JP2008031462A - Polyelectrolyte emulsion and its application - Google Patents

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Ryuma Kuroda
竜磨 黒田
Shin Saito
伸 齋藤
Hiroyuki Kurita
寛之 栗田
Kentaro Masui
建太朗 増井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte emulsion affording a film that exhibits high adhesion to a substrate, suffers from little deterioration in adhesion particularly even if brought into contact with water or exposed to a highly humid state and has high durability. <P>SOLUTION: [1] The polyelectrolyte emulsion comprises polyelectrolyte particles dispersed in a dispersing medium and has a ζ potential of within the range of -50 to -300 mV at a measuring temperature of 25°C. [2] The polyelectrolyte emulsion described in [1] has a volume-average particle size of 100 nm to 200 μm. [3] A catalyst layer is obtained from a catalyst composition comprising the polyelectrolyte emulsion described in [1] or [2] and a catalyst component. The membrane electrode assembly having the catalyst layer and a solid polymer fuel cell are also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、バインダー、コーティング材、電池用電解質、燃料電池用高分子固体電解質、燃料電池用電極、固体コンデンサー、イオン交換膜、各種センサーなどに利用可能な、高分子電解質を固体微粒子として含有する、高分子電解質エマルションに関する。   The present invention contains a polymer electrolyte which can be used as a binder, a coating material, a battery electrolyte, a polymer solid electrolyte for a fuel cell, a fuel cell electrode, a solid capacitor, an ion exchange membrane, various sensors and the like as solid fine particles. The invention relates to a polymer electrolyte emulsion.

従来から、スルホン酸基、カルボキシル基(カルボン酸基)、リン酸基などの、親水基を有するポリマーは、界面活性剤、乳化剤、分散剤、高分子固体電解質、イオン交換膜などに利用されている。一方、近年このようなポリマーの、溶媒中での分散性、親水性、イオン捕捉性、あるいは低体積抵抗といった特性を活かして、バインダー樹脂、コーティング材、表面処理剤、電池用電解質への応用が検討されている。   Conventionally, polymers having hydrophilic groups such as sulfonic acid groups, carboxyl groups (carboxylic acid groups), and phosphoric acid groups have been used for surfactants, emulsifiers, dispersants, solid polymer electrolytes, ion exchange membranes, and the like. Yes. On the other hand, in recent years, such polymers have been applied to binder resins, coating materials, surface treatment agents, and battery electrolytes by taking advantage of the properties such as dispersibility in solvents, hydrophilicity, ion trapping properties, and low volume resistance. It is being considered.

例えば、特許文献1には、スルホン酸基を有するポリオルガノシロキサンを含有する水系分散体が、良好な成膜性で、耐水性に優れたフィルムを形成できることが開示されている。
また、特許文献2には、陽イオン交換樹脂(スルホン酸基を有するポリマー)とアルコールとを混合してゼータ電位が負(マイナス)の分散液を作製する工程と、該分散液を加温することでゼータ電位を正(プラス)に変化させる工程と、かかるゼータ電位を変化せしめた分散液に触媒粉末を混合して得られる塗工液が、該触媒粉末を陽イオン交換樹脂で効率よく被覆させることにより三相界面における反応サイトを増大させ、固体高分子型燃料電池用膜電極接合体の触媒層を製造する上で好適であることが開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses that an aqueous dispersion containing a polyorganosiloxane having a sulfonic acid group can form a film with good film formability and excellent water resistance.
Patent Document 2 discloses a step of preparing a dispersion having a negative zeta potential by mixing a cation exchange resin (polymer having a sulfonic acid group) and alcohol, and heating the dispersion. Thus, the step of changing the zeta potential to positive (plus) and the coating liquid obtained by mixing the catalyst powder with the dispersion whose zeta potential is changed efficiently coats the catalyst powder with a cation exchange resin. It is disclosed that it is suitable for producing a catalyst layer of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell by increasing the reaction sites at the three-phase interface.

特開2005−132996号公報(特許請求の範囲)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-132996 (Claims) 特開2005−174861号公報(特許請求の範囲)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-174861 (Claims)

本発明の目的は、基材との高い密着性を示す被膜、特に水と接触させたり、高湿状態に曝露したとしても、密着性の低下が少なく、耐久性の高い被膜を与える、高分子電解質エマルションを提供することにある。   The object of the present invention is to provide a film showing high adhesion to a substrate, in particular, a polymer that gives a highly durable film with little decrease in adhesion even when contacted with water or exposed to high humidity. It is to provide an electrolyte emulsion.

特許文献1あるいは特許文献2に開示されているポリマーは、膜材料、バインダー材、あるいはコーティング材として、基材上に塗布流延して膜に転化させた場合に、得られた被膜が基材から剥離しやすく、かかる剥離は、水と接触させたり、高湿状態に曝露すると顕著となる傾向があることから、耐久性(耐水性)が不十分となる問題があった。
本発明者らは上記課題を解決すべく、鋭意検討の結果、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、下記[1]、[2]、[3]または[4]の高分子電解質エマルションを提供するものである。
[1]高分子電解質粒子が分散媒中に分散してなる高分子電解質エマルションであって、測定温度25℃におけるゼータ電位が−50mV〜−300mVの範囲である、高分子電解質エマルション
[2]上記ゼータ電位が−50mV〜−150mVの範囲である、[1]の高分子電解質エマルション
[3]高分子電解質粒子を分散媒に分散せしめ、ゼータ電位調整剤により、測定温度25℃におけるゼータ電位を−50mV〜−300mVの範囲にして得られる、高分子電解質エマルション
[4]上記ゼータ電位を−50mV〜−150mVの範囲にして得られる、[3]の高分子電解質エマルション
The polymer disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2 is a film material, a binder material, or a coating material. Since such a peeling tends to become prominent when brought into contact with water or exposed to a high humidity state, there is a problem that durability (water resistance) becomes insufficient.
As a result of intensive studies aimed at solving the above-mentioned problems, the present inventors have completed the present invention. That is, the present invention provides a polymer electrolyte emulsion of the following [1], [2], [3] or [4].
[1] A polymer electrolyte emulsion in which polymer electrolyte particles are dispersed in a dispersion medium and having a zeta potential in the range of −50 mV to −300 mV at a measurement temperature of 25 ° C. [2] The polymer electrolyte emulsion of [1] having a zeta potential in the range of −50 mV to −150 mV [3] The polymer electrolyte particles are dispersed in a dispersion medium, and the zeta potential at a measurement temperature of 25 ° C. is − Polymer electrolyte emulsion obtained in the range of 50 mV to -300 mV [4] Polymer electrolyte emulsion of [3] obtained in the above zeta potential in the range of -50 mV to -150 mV

さらに、本発明は上記いずれかの高分子電解質エマルションに係る好適な実施形態として、
[5]動的光散乱法により求められる体積平均粒径が100nm〜200μmである、[1]〜[4]のいずれかの高分子電解質エマルション
を提供する。
Furthermore, the present invention provides a preferred embodiment according to any one of the polymer electrolyte emulsions described above,
[5] A polymer electrolyte emulsion according to any one of [1] to [4], in which a volume average particle size determined by a dynamic light scattering method is 100 nm to 200 μm.

また、本発明は上記いずれかに記載の高分子電解質エマルションを用いる実施態様として、下記[6]〜[10]を提供する。
[6]固体高分子型燃料電池の電極用に使用される、上記のいずれかに記載の高分子電解質エマルション
[7]上記のいずれかの高分子電解質エマルションと、触媒成分とを含む触媒組成物
[8][7]の触媒組成物からなる固体高分子型燃料電池用電極
[9][8]の固体高分子型燃料電池用電極を有する、膜電極接合体
[10][9]の膜電極接合体を有する、固体高分子型燃料電池
In addition, the present invention provides the following [6] to [10] as embodiments using any of the polymer electrolyte emulsions described above.
[6] The polymer electrolyte emulsion according to any of the above, which is used for an electrode of a solid polymer fuel cell [7] A catalyst composition comprising any of the polymer electrolyte emulsions described above and a catalyst component [8] Membrane of membrane electrode assembly [10] [9] having solid polymer fuel cell electrode [9] [8] comprising polymer catalyst composition of [7] Solid polymer fuel cell having an electrode assembly

本発明の高分子電解質エマルションにおいて、そのゼータ電位を−50mV〜−300mVとした高分子電解質エマルションは、基材との密着性が高い被膜を形成することができる。さらに、当該ゼータ電位を−50mV〜−150mVとした高分子電解質エマルションは、高湿状態においても基材との剥離が生じにくく、耐水性の高い被膜を形成することもできる。かかる被膜は、膜材料、バインダー材料あるいはコーティング材料、とりわけ固体高分子型燃料電池の触媒層として極めて有用である。   In the polymer electrolyte emulsion of the present invention, the polymer electrolyte emulsion having a zeta potential of −50 mV to −300 mV can form a film having high adhesion to the substrate. Furthermore, the polymer electrolyte emulsion having the zeta potential of −50 mV to −150 mV hardly peels off from the substrate even in a high humidity state, and can form a highly water-resistant coating film. Such a coating is extremely useful as a membrane material, a binder material or a coating material, especially as a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell.

