JP2008037896A - Sulfonic group-containing thermally crosslinkable polymer, sulfonic group-containing thermally crosslinkable polymer composition, polyelectrolyte film, crosslinked polyelectrolyte film, polyelectrolyte film/electrode assembly, fuel cell and application thereof - Google Patents

Sulfonic group-containing thermally crosslinkable polymer, sulfonic group-containing thermally crosslinkable polymer composition, polyelectrolyte film, crosslinked polyelectrolyte film, polyelectrolyte film/electrode assembly, fuel cell and application thereof Download PDF

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幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
Hiroki Yamaguchi
裕樹 山口
Masahiro Yamashita
全広 山下
Kosuke Sasai
孝介 佐々井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer having a novel structure suitable for the manufacture of a polyelectrolyte film that is highly proton-conductive and resistant to swelling and exhibits excellent processability and the like, and its application. <P>SOLUTION: The sulfonic group-containing thermally crosslinkable polymer contains (A) a structure represented by chemical formula 1, (B) a structure represented by chemical formula 2 and (C) a thermally crosslinkable group in the polymer molecule, and (D) has a softening temperature of 250°C or lower when Y is H. The polyelectrolyte film is obtained from the polymer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規な構造のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーと該ポリマーの組成物、該ポリマーを用いた高分子電解質膜、高分子電解質膜/電極接合体、燃料電池に関する。   The present invention relates to a sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer having a novel structure, a composition of the polymer, a polymer electrolyte membrane using the polymer, a polymer electrolyte membrane / electrode assembly, and a fuel cell.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性の高分子電解質膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。しかしながら、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜などのフッ素系高分子電解質膜は、燃料電池に使用した場合、運転条件によっては有害なフッ酸が排気ガス中へ混入することや、廃棄時に環境へ大きな負荷を与えることなどの問題も有している。   As the polymer solid electrolyte membrane, a proton conductive polymer electrolyte membrane is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA is known. However, fluorinated polymer electrolyte membranes such as perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes, when used in fuel cells, can cause harmful hydrofluoric acid to enter the exhaust gas depending on the operating conditions, or to the environment when discarded. It also has problems such as giving a large load.

パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜は、燃料電池の電解質膜としてバランスのよい特性を示すものの、コストや性能などの点で、より優れた膜を得るために、炭化水素系高分子電解質膜の開発が盛んに行われている。   Although perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes have well-balanced characteristics as fuel cell electrolyte membranes, in order to obtain better membranes in terms of cost and performance, hydrocarbon polymer electrolyte membranes Development is actively underway.

多くの炭化水素系高分子電解質膜には、ポリイミドやポリスルホンなどの耐熱性ポリマーに、スルホン酸基などのイオン性基を導入したポリマーが用いられている(例えば特許文献1を参照)。   Many hydrocarbon polymer electrolyte membranes use a polymer in which an ionic group such as a sulfonic acid group is introduced into a heat-resistant polymer such as polyimide or polysulfone (see, for example, Patent Document 1).

一般に炭化水素系高分子電解質膜では、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜と同等のプロトン伝導性を発現させるためには、より多くのイオン性基を導入する必要がある。しかしながら、イオン性基の量が多くなると、水による膨潤性が大きくなり、吸湿時において、寸法変化や、物理特性の低下、などの問題の原因となる。そのため、ポリマーの構造を改良し、より膨潤性を抑制した炭化水素系高分子電解質膜も提案されている(例えば特許文献2を参照)。   In general, it is necessary to introduce more ionic groups in a hydrocarbon polymer electrolyte membrane in order to develop proton conductivity equivalent to that of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane. However, when the amount of the ionic group is increased, the swellability due to water is increased, which causes problems such as dimensional change and deterioration of physical properties during moisture absorption. For this reason, a hydrocarbon polymer electrolyte membrane with improved polymer structure and further suppressed swelling is also proposed (see, for example, Patent Document 2).

膨潤を抑制する方策の一つとして、塩基性ポリマーとの混合が行われている。これは、高分子固体電解質中のスルホン酸基を、塩基性ポリマーによってイオン結合させて架橋することで膨潤を抑制しようとするものである。例えば、スルホン酸基を有するポリエーテルスルホンやスルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケトン(酸性ポリマー)と、ポリベンズイミダゾール(塩基性ポリマー)との混合物が提案されている(例えば、特許文献3を参照)。   As one of the measures for suppressing the swelling, mixing with a basic polymer is performed. This intends to suppress swelling by crosslinking the sulfonic acid group in the polymer solid electrolyte by ionic bonding with a basic polymer. For example, a mixture of polyethersulfone having a sulfonic acid group or polyetheretherketone having a sulfonic acid group (acidic polymer) and polybenzimidazole (basic polymer) has been proposed (see, for example, Patent Document 3). ).

また、イオン性基であるスルホン酸基間を共有結合により架橋することで、膨潤を抑制することも行われている(例えば特許文献4〜6を参照)。しかしながら、この方法では、膨潤は抑制できるものの、イオン性基が架橋反応によりイオン性を示さなくなるため、プロトン伝導性が低下するという問題点があった。   Moreover, swelling is also suppressed by bridge | crosslinking between the sulfonic acid groups which are ionic groups by a covalent bond (for example, refer patent documents 4-6). However, in this method, although swelling can be suppressed, there is a problem in that proton conductivity is lowered because the ionic group does not exhibit ionicity due to a crosslinking reaction.

また、架橋構造を有する高分子固体電解質として、スチレン/ジビニルベンゼン共重合体のスルホン化物が、初期の固体高分子形燃料電池に検討されたことで良く知られている。この高分子固体電解質は、ポリマー骨格そのものが耐久性に乏しく燃料電池として満足な性質を示さなかった。
さらに、架橋構造を有する高分子固体電解質として、ルイス酸を触媒としてポリマー中のクロロメチル基を架橋反応させて得られるイオン交換体が記載されている(例えば、特許文献7及び8を参照)。しかしながら、この方法における架橋反応には、触媒の存在が必須である。このため、ポリマーと触媒を混合して成形体を得る場合には触媒の残留が問題となり、ポリマー成形体を触媒で処理する場合には内部での架橋反応が起こりにくいことが問題であった。
As a polymer solid electrolyte having a cross-linked structure, a sulfonated product of a styrene / divinylbenzene copolymer is well known because it has been studied for an early polymer electrolyte fuel cell. This polymer solid electrolyte did not exhibit satisfactory properties as a fuel cell because the polymer skeleton itself was poor in durability.
Furthermore, as a polymer solid electrolyte having a crosslinked structure, an ion exchanger obtained by crosslinking a chloromethyl group in a polymer using a Lewis acid as a catalyst has been described (see, for example, Patent Documents 7 and 8). However, the presence of a catalyst is essential for the crosslinking reaction in this method. For this reason, when a polymer and a catalyst are mixed to obtain a molded product, the catalyst remains a problem, and when the polymer molded product is treated with a catalyst, an internal crosslinking reaction hardly occurs.

一方、架橋反応に触媒を必要としない架橋性基を導入した高分子電解質膜も提案されている(例えば特許文献9及び10を参照)。しかしながら、膨潤性を小さくしようとすると、しばしば電極触媒層との接合性が低下するなど、加工性が悪化してしまうといった問題が起こることがあった。   On the other hand, a polymer electrolyte membrane into which a crosslinkable group that does not require a catalyst for the crosslinking reaction has been proposed (see, for example, Patent Documents 9 and 10). However, when trying to reduce the swellability, there is a problem that the workability is deteriorated, for example, the bondability with the electrode catalyst layer is often lowered.

特表2004−509224号公報JP-T-2004-509224 特開2004−149779号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-149779 国際公開特許公報WO99/54389号公報International Patent Publication WO99 / 54389 特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 国際公開特許WO99/61141号公報International Publication No. WO99 / 61141 特開2001−522401号公報JP 2001-522401 A 特開平2−248434号公報JP-A-2-248434 特開平2−245035号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-245035 特開2003−217342号公報JP 2003-217342 A 特開2003−217343号公報JP 2003-217343 A

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、高いプロトン伝導性を有し、膨潤性が小さく耐久性に優れ、かつ電極との接合性などの加工性にも優れた高分子電解質膜を得ることができる新規な構造のポリマーを提供することであり、さらに、そのポリマーを用いることにより、耐久性に優れた高分子電解質膜/電極接合体、燃料電池を提供することを課題とする。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and is a polymer electrolyte membrane having high proton conductivity, low swellability, excellent durability, and excellent workability such as bondability with electrodes. It is an object of the present invention to provide a polymer having a novel structure capable of obtaining a polymer electrolyte membrane / electrode assembly and a fuel cell having excellent durability by using the polymer. .

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention

(1)ポリマー分子中に、(A)下記化学式1で表される構造と、(B)下記化学式2で表される構造と、(C)熱架橋性基とを有し、かつ(D)YがHの場合において軟化温度が250℃以下であることを特徴とするスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (1) The polymer molecule has (A) a structure represented by the following chemical formula 1, (B) a structure represented by the following chemical formula 2, and (C) a thermally crosslinkable group, and (D) A sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer characterized in that when Y is H, the softening temperature is 250 ° C. or lower.

Figure 2008037896
[化学式1において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n1は1以上の整数を表す。化学式2において、Arは二価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n2は1以上の整数を表す。]
Figure 2008037896
[In Chemical Formula 1, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, and n 1 represents an integer of 1 or more. To express. In Chemical Formula 2, Ar 1 is a divalent aromatic group, Z 3 is either an O or S atom, Z 4 is an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, —C ( CF 3) 2 - group, -CH 2 - group, any one of a cyclohexyl group, n2 represents an integer of 1 or more. ]

(2)熱架橋性基が下記化学式(3)〜(8)で表される群より選ばれる一種以上の基である(1)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (2) The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (1), wherein the thermally crosslinkable group is one or more groups selected from the group represented by the following chemical formulas (3) to (8).

Figure 2008037896
[式中、R〜Rは水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、炭素数6〜20の芳香族基、ハロゲンのいずれかを、Aは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基、ハロゲン、ニトロ基、−SOY基{YはHあるいは1価の陽イオンを表す。}のいずれかを、nは1〜4の整数を表す。]
Figure 2008037896
[Wherein R 1 to R 9 are any one of a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, an aromatic group having 6 to 20 carbon atoms, and a halogen; 10 hydrocarbon groups, halogen, nitro group, —SO 3 Y group {Y represents H or a monovalent cation. }, N represents an integer of 1 to 4. ]

(3)ポリマー分子中の熱架橋性基の含有量が、0.000001〜0.001mol/gである(1)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー (3) The sulfonate group-containing thermally crosslinkable polymer according to (1), wherein the content of the thermally crosslinkable group in the polymer molecule is 0.000001 to 0.001 mol / g.

(4)
化学式2のArが、下記化学式9〜12で表される構造から選ばれる一種以上の基である(1)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(4)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (1), wherein Ar 1 in Chemical Formula 2 is one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 9 to 12 below.

Figure 2008037896
Figure 2008037896

(5)化学式2のArが、化学式12で表される構造である(4)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (5) The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (4), wherein Ar 1 in Chemical Formula 2 is a structure represented by Chemical Formula 12.

