of large steric hindrance.

保護基を導入する官能基の位置としては、ポリマーの主鎖であることがより好ましい。本発明の高分子電解質材料は、加工性向上を目的としてパッキングが良いポリマーに保護基を導入することから、ポリマーの側鎖部分に保護基を導入しても本発明の効果が十分に得られない場合がある。ここで、ポリマーの主鎖に存在する官能基とは、その官能基を削除した場合にポリマー鎖が切れてしまう官能基と定義する。例えば、芳香族ポリエーテルケトンのケトン基を削除するとベンゼン環とベンゼン環が切れてしまうことを意味するものである。   The position of the functional group for introducing the protective group is more preferably the main chain of the polymer. Since the polymer electrolyte material of the present invention introduces a protecting group into a polymer having good packing for the purpose of improving processability, the effect of the present invention can be sufficiently obtained even if a protecting group is introduced into the side chain portion of the polymer. There may not be. Here, the functional group present in the main chain of the polymer is defined as a functional group that breaks the polymer chain when the functional group is deleted. For example, this means that if the ketone group of the aromatic polyether ketone is deleted, the benzene ring and the benzene ring are broken.

保護反応としては、反応性や安定性の点で、さらに好ましくは、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオアセタールやチオケタール、で保護/脱保護する方法である。本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜において、保護基を含む構成単位として、より好ましくは下記一般式(P1)および(P2)から選ばれる少なくとも1種を含有するものである。   In terms of reactivity and stability, the protection reaction is more preferably a method of protecting / deprotecting a ketone moiety with an acetal or ketal moiety, a heteroatom analog of the ketone moiety with an acetal or ketal moiety, such as thioacetal, This is a method of protecting / deprotecting with thioketal. The polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably contain at least one selected from the following general formulas (P1) and (P2) as a structural unit containing a protective group.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(一般式(P1)および(P2)において、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基、RおよびRはHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、Rは任意のアルキレン基、EはOまたはSを表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。一般式(P1)および(P2)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
なかでも、化合物の臭いや反応性、安定性等の点で、前記一般式(P1)および(P2)において、EがOである、すなわち、ケトン部位をアセタールまたはケタール部位で保護/脱保護する方法が最も好ましい。
(In the general formulas (P1) and (P2), Ar 1 to Ar 4 are any divalent arylene group, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and an alkyl group, and R 3 is any And E represents O or S, and each may represent two or more groups, and the groups represented by the general formulas (P1) and (P2) may be optionally substituted.)
Among them, in the general formulas (P1) and (P2), E is O in terms of the odor, reactivity, stability, etc. of the compound, that is, the ketone moiety is protected / deprotected with an acetal or ketal moiety. The method is most preferred.

本発明のイオン性基含有ポリマーは、機械強度、物理的耐久性および化学的安定性などの点から、炭化水素系ポリマーの中でも主鎖に芳香環を有するポリマーがさらに好ましい。すなわち、主鎖に芳香環を有するポリマーであって、イオン性基を有するものである。主鎖構造は、芳香環を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度、物理的耐久性を有するものが好ましい。   The ionic group-containing polymer of the present invention is more preferably a polymer having an aromatic ring in the main chain among hydrocarbon polymers from the viewpoint of mechanical strength, physical durability and chemical stability. That is, it is a polymer having an aromatic ring in the main chain and having an ionic group. The main chain structure is not particularly limited as long as it has an aromatic ring, but a main chain structure having sufficient mechanical strength and physical durability, for example, used as an engineering plastic is preferable.

本発明のイオン性基含有ポリマーに使用する主鎖に芳香環を有するポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーが挙げられる。   Specific examples of the polymer having an aromatic ring in the main chain used in the ionic group-containing polymer of the present invention include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyparaphenylene. , Polyarylene polymers, polyarylene ketones, polyether ketones, polyarylene phosphine oxides, polyether phosphine oxides, polybenzoxazoles, polybenzthiazoles, polybenzimidazoles, polyamides, polyimides, polyetherimides, polyimidesulfones, etc. Examples thereof include polymers containing at least one component.

なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造を限定するものではない。   Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in the molecular chain thereof. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and does not limit the specific polymer structure.

前記主鎖に芳香環を有するポリマーのなかでも、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド等のポリマーが、機械強度、物理的耐久性、加工性および耐加水分解性の面からより好ましい。   Among the polymers having an aromatic ring in the main chain, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyarylene ketone, polyether ketone, polyarylene phosphine oxide, poly Polymers such as ether phosphine oxide are more preferred from the viewpoints of mechanical strength, physical durability, processability and hydrolysis resistance.

具体的には下記一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーが挙げられる。   Specifically, a polymer containing an aromatic group in the main chain having a repeating unit represented by the following general formula (T1) can be given.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(ここで、Z、Zは芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。ZおよびZの少なくとも1種のうち、少なくとも一部はイオン性基を含有する。Yは電子吸引性基を表す。YはOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
かかる一般式(T1)で示される繰返し単位を有する主鎖に芳香族を含有するポリマーの中でも、一般式(T1−1)〜一般式(T1−6)で示される繰返し単位を有するポリマーは耐加水分解性、機械強度、物理的耐久性および製造コストの点でより好ましい。なかでも、機械強度、物理的耐久性や製造コストの面から、YがOである芳香族ポリエーテル系重合体がさらに好ましく、最も好ましくは一般式(T1−3)で示される繰返し単位を有するもの、すなわち、Y1が−CO−基、Y2がOである芳香族ポリエーテルケトン系重合体が最も好ましい。
(Here, Z 1 and Z 2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. At least one of Z 1 and Z 2 is ionic.) Y 1 represents an electron-withdrawing group, Y 2 represents O or S. a and b each independently represent 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.)
Among the polymers containing aromatic groups in the main chain having the repeating unit represented by the general formula (T1), the polymers having the repeating units represented by the general formula (T1-1) to the general formula (T1-6) are resistant to It is more preferable in terms of hydrolyzability, mechanical strength, physical durability and production cost. Among these, from the viewpoint of mechanical strength, physical durability, and production cost, an aromatic polyether polymer in which Y 2 is O is more preferable, and the repeating unit represented by the general formula (T1-3) is most preferable. The aromatic polyetherketone-based polymer in which Y1 is a -CO- group and Y2 is O is most preferable.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(ここで、Z、Zは芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。ZおよびZの少なくとも1種のうち、少なくとも一部はイオン性基を含有する。aおよびbはそれぞれ独立に0または正の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
およびZとして好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェエニレン基である。これらはイオン性基を含有するものを含む。また、イオン性基以外の基で置換されていてもよいが、無置換である方が結晶性付与の点でより好ましい。さらに、好ましくはフェニレン基とイオン性基を有するフェニレン基、最も好ましくはp−フェニレン基とイオン性基を有するp−フェニレン基である。
(Here, Z 1 and Z 2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. At least one of Z 1 and Z 2 is ionic.) A and b each independently represents 0 or a positive integer, provided that a and b are not 0 at the same time.)
Preferred organic groups as Z 1 and Z 2 are a phenylene group, a naphthylene group, and a biphenylene group. These include those containing ionic groups. Moreover, although you may substitute by groups other than an ionic group, the direction where it is unsubstituted is more preferable at the point of crystallinity provision. Furthermore, a phenylene group having a phenylene group and an ionic group is preferable, and a p-phenylene group having a p-phenylene group and an ionic group is most preferable.

一般式(T1−4)におけるRで示される有機基の好ましい例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点ではRとして最も好ましいのはフェニル基である。 Preferred examples of the organic group represented by R p in the general formula (T1-4) include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, a vinyl group, an allyl group, and a benzyl group. A phenyl group, a naphthyl group, a phenylphenyl group, and the like. From the viewpoint of industrial availability, the most preferable R p is a phenyl group.

本発明において、芳香族ポリエーテル系重合体とは、主として芳香環から構成される重合体において、芳香環ユニットが連結する様式としてエーテル結合が含まれているものをいう。エーテル結合以外に、直接結合、ケトン、スルホン、スルフィド、各種アルキレン、イミド、アミド、エステル、ウレタン等、芳香族系ポリマーの形成に一般的に使用される結合様式が存在していても良い。エーテル結合は主構成成分の繰り返し単位あたり1個以上あることが好ましい。芳香環は炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環などを含んでいても良い。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもかまわない。芳香族ユニットは、アルキル基、アルコキシ基、芳香族基、アリロキシ基等の炭化水素系基、ハロゲン基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン化アルキル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、水酸基等、任意の置換基を有していても良い。   In the present invention, the aromatic polyether-based polymer refers to a polymer mainly composed of an aromatic ring and containing an ether bond as a mode in which the aromatic ring units are connected. In addition to the ether bond, there may be a bond mode generally used for forming an aromatic polymer such as a direct bond, ketone, sulfone, sulfide, various alkylenes, imides, amides, esters, and urethanes. The ether bond is preferably at least one per repeating unit of the main constituent component. The aromatic ring may include not only a hydrocarbon aromatic ring but also a hetero ring. Further, a part of the aliphatic units may constitute a polymer together with the aromatic ring unit. Aromatic units include hydrocarbon groups such as alkyl groups, alkoxy groups, aromatic groups, allyloxy groups, halogen groups, nitro groups, cyano groups, amino groups, halogenated alkyl groups, carboxyl groups, phosphonic acid groups, hydroxyl groups, etc. And may have an arbitrary substituent.

芳香族ポリエーテル系重合体が直接結合等のエーテル結合以外の結合様式を含む場合においても、加工性向上の点から、導入される保護基の位置としては芳香族エーテル系重合体部分であることがより好ましい。   Even when the aromatic polyether polymer contains a bonding mode other than an ether bond such as a direct bond, the position of the protective group to be introduced is the aromatic ether polymer part from the viewpoint of improving processability. Is more preferable.

ここで、芳香族ポリエーテルケトン系重合体とは、その分子鎖に少なくともエーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホン、ポリエーテルケトンホスフィンオキシド、ポリエーテルケトンニトリルなどを含むとともに、特定のポリマー構造を限定するものではない。ホスフィンオキシドやニトリルを多量に含有するものは、保護基を有するイオン性基含有ポリマーにおける溶剤可溶性が不足する場合があり、また、スルホンを多量に含む場合は耐熱メタノール性や耐熱水性等の耐溶剤性が不足する場合がある。   Here, the aromatic polyether ketone polymer is a general term for polymers having at least an ether bond and a ketone bond in the molecular chain, and is a polyether ketone, a polyether ketone ketone, a polyether ether ketone, a poly ether. It includes ether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone, polyether ketone phosphine oxide, polyether ketone nitrile and the like, and does not limit the specific polymer structure. Those containing a large amount of phosphine oxide or nitrile may have insufficient solvent solubility in the ionic group-containing polymer having a protecting group, and if they contain a large amount of sulfone, they are resistant to solvents such as heat-resistant methanol and hot water. Sexuality may be insufficient.

本発明のイオン性基含有ポリマーにおいて、一般式(P1)中のRおよびRとしては、安定性の点でアルキル基であることがより好ましく、さらに好ましくは炭素数1〜6のアルキル基、最も好ましく炭素数1〜3のアルキル基である。また、一般式(P2)中のRとしては、安定性の点で炭素数1〜7のアルキレン基であることがより好ましく、最も好ましくは炭素数1〜4のアルキレン基である。R3の具体例としては、―CHCH―、―CH(CH )CH ―、―CH(CH)CH(CH)―、―C(CH3 )CH ―、―C(CH CH(CH)―、―C(CHO(CH―、―CHCHCH ―、―CHC(CHCH―等があげられるが、これらに限定されるものではない。 In the ionic group-containing polymer of the present invention, R 1 and R 2 in the general formula (P1) are more preferably an alkyl group in terms of stability, and more preferably an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. And most preferably an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. Moreover, as R < 3 > in general formula (P2), it is more preferable that it is a C1-C7 alkylene group from a stability point, Most preferably, it is a C1-C4 alkylene group. Specific examples of R3 include —CH 2 CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH (CH 3 ) —, —C (CH 3 ) 2 CH 2 —, —C ( CH 3 ) 2 CH (CH 3 ) —, —C (CH 3 ) 2 O (CH 3 ) 2 —, —CH 2 CH 2 CH 2 —, —CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 — and the like. However, it is not limited to these.

本発明に使用するイオン性基含有ポリマーとしては、前記一般式(P1)または(P2)構成単位のなかでも、耐加水分解性などの安定性の点から少なくとも前記一般式(P2)を有するものがより好ましく用いられる。さらに、前記一般式(P2)のRとしては炭素数1〜7のアルキレン基、すなわち、Cn12n1(n1は1〜7の整数)で表される基であることが好ましく、安定性、合成の容易さの点から―CHCH―、―CH(CH )CH ―、または―CHCHCH―から選ばれた少なくとも1種であることが最も好ましい。 The ionic group-containing polymer used in the present invention has at least the general formula (P2) in terms of stability such as hydrolysis resistance among the structural units of the general formula (P1) or (P2). Is more preferably used. Furthermore, R 3 in the general formula (P2) is preferably an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, that is, a group represented by C n1 H 2n1 (n1 is an integer of 1 to 7). From the viewpoint of ease of synthesis, at least one selected from —CH 2 CH 2 —, —CH (CH 3 ) CH 2 —, and —CH 2 CH 2 CH 2 — is most preferable.

前記一般式(P1)および(P2)中のAr〜Arとして好ましい有機基は、フェニレン基、ナフチレン基、またはビフェニレン基である。これらは任意に置換されていてもよい。本発明のイオン性基含有ポリマーとしては、溶解性および原料入手の容易さから、前記一般式(P2)中のArおよびArが共にフェニレン基である、すなわち下記一般式(P3)で表される構成単位を含有することがより好ましく、最も好ましくはArおよびArが共にp−フェニレン基である。 A preferable organic group as Ar 1 to Ar 4 in the general formulas (P1) and (P2) is a phenylene group, a naphthylene group, or a biphenylene group. These may be optionally substituted. As the ionic group-containing polymer of the present invention, Ar 3 and Ar 4 in the general formula (P2) are both phenylene groups, that is, represented by the following general formula (P3) because of solubility and easy availability of raw materials. More preferably, Ar 3 and Ar 4 are both p-phenylene groups.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(一般式(P3)において、n1は1〜7の整数である。一般式(P3)で表される構成単位は任意に置換されていてもよい。)
本発明に使用する芳香族ポリエーテル系重合体の合成方法については、実質的に十分な高分子量化が可能な方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
(In General Formula (P3), n1 is an integer of 1 to 7. The structural unit represented by General Formula (P3) may be optionally substituted.)
The method for synthesizing the aromatic polyether polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of substantially increasing the molecular weight. For example, the aromatic active dihalide compound and 2 It can be synthesized using an aromatic nucleophilic substitution reaction of a polyhydric phenol compound or an aromatic nucleophilic substitution reaction of a halogenated aromatic phenol compound.

具体的には、例えば前記一般式(P1)および(P2)で表される構成単位を含有する芳香族ポリエーテル系重合体は、2価フェノール化合物としてそれぞれ下記一般式(P1−1)および(P2−1)で表される化合物を使用し、芳香族活性ジハライド化合物との芳香族求核置換反応により合成することが可能である。前記一般式(P1)および(P2)で表される構成単位が2価フェノール化合物、芳香族活性ジハライド化合物のどちら側由来でも構わないが、モノマーの反応性の反応性を考慮して2価フェノール化合物由来と使用する方がより好ましい。   Specifically, for example, aromatic polyether polymers containing the structural units represented by the general formulas (P1) and (P2) are represented by the following general formulas (P1-1) and ( It is possible to synthesize by an aromatic nucleophilic substitution reaction with an aromatic active dihalide compound using the compound represented by P2-1). The structural units represented by the general formulas (P1) and (P2) may be derived from either the divalent phenol compound or the aromatic active dihalide compound, but the divalent phenol is considered in consideration of the reactivity of the monomer. More preferably, it is derived from a compound.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(一般式(P1―1)および(P2―1)において、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基、RおよびRはHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、Rは任意のアルキレン基、EはOまたはSを表す。一般式(P1−1)および一般式(P2−1)で表される化合物は任意に置換されていてもよい。)
本発明に使用する、特に好ましい2価フェノール化合物の具体例としては、下記一般式(r1)〜(r10)で表される化合物、並びにこれらの2価フェノール化合物由来の誘導体が挙げることができる。
(In the general formulas (P1-1) and (P2-1), Ar 1 to Ar 4 are any divalent arylene group, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and an alkyl group, R 3 represents an arbitrary alkylene group, and E represents O or S. The compounds represented by the general formula (P1-1) and the general formula (P2-1) may be optionally substituted.
Specific examples of particularly preferred dihydric phenol compounds used in the present invention include compounds represented by the following general formulas (r1) to (r10), and derivatives derived from these dihydric phenol compounds.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

これら2価フェノール化合物のなかでも、安定性の点から一般式(r4)〜(r10)で表される化合物がより好ましく、さらに好ましくは一般式(r4)、(r5)および(r9)で表される化合物、最も好ましくは一般式(r4)で表される化合物である。   Among these dihydric phenol compounds, the compounds represented by the general formulas (r4) to (r10) are more preferable from the viewpoint of stability, and more preferably the compounds represented by the general formulas (r4), (r5), and (r9). The compound represented by the general formula (r4) is most preferred.