以下、本発明について順次説明する。
<高分子電解質エマルション>
本発明の高分子電解質エマルションは、高分子電解質を含む高分子電解質粒子が、分散媒中に分散したエマルションである。その作製方法は特に制限はないが、一つの例を挙げると、高分子電解質を、当該高分子電解質の良溶媒を含む溶媒に溶解して高分子電解質溶液を得、次いで、この高分子電解質溶液を、エマルションの分散媒たる別の溶媒(該高分子電解質の貧溶媒)に滴下して、高分子電解質粒子を該分散媒中で析出・分散せしめて、高分子電解質分散液(高分子電解質エマルション)を得る作製方法が例示される。さらに得られた高分子電解質分散液中に含まれる前記良溶媒を透析膜などの膜分離を用いて除去する工程や、さらに、高分子電解質分散液を蒸留などで濃縮して高分子電解質濃度を調整することが、より好ましい作製方法として示すことができる。この方法により、あらゆる高分子電解質から、安定的な分散性を有する高分子電解質エマルションを作製することができる。なお、例示した作製方法において、「良溶媒」と「貧溶媒」の定義は、25℃における溶媒100gに溶解し得る高分子電解質の重量で規定されるものであり、良溶媒とは、0.1g以上の高分子電解質が可溶な溶媒であり、貧溶媒とは、高分子電解質が0.05g以下しか溶解し得ない溶媒である。
本発明の高分子電解質エマルションは、このような製造方法により製造することができるが、より好ましくは前記高分子電解質溶液を調整するために使用する溶媒が、適用する高分子電解質を十分溶解し得る程度に良溶媒を含有していることが好ましい。このようにすると、高分子電解質溶液の中で高分子電解質分子は、その分子鎖が比較的広がった状態で存在する。このような高分子電解質分子が、前記貧溶媒に投入されて高分子電解質粒子を形成する際に、該高分子電解質分子の中の該貧溶媒に対して比較的親和性の高い部位が粒子表面に、比較的親和性の低い部位が粒子内部に配向しやすく、これにより高分子電解質粒子の表面状態をコントロールすることが可能となる。本発明の高分子電解質エマルションは、高分子電解質粒子のゼータ電位を上記の範囲にすることが必要であり、この点において、高分子電解質粒子の表面状態をコントロールしやすい製造方法が好ましい。また、前記高分子電解質溶液に高分子電解質の一部が析出していると、前記貧溶媒に投入して高分子電解質粒子が得られる過程で、析出している高分子電解質がシード(種)として作用し、高分子電解質粒子の粒径が不均一になりやすく、後述する好適な平均粒径の高分子電解質エマルションが得られにくいという恐れもある。かかる不都合を回避するためにも、前記高分子電解質溶液を調整する際に使用する溶媒が、適用する高分子電解質を十分溶解し得る程度に良溶媒を含有していることが好ましい。なお、好適な高分子電解質溶液としては、0.2μm孔径のフィルターを通過できる程度に溶解していると十分である。
Hereinafter, the present invention will be sequentially described.
<Polymer electrolyte emulsion>
The polymer electrolyte emulsion of the present invention is an emulsion in which polymer electrolyte particles containing a polymer electrolyte are dispersed in a dispersion medium. The production method is not particularly limited. For example, a polymer electrolyte is dissolved in a solvent containing a good solvent for the polymer electrolyte to obtain a polymer electrolyte solution, and then the polymer electrolyte solution. Is dropped into another solvent (poor solvent for the polymer electrolyte) as a dispersion medium for the emulsion, and polymer electrolyte particles are precipitated and dispersed in the dispersion medium to obtain a polymer electrolyte dispersion (polymer electrolyte emulsion). ) Is exemplified. Further, the step of removing the good solvent contained in the obtained polymer electrolyte dispersion using membrane separation such as a dialysis membrane, and further, the polymer electrolyte dispersion is concentrated by distillation or the like to reduce the polymer electrolyte concentration. Adjustment can be shown as a more preferable manufacturing method. By this method, a polymer electrolyte emulsion having stable dispersibility can be produced from any polymer electrolyte. In the exemplified production method, the definitions of “good solvent” and “poor solvent” are defined by the weight of the polymer electrolyte that can be dissolved in 100 g of the solvent at 25 ° C. 1 g or more of the polymer electrolyte is a soluble solvent, and the poor solvent is a solvent in which the polymer electrolyte can dissolve only 0.05 g or less.
The polymer electrolyte emulsion of the present invention can be produced by such a production method. More preferably, the solvent used for preparing the polymer electrolyte solution can sufficiently dissolve the applied polymer electrolyte. It is preferable to contain a good solvent to the extent. In this way, the polyelectrolyte molecules exist in the polyelectrolyte solution in a state in which the molecular chains are relatively spread. When such a polyelectrolyte molecule is charged into the poor solvent to form a polyelectrolyte particle, a portion of the polyelectrolyte molecule having a relatively high affinity for the poor solvent is a particle surface. In addition, a portion having a relatively low affinity is likely to be oriented inside the particle, whereby the surface state of the polymer electrolyte particle can be controlled. The polymer electrolyte emulsion of the present invention requires the zeta potential of the polymer electrolyte particles to be in the above range, and in this respect, a production method that can easily control the surface state of the polymer electrolyte particles is preferable. In addition, when a part of the polymer electrolyte is deposited in the polymer electrolyte solution, the deposited polymer electrolyte is seeded in the process of being charged into the poor solvent to obtain polymer electrolyte particles. As a result, the particle diameter of the polymer electrolyte particles tends to be non-uniform, and a polymer electrolyte emulsion having a suitable average particle diameter described later may be difficult to obtain. In order to avoid such inconvenience, it is preferable that the solvent used in preparing the polymer electrolyte solution contains a good solvent to such an extent that the applied polymer electrolyte can be sufficiently dissolved. As a suitable polymer electrolyte solution, it is sufficient that it is dissolved to such an extent that it can pass through a 0.2 μm pore size filter.

<ゼータ電位>
本発明の高分子電解質エマルションに含有される高分子電解質粒子の表面は、高分子電解質粒子に含有される高分子電解質のイオン交換基が分散媒中でイオン化して帯電し、表面電位(ゼータ電位)を有する。
本発明の高分子電解質エマルションのゼータ電位は、測定温度25℃において、レーザードップラー法による電気泳動移動度の測定によって求められるものである。かかるゼータ電位は、当該高分子電解質エマルションに含有される粒子状物質に起因するものであり、前記高分子電解質粒子に起因する電位はもちろん、後述するような添加剤を使用し、該添加剤が粒子状に分散している添加剤粒子を含有する場合は、添加剤粒子に起因する電位に起因することもある。
<Zeta potential>
The surface of the polyelectrolyte particles contained in the polyelectrolyte emulsion of the present invention is charged by the ion exchange groups of the polyelectrolyte contained in the polyelectrolyte particles being ionized in the dispersion medium, and the surface potential (zeta potential). ).
The zeta potential of the polymer electrolyte emulsion of the present invention is determined by measurement of electrophoretic mobility by a laser Doppler method at a measurement temperature of 25 ° C. Such zeta potential is due to the particulate matter contained in the polymer electrolyte emulsion, and the potential resulting from the polymer electrolyte particles is of course used using an additive as described later. When the additive particles dispersed in the form of particles are contained, it may be caused by a potential due to the additive particles.

ここで、上記に例示した作製方法にて得られる高分子電解質エマルションは、効率良くイオン交換基を粒子表面に向けて配向した高分子電解質粒子を得やすいため、高分子電解質の、分子構造、イオン交換容量あるいはイオン交換基のイオン解離度をコントロールすることによって、高いゼータ電位を有する高分子電解質エマルションを得ることができる。さらにゼータ電位は、分散媒の誘電率や、該分散媒に可溶のイオン強度調節剤などのゼータ電位調整剤(詳細は後述する)によってもコントロールすることができる。   Here, since the polymer electrolyte emulsion obtained by the production method exemplified above is easy to obtain polymer electrolyte particles in which the ion exchange groups are oriented toward the particle surface, the molecular structure of the polymer electrolyte, the ion By controlling the exchange capacity or the degree of ion dissociation of ion exchange groups, a polymer electrolyte emulsion having a high zeta potential can be obtained. Further, the zeta potential can be controlled by a dielectric constant of the dispersion medium and a zeta potential adjusting agent (details will be described later) such as an ionic strength adjusting agent soluble in the dispersion medium.

本発明者らは分子構造が異なることを始めとする、いろいろな緒元の異なる高分子電解質エマルションについて、得られる被膜の基材に対する密着強度や、該被膜の水に対する耐久性(耐水性)などを検討した結果、該高分子電解質エマルションのゼータ電位が−50mV〜−300mVの範囲であれば、基材との密着が良好な被膜を形成可能であることを見出した。かかる密着性が良好な被膜を得るためには、該高分子電解質エマルションのゼータ電位が−100mV〜−300mVであると、より好ましい。さらに、本発明者らは該高分子電解質エマルションのゼータ電位が−50〜−150mVの範囲であれば、得られる被膜が水に接触したり、あるいは高湿状態に曝露されたりしても、かかる密着性が維持できる程度の耐水性が発現されることを見出した。より高度の耐水性を得るためには、ゼータ電位が−50mV〜−120mVであると、特に好ましい。   The inventors of the present invention have various adhesion characteristics of polymer electrolyte emulsions including different molecular structures, adhesion strength of the obtained film to the substrate, durability of the film to water (water resistance), etc. As a result, it was found that when the zeta potential of the polymer electrolyte emulsion is in the range of −50 mV to −300 mV, it is possible to form a film having good adhesion to the substrate. In order to obtain a film having good adhesion, it is more preferable that the zeta potential of the polymer electrolyte emulsion is -100 mV to -300 mV. Furthermore, the present inventors have a zeta potential in the range of −50 to −150 mV of the polymer electrolyte emulsion, even if the resulting coating comes into contact with water or is exposed to a high humidity state. It has been found that water resistance to such an extent that adhesion can be maintained is developed. In order to obtain higher water resistance, the zeta potential is particularly preferably −50 mV to −120 mV.

このような密着性および耐水性が発現する理由は定かではないが、本発明者らは下記のように推定している。すなわち、密着性については、高分子電解質エマルションに含有されている粒子の表面電位によって、当該粒子と基材との間に静電的な相互作用が働くためと推定される。また、被膜の耐久性については、適度なゼータ電位の範囲では、特に高分子電解質粒子の表面に高分子電解質の疎水部分が現れやすく、被膜形成時に、該高分子電解質粒子の疎水部同士のネットワークが形成されるためである、と推定される。
なお、ゼータ電位が0mVから−50mVの範囲の高分子電解質エマルションでは、基材との密着性が、著しく低くなるので好ましくない。一方、−300mVを超えた負の電荷の高分子電解質エマルションは、分子内にイオン交換基を多量に有する高分子電解質を必要とするので、製造自体が困難となる。
かかるゼータ電位の高分子電解質エマルションを得るための、好適な高分子電解質、好適な分散媒については後述する。
The reason why such adhesion and water resistance are manifest is not clear, but the present inventors presume as follows. That is, the adhesiveness is presumed to be due to the electrostatic interaction between the particles and the substrate due to the surface potential of the particles contained in the polymer electrolyte emulsion. Further, regarding the durability of the coating, in the range of an appropriate zeta potential, the hydrophobic portion of the polymer electrolyte tends to appear particularly on the surface of the polymer electrolyte particle, and the network between the hydrophobic portions of the polymer electrolyte particle is formed during the coating formation. Is presumed to be formed.
Note that a polymer electrolyte emulsion having a zeta potential in the range of 0 mV to -50 mV is not preferable because the adhesion to the substrate is remarkably lowered. On the other hand, a negatively charged polymer electrolyte emulsion exceeding −300 mV requires a polymer electrolyte having a large amount of ion-exchange groups in the molecule, and thus the production itself is difficult.
A suitable polymer electrolyte and a suitable dispersion medium for obtaining such a zeta potential polymer electrolyte emulsion will be described later.

<平均粒子径>
本発明の高分子電解質エマルションが含有する粒子の平均粒径は、動的光散乱法により求められた体積平均粒径で表して、100nm〜200μmの範囲が好適である。かかる平均粒径としては、好ましくは、150nm〜10μmの範囲であり、さらに好ましくは、200nm〜1μmの範囲である。平均粒径が上記の範囲であると、得られる高分子電解質エマルションが実用的な貯蔵安定性を有するものとなり、被膜を形成させたとき、該被膜の均一性が比較的良好となる傾向がある。なお、上記粒子とは、高分子電解質エマルションに粒子状に分散している粒子状物質の全てを指すものであり、高分子電解質を含む高分子電解質粒子はもとより、後述の添加剤を使用する場合は、該添加剤からなる粒子など、高分子電解質エマルションに粒子状に分散している全てを含む概念である。
<Average particle size>
The average particle size of the particles contained in the polymer electrolyte emulsion of the present invention is preferably in the range of 100 nm to 200 μm, expressed as a volume average particle size determined by a dynamic light scattering method. The average particle size is preferably in the range of 150 nm to 10 μm, and more preferably in the range of 200 nm to 1 μm. When the average particle size is in the above range, the resulting polymer electrolyte emulsion has practical storage stability, and when the coating is formed, the uniformity of the coating tends to be relatively good. . The above particles refer to all the particulate substances dispersed in the polymer electrolyte emulsion in the form of particles. In addition to the polymer electrolyte particles containing the polymer electrolyte, the following additives are used. Is a concept including all particles dispersed in the polymer electrolyte emulsion, such as particles made of the additive.

<高分子電解質>
次に、本発明に適用する好適な高分子電解質について説明する。
本発明に使用される高分子電解質は、例えば、スルホン酸基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン酸基(−PO(OH)2)、ホスフィン酸基(−POH(OH))、スルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、フェノール性水酸基(−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す))などの陽イオン交換基、あるいは第1級ないし第3級アミン基などの陰イオン交換基を有するものである。これらの中でも、スルホン酸基および/またはホスホン酸基を有する高分子電解質がより好ましく、スルホン酸基を有する高分子電解質が特に好ましい。
<Polymer electrolyte>
Next, a suitable polymer electrolyte applied to the present invention will be described.
The polymer electrolyte used in the present invention includes, for example, a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxyl group (—COOH), a phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ), a phosphinic acid group (—POH (OH )), Sulphonimide groups (—SO 2 NHSO 2 —), cation exchange groups such as phenolic hydroxyl groups (—Ph (OH) (Ph represents a phenyl group)), or primary to tertiary amine groups Having an anion exchange group such as Among these, a polymer electrolyte having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is more preferable, and a polymer electrolyte having a sulfonic acid group is particularly preferable.