(6)
スルホン酸基含有量が、0.3〜5.0meq/gである(1)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(6)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (1), wherein the sulfonic acid group content is 0.3 to 5.0 meq / g.

(7)
化学式1のZ及びZが、いずれもO原子であり、かつ、n1が3以上である(1)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(7)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (1), wherein Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are both O atoms, and n1 is 3 or more.

(8)
化学式2のZ及びZが、いずれもO原子であり、かつ、n2が3以上である(7)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(8)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (7), wherein Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are both O atoms, and n2 is 3 or more.

(9)
下記化学式13で表される構造をさらに有する(1)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(9)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (1), further having a structure represented by the following chemical formula 13.

Figure 2008037896
[化学式13において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
Figure 2008037896
[In Chemical Formula 13, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. . ]

(10)下記化学式14で表される構造をさらに有する(9)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (10) The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (9), further having a structure represented by the following chemical formula 14.

Figure 2008037896
[化学式14において、Arは2価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
Figure 2008037896
[In the chemical formula 14, Ar 2 represents a divalent aromatic group, and Z 6 represents either O or S atom. ]

(11)化学式14のArが、化学式9〜12で表される構造から選ばれる一種以上の基である(10)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (11) The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (10), wherein Ar 2 in Chemical Formula 14 is one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 9 to 12.

(12)
化学式14のArが、化学式12で表される構造である(11)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(12)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (11), wherein Ar 2 in Chemical Formula 14 has a structure represented by Chemical Formula 12.

(13)化学式1のZ及びZが、O又はS原子であり、かつ、n1が1である(9)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (13) The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (9), wherein Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are O or S atoms, and n1 is 1.

(14)
化学式2のZ及びZが、O又はS原子であり、かつ、n2が1である(10)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
(14)
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to (10), wherein Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are O or S atoms, and n2 is 1.

(15)化学式1、2、13、14でそれぞれ表される繰り返し単位を少なくとも有し、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し構造のモル%が数式1〜3を満たす(10)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 (15) It has at least repeating units represented by chemical formulas 1, 2, 13, and 14, respectively, and the mol% of each repeating unit and the mol% of other repeating structures satisfy Formulas 1 to 3 (10) The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer described.

0.9≦(n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7)≦1.0
・・・・・(数式1)
0.05≦(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)≦0.7
・・・・・(数式2)
0.01≦(n4+n6)/(n3+n4+n5+n6)≦0.95
・・・・・(数式3)
(上記式中、n3は化学式13で表される構造のモル%を、n4は化学式1で表される構造のモル%を、n5は化学式14で表される構造のモル%を、n6は化学式2で表される構造のモル%を、n7はその他の繰り返し構造のモル%を、それぞれ表す。)
0.9 ≦ (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) ≦ 1.0
(Equation 1)
0.05 ≦ (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≦ 0.7
(Equation 2)
0.01 ≦ (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≦ 0.95
(Formula 3)
(In the above formula, n3 is the mol% of the structure represented by the chemical formula 13, n4 is the mol% of the structure represented by the chemical formula 1, n5 is the mol% of the structure represented by the chemical formula 14, and n6 is the chemical formula. 2 represents the mol% of the structure represented by 2, and n7 represents the mol% of the other repeating structure.)

(16)(1)〜(15)のいずれかに記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーを1〜100重量%含むことを特徴とするスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物。 (16) A sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition comprising 1 to 100% by weight of the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to any one of (1) to (15).

(17)(16)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物において、スルホン酸基含有熱架橋性ポリマーの熱架橋性基の少なくとも一部を熱架橋させてなるスルホン酸基架橋ポリマー組成物。 (17) The sulfonic acid group-crosslinked polymer composition according to (16), wherein at least a part of the thermally crosslinkable group of the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer is thermally crosslinked. object.

(18)(16)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物からなる高分子電解質膜。 (18) A polymer electrolyte membrane comprising the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition according to (16).

(19)(17)に記載のスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物からなる架橋高分子電解質膜。 (19) A crosslinked polymer electrolyte membrane comprising the sulfonic acid group-containing crosslinked polymer composition according to (17).

(20)(16)に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物を電極触媒層に含む高分子電解質膜/電極接合体。 (20) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition according to (16) in an electrode catalyst layer.

(21)(17)に記載のスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物を電極触媒層に含む高分子電解質膜/電極接合体。 (21) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the sulfonic acid group-containing crosslinked polymer composition according to (17) in an electrode catalyst layer.

(22)(18)に記載の高分子電解質膜を有する高分子電解質膜/電極接合体。 (22) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly having the polymer electrolyte membrane according to (18).

(23)(19)に記載の架橋高分子電解質膜を有する高分子電解質膜/電極接合体。 (23) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly having the crosslinked polymer electrolyte membrane according to (19).

(24)(16)に記載のスルホン酸基含有ポリマー組成物を、高分子電解質膜及び電極触媒層の少なくとも一方に用いた高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。 (24) A fuel cell using a polymer electrolyte membrane / electrode assembly using the sulfonic acid group-containing polymer composition described in (16) as at least one of a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer.

(25)(17)に記載のスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物を、高分子電解質膜及び電極触媒層の少なくとも一方に用いた高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池 (25) A fuel cell using a polymer electrolyte membrane / electrode assembly using the sulfonic acid group-containing crosslinked polymer composition according to (17) as at least one of a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer

本発明の新規なスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、熱架橋できるため、熱架橋させて得られた高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性と耐膨潤性との両立が可能である。また、電極との接合性などの加工性にも優れ、耐久性に優れた高分子電解質膜/電極接合体を得ることができる。このため、本発明で得られる高分子電解質膜は、燃料電池に用いた場合、従来の炭化水素系高分子電解質膜に比べて、高い耐久性と高出力を可能にし、燃料電池用に好適である。   Since the novel sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention can be thermally crosslinked, the polymer electrolyte membrane obtained by thermally crosslinking can achieve both high proton conductivity and swelling resistance. In addition, a polymer electrolyte membrane / electrode assembly excellent in workability such as bondability with electrodes and excellent in durability can be obtained. For this reason, the polymer electrolyte membrane obtained in the present invention, when used in a fuel cell, enables higher durability and higher output than conventional hydrocarbon polymer electrolyte membranes, and is suitable for a fuel cell. is there.

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明における重量とは、質量を意味する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. In addition, the weight in this invention means mass.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、ポリマー分子中に少なくとも1個以上の熱架橋性基及びイオン性基を有していることが必要である。ポリマーの分子量は1000〜1000000の間であることが好ましく、5000〜500000の間であることが物性と加工性のバランスが取れるため好ましい。   The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention needs to have at least one or more thermally crosslinkable groups and ionic groups in the polymer molecule. The molecular weight of the polymer is preferably between 1,000 and 1,000,000, and preferably between 5,000 and 500,000 because the physical properties and processability can be balanced.

熱架橋性基としては、エチレン基、エチニル基などの多重結合や、ベンゾオキサジン基、オキサゾール基などを挙げることができる。これらはメチル基、フェニル基などの置換基を有していてもよい。より好ましくは下記のような基を挙げることができる。   Examples of the thermally crosslinkable group include multiple bonds such as ethylene group and ethynyl group, benzoxazine group, and oxazole group. These may have a substituent such as a methyl group or a phenyl group. More preferably, the following groups can be mentioned.

Figure 2008037896
(式中、R〜Rは水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、炭素数6〜20の芳香族基、ハロゲンのいずれかを、Zは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基、ハロゲン、ニトロ基、−SOX基{XはHあるいは1価の金属イオンを表す。}のいずれかを、nは1〜4の整数を表す。)
Figure 2008037896
(Wherein R 1 to R 9 are any one of a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, an aromatic group having 6 to 20 carbon atoms, and a halogen, Z is a hydrogen atom, Any one of 10 hydrocarbon groups, halogen, nitro group, and —SO 3 X group {X represents H or a monovalent metal ion}, and n represents an integer of 1 to 4.)

これらの基は、ポリマー中の側鎖や末端基として存在することができる。ポリマー中の熱架橋性基の量は、0.0000001〜0.01mol/gであることが好ましく、0.000001〜0.001mol/gであることがさらに好ましく、0.00001〜0.0001mol/gであることがより好ましい。また、熱架橋性基は、ポリマーの末端基として存在することが好ましい。熱架橋性基は、熱架橋性基を有する化合物を、共重合モノマーや末端停止剤として反応させることでポリマーに導入することができる。   These groups can be present as side chains or end groups in the polymer. The amount of the thermally crosslinkable group in the polymer is preferably 0.0000001 to 0.01 mol / g, more preferably 0.000001 to 0.001 mol / g, and 0.00001 to 0.0001 mol / g. More preferably, it is g. Moreover, it is preferable that a thermally crosslinkable group exists as a terminal group of a polymer. The thermally crosslinkable group can be introduced into the polymer by reacting a compound having a thermally crosslinkable group as a copolymerization monomer or a terminal terminator.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、スルホン酸基が酸である場合の軟化温度が250℃以下であることが必要である。軟化温度は、例えば、動的粘弾性における弾性率が急激に低下する温度として測定することができる。軟化温度が250℃を超えると、電極との接合など加工性が悪化するため傾向がある。好ましい軟化温度の範囲は、130〜230℃であり、より好ましい範囲は130〜210℃である。   The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention needs to have a softening temperature of 250 ° C. or lower when the sulfonic acid group is an acid. The softening temperature can be measured, for example, as a temperature at which the elastic modulus in dynamic viscoelasticity rapidly decreases. When the softening temperature exceeds 250 ° C., workability such as bonding with an electrode tends to deteriorate. The range of a preferable softening temperature is 130-230 degreeC, and a more preferable range is 130-210 degreeC.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、化学式1及び化学式2で表される構造を有することによって適切な軟化温度を有し、加工性を高めている。化学式1において、Xは−S(=O)−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、電解質膜に光架橋性を付与したりすることができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。ZはOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n1は0〜30の範囲にあることが好ましく、n1が3以上の場合には、n1が異なる複数の単位が含まれていてもよい。n1が1以上の場合、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基を表し、O原子、S原子であるとより接合性がより改良されるため好ましい。n1が3以上の場合はZがO原子であると、高分子電解質膜にした場合の電極触媒層との接合性が特に向上するため好ましい。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention has an appropriate softening temperature due to the structure represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, and has improved processability. In Chemical Formula 1, X is preferably a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to further enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 1 is preferably O since it has advantages such as less coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 1 is preferably S because oxidation resistance is improved. n1 is preferably in the range of 0 to 30, and when n1 is 3 or more, a plurality of units different in n1 may be included. When n1 is 1 or more, Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, and an O atom S atoms are preferred because the bondability is further improved. n1 When in the case of 3 or more is Z 2 is O atom, preferably in particular for improving bondability between the electrode catalyst layer in the case of the polymer electrolyte membrane.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーにおける化学式2において、ZはOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n2は0〜30の範囲にあることが好ましく、n2が3以上の場合には、n2が異なる複数の単位が含まれていてもよい。n2が1以上の場合、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基を表し、O原子、S原子であるとより接合性がより改良されるため好ましい。n2が3以上の場合はZがO原子であると、高分子電解質膜にした場合の電極触媒層との接合性が特に向上するため好ましい。 In the chemical formula 2 in the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention, it is preferable that Z 3 is O because there are advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 3 is preferably S because oxidation resistance is improved. n2 is preferably in the range of 0 to 30, and when n2 is 3 or more, a plurality of units different in n2 may be included. When n2 is 1 or more, Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, and an O atom S atoms are preferred because the bondability is further improved. n2 When the case 3 or more is Z 4 is O atom, preferably in particular for improving bondability between the electrode catalyst layer in the case of the polymer electrolyte membrane.

