JP2008078130A - Polymer electrolyte membrane, manufacturing method therefor, and evaluation method of the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, manufacturing method therefor, and evaluation method of the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane Download PDF

Info

Publication number
JP2008078130A
JP2008078130A JP2007218919A JP2007218919A JP2008078130A JP 2008078130 A JP2008078130 A JP 2008078130A JP 2007218919 A JP2007218919 A JP 2007218919A JP 2007218919 A JP2007218919 A JP 2007218919A JP 2008078130 A JP2008078130 A JP 2008078130A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
polymer electrolyte
ionic
electrolyte membrane
segment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007218919A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4914311B2 (en
Inventor
Junichi Ikeuchi
淳一 池内
Mitsunori Nodono
光紀 野殿
Takahiro Yamashita
恭弘 山下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Chemical Co Ltd filed Critical Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority to JP2007218919A priority Critical patent/JP4914311B2/en
Publication of JP2008078130A publication Critical patent/JP2008078130A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4914311B2 publication Critical patent/JP4914311B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane having superior proton conductivity in its thickness direction. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte membrane, preferably, contains a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and non-ionic segment having substantially no ionic functional group, and the phase containing ionic segments and the phase containing non-ionic segments are phase-separated, and in the surface region thereof, the change in the amount of ionic segment from the surface toward the interior decreases substantially monotonically. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質膜及びその製造方法、並びに、高分子電解質膜のプロトン伝導性の評価方法に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a method for producing the same, and a method for evaluating proton conductivity of the polymer electrolyte membrane.

従来、固体高分子型燃料電池に用いるための高分子電解質として、プロトン伝導性を有するナフィオン(デュポン社、登録商標)等のパーフルオロスルホン酸系のものが、燃料電池に優れた特性を付与できることが知られている。   Conventionally, as a polymer electrolyte for use in a polymer electrolyte fuel cell, perfluorosulfonic acid-based materials such as Nafion (registered trademark) having proton conductivity can impart excellent characteristics to the fuel cell. It has been known.

しかし、従来の高分子電解質は、高温での使用が困難な場合があり、また非常に高価であるため、これらの不都合を解消し得る高分子電解質膜の開発が活発化してきている。なかでも、耐熱性に優れ、フィルム強度の高い芳香族ポリエーテルにスルホン酸基を導入した高分子電解質が有望視されている。このような高分子電解質としては、例えば、スルホン化ポリエーテルケトン系(特許文献1)や、スルホン化ポリエーテルスルホン系(特許文献2、3)等の高分子電解質膜が提案されている。   However, since conventional polymer electrolytes may be difficult to use at high temperatures and are very expensive, the development of polymer electrolyte membranes that can eliminate these disadvantages has become active. Among these, polymer electrolytes in which sulfonic acid groups are introduced into aromatic polyethers having excellent heat resistance and high film strength are promising. As such polymer electrolytes, for example, polymer electrolyte membranes such as sulfonated polyether ketone (Patent Document 1) and sulfonated polyethersulfone (Patent Documents 2 and 3) have been proposed.

また、燃料電池用の高分子電解質膜に対しては、高出力を得るために、高いプロトン伝導性を有していることが必要とされる。高分子電解質膜のプロトン伝導性を上げる方法としては、一般に、スルホン酸基等のイオン性官能基を有する相を増やす方法等が知られている。なかでも、ミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜は、湿度の影響が小さく、高いプロトン伝導性を有することが知られている(特許文献4)。
特表平11−502249号公報 特開平10−45913号公報 特開平10−21943号公報 特開2003−31232号公報
In addition, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is required to have high proton conductivity in order to obtain high output. As a method for increasing the proton conductivity of a polymer electrolyte membrane, a method for increasing a phase having an ionic functional group such as a sulfonic acid group is generally known. Among these, it is known that a polymer electrolyte membrane having a microphase separation structure is less affected by humidity and has high proton conductivity (Patent Document 4).
Japanese National Patent Publication No. 11-502249 Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913 Japanese Patent Laid-Open No. 10-21944 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-3232

ところで、燃料電池には、近年、更なる出力の向上が求められている。より高い出力を得るためには、高分子電解質膜において、特に膜厚方向へのプロトン伝導性が高いことが好ましい。しかしながら、上記従来の高分子電解質は、膜厚方向のプロトン伝導性に優れる高分子電解質膜を得るのは困難な傾向にあった。   By the way, in recent years, further improvement in output has been demanded for fuel cells. In order to obtain higher output, it is preferable that the proton conductivity in the film thickness direction is particularly high in the polymer electrolyte membrane. However, it has been difficult for the conventional polymer electrolyte to obtain a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity in the film thickness direction.

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を提供することを目的とする。本発明はまた、このような本発明の高分子電解質膜を製造する方法、及び、高分子電解質膜のプロトン伝導性を評価する方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a polymer electrolyte membrane having proton conductivity excellent in the film thickness direction. It is another object of the present invention to provide a method for producing such a polymer electrolyte membrane of the present invention and a method for evaluating proton conductivity of the polymer electrolyte membrane.

上記目的を達成するため、本発明者らが鋭意研究を行った結果、膜厚方向のプロトン伝導性は、膜の表面領域において、イオン性官能基が膜厚方向において特定の分布状態を有するときに高められることを見出し、本発明を完成させるに至った。   In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive research. As a result, the proton conductivity in the film thickness direction is determined when the ionic functional group has a specific distribution state in the film thickness direction in the surface area of the film. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明の高分子電解質膜は、イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜であって、イオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離しており、少なくとも一方の表面領域において、表面側から内部側に向かうイオン性セグメントの量の変化が、実質的な単調減少であることを特徴とする。   That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group. , A phase containing many ionic segments and a phase containing many nonionic segments are separated, and in at least one surface region, the change in the amount of ionic segments from the surface side toward the inner side is substantially It is a characteristic monotonous decrease.

このように、表面領域においてイオン性セグメントが深さ方向に実質的に単調減少するように分布していると、この領域での膜厚方向へのイオンの伝導が良好となり、膜全体においても膜厚方向のプロトン伝導性が優れるようになる。これに対し、表面領域でイオン性セグメントの量が内部側に向かって増加していたり、増減の両方を含む大きな変化を生じていたりすると、プロトンの伝導が不利となり、結果的に膜厚方向に十分に高いプロトン伝導性が得られなくなる。   Thus, if the ionic segments are distributed in the surface region so as to substantially monotonously decrease in the depth direction, the conduction of ions in the film thickness direction in this region becomes good, and the film also in the whole film. Proton conductivity in the thickness direction is improved. On the other hand, if the amount of ionic segments in the surface region increases toward the inner side, or if there is a large change including both increases and decreases, proton conduction is disadvantageous, resulting in a film thickness direction. A sufficiently high proton conductivity cannot be obtained.

ここで、イオン性セグメントの量の変化が「実質的な単調減少である」とは、イオン性セグメントの量が内部に向かって全体として減少している傾向にあり、しかも、全ての深さ位置におけるイオン性セグメントの量が、上記の減少傾向からは大きくはずれていないことを意味する。したがって、全体として上記の減少傾向が保たれていれば、表面側よりも内部側の方がイオン性セグメントの量が多くなっている部分を有していてもよい。また、「表面領域」とは、高分子電解質膜の少なくとも一方の表面付近の領域をいう。例えば、後述するX線分光測定におけるSiO換算の深さが4nmまでの領域であると好ましい。具体的には、表面から1000nmまでの実際の深さ領域であると好適である。 Here, the change in the amount of the ionic segment is “substantially monotonically decreasing”. The amount of the ionic segment tends to decrease as a whole toward the inside, and all depth positions This means that the amount of the ionic segment in is not greatly deviated from the above-mentioned decreasing tendency. Therefore, as long as the above-described decreasing tendency is maintained, the inner side may have a portion where the amount of ionic segments is larger than the front side. Further, the “surface region” refers to a region near at least one surface of the polymer electrolyte membrane. For example, it is preferable that the depth in terms of SiO 2 in the X-ray spectroscopic measurement described later is a region up to 4 nm. Specifically, an actual depth region from the surface to 1000 nm is preferable.

表面領域におけるイオン性セグメントの分布は、例えば、X線光電子分光(以下、「XPS」と略す)測定により得られる信号強度によって把握することができる。すなわち、本発明の高分子電解質膜は、イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜であって、イオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離しており、XPSによる、イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度をAとし、非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度をBとしたとき、少なくとも一方の表面領域において、表面側から内部側に向かうA/(A+B)で表される値の変化が、実質的な単調減少であることを特徴としてもよい。   The distribution of ionic segments in the surface region can be grasped by, for example, signal intensity obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter abbreviated as “XPS”) measurement. That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group. The phase is separated into a phase containing many ionic segments and a phase containing many nonionic segments, and the intensity of a specific signal selected from signals derived from ionic segments by XPS is A, When the intensity of a specific signal selected from signals derived from sex segments is B, the change in the value represented by A / (A + B) from the surface side to the inside side is substantially in at least one surface region. It may be characterized by a monotonous decrease.

また、各深さ位置における上述した信号強度は、C60イオンを用いたスパッタリングにより表面を徐々に除去しながら、それぞれの表面でXPS測定を行うことによって求めることが好ましい。すなわち、上記A/(A+B)で表される値の変化は、C60イオンを用いたスパッタリングとA/(A+B)で表される値の測定とを繰り返し行なったときのスパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化である。これは、上記A/(A+B)で表される値の変化は、C60イオンを用いたスパッタリングを表面から内部側に向かう方向に行ったときの、その経過時間tに対するそれぞれのtの時点での表面で得られる上記A/(A+B)で表される値の変化であると言い換えることもできる。 Further, the signal intensity described above at each depth position, while gradually removing the surface by sputtering using a C 60 ion, it is preferably determined by performing XPS measurement on each surface. That is, the change in the value represented by A / (A + B) described above is that A / with respect to the sputtering time t when sputtering using C 60 ions and measurement of the value represented by A / (A + B) are repeated. This is a change in the value of (A + B). This is because the change in the value represented by A / (A + B) is at each time point t with respect to the elapsed time t when sputtering using C 60 ions is performed in the direction from the surface toward the inside. In other words, it is a change in the value represented by A / (A + B) obtained on the surface.

上述した「実質的な単調減少」は、例えば、このtとA/(A+B)で表される値との相関係数によって確認することができる。すなわち、上記表面領域において、スパッタリングの開始時点から、SiO換算0.1nm以上0.5nm以下の時間が経過するごとにA/(A+B)の値を測定し、1回目から任意のn回目までの測定で得られるtとA/(A+B)で表される値との相関係数を求めたとき、nが4以上である場合に得られる全ての相関係数が負となる場合が、「実質的な単調減少」であるとすることが好ましい。かかる条件を満たすようにA/(A+B)の値が変化していると、高分子電解質膜は、膜厚方向に良好なプロトン伝導性をより確実に有するものとなる。 The “substantially monotonous decrease” described above can be confirmed by, for example, a correlation coefficient between t and a value represented by A / (A + B). That is, in the surface region, the value of A / (A + B) is measured every time a time of 0.1 nm or more and 0.5 nm or less in terms of SiO 2 has elapsed from the start of sputtering, and from the first time to any n-th time When the correlation coefficient between t obtained by the measurement of A and the value represented by A / (A + B) is obtained, all correlation coefficients obtained when n is 4 or more are negative. It is preferable to be “substantially monotonically decreasing”. When the value of A / (A + B) is changed so as to satisfy such a condition, the polymer electrolyte membrane more reliably has good proton conductivity in the film thickness direction.

また、イオン性セグメント又は非イオン性セグメントに由来する特定の信号は、以下のような信号であると好ましい。すなわち、上記イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号は、主な非イオン性セグメントからは観測されない信号であるであると好ましい。また、上記非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号は、主なイオン性セグメントからは観測されない信号であると好ましい。   In addition, the specific signal derived from the ionic segment or the nonionic segment is preferably the following signal. That is, the specific signal selected from the signals derived from the ionic segments is preferably a signal that is not observed from the main nonionic segments. The specific signal selected from the signals derived from the nonionic segments is preferably a signal that is not observed from the main ionic segments.

これらにより、各信号強度の測定に用いる特定の信号が、イオン性又は非イオン性セグメントの含有量をより正確に反映したものとなる。この効果をより良好に得るためには、各特定の信号は、上記の両方の条件を満たすように選択されたものであるとより好ましい。なお、上述した「主なイオン性セグメント」とは、イオン性セグメントに分類されるセグメントのうちの最も比率の高い種類をいい、「主な非イオン性セグメント」も同様の定義である。そして、主なイオン性セグメント又は非イオン性セグメントからは観測されない信号とは、各セグメントのうちの50重量%以上を占めるセグメントから観測されない信号であると好ましく、70重量%以上を占めるセグメントから観測されない信号であるとより好ましい。   Thus, the specific signal used for measuring each signal intensity more accurately reflects the content of ionic or nonionic segments. In order to obtain this effect better, it is more preferable that each specific signal is selected so as to satisfy both of the above conditions. The “main ionic segment” described above refers to the type with the highest ratio among the segments classified as the ionic segment, and the “main nonionic segment” has the same definition. The signal that is not observed from the main ionic segment or the nonionic segment is preferably a signal that is not observed from a segment that occupies 50% by weight or more of each segment, and is observed from a segment that occupies 70% by weight or more. More preferably, the signal is not used.

また、本発明の高分子電解質膜は、イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜であって、イオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離しており、その表面領域に、非イオン性セグメントの濃度が全体の平均よりも実質的に高い層状部分を有しないことを特徴とするものであっても好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group. Phase separated into a phase rich in ionic segments and a phase rich in nonionic segments, and a layered portion having a concentration of the nonionic segments substantially higher than the overall average in the surface region. Even if it is characterized by not having, it is preferable.

このような高分子電解質膜は、その表面領域に非イオン性セグメントの濃度が全体に比べて高い層状部分を有していないため、厚さ方向のプロトン伝導が極端に阻害されることが少ない。そのため、かかる本発明の高分子電解質膜は、厚さ方向のプロトン伝導性が良好であるという特性を有するものとなる。   Since such a polymer electrolyte membrane does not have a layered portion having a higher concentration of nonionic segments than the whole in its surface region, proton conduction in the thickness direction is rarely inhibited. Therefore, the polymer electrolyte membrane of the present invention has a characteristic that proton conductivity in the thickness direction is good.

本発明の高分子電解質膜を構成する高分子化合物は、芳香族系高分子化合物であると好ましい。このような化合物は、プロトン伝導性に優れており、膜厚方向のプロトン伝導性を高めることができる。   The polymer compound constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably an aromatic polymer compound. Such a compound is excellent in proton conductivity and can improve proton conductivity in the film thickness direction.

この芳香族系の高分子化合物は、下記一般式(1)で表される構造単位を含むものであると、特に優れたプロトン伝導性を発揮し得ることから好適である。

Figure 2008078130

[式中、Arは、芳香環に直接結合したイオン性官能基を置換基として少なくとも有する2価の芳香族基を示し、Xは、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。] It is preferable that the aromatic polymer compound includes a structural unit represented by the following general formula (1) because it can exhibit particularly excellent proton conductivity.
Figure 2008078130

[Wherein Ar 1 represents a divalent aromatic group having at least an ionic functional group directly bonded to an aromatic ring as a substituent, and X 1 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. Indicates a group. ]

また、高分子化合物は、上記イオン性セグメント及び上記非イオン性セグメントを有するブロック共重合体であると特に好ましい。このようなブロック共重合体は、高分子電解質膜を形成した場合に、イオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相との相分離を生じ易いため、本発明の高分子電解質膜の構成材料として有効である。   The polymer compound is particularly preferably a block copolymer having the ionic segment and the nonionic segment. Since such a block copolymer is likely to cause phase separation between a phase containing many ionic segments and a phase containing many nonionic segments when a polymer electrolyte membrane is formed, the polymer of the present invention It is effective as a constituent material of the electrolyte membrane.