このような高分子電解質の代表例としては、例えば(A)主鎖が脂肪族炭化水素からなる高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入された高分子電解質;(B)脂肪族炭化水素鎖の水素原子の全てあるいは一部がフッ素原子に置換された高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入した高分子電解質;(C)主鎖が芳香環を有する芳香族高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入された高分子電解質;(D)主鎖に実質的に炭素原子を含まないポリシロキサン、ポリフォスファゼンなどの高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入された高分子電解質;(E)(A)〜(D)のスルホン酸基および/またはホスホン酸基導入前の高分子を構成する繰り返し単位から選ばれるいずれか2種以上の繰り返し単位からなる共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入された高分子電解質;(F)主鎖あるいは側鎖に塩基性の窒素原子を含み、該窒素原子に硫酸やリン酸などの酸性化合物をイオン結合により導入した高分子電解質などが挙げられる。   Representative examples of such a polymer electrolyte include, for example, (A) a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a polymer having a main chain composed of an aliphatic hydrocarbon; A polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a polymer in which all or some of the hydrogen atoms in the hydrocarbon chain are substituted with fluorine atoms; (C) an aromatic polymer having an aromatic ring in the main chain; A polyelectrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into the molecule; (D) a sulfonic acid group and / or a polymer such as polysiloxane or polyphosphazene substantially free of carbon atoms in the main chain; A polyelectrolyte in which a phosphonic acid group has been introduced; (E) any one selected from repeating units constituting the polymer before introduction of the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group in (A) to (D) A polyelectrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a copolymer comprising at least one kind of repeating unit; (F) a basic nitrogen atom in the main chain or side chain, and sulfuric acid in the nitrogen atom And a polymer electrolyte into which an acidic compound such as phosphoric acid is introduced by ionic bonding.

上記(A)の高分子電解質としては、例えば、エチレン−ビニルスルホン酸共重合体のようなポリビニルスルホン酸、ポリスチレンまたはポリ(α−メチルスチレン)にスルホン化剤にてスルホン酸基を導入した樹脂のようなポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸、などが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (A) include a resin in which a sulfonic acid group is introduced into a polyvinyl sulfonic acid such as an ethylene-vinyl sulfonic acid copolymer, polystyrene, or poly (α-methylstyrene) with a sulfonating agent. Polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like.

上記(B)の高分子電解質としては、例えば、特開平9−102322号公報に記載されている、炭化フッ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合によって作られた主鎖と、スルホン酸基を有する炭化水素系側鎖とから構成されるスルホン酸型ポリスチレン−グラフト−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、米国特許第4,012,303号公報または米国特許第4,605,685号公報に記載されている、炭化フッ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合ポリマーに、α,β,β-トリフルオロスチレンをグラフト重合させ、これにクロロスルホン酸、フルオロスルホン酸などのスルホン化剤にてスルホン酸基を導入して得られる高分子電解質などが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (B) include, as described in JP-A-9-102322, a main chain formed by copolymerization of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer, and a sulfonic acid group. Sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) composed of a hydrocarbon-based side chain having benzene, U.S. Pat. No. 4,012,303 or U.S. Pat. No. 4,605,685 And α, β, β-trifluorostyrene are graft-polymerized to a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer described in the publication No. 1, and then a sulfone such as chlorosulfonic acid or fluorosulfonic acid. Examples thereof include a polymer electrolyte obtained by introducing a sulfonic acid group with an agent.

上記(C)の高分子電解質としては、主鎖が酸素原子などのヘテロ原子で中断されているものであってもよく、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレン・エーテル)、ポリイミド、ポリ((4-フェノキシベンゾイル)-1,4-フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレンなどの単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたもの、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール(特開平9−110982号公報)、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)(J.Appl.Polym.Sci.,18,1969(1974))などが挙げられる。   The polymer electrolyte (C) may be one in which the main chain is interrupted by a hetero atom such as an oxygen atom. For example, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, poly (arylene ether) ), Polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, polyphenylquinoxalen and other homopolymers each having a sulfonic acid group introduced therein, sulfoarylated polybenz Imidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole (JP-A-9-110882), phosphonated poly (phenylene ether) (J. Appl. Polym. Sci., 18, 1969 (1974)), etc. Is mentioned.

また、上記(D)の高分子電解質としては例えば、ポリフォスファゼンにスルホン酸基が導入されたものなどが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (D) include those in which a sulfonic acid group is introduced into polyphosphazene.

上記(E)の高分子電解質としては、ランダム共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものでも、交互共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものでも、ブロック共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものでもよい。
ランダム共重合体にスルホン酸基が導入されたものとしては、例えば、特開平11−116679号公報に記載の、スルホン化ポリエーテルスルホン-ジヒドロキシビフェニル共重合体などが挙げられる。
また、ブロック共重合体としては、例えば特開2001−250567号公報に開示されているような、スルホン酸基を含むブロックを有するブロック共重合体や、このブロック共重合体の、スルホン酸基の一部または全部がホスホン酸基に置き換わったブロック共重合体が挙げられる。
As the polymer electrolyte of (E), a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a random copolymer, but a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into an alternating copolymer. The sulfonic acid group and / or the phosphonic acid group may be introduced into the block copolymer.
Examples of the sulfonic acid group introduced into the random copolymer include a sulfonated polyethersulfone-dihydroxybiphenyl copolymer described in JP-A-11-116679.
As the block copolymer, for example, as disclosed in JP-A-2001-250567, a block copolymer having a block containing a sulfonic acid group, or a sulfonic acid group of this block copolymer Examples thereof include block copolymers in which a part or all of them are replaced with phosphonic acid groups.

また上記(F)の高分子電解質としては例えば、特表平11−503262号公報に記載の、リン酸を含有せしめたポリベンズイミダゾールなどが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (F) include polybenzimidazole containing phosphoric acid described in JP-T-11-503262.

上記のような高分子電解質の中でも、より高度の密着性と耐水性(耐久性)を両立させる観点からは、(C)、(E)の高分子電解質が好ましく、とりわけブロック共重合体にスルホン酸基を導入した構造を有し、高分子主鎖が芳香環を有するものが、負のゼータ電位が高い高分子電解質粒子を得やすいことから、好ましい。   Among the polymer electrolytes as described above, the polymer electrolytes (C) and (E) are preferable from the viewpoint of achieving both higher adhesion and water resistance (durability). Those having an acid group-introduced structure and a polymer main chain having an aromatic ring are preferred because polymer electrolyte particles having a high negative zeta potential can be easily obtained.

なお、上記ブロック共重合体の中でも、イオン交換基を有するセグメントと、イオン交換基を実質的に有しないセグメントとを有するブロック共重合体が好ましい。かかるブロック共重合体は、これらのセグメントを一つずつ有するブロック共重合体であってもよく、いずれか一方のセグメントを2つ以上有するブロック共重合体であってもよく、両方のセグメントを2つ以上有するマルチブロック共重合体のいずれであってもよい。   Among the block copolymers, a block copolymer having a segment having an ion exchange group and a segment having substantially no ion exchange group is preferable. Such a block copolymer may be a block copolymer having one of these segments, or may be a block copolymer having two or more of any one segment. Any of multiblock copolymers having two or more may be used.

さらに、本発明の高分子電解質エマルションは、上記の高分子電解質粒子に加え、本発明の企図する効果を妨げない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、無機あるいは有機の粒子、密着助剤、増感剤、レベリング剤、着色剤などが例示できる。
特に、本発明の高分子電解質エマルションから得られる被膜が、燃料電池の電極の構成成分として使用される場合には、燃料電池の動作中に、当該電極において過酸化物が生成し、この過酸化物が拡散しながらラジカル種に変化し、これが該電極と接合しているイオン伝導膜に移動して、該イオン伝導膜を構成しているイオン伝導材料(高分子電解質)を劣化させることがある。かかる不都合を回避するために、高分子電解質エマルションには、ラジカル耐性を付与し得る安定剤を添加剤として用いることが好ましい。
このような安定剤は、高分子電解質エマルションを構成する高分子電解質粒子中に含まれていてもよいし、分散媒中に溶解していてもよいし、高分子電解質粒子とは別に、他の成分からなる微粒子として存在していてもよい。
Furthermore, the polyelectrolyte emulsion of the present invention may contain other components in addition to the above-described polyelectrolyte particles as long as the effects intended by the present invention are not hindered. Examples of such other components include inorganic or organic particles, adhesion assistants, sensitizers, leveling agents, and coloring agents.
In particular, when the coating obtained from the polymer electrolyte emulsion of the present invention is used as a constituent component of a fuel cell electrode, a peroxide is generated at the electrode during the operation of the fuel cell. The substance diffuses and changes to radical species, which moves to the ion conductive membrane bonded to the electrode, and may deteriorate the ion conductive material (polymer electrolyte) constituting the ion conductive membrane. . In order to avoid such inconvenience, it is preferable to use a stabilizer capable of imparting radical resistance as an additive in the polymer electrolyte emulsion.
Such a stabilizer may be contained in the polymer electrolyte particles constituting the polymer electrolyte emulsion, may be dissolved in the dispersion medium, or other than the polymer electrolyte particles, It may exist as fine particles composed of components.

<分散媒>
本発明の高分子電解質エマルションを構成する分散媒は、適用する高分子電解質の分散性を妨げない限り、特に制限はなく、水、メタノールやエタノールなどのアルコール溶媒、ヘキサンやトルエンなどの非極性有機溶媒、もしくはこれらの混合物が用いられる。これらの中でも、工業的に使用した場合の環境負荷低減の観点から、水もしくは水を主成分とした溶媒を分散媒として使用することが好ましい。
<Dispersion medium>
The dispersion medium constituting the polymer electrolyte emulsion of the present invention is not particularly limited as long as the dispersibility of the applied polymer electrolyte is not hindered, and water, alcohol solvents such as methanol and ethanol, and nonpolar organic materials such as hexane and toluene. A solvent or a mixture thereof is used. Among these, it is preferable to use water or a solvent containing water as a main component as a dispersion medium from the viewpoint of reducing environmental load when industrially used.

<高分子電解質濃度>
本発明の高分子電解質エマルションに用いる高分子電解質は、該高分子電解質エマルション総重量に対して、0.1〜10重量%が好適である。より好ましくは0.5〜5重量%であり、さらに好ましくは1〜2重量%である。高分子電解質エマルション総重量に対する高分子電解質含有量が上記の範囲であれば、被膜を形成するのに多量の溶媒を必要としないことから効率的であり、塗布性にも優れるため、好ましい。
<Polymer electrolyte concentration>
0.1-10 weight% is suitable for the polymer electrolyte used for the polymer electrolyte emulsion of this invention with respect to this polymer electrolyte emulsion total weight. More preferably, it is 0.5-5 weight%, More preferably, it is 1-2 weight%. If the content of the polymer electrolyte with respect to the total weight of the polymer electrolyte emulsion is in the above range, it is efficient because a large amount of solvent is not required to form a film, and it is preferable because it is excellent in coatability.