化学式1で表される構造と、化学式2で表される構造のモル比は、5:95〜90:10の範囲であることが好ましい。モル比が5:95とは、化学式1で表される構造のモル数を5としたとき、化学式2で表される構造のモル数が95であることを表す。5:95のモル比よりも化学式1で表される構造が少なくなると、高分子電解質膜としたときのイオン伝導性が低下する傾向がある。90:10のモル比よりも化学式1で表される構造が多くなると、高分子電解質膜としたときの膨潤性が大きくなりすぎたり、水溶性になったりする傾向がある。より好ましくは10:90〜70:30の範囲である。   The molar ratio of the structure represented by Chemical Formula 1 and the structure represented by Chemical Formula 2 is preferably in the range of 5:95 to 90:10. The molar ratio of 5:95 means that the number of moles of the structure represented by Chemical Formula 2 is 95 when the number of moles of the structure represented by Chemical Formula 1 is 5. When the structure represented by Chemical Formula 1 is less than the molar ratio of 5:95, the ionic conductivity tends to be reduced when a polymer electrolyte membrane is obtained. When the structure represented by the chemical formula 1 is larger than the molar ratio of 90:10, the swelling property of the polymer electrolyte membrane tends to be too large or water-soluble. More preferably, it is the range of 10: 90-70: 30.

水素を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合には、化学式1で表される構造と、化学式2で表される構造のモル比は、30:70〜80:20の範囲であることが好ましく、40:60〜70:30の範囲であることがより好ましい。   When used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, the molar ratio between the structure represented by Chemical Formula 1 and the structure represented by Chemical Formula 2 is in the range of 30:70 to 80:20. It is preferable that it is in the range of 40:60 to 70:30.

メタノールなどの液体を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合には、化学式1で表される構造と、化学式2で表される構造のモル比は、7:93〜50:50の範囲であることが好ましく、10:90〜40:60の範囲であることがより好ましい。50:50のモル比よりも化学式1で表される構造が多くなると、高分子電解質膜としたときの燃料透過性が大きくなる場合がある。7:93のモル比よりも化学式1で表される構造が少なくなると、高分子電解質膜としたときのイオン伝導性が低下して抵抗が増大する傾向がある。   When used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a liquid such as methanol as a fuel, the molar ratio of the structure represented by Chemical Formula 1 to the structure represented by Chemical Formula 2 is 7:93 to 50:50. The range is preferable, and the range of 10:90 to 40:60 is more preferable. When the structure represented by the chemical formula 1 is larger than the molar ratio of 50:50, the fuel permeability may be increased when the polymer electrolyte membrane is formed. If the structure represented by the chemical formula 1 is less than the molar ratio of 7:93, the ion conductivity when the polymer electrolyte membrane is formed tends to be reduced and the resistance tends to increase.

化学式2におけるArは、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 Ar 1 in Chemical Formula 2 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.

Arの好ましい構造は、化学式9〜12で表される構造である。化学式9の構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式10の構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式11又は12の構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式12の構造がより好ましい。化学式9〜12の中でも化学式12の構造が最も好ましい。 A preferred structure of Ar 1 is a structure represented by chemical formulas 9-12. The structure of Chemical Formula 9 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of Chemical Formula 10 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to enhance the bonding property with the electrode and impart photocrosslinkability. The structure of Chemical Formula 11 or 12 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 12 is more preferable. Among the chemical formulas 9 to 12, the structure of the chemical formula 12 is most preferable.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーにおけるスルホン酸基含有量は、0.1〜10meq/gの範囲であることが好ましく、0.3〜5.0meq/gであるとより好ましく、0.5〜4meq/gであるとさらに好ましい。0.1meq/g未満であると高分子電解質膜にしたときのイオン伝導性が低くなりすぎる傾向がある。スルホン酸基含有量が多くなるほど、イオン伝導性は高くなるが、10meq/gを越えると膨潤性が著しく大きくなる傾向がある。   The sulfonic acid group content in the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention is preferably in the range of 0.1 to 10 meq / g, more preferably 0.3 to 5.0 meq / g. More preferably, it is 5-4 meq / g. If it is less than 0.1 meq / g, the ionic conductivity tends to be too low when the polymer electrolyte membrane is formed. As the sulfonic acid group content increases, the ionic conductivity increases, but if it exceeds 10 meq / g, the swellability tends to increase remarkably.

本発明におけるスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、化学式1及び2で表される構造に加え、化学式13で表される構造をさらに有していることが、高分子電解質膜としたときの膜の形態安定性を高めることができるため好ましい。化学式13において、Xは−S(=O)−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、電解質膜に光架橋性を付与したりすることができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。ZはOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer in the present invention has a structure represented by the chemical formula 13 in addition to the structures represented by the chemical formulas 1 and 2 to form a polymer electrolyte membrane. It is preferable because the morphological stability can be improved. In Chemical Formula 13, X is preferably an —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to further enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 5 is preferably O, because there are advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 1 is preferably S because oxidation resistance is improved.

本発明におけるスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーが、化学式1、2、及び13で表される構造をさらに有している場合には、Z及びZが、O又はS原子であり、かつ、n1が1であると、高分子電解質膜とした場合の電極触媒層との接合性と膜の形態安定性がより良好になるので好ましい。また、Z及びZが、O又はS原子であり、かつ、n2が1であると、高分子電解質膜とした場合の電極触媒層との接合性と膜の形態安定性がさらに良好になるので好ましい。 When the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer in the present invention further has a structure represented by chemical formulas 1, 2, and 13, Z 1 and Z 2 are O or S atoms, and , N1 is preferably 1, since the bonding property with the electrode catalyst layer and the morphological stability of the membrane in the case of a polymer electrolyte membrane are improved. In addition, when Z 3 and Z 4 are O or S atoms and n2 is 1, the bonding property with the electrode catalyst layer and the morphological stability of the membrane in the case of a polymer electrolyte membrane are further improved. This is preferable.

本発明におけるスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、化学式1、2、13で表される構造に加え、化学式14で表される構造をさらに有していると、高分子電解質膜としたときに、電極触媒層との接合性と膜の形態安定性を大きく向上することができるためよりより好ましい。化学式14におけるZはOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。化学式14におけるArは、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 When the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer in the present invention further has a structure represented by the chemical formula 14 in addition to the structures represented by the chemical formulas 1, 2, and 13, the polymer electrolyte membrane is obtained. Further, it is more preferable because the bondability with the electrode catalyst layer and the morphological stability of the membrane can be greatly improved. Z 6 in the chemical formula 14 is preferably O, since there are advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 6 is preferably S because oxidation resistance is improved. Ar 2 in Chemical Formula 14 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.

Arの好ましい構造は、化学式9〜12で表される構造である。化学式9の構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式10の構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式11又は12の構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式12の構造がより好ましい。化学式9〜12の中でも化学式12の構造が最も好ましい。 A preferred structure of Ar 2 is a structure represented by chemical formulas 9-12. The structure of Chemical Formula 9 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of Chemical Formula 10 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to further enhance the bondability with the electrode or impart photocrosslinkability. The structure of Chemical Formula 11 or 12 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 12 is more preferable. Among the chemical formulas 9 to 12, the structure of the chemical formula 12 is most preferable.

本発明におけるスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーが化学式1、2、13、及び14でそれぞれ表される繰り返し単位を全て有している場合は、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し構造のモル%が数式1〜3を満たすことが好ましい。   When the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer in the present invention has all the repeating units represented by the chemical formulas 1, 2, 13, and 14, respectively, mol% of each repeating unit and other repeating structures It is preferable that the mol% of satisfy | fills Formula 1-3.

(n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7)が0.9よりも小さいと、高分子電解質膜としたときに良好な特性が得られないため好ましくない。より好ましいのは0.95〜1.0の範囲である。   When (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) is smaller than 0.9, good characteristics cannot be obtained when a polymer electrolyte membrane is obtained, which is not preferable. More preferred is a range of 0.95 to 1.0.

(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)が0.05よりも小さくなると、高分子電解質膜としたときに十分なイオン伝導性が得られない傾向があるため好ましくない。また、0.9よりも大きいと高分子電解質膜としたときの膨潤性が著しく大きくなる傾向があるため好ましくない。より好ましい範囲は0.1〜0.7の範囲である。   When (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is smaller than 0.05, it is not preferable because sufficient ion conductivity tends to be not obtained when a polymer electrolyte membrane is obtained. On the other hand, when the ratio is larger than 0.9, the swelling property of the polymer electrolyte membrane tends to be remarkably increased. A more preferred range is from 0.1 to 0.7.

水素を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合には、(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)が0.3〜0.8の範囲であることが好ましく、0.4〜0.7の範囲であることがより好ましい。0.3よりも小さいと十分な出力が得られない傾向があり、0.8よりも大きいと膨潤が著しく大きくなる場合がある。   When used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is preferably in the range of 0.3 to 0.8, and in the range of 0.4 to 0.7. It is more preferable that If it is less than 0.3, there is a tendency that a sufficient output cannot be obtained, and if it is more than 0.8, swelling may be remarkably increased.

メタノールなどの液体を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合には、(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)が0.07〜0.5の範囲であることが好ましく、0.1〜0.4の範囲であることがより好ましい。0.5よりも大きいと、燃料透過性が大きくなる場合がある。0.07よりも小さいと、イオン伝導性が低下して抵抗が増大する傾向がある。   When used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a liquid such as methanol as a fuel, (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is preferably in the range of 0.07 to 0.5, preferably 0.1 to 0.00. A range of 4 is more preferable. If it is greater than 0.5, the fuel permeability may increase. If it is smaller than 0.07, the ion conductivity tends to decrease and the resistance tends to increase.

(n4+n6)/(n3+n4+n5+n6)が0.01よりも少ないと、高分子電解質膜としたときに電極触媒層との接合性が低下する傾向がある。0.95よりも大きいと、高分子電解質膜としたときの膨潤性が大きくなりすぎる場合がある。0.05〜0.8がより好ましい範囲である。水素を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜に用いる場合には、0.05〜0.4の範囲であることが好ましく、メタノールなどの液体を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜に用いる場合には、0.4〜0.8の範囲であることがより好ましい。   When (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) is less than 0.01, the joining property with the electrode catalyst layer tends to decrease when a polymer electrolyte membrane is formed. If it is larger than 0.95, the swelling property when the polymer electrolyte membrane is obtained may become too large. 0.05 to 0.8 is a more preferable range. When used for a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, it is preferably in the range of 0.05 to 0.4, and used for a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a liquid such as methanol as a fuel. In some cases, a range of 0.4 to 0.8 is more preferable.