より具体的には、このブロック共重合体においては、イオン性セグメントが、下記一般式(2)で表される構造を有することが好ましい。

Figure 2008078130

[式中、Ar11は、芳香環に直接結合したイオン性官能基を置換基として少なくとも有する2価の芳香族基を示し、X11は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。dは2以上の整数である。] More specifically, in this block copolymer, the ionic segment preferably has a structure represented by the following general formula (2).
Figure 2008078130

[In the formula, Ar 11 represents a divalent aromatic group having at least an ionic functional group directly bonded to an aromatic ring as a substituent, and X 11 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. Indicates a group. d is an integer of 2 or more. ]

特に、イオン性セグメントは、下記一般式(3a)又は下記一般式(3b)で表される構造を有していると、優れたプロトン伝導性を発揮し得る傾向にある。

Figure 2008078130

[式中、X12は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示し、Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基を示し、Jはイオン性官能基を示し、p及びqはそれぞれ独立に1又は2であり、dは2以上の整数である。] In particular, when the ionic segment has a structure represented by the following general formula (3a) or the following general formula (3b), it tends to exhibit excellent proton conductivity.
Figure 2008078130

[Wherein, X 12 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group, and each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or 1 to 20 carbon atoms. Represents an alkoxy group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, J 1 represents an ionic functional group, and p and q are independent of each other. 1 or 2, and d is an integer of 2 or more. ]

これらの高分子化合物が有しているイオン性官能基は、スルホン酸基であると好ましい。イオン性官能基としてスルホン酸基を有する高分子化合物、ブロック共重合体は、特に優れたプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を構成し得る。   The ionic functional group possessed by these polymer compounds is preferably a sulfonic acid group. A polymer compound or block copolymer having a sulfonic acid group as an ionic functional group can constitute a polymer electrolyte membrane having particularly excellent proton conductivity.

一方、上記のブロック共重合体における非イオン性セグメントは、下記一般式(5)で表される構造を有することが好ましい。これにより、上記のイオン性セグメントとともに相分離構造の形成が有利となる。

Figure 2008078130

[式中、Ar22は、イオン性官能基を有しない2価の芳香族基を示し、X22は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。eは2以上の整数である。] On the other hand, it is preferable that the nonionic segment in said block copolymer has a structure represented by following General formula (5). Thereby, formation of a phase-separated structure with said ionic segment becomes advantageous.
Figure 2008078130

[In the formula, Ar 22 represents a divalent aromatic group having no ionic functional group, and X 22 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. e is an integer of 2 or more. ]

より具体的には、非イオン性セグメントとしては、下記一般式(6)で表される構造を有するものが好適である。

Figure 2008078130

[式中、a、b及びcはそれぞれ独立に0又は1であり、zは正の整数である。Ar、Ar、Ar及びArはそれぞれ独立にそれぞれ独立にイオン性官能基を有しない2価の芳香族基を示し、X及びX´はそれぞれ独立に直接結合又は2価の基を示し、Y及びY´はそれぞれ独立にオキシ基又はチオキシ基を示す。] More specifically, as the nonionic segment, those having a structure represented by the following general formula (6) are preferable.
Figure 2008078130

[Wherein, a, b and c are each independently 0 or 1, and z is a positive integer. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 and Ar 5 each independently represent a divalent aromatic group having no ionic functional group, and X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group. Y and Y ′ each independently represent an oxy group or a thioxy group. ]

また、本発明による高分子電解質膜の製造方法は、上記本発明の高分子電解質膜を好適に製造するための方法である。すなわち、本発明の製造方法は、イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質からなる高分子電解質膜の製造方法であって、高分子電解質を含む溶液を、金属又は金属酸化物からなる表面を有する基材上に塗布する工程と、溶液から溶媒を蒸発させる蒸発工程とを有しており、この蒸発工程において、溶媒の蒸発が開始してから完了するまでの時間を60分以下とすることを特徴とする。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention is a method for suitably producing the polymer electrolyte membrane of the present invention. That is, the production method of the present invention comprises a polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte containing a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group. The method includes: a step of applying a solution containing a polymer electrolyte onto a substrate having a surface made of a metal or metal oxide, and an evaporation step of evaporating the solvent from the solution. In the evaporation step, the time from the start of the evaporation of the solvent to the completion thereof is set to 60 minutes or less.

上述したように、高分子電解質膜は、その表面領域において上述したようなイオン性セグメントの分布を有していると、特に膜厚方向に優れたプロトン伝導性を発揮し得る。したがって、このような表面領域のイオン性セグメントの分布の確認は、高分子電解質膜の膜厚方向へのプロトン伝導性の評価方法としても適用できる。   As described above, when the polymer electrolyte membrane has the distribution of the ionic segments as described above in its surface region, it can exhibit excellent proton conductivity particularly in the film thickness direction. Therefore, confirmation of the distribution of the ionic segments in the surface region can be applied as a method for evaluating proton conductivity in the film thickness direction of the polymer electrolyte membrane.

このような観点に基づき、本発明は、イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜のプロトン伝導性の評価方法であって、C60イオンを用いたスパッタリングを表面から内部側に行い、その経過時間tにおけるそれぞれの時点での表面のXPS測定を行うことにより、各tの時点でのイオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度A、及び、非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度Bを求めるステップと、tに対するA/(A+B)で表される値の変化が、実質的な単調減少であるか否かを判定するステップとを有する評価方法を提供する。 Based on such a viewpoint, the present invention is directed to proton conduction of a polymer electrolyte membrane containing a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment having substantially no ionic functional group. In this method, sputtering using C 60 ions is performed from the surface to the inside, and the XPS measurement of the surface at each time point during the elapsed time t is performed, whereby the ionicity at each time point t is measured. A step of obtaining an intensity A of a specific signal selected from signals derived from a segment and an intensity B of a specific signal selected from signals derived from a nonionic segment, and expressed by A / (A + B) with respect to t Determining whether the change in value is a substantially monotonic decrease.

上記評価方法において、表面領域でのtに対するA/(A+B)で表される値の変化が、実質的な単調減少であると判定された場合は、その高分子電解質膜は、膜厚方向に十分なプロトン伝導性を有するものであると評価することができる。   In the above evaluation method, when it is determined that the change in the value represented by A / (A + B) with respect to t in the surface region is a substantially monotonic decrease, the polymer electrolyte membrane is in the film thickness direction. It can be evaluated that it has sufficient proton conductivity.

このような評価方法においては、第1のステップにおいて、スパッタリングの開始から、SiO換算0.1nm以上0.5nm以下の時間が経過するごとにA/(A+B)を測定し、第2のステップにおいて、1回目から任意のn回目までの測定で得られるtとA/(A+B)で表される値との相関係数を求め、nが4以上である場合に得られる全ての相関係数の正負を判定することが好ましい。これにより、表面領域のイオン性セグメントの減少傾向をより正確に把握することが可能となり、高分子電解質膜の膜厚方向のプロトン伝導性を良好に評価することができるようになる。 In such an evaluation method, in the first step, A / (A + B) is measured every time a time of 0.1 nm to 0.5 nm in terms of SiO 2 has elapsed from the start of sputtering, and the second step In the above, the correlation coefficient between t obtained by the first measurement to any nth measurement and the value represented by A / (A + B) is obtained, and all correlation coefficients obtained when n is 4 or more It is preferable to determine the positive / negative of. Thereby, it becomes possible to grasp the decreasing tendency of the ionic segment in the surface region more accurately, and the proton conductivity in the film thickness direction of the polymer electrolyte membrane can be evaluated well.

本発明によれば、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を提供することが可能となる。また、このような本発明の高分子電解質膜を製造する方法、及び、高分子電解質膜のプロトン伝導性を評価する方法を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the polymer electrolyte membrane which has the proton conductivity excellent in the film thickness direction. It is also possible to provide a method for producing such a polymer electrolyte membrane of the present invention and a method for evaluating the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane.

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

(高分子電解質)
まず、好適な実施形態の高分子電解質膜を構成する好適な高分子電解質について説明する。高分子電解質は、イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有するものである。
(Polymer electrolyte)
First, the suitable polymer electrolyte which comprises the polymer electrolyte membrane of suitable embodiment is demonstrated. The polyelectrolyte contains a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment having substantially no ionic functional group.

このような高分子電解質としては、上記構造を有するものであれば特に制限なく適用できる。例えば、イオン性官能基をプロトン伝導性基として有する高分子電解質の代表例としては、下記(A)〜(D)が挙げられる。
(A)脂肪族炭化水素からなる主鎖を有する炭化水素系高分子化合物に、イオン性官能基を導入した高分子電解質、
(B)芳香環を含む主鎖を有する芳香族系高分子化合物に、イオン性官能基を導入した芳香族系高分子電解質、
(C)脂肪族炭化水素とシロキサン基、フォスファゼン基などの無機の単位構造からなる主鎖を有する重合体に、イオン性官能基を導入した炭化水素系高分子電解質、
(D)上記(A)〜(C)におけるイオン性官能基導入前の高分子化合物が有している繰り返し単位が適宜組み合わせされた共重合体に、イオン性官能基を導入した高分子電解質等が挙げられる。
As such a polymer electrolyte, any polymer electrolyte can be used without particular limitation as long as it has the above structure. For example, the following (A)-(D) are mentioned as a typical example of the polymer electrolyte which has an ionic functional group as a proton conductive group.
(A) a polymer electrolyte in which an ionic functional group is introduced into a hydrocarbon polymer compound having a main chain composed of an aliphatic hydrocarbon;
(B) an aromatic polymer electrolyte in which an ionic functional group is introduced into an aromatic polymer compound having a main chain containing an aromatic ring,
(C) a hydrocarbon polymer electrolyte in which an ionic functional group is introduced into a polymer having a main chain composed of an inorganic unit structure such as an aliphatic hydrocarbon and a siloxane group or a phosphazene group
(D) A polymer electrolyte in which an ionic functional group is introduced into a copolymer in which the repeating units possessed by the polymer compound before the introduction of the ionic functional group in (A) to (C) are appropriately combined Is mentioned.

これらのなかでも、耐熱性やリサイクルの容易さといった観点から、高分子電解質としては、上記(B)のような芳香族系高分子電解質が好ましい。好適な芳香族系高分子電解質としては、高分子鎖の主鎖に芳香族環を有し、且つ、側鎖及び/又は主鎖にイオン性官能基を有している高分子化合物が挙げられる。この芳香族系高分子電解質は、溶媒に可溶なものが好適である。これらは、公知の溶液キャスト法により容易に膜化することが可能である。   Among these, from the viewpoint of heat resistance and ease of recycling, the polymer electrolyte is preferably an aromatic polymer electrolyte such as the above (B). Suitable aromatic polymer electrolytes include polymer compounds having an aromatic ring in the main chain of the polymer chain and an ionic functional group in the side chain and / or main chain. . This aromatic polymer electrolyte is preferably soluble in a solvent. These can be easily formed into a film by a known solution casting method.

芳香族系高分子電解質におけるイオン性官能基は、高分子の主鎖を構成している芳香族環に直接置換していてもよく、主鎖を構成している芳香族環に連結基を介して結合していてもよく、これらの両方であってもよい。   The ionic functional group in the aromatic polyelectrolyte may be directly substituted on the aromatic ring constituting the main chain of the polymer, and the linking group is connected to the aromatic ring constituting the main chain. Or may be both of them.

ここで、芳香環を含む主鎖を有する芳香族系高分子化合物には、例えば、ポリアリーレンのように芳香環同士が連結された主鎖を有するものや、芳香環が2価の基を介して連結された主鎖を有するものがある。後者の主鎖における2価の基としては、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基、スルフィニル基、スルホニル基、アミド基、エステル基、炭酸エステル基、炭素数1〜4程度のアルキレン基、炭素数2〜4程度のアルケニル基、炭素数2〜4程度のアルキニル基等が挙げられる。なかでも、オキシ基、チオキシ基、スルホニル基又はカルボニル基が好ましい。   Here, the aromatic polymer compound having a main chain containing an aromatic ring includes, for example, those having a main chain in which aromatic rings are linked, such as polyarylene, and the aromatic ring via a divalent group. Some have a main chain linked together. Examples of the divalent group in the latter main chain include an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group, a sulfinyl group, a sulfonyl group, an amide group, an ester group, a carbonate group, an alkylene group having about 1 to 4 carbon atoms, and a carbon number of 2 An alkenyl group having about ˜4, an alkynyl group having about 2 to 4 carbon atoms and the like can be mentioned. Of these, an oxy group, a thioxy group, a sulfonyl group, or a carbonyl group is preferable.

また、芳香族系高分子化合物における主鎖に含まれる芳香環としては、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセンジイル基、フルオレンジイル基、ビフェニリレン基等の2価の芳香族基、ピリジンジイル基、フランジイル基、チオフェニレン基、イミダゾリル基、インドールジイル基、キノキサリンジイル基等の2価の芳香族複素環基等が挙げられる。   The aromatic ring contained in the main chain of the aromatic polymer compound includes divalent aromatic groups such as phenylene group, naphthylene group, anthracene diyl group, fluorenediyl group, biphenylylene group, pyridinediyl group, flange, etc. And divalent aromatic heterocyclic groups such as yl, thiophenylene, imidazolyl, indolediyl and quinoxalinediyl.

このような芳香族系高分子電解質としては、下記一般式(1)に示す構造単位を含むものが好適である。

Figure 2008078130

[式中、Arは、芳香環に直接結合したイオン性官能基を置換基として少なくとも有する2価の芳香族基を示し、Xは、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。] As such an aromatic polymer electrolyte, those containing a structural unit represented by the following general formula (1) are suitable.
Figure 2008078130

[Wherein Ar 1 represents a divalent aromatic group having at least an ionic functional group directly bonded to an aromatic ring as a substituent, and X 1 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. Indicates a group. ]

上記一般式(1)におけるArとしては、上記で例示した2価の芳香族基が好ましく、特にフェニレン基、ビフェニレン基、ナフタレンジイル基が好ましい。この2価の芳香族基は、上記のイオン性官能基以外に置換基を有していてもよい。置換基としては、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、炭素数2〜20のアシル基、ハロゲノ基、ニトロ基等が挙げられる。 As Ar 1 in the general formula (1), the divalent aromatic groups exemplified above are preferable, and a phenylene group, a biphenylene group, and a naphthalenediyl group are particularly preferable. This divalent aromatic group may have a substituent in addition to the above ionic functional group. As a substituent, it may have a C1-C20 alkyl group which may have a substituent, a C1-C20 alkoxy group which may have a substituent, and a substituent. Examples thereof include an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, a halogeno group, and a nitro group.

また、イオン性官能基とは、高分子電解質膜を形成した場合に、イオン伝導、特にプロトン伝導を生じさせることができる官能基であり、イオン交換基が代表的である。このイオン交換基は、カチオン交換基(酸性基)とアニオン交換基(塩基性基)のどちらでもよいが、高いプロトン伝導性を得る観点からは、カチオン交換基が好ましい。   The ionic functional group is a functional group that can cause ion conduction, particularly proton conduction, when a polymer electrolyte membrane is formed, and an ion exchange group is representative. The ion exchange group may be either a cation exchange group (acidic group) or an anion exchange group (basic group), but a cation exchange group is preferred from the viewpoint of obtaining high proton conductivity.