本発明において、ケトン部位をアセタールおよび/またはケタールで保護する方法としては、ケトン基を有する前駆体化合物を、酸触媒存在下で1官能および/または2官能アルコールと反応させる方法が挙げられる。例えば、ケトン前駆体の4,4’―ジヒドロキシベンゾフェノンと1官能および/または2官能アルコール、脂肪族又は芳香族炭化水素などの溶媒中で臭化水素などの酸触媒の存在下で反応させることによって製造できる。アルコールは炭素数1〜20の脂肪族アルコールである。本発明に使用するアセタールおよび/またはケタールモノマーを製造するための改良法は、ケトン前駆体の4,4’―ジヒドロキシベンゾフェノンと2官能アルコールをアルキルオルトエステル及び固体触媒の存在下に反応させることからなる。   In the present invention, a method for protecting a ketone moiety with an acetal and / or ketal includes a method in which a precursor compound having a ketone group is reacted with a monofunctional and / or bifunctional alcohol in the presence of an acid catalyst. For example, by reacting the ketone precursor 4,4′-dihydroxybenzophenone in a solvent such as a monofunctional and / or difunctional alcohol, aliphatic or aromatic hydrocarbon in the presence of an acid catalyst such as hydrogen bromide. Can be manufactured. The alcohol is an aliphatic alcohol having 1 to 20 carbon atoms. An improved method for producing acetal and / or ketal monomers for use in the present invention is to react the ketone precursor 4,4'-dihydroxybenzophenone with a bifunctional alcohol in the presence of an alkyl orthoester and a solid catalyst. Become.

最も好ましいケタールモノマーは、4,4’―ジヒドロキシベンゾフェノン、過剰のグリコール、過剰のオルトぎ酸トリアルキル及びケトン1gにつき約0.1〜約5gのモンモリロナイトクレイK−10、好ましくはケトン1gにつき約0.5〜約2.5gのクレイの混合物を該オルトぎ酸エステルから得られるアルコールを留去するように加熱することによって製造される。ケタール含有モノマーの2,2―ビス(4―ヒドロキシフェニル)―1,3―ジオキソランは、48時間以内の反応時間で優れた収率(60%〜ほとんど定量的)で得ることができる。   The most preferred ketal monomers are 4,4'-dihydroxybenzophenone, excess glycol, excess trialkyl orthoformate and about 0.1 to about 5 g of montmorillonite clay K-10, preferably about 0.5 to about 0.5 g of ketone. It is produced by heating a mixture of 2.5 g of clay to distill off the alcohol obtained from the orthoformate. The ketal-containing monomer 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane can be obtained in excellent yield (60% to almost quantitative) with a reaction time within 48 hours.

本発明において、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とする方法は特に限定されるものではない。前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性の観点からは、膜等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を塩酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。   In the present invention, the method for deprotecting at least a part of the ketone moiety protected with acetal and / or ketal to form a ketone moiety is not particularly limited. The deprotection reaction can be performed in the presence of water and acid under non-uniform or uniform conditions, but from the viewpoint of mechanical strength, physical durability, and solvent resistance, after being molded into a film or the like The method of acid treatment with is more preferable. Specifically, it is possible to deprotect the molded membrane by immersing it in an aqueous hydrochloric acid solution, and the acid concentration and the aqueous solution temperature can be appropriately selected.

ポリマーに対して必要な酸性水溶液の重量比は、好ましくは1〜100倍であるけれども更に大量の水を使用することもできる。酸触媒は好ましくは存在する水の0.1〜50重量%の濃度において使用する。好適な酸触媒としては塩酸、硝酸、フルオロスルホン酸、硫酸などのような強鉱酸、及びp−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンルスホン酸などのような強有機酸が挙げられる。ポリマーの膜厚等に応じて、酸触媒及び過剰水の量、反応圧力などは適宜選択できる。   The weight ratio of the acidic aqueous solution required for the polymer is preferably 1 to 100 times, but a larger amount of water can be used. The acid catalyst is preferably used at a concentration of 0.1 to 50% by weight of water present. Suitable acid catalysts include strong mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid, fluorosulfonic acid, sulfuric acid, and strong organic acids such as p-toluenesulfonic acid, trifluoromethane sulfonic acid, and the like. Depending on the film thickness of the polymer and the like, the amount of acid catalyst and excess water, reaction pressure, and the like can be appropriately selected.

例えば、膜厚50μmの膜であれば、6N塩酸水溶液に例示されるような酸性水溶液中に浸漬し、95℃で1〜48時間加熱することにより、容易にほぼ全量を脱保護することが可能である。また、25℃の1N塩酸水溶液に24時間浸漬しても、大部分の保護基を脱保護することは可能である。ただし、脱保護の条件としてはこれらに限定される物ではなく、酸性ガスや有機酸等で脱保護したり、熱処理によって脱保護しても構わない。   For example, if it is a film with a thickness of 50 μm, it can be easily deprotected by immersing it in an acidic aqueous solution as exemplified by a 6N hydrochloric acid aqueous solution and heating at 95 ° C. for 1 to 48 hours. It is. Further, even when immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution at 25 ° C. for 24 hours, most of the protecting groups can be deprotected. However, the deprotection conditions are not limited to these, and the deprotection may be performed with an acid gas, an organic acid, or the like, or may be deprotected by heat treatment.

前記芳香族活性ジハライド化合物としては、2価フェノール化合物との芳香族求核置換反応により高分子量化が可能なものであれば、特に限定される物ではない。芳香族活性ジハライド化合物のより好適な具体例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。中でも4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが結晶性付与、機械強度や物理的耐久性、耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点からより好ましく、重合活性の点から4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。   The aromatic active dihalide compound is not particularly limited as long as it can have a high molecular weight by an aromatic nucleophilic substitution reaction with a dihydric phenol compound. More preferable specific examples of the aromatic active dihalide compound include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 4,4′-difluorodiphenyl ketone, 4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile and the like can be mentioned. Among these, 4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoints of imparting crystallinity, mechanical strength, physical durability, heat resistance methanol resistance, and fuel crossover suppressing effect, and polymerization activity. To 4,4′-difluorodiphenyl ketone. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.

芳香族活性ジハライド化合物として、4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンを用いて合成した高分子電解質材料としては、下記一般式(P4)で表される構成部位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。該芳香族ポリエーテル系重合体は、前記一般式(P3)中のケタール部位を脱保護し、ケトン基に変換した構成単位であり、分子間凝集力や結晶性を付与する成分となり、燃料として使用されるメタノール水中の高温での寸法安定性、機械強度、物理的耐久性、さらに水素を燃料とする高分子電解質型燃料電池においては高引裂強度や膨潤・乾燥の繰り返し耐性に優れた材料に有効な成分となるので好ましく用いられる。   As a polymer electrolyte material synthesized using 4,4′-dichlorodiphenyl ketone or 4,4′-difluorodiphenyl ketone as the aromatic active dihalide compound, a constituent represented by the following general formula (P4) is further included. It is included and is preferably used. The aromatic polyether-based polymer is a structural unit obtained by deprotecting the ketal site in the general formula (P3) and converting it into a ketone group, which becomes a component that imparts intermolecular cohesion and crystallinity, and serves as a fuel. Highly dimensional stability, mechanical strength, physical durability in methanol water used, and a material excellent in high tear strength and repeated swelling / drying resistance in polymer electrolyte fuel cells using hydrogen as fuel. Since it becomes an effective component, it is preferably used.

Figure 2007204578
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(一般式(P4)で表される構成単位は任意に置換されていてもよいが、イオン性基は含有しない。)
本発明に使用される芳香族ポリエーテル系重合体としては、前記一般式(P1)および/または(P2)ならびに前記一般式(P4)で表される構成単位とともに、下記一般式(P5)で表される構成単位を有するもので例示されるイオン性基を有するモノマーも好ましく併用される。芳香族活性ジハライド化合物にイオン酸基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、イオン性基の量を精密制御が可能な点から好ましい。イオン性基としてスルホン酸基を有するモノマーの例としては、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。
(The structural unit represented by the general formula (P4) may be optionally substituted, but does not contain an ionic group.)
The aromatic polyether polymer used in the present invention includes the following general formula (P5) together with the structural unit represented by the general formula (P1) and / or (P2) and the general formula (P4). Monomers having an ionic group exemplified by those having a structural unit represented are also preferably used in combination. It is preferable to use a compound in which an ionic acid group is introduced into an aromatic active dihalide compound as a monomer because the amount of the ionic group can be precisely controlled. Examples of monomers having sulfonic acid groups as ionic groups include 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylphenylphosphine And oxide, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, and the like.

プロトン伝導度および耐加水分解性の点からイオン性基としてはスルホン酸基が最も好ましいが、本発明に使用されるイオン性基を有するモノマーは他のイオン性基を有していても構わない。なかでも耐熱メタノール性、燃料クロスオーバー抑制効果の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。   In terms of proton conductivity and hydrolysis resistance, a sulfonic acid group is most preferable as an ionic group, but the monomer having an ionic group used in the present invention may have another ionic group. . Among these, 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone and 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoint of heat resistance methanol resistance and fuel crossover suppression effect. From the viewpoint of polymerization activity, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is most preferred.

イオン性基を有するモノマーとして、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンを用いて合成した高分子電解質材料としては、下記一般式(P5)で表される構成単位をさらに含むものとなり、好ましく用いられる。該芳香族ポリエーテル系重合体は、ケトン基の有する高い結晶性の特性に加え、スルホン基よりも耐熱メタノール性に優れる成分となり、燃料として使用されるメタノール水中の高温での寸法安定性、機械強度、物理的耐久性に優れた材料に有効な成分となるのでさらに好ましく用いられる。これらのスルホン酸基は重合の際には、スルホン酸基が1価カチオン種との塩になっていることが好ましい。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。   Polymer electrolyte material synthesized using 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone as a monomer having an ionic group Is further preferably used because it further contains a structural unit represented by the following general formula (P5). The aromatic polyether polymer has a high crystallinity characteristic of a ketone group, and is a component superior in heat-resistant methanol property to a sulfone group, and has high dimensional stability at high temperatures in methanol water used as a fuel. Since it becomes an effective component for a material excellent in strength and physical durability, it is more preferably used. These sulfonic acid groups are preferably salted with a monovalent cationic species during polymerization. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but a plurality of aromatic active dihalide compounds can also be used in combination.

Figure 2007204578
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(一般式(P5)中、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオン、a1およびa2は1〜4の整数を表す。一般式(P5)で表される構成単位はさらに任意に置換されていてもよい。)
芳香族活性ジハライド化合物と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応により、芳香族ポリエーテル系重合体を得る場合には、前記2価フェノール化合物として少なくとも前記一般式(P1−1)および/または(P2−1)で表されるものを使用することが必要であるが、他の2価フェノール化合物を併用することも可能である。共重合させる2価フェノール化合物のとしては、芳香族求核置換反応による芳香族ポリエーテル系重合体の重合に用いることができる各種2価フェノール化合物を使用することができ、特に限定されるものではない。また、これらの芳香族ジヒドロキシ化合物にスルホン酸基が導入されたものをモノマーとして用いることもできる。
(In General Formula (P5), M 1 and M 2 represent hydrogen, a metal cation, an ammonium cation, and a 1 and a 2 each represent an integer of 1 to 4. The structural unit represented by General Formula (P5) is further optionally substituted. May be.)
When an aromatic polyether polymer is obtained by an aromatic nucleophilic substitution reaction of an aromatic active dihalide compound and a divalent phenol compound, at least the general formula (P1-1) and / or the divalent phenol compound is obtained. Although it is necessary to use what is represented by (P2-1), it is also possible to use other dihydric phenol compounds together. As the dihydric phenol compound to be copolymerized, various dihydric phenol compounds that can be used for the polymerization of an aromatic polyether polymer by an aromatic nucleophilic substitution reaction can be used. Absent. Moreover, what introduce | transduced the sulfonic acid group into these aromatic dihydroxy compounds can also be used as a monomer.

また、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物としても特に制限されることはないが、4−ヒドロキシ−4’−クロロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−クロロジフェニルスルホン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロジフェニルスルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)ケトン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)ケトン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、2種以上の混合物として使用することもできる。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応においてこれらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系化合物を合成しても良い。   The halogenated aromatic hydroxy compound is not particularly limited, but 4-hydroxy-4′-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4′-chlorodiphenyl sulfone, 4-hydroxy-4′-fluorodiphenylsulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) sulfone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) sulfone, 4- (4′- Examples thereof include hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) ketone, 4- (4′-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) ketone, and the like. These can be used alone or in a mixture of two or more. Further, in the reaction of the activated dihalogenated aromatic compound and the aromatic dihydroxy compound, these halogenated aromatic hydroxy compounds may be reacted together to synthesize an aromatic polyether compound.

併用される2価フェノール残査の好適な具体例としては、下記一般式(X−1)〜(X−17)で示される2価フェノール残査を例示できる。なお、本発明の明細書において、2価フェノール残査とは対応する2価フェノール化合物が芳香族活性ジハライドと反応した後に残る構成単位を意味する。   Preferable specific examples of the dihydric phenol residue used in combination include divalent phenol residues represented by the following general formulas (X-1) to (X-17). In the specification of the present invention, the dihydric phenol residue means a structural unit remaining after the corresponding dihydric phenol compound reacts with the aromatic active dihalide.

Figure 2007204578
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Figure 2007204578
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(nおよびmは1以上の整数、Rpは任意の有機基を表す。)
これらは置換基ならびにイオン性基を有していてもよい。側鎖に芳香環を有するものも好ましい具体例である。また、これらは必要に応じて併用することも可能である。
(N and m are integers of 1 or more, and Rp represents an arbitrary organic group.)
These may have a substituent and an ionic group. Those having an aromatic ring in the side chain are also preferred specific examples. Moreover, these can also be used together as needed.

これら一般式(X−1)〜(X−17)で示される2価フェノール残査は、使用方法によっては結晶性を向上できる2価フェノール残査である。結晶性の向上により、得られる高分子電解質材料は、機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性、燃料遮断性、長期耐久性等に優れた性能を発揮できるので好ましく使用できる。なかでも、さらに好ましくは、一般式(X−1)〜(X−5)、(X−7)、(X−14)、(X−17)で示される2価フェノール残査であり、最も好ましくは一般式(X−1)〜(X−5)で示される2価フェノール残査である。   The dihydric phenol residue represented by these general formulas (X-1) to (X-17) is a dihydric phenol residue that can improve crystallinity depending on the method of use. Due to the improvement in crystallinity, the resulting polymer electrolyte material can be preferably used because it can exhibit excellent performances such as mechanical strength, physical durability, solvent resistance, fuel cutoff, and long-term durability. Among these, a dihydric phenol residue represented by the general formulas (X-1) to (X-5), (X-7), (X-14), and (X-17) is most preferable, Preferably, it is a dihydric phenol residue represented by general formulas (X-1) to (X-5).

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜において、前記一般式(P1)または(P2)から選ばれる構成単位の含有量は特に限定されるものではないが、結晶性、機械強度、物理的耐久性、耐熱メタノール性および燃料クロスオーバー抑制効果の点からより少量であることが好ましく、ごく少量含まれているものはさらに好ましく、全て脱保護されているものが最も好ましい。   In the polymer electrolyte material and polymer electrolyte membrane of the present invention, the content of the structural unit selected from the general formula (P1) or (P2) is not particularly limited, but crystallinity, mechanical strength, physical From the viewpoint of durability, heat resistance methanol resistance and fuel crossover suppression effect, a smaller amount is preferable, a very small amount is more preferable, and all are deprotected are most preferable.

前記一般式(P1)および/または(P2)からなる2価フェノール残査とその他の2価フェノール残査の合計モル量に対して、前記一般式(P1)および/または(P2)からなる2価フェノール残査の含有量が50モル%以下であることが好ましい。なかでも機械強度、物理的耐久性、燃料クロスオーバー抑制効果および寸法安定性の点から20モル%以下であることが好ましく、さらに好ましくは5モル%以下であり、検出限界以下であることが最も好ましい。前記一般式(P1)および/または(P2)で表される構成単位を50モル%以上含む場合は、破断強度、弾性率、耐熱水性や燃料クロスオーバー抑制効果が不足する場合がある。   2 of the general formula (P1) and / or (P2) with respect to the total molar amount of the dihydric phenol residue consisting of the general formula (P1) and / or (P2) and the other dihydric phenol residue. It is preferable that the content of the hydric phenol residue is 50 mol% or less. In particular, it is preferably 20% by mole or less, more preferably 5% by mole or less, most preferably less than the detection limit from the viewpoint of mechanical strength, physical durability, fuel crossover suppression effect and dimensional stability. preferable. When the structural unit represented by the general formula (P1) and / or (P2) is contained in an amount of 50 mol% or more, the breaking strength, elastic modulus, hot water resistance, and fuel crossover suppressing effect may be insufficient.