<ゼータ電位調整剤>
本発明の高分子電解質エマルションのゼータ電位を調整するには、上記のように高分子電解質粒子を形成する高分子電解質の種類や添加剤、および分散媒の種類によって、好適な範囲にコントロールできるが、より簡便な方法としてゼータ電位調整剤を用いる方法がある。ゼータ電位を調整するには、エマルションのpHを変更する手法や、分散媒のイオン強度あるいは誘電率をコントロールする手法が挙げられ、これらの手法を適宜組み合わせてもよい。このようなゼータ電位調整剤を用いる方法は、操作が簡便である観点からは好ましい。
例えば、pHは大きいほど、ゼータ電位は小さくなることを利用してゼータ電位を調整することもできる。かかるpHの調整は、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸などの酸、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどアルカリを用いることができる。
また、イオン強度は大きいほど、ゼータ電位は小さくなることを利用して、ゼータ電位を調整することもできる。イオン強度の調整には、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硝酸アルミニウムなどの無機塩を用いることができる。
また、分散媒である溶媒の比誘電率は小さいほど、ゼータ電位は小さくなることを利用して、ゼータ電位を調整することもできる。かかる溶媒の比誘電率は、例えば、公知の文献、例えば溶剤ハンドブック(浅原照三/戸倉仁一郎/大河原信/熊野谿従/妹尾学著、講談社、1976年発行)などに記載されている比誘電率から選択することができる。また、かかる比誘電率は加成性が成り立つことから、該分散媒に含まれる溶媒種とその比誘電率から該分散媒自体の比誘電率を容易に求めることができる。中でも好適な溶媒としては、ホルムアミド(比誘電率:111)、ジメチルスルホキシド(比誘電率:49)、N−メチル―2−ピロリドン(比誘電率:32)やメチルアルコール(比誘電率:33)、水(比誘電率:78)などを適宜混合して調整することができる。
なお、上記において、「ゼータ電位が小さくなる」とは、本発明の高分子電解質エマルションにおいて、高分子電解質粒子と分散媒との界面の電位差が小さくなることを表すものである。
<Zeta potential regulator>
In order to adjust the zeta potential of the polymer electrolyte emulsion of the present invention, it can be controlled within a suitable range depending on the type of polyelectrolyte forming the polymer electrolyte particles, the additive, and the type of dispersion medium as described above. As a simpler method, there is a method using a zeta potential adjusting agent. To adjust the zeta potential, there are a method of changing the pH of the emulsion and a method of controlling the ionic strength or dielectric constant of the dispersion medium, and these methods may be appropriately combined. A method using such a zeta potential regulator is preferable from the viewpoint of easy operation.
For example, the zeta potential can be adjusted by utilizing the fact that the zeta potential decreases as the pH increases. Such pH can be adjusted using an acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid or phosphoric acid, or an alkali such as sodium hydroxide or calcium hydroxide.
Further, the zeta potential can be adjusted by utilizing the fact that the zeta potential decreases as the ionic strength increases. In order to adjust the ionic strength, inorganic salts such as sodium chloride, potassium chloride, and aluminum nitrate can be used.
Further, the zeta potential can be adjusted by utilizing the fact that the zeta potential decreases as the relative dielectric constant of the solvent as the dispersion medium decreases. The relative dielectric constant of such a solvent is, for example, a ratio described in known literature such as a solvent handbook (Shozo Asahara / Jinichiro Tokura / Shin Okawara / Yoshio Kumano / Gaku Seno, Kodansha, published in 1976). The dielectric constant can be selected. In addition, since the relative permittivity is additive, the relative permittivity of the dispersion medium itself can be easily obtained from the type of solvent contained in the dispersion medium and the relative permittivity thereof. Among them, preferred solvents include formamide (dielectric constant: 111), dimethyl sulfoxide (dielectric constant: 49), N-methyl-2-pyrrolidone (dielectric constant: 32), and methyl alcohol (dielectric constant: 33). , Water (relative dielectric constant: 78) and the like can be appropriately mixed and adjusted.
In the above, “the zeta potential is reduced” means that the potential difference at the interface between the polymer electrolyte particles and the dispersion medium is reduced in the polymer electrolyte emulsion of the present invention.

<乳化剤>
本発明の高分子電解質エマルションは、上記のようにゼータ電位を調整することにより、得られる被膜の基材に対する密着性や、その耐水性を向上させるものであるが、さらに高分子電解質エマルション中の粒子の分散安定性を、より向上させるために、乳化剤を添加してもよい。乳化剤としては、一般に用いられる界面活性剤が挙げられる。ここで、界面活性剤としては、例えばアルキル硫酸エステル(塩)、アルキルアリール硫酸エステル(塩)、アルキルリン酸エステル(塩)、脂肪酸(塩)などのアニオン系界面活性剤;アルキルアミン塩、アルキル四級アミン塩などのカチオン系界面活性剤;ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル、ブロック型ポリエーテルなどのノニオン系界面活性剤;カルボン酸型(例えば、アミノ酸型、ベタイン酸型など)、スルホン酸型などの両性界面活性剤などが挙げられる。また、ラテムルS−180A〔花王社製〕、エレミノールJS−2〔三洋化成社製〕、アクアロンHS−10、KH−10〔第一工業製薬社製〕、アデカリアソープSE−10N、SR−10〔旭電化工業社製〕、Antox MS−60〔日本乳化剤社製〕などの、市場から入手可能な反応性乳化剤などを使用することも可能である。
<Emulsifier>
The polymer electrolyte emulsion of the present invention improves the adhesion of the resulting coating to the substrate and its water resistance by adjusting the zeta potential as described above. In order to further improve the dispersion stability of the particles, an emulsifier may be added. Examples of the emulsifier include commonly used surfactants. Here, examples of the surfactant include anionic surfactants such as alkyl sulfate ester (salt), alkylaryl sulfate ester (salt), alkyl phosphate ester (salt), and fatty acid (salt); alkylamine salt, alkyl Cationic surfactants such as quaternary amine salts; Nonionic surfactants such as polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyethylene alkyl aryl ethers and block-type polyethers; Carboxylic acid types (for example, amino acid types, betaineic acid types, etc.) ) And amphoteric surfactants such as sulfonic acid type. Laterum S-180A (manufactured by Kao Corporation), Eleminol JS-2 (manufactured by Sanyo Chemical Co., Ltd.), Aqualon HS-10, KH-10 (manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), Adekaria Soap SE-10N, SR-10 Reactive emulsifiers available from the market such as [Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.] and Antox MS-60 [Nihon Emulsifier Co., Ltd.] can also be used.

さらに、親水性基を有するポリマーの中で、高分子電解質エマルション中の分散媒に可溶であり、且つ分散機能を有するものを乳化剤として使用することができる。このようなポリマーとしては、スチレン・マレイン酸共重合体、スチレン・アクリル酸共重合体、ポリビニルアルコール、ポリアルキレングリコール、ポリイソプレンのスルホン化物、水添スチレン・ブタジエン共重合体のスルホン化物、スチレン・マレイン酸共重合体のスルホン化物、スチレン・アクリル酸共重合体のスルホン化物などが挙げられる。これらに中で、使用した分散媒に溶解するものを選択して、乳化剤として使用することができる。特にスルホン酸基を有するポリマーを酸型のまま用いることでプロトン伝導体として用いる場合の体積抵抗を小さくすることができるので、固体高分子型燃料電池用部材に適用する面では好ましい。このようなポリマーとしては、ポリイソプレンのスルホン化物、水添スチレン・ブタジエン共重合体のスルホン化物、スチレン・マレイン酸共重合体のスルホン化物、スチレン・アクリル酸共重合体のスルホン化物などを挙げることができる。   Furthermore, among polymers having a hydrophilic group, those which are soluble in the dispersion medium in the polymer electrolyte emulsion and have a dispersion function can be used as an emulsifier. Examples of such polymers include styrene / maleic acid copolymer, styrene / acrylic acid copolymer, polyvinyl alcohol, polyalkylene glycol, sulfonated polyisoprene, sulfonated hydrogenated styrene / butadiene copolymer, styrene / Examples thereof include sulfonated products of maleic acid copolymers and sulfonated products of styrene / acrylic acid copolymers. Among these, those that can be dissolved in the used dispersion medium can be selected and used as an emulsifier. In particular, by using a polymer having a sulfonic acid group as it is in the acid form, the volume resistance when used as a proton conductor can be reduced. Examples of such a polymer include a sulfonated product of polyisoprene, a sulfonated product of hydrogenated styrene / butadiene copolymer, a sulfonated product of styrene / maleic acid copolymer, and a sulfonated product of styrene / acrylic acid copolymer. Can do.

これらの乳化剤は、単独で、あるいは2種以上を併用することができる。乳化剤を使用する場合、高分子電解質エマルション100重量部に対して、通常、0.1〜50重量部の乳化剤を使用する。かかる乳化剤の使用量としては、好ましくは0.2〜20重量部、さらに好ましくは0.5〜5重量部である。乳化剤の使用量が、この範囲であると、高分子電解質エマルションの分散安定性を向上させるとともに、泡立ちの抑制などの操作性も良好となるため、好ましい。   These emulsifiers can be used alone or in combination of two or more. When using an emulsifier, 0.1-50 weight part of emulsifier is normally used with respect to 100 weight part of polymer electrolyte emulsions. The amount of the emulsifier used is preferably 0.2 to 20 parts by weight, more preferably 0.5 to 5 parts by weight. When the amount of the emulsifier used is within this range, it is preferable because the dispersion stability of the polymer electrolyte emulsion is improved and the operability such as suppression of foaming is improved.

<フィルム成形法>
本発明の高分子電解質エマルションは、コーティング材やバインダー樹脂、高分子固体電解質膜など、特に塗膜あるいはフィルムの形態で用いられる、種々の用途に適用可能である。また、このような用途に使用する際、物性などを改良するために、他のポリマーを併用することもできる。他のポリマーとしては、例えばウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル、ポリスチレン、ポリエステルアミド、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、SBRやNBRなどのジエン系ポリマーなど公知のものが挙げられる。とりわけ、本発明の高分子電解質エマルションは、固体高分子型燃料電池の触媒層のバインダー樹脂として用いると、かかる触媒層と接するイオン伝導膜との間に高度の密着性を発現する。
<Film forming method>
The polymer electrolyte emulsion of the present invention can be applied to various uses such as a coating material, a binder resin, a polymer solid electrolyte membrane and the like, particularly used in the form of a coating film or a film. Moreover, when using for such a use, in order to improve a physical property etc., another polymer can also be used together. Examples of other polymers include known resins such as urethane resins, acrylic resins, polyester resins, polyamide resins, polyethers, polystyrenes, polyester amides, polycarbonates, polyvinyl chloride, and diene polymers such as SBR and NBR. In particular, when the polymer electrolyte emulsion of the present invention is used as a binder resin for a catalyst layer of a solid polymer fuel cell, it exhibits a high degree of adhesion between the catalyst layer and an ion conductive membrane in contact therewith.

また、本発明の高分子電解質エマルションは、さまざまなフィルム成形法にて、精度のよいフィルムを得ることができる。フィルム成形法として例えば、キャストフィルム成形、スプレー塗布、刷毛塗り、ロールコーター、フローコーター、バーコーター、ディップコーターなどが使用できる。塗布膜厚は、用途によって異なるが、乾燥膜厚で、通常、0.01〜1,000μm、好ましくは0.05〜500μmである。   In addition, the polymer electrolyte emulsion of the present invention can obtain a highly accurate film by various film forming methods. As the film forming method, for example, cast film forming, spray coating, brush coating, roll coater, flow coater, bar coater, dip coater and the like can be used. The coating film thickness varies depending on the use, but is usually a dry film thickness of 0.01 to 1,000 μm, preferably 0.05 to 500 μm.

塗布される基材は、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの高分子材料からなる基材、アルミニウム、銅、ジュラルミンなどの非鉄金属からなる基材、ステンレス、鉄などの鋼板、炭素材料、アルミナ、無機質硬化体からなる基材、ガラス板、木材、紙、石膏板、などが挙げられる。基材の形状に特に制限はなく、平面状のものから不織布などの多孔質材料なども使用できる。
また、該高分子電解質エマルションを用いて固体高分子型燃料電池の触媒層を形成する場合、該高分子電解質エマルションを用いてなる触媒インクを、イオン伝導膜に塗布して、イオン伝導膜上に触媒層を形成させることができる。なお、触媒インクとは、当業分野で広範に用いられる用語であり、触媒層を形成させるための液状組成物を意味する。該触媒インクは、本発明の高分子電解質エマルションに、白金、白金−ルテニウム合金のような貴金属類や錯体系電極触媒(例えば、高分子学会燃料電池材料研究会編、「燃料電池と高分子」、103〜112頁、共立出版、2005年11月10日発行に記載されている)などの触媒成分、あるいは該触媒成分をカーボンなどの導電材料と複合化させたものを、混合することにより得ることができる。
The substrate to be applied is, for example, a substrate made of a polymer material such as polycarbonate resin, acrylic resin, ABS resin, polyester resin, polyethylene, polypropylene, nylon, a substrate made of non-ferrous metal such as aluminum, copper, duralumin, Examples thereof include steel plates such as stainless steel and iron, carbon materials, alumina, base materials made of inorganic hardened bodies, glass plates, wood, paper, and plaster plates. There is no restriction | limiting in particular in the shape of a base material, Porous materials, such as a nonwoven fabric etc. from a planar thing, can be used.
In addition, when forming a catalyst layer of a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte emulsion, a catalyst ink using the polymer electrolyte emulsion is applied to the ion conductive membrane, A catalyst layer can be formed. The catalyst ink is a term widely used in the art and means a liquid composition for forming a catalyst layer. The catalyst ink is prepared by adding a noble metal such as platinum or a platinum-ruthenium alloy or a complex electrode catalyst to the polymer electrolyte emulsion of the present invention. , 103-112, Kyoritsu Shuppan, published on Nov. 10, 2005), or a composite of the catalyst component and a conductive material such as carbon. be able to.