カチオン交換基としては、−SOH、−COOH、−PO(OH)、−POH(OH)、−SONHSO−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等が例示できる。一方、アニオン交換基としては、−NH、−NHR、−NRR´、−NRR´R´´、−NH 等(R、R´及びR´´は、それぞれ独立に、アルキル基、シクロアルキル基又はアリール基を示す)等が例示できる。これらのイオン交換基は、その一部又は全部が対イオンとの塩を形成していてもよい。 Examples of the cation exchange group include —SO 3 H, —COOH, —PO (OH) 2 , —POH (OH), —SO 2 NHSO 2 —, —Ph (OH) (Ph represents a phenyl group), and the like. it can. On the other hand, as the anion exchange group, —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′ and R ″ each independently represents an alkyl group, And a cycloalkyl group or an aryl group). Some or all of these ion exchange groups may form a salt with a counter ion.

一般式(1)で表される構造を有する芳香族系高分子化合物の代表例としては、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリ((4−フェノキシベンゾイル)−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の重合体にそれぞれイオン性官能基が導入されたものや、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール(例えば、特開平9−110982号公報)、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)(例えば、J. Appl. Polym. Sci., 18, 1969 (1974))等が挙げられる。   Representative examples of the aromatic polymer compound having the structure represented by the general formula (1) include polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, poly (arylene ether), Polymers such as polyimide, polyphenylene, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, polyphenylquinoxalene, etc., each having an ionic functional group introduced, or sulfoarylated polybenz Imidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole (for example, JP-A-9-110882), phosphonated poly (phenylene ether) (for example, J. Appl. Polym. Sci., 18, 1969 ( 1974)).

高分子電解質を構成する高分子化合物は、イオン性官能基を有するセグメント(以下、「イオン性セグメント」と略す)と、イオン性官能基を実質的に有しないセグメント(非イオン性セグメント)との両方を有する。ここで、「セグメント」とは、高分子化合物において一定の物理化学的性質を有する構成単位を意味しており、例えば、主な構成要素が同じ繰り返し単位によって構成されている構成単位である。ブロック共重合体と呼ばれる高分子化合物におけるブロックがこのようなセグメントの代表例である。他に、交互共重合体やランダム共重合体(例えば、特開平11−116679号公報)中の一つの繰り返し単位もこのようなセグメントと見なすことができる。   The polymer compound constituting the polyelectrolyte is composed of a segment having an ionic functional group (hereinafter abbreviated as “ionic segment”) and a segment having substantially no ionic functional group (nonionic segment). Have both. Here, the “segment” means a structural unit having a certain physicochemical property in the polymer compound. For example, the “segment” is a structural unit in which main components are composed of the same repeating unit. A block in a polymer compound called a block copolymer is a typical example of such a segment. In addition, one repeating unit in an alternating copolymer or a random copolymer (for example, JP-A-11-116679) can also be regarded as such a segment.

なかでも、高分子電解質を構成する高分子化合物が、上記のブロック共重合体、すなわち、イオン性セグメント及び非イオン性セグメントを有するブロック共重合体であると、イオン性セグメントと非イオン性セグメントとがそれぞれ膜中でドメインを形成することによって、イオン性セグメントを多く含む相と非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離された膜を構成し易いことから好ましい。なお、このようなブロック共重合体は、イオン性セグメント及び非イオン性セグメントに加えて、他の構成単位を有していてもよい。他の構成単位としては、イオン性セグメントと非イオン性セグメントとを連結するような構成単位等が挙げられる。   Among them, when the polymer compound constituting the polymer electrolyte is the above block copolymer, that is, a block copolymer having an ionic segment and a nonionic segment, an ionic segment and a nonionic segment However, it is preferable to form a phase-separated film into a phase containing many ionic segments and a phase containing many nonionic segments by forming domains in the film. Such a block copolymer may have other structural units in addition to the ionic segment and the nonionic segment. Examples of the other structural unit include a structural unit that connects an ionic segment and a nonionic segment.

ブロック共重合体の具体的な例としては、特開2001−250567号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーセグメントを有するブロック共重合体、特開2003−31232号公報、特開2004−359925号公報、特開2005−232439号公報、特開2003−113136号公報等に記載の、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造としており、且つスルホン酸基を含むセグメントを有しているブロック共重合体が挙げられる。   Specific examples of the block copolymer include a block copolymer having a sulfonated aromatic polymer segment described in JP-A-2001-250567, JP-A-2003-32322, and JP-A-2004-359925. No. 2005-234439, JP-A No. 2003-113136, etc., a block having a polyether ketone and a polyether sulfone as a main chain structure and a segment containing a sulfonic acid group A copolymer is mentioned.

以下、高分子電解質として好適な、イオン性セグメント及び非イオン性セグメントを有するブロック共重合体の好適な例について詳細に説明する。   Hereinafter, a suitable example of a block copolymer having an ionic segment and a nonionic segment suitable as a polymer electrolyte will be described in detail.

まず、イオン性セグメントとしては、上記一般式(1)で表される構造単位が複数連結された構造を含むセグメントが好ましい。なお、このようなセグメント中には、イオン性官能基を有しない構造単位、例えば、上記一般式(1)においてArとしてイオン性官能基を有しない2価の芳香族基を有する構造単位が一部に含まれていてもよい。この場合、イオン性セグメントに該当する目安としては、1つの構造単位当たりに平均して0.5個以上のイオン性官能基を有することが挙げられる。イオン性セグメントとしては、例えば、下記一般式(2)で表される構造を有するセグメントが挙げられる。

Figure 2008078130

[式中、Ar11は、芳香環に直接結合したイオン性官能基を置換基として少なくとも有する2価の芳香族基を示し、X11は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。dは2以上の整数である。] First, as the ionic segment, a segment including a structure in which a plurality of structural units represented by the general formula (1) is connected is preferable. In addition, in such a segment, there is a structural unit having no ionic functional group, for example, a structural unit having a divalent aromatic group not having an ionic functional group as Ar 1 in the general formula (1). It may be included in a part. In this case, as a guideline corresponding to the ionic segment, there is an average of 0.5 or more ionic functional groups per structural unit. Examples of the ionic segment include a segment having a structure represented by the following general formula (2).
Figure 2008078130

[In the formula, Ar 11 represents a divalent aromatic group having at least an ionic functional group directly bonded to an aromatic ring as a substituent, and X 11 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. Indicates a group. d is an integer of 2 or more. ]

式中のAr11としては、上述したArと同様のものが例示できる。このAr11における2価の芳香族基のイオン性官能基以外の置換基としては、具体的には、以下のものが例示できる。すなわち、まず、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−メチルペンチル基等の炭素数1〜20のアルキル基や、これらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換した基が挙げられる。これらの基は、その総炭素数が1〜20となるものであると好ましい。 Ar 11 in the formula can be exemplified by the same as Ar 1 described above. Specific examples of the substituent other than the ionic functional group of the divalent aromatic group in Ar 11 include the following. That is, first, as the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, C1-C20 alkyl groups such as isobutyl group, n-pentyl group, 2,2-dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, etc., and fluorine atoms in these groups , Hydroxyl groups, nitrile groups, amino groups, methoxy groups, ethoxy groups, isopropyloxy groups, phenyl groups, naphthyl groups, phenoxy groups, naphthyloxy groups and the like. These groups are preferably those having a total carbon number of 1 to 20.

置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、n−ペンチルオキシ基、2,2−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、2−メチルペンチルオキシ基等の炭素数1〜20のアルコキシ基や、これらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換した基が挙げられる。これらの基は、その総炭素数が1〜20であると好ましい。   Examples of the alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent include a methoxy group, an ethoxy group, an n-propyloxy group, an isopropyloxy group, an n-butyloxy group, a sec-butyloxy group, and a tert- 1 to 20 carbon atoms such as butyloxy group, isobutyloxy group, n-pentyloxy group, 2,2-dimethylpropyloxy group, cyclopentyloxy group, n-hexyloxy group, cyclohexyloxy group, 2-methylpentyloxy group Alkoxy groups and groups in which these groups are substituted with fluorine atoms, hydroxyl groups, nitrile groups, amino groups, methoxy groups, ethoxy groups, isopropyloxy groups, phenyl groups, naphthyl groups, phenoxy groups, naphthyloxy groups, etc. . These groups preferably have 1 to 20 carbon atoms in total.

置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ビフェニル基等のアリール基や、これらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換した基が挙げられる。これらの基は、その総炭素数が6〜20であると好ましい。   Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent include aryl groups such as a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a biphenyl group, and these groups include a fluorine atom, a hydroxyl group, and a nitrile. And groups substituted by a group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, and the like. These groups preferably have a total carbon number of 6-20.

置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基としては、例えば、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、アントラセニルオキシ基、ビフェニルオキシ基等のアリールオキシ基や、これらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換した基が挙げられる。これらの基も、その総炭素数が6〜20であると好ましい。   Examples of the aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent include aryloxy groups such as a phenoxy group, a naphthyloxy group, an anthracenyloxy group, and a biphenyloxy group, and these groups. Examples include groups substituted by fluorine atoms, hydroxyl groups, nitrile groups, amino groups, methoxy groups, ethoxy groups, isopropyloxy groups, phenyl groups, naphthyl groups, phenoxy groups, naphthyloxy groups, and the like. These groups also preferably have a total carbon number of 6-20.

炭素数2〜20のアシル基としては、例えば、ベンゾイル基、ナフトイル基、アセチル基、プロピオニル基等のアシル基等が挙げられ、置換基を有していてもよい。置換基としては、フッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が挙げられる。これらの基も、その総炭素数が2〜20であると好ましい。   Examples of the acyl group having 2 to 20 carbon atoms include acyl groups such as a benzoyl group, a naphthoyl group, an acetyl group, and a propionyl group, and may have a substituent. Examples of the substituent include a fluorine atom, a hydroxyl group, a nitrile group, an amino group, a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a phenyl group, a naphthyl group, a phenoxy group, and a naphthyloxy group. These groups also preferably have a total carbon number of 2-20.

一般式(2)中のdは、括弧内の構造の繰り返し単位数を示す2以上の整数であり、このイオン性セグメントの重合度を表す数である。dは、5以上の整数であると好ましく、5〜1000の範囲の整数であるとより好ましく、10〜1000の整数であると更に好ましく、20〜500の整数であると一層好ましい。このdが5以上であると、このようなイオン性セグメントを含む高分子電解質によるプロトン伝導性が良好となるため、好ましい。一方、dの値が1000以下であると、プロトン伝導性を十分に確保しながら当該セグメントの製造を容易化できるため、好ましい。   D in the general formula (2) is an integer of 2 or more indicating the number of repeating units of the structure in parentheses, and is a number representing the degree of polymerization of this ionic segment. d is preferably an integer of 5 or more, more preferably an integer in the range of 5 to 1000, still more preferably an integer of 10 to 1000, and even more preferably an integer of 20 to 500. It is preferable that d is 5 or more because proton conductivity by the polymer electrolyte containing such an ionic segment is improved. On the other hand, it is preferable that the value of d is 1000 or less because the production of the segment can be facilitated while sufficiently ensuring proton conductivity.

上記一般式(2)で表されるセグメントの好適な具体例としては、下記一般式(3a)又は(3b)で表されるセグメントが挙げられる。

Figure 2008078130

[式中、X12は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示し、Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基を示し、Jはイオン性官能基を示し、p及びqはそれぞれ独立に1又は2であり、dは2以上の整数である。] Preferable specific examples of the segment represented by the general formula (2) include a segment represented by the following general formula (3a) or (3b).
Figure 2008078130

[Wherein, X 12 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group, and each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or 1 to 20 carbon atoms. Represents an alkoxy group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, J 1 represents an ionic functional group, and p and q are independent of each other. 1 or 2, and d is an integer of 2 or more. ]

このようなイオン性セグメントを含むブロック共重合体からなる高分子電解質は、高度のプロトン伝導性を有しながら、さらに吸水寸法安定性にも優れ、膜強度の点でも特に優れる高分子電解質膜を形成できるものとなる。式(3a)及び(3b)中のRは、上記の置換基を表すが、なかでも、水素原子が好ましい。つまり、式(3a)及び(3b)中の芳香族基としては、それぞれ、フェニレン基又はナフタレンジイル基であってイオン性官能基以外の置換基を有しないものが特に好適である。 A polymer electrolyte comprising a block copolymer containing such an ionic segment is a polymer electrolyte membrane that has a high proton conductivity, is also excellent in water absorption dimensional stability, and is particularly excellent in membrane strength. It can be formed. R 1 in the formulas (3a) and (3b) represents the above substituent, and among them, a hydrogen atom is preferable. That is, as the aromatic groups in the formulas (3a) and (3b), those that are each a phenylene group or a naphthalenediyl group and have no substituent other than the ionic functional group are particularly suitable.

上記一般式(3a)で表されるセグメントとしては、例えば、イオン性官能基としてスルホン酸基を有するもので例示すると、下記の3a−1〜3a−12から選ばれる構造単位を含むセグメントが挙げられる。これらのセグメントは、例えば、特開2004−190002号公報等に準拠して製造することができる。   Examples of the segment represented by the general formula (3a) include a segment containing a structural unit selected from the following 3a-1 to 3a-12 when exemplified by those having a sulfonic acid group as an ionic functional group. It is done. These segments can be manufactured according to, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-190002.

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

また、上記一般式(3b)で表されるセグメントの具体例としては、イオン性官能基としてスルホン酸基を有するもので例示すると、下記の3b−1〜3b−12から選ばれる構造単位を含むセグメントが挙げられる。

Figure 2008078130
In addition, specific examples of the segment represented by the general formula (3b) include structural units selected from the following 3b-1 to 3b-12 when exemplified by those having a sulfonic acid group as an ionic functional group. Segment.
Figure 2008078130

さらに、イオン性セグメントとしては、上記一般式(3a)で表されるセグメントを構成する構造単位と、上記一般式(3b)で表されるセグメントを構成する構造単位とを組み合わせて有するセグメントでもよい。このようなセグメントは、これらが合計でd個連結してなるものが好ましい。   Further, the ionic segment may be a segment having a combination of the structural unit constituting the segment represented by the general formula (3a) and the structural unit constituting the segment represented by the general formula (3b). . Such segments are preferably formed by connecting a total of d segments.

イオン性官能基としては、上述の如く、カチオン交換基が好ましく、なかでも、−COOH、−SOH、−PO(OH)又は−SONHSOで表される基等が好ましく、イオン性セグメント中にこれらを併せ持つ官能基であってもよい。これらのなかでも、特に強酸基であるスルホン酸基(−SOH)をイオン性官能基として含むことが好ましい。 As described above, the ionic functional group is preferably a cation exchange group, and in particular, a group represented by —COOH, —SO 3 H, —PO (OH) 2, or —SO 2 NHSO 2 is preferable. The functional group which has these in the sex segment may be sufficient. Among these, it is particularly preferable that a sulfonic acid group (—SO 3 H) which is a strong acid group is included as an ionic functional group.