本発明の高分子電解質材料において、前記一般式(P1)または(P2)から選ばれる構成単位の含有量は、核磁気共鳴スペクトル(NMR)、熱重量減少測定(TGA)、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析、熱分解ガスクロマトグラフ、熱分解GC−MS、赤外吸収スペクトル(IR)等によって測定することが可能である。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the content of the structural unit selected from the general formula (P1) or (P2) is as follows: nuclear magnetic resonance spectrum (NMR), thermogravimetry (TGA), thermal desorption- It can be measured by generated gas analysis by mass spectrometry (TPD-MS), pyrolysis gas chromatograph, pyrolysis GC-MS, infrared absorption spectrum (IR) and the like.

本発明に使用される高分子電解質材料中に含有する結晶性を低減する保護基の量が多い場合には、溶剤溶解性があるため核磁気共鳴スペクトル(NMR)が保護基の定量に好適である。しかしながら、保護基の量がごく少量で溶剤不溶性である場合には、NMRで正確に定量することは困難な場合がある。そうした場合には、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析、あるいは熱分解ガスクロマトグラフ、熱分解GC−MSが好適な定量方法となる。   When the amount of the protecting group for reducing crystallinity contained in the polymer electrolyte material used in the present invention is large, a nuclear magnetic resonance spectrum (NMR) is suitable for quantifying the protecting group because of solvent solubility. is there. However, if the amount of protecting group is very small and insoluble in the solvent, it may be difficult to accurately quantify by NMR. In such a case, the generated gas analysis by temperature-programmed thermal desorption-mass spectrometry (TPD-MS), pyrolysis gas chromatograph, or pyrolysis GC-MS is a suitable quantitative method.

例えば、本発明の高分子電解質材料が、前記一般式(P2)を構成単位として含有し、R3が―CHCH―である場合においては、昇温熱脱離−質量分析法(TPD−MS)による発生ガス分析によって少なくともCOガスおよび/またはCガスが検出される。 For example, when the polymer electrolyte material of the present invention contains the general formula (P2) as a structural unit and R3 is —CH 2 CH 2 —, temperature-programmed thermal desorption-mass spectrometry (TPD-MS) ) To detect at least C 2 H 4 O gas and / or C 4 H 8 O 2 gas.

高分子電解質材料の発生気体量において、CO発生気体量とC発生気体量の合計が、高分子電解質材料の乾燥重量に対して20重量%以下であることがより好ましい。溶剤可溶性の高分子電解質材料前駆体としては、溶剤可溶性の点から1重量%以上、20重量%以下であることがより好ましい。一方、高分子電解質材料として、耐溶剤性や機械強度、物理的耐久性を必要とする場合には、1重量%以下であることがさらに好ましく、さらに好ましくは0.3重量%以下、最も好ましくは0.1重量%以下である。 In the amount of gas generated in the polymer electrolyte material, the sum of the amount of gas generated by C 2 H 4 O and the amount of gas generated by C 4 H 8 O 2 may be 20% by weight or less based on the dry weight of the polymer electrolyte material. More preferred. The solvent-soluble polymer electrolyte material precursor is more preferably 1% by weight or more and 20% by weight or less from the viewpoint of solvent solubility. On the other hand, when the polymer electrolyte material requires solvent resistance, mechanical strength, and physical durability, it is more preferably 1% by weight or less, more preferably 0.3% by weight or less, and most preferably Is 0.1% by weight or less.

かかる高分子電解質材料、高分子電解質膜のTPD−MS法によるケタール基の含有量定量は、実施例の方法で行う。

本発明の高分子電解質膜は、特に機械強度、物理的耐久性、耐熱メタノール性および燃料クロスオーバー抑制効果の点から、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の全てが脱保護され、ケトン部位に戻っていることがより好ましい。しかし、耐熱水性、耐熱メタノール性および燃料クロスオーバー抑制効果に悪影響を与えない範囲でアセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位が一部残っていても構わない。ここで、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の全てが脱保護されているとは、前記分析方法によってアセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の残存量が検出限界以下であることを意味する。
The content of the ketal group in the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane by the TPD-MS method is quantified by the method of the example.

In the polymer electrolyte membrane of the present invention, all of the ketone sites protected with acetal and / or ketal are deprotected, particularly from the viewpoint of mechanical strength, physical durability, heat resistance methanol resistance and fuel crossover suppression effect. It is more preferable to return to. However, a portion of the ketone moiety protected with acetal and / or ketal may remain as long as it does not adversely affect the hot water resistance, hot methanol resistance and fuel crossover suppression effect. Here, all the ketone sites protected with acetal and / or ketal are deprotected means that the residual amount of the ketone site protected with acetal and / or ketal by the above analysis method is below the detection limit. To do.

本発明に使用される保護基を有するイオン性基含有ポリマー中に含まれるアセタール基およびケタール基の含有量としては、例えば2価フェノール化合物として前記一般式(P1−1)および(P2−1)を使用した場合、2価フェノール化合物の合計モル量に対して前記一般式(P1−1)および(P2−1)の合計モル量が5モル%以上含まれることが好ましい。前記一般式(P1−1)および(P2−1)の合計モル量が5モル%未満であれば溶解性が不足して製膜性が不十分となる場合がある。前記一般式(P1−1)および(P2−1)の合計モル量としては、溶解性への向上効果の点で30モル%以上がより好ましく、さらに好ましくは45モル%以上である。前記一般式(P1)および/または(P2)で表される構成単位を多量に含むものは、溶解性や加工性に優れることから、極めて強靱な高分子電解質膜を製造する上で、保護基を有するイオン性基含有ポリマーとして特に好ましく使用することができる。   Examples of the content of the acetal group and the ketal group contained in the ionic group-containing polymer having a protecting group used in the present invention include the above general formulas (P1-1) and (P2-1) as divalent phenol compounds. Is used, the total molar amount of the general formulas (P1-1) and (P2-1) is preferably 5 mol% or more with respect to the total molar amount of the dihydric phenol compound. If the total molar amount of the said general formula (P1-1) and (P2-1) is less than 5 mol%, solubility may become insufficient and film forming property may become inadequate. The total molar amount of the general formulas (P1-1) and (P2-1) is more preferably 30 mol% or more, and still more preferably 45 mol% or more, from the viewpoint of improving the solubility. Those containing a large amount of the structural unit represented by the general formula (P1) and / or (P2) are excellent in solubility and workability, and therefore, in producing an extremely tough polymer electrolyte membrane, It can be particularly preferably used as an ionic group-containing polymer having

本発明のイオン性基含有ポリマーはイオン性基を有することで、高分子電解質材料や高分子電解質膜が高プロトン伝導度を有するようになる。   Since the ionic group-containing polymer of the present invention has an ionic group, the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane have high proton conductivity.

本発明に使用されるイオン性基は、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、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[一般式中Rは任意の原子団を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。   The ionic group used in the present invention is preferably an atomic group having a negative charge, and preferably has a proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group is a group represented by the following general formula (f2) [in the general formula, R represents an arbitrary atomic group. The sulfuric acid group is represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group is represented by the following general formula (f4), and the phosphoric acid group is represented by the following general formula (f5) or (f6). And the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).

Figure 2007204578
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かかるイオン性基は前記官能基(f1)〜(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4+(Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、イオン性基含有ポリマーとしては、安価で、容易にプロトン置換可能なNa、K、Liがより好ましく使用される。 Such ionic groups include cases where the functional groups (f1) to (f7) are salts. Examples of the cation forming the salt include an arbitrary metal cation, NR 4+ (R is an arbitrary organic group), and the like. In the case of a metal cation, the valence and the like are not particularly limited and can be used. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among them, as the ionic group-containing polymer, Na, K, and Li that are inexpensive and can be easily proton-substituted are more preferably used.

これらのイオン性基は前記イオン性基含有ポリマー中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。   Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the ionic group-containing polymer, and it may be preferable to combine them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

本発明のイオン性基含有ポリマーがスルホン酸基を有する場合、そのスルホン酸基密度は、プロトン伝導性および燃料遮断性の点から0.1〜5mmol/gが好ましく、より好ましくは0.3〜3mmol/g、最も好ましくは0.5〜2.5mmol/gである。スルホン酸基密度を0.1mmol/g以上とすることにより、伝導度すなわち出力性能を維持することができ、また5mmol/g以下とすることで、燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な燃料遮断性および含水時の機械強度、物理的耐久性を得ることができる。   When the ionic group-containing polymer of the present invention has a sulfonic acid group, the sulfonic acid group density is preferably from 0.1 to 5 mmol / g, more preferably from 0.3 to 5 in terms of proton conductivity and fuel blocking properties. 3 mmol / g, most preferably 0.5 to 2.5 mmol / g. By setting the sulfonic acid group density to 0.1 mmol / g or more, conductivity, that is, output performance can be maintained, and by setting it to 5 mmol / g or less, it is sufficient when used as an electrolyte membrane for a fuel cell. It is possible to obtain excellent fuel barrier properties, mechanical strength when containing water, and physical durability.

ここで、スルホン酸基密度とは、高分子電解質材料または高分子電解質膜の単位乾燥重量当たりに導入されたスルホン酸基のモル量であり、この値が大きいほどスルホン化の度合いが高いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定法により測定が可能である。これらの中でも測定の容易さから、元素分析法を用い、S/C比から算出することが好ましいが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは、中和滴定法によりイオン交換容量を求めることもできる。本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜は、後述するようにイオン性基を有するポリマーとそれ以外の成分からなる複合体である態様を含むが、その場合もスルホン酸基密度は複合体の全体量を基準として求めるものとする。   Here, the sulfonic acid group density is the molar amount of sulfonic acid group introduced per unit dry weight of the polymer electrolyte material or polymer electrolyte membrane, and the greater the value, the higher the degree of sulfonation. Show. The sulfonic acid group density can be measured by elemental analysis or neutralization titration. Among these, it is preferable to calculate from the S / C ratio using an elemental analysis method for ease of measurement. However, when a sulfur source other than a sulfonic acid group is included, the ion exchange capacity is obtained by a neutralization titration method. You can also The polyelectrolyte material and the polyelectrolyte membrane of the present invention include an embodiment that is a complex composed of a polymer having an ionic group and other components, as will be described later. It is assumed that the total amount of

中和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。
(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) スルホン酸基密度は下記の式により求める。
The procedure for neutralization titration is as follows. The measurement shall be performed three times or more and the average shall be taken.
(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 sulfonic acid group density is determined by the following formula.

スルホン酸基密度(mmol/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)
これらイオン性基含有ポリマーを得るために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。
Sulfonic acid group density (mmol / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
Examples of a method for introducing an ionic group in order to obtain these ionic group-containing polymers 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よい。かかる方法は例えば、ジャーナル オブ メンブレン サイエンス(Journal of MembraneScience),197,2002,p.231-242に記載がある。この方法はポリマーのスルホン酸基密度の制御が容易であり、工業的にも適用が容易であり、非常に好ましい。   As a polymerization method using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used. Such a method is described in, for example, Journal of Membrane Science, 197, 2002, p.231-242. This method is very preferable because the sulfonic acid group density of the polymer can be easily controlled and can be easily applied industrially.

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、芳香族系高分子へのホスホン酸基の導入は、例えばポリマー プレプリンツ(Polymer Preprints, Japan),51,2002,p.750等に記載の方法によって可能である。芳香族系高分子へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族系高分子への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子の硫酸エステル化によって可能である。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。   The method for introducing an ionic group in a polymer reaction will be described with an example. For example, introduction of a phosphonic acid group into an aromatic polymer may be performed by, for example, Polymer Preprints (Japan), 51, 2002, p. 750. It is possible by the method described in the above. Introduction of a phosphate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, phosphoric esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into an aromatic polymer can be performed by oxidizing an aromatic polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group, for example. Introduction of a sulfate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, sulfate esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. As a method for sulfonating an aromatic polymer, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 is known.

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。   Specifically, for example, an aromatic polymer can be sulfonated by reacting 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. . 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.

本発明の高分子電解質膜は、単位面積・単位厚み当たりのプロトン伝導度が10mS/cm以上であることが好ましい。より好ましくは20mS/cm以上、さらに好ましくは50mS/cm以上である。かかるプロトン伝導度は、25℃の純水に膜状の試料を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 a proton conductivity per unit area / unit thickness of 10 mS / cm or more. More preferably, it is 20 mS / cm or more, More preferably, it is 50 mS / cm or more. Such proton conductivity is measured by the constant potential alternating current impedance method, which is performed as quickly as possible after immersing a membrane sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, taking it out in an atmosphere of 25 ° C. and relative humidity 50% to 80%. Can do.

単位面積・単位厚み当たりのプロトン伝導度10mS/cm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、あまり高すぎると、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、好ましくは上限を5000mS/cmとするのがよい。   When the proton conductivity per unit area and unit thickness is 10 mS / cm or more, sufficient proton conductivity, that is, sufficient battery output can be obtained when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. Higher proton conductivity is preferable, but if it is too high, a membrane with high proton conductivity tends to be dissolved or disintegrated by a fuel such as methanol water, and the fuel permeation amount tends to increase. Is preferably 5000 mS / cm.

なおかつ、本発明の高分子電解質膜は、20℃の条件下、1モル%メタノール水溶液に対する単位面積・単位厚み当たりのメタノール透過量が100nmol/min/cm以下であることが好ましい。より好ましくは50nmol/min/cm以下、さらに好ましくは10nmol/min/cm以下である。高分子電解質材料の膜を用いた燃料電池において、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。一方、プロトン伝導度を確保する観点からは0.01nmol/min/cm以上が好ましい。   In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a methanol permeation amount per unit area / unit thickness of 100 nmol / min / cm or less with respect to a 1 mol% aqueous methanol solution at 20 ° C. More preferably, it is 50 nmol / min / cm or less, More preferably, it is 10 nmol / min / cm or less. In a fuel cell using a membrane of a polymer electrolyte material, it is desired that the fuel permeation amount be 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. It is. On the other hand, from the viewpoint of ensuring proton conductivity, 0.01 nmol / min / cm or more is preferable.

前記条件で測定した単位面積当たりのプロトン伝導度としては3S/cm以上が好ましく、より好ましくは5S/cm以上、さらに好ましくは7S/cm以上である。3S/cm以上とすることにより、電池として高出力が得られる。一方、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500S/cmである。 The proton conductivity per unit area measured under the above conditions is preferably 3 S / cm 2 or more, more preferably 5 S / cm 2 or more, and even more preferably 7 S / cm 2 or more. By setting it to 3 S / cm 2 or more, high output is obtained as a battery. On the other hand, since a membrane with high proton conductivity tends to be dissolved or disintegrated by a fuel such as methanol water and the fuel permeation amount tends to increase, the practical upper limit is 500 S / cm 2 .

なおかつ、本発明の高分子電解質膜は、20℃の条件下、1モル%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5μmol/min/cm以下であることが好ましい。高分子電解質膜を用いた燃料電池において、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。かかる観点からは、前記メタノール透過量が2μmol/min/cm以下であることがより好ましく、最も好ましくは1μmol/min/cm以下である。プロトン伝導度を確保する観点からは0.01μmol/min/cm以上であることが好ましい。 In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a methanol permeation amount per unit area of 5 μmol / min / cm 2 or less with respect to a 1 mol% aqueous methanol solution at 20 ° C. This is because, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, it is desired that the fuel permeation amount be 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. . From this viewpoint, the methanol permeation amount is more preferably 2 μmol / min / cm 2 or less, and most preferably 1 μmol / min / cm 2 or less. From the viewpoint of ensuring proton conductivity, it is preferably 0.01 μmol / min / cm 2 or more.

本発明の高分子電解質材料は、DMFCに使用する場合、上記したような低メタノール透過量と高プロトン伝導度を同時に達成することが好ましい。これらのうち一方だけを達成することは従来技術においても容易であるが、両方を達成してこそ高出力と高エネルギー容量の両立が可能となるからである。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used in DMFC, it is preferable to achieve the low methanol permeation amount and the high proton conductivity as described above. It is easy to achieve only one of these in the prior art, but it is possible to achieve both high output and high energy capacity only when both are achieved.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜の特に好ましい具体例を挙げる。下記一般式(Q1)および(Q3)で表される構成単位を主成分とする芳香族ポリエーテルケトン系共重合体が挙げられる。該芳香族ポリエーテルケトン系重合体は、高いプロトン伝導性に加え、その高い規則性から、ポリマーの分子鎖のパッキングが良好で結晶性あるいは分子間凝集力が高いため、耐熱水性や耐熱メタノール性などの耐溶剤性、引張破断強伸度、引裂強度や耐疲労性等の機械特性や物理的耐久性、メタノールや水素などの燃料遮断性に優れるものである。また、全てのベンゼン環は隣接する電子吸引性のケトン基の影響で電子密度が低いため、高い化学的安定性、すわなち耐ラジカル性、耐酸化性を有する。なお、本発明において主成分とはポリマーの重合に対して50wt%以上含有されることを意味する。好ましくは、一般式(Q1)および(Q3)で表される構成単位としては、70wt%以上含有することがさらに好ましく、最も好ましくは85wt%以上である。   Particularly preferred specific examples of the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention will be given. Aromatic polyether ketone copolymers mainly composed of structural units represented by the following general formulas (Q1) and (Q3) are exemplified. In addition to high proton conductivity, the aromatic polyetherketone-based polymer has good regularity, packing of polymer molecular chains, and high crystallinity or intermolecular cohesion. It has excellent mechanical properties such as solvent resistance such as tensile strength and elongation at break, tear strength and fatigue resistance, physical durability, and fuel barrier properties such as methanol and hydrogen. In addition, all benzene rings have high chemical stability, that is, radical resistance and oxidation resistance, because the electron density is low due to the influence of adjacent electron-withdrawing ketone groups. In addition, in this invention, a main component means containing 50 wt% or more with respect to superposition | polymerization of a polymer. Preferably, the structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q3) are more preferably contained in an amount of 70 wt% or more, and most preferably 85 wt% or more.