本発明におけるスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーとして好ましい例としては、下記の構造で表されるポリマー骨格の末端基の少なくとも一つに、熱架橋性基を有するポリマーを挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、本発明の範囲に該当するポリマーであれば好適に使用することが可能である。以下のポリマー骨格の具体例において、n、n’、n”、m、m’、m”、o、o’、o”、p、p’、p”、fはそれぞれ独立して1以上の整数を表す。   Preferred examples of the sulfonic acid group-containing heat-crosslinkable polymer in the present invention include a polymer having a heat-crosslinkable group as at least one of the terminal groups of the polymer skeleton represented by the following structure. The present invention is not limited to these, and any polymer that falls within the scope of the present invention can be suitably used. In the following specific examples of the polymer skeleton, n, n ′, n ″, m, m ′, m ″, o, o ′, o ″, p, p ′, p ″, f are each independently 1 or more. Represents an integer.

Figure 2008037896
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熱架橋性基としては、化学式3〜8で表される構造を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。具体例を以下に示すがこれらに限定されるものではない。   Examples of the thermally crosslinkable group include structures represented by Chemical Formulas 3 to 8, but are not limited thereto. Specific examples are shown below, but are not limited thereto.

Figure 2008037896
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上記の熱架橋性基は、スルホン酸基含有熱架橋性ポリマーを重合する際に、モノマーの一成分として用いることによって導入することができる。例えば、下記のような化合物を、他のモノマーと混合して反応させたり、予め合成しておいたポリマー骨格の末端基に反応させたりすることができる。   The above-mentioned thermally crosslinkable group can be introduced by using it as a component of a monomer when polymerizing a sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer. For example, the following compounds can be mixed and reacted with other monomers, or reacted with terminal groups of a polymer skeleton synthesized in advance.

Figure 2008037896
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上記の化合物の中で、フェノール性水酸基を有するものは、塩基と反応させてフェノラートイオンとすることで、骨格ポリマーの活性化芳香族ハロゲン化物末端と反応させることができる。また、塩化アリルなどのハロゲン化物は、骨格ポリマーのフェノラートイオン末端と反応させることができる。その他にも公知の反応を用いて導入することができる。   Among the above compounds, those having a phenolic hydroxyl group can be reacted with the activated aromatic halide end of the backbone polymer by reacting with a base to form a phenolate ion. In addition, halides such as allyl chloride can be reacted with phenolate ion ends of the backbone polymer. In addition, it can introduce | transduce using a well-known reaction.

また、熱架橋基として以下に示すような基を導入することもできる。   Moreover, the following groups can also be introduced as the thermal crosslinking group.

Figure 2008037896
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上記の熱架橋性基は、下記のように骨格ポリマーのフェノール性水酸基末端のポリマーにホルムアルデヒド及びアミンを反応させることで得ることができる。   The heat-crosslinkable group can be obtained by reacting formaldehyde and amine with a polymer having a phenolic hydroxyl group terminal of the skeleton polymer as described below.

Figure 2008037896
(式中、Rは水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、炭素数6〜20の芳香族基を表す)
Figure 2008037896
(In the formula, R represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, or an aromatic group having 6 to 20 carbon atoms)

熱架橋性基の導入において、骨格ポリマーの合成に、ビスチオフェノール化合物を用いている場合には、上記のフェノール性水酸基と同様にして、芳香族メルカプト末端に対して熱架橋性基を導入することができる。   When a bisthiophenol compound is used for the synthesis of the backbone polymer in the introduction of the heat crosslinkable group, the heat crosslinkable group is introduced into the aromatic mercapto end in the same manner as the above phenolic hydroxyl group. be able to.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーは、適当な溶媒に溶解、分散して組成物として用いることもできる。用いることのできる溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミド、N−モルフォリンオキサイドなどの非プロトン性有機極性溶媒や、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒などの極性溶媒、及びこれらの有機溶媒の混合物、並びに水との混合物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention can also be used as a composition by dissolving and dispersing in a suitable solvent. Solvents that can be used include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, N-morpholine oxide, and the like. Polar solvents such as aprotic organic polar solvents, alcohol solvents such as methanol and ethanol, ketone solvents such as acetone, ether solvents such as diethyl ether, mixtures of these organic solvents, and mixtures with water However, it is not limited to these.

ポリマー溶液の濃度は0.1〜50重量%の範囲が好ましい。溶液から、膜、繊維などを成型する場合には、濃度が5〜50重量%の範囲にあることがより好ましく、10〜40重量%の範囲がさらに好ましい。溶液を電極と高分子電解質の接着剤として用いる場合には、濃度が0.1〜20重量%の範囲であるとより好ましい。溶液を接着剤として用いる場合には、Pt、Pt−Ruなどの触媒を担持したカーボン粒子や、フッ素樹脂など、他の成分を含んでいてもよい。   The concentration of the polymer solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. When a film, fiber, or the like is molded from a solution, the concentration is more preferably in the range of 5 to 50% by weight, and further preferably in the range of 10 to 40% by weight. When the solution is used as an adhesive between the electrode and the polymer electrolyte, the concentration is more preferably in the range of 0.1 to 20% by weight. When the solution is used as an adhesive, it may contain other components such as carbon particles carrying a catalyst such as Pt and Pt—Ru, and a fluororesin.

本発明の熱架橋性高分子固体電解質は、熱処理によって架橋することができる。熱処理は窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で行うことが好ましい。熱処理の温度は、100〜400℃の範囲で行うことができる。熱処理時間は、1秒〜100時間の間で行うことができる。場合に応じて、アゾ系重合開始剤、過酸化物系重合開始剤など公知の任意の重合開始剤を添加してもよい。熱架橋をする際、本発明の高分子電解質そのものを熱処理して架橋体構造とすることもできるが、他の非架橋性ポリマーとの組成物としてから熱架橋することもできる。その際、非架橋性ポリマーは本発明の架橋性ポリマーと同様にイオン性基を分子鎖中に含有するものでもイオン性基を含有しないものでもよい。非架橋性ポリマーの基本構造としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12等のポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類等のアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリ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、ポリアミドイミド等の芳香族系ポリマーなど、特に制限はない。   The thermally crosslinkable solid polymer electrolyte of the present invention can be crosslinked by heat treatment. The heat treatment is preferably performed in an inert gas such as nitrogen or argon. The temperature of heat processing can be performed in the range of 100-400 degreeC. The heat treatment time can be performed between 1 second and 100 hours. Depending on the case, you may add arbitrary well-known polymerization initiators, such as an azo polymerization initiator and a peroxide polymerization initiator. At the time of thermal crosslinking, the polymer electrolyte itself of the present invention can be heat-treated to form a crosslinked structure, but it can also be thermally crosslinked after forming a composition with another non-crosslinkable polymer. In that case, the non-crosslinkable polymer may contain an ionic group in the molecular chain as in the crosslinkable polymer of the present invention, or may contain no ionic group. Examples of the basic structure of the non-crosslinkable polymer include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, and polymethacrylate. , Acrylate resins such as polymethyl acrylate and polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, various polyolefins including diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, ethyl cellulose Resin, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyester Polyetherimide, polyimide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, and aromatic polymers such as polyamide-imide, not particularly limited.

本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーにおいて、化学式1及び2で表される繰り返し構造が、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊しにくくなったりすることや、ガラス転移温度が低下することによって電極との接合性が高まることなどの効果をもたらしている。また、化学式13及び14で表される繰り返し構造は、ポリマー全体の膨潤性を小さくしたり、メタノール透過性を小さくしたりする効果をもたらしている。   In the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention, the repeating structure represented by Chemical Formulas 1 and 2 increases the flexibility of the polymer, makes it difficult to break against deformation, and decreases the glass transition temperature. As a result, the effect of increasing the bondability with the electrode is brought about. In addition, the repeating structures represented by the chemical formulas 13 and 14 have the effect of reducing the swelling property of the whole polymer and reducing the methanol permeability.

本発明における高分子電解質膜は任意の厚みにすることができるが、10μm以下だと所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μm以上になると製造が困難になるため、300μm以下であることが好ましい。   The polymer electrolyte membrane in the present invention can have any thickness, but if it is 10 μm or less, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, and therefore it is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes 300 micrometers or more, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明における高分子電解質膜は、その他のポリマーを含んでいてもよい。そのようなポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。なお、本発明の高分子電解質膜は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   The polymer electrolyte membrane in the present invention may contain other polymers. Examples of such polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, polymethacrylates, poly Acrylate resins such as methyl acrylate and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, ethyl cellulose, etc. Cellulosic resin, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Thermosetting of aromatic polymers such as ruphone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. The polymer electrolyte membrane of the present invention can be used as necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, and an antifoaming agent. Various additives such as an agent, a dispersant, and a polymerization inhibitor may be included.

本発明の高分子電解質膜は、本発明のポリマー組成物から、押し出し、圧延又はキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基は陽イオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。熱架橋性基を反応させる時期は、成形する前でも後でもよいが、加工性の観点からは成形後に行うことが好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained from the polymer composition of the present invention by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it is converted to a free sulfonic acid group by acid treatment if necessary. You can also. The timing of reacting the thermally crosslinkable group may be before or after molding, but is preferably performed after molding from the viewpoint of processability.

本発明の高分子電解質膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去して高分子電解質膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることが高分子電解質膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下できるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いと高分子電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にしたりして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。加工において、加熱を伴う場合、スルホン酸基含有ポリマー中のスルホン酸基がカチオンと塩を形成していると、安定性が向上するため好ましい。ただし、高分子電解質膜として使用するためには、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことが効果的である。   The most preferable method for forming the polymer electrolyte membrane of the present invention is casting from a solution, and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying in view of the uniformity of the polymer electrolyte membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is less than 10 μm, the form as a polymer electrolyte membrane tends to be not maintained, and if it is more than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution by making the thickness constant using an applicator, a doctor blade or the like, or making the cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. In the processing, when heating is involved, it is preferable that the sulfonic acid group in the sulfonic acid group-containing polymer forms a salt with a cation because stability is improved. However, for use as a polymer electrolyte membrane, it can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating.

本発明の高分子電解質膜を得るための好ましい方法の態様の一つは、熱架橋性基が未反応の状態である本発明のポリマー組成物から膜を作製し、作製した膜について熱架橋性基を反応させる方法である。より好ましい方法は、ポリマー組成物中のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーのスルホン酸基が塩を形成した状態で膜を作製し、作製した膜について熱架橋基の反応を行い、その後で酸処理によってスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーのスルホン酸基を酸に戻す方法である。   One of the preferred methods for obtaining the polymer electrolyte membrane of the present invention is that a membrane is prepared from the polymer composition of the present invention in which the thermally crosslinkable group is in an unreacted state, and the prepared membrane is thermally crosslinkable. This is a method of reacting groups. A more preferable method is to prepare a film in a state where the sulfonic acid group of the sulfonic acid group-containing heat-crosslinkable polymer in the polymer composition forms a salt, react the heat-crosslinked group on the prepared film, and then perform acid treatment. In this method, the sulfonic acid group of the heat-crosslinkable polymer containing a sulfonic acid group is returned to an acid.