一方、非イオン性セグメントは、イオン性官能基を実質的に有しないセグメントである。ここで、イオン性官能基を実質的に有しないセグメントとは、イオン伝導性を発現し得ないセグメントを意味する。したがって、当該セグメントによってイオン伝導性が発現されない程度であれば、イオン官能性基を含む構造単位が含まれていてもよい。非イオン性セグメントとしては、一つの構造単位当たりに、平均してイオン性官能基が0.1個以下であるものが好ましく、0.05個以下であるものがより好ましく、0個(すなわち、イオン性官能基が皆無)のものが特に好ましい。   On the other hand, a nonionic segment is a segment which does not have an ionic functional group substantially. Here, the segment having substantially no ionic functional group means a segment that cannot exhibit ionic conductivity. Therefore, a structural unit containing an ion functional group may be included as long as the ion conductivity is not exhibited by the segment. The nonionic segment preferably has an average of 0.1 or less ionic functional groups per structural unit, more preferably 0.05 or less, and 0 (that is, Those having no ionic functional group are particularly preferred.

非イオン性セグメントとしては、具体的には、下記一般式(5)で表される構造を有するセグメントが好ましい。

Figure 2008078130

[式中、Ar22は、イオン性官能基を有しない2価の芳香族基を示し、X22は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。eは2以上の整数である。] Specifically, the nonionic segment is preferably a segment having a structure represented by the following general formula (5).
Figure 2008078130

[In the formula, Ar 22 represents a divalent aromatic group having no ionic functional group, and X 22 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. e is an integer of 2 or more. ]

ここで、一般式(5)における芳香族基であるAr22は、イオン性官能基以外の置換基を有していてもよい。このような置換基としては、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基が挙げられる。これらの基の具体例としては、上記一般式(2)におけるAr11の置換基と同様のものが挙げられる。なお、上述した非イオン性セグメントの定義が満たされる範囲であれば、一般式(5)で表される構造中には、Ar22がイオン性官能基を有しているような構造単位が含まれていてもよい。 Here, Ar 22 is an aromatic group in the general formula (5) may have a substituent other than ionic functional groups. Examples of such a substituent include an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and a substituent. Examples thereof include an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. Specific examples of these groups include those similar to the substituent of Ar 11 in the general formula (2). As long as the definition of the nonionic segment described above is satisfied, the structure represented by the general formula (5) includes a structural unit in which Ar 22 has an ionic functional group. It may be.

また、eは括弧内の構造の繰り返し単位数を示す2以上の整数であり、このイオン性セグメントの重合度を表す数である。このeは5以上の整数であると好ましく、5〜1000の整数であるとより好ましく、10〜1000の整数であると更に好ましく、20〜500の整数であると一層好ましい。eの値が5以上であると、燃料電池用の高分子電解質膜として、優れた膜強度を有するものが得られる傾向にある。一方、eの値が1000以下であれば、当該セグメントの製造がより容易となる傾向にある。   E is an integer of 2 or more indicating the number of repeating units of the structure in parentheses, and is a number indicating the degree of polymerization of this ionic segment. This e is preferably an integer of 5 or more, more preferably an integer of 5 to 1000, still more preferably an integer of 10 to 1000, and even more preferably an integer of 20 to 500. When the value of e is 5 or more, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell tends to be obtained having excellent membrane strength. On the other hand, if the value of e is 1000 or less, the production of the segment tends to be easier.

非イオン性セグメントとしては、具体的には、下記一般式(6)で表されるセグメントが好適である。

Figure 2008078130

[式中、a、b及びcはそれぞれ独立に0又は1であり、zは正の整数である。Ar、Ar、Ar及びArはそれぞれ独立に2価の芳香族基であり、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。X及びX´はそれぞれ独立に直接結合又は2価の基を示し、Y及びY´はそれぞれ独立にオキシ基又はチオキシ基を示す。] Specifically, as the nonionic segment, a segment represented by the following general formula (6) is preferable.
Figure 2008078130

[Wherein, a, b and c are each independently 0 or 1, and z is a positive integer. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 and Ar 5 are each independently a divalent aromatic group, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms. The aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms or the acyl group having 2 to 20 carbon atoms may be substituted. X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, and Y and Y ′ each independently represent an oxy group or a thioxy group. ]

ここで、zは括弧内の構造の繰り返し数を示す2以上の整数であり、当該セグメントの重合度を表す数である。このzは5以上の整数であると好ましく、5〜1000の整数がより好ましく、10〜1000の整数が更に好ましく、20〜500の整数が一層好ましい。zの値が5以上であると、燃料電池用の高分子電解質膜として膜強度に優れるものが得られ易くなる傾向にある。一方、zの値が1000以下であれば、当該セグメントの製造がより容易となる傾向にある。この一般式(6)で表される構造中にも、上記一般式(5)の場合と同様、上述した非イオン性セグメントの定義が満たされる範囲で、Ar、Ar、ArやArがイオン性官能基を有しているような構造単位が含まれていてもよい。 Here, z is an integer of 2 or more indicating the number of repetitions of the structure in parentheses, and is a number indicating the degree of polymerization of the segment. This z is preferably an integer of 5 or more, more preferably an integer of 5 to 1000, still more preferably an integer of 10 to 1000, and still more preferably an integer of 20 to 500. When the value of z is 5 or more, a polymer electrolyte membrane for a fuel cell tends to be easily obtained with excellent membrane strength. On the other hand, if the value of z is 1000 or less, the production of the segment tends to be easier. In the structure represented by the general formula (6), as in the case of the general formula (5), Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 , Ar, and Ar as long as the definition of the nonionic segment described above is satisfied. A structural unit such that 5 has an ionic functional group may be contained.

このような一般式(6)で表されるセグメントの好適な代表例としては、下記の構造を有するものが例示できる。   As a suitable representative example of the segment represented by the general formula (6), those having the following structure can be exemplified.

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

Figure 2008078130
Figure 2008078130

以上、高分子電解質を構成する高分子化合物の好適な例について説明したが、この高分子化合物は、優れたイオン伝導性を発現する観点からは、そのイオン交換容量(高分子化合物の単位重量あたりのイオン性官能基の当量数)が、0.5〜4meq/gであると好ましく、1.0〜3.0meq/gであるとより好ましい。   In the above, preferred examples of the polymer compound constituting the polymer electrolyte have been described. From the viewpoint of expressing excellent ion conductivity, this polymer compound has its ion exchange capacity (per unit weight of the polymer compound). The number of equivalents of the ionic functional group is preferably 0.5 to 4 meq / g, and more preferably 1.0 to 3.0 meq / g.

(高分子電解質膜の製造方法)
次に、好適な実施形態に係る高分子電解質膜の製造方法を説明する。高分子電解質膜は、イオン性官能基を有するセグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを有する高分子化合物からなる高分子電解質を含有する溶液を、所定の基材上に塗布する工程(塗布工程)と、この塗布された溶液から溶媒を蒸発させる工程(蒸発工程)とを経て製造することができる。この高分子電解質としては、上述した実施形態のものを特に制限なく適用でき、上記式(1)で表されるイオン性セグメント及び上記式(5)で表される非イオン性セグメントを有するブロック共重合体を含む高分子化合物を用いた場合に、本方法によって後述するような好適な高分子電解質膜が得られ易くなる傾向にある。
(Production method of polymer electrolyte membrane)
Next, a method for producing a polymer electrolyte membrane according to a preferred embodiment will be described. The polymer electrolyte membrane is a solution containing a polymer electrolyte comprising a polymer compound having a segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group on a predetermined substrate. It can be manufactured through a step of applying (application step) and a step of evaporating the solvent from the applied solution (evaporation step). As the polymer electrolyte, those of the above-described embodiment can be applied without particular limitation, and a block copolymer having an ionic segment represented by the above formula (1) and a nonionic segment represented by the above formula (5). When a polymer compound containing a polymer is used, a suitable polymer electrolyte membrane as described later tends to be easily obtained by this method.

塗布工程における高分子電解質を含む溶液の基材上への塗布は、例えば、キャスト法、ディップ法、グレードコート法、スピンコート法、グラビアコート法、フレキソ印刷法、インクジェット法等により行うことができる。   Application of the solution containing the polymer electrolyte in the coating step onto the substrate can be performed by, for example, a casting method, a dip method, a grade coating method, a spin coating method, a gravure coating method, a flexographic printing method, an inkjet method, or the like. .

高分子電解質を含む溶液に用いる溶媒としては、高分子電解質を溶解可能なものであり、しかも、後述する蒸発工程における蒸発時間内の除去が可能なものが好ましい。好適な溶媒は、高分子電解質の構造等によって適宜選択される。   The solvent used for the solution containing the polymer electrolyte is preferably a solvent that can dissolve the polymer electrolyte and that can be removed within the evaporation time in the evaporation step described later. A suitable solvent is appropriately selected depending on the structure of the polymer electrolyte and the like.

このような溶媒としては、例えば、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−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、必要に応じて2種以上の溶媒を組み合わせて用いてもよい。   Examples of such solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane. Chlorinated solvents such as chlorobenzene and dichlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether Is mentioned. These may be used singly or in combination of two or more solvents as necessary.

上述のように、高分子電解質の分子構造によって最適な溶媒は異なるが、例えば、上記式(3a)又は(3b)で表されるイオン性セグメントと、上記式(6)で表される非イオン性セグメントとを有するブロック共重合体を含む高分子電解質の場合、主成分として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−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒を含む溶媒が好ましく、ジメチルスルホキシドが特に好ましい。これらの溶媒を用いることで、溶媒の乾燥時間を好適な範囲に調整し易くなる。   As described above, the optimum solvent varies depending on the molecular structure of the polymer electrolyte. For example, the ionic segment represented by the above formula (3a) or (3b) and the non-ion represented by the above formula (6) In the case of a polymer electrolyte containing a block copolymer having a functional segment, the main component is aprotic polarity such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide A solvent containing a solvent is preferable, and dimethyl sulfoxide is particularly preferable. By using these solvents, it becomes easy to adjust the drying time of the solvent within a suitable range.

溶液中の高分子電解質の濃度は、高分子電解質の分子量にもよるが、5〜40重量%であると好ましく、5〜30重量%であるとより好ましい。この濃度が5重量%以上であると、実用的な膜厚の高分子電解質膜が得られ易くなる傾向にある。また、40重量%以下であると、高分子電解質の溶液の溶液粘度が低くなり、より平滑な表面を有する高分子電解質膜が得られる傾向にある。   The concentration of the polymer electrolyte in the solution is preferably 5 to 40% by weight, more preferably 5 to 30% by weight, although it depends on the molecular weight of the polymer electrolyte. When this concentration is 5% by weight or more, a polymer electrolyte membrane having a practical film thickness tends to be easily obtained. On the other hand, if it is 40% by weight or less, the solution viscosity of the polymer electrolyte solution becomes low, and a polymer electrolyte membrane having a smoother surface tends to be obtained.

なお、高分子電解質の溶液中には、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で更に加えてもよい。   In the polyelectrolyte solution, additives such as plasticizers, stabilizers, and mold release agents used in ordinary polymer compounds may be further added within a range that does not contradict the purpose of the present invention. .

また、塗布工程において溶液の塗布膜を支持する基材としては、高分子電解質の溶液によって膨潤や溶解されることがなく、しかも、製膜後に得られる膜の剥離が可能なものが好ましい。例えば、基材としては、金属、金属酸化物、樹脂フィルム等が挙げられる。ただし、基材による高分子電解質膜の最表面の組成分布への影響を考慮すると、基材としては、金属又は金属酸化物からなる表面を有するものが好適である。   Moreover, as a base material that supports the coating film of the solution in the coating step, a substrate that is not swelled or dissolved by the polymer electrolyte solution and that can peel off the film obtained after the film formation is preferable. For example, a metal, a metal oxide, a resin film etc. are mentioned as a base material. However, considering the influence of the substrate on the composition distribution of the outermost surface of the polymer electrolyte membrane, a substrate having a surface made of a metal or metal oxide is suitable.

基材の表面又は全部を構成する金属としては、アルミニウム、クロム、ニッケル、鉄、金、銀、銅、白金、スズ、パラジウム、タンタル、亜鉛、チタン、シリコン又はこれらを主成分とする合金が挙げられる。これらのなかでも、汎用性、コスト等の観点からアルミニウムが好ましい。また、金属酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、ガラス等が挙げられる。なかでも、コスト、汎用性等の観点から、酸化アルミニウム又はガラスが好ましい。   Examples of the metal constituting the surface of the substrate or the whole include aluminum, chromium, nickel, iron, gold, silver, copper, platinum, tin, palladium, tantalum, zinc, titanium, silicon, or an alloy containing these as a main component. It is done. Among these, aluminum is preferable from the viewpoints of versatility and cost. Examples of the metal oxide include aluminum oxide, titanium oxide, tin oxide, zinc oxide, and glass. Of these, aluminum oxide or glass is preferable from the viewpoints of cost, versatility, and the like.

また、塗布工程に用いる基材の表面が汚染されていると、良好な高分子電解質膜が得られ難くなり、本発明による効果が十分に得られなくなる場合がある。そこで、このような表面の汚染を避けるため、必要に応じて基材の表面が洗浄されていることが好ましい。基材表面の洗浄の方法は、基材の材質に応じて適宜選択することができる。また、上述した金属又は金属酸化物の薄膜が蒸着によって形成された表面を有する基材も、清浄な表面を有していることから好ましい。この場合、蒸着の方法は、公知の方法から適宜選択される。   Further, if the surface of the base material used in the coating process is contaminated, it is difficult to obtain a good polymer electrolyte membrane, and the effects of the present invention may not be sufficiently obtained. Therefore, in order to avoid such contamination of the surface, it is preferable that the surface of the substrate is washed as necessary. The method for cleaning the substrate surface can be appropriately selected according to the material of the substrate. Moreover, the base material which has the surface in which the thin film of the metal or metal oxide mentioned above was formed by vapor deposition is also preferable from having a clean surface. In this case, the vapor deposition method is appropriately selected from known methods.

蒸発工程においては、溶媒の蒸発が開始してから完了するまでの時間(以下、「蒸発時間」という)を60分以下とする。この蒸発時間は、基材に塗布した溶液、又は、この溶液から形成された高分子電解質膜中で、溶媒の蒸発が開始してから、高分子電解質の濃度変化が実質的に生じなくなるまでの時間である。高分子電解質の濃度変化の測定は、例えば、蒸発工程中に定期的に溶液又は形成された高分子電解質膜の一部を抜き取り、その濃度を測定することによって行うことができる。   In the evaporation step, the time from the start to the completion of solvent evaporation (hereinafter referred to as “evaporation time”) is set to 60 minutes or less. This evaporation time is from the start of evaporation of the solvent in the solution applied to the substrate or the polymer electrolyte membrane formed from this solution until the concentration change of the polymer electrolyte does not substantially occur. It's time. The concentration change of the polymer electrolyte can be measured by, for example, periodically extracting a part of the solution or formed polymer electrolyte membrane during the evaporation step and measuring the concentration.

より具体的には、この蒸発時間は、例えば、蒸発工程中に、基材に塗布された溶液又はこれから形成された高分子電解質膜における一定面積の部分で質量変化が実質的に生じている時間とすることができる。この場合、質量変化が生じているかどうかは、蒸発工程中に上記の溶液又は高分子電解質膜の一定面積の部分を定期的に抜き取り、その質量を測定することによって確認することができる。   More specifically, this evaporation time is, for example, the time during which the mass change has substantially occurred in a portion of a certain area in the solution applied to the substrate or the polymer electrolyte membrane formed therefrom during the evaporation step. It can be. In this case, whether or not a mass change has occurred can be confirmed by periodically extracting a portion of a certain area of the solution or the polymer electrolyte membrane during the evaporation step and measuring the mass.