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(一般式(Q1)および(Q3)において、a3およびa4はa3+a4=2を満たす整数である。また、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。一般式(Q1)および(Q3)で表される構成単位はイオン性基を除き、任意に置換されていてもよい。)
なかでも、前記一般式(Q1)および(Q3)で表される構成単位においては、置換基を持たないものが結晶性の点でさらに好ましい。前記一般式(Q1)および(Q3)において、一般式(Q1)で表される構成単位は結晶性により機械強度、耐溶剤性等を向上させる効果の高い成分、一般式(Q3)で表される構成単位はプロトン伝導性を付与する成分であり、本発明において特に好ましい構成単位である。
(In the general formula (Q1) and (Q3), the a3 and a4 are integers satisfying the a3 + a4 = 2. Further, M 3 and M 4 are hydrogen, metal cation, an ammonium cation. General Formula (Q1) and ( The structural unit represented by Q3) may be optionally substituted except for an ionic group.
Among them, in the structural units represented by the general formulas (Q1) and (Q3), those having no substituent are more preferable in terms of crystallinity. In the general formulas (Q1) and (Q3), the structural unit represented by the general formula (Q1) is represented by the general formula (Q3), a component having a high effect of improving mechanical strength, solvent resistance, and the like due to crystallinity. The structural unit is a component that imparts proton conductivity, and is a particularly preferred structural unit in the present invention.

本発明に使用される芳香族ポリエーテル系重合体を得るために行う芳香族求核置換反応による重合は、上記モノマー混合物を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N,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などを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   Polymerization by the aromatic nucleophilic substitution reaction to obtain the aromatic polyether polymer used in the present invention can be obtained by reacting the monomer mixture in the presence of a basic compound. . The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Solvents that can be used include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide and the like. However, it is not limited to these, and any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction may be used. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。   Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water-absorbing agent such as molecular sieve can also be used.

反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約25℃〜約250℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼンなどが含まれる。もちろん、その沸点が用いた双極性溶媒の沸点よりも低いような共沸剤を選定することが有益である。共沸剤が普通用いられるが、高い反応温度、例えば200℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。   Azeotropic agents used to remove reaction water or water introduced during the reaction generally do not substantially interfere with polymerization, co-distill with water and boil between about 25 ° C and about 250 ° C. Any inert compound. Common azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene and the like. Of course, it is beneficial to select an azeotropic agent whose boiling point is lower than that of the dipolar solvent used. An azeotropic agent is commonly used, but it is not always necessary when high reaction temperatures are used, such as temperatures above 200 ° C., especially when the inert gas is continuously sparged into the reaction mixture. In general, it is desirable to carry out the reaction in an inert atmosphere and in the absence of oxygen.

芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。   When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult.

重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。   After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, by adding the reaction solution to a solvent having low polymer solubility and high by-product inorganic salt solubility, the inorganic salt is removed, the polymer is precipitated as a solid, and the polymer is obtained by filtering the precipitate. You can also. The recovered polymer is optionally washed with water, alcohol or other solvent and dried. Once the desired molecular weight is obtained, halide or phenoxide end groups can optionally be reacted by introducing a phenoxide or halide end-capping agent that forms a stable end group.

このようにして得られる本発明のイオン性基含有ポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、0.1万〜500万、好ましくは1万〜50万である。0.1万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性のいずれかが不十分な場合がある。一方、500万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になるなどの問題がある。   The molecular weight of the ionic group-containing polymer of the present invention thus obtained is 10000 to 5 million, preferably 10,000 to 500,000 in terms of polystyrene-converted weight average molecular weight. If it is less than 10,000, any of the mechanical strength, physical durability, and solvent resistance may be insufficient, such as cracking in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5,000,000, there are problems such as insufficient solubility, high solution viscosity, and poor processability.

なお、本発明の高分子電解質材料の化学構造は、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1 、1,160〜1,190cm-1 のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1 のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸基の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1 H−NMR)により、例えば6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。また、溶液13C−NMRや固体13C−NMRによって、スルホン酸基の付く位置や並び方を確認することができる。 The chemical structure of the polymer electrolyte material of the present invention has an S = O absorption of 1,030 to 1,045 cm −1 , 1,160 to 1,190 cm −1 , 1,130 to 1 , C-O-C absorption at 250 cm -1, can be confirmed by such C = O absorption of 1,640~1,660Cm -1, these composition ratio, neutralization titration or sulfonic acid groups, knowing by elemental analysis Can do. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of an aromatic proton of 6.8 to 8.0 ppm, for example, by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR). Further, the position and arrangement of sulfonic acid groups can be confirmed by solution 13 C-NMR and solid 13 C-NMR.

本発明の高分子電解質材料として用いるポリマー中のスルホン酸基はブロック共重合で導入しても、ランダム共重合で導入しても構わない。用いるポリマーの化学構造や結晶性の高さによって便宜選択することができる。燃料遮断性や低含水率が必要である場合にはランダム共重合がより好ましく、プロトン伝導性や高含水率が必要である場合にはブロック共重合がより好ましく用いられる。   The sulfonic acid group in the polymer used as the polymer electrolyte material of the present invention may be introduced by block copolymerization or random copolymerization. It can be conveniently selected depending on the chemical structure of the polymer used and the high crystallinity. Random copolymerization is more preferable when fuel barrier properties and low water content are required, and block copolymerization is more preferably used when proton conductivity and high water content are required.

本発明の高分子電解質材料を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態および触媒層のバインダーで使用される。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state and a binder for a catalyst layer.

本発明の高分子電解質材料を膜に成型する方法に特に制限はないが、アセタールおよび/またはケタール等の保護基を有する段階で、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材料をN−メチル−2−ピロリドン等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。   The method for molding the polymer electrolyte material of the present invention into a membrane is not particularly limited, but in the stage having a protective group such as acetal and / or ketal, a method of forming a film from a solution state or a method of forming a film from a molten state, etc. Is possible. In the former, for example, the polymer electrolyte material is dissolved in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, the solution is cast on a glass plate or the like, and the solvent is removed to form a film. It can be illustrated.

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.

必要な固形分濃度に調製したポリマー溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、1μm以下が好ましい。濾過を行わないと異物の混入を許すこととなり、膜破れが発生したり、耐久性が不十分となるので好ましくない。   It is a preferable method to obtain a tough membrane by subjecting the polymer solution prepared to a required solid content concentration to normal pressure filtration or pressure filtration to remove foreign substances present in the polymer electrolyte solution. The filter medium used here is not particularly limited, but a glass filter or a metallic filter is suitable. In the filtration, the pore size of the minimum filter through which the polymer solution passes is preferably 1 μm or less. If filtration is not carried out, foreign matter is allowed to enter, and film breakage occurs or durability becomes insufficient.

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で熱処理することが好ましい。用いる高分子電解質材料が重合時に金属塩の状態で重合するものであれば、そのまま製膜、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分〜1時間である。熱処理温度が低すぎると、燃料透過性の抑制効果や弾性率、破断強度が不足する。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秒未満であると熱処理の効果が不足する。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 in the state of a metal salt at least part of the ionic groups. If the polymer electrolyte material to be used is polymerized in the form of a metal salt at the time of polymerization, it is preferable to form and heat-treat as it is. 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 1 minute to 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the fuel permeability suppressing effect, elastic modulus, and breaking strength are 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 heat treatment effect 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.

本発明で使用される高分子電解質材料を膜へ転化する方法としては、該高分子電解質材料から構成される膜を前記手法により作製後、アセタールおよび/またはケタールで保護したケトン部位の少なくとも一部を脱保護せしめ、ケトン部位とするものである。この方法によれば、溶解性に乏しい低スルホン酸基量ポリマーの溶液製膜が可能となり、プロトン伝導性と燃料遮断性の両立、優れた耐溶剤性、機械強度、物理的耐久性を達成可能となる。   As a method for converting the polymer electrolyte material used in the present invention into a membrane, at least a part of the ketone moiety protected with acetal and / or ketal after the membrane composed of the polymer electrolyte material is produced by the above-described method. Is deprotected to form a ketone moiety. According to this method, it is possible to form a solution film of a low sulfonic acid group polymer having poor solubility, and to achieve both proton conductivity and fuel barrier properties, excellent solvent resistance, mechanical strength, and physical durability. It becomes.

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。実用に耐える膜の機械強度、物理的耐久性を得るには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. In order to obtain the mechanical strength and physical durability of the membrane that can withstand practical use, it is more preferably thicker than 1 μm, and in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance, it is preferably thinner than 2000 μm. 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、本発明によって得られる高分子電解質膜には、通常の高分子化合物に使用される結晶化核剤、可塑剤、安定剤、酸化防止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, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention contains additives such as crystallization nucleating agents, plasticizers, stabilizers, antioxidants or mold release agents used in ordinary polymer compounds. It can be added within a range not contrary to the purpose.

また、本発明によって得られる高分子電解質膜には、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。また、微多孔膜、不織布、メッシュ等で補強しても良い。   In addition, the polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has various polymers, elastomers, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, workability, etc. within a range that does not adversely affect the above-mentioned various properties. Fillers, fine particles, various additives, and the like may be included. Moreover, you may reinforce with a microporous film, a nonwoven fabric, a mesh, etc.

また、本発明によって得られる膜電極複合体とは、本発明の高分子電解質膜あるいは本発明の高分子電解質材料を、高分子電解質膜や触媒層に含有する膜電極複合体を意味する。さらに、膜電極複合体とは、高分子電解質膜と電極が複合化された部品である。   The membrane electrode composite obtained by the present invention means a membrane electrode composite containing the polymer electrolyte membrane of the present invention or the polymer electrolyte material of the present invention in a polymer electrolyte membrane or a catalyst layer. Furthermore, the membrane electrode composite is a component in which a polymer electrolyte membrane and an electrode are combined.

かかる高分子電解質膜を燃料電池として用いる際の高分子電解質膜と電極の接合法については特に制限はなく、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、電気化学協会編(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。   There is no particular limitation on the method of joining the polymer electrolyte membrane and the electrode when using such a polymer electrolyte membrane as a fuel cell, and a known method (for example, a chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, p.269. , Applied Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.), Electrochemical Science and Technology, 1988, 135, 9, p.2209. Is possible.

加熱プレスにより一体化する場合は、その温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、本発明では電解質膜が乾燥した状態または吸水した状態でもプレスによる複合化が可能である。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、工業的生産性やイオン性基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から0℃〜250℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、10MPa以下の圧力が好ましく、加熱プレス工程による複合化を実施せずに電極と電解質膜を重ね合わせ燃料電池セル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、燃料電池として発電を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、燃料電池として耐久性が良好となる。   In the case of integration by heating press, the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the electrolyte membrane, the moisture content, the catalyst layer, and the electrode substrate. Further, in the present invention, it is possible to form a composite by pressing even when the electrolyte membrane is in a dry state or in a state of absorbing water. Specific pressing methods include a roll press that defines pressure and clearance, and a flat plate press that defines pressure. From the viewpoint of industrial productivity and suppression of thermal decomposition of a polymer material having an ionic group, it is 0. It is preferable to carry out in the range of from ℃ to 250 ℃. The pressurization is preferably as weak as possible from the viewpoint of electrolyte membrane and electrode protection. In the case of a flat plate press, a pressure of 10 MPa or less is preferable, and the electrode and the electrolyte membrane are stacked without carrying out the complexing by the hot press process. Cell formation is also one of the preferred options from the viewpoint of preventing short-circuiting of the anode and cathode electrodes. In the case of this method, when power generation is repeated as a fuel cell, the deterioration of the electrolyte membrane presumed to be caused by a short-circuited portion tends to be suppressed, and the durability as a fuel cell is improved.

また、電解質材料の軟化温度やガラス転移温度以上で加熱プレスする場合、イオン性基の分解温度が近い場合は電解質材料の軟化温度やガラス転移温度以上の温度は採用困難であるが、このイオン性基を金属塩として分解を抑制し、電解質材料の軟化温度やガラス転移温度以上で加熱プレスをする事ができる。例えば、電極の中の結着剤や電解質膜などの電解質材料のイオン性基がスルホン酸基の場合、スルホン酸Naとし、加熱プレスによる接合後、塩酸や硫酸などでプロトン交換し、膜電極複合体を製造することが挙げられる。   In addition, when heat-pressing above the softening temperature or glass transition temperature of the electrolyte material, it is difficult to employ a temperature above the softening temperature or glass transition temperature of the electrolyte material if the ionic group decomposition temperature is close. Decomposition can be suppressed by using a group as a metal salt, and heat pressing can be performed at a temperature above the softening temperature or glass transition temperature of the electrolyte material. For example, when the ionic group of the electrolyte material such as the binder in the electrode or the electrolyte membrane is a sulfonic acid group, the sulfonic acid Na is used, and after proton bonding with a hot press, proton exchange is performed with hydrochloric acid, sulfuric acid, etc. Manufacturing the body.

また、電極と電解質膜の複合化時に電極と電解質膜の間に界面抵抗低減性層を介することも好ましい方法である。電極と電解質膜間の微細な空隙を該界面抵抗低減層で少なくとも一部分は満たすことにより実質的これらの接触面積を増大させることができとともに、空隙に、燃料電池として使用する燃料や空気、および発生する水や二酸化炭素などが入り込むことによる抵抗の増大を防ぐことができる。また、電極の触媒層に生じたクラック中にも界面抵抗低減性組成物が浸入し、従来発電に使用できなかった触媒層クラックの内部壁面も有効に利用できるようになり、電解質と触媒の接触面積を大きくできる。これらの結果として、膜電極複合体の抵抗が低下し、出力密度が大きくなり、高性能な燃料電池を得ることができる。さらに、電極基材や触媒層の突起などを被覆することも可能であり、膜電極複合体作製時の微小短絡や燃料電池として使用中の微小短絡を低減でき、膜電極複合体の性能低下を抑制できる効果も期待できる。さらに、電解質膜にピンホールや表面欠陥等がある場合でも、界面抵抗低減性層により保護、補修可能であり、膜電極複合体としての性能安定化や耐久性向上が可能である。   It is also a preferable method that an interfacial resistance reducing layer is interposed between the electrode and the electrolyte membrane when the electrode and the electrolyte membrane are combined. These contact areas can be substantially increased by filling at least a part of the fine gap between the electrode and the electrolyte membrane with the interface resistance reducing layer, and fuel, air used as a fuel cell, and generation are generated in the gap. It is possible to prevent an increase in resistance due to entering water or carbon dioxide. In addition, the interfacial resistance-reducing composition penetrates into the cracks generated in the catalyst layer of the electrode, and the inner wall surface of the catalyst layer crack that could not be used for power generation can be used effectively. The area can be increased. As a result, the resistance of the membrane electrode assembly decreases, the power density increases, and a high-performance fuel cell can be obtained. Furthermore, it is also possible to cover the protrusions of the electrode base material and catalyst layer, etc., which can reduce the micro short-circuit during the production of the membrane electrode composite and the micro short-circuit in use as a fuel cell, thereby reducing the performance of the membrane electrode composite. The effect which can be suppressed can also be expected. Furthermore, even if the electrolyte membrane has pinholes, surface defects, etc., it can be protected and repaired by the interface resistance reducing layer, and the performance and durability of the membrane electrode assembly can be stabilized.

この界面抵抗低減層は本発明の電解質材料などイオン伝導性があり、使用する燃料に対する耐性があれば特に限定されないが、強度や耐燃料性の観点から、本発明の高分子電解質材料を含むことが特に好ましい。例えば、膜電極複合化時は本発明の電解質材料と溶媒および可塑剤を含んだ組成物を界面抵抗低減層の前駆体とて使用し、膜電極複合化後に溶媒および可塑剤を乾燥、抽出洗浄などで除去することで、界面抵抗の低減と機械的強度および耐燃料性を兼ね備えた高性能な膜電極複合体が得られることができる。この時、界面抵抗低減層前駆体は複合工程前に、電極側に形成してもよいし、電解質膜側に形成してもよい。   This interface resistance reduction layer is not particularly limited as long as it has ion conductivity such as the electrolyte material of the present invention and has resistance to the fuel used, but from the viewpoint of strength and fuel resistance, it contains the polymer electrolyte material of the present invention. Is particularly preferred. For example, when compositing a membrane electrode, the composition containing the electrolyte material of the present invention, a solvent and a plasticizer is used as a precursor of the interface resistance reducing layer, and after the membrane electrode is composited, the solvent and the plasticizer are dried, extracted and washed. As a result, it is possible to obtain a high-performance membrane electrode composite that has a reduction in interfacial resistance, mechanical strength, and fuel resistance. At this time, the interface resistance reducing layer precursor may be formed on the electrode side or on the electrolyte membrane side before the composite step.