また、本発明の高分子電解質エマルションは、上記に例示した基材を支持基材として用い、この支持基材に塗布・乾燥させた後に、該支持基材から剥離して得られる膜を、固体高分子型燃料電池のイオン伝導膜として用いることもできる。
あるいは、上記に例示した種々の基材の表面に塗布して使用する基材改質剤や接着剤としても、好適に用いることができる。
In addition, the polymer electrolyte emulsion of the present invention uses the above-exemplified base material as a support base material, and after coating and drying the support base material, the film obtained by peeling from the support base material is solid. It can also be used as an ion conductive membrane of a polymer fuel cell.
Or it can use suitably also as a base-material modifier and an adhesive agent which apply | coat and use on the surface of the various base material illustrated above.

<膜電極接合体の説明>
上記の、本発明の高分子電解質エマルションが提供する用途の中でも、特に好適な燃料電池の部材としての使用、特に固体高分子型燃料電池を構成する膜電極接合体(以下、「MEA」と呼ぶこともある)に係る用途に関して詳細を説明する。
ここで、MEAとは、水素と空気の酸化還元反応を促進する触媒成分を含む触媒層と呼ばれる電極を、イオン伝導膜の両面に形成したものである。さらに、MEAの両触媒層の外側にガスを効率的に触媒層に供給するためのガス拡散層を有する形態を膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と呼ぶこともある。
<Description of membrane electrode assembly>
Among the uses provided by the polymer electrolyte emulsion of the present invention described above, the membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) that constitutes a polymer electrolyte fuel cell, particularly a use as a particularly suitable fuel cell member. Details will be described with regard to the use related to the above.
Here, MEA is formed by forming electrodes called catalyst layers containing a catalyst component that promotes a redox reaction between hydrogen and air on both surfaces of an ion conductive membrane. Furthermore, a form having a gas diffusion layer for efficiently supplying gas to the catalyst layer outside both catalyst layers of the MEA may be referred to as a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).

前記MEAは、イオン伝導膜上に直接触媒層を形成する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成して、これをイオン伝導膜に転写した後、該支持基材を剥離する方法などを用いて製造される。また、カーボンペーパーなどのガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、これをイオン伝導膜と接合して、MEGAとして形成させてもよい。   The MEA is a method in which a catalyst layer is directly formed on an ion conductive film, a method in which a catalyst layer is formed on a flat support substrate, and this is transferred to the ion conductive membrane, and then the support substrate is peeled off. It is manufactured using. Moreover, after forming a catalyst layer on a base material to be a gas diffusion layer such as carbon paper, the catalyst layer may be bonded to an ion conductive film to form MEGA.

本発明の高分子電解質エマルションは、これらのようなMEAを構成する、触媒層あるいはイオン伝導膜などの部材、かかる部材の添加剤として使用するプライマーやバインダー樹脂、触媒層−イオン伝導膜の接合に用いられる接着剤などに応用可能である。
特に、本発明の高分子電解質エマルションは、上記MEAの構成部材の中でも、触媒層に適用すると好ましい。
より好適な実施態様としては、イオン伝導膜上に、本発明の高分子電解質エマルションと白金担持カーボンとを配合した触媒インクを、塗布・乾燥することにより該イオン伝導膜上に触媒層(電極)を形成せしめてMEAを作製すると、得られるMEAは電極とイオン伝導膜との接着強度に優れ、該電極は耐水性(耐久性)に優れたものを得ることができる。あるいはイオン伝導膜上に、本発明の高分子電解質エマルションを塗布し、得られたエマルション塗膜の乾燥前に、白金担持カーボン粒子を、該エマルション塗膜に乗せることにより、MEAを形成すれば、このMEAは電極とイオン伝導膜との接着強度に優れ、該電極は耐久性に優れるものが得られる。
また、MEAの触媒層と、ガス拡散層とを接合するにあたり、本発明の高分子電解質エマルションを接着剤として用いれば、接着性や耐水性に優れたMEGAを得ることができる。
The polymer electrolyte emulsion of the present invention is used for members such as catalyst layers or ion conductive membranes, primers and binder resins used as additives for such members, and catalyst layer-ion conductive membranes, which constitute such MEAs. It can be applied to the adhesive used.
In particular, the polymer electrolyte emulsion of the present invention is preferably applied to the catalyst layer among the constituent members of the MEA.
As a more preferred embodiment, a catalyst layer (electrode) is formed on the ion conductive membrane by applying and drying a catalyst ink containing the polymer electrolyte emulsion of the present invention and platinum-supported carbon on the ion conductive membrane. When the MEA is formed by forming the MEA, the obtained MEA is excellent in the adhesive strength between the electrode and the ion conductive membrane, and the electrode is excellent in water resistance (durability). Alternatively, the MEA is formed by applying the polymer electrolyte emulsion of the present invention on the ion conductive membrane and placing platinum-supported carbon particles on the emulsion coating film before drying the obtained emulsion coating film. This MEA is excellent in the adhesive strength between the electrode and the ion conductive membrane, and the electrode is excellent in durability.
In addition, when the MEA catalyst layer and the gas diffusion layer are joined, the MEGA having excellent adhesion and water resistance can be obtained by using the polymer electrolyte emulsion of the present invention as an adhesive.

次に、本発明の高分子電解質エマルションにより得られたMEAを備える燃料電池について説明する。   Next, a fuel cell provided with MEA obtained by the polymer electrolyte emulsion of the present invention will be described.

図1は、好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。図1に示すように、燃料電池10は、イオン伝導膜12の両側に、これを挟むように触媒層14a,14bがなり、これが本発明の製造方法で得られるMEA20である。さらに、両面の触媒層には、それぞれ、ガス拡散層16a,16bを備え、該ガス拡散層にセパレータ18a,18bが形成されている。
ここで、MEA20とガス拡散層16a,16bを備えたものは、通常MEGAと略される。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a fuel cell according to a preferred embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 has catalyst layers 14a and 14b sandwiching the ion conductive membrane 12 on both sides, and this is the MEA 20 obtained by the manufacturing method of the present invention. Furthermore, the catalyst layers on both sides are provided with gas diffusion layers 16a and 16b, respectively, and separators 18a and 18b are formed in the gas diffusion layers.
Here, the one provided with MEA 20 and gas diffusion layers 16a and 16b is generally abbreviated as MEGA.

ここで触媒層14a,14bは、燃料電池における電極層として機能する層であり、これらのいずれか一方がアノード触媒層となり、他方がカソード触媒層となる。   Here, the catalyst layers 14a and 14b are layers that function as electrode layers in the fuel cell, and either one of them serves as an anode catalyst layer and the other serves as a cathode catalyst layer.

ガス拡散層16a,16bは、MEA20の両側を挟むように設けられており、触媒層14a,14bへの原料ガスの拡散を促進するものである。このガス拡散層16a,16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されるものが好ましい。例えば、多孔質性のカーボン不織布やカーボンペーパーが、原料ガスを触媒層14a,14bへ効率的に輸送することができるため、好ましい。   The gas diffusion layers 16a and 16b are provided so as to sandwich both sides of the MEA 20, and promote the diffusion of the raw material gas into the catalyst layers 14a and 14b. The gas diffusion layers 16a and 16b are preferably made of a porous material having electron conductivity. For example, a porous carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable because the raw material gas can be efficiently transported to the catalyst layers 14a and 14b.

セパレータ18a,18bは、電子伝導性を有する材料で形成されており、かかる材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレスなどが挙げられる。かかるセパレータ18a,18bは、図示しないが、触媒層14a,14b側に、燃料ガスなどの流路となる溝が形成されていると好ましい。   Separator 18a, 18b is formed with the material which has electronic conductivity, As this material, carbon, resin mold carbon, titanium, stainless steel etc. are mentioned, for example. Although not shown, the separators 18a and 18b are preferably provided with a groove serving as a flow path for fuel gas or the like on the catalyst layers 14a and 14b side.

そして、燃料電池10は、上述したようなMEGAを、一対のセパレータ18a,18bで挟み込み、これらを接合することで得ることができる。   The fuel cell 10 can be obtained by sandwiching MEGA as described above between a pair of separators 18a and 18b and joining them together.

なお、本発明の燃料電池は、必ずしも上述した構成を有するものに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜異なる構成を有していてもよい。   The fuel cell of the present invention is not necessarily limited to the above-described configuration, and may have a different configuration as long as it does not depart from the spirit of the fuel cell.

また、燃料電池10は、上述した構造を有するものを、ガスシール体などで封止したものであってもよい。さらに、上記構造の燃料電池10は、直列に複数個接続して、燃料電池スタックとして実用に供することもできる。そして、このような構成を有する燃料電池は、燃料が水素である場合は固体高分子形燃料電池として、また燃料がメタノール水溶液である場合は直接メタノール型燃料電池として動作することができる。   The fuel cell 10 may be one having the above-described structure sealed with a gas seal body or the like. Furthermore, a plurality of the fuel cells 10 having the above structure can be connected in series to be put to practical use as a fuel cell stack. The fuel cell having such a configuration can operate as a solid polymer fuel cell when the fuel is hydrogen, and as a direct methanol fuel cell when the fuel is an aqueous methanol solution.

<その他の用途>
また本発明の高分子電解質エマルションは、さまざまな疎水性表面にコーティングすることにより、親水性、吸湿性の発現あるいはその維持が可能となる。また、静電気などによる汚れ、埃付着防止が可能である。さらに、不織布などの多孔質材料にコーティングした場合には、例えば空気中あるいは水中に存在するアンモニア、アミンなどの弱塩基、またはイオン性物質の捕捉作用を示す。また、電池用セパレータの表面をコーティング処理することにより、電池用電解質との親和性が向上し、自己放電特性など電池特性の向上に繋がるといった効果も期待できる。
<Other uses>
In addition, the polymer electrolyte emulsion of the present invention can be expressed or maintained in hydrophilicity and hygroscopicity by coating on various hydrophobic surfaces. In addition, it is possible to prevent dirt and dust due to static electricity. Further, when coated on a porous material such as a non-woven fabric, it exhibits an action of capturing weak bases such as ammonia and amines present in air or water, or ionic substances. In addition, by coating the surface of the battery separator, it is possible to expect an effect that the affinity with the battery electrolyte is improved and the battery characteristics such as self-discharge characteristics are improved.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.

<イオン交換容量の測定方法>
測定に供する高分子電解質を、溶媒キャスト法にて膜の形態に加工し、加熱温度105℃に設定されたハロゲン水分率計を用いて、乾燥重量を求めた。次いで、この膜を0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、更に50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この膜が浸漬された溶液に、0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定を行い、中和点を求めた。そして、膜の乾燥重量と上記の中和に要した塩酸の量から、高分子電解質のイオン交換容量(単位:meq/g)を算出した。
<Measurement method of ion exchange capacity>
The polymer electrolyte to be measured was processed into a film form by a solvent casting method, and the dry weight was determined using a halogen moisture meter set at a heating temperature of 105 ° C. Next, this membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, and then 50 mL of ion-exchanged water was added and left for 2 hours. Thereafter, titration was performed by gradually adding 0.1 mol / L hydrochloric acid to the solution in which the membrane was immersed, and the neutralization point was determined. The ion exchange capacity (unit: meq / g) of the polymer electrolyte was calculated from the dry weight of the membrane and the amount of hydrochloric acid required for the neutralization.