実際には、蒸発時間は、例えば、基材上に溶液が塗布・形成された時点を溶媒の蒸発が開始した時点とし、高分子電解質の濃度変化又は質量変化が実質的に生じなくなった時点及び蒸発工程が終了した時点のいずれか早い方を溶媒の蒸発が完了した時点とし、この蒸発開始から完了までの時間であるとみなしてもよい。なお、「高分子電解質の濃度変化が実質的に生じない」とは、所定時間の前後で高分子電解質の濃度の差分(変化量)が検出できない(0.1質量%未満)ことを意味する。同様に、「高分子電解質の質量変化が実質的に生じない」とは、所定時間の前後で高分子電解質の質量の差分(変化量)が検出できない(0.1質量%未満)ことを意味する。   Actually, the evaporation time is, for example, the time when the solvent evaporation starts when the solution is applied and formed on the substrate, and the time when the concentration change or mass change of the polymer electrolyte does not substantially occur. The earlier of the time when the evaporation step is completed may be regarded as the time from the start to the completion of the evaporation as the time when the evaporation of the solvent is completed. “The concentration change of the polymer electrolyte does not substantially occur” means that the difference (change amount) in the concentration of the polymer electrolyte cannot be detected before and after the predetermined time (less than 0.1% by mass). . Similarly, “the mass change of the polymer electrolyte does not substantially occur” means that the difference (change amount) in the mass of the polymer electrolyte before and after the predetermined time cannot be detected (less than 0.1% by mass). To do.

蒸発工程における蒸発時間は、55分以下であると好ましく、40分以下であるとより好ましい。なお、蒸発時間の下限は、10秒とすることが好ましい。このような蒸発時間とすることによって、高分子電解質膜の製造時間を短縮できるほか、後述するような好適な構成を有する高分子電解質膜が得られ易くなる傾向にある。蒸発時間は、蒸発工程における温度、圧力、通風条件等の条件を適宜設定することによって調整することができる。   The evaporation time in the evaporation step is preferably 55 minutes or less, and more preferably 40 minutes or less. The lower limit of the evaporation time is preferably 10 seconds. By setting it as such evaporation time, the manufacturing time of a polymer electrolyte membrane can be shortened, and a polymer electrolyte membrane having a suitable configuration as described later tends to be easily obtained. The evaporation time can be adjusted by appropriately setting conditions such as temperature, pressure, and ventilation conditions in the evaporation step.

また、蒸発工程における温度は、溶媒の凝固点の温度以上であって溶媒の沸点よりも50℃高い温度以下の温度とすることが好ましい。蒸発工程の温度条件がこれ以下であると、溶媒の蒸発が極めて生じ難くなる。一方、この温度を超えると、均一な膜の形成が困難となる傾向にある。したがって、温度は、このような好適な温度範囲から、上述した蒸発時間が得られるように設定することが好ましい。   In addition, the temperature in the evaporation step is preferably a temperature not lower than the temperature of the freezing point of the solvent and not higher than 50 ° C. higher than the boiling point of the solvent. If the temperature condition of the evaporation step is less than this, evaporation of the solvent is extremely difficult to occur. On the other hand, when this temperature is exceeded, it tends to be difficult to form a uniform film. Therefore, the temperature is preferably set so that the evaporation time described above can be obtained from such a suitable temperature range.

良好な構成を有する高分子電解質膜をより確実に得る観点からは、蒸発工程における温度の上限は、溶媒の沸点よりも10℃低い温度とすることが好ましく、溶媒の沸点よりも30℃低い温度とすることがより好ましい。また、下限は、20℃とすることが好ましい。例えば、溶媒がジメチルスルホキシドである場合は、蒸発工程の温度は、30〜150℃とすることが好ましく、40〜120℃とすることがより好ましく、40〜110℃とすることが更に好ましく、50〜100℃とすることが特に好ましい。   From the viewpoint of more reliably obtaining a polymer electrolyte membrane having a good structure, the upper limit of the temperature in the evaporation step is preferably 10 ° C. lower than the boiling point of the solvent, and 30 ° C. lower than the boiling point of the solvent. More preferably. Moreover, it is preferable that a minimum shall be 20 degreeC. For example, when the solvent is dimethyl sulfoxide, the temperature in the evaporation step is preferably 30 to 150 ° C, more preferably 40 to 120 ° C, still more preferably 40 to 110 ° C, and 50 It is especially preferable to set it to -100 degreeC.

(高分子電解質膜)
本実施形態の高分子電解質膜は、上述した実施形態の製造方法によって好適に得ることができる。このような高分子電解質膜は、高分子電解質から構成される膜であり、イオン性セグメントを多く含む相(ミクロドメイン)と、非イオン性セグメントを多く含む相(ミクロドメイン)とを含むミクロ相分離構造を有している。
(Polymer electrolyte membrane)
The polymer electrolyte membrane of this embodiment can be suitably obtained by the manufacturing method of the above-described embodiment. Such a polymer electrolyte membrane is a membrane composed of a polymer electrolyte, and includes a microphase including a phase containing many ionic segments (microdomain) and a phase containing many nonionic segments (microdomain). It has a separation structure.

高分子電解質膜の厚みは、特に制限されないが、5〜200μmが好ましく、8〜60μmがより好ましく、15〜50μmが更に好ましい。5μmより厚いと、実用に耐える強度を有する高分子電解質膜となり易い。また、200μmより薄いことで、膜抵抗が十分に低減され、燃料電池等に応用した場合に出力を向上させ易くなる。高分子電解質膜の膜厚は、製造時に用いる高分子電解質の溶液の濃度や、基材上への塗布厚さを変えることによって制御することができる。   The thickness of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 5 to 200 μm, more preferably 8 to 60 μm, and still more preferably 15 to 50 μm. When it is thicker than 5 μm, it tends to be a polymer electrolyte membrane having a strength that can withstand practical use. Moreover, when it is thinner than 200 μm, the membrane resistance is sufficiently reduced, and the output is easily improved when applied to a fuel cell or the like. The film thickness of the polymer electrolyte membrane can be controlled by changing the concentration of the polymer electrolyte solution used at the time of manufacture and the coating thickness on the substrate.

好適な実施形態の高分子電解質膜は、その表面領域においてイオン性セグメントが以下のような特定の分布状態を有している。すなわち、高分子電解質膜は、表面領域において、表面側から内部側に向かうイオン性セグメントの量の変化が、実質的な単調減少となっている。以下、イオン性セグメントの量の変化の好適な測定方法について具体的に説明する。   In the polymer electrolyte membrane of a preferred embodiment, the ionic segments have the following specific distribution state in the surface region. That is, in the polymer electrolyte membrane, in the surface region, the change in the amount of ionic segments from the surface side toward the inner side is substantially monotonously reduced. Hereinafter, a suitable measurement method for the change in the amount of the ionic segment will be specifically described.

高分子電解質膜におけるイオン性セグメントの量は、当該膜の組成をX線光電子分光(XPS)で測定することにより得られる、イオン性セグメントに由来する信号の強度によって好適に表される。ここで、イオン性セグメントに由来する信号とは、イオン性セグメントを特徴付ける化学構造に由来する信号であり、例えば、イオン性セグメント中のイオン性官能基に由来する信号が好ましい。   The amount of the ionic segment in the polymer electrolyte membrane is suitably represented by the intensity of the signal derived from the ionic segment obtained by measuring the composition of the membrane by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Here, the signal derived from the ionic segment is a signal derived from a chemical structure characterizing the ionic segment, and for example, a signal derived from an ionic functional group in the ionic segment is preferable.

また、表面側から内部側へのイオン性セグメントの量の変化は、高分子電解質膜におけるイオン性セグメントの量と非イオン性セグメントの量との相対的な変化によって把握することが好ましい。具体的には、XPS測定により、イオン性セグメントに由来する信号とともに、非イオン性セグメントに由来する信号を測定し、これらの強度を比較する。非イオン性セグメントに由来する信号とは、イオン性セグメントの場合と同様、非イオン性セグメントに特徴的な化学構造に由来する信号である。   The change in the amount of ionic segments from the surface side to the inner side is preferably grasped by the relative change between the amount of ionic segments and the amount of nonionic segments in the polymer electrolyte membrane. Specifically, by XPS measurement, a signal derived from a nonionic segment is measured together with a signal derived from an ionic segment, and their intensities are compared. The signal derived from the nonionic segment is a signal derived from a chemical structure characteristic of the nonionic segment as in the case of the ionic segment.

ここで、各セグメントに由来する信号は、通常、セグメント中の化学構造に対応して複数観測されるが、上述した相対的な変化の測定には、この複数の信号の中から特定の信号を任意に選択して用いることができる。なお、イオン性セグメントの量の変化を正確に把握する観点から、一つの高分子電解質膜の同一面に対する一連の測定においては、各セグメントについて同じ信号を用いる。また、同様の観点から、特定の信号としては一つの信号のみを選択することが好ましい。   Here, a plurality of signals derived from each segment are usually observed corresponding to the chemical structure in the segment. For the measurement of the relative change described above, a specific signal is selected from the plurality of signals. It can be arbitrarily selected and used. From the viewpoint of accurately grasping the change in the amount of ionic segments, the same signal is used for each segment in a series of measurements on the same surface of one polymer electrolyte membrane. From the same viewpoint, it is preferable to select only one signal as the specific signal.

イオン性セグメントの量の変化は、XPSによるイオン性セグメントに由来する信号の強度をA、非イオン性セグメントに由来する信号の強度をBとしたときの、A/(A+B)で表される値によって好適に追跡することができる。この値が、表面側から内部側に向かって実質的に単調減少していれば、イオン性セグメントの量が表面側から内部側に向かって実質的に単調減少していると判断することができる。   The change in the amount of the ionic segment is a value represented by A / (A + B) where A is the intensity of the signal derived from the ionic segment by XPS and B is the intensity of the signal derived from the nonionic segment. Can be suitably tracked. If this value is substantially monotonically decreasing from the surface side toward the inner side, it can be determined that the amount of the ionic segment is substantially monotonically decreasing from the surface side toward the inner side. .

信号強度としては、測定により得られた信号強度(光電子の総カウント数又は単位時間当たりのカウント数)をそのまま用いてもよく、これに装置、解析ソフト等に付属する感度係数等の定数をかけたものを用いてもよい。誤差の影響をできるだけ小さくして、A/(A+B)の値の変化を正確に求める観点からは、AとBの信号強度の差が極端に大きくならないように、各セグメントに由来する特定の信号を選択することが好ましい。   As the signal intensity, the signal intensity obtained by measurement (the total number of photoelectrons or the number of counts per unit time) may be used as it is, and this is multiplied by a constant such as a sensitivity coefficient attached to the device, analysis software, etc. May be used. From the viewpoint of obtaining the change in the value of A / (A + B) accurately by minimizing the influence of the error, a specific signal derived from each segment is used so that the difference in signal strength between A and B does not become extremely large. Is preferably selected.

イオン性セグメントの量の変化をより正確に把握する観点からは、イオン性又は非イオン性セグメントに由来する特定の信号として、それぞれ以下のようなものを選択することが特に好ましい。すなわち、イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号としては、主な非イオン性セグメントからは観測されない信号を選択することが好ましい。一方、非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号としては、主なイオン性セグメントからは観測されない信号を選択することが好ましい。これらにより、イオン性セグメント及び非イオン性セグメントに由来する信号のうちの少なくとも一方は、他方の主なセグメントには由来しない信号となるため、この一方の信号の強度は、実質的に当該信号に表されたセグメントの量のみを反映することになる。   From the viewpoint of more accurately grasping the change in the amount of ionic segments, it is particularly preferable to select the following as specific signals derived from ionic or nonionic segments. That is, it is preferable to select a signal that is not observed from the main nonionic segment as the specific signal selected from the signals derived from the ionic segment. On the other hand, as the specific signal selected from the signals derived from the nonionic segments, it is preferable to select signals that are not observed from the main ionic segments. As a result, at least one of the signals derived from the ionic segment and the non-ionic segment becomes a signal not derived from the other main segment, and thus the intensity of the one signal is substantially equal to the signal. Only the amount of segments represented will be reflected.

上述した表面側から内部側に向かう信号強度の測定は、高分子電解質膜をその表面から内部方向に少しずつ除去しながら、この除去の過程における各時点での表面をXPSで測定することにより行うことができる。この場合、高分子電解質の除去は、C60イオンを用いたスパッタリングにより行うことが好ましい。C60イオンによるスパッタリングを所定時間行う工程と、このスパッタリング後の表面のXPS測定を行う工程とを繰り返し実施することで、表面側から内部側への各信号の強度を測定することが可能となる。 The measurement of the signal intensity from the surface side toward the inner side described above is performed by measuring the surface at each time point in the removal process by XPS while removing the polymer electrolyte membrane little by little from the surface in the inner direction. be able to. In this case, the polymer electrolyte is preferably removed by sputtering using C 60 ions. By repeatedly performing the step of performing sputtering with C 60 ions for a predetermined time and the step of performing XPS measurement of the surface after the sputtering, it becomes possible to measure the intensity of each signal from the surface side to the inner side. .

ここで、C60イオンを用いたスパッタリングは、表面分析に通常用いられるアルゴン等の希ガスイオンを用いたスパッタリングと比較して、スパッタリングによるダメージを小さくすることができる手法である。そのため、C60イオンを用いたスパッタリングは、本実施形態における高分子電解質膜のような有機材料等のダメージを受け易い試料に対して好適である(Surface and Interface Analysis, 2004, 36,p.280-282、 Journal of Surface Analysis, 2005, 12, p.178等参照)。 Here, sputtering using C 60 ions is a technique capable of reducing damage caused by sputtering as compared with sputtering using rare gas ions such as argon, which are usually used for surface analysis. Therefore, sputtering using C 60 ions is suitable for a sample that is easily damaged by an organic material such as a polymer electrolyte membrane in this embodiment (Surface and Interface Analysis, 2004, 36, p. 280). -282, Journal of Surface Analysis, 2005, 12, p.178 etc.).

XPS測定を行う際の測定面積は、高分子電解質膜におけるミクロ相分離の大きさに対して充分に大きな測定面積とすることが好ましい。こうすれば、ミクロ相分離した高分子電解質膜におけるイオン性セグメントや非イオン性セグメント中の化学構造の量をより正確に測定することが可能となる。例えば、ミクロ相分離の大きさが数nm〜数十nm程度である場合は、測定領域の直径が1μm以上10mm以下であると好ましく、10μm以上1mm以下であるとより好ましい。この場合、測定領域の直径が10mmを超えると、測定結果が高分子電解質膜の凹凸やスパッタリングの深さムラ等の影響を受け易くなったり、測定領域内のイオン性セグメントや非イオン性セグメントに属する化学構造の濃度分布が平均化されて正確な分布が測定できなくなったりする場合がある。一方、測定領域の直径が1μmより小さいと、測定結果がこの測定領域中の一部のミクロ相分離形状に大きく影響されて、全体の相の分布を適切に測定できなくなるおそれがある。   The measurement area when performing XPS measurement is preferably a measurement area that is sufficiently large relative to the size of microphase separation in the polymer electrolyte membrane. By doing so, it becomes possible to more accurately measure the amount of chemical structure in the ionic segment and nonionic segment in the polymer electrolyte membrane subjected to microphase separation. For example, when the size of microphase separation is about several nanometers to several tens of nanometers, the diameter of the measurement region is preferably 1 μm or more and 10 mm or less, and more preferably 10 μm or more and 1 mm or less. In this case, if the diameter of the measurement region exceeds 10 mm, the measurement result is likely to be affected by unevenness of the polymer electrolyte membrane or unevenness of the sputtering depth, or the ionic or nonionic segment in the measurement region. In some cases, the concentration distribution of the chemical structure to which it belongs is averaged, making it impossible to measure the exact distribution. On the other hand, if the diameter of the measurement region is smaller than 1 μm, the measurement result is greatly influenced by a part of the microphase separation shape in the measurement region, and the distribution of the entire phase may not be measured appropriately.