次に、本発明の膜電極複合体に好適な電極の例を説明する。かかる電極は、触媒層および電極基材からなるものである。ここでいう触媒層は、電極反応を促進する触媒、電子伝導体、イオン伝導体などを含む層である。かかる触媒層に含まれる触媒としては、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。   Next, an example of an electrode suitable for the membrane electrode assembly of the present invention will be described. Such an electrode comprises a catalyst layer and an electrode substrate. The catalyst layer here is a layer containing a catalyst for promoting an electrode reaction, an electron conductor, an ion conductor, and the like. As the catalyst contained in the 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.

また、触媒層に電子伝導体(導電材)を使用する場合は、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−72R(登録商標)、バルカンP(登録商標)、ブラックパールズ880(登録商標)、ブラックパールズ1100(登録商標)、ブラックパールズ1300(登録商標)、ブラックパールズ2000(登録商標)、リーガル400(登録商標)、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EC(登録商標)、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(登録商標)などが挙げられる。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。   Moreover, when using an electronic conductor (conductive material) for a catalyst layer, a carbon material and an inorganic conductive material are preferably used from the point of electronic conductivity or 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 electron conductivity and specific surface area. As furnace black, Vulcan XC-72R (registered trademark), Vulcan P (registered trademark), Black Pearls 880 (registered trademark), Black Pearls 1100 (registered trademark), Black Pearls 1300 (registered trademark), Black Pearls manufactured by Cabot Corporation. 2000 (Registered Trademark), Legal 400 (Registered Trademark), Ketjen Black International Ketjen Black EC (Registered Trademark), EC600JD, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150, # 3250, and the like. Examples include Denka Black (registered trademark) manufactured by Chemical Industries. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin 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、電子伝導体を使用する場合は、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良く分散しておくことが好ましい。さらに、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、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。   Moreover, when using an electronic conductor, it is preferable from the point of electrode performance that it is disperse | distributing uniformly with a catalyst particle. For this reason, it is preferable that the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid. Furthermore, it is also a preferred embodiment to use catalyst-supporting carbon or the like in which the catalyst and the electron conductor are integrated as the 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 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.

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、あるいは本発明の高分子電解質材料および公知の炭化水素系電解質材料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(登録商標)、旭化成社製のAciplex(登録商標)、旭硝子社製フレミオン(登録商標)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触媒層中に設ける。この際に、ポリマー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。なかでも、本発明の高分子電解質材料が、触媒層中のイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)として最も好適に使用できる。特に、メタノール水溶液やメタノールを燃料にする燃料電池の場合、耐メタノール性の観点から本発明の高分子電解質材料が耐久性などに有効である。本発明の高分子電解質材料を可溶性前駆体ポリマーの段階で加工し、MEAとした後で脱保護を行い、耐溶剤性を付与することにより、加工性と耐溶剤性を両立した極めて好ましいバインダーを作製することが可能である。   As the substance having ion conductivity (ion conductor) used in the catalyst layer, various organic and inorganic materials are generally known. However, when used in a fuel cell, sulfone which improves ion conductivity. A polymer having an ionic group such as an acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group (ion conductive polymer) is preferably used. Among them, from the viewpoint of the stability of the ionic group, a polymer having ion conductivity composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or the polymer electrolyte material of the present invention and a known hydrocarbon electrolyte Materials are preferably used. As the perfluoro-based ion conductive polymer, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and the like are preferably used. These ion conductive polymers are provided in the catalyst layer in a solution or dispersion state. 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. Among these, the polymer electrolyte material of the present invention can be most suitably used as a substance (ion conductor) having ion conductivity in the catalyst layer. In particular, in the case of a fuel cell using methanol aqueous solution or methanol as fuel, the polymer electrolyte material of the present invention is effective for durability from the viewpoint of methanol resistance. The polymer electrolyte material of the present invention is processed at the soluble precursor polymer stage to form an MEA, and then deprotection is performed to provide solvent resistance, thereby providing a highly preferable binder that achieves both workability and solvent resistance. It is possible to produce.

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、触媒層を作製する際に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。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 containing catalyst particles and an electronic conductor as main constituents when the catalyst layer is prepared, and is applied in a uniformly dispersed state. is there. The amount of the ionic conductor contained in the catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and the conductivity of the ionic conductor used, and is not particularly limited, but the weight ratio 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、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 a catalyst layer may contain various substances in addition to the catalyst, the electron conductor, and the ionic conductor. In particular, in order to improve the binding property of the substance contained in the catalyst layer, a polymer other than the above-described ion conductive polymer 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 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、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。   In addition, when the fuel is a liquid or gas, the catalyst layer preferably has a structure in which the liquid or gas easily permeates, and preferably has a structure that promotes the discharge of by-products due to the electrode reaction.

また、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。かかる織布としては、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、やクロスを用いるのが好ましい。   Moreover, as an electrode base material, an electrical resistance is low and what can collect or supply electric power can be used. Further, when the catalyst layer is used also as a current collector, it is not necessary to use an electrode substrate. 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. Examples of the woven fabric include plain weave, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving, and the like. 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 nonwoven fabric or cloth from the viewpoint of obtaining a thin and strong fabric.

かかる電極基材に用いられる炭素繊維としては、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あげられる。   Examples of the carbon fiber used for the electrode substrate include polyacrylonitrile (PAN) carbon fiber, phenolic carbon fiber, pitch carbon fiber, and rayon carbon fiber.

また、かかる電極基材には、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。また、電極基材と触媒層の間に、少なくとも無機導電性物質と疎水性ポリマーを含む導電性中間層を設けることもできる。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、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 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. For example, carbon powder can be added. Further, a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer can be provided between the electrode substrate and the 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 catalyst layer soaking into the electrode base material.

本発明の膜電極複合体を使用した燃料電池の燃料としては、酸素、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、グリセリン、エチレングリコール、ギ酸、酢酸、ジメチルエーテル、ハイドロキノン、シクロヘキサンなどの炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水との混合物等が挙げられ、1種または2種以上の混合物でもよい。特に発電効率や電池全体のシステム簡素化の観点から水素、炭素数1〜6の有機化合物を含む燃料が好適に使用され、発電効率の点でとりわけ好ましいのは水素およびメタノール水溶液である。メタノール水溶液を用いる場合、メタノールの濃度としては、使用する燃料電池のシステムによって適宜選択されるが、できる限り高濃度のほうが長時間駆動の観点から好ましい。例えば、送液ポンプや送風ファンなど発電に必要な媒体を膜電極複合体に送るシステムや、冷却ファン、燃料希釈システム、生成物回収システムなどの補機を有するアクティブ型燃料電池はメタノールの濃度30〜100%以上の燃料を燃料タンクや燃料カセットにより注入し、0.5〜20%程度に希釈して膜電極複合体に送ることが好ましく、補機が無いパッシブ型の燃料電池はメタノールの濃度が10〜100%の範囲の燃料が好ましい。   Fuels for fuel cells using the membrane electrode assembly of the present invention include oxygen, hydrogen and methane, ethane, propane, butane, methanol, isopropyl alcohol, acetone, glycerin, ethylene glycol, formic acid, acetic acid, dimethyl ether, hydroquinone, cyclohexane Examples thereof include organic compounds having 1 to 6 carbon atoms and mixtures of these with water, and may be one kind or a mixture of two or more kinds. In particular, a fuel containing hydrogen and an organic compound having 1 to 6 carbon atoms is preferably used from the viewpoint of power generation efficiency and simplification of the entire battery system, and hydrogen and aqueous methanol are particularly preferable in terms of power generation efficiency. When an aqueous methanol solution is used, the concentration of methanol is appropriately selected depending on the fuel cell system to be used. A concentration as high as possible is preferable from the viewpoint of long-time driving. For example, an active fuel cell having a system for sending a medium necessary for power generation, such as a liquid feed pump or a blower fan, to a membrane electrode assembly, or an auxiliary machine such as a cooling fan, a fuel dilution system, or a product recovery system has a concentration of methanol It is preferable to inject ~ 100% or more of fuel with a fuel tank or fuel cassette, dilute it to about 0.5 to 20% and send it to the membrane electrode assembly. A passive fuel cell without auxiliary equipment has a methanol concentration Is preferable in the range of 10 to 100%.

さらに、本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜を使用した高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、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、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte material and the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, televisions, radios, music players, game machines, headsets, DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, and toys , Electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, power supplies for mobiles such as railways, stationary primary generators such as stationary generators, or alternatives to these It is preferably used as a hybrid power source.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。また、本実施例中には化学構造式を挿入するが、該化学構造式は読み手の理解を助ける目的で挿入するものであり、ポリマーの重合成分の化学構造、正確な組成、並び方、スルホン酸基の位置、数、分子量などを必ずしも正確に表すわけではなく、これらに限定されるものでない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows. Further, a chemical structural formula is inserted in this example, and the chemical structural formula is inserted for the purpose of helping the reader to understand. The chemical structure of the polymerization component of the polymer, the exact composition, the arrangement, the sulfonic acid The position, number, molecular weight, and the like of the group are not necessarily expressed accurately, and are not limited thereto.

(1)スルホン酸基密度
検体となる膜の試料を25℃の純水に24時間浸漬し、40℃で24時間真空乾燥した後、元素分析により測定した。炭素、水素、窒素の分析は全自動元素分析装置varioEL、硫黄の分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定、フッ素の分析はフラスコ燃焼・イオンクロマトグラフ法で実施した。ポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Density of sulfonic acid group A sample of a membrane serving as a specimen was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and then measured by elemental analysis. Carbon, hydrogen, and nitrogen were analyzed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, sulfur was analyzed by a flask combustion method / barium acetate titration, and fluorine was analyzed by a flask combustion / ion chromatograph method. The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of the polymer.

(2)プロトン伝導度
膜の試料を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。
(2) Proton conductivity After immersing a membrane sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, the membrane sample is taken out in an atmosphere at 25 ° C. and a relative humidity of 50 to 80%, and the proton conductivity is measured by the constant potential AC impedance method as quickly as possible. did.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency ResponseAnalyzer)を使用した。サンプルは、φ2mmおよびφ10mmの2枚の円形電極(ステンレス製)間に加重1kgをかけて挟持した。有効電極面積は0.0314cmである。サンプルと電極の界面には、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の15%水溶液を塗布した。25℃において、交流振幅50mVの定電位インピーダンス測定を行い、膜厚方向のプロトン伝導度を求めた。 As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. The sample was sandwiched between two circular electrodes (made of stainless steel) of φ2 mm and φ10 mm with a weight of 1 kg. The effective electrode area is 0.0314 cm 2 . A 15% aqueous solution of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) was applied to the interface between the sample and the electrode. At 25 ° C., a constant potential impedance measurement with an AC amplitude of 50 mV was performed to determine proton conductivity in the film thickness direction.

(3)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、サンプル濃度0.1wt%、流量0.2mL/min、温度40℃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。
(3) 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 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L lithium bromide) at a sample concentration of 0.1 wt%, a flow rate of 0.2 mL / min, and a temperature of 40 ° C. The weight average molecular weight was determined.

(4)膜厚
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
(4) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

(5)メタノール透過量
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、20℃において1モル%メタノール水溶液を用いて測定した。
(5) Methanol permeation amount A membrane-shaped sample was immersed in pure water at 25 ° C for 24 hours, and then measured at 20 ° C using a 1 mol% aqueous methanol solution.

H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水(60mL)を入れ、他方のセルには1モル%メタノール水溶液(60mL)を入れた。セルの容量は各80mLであった。また、セル間の開口部面積は1.77cmであった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間、2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間あたりのメタノール透過量を求めた。 A sample membrane was sandwiched between the H-type cells, and pure water (60 mL) was placed in one cell, and 1 mol% aqueous methanol solution (60 mL) was placed in the other cell. The cell capacity was 80 mL each. Moreover, the opening area between cells was 1.77 cm < 2 >. Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time was determined from the slope of the graph.

(6)結晶化ピークの有無確認および結晶化熱量測定
検体となる高分子電解質材料(3.5〜4.5mg)をスルホン酸基が分解しない温度(例えば40〜100℃)で予備乾燥して水分を除去後、重量を測定する。この際、ポリマーの化学構造や高次構造が変化する可能性があるので、結晶化温度や熱分解温度以上に温度を上げない。重量を測定後、該高分子電解質材料について、以下の条件にて1回目の昇温段階の温度変調示差走査熱量分析を行った。
(6) Confirmation of presence or absence of crystallization peak and crystallization calorimetry Preliminarily drying the polymer electrolyte material (3.5 to 4.5 mg) as a specimen at a temperature at which the sulfonic acid group does not decompose (for example, 40 to 100 ° C.) After removing the moisture, the weight is measured. At this time, since the chemical structure or higher order structure of the polymer may change, the temperature is not raised above the crystallization temperature or the thermal decomposition temperature. After measuring the weight, the polymer electrolyte material was subjected to temperature modulation differential scanning calorimetry at the first temperature raising stage under the following conditions.

DSC装置:TA Instruments社製DSC Q100
測定温度範囲:25℃〜熱分解温度(例えば310℃)
昇温速度:5℃/分
振幅:±0.796℃
試料量:約4mg
試料パン:アルミニウム製クリンプパン
測定雰囲気:窒素 50ml/min
予備乾燥:真空乾燥 60℃、1時間
低温側からピークトップまでの熱量を2倍した値を結晶化熱量として計算した。また、検体が水分を含んでいたので、検出された水の蒸発熱量から水分量を計算し、高分子電解質材料の重量を補正した。なお、水の蒸発熱は2277J/gである。
DSC apparatus: DSC Q100 manufactured by TA Instruments
Measurement temperature range: 25 ° C. to thermal decomposition temperature (eg, 310 ° C.)
Temperature increase rate: 5 ° C / min Amplitude: ± 0.796 ° C
Sample amount: about 4mg
Sample pan: Aluminum crimp pan Measurement atmosphere: Nitrogen 50 ml / min
Pre-drying: Vacuum drying 60 ° C., 1 hour A value obtained by doubling the amount of heat from the low temperature side to the peak top was calculated as the amount of crystallization heat. Further, since the specimen contained water, the water content was calculated from the detected heat of evaporation of water, and the weight of the polymer electrolyte material was corrected. The evaporation heat of water is 2277 J / g.

試料中の水の重量(g)=試料の水の蒸発熱(J/g)×試料量(g)/2277(J/g)
結晶化熱量補正値(J/g)=結晶化熱量(J/g)×試料量(g)/(試料量−試料中の水の重量(g))
(7)広角X線回折
検体となる高分子電解質材料を回折計にセットし、以下の条件にてX線回折測定を行った。
Weight of water in sample (g) = heat of evaporation of sample water (J / g) × sample amount (g) / 2277 (J / g)
Crystallization calorific value correction value (J / g) = crystallization calorific value (J / g) × sample amount (g) / (sample amount−weight of water in sample (g))
(7) Wide-angle X-ray diffraction The polymer electrolyte material used as a specimen was set in a diffractometer, and X-ray diffraction measurement was performed under the following conditions.

X線回折装置:リガク社製RINT2500V
X線:Cu−Kα
X線出力:50kV−300mA
光学系:集中法光学系
スキャン速度:2θ=2°/min
スキャン方法:2θ−θ
スキャン範囲:2θ=5〜60°
スリット:発散スリット-1/2°、受光スリット-0.15mm、散乱スリット-1/2°
結晶化度はプロファイルフィッティングを行うことにより各成分の分離を行い、各成分の回折角と積分強度を求め、得られた結晶質ピークと非晶質ハローの積分強度を用いて一般式(S2)の計算式から結晶化度を算出した。
X-ray diffractometer: RINT2500V manufactured by Rigaku Corporation
X-ray: Cu-Kα
X-ray output: 50kV-300mA
Optical system: Concentrated optical system Scan speed: 2θ = 2 ° / min
Scanning method: 2θ-θ
Scan range: 2θ = 5-60 °
Slit: Divergence slit -1 / 2 °, Light receiving slit -0.15mm, Scattering slit -1 / 2 °
The degree of crystallinity is obtained by separating each component by profile fitting, obtaining the diffraction angle and integrated intensity of each component, and using the obtained crystalline peak and the integrated intensity of the amorphous halo, the general formula (S2) The crystallinity was calculated from the following formula.

結晶化度(%)=(全ての結晶質ピークの積分強度の和)/(全ての結晶質ピーク と非晶質ハローの積分強度の和)×100 (S2)
(8)エルメンドルフ引裂強度測定
検体となる高分子電解質膜を25℃、50%RHに24時間放置した後、装置にセットし、以下の条件にてエルメンドルフ引裂強度測定を行った。
Crystallinity (%) = (sum of integrated intensities of all crystalline peaks) / (sum of integrated intensities of all crystalline peaks and amorphous halo) × 100 (S2)
(8) Measurement of Elmendorf Tear Strength The polymer electrolyte membrane as a specimen was allowed to stand at 25 ° C. and 50% RH for 24 hours, then set in an apparatus, and Elmendorf tear strength was measured under the following conditions.