<重量平均分子量の測定方法>
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法によって、ポリスチレン換算重量平均分子量を求めた。なお、GPCの測定条件は下記のとおりである。
GPC条件
・GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
・カラム Shodex社製 AT−80Mを2本直列に接続
・カラム温度 40℃
・移動相溶媒 ジメチルアセトアミド
(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
・溶媒流量 0.5mL/min
<Measurement method of weight average molecular weight>
The weight average molecular weight in terms of polystyrene was determined by gel permeation chromatography (GPC). The measurement conditions for GPC are as follows.
GPC conditions and GPC measurement device HLC-8220 manufactured by TOSOH
・ Two columns AT-80M made by Shodex are connected in series ・ Column temperature 40 ℃
Mobile phase solvent Dimethylacetamide (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
・ Solvent flow rate 0.5mL / min

<平均粒径測定方法>
各エマルション中に含まれる粒子の平均粒径は、動的光散乱法(濃厚系粒径アナライザーFPAR−1000[大塚電子製])を用いて測定した。測定温度は30℃、積算時間は30min、測定に用いたレーザーの波長は660nmである。得られたデータを、上記装置付属の解析ソフトウェア(FPARシステム VERSION5.1.7.2)を用い、CONTIN法で解析することで散乱強度分布を得、最も頻度の高い粒径を平均粒径とした。
<Average particle size measurement method>
The average particle size of the particles contained in each emulsion was measured using a dynamic light scattering method (concentrated particle size analyzer FPAR-1000 [manufactured by Otsuka Electronics]). The measurement temperature is 30 ° C., the integration time is 30 minutes, and the wavelength of the laser used for the measurement is 660 nm. The obtained data is analyzed by the CONTIN method by using the analysis software (FPAR system VERSION 5.1.7.2) attached to the above apparatus, and the scattering intensity distribution is obtained. did.

<ゼータ電位測定法>
レーザードップラー法による電気泳動移動度の測定を行い、高分子電解質エマルションの分散媒の誘電率、粘度から高分子電解質エマルションのゼータ電位を求めた。レーザードップラー法の測定条件は下記のとおりである。
レーザードップラー法測定条件
・レーザードップラー測定装置 Malvern Instruments Ltd社製 Zetasizer Nano
・レーザー波長 632nm
・温度 25℃
・セル キャピラリーセル
・積算回数 20回
<Zeta potential measurement method>
The electrophoretic mobility was measured by the laser Doppler method, and the zeta potential of the polymer electrolyte emulsion was determined from the dielectric constant and viscosity of the dispersion medium of the polymer electrolyte emulsion. The measurement conditions of the laser Doppler method are as follows.
Laser Doppler Method Measurement Conditions / Laser Doppler Measuring Device Zetasizer Nano by Malvern Instruments Ltd
・ Laser wavelength 632nm
・ Temperature 25 ℃
・ Capillary cell ・ Accumulation times 20 times

<pH測定方法>
pH測定を行い、高分子電解質エマルションのpHを求めた。pH測定の測定条件は下記のとおりである。
測定条件
・pHメーター TOKO Chemical社製 TPX-90i
・pH電極 TOKO Chemical社製 PCE103CS-SR
・測定温度 25℃
・pH校正点 pH=4,7
<PH measurement method>
The pH was measured to determine the pH of the polymer electrolyte emulsion. The measurement conditions for pH measurement are as follows.
Measurement conditions and pH meter TPX-90i manufactured by TOKO Chemical
・ PH electrode PCE103CS-SR manufactured by TOKO Chemical
・ Measurement temperature 25 ℃
・ PH calibration point pH = 4,7

製造例1[4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの合成]
攪拌機を備えた反応器に、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン467gと30%発煙硫酸3500gとを加え、100℃で5時間反応させた。得られた反応混合物を冷却した後、大量の氷水中に加え、これに更に50%水酸化カリウム水溶液470mLを滴下した。
次いで、析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。得られた固体を脱イオン水6.0Lに溶解させ、50%水酸化カリウム水溶液を加えて、pH7.5に調整した後、塩化カリウム460gを加えた。析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。
その後、得られた固体をジメチルスルホキシド(以下、「DMSO」と呼ぶ)2.9Lに溶解させ、不溶の無機塩を濾過で除き、残渣をDMSO300mLでさらに洗浄した。得られた濾液に酢酸エチル/エタノール=24/1の溶液6.0Lを滴下し、析出した固体をメタノールで洗浄し、100℃で乾燥させて、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの固体482gを得た。
Production Example 1 [Synthesis of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate]
To a reactor equipped with a stirrer, 467 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 3500 g of 30% fuming sulfuric acid were added and reacted at 100 ° C. for 5 hours. The obtained reaction mixture was cooled and then added to a large amount of ice water, and 470 mL of a 50% aqueous potassium hydroxide solution was further added dropwise thereto.
Next, the precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried. The obtained solid was dissolved in 6.0 L of deionized water, 50% aqueous potassium hydroxide solution was added to adjust the pH to 7.5, and then 460 g of potassium chloride was added. The precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried.
Thereafter, the obtained solid was dissolved in 2.9 L of dimethyl sulfoxide (hereinafter referred to as “DMSO”), insoluble inorganic salts were removed by filtration, and the residue was further washed with 300 mL of DMSO. To the obtained filtrate, 6.0 L of a solution of ethyl acetate / ethanol = 24/1 was added dropwise, and the precipitated solid was washed with methanol, dried at 100 ° C., and 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3. 482 g of dipotassium dipotassium disulfonate was obtained.

製造例2[高分子電解質Aの製造]
(スルホン酸基を有する高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、製造例1で得られた4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム9.32重量部、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム4.20重量部、DMSO59.6重量部、及び、トルエン9.00重量部を加え、これらを室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを2.67重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続け、スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液を得た。総加熱時間は14時間であった。得られた溶液は室温にて放冷した。
Production Example 2 [Production of polymer electrolyte A]
(Synthesis of polymer compound having sulfonic acid group)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 9.32 parts by weight of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate obtained in Production Example 1 in an argon atmosphere, 2,5-dihydroxybenzene 4.20 parts by weight of potassium sulfonate, 59.6 parts by weight of DMSO, and 9.00 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring these at room temperature.
Thereafter, 2.67 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while distilling off toluene, and a DMSO solution of a polymer compound having a sulfonic acid group was obtained. Total heating time was 14 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature.

(イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン8.32重量部、2,6−ジヒドロキシナフタレン5.36重量部、DMSO30.2重量部、N−メチル―2−ピロリドン(以下、「NMP」と呼ぶ)30.2重量部、及び、トルエン9.81重量部を加え、室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを5.09重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続けた。総加熱時間は5時間であった。得られた溶液を室温にて放冷し、イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を得た。
(Synthesis of polymer compounds substantially free of ion exchange groups)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, in an argon atmosphere, 8.32 parts by weight of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 5.36 parts by weight of 2,6-dihydroxynaphthalene, 30.2 parts by weight of DMSO, N-methyl- 20.2 parts by weight of 2-pyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”) and 9.81 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring at room temperature.
Thereafter, 5.09 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while toluene was distilled off. Total heating time was 5 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature to obtain a NMP / DMSO mixed solution of a polymer compound substantially free of ion exchange groups.

(ブロック共重合体の合成)
得られたイオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を攪拌しながら、これに、上記スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液の全量とNMP80.4重量部、DMSO45.3重量部を加え、150℃にて40時間ブロック共重合反応を行った。
反応終了後の反応液を大量の2N塩酸に滴下し、1時間浸漬した。その後、生成した沈殿物を濾別した後、再度2N塩酸に1時間浸漬した。得られた沈殿物を濾別、水洗した後、95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。そして、濾別した後、得られたケーキを、80℃で12時間乾燥させて、ブロック共重合体である高分子電解質Aを得た。この高分子電解質Aの構造を下記に示す。
なお、下記式における「block」の記載は、スルホン酸基を有するブロック及びイオン交換基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上有することを表している。

Figure 2008031462
得られた高分子電解質Aのイオン交換容量は1.9meq/gであり、重量平均分子量は、4.2×105であった。なお、m、nは各ブロックを構成する括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。 (Synthesis of block copolymer)
While stirring the obtained NMP / DMSO mixed solution of the polymer compound having substantially no ion exchange group, the total amount of the DMSO solution of the polymer compound having the sulfonic acid group and 80.4 parts by weight of NMP were added thereto. DMSO (45.3 parts by weight) was added, and a block copolymerization reaction was carried out at 150 ° C. for 40 hours.
The reaction solution after completion of the reaction was dropped into a large amount of 2N hydrochloric acid and immersed for 1 hour. Thereafter, the produced precipitate was filtered off and then immersed again in 2N hydrochloric acid for 1 hour. The obtained precipitate was filtered and washed with water, and then immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. And after separating by filtration, the obtained cake was dried at 80 degreeC for 12 hours, and the polymer electrolyte A which is a block copolymer was obtained. The structure of this polymer electrolyte A is shown below.
In addition, description of "block" in a following formula represents having at least one block each having a sulfonic acid group and no block having an ion exchange group.
Figure 2008031462
The obtained polymer electrolyte A had an ion exchange capacity of 1.9 meq / g and a weight average molecular weight of 4.2 × 10 5 . Here, m and n represent the average degree of polymerization of the repeating units in parentheses constituting each block.

製造例2[高分子電解質Bの製造]
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO600ml、トルエン200mL、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム26.5g(106.3mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン

Figure 2008031462
(住友化学製スミカエクセルPES5200P、Mn=5.4×104、Mw=1.2×105)10.0g、2,2’−ビピリジル43.8g(280.2mmol)を入れて攪拌した。その後バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、60℃に冷却した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)73.4g(266.9mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で5時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の6mol/Lの塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ濾別。その後6mol/L塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする下記ポリアリーレン系ブロック共重合体である高分子電解質B 16.3gを得た。この高分子電解質Bの構造を下記に示す。
Figure 2008031462
得られた高分子電解質Bのイオン交換容量は2.3meq/gであり、重量平均分子量は、2.7×105であった。なお、l、pは各ブロックを構成する括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。 Production Example 2 [Production of polymer electrolyte B]
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an argon atmosphere, DMSO 600 ml, toluene 200 mL, sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate 26.5 g (106.3 mmol), the following polyethersulfone which is terminal chloro type
Figure 2008031462
(Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.4 × 10 4 , Mw = 1.2 × 10 5 ) 10.0 g, 2,2′-bipyridyl 43.8 g (280.2 mmol) was added and stirred. Thereafter, the bath temperature was raised to 150 ° C., and water in the system was azeotropically dehydrated by distilling off toluene, followed by cooling to 60 ° C. Next, 73.4 g (266.9 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 5 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of 6 mol / L hydrochloric acid to precipitate a polymer, which is filtered off. Thereafter, washing and filtration operations with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, followed by washing with water until the filtrate became neutral, and drying under reduced pressure, thereby polymer electrolyte B, which is the desired polyarylene block copolymer shown below. 16.3 g was obtained. The structure of this polymer electrolyte B is shown below.
Figure 2008031462
The obtained polymer electrolyte B had an ion exchange capacity of 2.3 meq / g and a weight average molecular weight of 2.7 × 10 5 . Note that l and p represent the average degree of polymerization of the repeating units in parentheses constituting each block.