60イオンを用いたスパッタリングを行う場合、表面側から内部側へのA/(A+B)の値の変化は、スパッタリング開始からの経過時間tと、各tの時点での表面のXPS測定で得られるA/(A+B)の値との関係により示される。XPS測定は、スパッタリングの開始時点から所定の時間が経過するごとに行われるが、このXPS測定の間隔Δtは、必ずしも測定を通して一定でなくてもよい。 When sputtering using C 60 ions, the change in the value of A / (A + B) from the surface side to the inner side is obtained by the elapsed time t from the start of sputtering and the XPS measurement of the surface at each time t. It is shown by the relationship with the value of A / (A + B). The XPS measurement is performed every time a predetermined time has elapsed from the start of sputtering, but the XPS measurement interval Δt is not necessarily constant throughout the measurement.

ここで、tやΔtの単位としては、時間を示す通常の単位である時間、分、秒等のほか、
SiO換算Xnmのように表記することもできる。これは、同じ方法を用いてSiOの除去を行った場合に、Xnmの厚さを除去するのに必要となる時間を意味する。なお、各時点での表面の当初表面からの距離(深さ)を表記する際にも、SiO換算Xnmと表記することができる。これは、SiO換算Xnmの時間だけスパッタリングを行った場合に得られる表面の、当初の表面からの深さを意味する。このSiO換算による深さは、実際の深さと通常比例関係となる。この場合の比例定数は高分子電解質膜の種類によって異なるが、通常、実際の深さはSiO換算深さXnmの2〜20倍程度となる。
Here, as a unit of t and Δt, in addition to hours, minutes, seconds, etc., which are normal units indicating time,
It can also be expressed as SiO 2 equivalent Xnm. This means the time required to remove the X nm thickness when the same method is used to remove SiO 2 . In addition, when noting the distance (depth) from the initial surface of the surface at each time point, it can be expressed as SiO 2 equivalent Xnm. This means the depth from the initial surface of the surface obtained when sputtering is performed for a time of X nm in terms of SiO 2 . The depth in terms of SiO 2 is generally proportional to the actual depth. The proportionality constant in this case varies depending on the type of polymer electrolyte membrane, but the actual depth is usually about 2 to 20 times the SiO 2 equivalent depth Xnm.

XPS測定の間隔であるΔtは、高分子電解質膜のミクロ相分離の大きさによって適切な時間に設定することが好ましい。このΔtは、高分子電解質膜におけるイオン性セグメントや非イオン性セグメントに属する化学構造の分布を詳しく測定する観点からは小さい方がよいが、小さくしすぎると、スパッタリングを停止する回数が増え、スパッタリング速度が不安定となりやすい傾向にある。これらの観点から、Δtは、SiO換算0.1nm以上0.5nm以下とすることが好ましい。 It is preferable to set Δt, which is the interval of XPS measurement, to an appropriate time depending on the magnitude of microphase separation of the polymer electrolyte membrane. This Δt is preferably small from the viewpoint of measuring the distribution of chemical structures belonging to ionic and nonionic segments in the polymer electrolyte membrane in detail. However, if it is too small, the number of times sputtering is stopped increases. The speed tends to be unstable. From these viewpoints, Δt is preferably 0.1 nm or more and 0.5 nm or less in terms of SiO 2 .

また、高分子電解質膜では、特に最表面付近のイオン性セグメントや非イオン性セグメントの分布が特に重要であるため、特に表面に近い領域ではより小さいΔtを設定することが好ましい。例えば、SiO換算2nmまでの深さの範囲では、ΔtはSiO換算0.1nm以上0.3nm以下とすることが好ましい。なお、十分に安定なスパッタリング速度を担保する観点からは、Δtは少なくとも10秒以上に設定することが望ましい。 In the polymer electrolyte membrane, the distribution of ionic segments and nonionic segments near the outermost surface is particularly important. Therefore, it is preferable to set a smaller Δt particularly in the region close to the surface. For example, in the depth range of up to terms of SiO 2 2 nm, Delta] t is preferable to be in terms of SiO 2 0.1nm or 0.3nm or less. From the viewpoint of ensuring a sufficiently stable sputtering rate, Δt is desirably set to at least 10 seconds or more.

スパッタリング時間tが長すぎると、高分子電解質膜表面のダメージや、C60に由来する炭素成分による影響等が大きくなる場合があり、正確なXPS測定が困難となるおそれがある。したがって、このような不都合を避けるために、tの上限は高分子電解質膜に合わせて適切に設定することが望ましい。 When sputtering time t is too long, and damage of the polymer electrolyte membrane surface, may influence by carbon component derived from the C 60 increases, it may become difficult to accurately XPS measurements. Therefore, in order to avoid such an inconvenience, it is desirable to set the upper limit of t appropriately according to the polymer electrolyte membrane.

また、C60イオンによるスパッタリングは、一分あたりにSiO換算0.5nm以上2nm以下の除去が生じるような速度で行うことが好ましく、一分あたりにSiO換算1nm程度の除去が生じる速度で行うことがより好ましい。こうすれば、十分に安定なスパッタリング速度が得られるほか、試料へのダメージも十分に低減することが可能となる。 Sputtering with C 60 ions is preferably performed at such a rate that removal of 0.5 nm or more and 2 nm or less in terms of SiO 2 occurs per minute, and at a rate of removal of about 1 nm in terms of SiO 2 per minute. More preferably. In this way, a sufficiently stable sputtering rate can be obtained, and damage to the sample can be sufficiently reduced.

イオン性セグメントに由来する信号及び非イオン性セグメントに由来する信号は、上述のように、XPSのスペクトルから各セグメントについて任意の信号を選ぶことにより得ることができる。また、これらの信号の強度は、各スペクトルの積分値を用い、適宜、波形解析によりピーク分離を行うことにより得ることができる。なお、上記のようにC60スパッタリングを行う場合は、C60イオンの照射に伴ってこれに由来する炭素組成の増加が見られることがあることから、C1sのC−C及びC−H結合のピークは除外することが好ましい。 As described above, the signal derived from the ionic segment and the signal derived from the nonionic segment can be obtained by selecting an arbitrary signal for each segment from the spectrum of XPS. Further, the intensity of these signals can be obtained by performing peak separation by waveform analysis as appropriate using the integrated value of each spectrum. In the case of performing C 60 sputtering as described above, since there is an increase in the carbon composition is seen to be derived therefrom with the irradiation of the C 60 ion, of C1s C-C and C-H bonds It is preferable to exclude peaks.

上記のように測定されたスパッタリング時間tと各tにおけるA/(A+B)の値との関係が、高分子電解質膜における表面から内部側へのイオン性セグメントの量の変化を表すことになる。そして、好適な実施形態の高分子電解質は、その表面領域において、tに対してA/(A+B)が実質的に単調減少しているものである。   The relationship between the sputtering time t measured as described above and the value of A / (A + B) at each t represents a change in the amount of ionic segments from the surface to the inner side in the polymer electrolyte membrane. In the polymer electrolyte of the preferred embodiment, A / (A + B) is substantially monotonously decreased with respect to t in the surface region.

ここで、単調減少とは、一般に次のように定義される。すなわち、x1<x2ならばf(x1)≧f(x2)が満たされる場合が単調減少に該当する(例えば、岩波数学辞典第3版(日本数学会編集、岩波書店)参照)。ただし、本実施形態の高分子電解質膜においては、f(t)=A/(A+B)は実質的に単調減少してさえいればよく、このような定義を満たさない場合が含まれていてもよい。   Here, the monotonic decrease is generally defined as follows. That is, if x1 <x2, the case where f (x1) ≧ f (x2) is satisfied corresponds to a monotonic decrease (for example, see Iwanami Mathematics Dictionary 3rd Edition (edited by the Mathematical Society of Japan, Iwanami Shoten)). However, in the polymer electrolyte membrane of the present embodiment, f (t) = A / (A + B) only needs to be substantially monotonously decreased, and a case in which such a definition is not satisfied is included. Good.

この本発明における「実質的な単調減少」には、以下のような条件を満たす場合が該当する。すなわち、まず、スパッタリング時間tにおけるA/(A+B)の値を、f(t)=A/(A+B)と表した場合、XPS測定を行うスパッタリング時間t,t,…,tでは、ぞれぞれ、f(t),f(t),…,f(t)が得られる。ここで、tは、スパッタリングの開始時点を意味する。したがって、f(t)は、高分子電解質膜の最表面(スパッタリング開始時点の表面)でのA/(A+B)となる。 The “substantially monotonous decrease” in the present invention corresponds to a case where the following conditions are satisfied. That is, first, the value of A / (A + B) in the sputtering time t, f (t) = A / (A + B) and when expressed, sputtering time t 1, t 2 for performing XPS measurement, ..., the t n, In this case, f (t 1 ), f (t 2 ),..., F (t n ) are obtained. Here, t 1 means the start time of sputtering. Therefore, f (t 1 ) is A / (A + B) on the outermost surface of the polymer electrolyte membrane (surface at the start of sputtering).

そして、スパッタリングの開始からm回(4回を超える多数回)の測定を行ったとすると、1回目から任意のn回目までの測定で得られるt,t,…,tとf(t),f(t),…,f(t)との間の相関係数を、n=2〜mの間で全て求めた場合、nを4以上としたときに得られる全ての相関係数が負となる場合が、tに対してA/(A+B)が「実質的に単調減少」していると認められる。つまり、換言すれば、A/(A+B)の値の「実質的な単調減少」には、スパッタリングの開始時点である1回目から、任意のn回目までの測定で得られるtとA/(A+B)で表される値との相関係数を求めたとき、nが4以上である場合に得られる全ての相関係数が負となる場合が該当する。 If the measurement is performed m times (more than 4 times) from the start of sputtering, t 1 , t 2 ,..., T n and f (t (t) obtained from the first measurement to any n-th measurement are obtained. 1 ), f (t 2 ),..., F (t n ), all of the correlation coefficients obtained between n = 2 to m are all obtained when n is 4 or more. When the correlation coefficient is negative, it is recognized that A / (A + B) is “substantially monotonically decreasing” with respect to t. That is, in other words, the “substantially monotonic decrease” in the value of A / (A + B) includes t and A / (A + B) obtained by the measurement from the first time at the start of sputtering to any nth time. This corresponds to the case where all the correlation coefficients obtained when n is 4 or more are negative.

上述した相関係数とは、統計学的な数値であり、一般にデータの点数が多いほど信頼性が高い。この相関係数は下記数式(1)で定義され、xとyの直線関係に対するあてはまりが良いことを意味する(例えば、統計学入門(東京大学教養学部統計学教室編、東京大学出版会)参照)。また、この相関係数の正負はx及びyによる回帰直線の傾きと一致する。

Figure 2008078130

The above-mentioned correlation coefficient is a statistical numerical value, and generally, the more the number of data points, the higher the reliability. This correlation coefficient is defined by the following mathematical formula (1), which means that the relationship with the linear relationship between x and y is good (for example, see Introduction to Statistics (Department of Statistics, Faculty of Liberal Arts, the University of Tokyo, Tokyo University Press)) ). The sign of the correlation coefficient matches the slope of the regression line by x and y.
Figure 2008078130

この相関係数を求める場合、XPSによる測定間隔であるΔtは一定である方が好ましいが、本実施形態の高分子電解質膜では、特に表面に近い領域の分布が重要であることから、Δtは、表面に近い領域とこれよりも内側の領域とで変えてもよい。例えば、SiO換算2nm以上の深さ位置でのΔtが、SiO換算2nm以下の深さ位置でのΔtと比較して、1倍以上3倍以下であってもよい。こうすれば、特に表面に近い領域の分布が詳細に確認できるようになるほか、測定時間を適切に短縮することができるようにもなる。 When obtaining this correlation coefficient, it is preferable that Δt which is the measurement interval by XPS is constant. However, in the polymer electrolyte membrane of the present embodiment, since the distribution of the region close to the surface is particularly important, Δt is The region close to the surface and the inner region may be changed. For example, Δt at a depth position of 2 nm or more in terms of SiO 2 may be 1 to 3 times as large as Δt at a depth position of 2 nm or less in terms of SiO 2 . In this way, the distribution of the region close to the surface can be confirmed in detail, and the measurement time can be shortened appropriately.

以上のように、本実施形態の高分子電解質膜は、表面領域において、表面側から内部側に向かうイオン性セグメントの量の変化が、実質的な単調減少となっている。そして、このような表面領域のイオン性セグメントの分布を有することによって、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を発揮することができる。   As described above, in the polymer electrolyte membrane of the present embodiment, the change in the amount of ionic segments from the surface side toward the inner side is substantially monotonously reduced in the surface region. And by having such a distribution of ionic segments in the surface region, it is possible to exhibit excellent proton conductivity in the film thickness direction.

なお、表面領域とは、上述の通り、高分子電解質の表面からSiO換算の深さで表して4nmまでの深さ領域であると好ましく、6nmまでの深さ領域であるとより好ましく、10nmまでの深さ領域であるとさらに好ましい。また、高分子電解質膜は、少なくとも一方の面が上述したイオン性セグメントの分布を有していればよいが、両面がこのような分布を有していると、特に優れた膜厚方向のプロトン伝導性が得られるため、好ましい。 Note that the surface area, as described above, preferable to be a region at a depth from the surface of the polymer electrolyte to 4nm expressed in depth in terms of SiO 2, more preferable to be a region at a depth of up to 6 nm, 10 nm It is more preferable that the depth region is up to. In addition, the polymer electrolyte membrane only needs to have the above-described ionic segment distribution on at least one surface, but when both surfaces have such a distribution, a particularly excellent proton in the film thickness direction is obtained. Since conductivity is obtained, it is preferable.

また、本発明の高分子電解質膜は、上述したようにイオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離したものであって、その表面領域に、非イオン性セグメントの濃度が全体の平均よりも実質的に高い層状部分を有しないものであると好適である。   Further, as described above, the polymer electrolyte membrane of the present invention is phase-separated into a phase containing many ionic segments and a phase containing many nonionic segments, and has a nonionic property in its surface region. It is preferred that the segment concentration does not have a layered portion substantially higher than the overall average.

これは、高分子電解質膜の表面領域が、膜の厚さ方向に任意の複数の層によって構成されているとみなした場合に、この層のいずれもが、当該高分子電解質膜の全体における非イオン性セグメントの濃度の平均値よりも、非イオン性セグメントの濃度が低くなっていることを意味する。このような条件を満たす表面領域を有する高分子電解質膜では、表面領域において、厚さ方向のイオン伝導が非イオン性セグメントによって極端に阻害されることが少なくなる。そのため、この高分子電解質膜によれば、優れた厚さ方向のイオン伝導性を得ることが可能となる。   This is because, when it is considered that the surface region of the polymer electrolyte membrane is composed of an arbitrary plurality of layers in the thickness direction of the membrane, all of these layers are non-layered in the entire polymer electrolyte membrane. It means that the concentration of the nonionic segment is lower than the average value of the concentration of the ionic segment. In a polymer electrolyte membrane having a surface region that satisfies such conditions, ionic conduction in the thickness direction is less significantly inhibited by nonionic segments in the surface region. Therefore, according to this polymer electrolyte membrane, it is possible to obtain excellent ion conductivity in the thickness direction.