測定装置:エルメンドルフ引裂試験機(東洋精機製)
試験荷重:FS=100g
試験片:幅63mm×長さ76mm
試験温度:25℃、50%RH
試験数:n=5
重ね枚数:1枚
エルメンドルフ引裂強度は、試験回数5回の平均値で算出した。また、膜厚の影響を除くために、単位膜厚当たりの引裂強度として表記した。膜の引裂強度に異方性がある場合には、直行する2方向について測定を行い、その平均値を引裂強度とする。本実施例の膜については、異方性が認められなかったので1方向のみのデータを表記した。
Measuring device: Elmendorf Tear Tester (Toyo Seiki)
Test load: FS = 100g
Test piece: width 63mm x length 76mm
Test temperature: 25 ° C., 50% RH
Number of tests: n = 5
Number of layers: 1 The Elmendorf tear strength was calculated as an average value of 5 tests. Moreover, in order to remove the influence of the film thickness, it was expressed as the tear strength per unit film thickness. When there is anisotropy in the tear strength of the film, measurement is performed in two orthogonal directions, and the average value is taken as the tear strength. For the film of this example, no anisotropy was observed, so data in only one direction was shown.

(9)引張強伸度測定
検体となる高分子電解質膜を25℃、60%RHに24時間放置した後、装置にセットし、以下の条件にて引張強伸度測定を行った。引張強伸度は、試験回数5回の平均値で算出した。
(9) Tensile strength / elongation measurement The polymer electrolyte membrane used as a specimen was allowed to stand at 25 ° C. and 60% RH for 24 hours, then set in an apparatus, and measured for tensile strength / elongation under the following conditions. The tensile strength / elongation was calculated as an average value of five test times.

測定装置:SV−201型引張圧縮試験機(今田製作所製)
荷重:50N
引張り速度:10mm/min
試験片:幅5mm×長さ50mm
サンプル間距離:20mm
試験温度:25℃、60%RH
試験数:n=5
(10)N−メチルピロリドンに対する重量減
検体となる高分子電解質膜(約0.1g)を純水で十分に洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定した。高分子電解質膜を1000倍重量のN−メチルピロリドンに浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら100℃、2時間加熱した。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行った。濾過時に1000倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させ、さらに残渣中に含まれるN−メチルピロリドンを純水で十分に洗浄させた。残渣を40℃で24時間真空乾燥して重量を測定することにより、重量減を算出した。
Measuring device: SV-201 type tensile and compression testing machine (manufactured by Imada Seisakusho)
Load: 50N
Tensile speed: 10 mm / min
Test piece: width 5 mm x length 50 mm
Distance between samples: 20mm
Test temperature: 25 ° C., 60% RH
Number of tests: n = 5
(10) Weight reduction with respect to N-methylpyrrolidone A polymer electrolyte membrane (about 0.1 g) as a specimen was sufficiently washed with pure water, and then vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer electrolyte membrane was immersed in 1000 times the weight of N-methylpyrrolidone and heated in an airtight container at 100 ° C. for 2 hours with stirring. Next, filtration was performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. At the time of filtration, the filter paper and the residue were washed with 1000 times weight of the same solvent, the eluate was sufficiently eluted in the solvent, and the N-methylpyrrolidone contained in the residue was sufficiently washed with pure water. The residue was vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours and the weight was measured to calculate the weight loss.

(11)ケタール基の残存量の分析
検体となる高分子電解質材料を以下の条件にて加熱時発生気体分析を行い、C2H4Oなど(m/z=29)および2-メチル-1,3-ジオキソラン(m/z=73)の和からケタール基の残存量(wt%)を定量した。
(A)使用装置
TPD-MS装置
<主な仕様>
加熱部 : TRC製加熱装置(電気ヒーター式加熱炉,石英ガラス製反応管)
MS部 : 島津製作所製 GC/MS QP5050A
(B)試験条件
加熱温度条件 : 室温〜550℃(昇温速度10℃/min)
雰囲気 : He流(50mL/min)(岩谷産業(株)製,純度99.995%)
(C)試料
使用試料量 : 約1.5mg
前処理 : 80℃,180分間真空乾燥
(D)標準品
タンク゛ステン酸ナトリウム2水和物(H2O標準試料) : シグマアルドリッチ,特級 99%
1-ブテン(有機成分標準試料 ): GLサイエンス,7.92%/N2バランス
二酸化炭素 :GLサイエンス,99.9%
二酸化硫黄 : 住友精化,1.000%/N2バランス
フェノール : 和光純薬,特級 99.0%
2-メチル-1,3-ジオキソラン(C2H4Oなどおよび2-メチル-1,3-ジオキソラン標準試料): 東京化成工業,特級 98%
(E)測定室温度(室温の範囲)
23±2℃
(12)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、H−NMRの測定を行い、構造確認および4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノンと2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランの混合比の定量を行った。該混合比(mol%)は7.6ppm(4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン由来)と7.2ppm(2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン由来)に認められるピークの積分値から算出した。
(11) Analysis of residual amount of ketal group The sample polymer electrolyte material was subjected to gas analysis during heating under the following conditions to find C 2 H 4 O (m / z = 29) and 2-methyl-1 , 3-Dioxolane (m / z = 73) was quantified for the remaining amount of ketal group (wt%).
(A) Equipment used
TPD-MS equipment <Main specifications>
Heating unit: TRC heating device (electric heater type heating furnace, quartz glass reaction tube)
MS Department: Shimadzu GC / MS QP5050A
(B) Test conditions Heating temperature condition: Room temperature to 550 ° C (Temperature increase rate 10 ° C / min)
Atmosphere: He flow (50mL / min) (Iwatani Corp., purity 99.995%)
(C) Sample Amount of sample used: Approximately 1.5 mg
Pretreatment: Vacuum drying at 80 ° C for 180 minutes (D) Standard product Tank sodium stearate dihydrate (H 2 O standard sample): Sigma Aldrich, special grade 99%
1-butene (organic component standard sample): GL science, 7.92% / N 2 balance Carbon dioxide: GL science, 99.9%
Sulfur dioxide: Sumitomo Seika, 1.000% / N 2 balance Phenol: Wako Pure Chemicals, special grade 99.0%
2-methyl-1,3-dioxolane (C 2 H 4 O, etc. and 2-methyl-1,3-dioxolane standard sample): Tokyo Chemical Industry, special grade 98%
(E) Measurement room temperature (room temperature range)
23 ± 2 ℃
(12) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
In the following measuring conditions, was measured for 1 H-NMR, subject to quantitative structural confirmation and 4,4'-dihydroxybenzophenone and 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-mixing ratio of dioxolane It was. The mixing ratio (mol%) is a peak observed at 7.6 ppm (derived from 4,4′-dihydroxybenzophenone) and 7.2 ppm (derived from 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane). Calculated from the integrated value.

装置 :日本電子社製EX−270
共鳴周波数 :270MHz(H−NMR)
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6
内部基準物質:TMS(0ppm)
積算回数 :16回
また、下記の測定条件で、固体13C−CP/MASスペクトルの測定を行い、ケタール基の残存有無確認を行った。
Apparatus: EX-270 manufactured by JEOL Ltd.
Resonance frequency: 270 MHz ( 1 H-NMR)
Measurement temperature: room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Accumulation count: 16 times Further, solid 13 C-CP / MAS spectrum was measured under the following measurement conditions, and the presence or absence of a ketal group was confirmed.

装置 :Chemagnetics社製CMX−300Infinity
測定温度 :室温
内部基準物質:Siゴム(1.56ppm)
測定核 :75.188829MHz
パルス幅 :90°パルス、4.5μsec
パルス繰り返し時間:ACQTM=0.03413sec、PD=9sec
スペクトル幅:30.003kHz
試料回転 :7kHz
コンタクトタイム:4msec
(13)膜電極複合体の性能評価
A.電圧保持率
膜電極複合体をエレクトロケム社製単セル“EFC05−01SP”(電極面積5cm用セル)に組み込み、セル温度を50℃とし、アノード側に20%メタノール水溶液0.2ml/分の速度で供給し、カソード側に合成空気を50ml/分の速度で供給し、東陽テクニカ製評価装置、ポテンショスタットはsolartron製1470、周波数応答アナライザはsolartron製1255Bを用いて電圧−電流特性を測定し、電流密度250mA/cmの電圧を読みとり、以後5時間毎に1時間発電休止を入れるパターンで、250mA/cmの定電流で通算100時間の運転を行った。定電流評価後、電流−電圧曲線から電流密度250mA/cmの電圧をよみとり、初回からの保持率を算出した。
B.燃料(メタノール)透過量(以下、「MCO」と称する場合がある。)の測定
電流を印加する前にカソードからの排出される合成空気をガス捕集用の袋に捕集してジ−エルサイエンス製オートサンプラー付ガスクロマトグラフ“MicroGC CP4900”を用いてサンプリングガス中のメタノールと、酸化されて生成する二酸化炭素の両方の濃度を測定し算出した。ここでの二酸化炭素は、全て透過したメタノール由来で発生したものと仮定した。カソードの空気流量をL(ml/分)、ガスクロマトグラフによるメタノールと二酸化炭素の合計濃度をZ(体積%)および合計体積をV(ml)、開口面積(膜電極複合体中のメタノール水溶液燃料が直接接触する面積)をA(cm)とし下式で計算した。
Apparatus: CMX-300 Infinity manufactured by Chemagnetics
Measurement temperature: Room temperature Internal reference material: Si rubber (1.56ppm)
Measurement nucleus: 75.188829 MHz
Pulse width: 90 ° pulse, 4.5 μsec
Pulse repetition time: ACQTM = 0.03413sec, PD = 9sec
Spectrum width: 30.003 kHz
Sample rotation: 7 kHz
Contact time: 4msec
(13) Performance evaluation of membrane electrode composite Voltage holding ratio The membrane electrode assembly was incorporated into an electrochem single cell “EFC05-01SP” (cell for electrode area 5 cm 2 ), the cell temperature was set to 50 ° C., and 20% methanol aqueous solution 0.2 ml / min on the anode side Measure the voltage-current characteristics using a Toyo Technica evaluation device, a potentiostat 1470 made by solartron, and a frequency response analyzer made by solartron 1255B. Then, a voltage having a current density of 250 mA / cm 2 was read, and thereafter, operation was stopped for 100 hours at a constant current of 250 mA / cm 2 in a pattern in which power generation was stopped every 5 hours for 1 hour. After the constant current evaluation, a voltage with a current density of 250 mA / cm 2 was read from the current-voltage curve, and the retention rate from the first time was calculated.
B. Measurement of fuel (methanol) permeation amount (hereinafter sometimes referred to as “MCO”) Before applying an electric current, the synthetic air discharged from the cathode is collected in a gas collection bag, and GE Using a gas chromatograph “MicroGC CP4900” with an autosampler manufactured by Science, the concentrations of both methanol in the sampling gas and carbon dioxide produced by oxidation were measured and calculated. Here, it was assumed that all carbon dioxide was generated from permeated methanol. The cathode air flow rate is L (ml / min), the total concentration of methanol and carbon dioxide by gas chromatography is Z (% by volume), the total volume is V (ml), and the open area (the aqueous methanol fuel in the membrane electrode assembly is The area of direct contact) was A (cm 2 ), and the following formula was used for calculation.

MCO(mol/cm2/分)=(L+V)×(Z/100)/22400/A
C.発電評価(メタノール水燃料)
30重量%メタノール水をアノードに溜めた状態で、東陽テクニカ製評価装置、ポテンショスタットはsolartron製1470、周波数応答アナライザはsolartron製1255Bを用いて測定した。電流スイープ速度を10mV/分とし、電圧が30mVまで測定した。電流−電圧曲線の電流と電圧の積が最高になる点を電極面積で割った値を出力密度とした。
D.発電評価(水素燃料)
燃料電池セルをセル温度:60℃、燃料ガス:水素、酸化ガス:空気、ガス利用率:アノード70%/カソード40%、加湿;アノード側90%/カソード90%において電流−電圧(I−V)測定した。電流−電圧曲線の電流と電圧の積が最高になる点を電極面積で割った値を出力密度とした。
MCO (mol / cm 2 / min) = (L + V) × (Z / 100) / 22400 / A
C. Power generation evaluation (methanol water fuel)
In a state where 30% by weight methanol water was stored in the anode, measurement was performed using an evaluation apparatus manufactured by Toyo Technica, a potentiostat 1470 manufactured by solartron, and a frequency response analyzer 1255B manufactured by solartron. The current sweep rate was 10 mV / min, and the voltage was measured up to 30 mV. A value obtained by dividing the point at which the product of the current and voltage in the current-voltage curve becomes the highest by the electrode area was taken as the output density.
D. Power generation evaluation (hydrogen fuel)
Fuel cell: cell temperature: 60 ° C., fuel gas: hydrogen, oxidizing gas: air, gas utilization: anode 70% / cathode 40%, humidification; anode-90% / cathode 90% current-voltage (IV) )It was measured. A value obtained by dividing the point at which the product of the current and voltage in the current-voltage curve becomes the highest by the electrode area was taken as the output density.

合成例1
下記一般式(G1)で表される2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン(K−DHBP)の合成
Synthesis example 1
Synthesis of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the following general formula (G1)

Figure 2007204578
Figure 2007204578

テフロン(登録商標)製攪拌羽根、温度計を備えた3Lフラスコに4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(495g、DHBP、東京化成試薬)、およびモンモリロナイトクレイK10(750g、アルドリッチ試薬)を入れ、窒素置換後、エチレングリコール(1200mL、和光純薬試薬)/オルトギ酸トリメチル(500mL、和光純薬試薬)を追加した。攪拌しながらバス温110℃/内温74℃/蒸気温52℃で、メタノール、ギ酸メチルをオルトギ酸トリメチルとともに徐々に蒸留させながら8時間反応させた。次に、オルトギ酸トリメチル500mLを追加し、さらに8時間反応させた。   4,3′-dihydroxybenzophenone (495 g, DHBP, Tokyo Kasei Reagent) and Montmorillonite clay K10 (750 g, Aldrich Reagent) were placed in a 3 L flask equipped with a Teflon (registered trademark) stirring blade and thermometer, and after nitrogen substitution And ethylene glycol (1200 mL, Wako Pure Chemical Reagent) / trimethyl orthoformate (500 mL, Wako Pure Chemical Reagent) were added. While stirring, at a bath temperature of 110 ° C./inner temperature of 74 ° C./steam temperature of 52 ° C., methanol and methyl formate were reacted together with trimethyl orthoformate for 8 hours while gradually distilling. Next, 500 mL of trimethyl orthoformate was added, and the mixture was further reacted for 8 hours.

酢酸エチル1Lで希釈後、濾過によりクレイを除去し、酢酸エチル500mL×3の洗液も加えた。2%NaHCO水溶液1Lで4回、飽和食塩水1Lで1回抽出し、NaSOで脱水後、濃縮した。得られた白色スラリー溶液へジクロロメタン500mL追加し、濾過・ジクロロメタン250mL×3で洗浄することにより、目的のK−DHBP/DHBP混合物を淡黄色固体として得た(収量:347g、K−DHBP/DHBP=94/6(mol%))。構造はH−NMRで確認し、K−DHBP/DHBPの比を算出した。その他不純物はガスクロマトグラフィーで認められなかった。 After dilution with 1 L of ethyl acetate, the clay was removed by filtration, and a washing solution of ethyl acetate 500 mL × 3 was also added. Extraction was performed 4 times with 1 L of 2% NaHCO 3 aqueous solution and once with 1 L of saturated brine, dehydrated with Na 2 SO 4 and concentrated. Dichloromethane (500 mL) was added to the obtained white slurry solution, and filtration and washing with dichloromethane (250 mL × 3) were performed to obtain the target K-DHBP / DHBP mixture as a pale yellow solid (yield: 347 g, K-DHBP / DHBP = 94/6 (mol%)). The structure was confirmed by 1 H-NMR, and the ratio of K-DHBP / DHBP was calculated. Other impurities were not observed by gas chromatography.

合成例2
下記一般式(G2)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
Synthesis example 2
Synthesis of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following general formula (G2)

Figure 2007204578
Figure 2007204578

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10h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、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。構造はH−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。 109.1 g (Aldrich reagent) of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 100 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) (Wako Pure Chemicals reagent). 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 recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above general formula (G2). The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).

実施例1
下記一般式(G3)で表されるポリマーの合成
Example 1
Synthesis of a polymer represented by the following general formula (G3)

Figure 2007204578
Figure 2007204578

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。スルホン酸基はNa型で記載しているが、重合中にK型に置換された部分を含む。ビスフェノール残査は全てK−DHBP残査で記載しているが、DHBP残査を含む。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム13.82g(アルドリッチ試薬、100mmol)、前記合成例1で得たK−DHBP/DHBP=94/6(mol%)混合物20.4g(80mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン10.1g(24mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)90mL、トルエン45mL中で180℃で脱水後、昇温してトルエン除去、230℃で10時間重合を行った。多量の水で再沈殿することで精製を行い、一般式(G3)で示されるポリケタールケトンを得た。重量平均分子量は35万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the above formula and the left end of the below formula are bonded at that position. The sulfonic acid group is described in Na type, but was substituted with K type during polymerization. (All bisphenol residues are listed as K-DHBP residues, but include DHBP residues.)
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 13.82 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 100 mmol), K-DHBP / DHBP obtained in Synthesis Example 1 = 94/6 (mol%) ) 20.4 g (80 mmol) of the mixture, 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol), and disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 10.1 g (24 mmol) was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed at 180 ° C. in 90 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 45 mL of toluene, and then the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was performed at 230 ° C. for 10 hours. Purification was performed by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polyketal ketone represented by the general formula (G3). The weight average molecular weight was 350,000.