製造例3[高分子電解質Cの製造]
4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム7.74g(15.77mmol)、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム3.00g(13.14mmol)炭酸カリウム1.91g(13.80mmol)を加え、DMSO49mLおよびトルエン35mLを添加した。その後バス温150℃で2時間トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水し、その後4時間保温攪拌することでオリゴマーaを得た。仕込み値から計算されるオリゴマーaの繰り返し度sの平均は5.5であった。
また別途、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル8.25g(40.78mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン9.70g(38.16mmol)、炭酸カリウム6.20g(44.86mmol)を加え、DMSO82mLおよびトルエン35mLを添加した。その後バス温150℃で2時間トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水し、その後4時間保温攪拌することでオリゴマーbを得た。仕込み値から計算されるオリゴマーbの繰り返し度rの平均は15.0であった。
続いて、反応液を室温まで十分に放冷した後、オリゴマーaの反応溶液をオリゴマーbの反応溶液に滴下して、オリゴマーaの反応マスをDMSO20mLで十分に共洗いし、その後内温150℃にて9時間保温攪拌した。反応液を放冷した後、大量の塩酸水に滴下し、生成した沈殿物を濾過回収した。さらに洗液が中性になるまで水で洗浄濾過を繰返した後、80℃の熱水で処理、その後80℃にて常圧乾燥し23.51gの高分子電解質Cを得た。この高分子電解質Cの構造を下記に示す。

Figure 2008031462
得られた高分子電解質Cの重量平均分子量は1.39×105であった。なお、r、sは各ブロックを構成する括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。 Production Example 3 [Production of polymer electrolyte C]
4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate dipotassium 7.74 g (15.77 mmol), potassium 2,5-dihydroxybenzenesulfonate 3.00 g (13.14 mmol) potassium carbonate 1.91 g (13 .80 mmol) and DMSO 49 mL and toluene 35 mL were added. Thereafter, toluene was distilled off by heating at a bath temperature of 150 ° C. for 2 hours to azeotropically dehydrate the water in the system, and then oligomers a were obtained by stirring for 4 hours while maintaining the temperature. The average repeating degree s of oligomer a calculated from the charged value was 5.5.
Separately, in a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, under an argon atmosphere, 8.25 g (40.78 mmol) of 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 9.70 g (38.16 mmol) of 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 6.20 g (44.86 mmol) of potassium carbonate was added, and 82 mL of DMSO and 35 mL of toluene were added. Thereafter, toluene was distilled off by heating at a bath temperature of 150 ° C. for 2 hours to azeotropically dehydrate the water in the system, and then the mixture was stirred while keeping for 4 hours to obtain oligomer b. The average repeating degree r of the oligomer b calculated from the charged value was 15.0.
Subsequently, after the reaction solution was sufficiently allowed to cool to room temperature, the reaction solution of oligomer a was dropped into the reaction solution of oligomer b, and the reaction mass of oligomer a was thoroughly washed with 20 mL of DMSO, and then the internal temperature was 150 ° C. And kept stirring for 9 hours. The reaction solution was allowed to cool and then added dropwise to a large amount of hydrochloric acid, and the resulting precipitate was collected by filtration. Further, washing and filtration were repeated with water until the washing solution became neutral, then treated with hot water at 80 ° C., and then dried at normal pressure at 80 ° C. to obtain 23.51 g of polymer electrolyte C. The structure of this polymer electrolyte C is shown below.
Figure 2008031462
The weight average molecular weight of the obtained polymer electrolyte C was 1.39 × 10 5 . R and s represent the average degree of polymerization of the repeating units in parentheses constituting each block.

製造例4[安定剤ポリマーdの合成]
ポリマーaの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ビス−4−ヒドロキシジフェニルスルホン63.40g、4,4’−ジヒドロキシビフェニル70.81g、N−メチル2−ピロリドン955gを加え均一な溶液とした。その後、炭酸カリウム92.80gを添加し、NMPを留去しながら135℃〜150℃で4.5時間減圧脱水した。その後、ジクロロジフェニルスルホン200.10gを添加し180℃で21時間反応を行った。
反応終了後、反応溶液をメタノールに滴下し、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体は更にメタノール洗浄、水洗浄、熱メタノール洗浄を経て、乾燥し275.55gのポリマーaを得た。このポリマーaの構造を下記に示す。ポリマーaはGPC測定によるポリスチレン換算の重量平均分子量が18000であり、NMR測定の積分値から求めたkとlの比がk:l=7:3であった。なお、下記の「random」の表記は、下記ポリマーaを形成する構成単位が、ランダムに共重合されていることを示す。なお、k、qはこのランダム重合体を構成する、括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。

Figure 2008031462
Production Example 4 [Synthesis of Stabilizer Polymer d]
Synthesis of polymer a A 2 L separable flask equipped with a reduced pressure azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 63.40 g of bis-4-hydroxydiphenyl sulfone, 70.81 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl, and 955 g of N-methyl 2-pyrrolidone. Was added to obtain a uniform solution. Thereafter, 92.80 g of potassium carbonate was added, and dehydrated under reduced pressure at 135 ° C. to 150 ° C. for 4.5 hours while distilling off NMP. Thereafter, 200.10 g of dichlorodiphenylsulfone was added and the reaction was carried out at 180 ° C. for 21 hours.
After completion of the reaction, the reaction solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was filtered and collected. The recovered solid was further washed with methanol, washed with water, and washed with hot methanol and dried to obtain 275.55 g of polymer a. The structure of this polymer a is shown below. The polymer a had a polystyrene-equivalent weight average molecular weight by GPC measurement of 18000, and the ratio of k and l determined from the integral value of NMR measurement was k: l = 7: 3. In addition, the following "random" description shows that the structural unit which forms the following polymer a is copolymerized at random. Here, k and q represent the average degree of polymerization of the repeating units in the parentheses constituting this random polymer.
Figure 2008031462

ポリマーbの合成
2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ニトロベンゼン1014.12g、ポリマーa80.00g、を加え均一な溶液とした。その後、N-ブロモスクシンイミドを50.25g添加し、15℃まで冷却した。続いて、95%濃硫酸 106.42gを40分かけて滴下し15℃で6時間反応をおこなった。6時間後、15℃に冷却しながら10w%水酸化ナトリウム水溶液450.63g、チオ硫酸ナトリウム 18.36gを添加した。その後、この溶液をメタノールに滴下し、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体はメタノール洗浄、水洗浄、再度メタノール洗浄を経て乾燥し、86.38gのポリマーbを得た。
Synthesis of Polymer b The 2 L separable flask was purged with nitrogen, and 101.12 g of nitrobenzene and 80.00 g of polymer a were added to obtain a uniform solution. Thereafter, 50.25 g of N-bromosuccinimide was added and cooled to 15 ° C. Subsequently, 106.42 g of 95% concentrated sulfuric acid was added dropwise over 40 minutes, and the reaction was carried out at 15 ° C. for 6 hours. Six hours later, 450.63 g of a 10 w% aqueous sodium hydroxide solution and 18.36 g of sodium thiosulfate were added while cooling to 15 ° C. Thereafter, this solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was collected by filtration. The recovered solid was washed with methanol, washed with water, washed again with methanol and dried to obtain 86.38 g of polymer b.

ポリマーcの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ジメチルホルムアミド116.99g、ポリマーb80.07g、加え均一な溶液とした。その後、ジメチルホルムアミドを留去しながら5時間減圧脱水をおこなった。5時間後50℃まで冷却し、塩化ニッケルを41.87g添加して130℃まで昇温し、亜リン酸トリエチルを69.67g滴下して140℃〜145℃で2時間反応をおこなった。2時間後亜リン酸トリエチルをさらに17.30g添加し145℃〜150℃で3時間反応をおこなった。3時間後室温まで冷却し、水1161gとエタノール929gの混合溶液を滴下して、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体に水を添加して十分に粉砕し、5重量%塩酸水溶液で洗浄、水洗浄を経て、86.83gのポリマーcを得た。
Synthesis of Polymer c A 2 L separable flask equipped with a reduced-pressure azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 116.99 g of dimethylformamide and 80.07 g of polymer b were added to obtain a uniform solution. Thereafter, dehydration under reduced pressure was performed for 5 hours while distilling off dimethylformamide. After 5 hours, the mixture was cooled to 50 ° C., 41.87 g of nickel chloride was added, the temperature was raised to 130 ° C., and 69.67 g of triethyl phosphite was added dropwise, and the reaction was carried out at 140 ° C. to 145 ° C. for 2 hours. After 2 hours, an additional 17.30 g of triethyl phosphite was added, and the reaction was carried out at 145 ° C. to 150 ° C. for 3 hours. After 3 hours, the mixture was cooled to room temperature, a mixed solution of 1161 g of water and 929 g of ethanol was added dropwise, and the precipitated solid was filtered and collected. Water was added to the collected solid and sufficiently pulverized, washed with a 5% by weight aqueous hydrochloric acid solution and washed with water to obtain 86.83 g of polymer c.

ポリマーdの合成
5Lセパラブルフラスコを窒素置換し、35重量%塩酸水溶液1200g、水550g、ポリマーc75.00g、を加え105℃〜110℃で15時間攪拌した。15時間後、室温まで冷却し水1500gを滴下した。その後、系中の固体をろ過、回収し、得た固体を水洗浄、熱水洗浄した。乾燥後目的とするポリマーd(下記式)を72.51g得た。元素分析から求めたリンの含有率は5.91%であり、この元素分析値から計算したxの値は1.6であった(なお、xはビフェニリレンオキシ基1個当たりのホスホン酸基の個数を表す)。このポリマーdを安定剤として用いた。

Figure 2008031462
Synthesis of Polymer d A 5 L separable flask was purged with nitrogen, and 1200 g of 35 wt% hydrochloric acid aqueous solution, 550 g of water and 75.00 g of polymer c were added, and the mixture was stirred at 105 ° C. to 110 ° C. for 15 hours. After 15 hours, the mixture was cooled to room temperature and 1500 g of water was added dropwise. Thereafter, the solid in the system was filtered and collected, and the obtained solid was washed with water and hot water. After drying, 72.51 g of the target polymer d (the following formula) was obtained. The phosphorus content determined from elemental analysis was 5.91%, and the value of x calculated from this elemental analysis value was 1.6 (where x is a phosphonic acid group per biphenylyleneoxy group). Represents the number of This polymer d was used as a stabilizer.
Figure 2008031462

製造例5[イオン伝導膜Aの作製]
製造例1で得られた高分子電解質Aを、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)に13.5重量%の濃度となるように溶解させて、高分子電解質溶液を調製した。次いで、この高分子電解質溶液をガラス板上に滴下した。それから、ワイヤーコーターを用いて高分子電解質溶液をガラス板上に均一に塗り広げた。この際、0.25mmクリアランスのワイヤーコーターを用いて塗工厚みをコントロールした。塗布後、高分子電解質溶液を80℃で常圧乾燥した。それから、得られた膜を1mol/Lの塩酸に浸漬した後、イオン交換水で洗浄し、さらに常温乾燥することによって厚さ30μmのイオン伝導膜Aを得た。
Production Example 5 [Production of Ion Conductive Membrane A]
The polymer electrolyte A obtained in Production Example 1 was dissolved in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) to a concentration of 13.5% by weight to prepare a polymer electrolyte solution. Next, this polymer electrolyte solution was dropped on a glass plate. Then, the polymer electrolyte solution was uniformly spread on the glass plate using a wire coater. At this time, the coating thickness was controlled using a wire coater having a 0.25 mm clearance. After application, the polymer electrolyte solution was dried at 80 ° C. under normal pressure. Then, the obtained membrane was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid, washed with ion-exchanged water, and dried at room temperature to obtain an ion conductive membrane A having a thickness of 30 μm.