本発明の膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜を電極と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法又は高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。本発明のポリマー組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましく、ポリマー組成物中の熱架橋性基が反応していない状態のポリマー組成物を用いることがより好ましい。高分子電解質膜と電極との接着性が向上し、また、高分子電解質膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。本発明の高分子電解質膜及びポリマー組成物は適度な軟化温度を有するため、加圧加熱によって高分子電解質膜と電極とを接合する方法に特に適している。また、本発明の高分子電解質膜以外の膜に対して、電極や触媒との接着剤として、本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーを用いることができる。本発明のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマーを接着剤として用いる場合には、化学式1及び13におけるYがHであって、スルホン酸基が酸型であることが好ましい。スルホン酸基が陽イオンと塩を形成している状態で用いる場合には、接合後、酸処理によってスルホン酸基を酸型にすることもできる。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the polymer electrolyte membrane of the present invention to an electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and the electrode There is a method of heating and pressurizing. A method in which an adhesive mainly composed of the polymer composition of the present invention is applied and adhered to the electrode surface is preferable, and it is more preferable to use a polymer composition in a state in which the thermally crosslinkable group in the polymer composition has not reacted. preferable. This is because the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is less impaired. Since the polymer electrolyte membrane and the polymer composition of the present invention have an appropriate softening temperature, they are particularly suitable for a method of joining a polymer electrolyte membrane and an electrode by pressure heating. Further, the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention can be used as an adhesive with an electrode or a catalyst for films other than the polymer electrolyte membrane of the present invention. When the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention is used as an adhesive, it is preferable that Y in the chemical formulas 1 and 13 is H and the sulfonic acid group is in acid form. When the sulfonic acid group is used in the form of a salt with a cation, the sulfonic acid group can be converted into an acid form by acid treatment after bonding.

本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜又は高分子電解質膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, and a fuel electrode side. The fuel flow path is provided. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator.

本発明の高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池に適している。本発明の高分子電解質膜は、膨潤性が小さいため、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池などの液体を燃料とする燃料電池に適している。また、本発明の高分子電解質膜は高分子電解質膜と電極との接合性に優れるため耐久性が高く、ダイレクトメタノール燃料電池などの液体を燃料とする燃料電池だけでなく、水素を燃料とする燃料電池に適している。また、ジメチルエーテル、ギ酸など他の物質を燃料として用いる燃料電池にも好適に用いることができ、電解膜、分離膜など、高分子電解質膜として公知の任意の用途に用いることができる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell. Since the polymer electrolyte membrane of the present invention has low swellability, it is suitable for a fuel cell using a liquid as a fuel, such as a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel. In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention has high durability because it has excellent bonding properties between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and not only fuel cells that use liquids such as direct methanol fuel cells but also hydrogen as fuel. Suitable for fuel cells. Moreover, it can be used suitably also for the fuel cell which uses other substances, such as a dimethyl ether and a formic acid, as a fuel, It can use for arbitrary uses well-known as polymer electrolyte membranes, such as an electrolytic membrane and a separation membrane.

本発明のスルホン酸基含有ポリマーを合成するには、例えば、下記化学式19〜21で表される構造のモノマーを反応させて、ポリマー骨格を形成した後、その末端基に熱架橋性基を導入することが例として挙げることができるが、それに限定されるものではなく、任意の原料から任意の方法で合成することができる。前期の方法においては、化学式22で表される構造のモノマーをさらに加えると、膜の形態安定性など物理的な特性が向上するため好ましい。   To synthesize the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention, for example, a monomer having a structure represented by the following chemical formulas 19 to 21 is reacted to form a polymer skeleton, and then a thermally crosslinkable group is introduced into the terminal group. Although it can mention as an example, it is not limited to it, It can synthesize | combine by arbitrary methods from arbitrary raw materials. In the previous method, it is preferable to further add a monomer having a structure represented by Chemical Formula 22 because physical properties such as film form stability are improved.

Figure 2008037896
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化学式19〜22において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z及びZ10は、それぞれ独立してCl原子、F原子、I原子、Br原子、ニトロ基のいずれかを、Z及びZ11は、それぞれ独立してOH基、SH基、−O−NH−C(=O)−R基、−S−NH−C(=O)−R基のいずれかを[Rは芳香族又は脂肪族の炭化水素基を表す。]、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、 −C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、Arは分子中に、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などの電子吸引性基を有する芳香族基を表す。 In Chemical Formulas 19 to 22, X is a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is H or a monovalent cation, and Z 7 and Z 10 are each independently Any one of Cl atom, F atom, I atom, Br atom and nitro group, Z 8 and Z 11 are each independently OH group, SH group, —O—NH—C (═O) —R group, -S-NH-C (= O) -R group is represented by [R represents an aromatic or aliphatic hydrocarbon group. Z 9 represents any one of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, and a cyclohexyl group, and Ar 4 represents a molecule in the molecule. And an aromatic group having an electron-withdrawing group such as a perfluoroalkyl group such as a sulfone group, a carbonyl group, a sulfonyl group, a phosphine group, a cyano group or a trifluoromethyl group, a nitro group or a halogen group.

化学式19で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、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わけではない。化学式10で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。   Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 19 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′- Disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl- 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and their sulfonic acid groups are monovalent Examples include salts with cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by Chemical Formula 10 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonic acid. Sodium-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 'Sodium disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, potassium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylsulfone 3,3′-Disulfonic acid potassium-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-di Sulfonic acid potassium-4,4'-difluoro diphenyl sulfone, etc. 3,3'-disulfonic acid potassium-4,4'-difluoro diphenyl ketone and the like.

化学式20で表される化合物の具体例としては2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−オキシビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどを挙げることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンが好ましい。   Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 20 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4 , 4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-oxybisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, etc. 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, and 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane are preferable.

化学式20で表される構造のモノマーが、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊しにくくなったりすることや、ガラス転移温度が低下することによって電極との接合性が高まることなどの効果をもたらしている。   The monomer represented by the chemical formula 20 has the effect of increasing the flexibility of the polymer, making it difficult to break against deformation, and increasing the bondability with the electrode by lowering the glass transition temperature. ing.

化学式21で表される化合物としては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基を有する化合物を挙げることができる。具体例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   Examples of the compound represented by Chemical Formula 21 include compounds having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen and nitro group on the same aromatic ring and an electron-withdrawing group that activates the same. Specific examples include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 ′. -Difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction A group dihalogen compound, an aromatic dinitro compound, an aromatic dicyano compound, and the like can also be used.

化学式22で表される化合物の例としては、4,4’−ビフェノール、4、4’−ジメルカプトビフェノールなどを挙げることができ、4,4’−ビフェノールが好ましい。   Examples of the compound represented by the chemical formula 22 include 4,4'-biphenol, 4,4'-dimercaptobiphenol, and 4,4'-biphenol is preferable.

上述の芳香族求核置換反応において、化学式19〜22で表される化合物とともに他の各種活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。   In the above aromatic nucleophilic substitution reaction, other various activated dihalogen aromatic compounds, dinitroaromatic compounds, bisphenol compounds, and bisthiophenol compounds can be used in combination with the compounds represented by chemical formulas 19-22. .

その他のビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の例としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、フェノールフタレイン、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナンスレン−10−オキサイド等が、挙げられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオール又は各種芳香族ジチオールを使用することもでき、上記の化合物に限定されるものではない。   Examples of other bisphenol compounds or bisthiophenol compounds include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, and bis (4-hydroxyphenyl). ) Sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4- Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane , Hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 1,4-benze And dithiol, 1,3-benzenedithiol, phenolphthalein, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide, and the like. However, in addition to this, various aromatic diols or various aromatic dithiols that can be used for the polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used, and are not limited to the above compounds. Absent.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、化学式19〜22で表される構造の化合物と、必要に応じて他の活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物や芳香族ジオール類又は芳香族ジチオール類を加えて、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。モノマー中の、反応性のハロゲン基又はニトロ基と、反応性のヒドロキシ基及びチオール基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、0.8〜1.2であることが好ましく、0.9〜1.1の範囲であることがより好ましく、0.95〜1.05の範囲であることが好ましく、1であると高重合度のポリマーを得ることができるため最も好ましい。   When the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, a compound having a structure represented by chemical formulas 19 to 22 and, if necessary, other activated dihalogen aromatic compounds or dinitroaromatic compounds. And aromatic diols or aromatic dithiols can be added and reacted in the presence of a basic compound to obtain a polymer. The polymerization degree of the resulting polymer can be adjusted by adjusting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group to the reactive hydroxy group and thiol group in the monomer to an arbitrary molar ratio. Is preferably in the range of 0.9 to 1.1, more preferably in the range of 0.95 to 1.05, and a high degree of polymerization is 1. It is most preferable because the polymer can be obtained.

重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の範囲であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C, but preferably in the range of 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

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挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造にな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。塩基性化合物は、ビスフェノール化合物及びビスチオフェノール化合物の総和に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくはビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の総和に対して105〜125モル%の範囲である。ビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., but aromatic diols and aromatic dimercapto compounds can be made into an active phenoxide structure. If it is a thing, it is not limited to these but can be used. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more with respect to the total of the bisphenol compound and the bisthiophenol compound, preferably 105 to The range is 125 mol%. An excessive amount of bisphenol compound or bisthiophenol compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、ビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物を、イソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物とを直接反応させることもできる。   Further, in the above polymerization reaction, a bisphenol compound or bisthiophenol compound reacted with an isocyanate compound to form a carbamoylate without using a basic compound, and an activated dihalogen aromatic compound or dinitro aromatic compound are directly combined. It can also be reacted.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%の範囲となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   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 material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is in the range of 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

上記のようにして合成したポリマー骨格の、フェノール性水酸基末端や、芳香族メルカプト基末端、芳香族ハライド末端に対して、上記したような熱架橋性化合物を反応させることによって熱架橋性基を導入し、本発明のスルホン酸基含有ポリマーを得ることができる。また、上記のポリマー骨格の合成において、架橋性化合物をモノマーの一成分として加えておいて反応させてもよい。また、上記のようにして合成したポリマー骨格の、フェノール性水酸基末端や、芳香族メルカプト基末端を、ホルムアルデヒド及びアミン化合物と反応させることで熱架橋性基を形成させてもよい。   Thermally crosslinkable groups are introduced by reacting the above-mentioned thermally crosslinkable compounds with the phenolic hydroxyl end, aromatic mercapto end, and aromatic halide end of the polymer skeleton synthesized as described above. Thus, the sulfonic acid group-containing polymer of the present invention can be obtained. In the synthesis of the polymer skeleton, a crosslinkable compound may be added as a component of the monomer and reacted. Further, a thermally crosslinkable group may be formed by reacting the phenolic hydroxyl group end or aromatic mercapto group end of the polymer skeleton synthesized as described above with formaldehyde and an amine compound.

また、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1dl/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dl/gよりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dl/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dl/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   The sulfonic acid group-containing polymer in the present invention preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 dl / g or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dl / g, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dl / g or more. On the other hand, if the logarithmic viscosity exceeds 5 dl / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

対数粘度:ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。   Logarithmic viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / Evaluation was made by c (ta is the number of seconds for dropping the sample solution, tb is the number of seconds for dropping only the solvent, and c is the polymer concentration).