得られた一般式(G3)のポリケタールケトンを溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて2h乾燥後、窒素下300℃まで30分かけて昇温、300℃で10分間熱処理し、ポリケタールケトン膜を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。95℃で6N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。   The obtained 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the polyketal ketone of the general formula (G3) was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast onto a glass substrate and applied at 100 ° C. And dried for 2 hours at 300 ° C. under nitrogen for 30 minutes and heat-treated at 300 ° C. for 10 minutes to obtain a polyketal ketone film. The solubility of the polymer was very good. After being immersed in 6N hydrochloric acid at 95 ° C. for 24 hours for proton substitution and deprotection, it was immersed in a large excess of pure water for 24 hours and washed sufficiently to obtain a polymer electrolyte membrane.

評価結果は表1にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められた。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。極めて強靱な電解質膜であった。耐溶剤性にも優れていた。さらに、伝導度を維持しながら、燃料遮断性にも優れていた。また、熱水中や熱メタノール中に浸漬しても溶解や崩壊することもなく、強靱な膜であり、耐熱水性および耐熱メタノール性に極めて優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. In the obtained polymer electrolyte membrane, a crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. It was an extremely tough electrolyte membrane. Excellent solvent resistance. Furthermore, while maintaining conductivity, it was excellent in fuel cutoff. Moreover, even if it was immersed in hot water or hot methanol, it was a tough film without dissolving or disintegrating, and was extremely excellent in hot water resistance and hot methanol resistance.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

なお、上記一般式(G3)で示されるポリケタールケトンについてTPD−MS測定によるケタール基由来物質の定量分析を行ったところ、250℃あたりにCOなどが5.22w%、2-メチル-1,3-ジオキソランが0.39wt%と合計5.61wt%のケタール基由来物質が検出された。 The polyketal ketone represented by the above general formula (G3) was subjected to quantitative analysis of the ketal group-derived substance by TPD-MS measurement. As a result, C 2 H 4 O was 5.22 w% per 250 ° C., 2- Methyl-1,3-dioxolane was 0.39 wt%, and a total of 5.61 wt% of ketal group-derived substances were detected.

実施例2
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン10.1g(24mmol)の仕込量をそれぞれ11.3g(52mmol)、11.8g(28mmol)に変えた以外は実施例1に記載の方法でポリケタールケトンポリマーおよび高分子電解質膜の作製を行った。ポリケタールケトンポリマーの重量平均分子量は33万であった。
Example 2
Charge amount of 12.4 g (Aldrich reagent, 56 mmol) of 4,4′-difluorobenzophenone and 10.1 g (24 mmol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 A polyketal ketone polymer and a polymer electrolyte membrane were prepared by the method described in Example 1 except that the amount was changed to 11.3 g (52 mmol) and 11.8 g (28 mmol), respectively. The weight average molecular weight of the polyketal ketone polymer was 330,000.

評価結果は表1にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められた。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。極めて強靱な電解質膜であった。耐溶剤性にも優れていた。さらに、伝導度を維持しながら、燃料遮断性にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. In the obtained polymer electrolyte membrane, a crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. It was an extremely tough electrolyte membrane. Excellent solvent resistance. Furthermore, while maintaining conductivity, it was excellent in fuel cutoff.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例3
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン10.1g(24mmol)の仕込量をそれぞれ10.5g(48mmol)、13.5g(32mmol)に変えた以外は実施例1に記載の方法でポリケタールケトンポリマーおよび高分子電解質膜の作製を行った。ポリケタールケトンポリマーの重量平均分子量は28万であった。
Example 3
Charge of 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol) and 10.1 g (24 mmol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 A polyketal ketone polymer and a polymer electrolyte membrane were prepared by the method described in Example 1, except that 1 was changed to 10.5 g (48 mmol) and 13.5 g (32 mmol), respectively. The weight average molecular weight of the polyketal ketone polymer was 280,000.

評価結果は表1にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められた。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。極めて強靱な電解質膜であった。耐溶剤性にも優れていた。さらに、伝導度を維持しながら、燃料遮断性にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. In the obtained polymer electrolyte membrane, a crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. It was an extremely tough electrolyte membrane. Excellent solvent resistance. Furthermore, while maintaining conductivity, it was excellent in fuel cutoff.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例4
実施例1において、ガラス基板上に流延塗布する際のクリアランスを薄く変え、電解質膜の膜厚を薄く変更した以外は実施例1に記載の方法で高分子電解質膜の作製を行った。
Example 4
In Example 1, a polymer electrolyte membrane was prepared by the method described in Example 1 except that the clearance when cast-coated on a glass substrate was changed thinly and the thickness of the electrolyte membrane was changed thinly.

評価結果は表2にまとめた。得られた高分子電解質膜は引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度に優れており、極めて強靱な電解質膜であった。さらに、伝導度にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 2. The obtained polymer electrolyte membrane was excellent in tear strength, tensile rupture strength, and tensile rupture elongation, and was an extremely tough electrolyte membrane. Furthermore, the conductivity was also excellent.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例5
実施例2において、ガラス基板上に流延塗布する際のクリアランスを薄く変え、電解質膜の膜厚を薄く変更した以外は実施例2に記載の方法で高分子電解質膜の作製を行った。
Example 5
In Example 2, a polymer electrolyte membrane was prepared by the method described in Example 2 except that the clearance at the time of casting application on a glass substrate was changed thinly and the thickness of the electrolyte membrane was changed thinly.

評価結果は表2にまとめた。得られた高分子電解質膜は引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度に優れており、極めて強靱な電解質膜であった。耐溶剤性にも優れていた。さらに、伝導度にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 2. The obtained polymer electrolyte membrane was excellent in tear strength, tensile rupture strength, and tensile rupture elongation, and was an extremely tough electrolyte membrane. Excellent solvent resistance. Furthermore, the conductivity was also excellent.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例6
実施例3において、ガラス基板上に流延塗布する際のクリアランスを薄く変え、電解質膜の膜厚を薄く変更した以外は実施例3に記載の方法で高分子電解質膜の作製を行った。
Example 6
In Example 3, a polymer electrolyte membrane was produced by the method described in Example 3 except that the clearance when cast-coated on a glass substrate was changed thinly and the thickness of the electrolyte membrane was changed thinly.

評価結果は表2にまとめた。得られた高分子電解質膜は引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度に優れており、極めて強靱な電解質膜であった。さらに、伝導度にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 2. The obtained polymer electrolyte membrane was excellent in tear strength, tensile rupture strength, and tensile rupture elongation, and was an extremely tough electrolyte membrane. Furthermore, the conductivity was also excellent.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例7
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン10.1g(24mmol)の仕込量をそれぞれ9.6g(44mmol)、15.2g(36mmol)に変えた以外は実施例1に記載の方法でポリケタールケトンポリマーおよび高分子電解質膜の作製を行った。ポリケタールケトンポリマーの重量平均分子量は25万であった。
Example 7
Charge of 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol) and 10.1 g (24 mmol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 A polyketal ketone polymer and a polymer electrolyte membrane were prepared by the method described in Example 1 except that was changed to 9.6 g (44 mmol) and 15.2 g (36 mmol), respectively. The weight average molecular weight of the polyketal ketone polymer was 250,000.

評価結果は表3にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められた。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度に優れており、極めて強靱な電解質膜であった。耐溶剤性にも比較的優れていた。さらに、伝導度にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 3. In the obtained polymer electrolyte membrane, a crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. The electrolyte membrane was excellent in tear strength, tensile rupture strength, and tensile rupture elongation, and was an extremely tough electrolyte membrane. The solvent resistance was also relatively excellent. Furthermore, the conductivity was also excellent.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shifts of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

実施例8
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン12.2g(アルドリッチ試薬、56mmol)、および前記合成例2で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン10.1g(24mmol)の仕込量をそれぞれ8.7g(40mmol)、13.5g(40mmol)に変えた以外は実施例1に記載の方法でポリケタールケトンポリマーおよび高分子電解質膜の作製を行った。ポリケタールケトンポリマーの重量平均分子量は24万であった。
Example 8
Charge of 12.2 g of 4,4′-difluorobenzophenone (Aldrich reagent, 56 mmol) and 10.1 g (24 mmol) of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2 A polyketal ketone polymer and a polymer electrolyte membrane were prepared by the method described in Example 1 except that γ was changed to 8.7 g (40 mmol) and 13.5 g (40 mmol), respectively. The weight average molecular weight of the polyketal ketone polymer was 240,000.

評価結果は表3にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められた。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度に優れており、極めて強靱な電解質膜であった。耐溶剤性にも優れていた。さらに、伝導度にも優れていた。   The evaluation results are summarized in Table 3. In the obtained polymer electrolyte membrane, a crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. The electrolyte membrane was excellent in tear strength, tensile rupture strength, and tensile rupture elongation, and was an extremely tough electrolyte membrane. Excellent solvent resistance. Furthermore, the conductivity was also excellent.

また、固体13C−CP/MASスペクトルにおいて、脱保護前のポリケタールケトン膜で認められたケミカルシフト約65ppmと約110ppm(ケタール基由来)のピークが、脱保護後の高分子電解質膜には認められなかった。このことから脱保護反応は高い転化率で進行していた。 Further, in the solid 13 C-CP / MAS spectrum, peaks of chemical shift of about 65 ppm and about 110 ppm (derived from ketal group) observed in the polyketal ketone film before deprotection are observed in the polymer electrolyte membrane after deprotection. I was not able to admit. Therefore, the deprotection reaction proceeded at a high conversion rate.

比較例1
市販のナフィオン(登録商標)117膜(デュポン社製)を用い、各種特性を評価した。ナフィオン(登録商標)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
Various properties were evaluated using a commercially available Nafion (registered trademark) 117 membrane (manufactured by DuPont). The Nafion (registered trademark) 117 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. .

評価結果は表4にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められなかった。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。引裂強度が低く、引張破断伸度に優れているが、引張破断強度には劣っていた。さらに、伝導度は高いが、燃料遮断性には劣っていた。   The evaluation results are summarized in Table 4. In the obtained polymer electrolyte membrane, no crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. The tear strength was low and the tensile elongation at break was excellent, but the tensile strength at break was poor. Furthermore, although the conductivity was high, the fuel shut-off property was inferior.

比較例2
市販のナフィオン(登録商標)111膜(デュポン社製)を用い、各種特性を評価した。ナフィオン(登録商標)111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 2
Various properties were evaluated using a commercially available Nafion (registered trademark) 111 membrane (manufactured by DuPont). The Nafion (registered trademark) 111 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, and subsequently immersed in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. .

評価結果は表4にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められなかった。また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。引裂強度が低く、引張破断伸度に優れているが、引張破断強度には劣っていた。さらに、伝導度は高いが、燃料遮断性には劣っていた。   The evaluation results are summarized in Table 4. In the obtained polymer electrolyte membrane, no crystallization peak was observed in DSC (first heating stage). Further, no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. The tear strength was low and the tensile elongation at break was excellent, but the tensile strength at break was poor. Furthermore, although the conductivity was high, the fuel shut-off property was inferior.

比較例3
PEEKのスルホン化
ポリエーテルエーテルケトン(ビクトレックス(登録商標)PEEK(登録商標)(ビクトレックス社製))10gを濃硫酸100mL中、25℃で20時間反応させた。大量の水中に徐々に投入することによりポリエーテルエーテルケトンのスルホン化物を得た。得られたポリマーのスルホン酸基密度は2.1mmol/gであった。ポリマーが溶けながらスルホン化されるのでスルホン酸基の位置、量を再現性よく得ることは困難であった。
Comparative Example 3
Sulfonation of PEEK 10 g of polyetheretherketone (Victrex (registered trademark) PEEK (registered trademark) (manufactured by Victrex)) was reacted in 100 mL of concentrated sulfuric acid at 25 ° C. for 20 hours. By gradually throwing it into a large amount of water, a sulfonated product of polyetheretherketone was obtained. The resulting polymer had a sulfonic acid group density of 2.1 mmol / g. Since the polymer is sulfonated while being dissolved, it is difficult to obtain the position and amount of the sulfonic acid group with good reproducibility.

得られたスルホン化物を溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液をガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、ガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4h乾燥し、膜を得た。ポリマーの溶解性は良好であった。大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。   A 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution in which the resulting sulfonated product was dissolved was subjected to pressure filtration using a glass fiber filter, and then cast on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 4 hours, Got. The solubility of the polymer was good. The polymer electrolyte membrane was obtained by immersing in a large excess of pure water for 24 hours and thoroughly washing.

評価結果は表4にまとめた。得られた高分子電解質膜はDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められず、また、広角X線回折で結晶質ピークは認められなかった。さらに、伝導度は比較的高いが、燃料遮断性には劣っていた。また、60℃、30wt%メタノール水溶液中や95℃熱水中で崩壊してしまったので、耐熱水性や耐熱メタノール性には劣っていた。また、耐溶剤性にも劣っていた。引張破断伸度は比較的大きいが、引張破断強度および引裂強度が小さかった。   The evaluation results are summarized in Table 4. In the obtained polymer electrolyte membrane, no crystallization peak was observed by DSC (first heating stage), and no crystalline peak was observed by wide-angle X-ray diffraction. Furthermore, the conductivity was relatively high, but the fuel shut-off property was inferior. Moreover, since it collapse | disintegrated in 60 degreeC and 30 wt% methanol aqueous solution or 95 degreeC hot water, it was inferior to hot water resistance or heat resistant methanol property. Moreover, it was inferior also to solvent resistance. Although the tensile elongation at break was relatively large, the tensile break strength and tear strength were small.

比較例4
PEKをスルホン化した。
Comparative Example 4
PEK was sulfonated.

ポリエーテルケトン樹脂(ビクトレックス(登録商標)PEEK−HT(ビクトレックス製))10gを発煙硫酸100mL中、100℃で2h反応させた。濃硫酸で希釈後、大量の水中に徐々に投入することによりポリエーテルケトンのスルホン化物SPEK−2を得た。得られたSPEK−2のスルホン酸基密度は1.2mmol/gであった。   10 g of a polyetherketone resin (Victorex (registered trademark) PEEK-HT (manufactured by Victorex)) was reacted in 100 mL of fuming sulfuric acid at 100 ° C. for 2 hours. After diluting with concentrated sulfuric acid, it was gradually poured into a large amount of water to obtain a polyether ketone sulfonated product SPEK-2. The sulfonic acid group density of the obtained SPEK-2 was 1.2 mmol / g.

SPEK−2ポリマーはN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させることができず、製膜が困難であった。実施例1のポリマーと組成は類似しているが、溶解性に劣っていた。また、IRおよび固体13C−CP/MASスペクトルからケタール基の存在が確認できなかった。各種評価を行うことはできなかった。得られたポリマーはDSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められなかった。 The SPEK-2 polymer could not be dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP), and film formation was difficult. The composition was similar to the polymer of Example 1, but poor in solubility. Further, the presence of a ketal group could not be confirmed from IR and solid 13 C-CP / MAS spectrum. Various evaluations could not be performed. In the obtained polymer, no crystallization peak was observed in DSC (first heating stage).

なお、粉末状態のポリエーテルケトン樹脂は広角X線回折で結晶質ピークが認められ、結晶化度は30%であった。DSC(1回目の昇温段階)で結晶化ピークが認められなかった。   The powdered polyetherketone resin showed a crystalline peak by wide-angle X-ray diffraction, and the crystallinity was 30%. No crystallization peak was observed in DSC (first heating stage).

比較例5
前記合成例1で得たK−DHBP/DHBP=94/6(mol%)混合物20.4g(80mmol)の仕込量をDHBP17.1g(80mmol)に変えた以外は実施例3に記載の方法でポリエーテルケトンポリマーの重合を行った。重合初期段階から、ポリマーが析出し、重合が困難であった。溶剤不溶性のため分子量測定はできなかった。溶解性が不足するので、製膜することはできず、各種測定を行うこともできなかった。
Comparative Example 5
The method described in Example 3 except that the amount of 20.4 g (80 mmol) of the K-DHBP / DHBP = 94/6 (mol%) mixture obtained in Synthesis Example 1 was changed to 17.1 g (80 mmol) of DHBP. Polymerization of polyetherketone polymer was performed. From the initial stage of polymerization, a polymer was precipitated, and the polymerization was difficult. Molecular weight could not be measured due to solvent insolubility. Since the solubility was insufficient, the film could not be formed and various measurements could not be performed.

実施例1〜8、比較例1〜5の各評価結果を表1〜4に示す。実施例1〜3の高分子電解質膜は結晶化ピークが認められ、プロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、耐溶剤性等に優れていた。実施例4〜6の高分子電解質膜は、引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度に優れていた。実施例7および8の高分子電解質膜は、結晶化ピークが認められ、プロトン伝導性に優れ、かつ、燃料遮断性、耐溶剤性、引裂強度、引張破断強度、引張破断伸度等に優れていた。比較例の電解質膜は、いずれかの特性が著しく劣っていた。   Each evaluation result of Examples 1-8 and Comparative Examples 1-5 is shown in Tables 1-4. The polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 3 were observed to have a crystallization peak, excellent in proton conductivity, excellent in fuel blocking properties, solvent resistance, and the like. The polymer electrolyte membranes of Examples 4 to 6 were excellent in tear strength, tensile break strength, and tensile break elongation. The polymer electrolyte membranes of Examples 7 and 8 have a crystallization peak, excellent proton conductivity, and excellent fuel cutoff, solvent resistance, tear strength, tensile rupture strength, tensile rupture elongation, and the like. It was. The electrolyte membrane of the comparative example was remarkably inferior in any of the characteristics.