実施例1[エマルション1の調製]
製造例2で得られた高分子電解質B 0.9gと製造例4で得られた安定剤0.1gを、NMP99gに溶解させ、高分子電解質溶液100gを作製した。次いで、この高分子電解質溶液100gを蒸留水900gに滴下速度3〜5g/minで滴下し、高分子電解質溶液を希釈した。希釈した溶液を、透析膜透析用セルロースチューブ(三光純薬(株)製UC36−32−100:分画分子量14,000)を用いて72時間流水で透析を行った。透析後の高分子電解質溶液を、エバポレーターを用いて、高分子電解質粒子濃度が1.5重量%になるように濃縮した。さらに、濃縮後の高分子電解質溶液に、イソプロピルアルコールで3重量倍に希釈して、エマルション1を調製した。
このエマルション1のゼータ電位は―240mVであり、エマルション1中の高分子電解質粒子の平均粒径は350nmであった。
得られたエマルション1を用いて、下記に示す密着性試験、耐水性試験を行った。結果を表1に示す。
Example 1 [Preparation of Emulsion 1]
0.9 g of the polymer electrolyte B obtained in Production Example 2 and 0.1 g of the stabilizer obtained in Production Example 4 were dissolved in 99 g of NMP to produce 100 g of a polymer electrolyte solution. Next, 100 g of this polymer electrolyte solution was dropped into 900 g of distilled water at a dropping rate of 3 to 5 g / min to dilute the polymer electrolyte solution. The diluted solution was dialyzed with running water for 72 hours using a cellulose tube for dialysis membrane dialysis (UC36-32-100 manufactured by Sanko Junyaku Co., Ltd .: molecular weight cut off 14,000). The polymer electrolyte solution after dialysis was concentrated using an evaporator so that the polymer electrolyte particle concentration was 1.5% by weight. Further, the concentrated polymer electrolyte solution was diluted 3 times by weight with isopropyl alcohol to prepare Emulsion 1.
The zeta potential of this emulsion 1 was −240 mV, and the average particle size of the polymer electrolyte particles in the emulsion 1 was 350 nm.
Using the resulting emulsion 1, the following adhesion test and water resistance test were conducted. The results are shown in Table 1.

(密着性試験)
製造例5で得られたイオン伝導膜Aを密着性試験用の基材とした。得られたエマルション1を、密着性試験用基材とアルミ板(1mm)との接着剤として使用した。密着性試験用基材は幅20mm、長さ50mmの短冊状に切り出し、長さ20mm分をのりしろとして、エマルション1を接着剤としてアルミ板に接着した。使用したエマルション1の量はおよそ100μLである。80℃10分乾燥後、島津製作所(株)製オートグラフAGS−500で剥離速度300mm/分、剥離角度90度で剥離し、そのときの剥離荷重を求めた。剥離荷重の大きいものほど接着力が強いことを意味する。
(Adhesion test)
The ion conductive film A obtained in Production Example 5 was used as a base material for an adhesion test. The obtained emulsion 1 was used as an adhesive between a substrate for adhesion test and an aluminum plate (1 mm). The substrate for adhesion test was cut into a strip shape having a width of 20 mm and a length of 50 mm, and the emulsion 1 was adhered to an aluminum plate as an adhesive with a length of 20 mm as a margin. The amount of emulsion 1 used is approximately 100 μL. After drying at 80 ° C. for 10 minutes, peeling was performed with an autograph AGS-500 manufactured by Shimadzu Corporation at a peeling speed of 300 mm / min and a peeling angle of 90 degrees, and the peeling load at that time was determined. The larger the peel load, the stronger the adhesion.

(耐水性試験)
製造例5で得られたイオン伝導膜Aを耐水性試験用の基材とした。エマルション1を、バーコーターを用いて耐水性試験用基材の上に均一に塗り広げた。この際、25μmクリアランスとして塗工厚みをコントロールした。塗布後、速やかに、塗膜上に、白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を目付けおよそ10mg/cm2で振りかけ、80℃で常圧乾燥した。得られた被膜はエマルション1と、白金担持カーボンが複合した塗膜である。乾燥後、ノズルより圧搾エアーを吹きかけ余剰の白金担持カーボンを除去した。除去後の白金担持カーボンの目付けはおよそ5mg/cm2であった。
この被膜に流水を落とし、流水の水勢で除去された被膜の面積割合を求めることにより被膜の耐水性を評価した。流水は管径10mmの水管から放出されたものを用い、高さ100mmの位置から、20ml/secの速度で落下させ、1分後の被膜の状態を調べた。耐水性の高いものほど、流水によって除去された面積割合が小さい。すなわち被膜の面積保持率が大きいことを意味する。
(Water resistance test)
The ion conductive membrane A obtained in Production Example 5 was used as a base material for a water resistance test. Emulsion 1 was spread evenly on a substrate for water resistance test using a bar coater. At this time, the coating thickness was controlled as a 25 μm clearance. Immediately after application, platinum-supported carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat) was sprinkled on the coating film at a weight of about 10 mg / cm 2 and dried at 80 ° C. under normal pressure. The obtained coating film is a coating film in which the emulsion 1 and platinum-supported carbon are combined. After drying, compressed air was blown from the nozzle to remove excess platinum-carrying carbon. The basis weight of the platinum-supported carbon after the removal was about 5 mg / cm 2 .
The water resistance of the coating film was evaluated by dropping running water onto the coating film and determining the area ratio of the coating film removed by the water flow. The flowing water was discharged from a water pipe having a pipe diameter of 10 mm and dropped at a speed of 20 ml / sec from a position with a height of 100 mm, and the state of the coating after 1 minute was examined. The higher the water resistance, the smaller the area ratio removed by running water. That is, it means that the area retention rate of the film is large.

実施例2〜5
実施例1に示したエマルション1に、表1にあるごとく水酸化ナトリウム水溶液によってゼータ電位を調整したものを種々作製し、実施例1と同様にして、密着性試験、耐水性試験をおこなった。結果を、調製されたゼータ電位、平均粒径と併せて、表1に示す。
Examples 2-5
Various emulsions having the zeta potential adjusted with an aqueous sodium hydroxide solution as shown in Table 1 were prepared for the emulsion 1 shown in Example 1, and an adhesion test and a water resistance test were conducted in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the prepared zeta potential and average particle size.

比較例1
実施例1に示したエマルション1に、表1にあるごとく水酸化ナトリウム水溶液によってゼータ電位を、本発明の範囲外に調整をしたもの作製し、実施例1と同様にして、密着性試験、耐水性試験をおこなった。結果を、調製されたゼータ電位、平均粒径と併せて、表1に示す。
Comparative Example 1
The emulsion 1 shown in Example 1 was prepared by adjusting the zeta potential outside the range of the present invention with an aqueous sodium hydroxide solution as shown in Table 1, and in the same manner as in Example 1, the adhesion test, water resistance A sex test was conducted. The results are shown in Table 1 together with the prepared zeta potential and average particle size.

実施例6[エマルション2の調製]
実施例1において使用した高分子電解質2および安定剤の混合物を、製造例1で得られた高分子電解質1に置き換える以外は、実施例1と同じ方法でエマルション2を得た。このエマルション2中に係るゼータ電位、平均粒径、密着性試験結果、耐水性試験結果を表1に示す。
Example 6 [Preparation of Emulsion 2]
Emulsion 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixture of polymer electrolyte 2 and stabilizer used in Example 1 was replaced with polymer electrolyte 1 obtained in Production Example 1. Table 1 shows the zeta potential, average particle diameter, adhesion test results, and water resistance test results of this emulsion 2.

実施例7、8
実施例6に示すエマルション2に、表1にあるごとく水酸化ナトリウム水溶液によってゼータ電位を調整したものを種々作製し、実施例1と同様にして、密着性試験、耐水性試験を行った。結果を、調製されたゼータ電位、平均粒径と併せて、表1に示す。
Examples 7 and 8
Various emulsions having the zeta potential adjusted with an aqueous sodium hydroxide solution as shown in Table 1 were prepared for the emulsion 2 shown in Example 6, and an adhesion test and a water resistance test were conducted in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1 together with the prepared zeta potential and average particle size.

比較例2、3
実施例6に示すエマルション2に、表1にあるごとく水酸化ナトリウム水溶液によってゼータ電位を、本発明の範囲外に調整をしたもの作製し、実施例1と同様にして、密着性試験、耐水性試験を行った。結果を、調製されたゼータ電位、平均粒径と併せて、表1に示す。
Comparative Examples 2 and 3
The emulsion 2 shown in Example 6 was prepared by adjusting the zeta potential outside the range of the present invention with an aqueous sodium hydroxide solution as shown in Table 1, and in the same manner as in Example 1, the adhesion test and the water resistance were made. A test was conducted. The results are shown in Table 1 together with the prepared zeta potential and average particle size.

実施例9〜11
実施例1に示すエマルション1に、表1にあるごとくNMP、DMSO(ジメチルスルホキシド)あるいはDMF(ジメチルホルムアミド)によってゼータ電位を調整したものを種々作製し、実施例1と同様にして、密着性試験、耐水性試験を行った。結果を、調製されたゼータ電位、平均粒径と併せて、表1に示す。
Examples 9-11
Various emulsions having the zeta potential adjusted with NMP, DMSO (dimethyl sulfoxide) or DMF (dimethylformamide) as shown in Table 1 were prepared in the emulsion 1 shown in Example 1, and the adhesion test was performed in the same manner as in Example 1. A water resistance test was conducted. The results are shown in Table 1 together with the prepared zeta potential and average particle size.

比較例4
市販のナフィオン5重量%溶液(アルドリッチ製)を、エマルション1の代わりに用いた以外は実施例1と同様にして、密着性試験、耐水性試験をおこなった。結果を表1に示す。
Comparative Example 4
An adhesion test and a water resistance test were conducted in the same manner as in Example 1 except that a commercially available Nafion 5 wt% solution (manufactured by Aldrich) was used instead of the emulsion 1. The results are shown in Table 1.

Figure 2008031462
(*1)エマルション100重量部に対する添加重量部
Figure 2008031462
(* 1) parts by weight added to 100 parts by weight of emulsion

表1に見るようにゼータ電位が−50mV〜−300mVの範囲であると、得られる被膜の密着性が高く、−50mV〜−150mVの範囲であれば、得られる被膜は耐水性も高いことが判明した。   As shown in Table 1, when the zeta potential is in the range of −50 mV to −300 mV, the adhesion of the obtained film is high. If the zeta potential is in the range of −50 mV to −150 mV, the obtained film has high water resistance. found.

好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the fuel cell which concerns on suitable embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・燃料電池、12・・・イオン伝導膜、14a,14b・・・触媒層、16a,16b・・・ガス拡散層、18a,18b・・・セパレータ、20・・・MEA   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 12 ... Ion conduction membrane, 14a, 14b ... Catalyst layer, 16a, 16b ... Gas diffusion layer, 18a, 18b ... Separator, 20 ... MEA

Claims (10)

高分子電解質粒子が分散媒中に分散してなる高分子電解質エマルションであって、測定温度25℃におけるゼータ電位が−50mV〜−300mVの範囲である、高分子電解質エマルション。   A polymer electrolyte emulsion in which polymer electrolyte particles are dispersed in a dispersion medium, wherein the zeta potential at a measurement temperature of 25 ° C. is in the range of −50 mV to −300 mV. 上記ゼータ電位が−50mV〜−150mVの範囲である、請求項1記載の高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion according to claim 1, wherein the zeta potential is in the range of -50 mV to -150 mV. 高分子電解質粒子を分散媒に分散せしめ、ゼータ電位調整剤により、測定温度25℃におけるゼータ電位を−50mV〜−300mVの範囲にして得られる、高分子電解質エマルション。   A polymer electrolyte emulsion obtained by dispersing polymer electrolyte particles in a dispersion medium and using a zeta potential adjuster to adjust the zeta potential at a measurement temperature of 25 ° C. to a range of −50 mV to −300 mV. 上記ゼータ電位を−50mV〜−150mVの範囲にして得られる、請求項3記載の高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion according to claim 3, obtained by setting the zeta potential in a range of -50 mV to -150 mV. 動的光散乱法により求められる体積平均粒径が100nm〜200μmである、請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion according to any one of claims 1 to 4, wherein a volume average particle diameter determined by a dynamic light scattering method is 100 nm to 200 µm. 固体高分子型燃料電池の電極用に使用される、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion according to any one of claims 1 to 5, which is used for an electrode of a solid polymer fuel cell. 請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質エマルションと、触媒成分とを含む触媒組成物。   The catalyst composition containing the polymer electrolyte emulsion in any one of Claims 1-6, and a catalyst component. 請求項7記載の触媒組成物からなる固体高分子型燃料電池用電極。   An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising the catalyst composition according to claim 7. 請求項8記載の固体高分子型燃料電池用電極を有する膜電極接合体。   A membrane electrode assembly having the polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 8. 請求項9記載の膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 9.
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