プロトン伝導性:自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン樹脂製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、25℃の水中又は80℃、95%の恒湿恒温槽に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
Proton conductivity: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin), in water at 25 ° C. or 80 ° C., constant humidity of 95% The sample was held in a thermostatic bath, and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

メタノール透過性:高分子電解質膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬した高分子電解質膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mLの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、高分子電解質膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量を、ガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(高分子電解質膜の面積は、2.0cm)。得られたメタノール透過速度とサンプルの膜厚から、メタノール透過係数を求めた。 Methanol permeability: The liquid fuel permeation rate of the polymer electrolyte membrane was measured as the methanol permeation rate by the following method. A polymer electrolyte membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, 100 mL of 5 M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water is placed on the other cell. (18 MΩ · cm) was injected, and the amount of methanol that diffused into the ultrapure water through the polymer electrolyte membrane was measured using a gas chromatograph while stirring the cells on both sides at 25 ° C. (The area of the polymer electrolyte membrane was 2.0 cm 2 ). A methanol permeability coefficient was determined from the obtained methanol permeation rate and the film thickness of the sample.

水素を燃料とする燃料電池(PEFC)の発電評価: デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、市販の40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社 燃料電池用触媒 TEC10V40E)と、少量の超純水及びイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が0.5mg/cmになるように均一に塗布・乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作製した。上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、高分子電解質膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、2MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃で、アノード及びカソードにそれぞれ75℃で加湿した水素と空気を供給して発電特性を評価した。開始直後における電流密度が0.5A/cmにおける出力電圧を初期特性とした。また、耐久性評価として、1時間に1回の割合で開回路電圧を測定しつつ上記の条件で連続運転を行った。開回路電圧が開始直後の値よりも10%以上低下したときの時間を耐久時間とした。耐久性評価は1000時間を上限として行った。 Power generation evaluation of hydrogen-fueled fuel cell (PEFC): Commercially available 40% Pt catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. Fuel Cell Catalyst TEC10V40E) and DuPont's 20% Nafion (registered trademark) solution After adding ultrapure water and isopropanol, the mixture was stirred until uniform to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was uniformly applied to Toray carbon paper TGPH-060 so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. By sandwiching the polymer electrolyte membrane between the gas diffusion layers with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, pressurizing and heating at 130 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. The joined body was assembled in an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and hydrogen and air humidified at 75 ° C. were supplied to the anode and the cathode at a cell temperature of 80 ° C., and the power generation characteristics were evaluated. The output voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 immediately after the start was taken as the initial characteristics. Moreover, as durability evaluation, continuous operation was performed on said conditions, measuring an open circuit voltage at the rate of once per hour. The time when the open circuit voltage decreased by 10% or more from the value immediately after the start was defined as the endurance time. Durability evaluation was performed with 1000 hours as the upper limit.

ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の発電評価:Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ社製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により170℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(東陽テクニカ社製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノード及びカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度空気ガス(80ml/min)と、5mol/リットルのメタノール水溶液(1.5ml/min)とを供給しながら行った。電流密度が0.02A/cmにおける出力電圧と、電流遮断法で測定した抵抗値を測定した。 Power generation evaluation of direct methanol fuel cell (DMFC): Pt / Ru catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. TEC61E54) was moistened with a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol, and then DuPont 20% Nafion (registered) (Trademark) solution (product number: SE-20192) was added so that the weight ratio of Pt / Ru catalyst-carrying carbon to Nafion was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. The catalyst paste was applied to Toray carbon paper TGPH-060 to be a gas diffusion layer by screen printing so that the adhesion amount of platinum was 2 mg / cm 2, and a carbon paper with an electrode catalyst layer for anode was produced. . Moreover, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10V40E) and moistening, a 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont, A cathode catalyst paste was prepared by adding the Pt catalyst-carrying carbon and Nafion in a weight ratio of 2.5: 1 and stirring. The catalyst paste was applied and dried on carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Ltd., which had been subjected to water repellent treatment, so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for cathode. . By sandwiching the membrane sample between the two types of carbon paper with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, by pressurizing and heating at 170 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Technica). Power generation was performed at a cell temperature of 40 ° C. while supplying high purity air gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and a 5 mol / liter aqueous methanol solution (1.5 ml / min) to the anode and the cathode, respectively. . The output voltage at a current density of 0.02 A / cm 2 and the resistance value measured by the current interruption method were measured.

電極接合性:上記DMFCの発電評価後において、高分子電解質膜と電極触媒層との剥離が見られなかった場合は「○」、剥離が起こった場合を「×」とした。   Electrode bondability: After the evaluation of power generation of the DMFC, “◯” was given when no peeling was observed between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, and “X” was given when peeling occurred.

膨潤性:5cm四方の正方形の高分子電解質膜を80℃の純水に1時間浸漬した後、表面の水分をすばやく取り除き、密閉容器中に入れ、吸湿膜の重量を測定した。その後、膜を100℃で1時間減圧乾燥した後、密閉容器に入れ、乾燥膜の重量を測定した。乾燥膜の重量から、吸湿膜の重量を差し引いて、含水量を求め、乾燥膜の重量に対する含水量の重量%を膨潤性とした。   Swellability: After a 5 cm square square polymer electrolyte membrane was immersed in pure water at 80 ° C. for 1 hour, water on the surface was quickly removed and placed in a sealed container, and the weight of the hygroscopic membrane was measured. Thereafter, the membrane was dried under reduced pressure at 100 ° C. for 1 hour, then placed in a sealed container, and the weight of the dried membrane was measured. The water content was determined by subtracting the weight of the hygroscopic film from the weight of the dry film, and the weight% of the water content relative to the weight of the dry film was defined as swellability.

イオン交換容量:100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。   Ion exchange capacity: A sample dried for 1 hour at 100 ° C. and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.

軟化温度:5mm幅の酸型の膜を、チャック幅10mmで、50℃から250℃まで2℃/分で加熱しながら、10Hzの動歪を与えて動的粘弾性を、Rheogel E−4000(東機産業社製)を用いて測定した。E’が大きく低下する変曲点の温度を軟化温度とした。   Softening temperature: While heating an acid-type film having a width of 5 mm at a chuck width of 10 mm from 50 ° C. to 250 ° C. at a rate of 2 ° C./min, a dynamic strain of 10 Hz was applied to give a dynamic viscoelasticity, Rhegel E-4000 ( Measured by Toki Sangyo Co., Ltd.). The temperature at the inflection point at which E ′ greatly decreased was defined as the softening temperature.

<合成例1>
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)31.212g(0.06354mol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)18.609g(0.1082mol)、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(大日本インキ化学工業社製SPECIANOL DPE−PL;下記化学式23においてnが1〜8の成分を含む混合物でnの平均値は5である構造であるもの)(略号:DPE)94.411g(0.1717mol)、炭酸カリウム26.107g(0.1889mol)、N−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)420.00gを1000ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。攪拌しながら加熱を行い、反応溶液の温度が190〜200℃になるようにして12時間反応させた。その後、反応溶液を140℃まで冷却してから、4−エチニルフェノール0.410g(0.0034mol)を加え、攪拌しながら140℃で3時間反応させた。その後、室温まで冷却し、反応溶液を水中に注いでストランド状に沈殿させた。沈殿したポリマーは、室温の水で3回、沸騰水中で1回洗浄した後、110℃で乾燥してポリマーを得た。ポリマーのH−NMR分析で、エチニル基由来のシグナル(3.1ppm)があることを確認し、熱架橋性基の導入を確認した。
<Synthesis Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 31.212 g (0.06354 mol), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 18.609 g (0 1082 mol), terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (SPECIANOL DPE-PL manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc .; in the following chemical formula 23, n is a mixture containing 1 to 8 components, and the average value of n is 5 Things) (abbreviation: DPE) 94.411 g (0.1717 mol), potassium carbonate 26.107 g (0.1889 mol), N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) 420.00 g were weighed into a 1000 ml four-necked flask. Was taken and flushed with nitrogen. Heating was performed while stirring, and the reaction solution was allowed to react for 12 hours so that the temperature of the reaction solution was 190 to 200 ° C. Then, after cooling the reaction solution to 140 ° C., 0.410 g (0.0034 mol) of 4-ethynylphenol was added and reacted at 140 ° C. for 3 hours with stirring. Then, it cooled to room temperature and poured the reaction solution into water, and precipitated in strand form. The precipitated polymer was washed three times with room temperature water and once in boiling water, and then dried at 110 ° C. to obtain a polymer. It was confirmed by 1 H-NMR analysis of the polymer that there was a signal derived from an ethynyl group (3.1 ppm), and introduction of a thermally crosslinkable group was confirmed.

Figure 2008037896
Figure 2008037896

<合成例2>
S−DCDPS 26.323g(0.05358mol)、DCBN 19.586g(0.1139mol)、DPE 64.452g(0.1184mol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル 10.158g(0.05023mol)炭酸カリウム25.458g(0.1842mol)、NMP 361.03g、4−エチニルフェノールの代わりに1−クロロ−2−プロピン0.174g(0.0024mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。ポリマーのH−NMR分析で、エチニル基由来のシグナル(3.2ppm)があることを確認し、熱架橋性基の導入を確認した。
<Synthesis Example 2>
S-DCDPS 26.323 g (0.05358 mol), DCBN 19.586 g (0.1139 mol), DPE 64.452 g (0.1184 mol), 4,4′-dihydroxydiphenyl ether 10.158 g (0.05023 mol) potassium carbonate 25 .458 g (0.1842 mol), NMP 361.03 g, 0.174 g (0.0024 mol) of 1-chloro-2-propyne instead of 4-ethynylphenol, and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1. . It was confirmed by 1 H-NMR analysis of the polymer that there was a signal derived from an ethynyl group (3.2 ppm), and introduction of a thermally crosslinkable group was confirmed.

<合成例3>
S−DCDPS 31.136g(0.06338mol)、DCBN 61.779g(0.3592mol)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)19.670g(0.1056mol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド(略号:BPS)68.478g(0.3137mol)、炭酸カリウム64.239g(0.4648mol)、NMP 432.511g、4−エチニルフェノール0.756g(0.0064mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 3>
S-DCDPS 31.136 g (0.06338 mol), DCBN 61.7979 g (0.3592 mol), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 19.670 g (0.1056 mol), 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide (Abbreviation: BPS) 68.478 g (0.3137 mol), potassium carbonate 64.239 g (0.4648 mol), NMP 432.511 g, 4-ethynylphenol 0.756 g (0.0064 mol) were used and the same as in Synthesis Example 1. A polymer was obtained by the following procedure.

<合成例4>
S−DCDPS 30.054g(0.06118mol)、DCBN 47.940g(0.2787mol)、BP 15.822g(0.08497mol)、BPS 55.083g(0.2524mol)、炭酸カリウム51.673g(0.3739mol)、NMP 374.014g、4−エチニルフェノールの代わりに4−ヒドロキシスチレン0.600g(0.0050mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。ポリマーのH−NMR分析で、ビニル基由来のシグナル(5.3ppm)があることを確認し、熱架橋性基の導入を確認した。
<Synthesis Example 4>
S-DCDPS 30.54 g (0.06118 mol), DCBN 47.940 g (0.2787 mol), BP 15.822 g (0.08497 mol), BPS 55.083 g (0.2524 mol), potassium carbonate 51.673 g (0. 3739 mol), NMP 374.014 g, 4-hydroxystyrene 0.600 g (0.0050 mol) was used instead of 4-ethynylphenol, and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1. It was confirmed by 1 H-NMR analysis of the polymer that there was a signal derived from a vinyl group (5.3 ppm), and introduction of a thermally crosslinkable group was confirmed.