(高分子電解質膜のプロトン伝導性の評価方法)
高分子電解質膜は、その表面領域において上記のようなイオン性セグメントの分布状態を有することにより、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を有するようになる。したがって、このような表面領域のイオン性セグメントの分布状態を確認すれば、未知の高分子電解質膜の膜厚方向のプロトン伝導性の評価を行うこともできる。
(Method for evaluating proton conductivity of polymer electrolyte membrane)
The polymer electrolyte membrane has excellent proton conductivity in the film thickness direction by having the distribution state of the ionic segments as described above in the surface region. Therefore, if the distribution state of such ionic segments in the surface region is confirmed, the proton conductivity in the film thickness direction of the unknown polymer electrolyte membrane can be evaluated.

特に、C60スパッタリングを行い、スパッタリング時間tと上記A/(A+B)で表される値との関係によりイオン性セグメントの分布を確認する方法は、プロトン伝導性の評価を正確に行うことができることから好適である。 In particular, it performs C 60 sputtering, how to determine the distribution of the ionic segment by the relationship between the value represented by the / sputtering time t and the A (A + B) may be able to accurately evaluate the proton conductivity To preferred.

このような評価においては、まず、C60イオンを用いたスパッタリングを表面から深さ方向に行い、このスパッタリングの経過時間tにおけるその時点での表面のXPS測定を行う。それから、この結果に基づき、XPS測定を行った各tの時点でのイオン性セグメントに由来する信号の強度A、及び、前記非イオン性セグメントに由来する信号の強度Bを求め、A/(A+B)で表される値を算出する(ステップ1)。 In such an evaluation, first, sputtering using C 60 ions is performed in the depth direction from the surface, and the XPS measurement of the surface at that point in the elapsed time t of this sputtering is performed. Then, based on this result, the intensity A of the signal derived from the ionic segment at each time point t at which XPS measurement was performed and the intensity B of the signal derived from the nonionic segment were obtained, and A / (A + B ) Is calculated (step 1).

続いて、スパッタリングの経過時間tに対する、A/(A+B)で表される値の変化が、実質的な単調減少であるか否かを判定する(ステップ2)。   Subsequently, it is determined whether or not the change in the value represented by A / (A + B) with respect to the elapsed time t of sputtering is a substantially monotonous decrease (step 2).

そして、ステップ2において、tに対するA/(A+B)で表される値の変化が単調減少であった場合は、その高分子電解質膜は、膜厚方向のプロトン伝導性に優れていると評価することができる。一方、単調減少ではなく、増加していたり、増減の両方を含む大きな変化を生じていたりした場合は、膜厚方向のプロトン伝導性が不十分であると評価することができる。   In Step 2, when the change in the value represented by A / (A + B) with respect to t is monotonously decreased, the polymer electrolyte membrane is evaluated as having excellent proton conductivity in the film thickness direction. be able to. On the other hand, if it is not monotonically decreasing but increases or a large change including both increases and decreases, it can be evaluated that proton conductivity in the film thickness direction is insufficient.

ここで、単調減少であるか否かの判定は、上述したように、tとA/(A+B)との相関係数に基づいて行うことができる。すなわち、まず、第1のステップにおいては、スパッタリングの開始から、SiO換算0.1nm以上0.5nm以下の時間が経過するごとにA/(A+B)の測定を行う。 Here, as described above, whether or not the monotonous decrease can be determined based on the correlation coefficient between t and A / (A + B). That is, first, in the first step, A / (A + B) is measured every time a time of 0.1 nm to 0.5 nm in terms of SiO 2 elapses from the start of sputtering.

次いで、第2のステップにおいて、任意のn回目までの測定で得られるtとA/(A+B)で表される値との相関係数を求め、nが4以上である場合に得られる全ての相関係数の正負を判定する。かかる判定の結果、4回目以降の測定で得られる全ての相関係数が負であった場合、tに対してA/(A+B)が実質的に単調減少していると認めることができる。そして、このような傾向を示す高分子電解質膜は、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を有していると評価することができる。一方、4回目以降の測定で得られる相関係数の全てが負ではなかった場合は、膜厚方向のプロトン伝導性が不十分であると評価することができる。   Next, in the second step, a correlation coefficient between t obtained by arbitrary n-th measurement and a value represented by A / (A + B) is obtained, and all obtained when n is 4 or more. Determine whether the correlation coefficient is positive or negative. As a result of such determination, when all correlation coefficients obtained in the fourth and subsequent measurements are negative, it can be recognized that A / (A + B) is substantially monotonically decreasing with respect to t. And it can be evaluated that the polymer electrolyte membrane which shows such a tendency has the proton conductivity excellent in the film thickness direction. On the other hand, when all the correlation coefficients obtained in the fourth and subsequent measurements are not negative, it can be evaluated that the proton conductivity in the film thickness direction is insufficient.

これらの評価における、XPS測定面積、スパッタリング速度、t、Δt等の条件としては、いずれも上述した「高分子電解質膜」の実施形態で述べたのと同様の条件を採用することができる。   As conditions for XPS measurement area, sputtering rate, t, Δt, etc. in these evaluations, the same conditions as those described in the above-mentioned “polymer electrolyte membrane” embodiment can be adopted.

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

(合成例1)
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、ジメチルスルホキシド(DMSO)600ml、トルエン200mL、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム26.5g(106.3mmol)、末端クロロ型である下記化学式(7)のポリエーテルスルホン(住友化学製スミカエクセルPES5200P)10.0g、及び、2,2’−ビピリジル43.8g(280.2mmol)を入れて攪拌した。

Figure 2008078130
(Synthesis Example 1)
In an argon atmosphere, a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus was charged with 600 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO), 200 ml of toluene, 26.5 g (106.3 mmol) of sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate, 7) polyethersulfone (Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P) 10.0 g and 2,2′-bipyridyl 43.8 g (280.2 mmol) were added and stirred.
Figure 2008078130

次に、この溶液を150℃まで昇温させ、トルエンを加熱留去して系内の水分を共沸脱水した後、60℃に冷却した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)73.4g(266.9mmol)を加えた後、80℃に昇温させて、同温度で5時間攪拌した。この溶液を放冷した後、得られた反応液を大量の6mol/Lの塩酸に注ぐことによって高分子化合物を析出させ、これを濾別した。その後、得られた高分子化合物に対し、6mol/L塩酸による洗浄及びろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行った。そして、高分子化合物を減圧乾燥することにより、目的とする高分子電解質である、下記化学式(8)で表されるポリアリーレン系ブロック共重合体16.3gを得た。このブロック共重合体のイオン交換容量は2.3[meq/g]であった。

Figure 2008078130
Next, the temperature of the solution was raised to 150 ° C., toluene was distilled off by heating to azeotropically dehydrate water in the system, and then cooled to 60 ° C. Next, 73.4 g (266.9 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added thereto, and then the mixture was heated to 80 ° C. and stirred at the same temperature for 5 hours. After allowing this solution to cool, the resulting reaction solution was poured into a large amount of 6 mol / L hydrochloric acid to precipitate a polymer compound, which was filtered off. Thereafter, the obtained polymer compound was repeatedly washed with 6 mol / L hydrochloric acid and filtered several times, and then washed with water until the filtrate became neutral. Then, the polymer compound was dried under reduced pressure to obtain 16.3 g of a polyarylene block copolymer represented by the following chemical formula (8), which is a target polymer electrolyte. The ion exchange capacity of this block copolymer was 2.3 [meq / g].
Figure 2008078130

なお、式(7)及び(8)中、d及びzは、上述の如く、それぞれのセグメントの重合度を示す数であり、「block」の表記は、この表記によって結ばれている構造(セグメント)同士がブロック共重合していることを意味する(以下同様)。
[高分子電解質膜の製造]
In the formulas (7) and (8), d and z are numbers indicating the degree of polymerization of each segment as described above, and the expression “block” is a structure (segment) connected by this notation. ) Means that they are block copolymerized (the same applies hereinafter).
[Manufacture of polymer electrolyte membranes]

(実施例1)
合成例1で得られたポリアリーレン系ブロック共重合体を、10wt%の濃度となるようにDMSOに溶解させて、高分子電解質溶液を調整した。この高分子電解質溶液をアルミ蒸着したポリエチレンテレフタレート(PET)基材上に流延塗布した後、この塗布膜から、常圧下、60〜100℃の温度範囲において、20分間で溶媒を蒸発させて除去し、これにより膜を乾燥させた。その後、塩酸処理及びイオン交換水での洗浄を経て、ポリアリーレン系ブロック共重合体を含む高分子電解質膜を作製した。なお、以下、この高分子電解質膜における基材に接触していなかった面を第一面とし、基材に接触していた面を第二面であると定義する。
(Example 1)
The polyarylene block copolymer obtained in Synthesis Example 1 was dissolved in DMSO to a concentration of 10 wt% to prepare a polymer electrolyte solution. After casting this polymer electrolyte solution onto an aluminum-deposited polyethylene terephthalate (PET) substrate, the solvent is removed from the coating film by evaporating the solvent in a temperature range of 60 to 100 ° C. for 20 minutes under normal pressure. This allowed the membrane to dry. Then, the polymer electrolyte membrane containing a polyarylene-type block copolymer was produced through hydrochloric acid treatment and washing with ion exchange water. Hereinafter, the surface that is not in contact with the base material in the polymer electrolyte membrane is defined as the first surface, and the surface that is in contact with the base material is defined as the second surface.

(比較例1)
高分子電解質溶液をPET基材上に直接流延塗布したこと以外は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を作製した。
[高分子電解質膜の相分離構造の確認]
(Comparative Example 1)
A polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte solution was directly cast on a PET substrate.
[Confirmation of phase separation structure of polymer electrolyte membrane]

実施例1及び比較例1の高分子電解質膜を、15%のヨウ化カリウム及び5%のヨウ素を含む染色用水溶液に、室温で30分浸した後、あらかじめ予備硬化させておいたエポキシ樹脂によって包埋し、ここからミクロトームにより厚さ60nmの切片を切り出した。このようにして得られた切片を、Cuメッシュ上に採取し、透過型電子顕微鏡(日立製作所社製、H9000NAR)により観察したところ、染色による濃淡が見られた。ヨウ化カリウムによると、イオン性官能基を多く含む相が染色されて濃くなることから、この結果より、実施例1及び比較例1の高分子電解質膜の両方が、イオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離していることが確認された。
[高分子電解質膜の表面領域の構造の評価]
The polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1 were immersed in an aqueous dyeing solution containing 15% potassium iodide and 5% iodine for 30 minutes at room temperature, and then preliminarily cured with an epoxy resin. After embedding, a section having a thickness of 60 nm was cut out by a microtome. The slices thus obtained were collected on a Cu mesh and observed with a transmission electron microscope (H9000NAR, manufactured by Hitachi, Ltd.). According to potassium iodide, the phase containing many ionic functional groups is dyed and darkened. From this result, both of the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1 are phases containing many ionic segments. And phase separation into a phase containing many nonionic segments.
[Evaluation of the structure of the surface region of the polymer electrolyte membrane]

実施例1及び比較例1の高分子電解質膜の表面領域の構造について、以下に示す方法で評価を行った。すなわち、まず、高分子電解質膜の表面から内部方向に、C60スパッタリングを行うとともに、このスパッタリング開始から一定時間が経過するごとにその時点での表面に対し、Quantera SXM(アルバックファイ社イメージングXPS)を用いたXPS測定を行った。 The structure of the surface region of the polymer electrolyte membrane of Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated by the following method. That is, first, C 60 sputtering is performed inward from the surface of the polymer electrolyte membrane, and each time a certain time has elapsed from the start of sputtering, the Quantera SXM (ULVAC-PHI Imaging XPS) is applied to the surface at that time. The XPS measurement using was performed.

これにより、スパッタリング開始からの経過時間である各スパッタリング時間tでのS2pスペクトルをそれぞれ取得した。それから、これらのスペクトルの波形解析を行い、スルホン酸由来の信号とスルホン由来の信号とに波形分離し、これに基づいて前者の信号の強度(A)と後者の信号の強度(B)とを得た。そして、各スパッタリング時間tにおけるA/(A+B)の値を得た。なお、このような測定は、高分子電解質膜の第一面と第二面との両方について行った。   Thereby, the S2p spectrum at each sputtering time t, which is the elapsed time from the start of sputtering, was obtained. Then, waveform analysis of these spectra is performed, and the waveform is separated into a sulfonic acid-derived signal and a sulfone-derived signal, and based on this, the former signal intensity (A) and the latter signal intensity (B) are obtained. Obtained. And the value of A / (A + B) in each sputtering time t was obtained. Such measurement was performed on both the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane.

ここで、XPSにおいては、X線として単色化AlKα線(1486.6eV、X線スポット100μm)を用い、また、測定時の帯電補正のために、中和電子銃1eV、アルゴンイオン銃7eVを使用した。さらに、測定は、試料法線方向より25°方向からX線を入射し、試料法線方向より20°方向で光電子を検出することにより行った。なお、波形解析に用いたピーク位置は、イオン性セグメント及び非イオン性セグメントのうちの一方のみを含む高分子膜を標準試料として測定を行い、これを波形解析して得られた値とした。   Here, in XPS, a monochromatic AlKα ray (1486.6 eV, X-ray spot 100 μm) is used as the X-ray, and a neutralizing electron gun 1 eV and an argon ion gun 7 eV are used for charging correction during measurement. did. Furthermore, the measurement was performed by entering X-rays from a direction of 25 ° from the sample normal direction and detecting photoelectrons in a direction of 20 ° from the sample normal direction. The peak position used in the waveform analysis was a value obtained by measuring a polymer film containing only one of an ionic segment and a nonionic segment as a standard sample and analyzing the waveform.

また、C60スパッタリングは、C60イオン銃(PHI06−C60、アルバックファイ社)を用い、試料法線方向に対して70°の方向から行った。加速電圧は10kV、スパッタリング速度はSiOをスパッタリングする場合で1nm/分であった。また、スパッタリングの最初の2分は0.2分毎にXPS測定を行い、2分から6分の間は0.4分毎に測定を行った。XPS測定を行ったときのスパッタリング時間tを、t、t…tのように定義する。 C 60 sputtering was performed from a direction of 70 ° with respect to the normal direction of the sample using a C 60 ion gun (PHI06-C60, ULVAC-PHI). The acceleration voltage was 10 kV, and the sputtering rate was 1 nm / min when sputtering SiO 2 . Further, XPS measurement was performed every 0.2 minutes for the first 2 minutes of sputtering, and measurement was performed every 0.4 minutes for 2 to 6 minutes. Sputtering time t when XPS measurement is performed is defined as t 1 , t 2 ... T n .

さらに、スペクトルの解析はMultiPakV6.1A(アルバックファイ社)を用いて行った。スペクトルの結合エネルギーはC1sのC−C、C−H結合を284.6eVとして較正した。そして、イオン性セグメント及び非イオン性セグメントのうちの一方のみを含む高分子膜を標準試料として測定を行い、得られたピーク位置を用いてS2pスペクトルの波形解析を行った。なお、スパッタリングによって、163.6eVに還元された硫黄成分が観測されるようになったが、これは波形解析の時に分離して除外した。   Furthermore, the spectrum analysis was performed using MultiPakV6.1A (ULVAC-PHI). The binding energy of the spectrum was calibrated with C1s C—C and C—H bonds as 284.6 eV. And it measured using the polymer film containing only one of an ionic segment and a nonionic segment as a standard sample, and performed waveform analysis of S2p spectrum using the obtained peak position. In addition, although the sulfur component reduced to 163.6 eV was observed by sputtering, this was separated and excluded at the time of waveform analysis.