Figure 2007204578
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電極作製例1
(1)メタノール水溶液を燃料とする膜電極複合体用の電極
炭素繊維の織物からなる米国イーテック(E-TEK)社製カーボンクロス“TL−1400W”上に、ジョンソンマッセイ(Johson&Matthey)社製Pt−Ru担持カーボン触媒“HiSPEC”(登録商標)10000と“HiSPEC”(登録商標)6000、実施例1で得られた式(G3)のポリケタールケトンとN−メチル−2−ピロリドンからなるアノード触媒塗液を塗工し、乾燥して電極Aを作製した。アノード触媒塗液の塗工はカーボンブラック分散液を塗工した面に行った。また、同様に、上記の電極基材上に、田中貴金属工業社製Pt担持カーボン触媒TEC10V50Eとデュポン(DuPont)社製20%“ナフィオン”(“Nafion”)(登録商標)溶液とn−プロパノールからなるカソード触媒塗液を塗工し、乾燥して電極Bを作製した。
Electrode production example 1
(1) Electrode for membrane electrode assembly using methanol aqueous solution as fuel On the carbon cloth “TL-1400W” made of carbon fiber fabric made by E-TEK in the United States, Pt− made by Johnson Matthey (Johson & Matthey) Ru-supported carbon catalyst “HiSPEC” (registered trademark) 10000 and “HiSPEC” (registered trademark) 6000, anode catalyst coating comprising the polyketal ketone of formula (G3) obtained in Example 1 and N-methyl-2-pyrrolidone The solution was applied and dried to prepare an electrode A. The anode catalyst coating solution was applied to the surface coated with the carbon black dispersion. Similarly, on the above electrode base material, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. Pt-supported carbon catalyst TEC10V50E, DuPont 20% "Nafion" (registered trademark) solution and n-propanol The cathode catalyst coating solution was applied and dried to prepare an electrode B.

電極Aは白金重量換算で2.5mg/cm、電極Bは白金重量換算で4.5mg/cmとなるように触媒付着量を調整した。 The catalyst adhesion amount was adjusted so that the electrode A was 2.5 mg / cm 2 in terms of platinum weight, and the electrode B was 4.5 mg / cm 2 in terms of platinum weight.

(2)水素を燃料とする膜電極複合体用の電極
Aldrich社製“ナフィオン” (登録商標)溶液に、触媒担持カーボン(触媒:Pt、カーボン:Cabot社製ValcanXC-72、白金担持量:50重量%)を白金と“ナフィオン” (登録商標)の重量比が1:0.5になるように加え、よく撹拌して触媒−ポリマー組成物を調製した。この触媒−ポリマー組成物を、予め撥水処理(PTFEを20重量%含浸し焼成する)を行った電極基材(東レ(株)製カーボンペーパーTGP-H-060)に塗布し、直ちに乾燥して、電極Cを作製した。電極Cは白金重量換算で1.0mg/cmとなるように触媒付着量を調整した。
(2) Electrode for membrane electrode assembly using hydrogen as fuel
Aldrich “Nafion” (registered trademark) solution is loaded with catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, carbon: Cabot ValcanXC-72, platinum loading: 50% by weight) with platinum and “Nafion” (registered trademark) weight The catalyst-polymer composition was prepared by adding to a ratio of 1: 0.5 and stirring well. This catalyst-polymer composition was applied to an electrode base material (carbon paper TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) that had been subjected to a water-repellent treatment (impregnated with 20% by weight of PTFE and calcined) and immediately dried. Thus, an electrode C was produced. The electrode adhesion amount of the electrode C was adjusted so as to be 1.0 mg / cm 2 in terms of platinum weight.

界面抵抗低減層前駆体の作製例
実施例1で得られた式(G3)のポリケタールケトンを10g、N−メチル−2−ピロリドン55g、グリセリン45gを容器にとり、100℃に加熱して均一になるまで撹拌して、界面抵抗低減層前駆体Bとした。
Example of Preparation of Interfacial Resistance Reduction Layer Precursor 10 g of polyketal ketone of formula (G3) obtained in Example 1, 55 g of N-methyl-2-pyrrolidone and 45 g of glycerin are placed in a container and heated to 100 ° C. to be uniform. It stirred until it became it, and it was set as the interface resistance reduction layer precursor B.

実施例9
電極C2枚を使用しそれぞれが対向するように実施例6で得られた電解質膜を挟み込み、130℃で10分間、5MPaの圧力で加熱プレスを行い、膜電極複合体を得た。これを発電用セルに組み込み燃料電池とした。
Example 9
Using two electrodes C, the electrolyte membrane obtained in Example 6 was sandwiched so as to face each other, and heated and pressed at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 5 MPa to obtain a membrane electrode assembly. This was incorporated into a power generation cell to obtain a fuel cell.

この燃料電池の水素を燃料とする発電特性を評価したところ、最大出力は610mW/cmであった。 When the power generation characteristics of this fuel cell using hydrogen as a fuel were evaluated, the maximum output was 610 mW / cm 2 .

実施例10
電極Aと電極Bでそれぞれが対向するように実施例6で得られる脱保護処理前の膜を挟み込み、200℃で1分間、3MPaの圧力で加熱プレスを行い接合した。次に接合体を6N塩酸100gに浸し、80℃に加熱し、24時間処理し、膜電極複合体を得た。その後、純水で洗浄液が中性になるまで洗浄し発電用セルに組み込み燃料電池とした。
Example 10
The film before deprotection obtained in Example 6 was sandwiched between the electrodes A and B so as to face each other, and bonded by performing a heat press at 200 ° C. for 1 minute at a pressure of 3 MPa. Next, the joined body was immersed in 100 g of 6N hydrochloric acid, heated to 80 ° C., and treated for 24 hours to obtain a membrane electrode composite. After that, it was washed with pure water until the washing solution became neutral, and incorporated into a power generation cell to obtain a fuel cell.

電圧保持率は95%(初回の電圧が0.25V、100時間定電流発電後の電圧は0.24V)であり、優れた耐久性を示した。   The voltage holding ratio was 95% (the initial voltage was 0.25 V, the voltage after 100 hours constant current power generation was 0.24 V), and excellent durability was exhibited.

また、この膜電極複合体のメタノール透過量は4.6μmol/cm/分であった。また、パッシブ評価での出力は41mW/cmを示した。 Further, the methanol permeation amount of this membrane electrode assembly was 4.6 μmol / cm 2 / min. Moreover, the output in passive evaluation showed 41 mW / cm < 2 >.

比較例6
電極A、電極Bに市販のナフィオン(登録商標)溶液(アルドリッチ社製試薬)を塗布し100℃で乾燥しナフィオン(登録商標)被膜つき電極を得た。デュポン社製“ナフィオン117(登録商標)”を電解質膜として使用し、前述の電極で、界面抵抗低減性組成物を用いることなく電解質膜を挟むように積層し、130℃で30分間、5MPaの圧力で加熱プレスを行い、膜電極複合体を得た。
Comparative Example 6
A commercially available Nafion (registered trademark) solution (aldrich reagent) was applied to electrodes A and B and dried at 100 ° C. to obtain an electrode with a Nafion (registered trademark) coating. Using “Nafion 117 (registered trademark)” manufactured by DuPont as an electrolyte membrane, the above-mentioned electrodes were laminated so as to sandwich the electrolyte membrane without using the interface resistance reducing composition, and the pressure was 5 MPa at 130 ° C. for 30 minutes. Heat pressing was performed under pressure to obtain a membrane electrode assembly.

この膜電極複合体のメタノール透過量は13.0μmol/cm/分と大きく、電圧保持率は48%、(初回の電圧が0.21V、100時間定電流発電後の電圧は0.1V)であり、耐久性が劣った。また、パッシブ評価での出力は10mW/cmであり低出力であった。これらの評価後の評価セルを解体し、膜電極複合体を取り出して目視で観察したところ、アノード電極と電解質膜の界面に、メタノール水溶液の膨潤による剥離が発生し、触媒の一部が崩壊流出していた。使用した電解質材料の耐熱メタノール性が不十分であった。 The membrane electrode composite has a large methanol permeation amount of 13.0 μmol / cm 2 / min and a voltage holding ratio of 48% (the initial voltage is 0.21 V and the voltage after 100 hours of constant current power generation is 0.1 V). And the durability was inferior. Moreover, the output in passive evaluation was 10 mW / cm < 2 > and was a low output. When the evaluation cell after these evaluations was disassembled, the membrane electrode assembly was taken out and visually observed, peeling due to swelling of the methanol aqueous solution occurred at the interface between the anode electrode and the electrolyte membrane, and part of the catalyst collapsed and flowed out. Was. The electrolyte material used had insufficient heat-resistant methanol resistance.

実施例11
界面抵抗低減層前駆体Bを前記電極A、電極B上に3mg/cmとなるように塗工し、100℃で1分間熱処理した。これらの電極を電極投影面積が5cmとなるようにカットした。
Example 11
The interface resistance reducing layer precursor B was applied on the electrodes A and B so as to be 3 mg / cm 2, and heat-treated at 100 ° C. for 1 minute. These electrodes were cut so that the electrode projection area was 5 cm 2 .

次に、これらの界面抵抗低減層前駆体B付きの電極を界面抵抗低減層前駆体Bが実施例6で得られる脱保護処理前の膜側となるように積層し、100℃で1分間、3MPaの圧力で加熱プレスを行い、プレスした後の接合体を6N塩酸90gにメタノールを10g添加した溶液に浸し、80℃に加熱し、環流しながら30時間処理し、膜電極複合体を得た(残存溶剤抽出兼プロトン交換)。その後、純水で洗浄液が中性になるまで洗浄し発電用セルに組み込み燃料電池とした。   Next, these electrodes with the interface resistance reducing layer precursor B are laminated so that the interface resistance reducing layer precursor B is on the film side before the deprotection treatment obtained in Example 6, and at 100 ° C. for 1 minute. Heat pressing was performed at a pressure of 3 MPa, and the pressed joined body was immersed in a solution obtained by adding 10 g of methanol to 90 g of 6N hydrochloric acid, heated to 80 ° C., and treated for 30 hours while refluxing to obtain a membrane electrode assembly. (Residual solvent extraction and proton exchange). After that, it was washed with pure water until the washing solution became neutral, and incorporated into a power generation cell to obtain a fuel cell.

電圧保持率は95%(初回の電圧が0.25V、100時間定電流発電後の電圧は0.24V)であり、優れた耐久性を示した。   The voltage holding ratio was 95% (the initial voltage was 0.25 V, the voltage after 100 hours constant current power generation was 0.24 V), and excellent durability was exhibited.

また、この膜電極複合体のメタノール透過量は4.6μmol/cm/分であった。また、パッシブ評価での出力は43mW/cmを示した。 Further, the methanol permeation amount of this membrane electrode assembly was 4.6 μmol / cm 2 / min. Moreover, the output in passive evaluation showed 43 mW / cm < 2 >.

実施例12
実施例11の膜複合電極体を電極面積32cmとなるように作製して、図1に示すようなスタックセルを使用し、膜電極複合体6枚で燃料電池を作製した。アノード側に10%メタノール水溶液をポンプで循環させながら、発電したところ、出力7Wが得られた。
Example 12
The membrane composite electrode body of Example 11 was manufactured to have an electrode area of 32 cm 2, and a stack cell as shown in FIG. 1 was used to manufacture a fuel cell with six membrane electrode assemblies. When power was generated while circulating a 10% aqueous methanol solution on the anode side with a pump, an output of 7 W was obtained.

本発明の高分子電解質材料および高分子電解質膜は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特に水素またはメタノール水溶液を燃料とする燃料電池に好適である。   The polymer electrolyte material and polymer electrolyte membrane of the present invention can be applied to various electrochemical devices (for example, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, etc.). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using hydrogen or a methanol aqueous solution as fuel.

本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。   The use of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras, digital cameras, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, automatic It is preferably used as a power supply source for vehicles such as motorcycles, automobiles, buses, trucks, etc., moving bodies such as ships, railways, etc., conventional primary batteries such as stationary generators, alternatives to secondary batteries, or hybrid power sources with these. .

スタック状燃料電池の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the stacked fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1:膜電極複合体
2:ガスケット
3:バイポーラーセパレーター
4:集電板
5:燃料供給口
6:締め付けネジ
7:空気流路
8:燃料流路
9:燃料タンク
1: Membrane electrode composite 2: Gasket 3: Bipolar separator 4: Current collector plate 5: Fuel supply port 6: Clamping screw 7: Air flow path 8: Fuel flow path 9: Fuel tank

Claims (17)

示差走査熱量分析法によって結晶化ピークが認められるイオン性基含有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 an ionic group-containing polymer in which a crystallization peak is recognized by differential scanning calorimetry. 示差走査熱量分析法によって測定される結晶化熱量が2J/g以上である請求項1に記載の高分子電解質材料。 2. The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the crystallization calorific value measured by differential scanning calorimetry is 2 J / g or more. 広角X線回折によって測定される結晶化度が0.5%未満である請求項1または2に記載の高分子電解質材料。 The polymer electrolyte material according to claim 1 or 2, wherein the degree of crystallinity measured by wide-angle X-ray diffraction is less than 0.5%. 請求項1〜3のいずれか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 1. 請求項1〜3のいずれか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膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte material according to claim 1. イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質膜であって、23℃、相対湿度50%の雰囲気下でのエルメンドルフ引裂強度が45N/cm以上1000N/cm以下であることを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising an ionic group-containing polymer, wherein the Elmendorf tear strength in an atmosphere of 23 ° C and 50% relative humidity is 45 N / cm or more and 1000 N / cm or less . イオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質膜であって、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張破断強度が80MPa以上1000MPa以下、かつ引張破断伸度が100%以上1000%以下であることを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane made of an ionic group-containing polymer having a tensile strength at break of 80 MPa to 1000 MPa and an elongation at break of 100% to 1000% in an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60% A polymer electrolyte membrane characterized by that. 25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張弾性率が0.8GPa以上、5GPa以下である請求項6または7に記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to claim 6 or 7, which has a tensile elastic modulus of 0.8 GPa or more and 5 GPa or less in an atmosphere of 25 ° C and a relative humidity of 60%. 25℃、相対湿度60%の雰囲気下での引張降伏点強度が30MPa以上300MPa以下である請求項6〜8のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 6 to 8, which has a tensile yield point strength of 30 MPa to 300 MPa in an atmosphere of 25 ° C and a relative humidity of 60%. 100℃のN−メチルピロリドンに2時間浸漬後の重量減が70重量%以下であることを特徴とする請求項5〜9のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 5 to 9, wherein a weight loss after immersion in N-methylpyrrolidone at 100 ° C for 2 hours is 70% by weight or less. 該イオン性基含有ポリマーが炭化水素系ポリマーであることを特徴とする請求項5〜10のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 5 to 10, wherein the ionic group-containing polymer is a hydrocarbon polymer. 保護基を有するイオン性基含有ポリマーからなる高分子電解質材料を膜状に成型した後、成型された高分子電解質膜の該保護基の少なくとも一部を脱保護せしめることを特徴とする請求項5〜10のいずれかに記載の高分子電解質膜。 6. The polymer electrolyte material comprising an ionic group-containing polymer having a protective group is molded into a film shape, and then at least a part of the protective group of the molded polymer electrolyte membrane is deprotected. To 10. The polymer electrolyte membrane according to any one of 10 to 10. 該イオン性基含有ポリマーが芳香族ポリエーテルケトン系重合体であることを特徴とする請求項5〜10のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 5 to 10, wherein the ionic group-containing polymer is an aromatic polyether ketone polymer. 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5〜10のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to claim 5, wherein the ionic group is a sulfonic acid group. 該芳香族ポリエーテルケトン系重合体が下記一般式(Q1)および(Q3)で表される構成単位を主成分とすることを特徴とする請求項5〜11のいずれかに記載の高分子電解質膜。
Figure 2007204578
(一般式(Q3)において、a3およびa4はa3+a4=2を満たす整数である。また、MおよびMは水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンを表す。一般式(Q1)および(Q3)で表される構成単位はイオン性基を除き、任意に置換されていてもよい。)
The polymer electrolyte according to any one of claims 5 to 11, wherein the aromatic polyetherketone-based polymer contains, as a main component, structural units represented by the following general formulas (Q1) and (Q3). film.
Figure 2007204578
In (formula (Q3), the a3 and a4 are integers satisfying the a3 + a4 = 2. Also, tables in M 3 and M 4 are hydrogen, metal cation, an ammonium cation. General Formula (Q1) and (Q3) The structural unit may be optionally substituted except for the ionic group.)
請求項5〜14のいずれかに記載の高分子電解質膜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 membrane according to any one of claims 5 to 14. 請求項16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 16.
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