<合成例5>
S−DCDPS 28.512g(0.05804mol)、DCBN 39.934g(0.2322mol)、BP 13.510g(0.07255mol)、BPS 47.031g(0.2155mol)、炭酸カリウム44.119g(0.3192mol)、NMP 324.900g、4−エチニルフェノール0.520g(0.0044mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 5>
S-DCDPS 28.512 g (0.05804 mol), DCBN 39.934 g (0.2322 mol), BP 13.510 g (0.07255 mol), BPS 47.031 g (0.2155 mol), potassium carbonate 44.119 g (0. 3192 mol), 324.900 g of NMP, and 0.520 g (0.0044 mol) of 4-ethynylphenol, a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例6>
S−DCDPS 63.215g(0.1287mol)、DCBN 28.171g(0.1638mol)、BP 48.523g(0.2606mol)、BPS 6.384g(0.02925mol)、炭酸カリウム44.463g(0.3217mol)、NMP 376.370g、4−エチニルフェノール0.614g(0.0052mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 6>
S-DCDPS 63.215 g (0.1287 mol), DCBN 28.171 g (0.1638 mol), BP 48.523 g (0.2606 mol), BPS 6.384 g (0.02925 mol), potassium carbonate 44.463 g (0. 3217 mol), NMP 376.370 g, and 4-ethynylphenol 0.614 g (0.0052 mol) were used to obtain a polymer in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例7>
S−DCDPS 73.792g(0.1502mol)、DCBN 32.885g(0.1912mol)、BP 54.866g(0.2974mol)、BPS 7.452g(0.03414mol)、炭酸カリウム51.902g(0.3755mol)、NMP 376.329g、4−エチニルフェノール0.709g(0.0060mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 7>
S-DCDPS 73.792 g (0.1502 mol), DCBN 32.885 g (0.1912 mol), BP 54.866 g (0.2974 mol), BPS 7.452 g (0.03414 mol), potassium carbonate 51.902 g (0. 3755 mol), NMP 376.329 g, 4-ethynylphenol 0.709 g (0.0060 mol), and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例8>
S−DCDPS 80.156g(0.1632mol)、DCBN 30.405g(0.1768mol)、BP 50.759g(0.2726mol)、BPS 11.130g(0.05099mol)、炭酸カリウム51.680g(0.3739mol)、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナンスレン−10−オキサイド(三光社製 HCA−HQ)(略号:HCQ)4.409g(0.01360mol)、NMP 387.234g、4−エチニルフェノール0.662g(0.0056mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 8>
S-DCDPS 80.156 g (0.1632 mol), DCBN 30.405 g (0.1768 mol), BP 50.759 g (0.2726 mol), BPS 11.130 g (0.05099 mol), potassium carbonate 51.680 g (0. 3739 mol), 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (Sanko's HCA-HQ) (abbreviation: HCQ) Using 409 g (0.01360 mol), NMP 387.234 g, and 4-ethynylphenol 0.662 g (0.0056 mol), a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例9>
S−DCDPS 82.451g(0.1678mol)、DCBN 19.247g(0.1119mol)、BP 44.348g(0.2382mol)、BPS 6.106g(0.02797mol)、炭酸カリウム42.528g(0.3077mol)、HCQ 3.628g(0.01190mol)、NMP 344.897g、4−エチニルフェノール0.567g(0.0048mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 9>
S-DCDPS 82.451 g (0.1678 mol), DCBN 19.247 g (0.1119 mol), BP 44.348 g (0.2382 mol), BPS 6.106 g (0.02797 mol), potassium carbonate 42.528 g (0. 3077 mol), HCQ 3.628 g (0.01190 mol), NMP 344.897 g, 4-ethynylphenol 0.567 g (0.0048 mol), and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例10>
S−DCDPS 30.135g(0.06134mol)、DCBN 42.207g(0.2454mol)、BP 13.707g(0.07361mol)、4,4’−チオビス(ベンゼンチオール) 57.786g(0.2308mol)、炭酸カリウム46.631g(0.3374mol)、NMP 366.159g、4−エチニルフェノール0.543g(0.0046mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 10>
S-DCDPS 30.135 g (0.06134 mol), DCBN 42.207 g (0.2454 mol), BP 13.707 g (0.07361 mol), 4,4′-thiobis (benzenethiol) 57.786 g (0.2308 mol) , 46.631 g (0.3374 mol) of potassium carbonate, 366.159 g of NMP and 0.543 g (0.0046 mol) of 4-ethynylphenol were used to obtain a polymer by the same operation as in Synthesis Example 1.

<合成例11>
S−DCDPS 31.234g(0.06358mol)、DCBN 46.624g(0.2711mol)、BP 12.463g(0.06693mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン 60.504g(0.26507mol)、炭酸カリウム50.875g(0.3681mol)、NMP 381.102g、4−エチニルフェノール0.638g(0.0054mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 11>
S-DCDPS 31.234 g (0.06358 mol), DCBN 46.624 g (0.2711 mol), BP 12.463 g (0.06693 mol), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane 60.504 g (0. 26507 mol), 50.875 g (0.3681 mol) of potassium carbonate, 381.102 g of NMP, and 0.638 g (0.0054 mol) of 4-ethynylphenol, and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例12>
S−DCDPS 30.941g(0.06298mol)、DCBN 34.307g(0.1995mol)、BP 11.728g(0.06298mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン 66.390g(0.1975mol)、炭酸カリウム39.898g(0.2887mol)、NMP 374.703g、4−エチニルフェノール0.473g(0.0040mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 12>
S-DCDPS 30.941 g (0.06298 mol), DCBN 34.307 g (0.1995 mol), BP 11.728 g (0.06298 mol), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane 66.390 g ( 0.1975 mol), potassium carbonate 39.898 g (0.2887 mol), NMP 374.703 g, 4-ethynylphenol 0.473 g (0.0040 mol) was used, and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<合成例13>
S−DCDPS 31.743g(0.06462mol)、DCBN 44.459g(0.2585mol)、BP 14.439g(0.07754mol)、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン 65.233g(0.2430mol)、炭酸カリウム49.119g(0.3554mol)、NMP 398.919g、4−エチニルフェノール0.567g(0.0050mol)を用い、合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Synthesis Example 13>
S-DCDPS 31.743 g (0.06462 mol), DCBN 44.459 g (0.2585 mol), BP 14.439 g (0.07754 mol), 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane 65.233 g (0. 2430 mol), potassium carbonate 49.119 g (0.3554 mol), NMP 398.919 g, 4-ethynylphenol 0.567 g (0.0050 mol), and a polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1.

<比較合成例1>
DPEの量を94.421g(0.1717mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例1と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 1>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the amount of DPE was 94.421 g (0.1717 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例2>
DPEの量を64.452g(0.1172mol)とし、1−クロロ−2−プロピン反応させなかった他は、合成例2と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 2>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 2 except that the amount of DPE was 64.452 g (0.1172 mol) and the 1-chloro-2-propyne reaction was not performed.

<比較合成例3>
BPSの量を69.170g(0.3169mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例3と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 3>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 3 except that the amount of BPS was 69.170 g (0.3169 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例4>
BPSの量を55.639g(0.2549mol)とし、4−ヒドロキシスチレンを反応させなかった他は合成例4と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 4>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 4 except that the amount of BPS was 55.639 g (0.2549 mol) and 4-hydroxystyrene was not reacted.

<比較合成例5>
BPSの量を47.506g(0.2177mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例5と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 5>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 5 except that the amount of BPS was 47.506 g (0.2177 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例6>
BPの量を49.013g(0.2632mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例6と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 6>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 6 except that the amount of BP was 49.013 g (0.2632 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例7>
BPの量を55.942g(0.3004mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例7と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 7>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 7 except that the amount of BP was 55.942 g (0.3004 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例8>
BPの量を51.272g(0.2754mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例8と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 8>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 8 except that the amount of BP was 51.272 g (0.2754 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例9>
BPの量を44.796g(0.2406mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例9と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 9>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 9 except that the amount of BP was 44.796 g (0.2406 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例10>
4,4’−チオビス(ベンゼンチオール)の量を58.370g(0.2331mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例10と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 10>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 10 except that the amount of 4,4′-thiobis (benzenethiol) was 58.370 g (0.2331 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例11>
2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパンの量を61.115g(0.2677mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例11と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 11>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 11 except that the amount of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane was 61.115 g (0.2677 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例12>
2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンの量を67.061g(0.1995mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例12と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 12>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 12 except that the amount of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane was 67.061 g (0.1995 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted. .

<比較合成例13>
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンの量を65.892g(0.2455mol)とし、4−エチニルフェノールを反応させなかった他は、合成例13と同様にしてポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 13>
A polymer was obtained in the same manner as in Synthesis Example 13 except that the amount of 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane was 65.892 g (0.2455 mol) and 4-ethynylphenol was not reacted.

<比較合成例14>
S−DCDPS 30.054g(0.06118mol)、DCBN 47.940g(0.2787mol)、BP 62.655g(0.3365mol)、炭酸カリウム51.673g(0.3739mol)、NMP 374.014g、4−エチニルフェノール0.803g(0.0068mol)を用いた他は合成例1と同様の操作によってポリマーを得た。
<Comparative Synthesis Example 14>
S-DCDPS 30.54 g (0.06118 mol), DCBN 47.940 g (0.2787 mol), BP 62.655 g (0.3365 mol), potassium carbonate 51.673 g (0.3739 mol), NMP 374.014 g, 4- A polymer was obtained by the same procedure as in Synthesis Example 1 except that 0.803 g (0.0068 mol) of ethynylphenol was used.

<実施例1〜13>
合成例1〜13でそれぞれ得られたポリマー8gを32gのジメチルアセトアミドに溶解した溶液を、200μmの厚みでガラス板上にキャストし、70℃で3日間減圧乾燥した。ガラス板から膜を剥離した後、金属製の枠に固定し、窒素雰囲気下250℃で1時間処理し室温まで放冷した。その後、膜を80℃の1mol/リットル硫酸に1時間浸漬することを2回繰り返して、スルホン酸基を酸型に変換し、さらに酸が検出できなくなるまで水で洗浄した。洗浄した膜はろ紙に挟んでガラス板でさらに挟んで荷重をかけて2日間放置して乾燥した。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<Examples 1 to 13>
A solution prepared by dissolving 8 g of each of the polymers obtained in Synthesis Examples 1 to 13 in 32 g of dimethylacetamide was cast on a glass plate with a thickness of 200 μm and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 3 days. After peeling off the film from the glass plate, it was fixed to a metal frame, treated at 250 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and allowed to cool to room temperature. Thereafter, the membrane was dipped in 1 mol / liter sulfuric acid at 80 ° C. for 1 hour twice to convert the sulfonic acid group into an acid form, and further washed with water until no acid could be detected. The washed membrane was sandwiched between filter papers, further sandwiched between glass plates, loaded, and allowed to stand for 2 days to dry. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.

<比較例1〜14>
比較合成例1〜14でそれぞれ得られたポリマーについて、実施例と同様の操作で高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<Comparative Examples 1-14>
For the polymers obtained in Comparative Synthesis Examples 1 to 14, polymer electrolyte membranes were obtained in the same manner as in the examples. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.

実施例及び比較例の高分子電解質膜の評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples.

Figure 2008037896
Figure 2008037896

表1より、本発明における、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)用の高分子電解質膜(実施例1〜5、10〜13)は、比較例の高分子電解質膜(比較例1〜5、10〜13)に比べて、メタノール透過性が低下し、燃料電池の出力が向上しているおり、熱架橋性基による架橋効果が得られている。また、電極との接合性にも問題はなかった。熱架橋性基を有しているがポリマー構造が本発明の範囲外の比較例14では、高分子電解質膜と電極との接合性に問題があり、燃料としたときの抵抗が著しく高く、低い出力しか得られなかった。このように同じポリマー骨格を有している高分子電解質膜に比べて、本発明の高分子電解質膜は、燃料電池に用いた場合、加工性と出力に優れるという利点を有している。
また、水素を燃料とする燃料電池(PEFC)用の高分子電解質膜(実施例6〜9)は、比較例の高分子電解質膜(比較例6〜9)の高分子電解質膜に対して、初期電圧は同等であるのにもかかわらず、耐久時間が大幅に向上しており、耐久性に優れた高分子電解質膜であることが明らかである。
From Table 1, the polymer electrolyte membranes (Examples 1 to 5 and 10 to 13) for direct methanol fuel cells (DMFC) in the present invention are polymer electrolyte membranes of Comparative Examples (Comparative Examples 1 to 5 and 10). Compared with ˜13), the methanol permeability is lowered, the output of the fuel cell is improved, and the crosslinking effect by the thermally crosslinkable group is obtained. Moreover, there was no problem in the bonding property with the electrode. In Comparative Example 14, which has a thermally crosslinkable group but the polymer structure is outside the scope of the present invention, there is a problem in the bonding property between the polymer electrolyte membrane and the electrode, and the resistance when used as a fuel is remarkably high and low. Only output was obtained. Thus, compared with the polymer electrolyte membrane having the same polymer skeleton, the polymer electrolyte membrane of the present invention has an advantage that it is excellent in workability and output when used in a fuel cell.
Moreover, the polymer electrolyte membranes (Examples 6 to 9) for the fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel are compared with the polymer electrolyte membranes of the comparative polymer electrolyte membranes (Comparative Examples 6 to 9). Although the initial voltages are the same, the durability time is greatly improved, and it is clear that the polymer electrolyte membrane has excellent durability.

本発明の新規スルホン酸基含有熱架橋性ポリマーを用い、さらには熱架橋させて得られた高分子電解質膜は、耐久性に優れた高分子電解質膜/電極接合体を得ることができ、燃料電池の分野で、従来の炭化水素系高分子電解質膜に比べて、高耐久性と高出力を可能にし、産業界に寄与すること大である。   The polymer electrolyte membrane obtained by using the novel sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer of the present invention and further thermally cross-linking can provide a polymer electrolyte membrane / electrode assembly having excellent durability. In the field of batteries, compared to conventional hydrocarbon polymer electrolyte membranes, it is possible to achieve higher durability and higher output, contributing to the industry.

Claims (25)

ポリマー分子中に、(A)下記化学式1で表される構造と、(B)下記化学式2で表される構造と、(C)熱架橋性基とを有し、かつ(D)YがHの場合において軟化温度が250℃以下であることを特徴とするスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
Figure 2008037896
[化学式1において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n1は1以上の整数を表す。化学式2において、Arは二価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n2は1以上の整数を表す。]
The polymer molecule has (A) a structure represented by the following chemical formula 1, (B) a structure represented by the following chemical formula 2, and (C) a thermally crosslinkable group, and (D) Y is H In this case, the heat-crosslinking polymer containing a sulfonic acid group is characterized in that the softening temperature is 250 ° C. or lower.
Figure 2008037896
[In Chemical Formula 1, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, and n 1 represents an integer of 1 or more. To express. In Chemical Formula 2, Ar 1 is a divalent aromatic group, Z 3 is either an O or S atom, Z 4 is an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, —C ( CF 3) 2 - group, -CH 2 - group, any one of a cyclohexyl group, n2 represents an integer of 1 or more. ]
熱架橋性基が下記化学式(3)〜(8)で表される群より選ばれる一種以上の基である請求項1に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
Figure 2008037896
[式中、R〜Rは水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、フェニル基、炭素数6〜20の芳香族基、ハロゲンのいずれかを、Aは水素原子、炭素数1〜10の炭化水素基、ハロゲン、ニトロ基、−SOY基{YはHあるいは1価の陽イオンを表す。}のいずれかを、nは1〜4の整数を表す。]
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 1, wherein the thermally crosslinkable group is one or more groups selected from the group represented by the following chemical formulas (3) to (8).
Figure 2008037896
[Wherein R 1 to R 9 are any one of a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, an aromatic group having 6 to 20 carbon atoms, and a halogen; 10 hydrocarbon groups, halogen, nitro group, —SO 3 Y group {Y represents H or a monovalent cation. }, N represents an integer of 1 to 4. ]
ポリマー分子中の熱架橋性基の含有量が、0.000001〜0.001mol/gである請求項1に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー   The heat-crosslinkable polymer containing a sulfonic acid group according to claim 1, wherein the content of the heat-crosslinkable group in the polymer molecule is 0.000001 to 0.001 mol / g. 化学式2のArが、下記化学式9〜12で表される構造から選ばれる一種以上の基である請求項1に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
Figure 2008037896
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 1, wherein Ar 1 in Chemical Formula 2 is one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 9 to 12 below.
Figure 2008037896
化学式2のArが、化学式12で表される構造である請求項4に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 4, wherein Ar 1 in Chemical Formula 2 has a structure represented by Chemical Formula 12. スルホン酸基含有量が、0.3〜5.0meq/gである請求項1に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。   The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 1, wherein the sulfonic acid group content is 0.3 to 5.0 meq / g. 化学式1のZ及びZがいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上である請求項1に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 1, wherein Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are both O atoms, and n1 is 3 or more. 化学式2のZ及びZがいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上である請求項7に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 7, wherein Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are both O atoms, and n2 is 3 or more. 下記化学式13で表される構造をさらに有する請求項1に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
Figure 2008037896
[化学式13において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
The sulfonic acid group-containing heat-crosslinkable polymer according to claim 1, further having a structure represented by the following chemical formula 13.
Figure 2008037896
[In Chemical Formula 13, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. . ]
下記化学式14で表される構造をさらに有する請求項9に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
Figure 2008037896
[化学式14において、Arは2価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 9, further having a structure represented by the following chemical formula 14.
Figure 2008037896
[In the chemical formula 14, Ar 2 represents a divalent aromatic group, and Z 6 represents either O or S atom. ]
化学式14のArが、化学式9〜12で表される構造から選ばれる一種以上の基である請求項10に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 10, wherein Ar 2 in Chemical Formula 14 is one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 9 to 12. 化学式14のArが、化学式12で表される構造である請求項11に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 11, wherein Ar 2 in Chemical Formula 14 has a structure represented by Chemical Formula 12. 化学式1のZ及びZが、O又はS原子であり、かつ、n1が1である請求項9に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 9, wherein Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are O or S atoms and n1 is 1. 化学式2のZ及びZが、O又はS原子であり、かつ、n2が1である請求項10に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。 The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer according to claim 10, wherein Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are O or S atoms and n2 is 1. 化学式1、2、13、14でそれぞれ表される繰り返し単位を少なくとも有し、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し構造のモル%が数式1〜3を満たす請求項10に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー。
0.9≦(n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7)≦1.0
・・・・・(数式1)
0.05≦(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)≦0.7
・・・・・(数式2)
0.01≦(n4+n6)/(n3+n4+n5+n6)≦0.95
・・・・・(数式3)
(上記式中、n3は化学式13で表される構造のモル%を、n4は化学式1で表される構造のモル%を、n5は化学式14で表される構造のモル%を、n6は化学式2で表される構造のモル%を、n7はその他の繰り返し構造のモル%を、それぞれ表す。)
The sulfone according to claim 10, having at least repeating units represented by chemical formulas 1, 2, 13, and 14, wherein mol% of each repeating unit and mol% of other repeating structures satisfy Formulas 1 to 3. Acid group-containing thermally crosslinkable polymer.
0.9 ≦ (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) ≦ 1.0
(Equation 1)
0.05 ≦ (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≦ 0.7
(Equation 2)
0.01 ≦ (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≦ 0.95
(Formula 3)
(In the above formula, n3 is the mol% of the structure represented by Chemical Formula 13, n4 is the mol% of the structure represented by Chemical Formula 1, n5 is the mol% of the structure represented by Chemical Formula 14, and n6 is the chemical formula. 2 represents the mol% of the structure represented by 2, and n7 represents the mol% of the other repeating structure.)
請求項1〜15のいずれかに記載のスルホン酸基含有ポリマーを1〜100重量%含むスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物。   A sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition comprising 1 to 100% by weight of the sulfonic acid group-containing polymer according to any one of claims 1 to 15. 請求項16に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物において、スルホン酸基含有熱架橋性ポリマーの熱架橋性基の少なくとも一部が熱架橋されてなるスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物。   The sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition according to claim 16, wherein at least a part of the thermally crosslinkable group of the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer is thermally crosslinked. 請求項16に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物からなる高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition according to claim 16. 請求項17に記載のスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物からなる架橋高分子電解質膜。   A crosslinked polymer electrolyte membrane comprising the sulfonic acid group-containing crosslinked polymer composition according to claim 17. 請求項16に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物を電極触媒層に含む高分子電解質膜/電極接合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition according to claim 16 in an electrode catalyst layer. 請求項17に記載のスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物を電極触媒層に含む高分子電解質膜/電極接合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the sulfonic acid group-containing crosslinked polymer composition according to claim 17 in an electrode catalyst layer. 請求項18に記載の高分子電解質膜を有する高分子電解質膜/電極接合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 18. 請求項19に記載の架橋高分子電解質膜を有する高分子電解質膜/電極接合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode assembly comprising the crosslinked polymer electrolyte membrane according to claim 19. 請求項16に記載のスルホン酸基含有熱架橋性ポリマー組成物を、高分子電解質膜及び電極触媒層の少なくとも一方に用いた高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using a polymer electrolyte membrane / electrode assembly in which the sulfonic acid group-containing thermally crosslinkable polymer composition according to claim 16 is used for at least one of a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer. 請求項17に記載のスルホン酸基含有架橋ポリマー組成物を、高分子電解質膜及び電極触媒層の少なくとも一方に用いた高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using a polymer electrolyte membrane / electrode assembly in which the sulfonic acid group-containing crosslinked polymer composition according to claim 17 is used in at least one of a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer.
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