このようなXPS測定の結果、実施例1及び比較例1の高分子電解質膜のそれぞれについて、図1のような、スパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化を表すグラフに示される結果を得た。図1中、黒塗り及び白抜きの四角形のプロットが、実施例1の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示し、黒塗り及び白抜きの三角形のプロットが、比較例1の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示している。   As a result of such XPS measurement, for each of the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1, the results shown in the graph showing the change in the value of A / (A + B) with respect to the sputtering time t as shown in FIG. Got. In FIG. 1, black and white square plots indicate the first and second surfaces of the polymer electrolyte membrane of Example 1, respectively, and black and white triangle plots indicate those of Comparative Example 1. The 1st surface and 2nd surface of a polymer electrolyte membrane are each shown.

図1より、実施例1の高分子電解質膜では、その表面領域(表面からSiO換算0〜6nm)において、A/(A+B)の値が実質的に単調減少していることが確認された。 From FIG. 1, in the polymer electrolyte membrane of Example 1, it was confirmed that the value of A / (A + B) decreased substantially monotonously in the surface region (0 to 6 nm in terms of SiO 2 from the surface). .

一方、比較例1の高分子電解質膜では、第2面において、スパッタリング時間tが0.6分までの範囲で、A/(A+B)の増加が見られた。また、tが0〜2分の範囲で、A/(A+B)の単調ではない変化が見られた。   On the other hand, in the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1, an increase in A / (A + B) was observed on the second surface when the sputtering time t was in the range up to 0.6 minutes. In addition, a non-monotonic change of A / (A + B) was observed when t was in the range of 0 to 2 minutes.

また、上記で得られた結果に基づき、実施例1及び比較例1の高分子電解質膜のそれぞれについて、f(t)=A/(A+B)として、スパッタリング時間t(n≧4)におけるt、t、…tと、f(t)、f(t)、…f(t)との相関係数を全て算出した。その結果、図2のような、スパッタリング時間tに対する相関係数の変化を表すグラフに示される結果が得られた。図2中、黒塗り及び白抜きの四角形のプロットが、実施例1の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示し、黒塗り及び白抜きの三角形のプロットが、比較例1の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示している。 Also, based on the results obtained above, for each of the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1, f (t) = A / (A + B) and t at the sputtering time t n (n ≧ 4). 1 , t 2 ,... T n and all correlation coefficients between f (t 1 ), f (t 2 ),... F (t n ) were calculated. As a result, the result shown in the graph showing the change of the correlation coefficient with respect to the sputtering time t as shown in FIG. 2 was obtained. In FIG. 2, black and white square plots indicate the first and second surfaces of the polymer electrolyte membrane of Example 1, respectively, and black and white triangle plots indicate those of Comparative Example 1. The 1st surface and 2nd surface of a polymer electrolyte membrane are each shown.

図2に示されるように、実施例1の高分子電解質膜によれば、測定した全範囲において相関係数が負となることが確認された。一方、比較例2の高分子電解質膜では、第二面においてスパッタリング時間が1.4分以下の範囲で相関係数が正となった。また、第一面において、スパッタリング時間4分程度に相関係数が正となる範囲があった。
[膜抵抗の測定]
As shown in FIG. 2, according to the polymer electrolyte membrane of Example 1, it was confirmed that the correlation coefficient was negative in the entire measured range. On the other hand, in the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2, the correlation coefficient was positive in the range where the sputtering time was 1.4 minutes or less on the second surface. Further, on the first surface, there was a range in which the correlation coefficient was positive after about 4 minutes of sputtering time.
[Measurement of membrane resistance]

実施例1及び比較例1の高分子電解質膜の膜厚方向の膜抵抗を、以下に示す方法にしたがってそれぞれ測定した。得られた結果を、各高分子電解質膜の膜厚及びイオン交換容量とともに表1に示す。   The membrane resistance in the film thickness direction of the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1 was measured according to the following method. The obtained results are shown in Table 1 together with the film thickness and ion exchange capacity of each polymer electrolyte membrane.

すなわち、まず、1cmの開口部を有するシリコンゴム(厚さ200μm)の片面にカーボン電極を貼った測定用セルを2つ準備し、これらをカーボン電極同士が対向するように配置した。それから、測定用セルに直接インピーダンス測定装置の端子を接続した。 That is, first, two measurement cells each having a carbon electrode pasted on one side of a silicon rubber (thickness: 200 μm) having an opening of 1 cm 2 were prepared and arranged so that the carbon electrodes face each other. Then, the terminal of the impedance measuring device was directly connected to the measuring cell.

次いで、この2つの測定用セルの間に、高分子電解質膜を挟み、測定温度23℃で2つの測定用セル間の抵抗値を測定した。続いて、高分子電解質膜を取り除いた状態で再度抵抗値を測定した。   Next, a polymer electrolyte membrane was sandwiched between the two measurement cells, and the resistance value between the two measurement cells was measured at a measurement temperature of 23 ° C. Subsequently, the resistance value was measured again with the polymer electrolyte membrane removed.

そして、高分子電解質膜を有する状態で得られた抵抗値と、高分子電解質膜を有しない状態で得られた抵抗値とを比較し、これらの抵抗値の差に基づいて高分子電解質膜の膜厚方向の膜抵抗を算出した。なお、測定は、高分子電解質膜の両側に1mol/Lの希硫酸を接触させた状態で行った。

Figure 2008078130
Then, the resistance value obtained in the state having the polymer electrolyte membrane is compared with the resistance value obtained in the state without the polymer electrolyte membrane, and based on the difference between these resistance values, The film resistance in the film thickness direction was calculated. The measurement was performed in a state where 1 mol / L dilute sulfuric acid was in contact with both sides of the polymer electrolyte membrane.
Figure 2008078130

表1より、実施例1の高分子電解質膜は、比較例1に比して、膜厚方向の膜抵抗が小さく、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を有することが確認された。
[高分子電解質の製造]
From Table 1, it was confirmed that the polymer electrolyte membrane of Example 1 had a smaller membrane resistance in the film thickness direction than that of Comparative Example 1, and had excellent proton conductivity in the film thickness direction.
[Manufacture of polymer electrolytes]

(合成例2)
無水塩化ニッケル1.62gとジメチルスルホキシド15mLとを混合し、内温70℃に調整した。これに、2,2’−ビピリジン2.15gを加え、同温度で10分攪拌してニッケル含有溶液を調整した。
(Synthesis Example 2)
1.62 g of anhydrous nickel chloride and 15 mL of dimethyl sulfoxide were mixed and adjusted to an internal temperature of 70 ° C. To this, 2.15 g of 2,2′-bipyridine was added and stirred at the same temperature for 10 minutes to prepare a nickel-containing solution.

また、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)1.49gとポリエーテルスルホン(住友化学製スミカエクセルPES5200P)0.50gとをジメチルスルホキシド5mLに溶解させて得られた溶液に、亜鉛粉末1.23gを加え、70℃に調製した。次いで、これに上記のニッケル含有溶液を注ぎ込み、70℃で4時間重合反応を行った。反応混合物をメタノール60mL中に加えた後、6mol/L塩酸60mLを加え、これを1時間攪拌した。そして、析出した固体を濾過により分離し、乾燥して、灰白色のポリアリーレン1.62gを得た。   In addition, in a solution obtained by dissolving 1.49 g of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl) and 0.50 g of polyethersulfone (Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P) in 5 mL of dimethyl sulfoxide. Then, 1.23 g of zinc powder was added and adjusted to 70 ° C. Next, the above nickel-containing solution was poured into this, and a polymerization reaction was performed at 70 ° C. for 4 hours. The reaction mixture was added to 60 mL of methanol, and then 60 mL of 6 mol / L hydrochloric acid was added, and this was stirred for 1 hour. And the depositing solid was isolate | separated by filtration and it dried and obtained 1.62g of grayish white polyarylene.

得られたポリアリーレン0.23gを、臭化リチウム・1水和物0.16gとN−メチル−2−ピロリドン8mLとの混合溶液に加え、120℃で24時間反応させた。さらに、反応混合物を、6mol/L塩酸80mLに注ぎ込み、1時間攪拌した。析出した固体を濾過により分離した。そして、分離した固体を乾燥して、下記一般式(9)で示されるポリアリーレン系ブロック共重合体0.06gを得た。このブロック共重合体のイオン交換容量は2.4meq/gであった。

Figure 2008078130

[高分子電解質膜の製造] 0.23 g of the obtained polyarylene was added to a mixed solution of 0.16 g of lithium bromide monohydrate and 8 mL of N-methyl-2-pyrrolidone, and reacted at 120 ° C. for 24 hours. Furthermore, the reaction mixture was poured into 80 mL of 6 mol / L hydrochloric acid and stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration. The separated solid was dried to obtain 0.06 g of a polyarylene block copolymer represented by the following general formula (9). The ion exchange capacity of this block copolymer was 2.4 meq / g.
Figure 2008078130

[Manufacture of polymer electrolyte membranes]

(実施例2)
合成例2で得られたポリアリーレン系ブロック共重合体を、10wt%の濃度となるようにDMSOに溶解させて、高分子電解質溶液を調整した。この高分子電解質溶液をシリコン基材上に流延塗布した。それから、この塗布膜から、常圧下、80℃、60分間で溶媒を蒸発させて除去し、これにより膜を乾燥させた。その後、塩酸処理及びイオン交換水での洗浄を経て、ポリアリーレン系ブロック共重合体を含む高分子電解質膜を作製した。
(Example 2)
The polyarylene block copolymer obtained in Synthesis Example 2 was dissolved in DMSO to a concentration of 10 wt% to prepare a polymer electrolyte solution. This polymer electrolyte solution was cast-coated on a silicon substrate. Then, the solvent was removed by evaporation from the coating film at 80 ° C. for 60 minutes under normal pressure, thereby drying the film. Then, the polymer electrolyte membrane containing a polyarylene-type block copolymer was produced through hydrochloric acid treatment and washing with ion exchange water.

(比較例2)
高分子電解質溶液をPET基材上に直接流延塗布したこと以外は、実施例2と同様にして高分子電解質膜を作製した。
(Comparative Example 2)
A polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 2 except that the polymer electrolyte solution was directly cast on a PET substrate.

(比較例3)
溶媒を蒸発させた時間を90分としたこと以外は比較例2と同様にして高分子電解質膜を作製した。
[高分子電解質膜の相分離構造の確認]
(Comparative Example 3)
A polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except that the time for evaporating the solvent was 90 minutes.
[Confirmation of phase separation structure of polymer electrolyte membrane]

実施例2、比較例2及び比較例3の高分子電解質膜を、上述した方法と同様の手順で透過型電子顕微鏡(日立製作所社製、H9000NAR)により観察して、高分子電解質膜の相分離構造を確認した。その結果、実施例2、比較例2及び比較例3の高分子電解質膜は、いずれもイオン性セグメントを多く含む相と、非イオン性セグメントを多く含む相とに相分離していることが確認された。
[高分子電解質膜の表面領域の構造の評価]
The polymer electrolyte membranes of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 were observed with a transmission electron microscope (H9000NAR, manufactured by Hitachi, Ltd.) in the same procedure as described above, and the phase separation of the polymer electrolyte membrane was performed. The structure was confirmed. As a result, it was confirmed that the polymer electrolyte membranes of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 were all phase-separated into a phase containing many ionic segments and a phase containing many nonionic segments. It was done.
[Evaluation of the structure of the surface region of the polymer electrolyte membrane]

実施例2、比較例2及び比較例3の高分子電解質膜の表面領域の構造について、中和電子銃4eV、アルゴンイオン銃3eVを使用したこと、及び、スパッタリング時間6分まで0.2分毎にXPS測定を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法で評価した。このときのスパッタリング速度は、SiOをスパッタリングする場合で1.3nm/分であった。なお、上記と同様に、163.6eV付近のピークは波形解析で分離して除外した。 About the structure of the surface region of the polymer electrolyte membrane of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the neutralization electron gun 4 eV and the argon ion gun 3 eV were used, and the sputtering time was 6 minutes every 0.2 minutes. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that XPS measurement was performed. The sputtering rate at this time was 1.3 nm / min when SiO 2 was sputtered. Similarly to the above, the peak around 163.6 eV was separated and excluded by waveform analysis.

このようなXPS測定の結果、実施例2、比較例2及び比較例3の高分子電解質膜のそれぞれについて、図3及び4に示すようなスパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化を表すグラフに示される結果を得た。図3中、黒塗り及び白抜きの四角形のプロットが、実施例2の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示し、黒塗り及び白抜きの三角形のプロットが、比較例2の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示し、図4中、黒塗り及び白抜きの丸のプロットが、比較例3の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示している。   As a result of such XPS measurement, for each of the polymer electrolyte membranes of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the change in the value of A / (A + B) with respect to the sputtering time t as shown in FIGS. The results shown in the representing graph were obtained. In FIG. 3, black and white square plots show the first and second surfaces of the polymer electrolyte membrane of Example 2, respectively, and black and white triangle plots show the comparative example 2 plots. The first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane are shown, respectively. In FIG. 4, black and white circle plots show the first surface and the second surface of the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3, respectively. ing.

図3より、実施例2の高分子電解質膜では、第二面の表面領域(表面からSiO2換算0〜7.8nm)において、A/(A+B)の値が実質的に単調減少していることが確認された。 From FIG. 3, in the polymer electrolyte membrane of Example 2, the value of A / (A + B) substantially monotonously decreases in the surface region of the second surface (0 to 7.8 nm in terms of SiO 2 from the surface). It was confirmed.

一方、比較例3の高分子電解質膜では、第二面において、スパッタリング時間tが約1分までの範囲で、A/(A+B)の増加が明確に確認された。   On the other hand, in the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3, an increase in A / (A + B) was clearly confirmed on the second surface in the range where the sputtering time t was up to about 1 minute.

また、上記で得られた結果に基づき、実施例2、比較例2及び比較例3の高分子電解質膜のそれぞれについて、f(t)=A/(A+B)として、スパッタリング時間tn(n≧4)におけるt1、t2、…tnと、f(t1)、f(t2)、…f(tn)との相関係数を全て算出した。その結果、図5のような、スパッタリング時間tに対する相関係数の変化を表すグラフに示される結果が得られた。図5中、黒塗り及び白抜きの四角形のプロットが、実施例2の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示し、黒塗り及び白抜きの三角形のプロットが、比較例2の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示し、黒塗り及び白抜きの丸のプロットが、比較例3の高分子電解質膜の第一面及び第二面をそれぞれ示している。 Further, based on the results obtained above, for each of the polymer electrolyte membranes of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3, f (t) = A / (A + B) and sputtering time t n (n ≧ All the correlation coefficients between t 1 , t 2 ,... T n and f (t 1 ), f (t 2 ),... F (t n ) in 4) were calculated. As a result, the result shown in the graph showing the change of the correlation coefficient with respect to the sputtering time t as shown in FIG. 5 was obtained. In FIG. 5, black and white square plots indicate the first and second surfaces of the polymer electrolyte membrane of Example 2, respectively, and black and white triangle plots indicate those of Comparative Example 2. The first and second surfaces of the polymer electrolyte membrane are shown, respectively, and the black and white circle plots show the first and second surfaces of the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3, respectively.

図5に示されるように、実施例2の高分子電解質膜では、第二面において測定した全範囲で相関係数が負になった。一方、第一面においてはスパッタリング時間が1.2分以下の範囲で相関係数が正となった。   As shown in FIG. 5, in the polymer electrolyte membrane of Example 2, the correlation coefficient became negative over the entire range measured on the second surface. On the other hand, on the first surface, the correlation coefficient was positive when the sputtering time was 1.2 minutes or less.

これに対し、比較例2の高分子電解質膜では、第一面においてはスパッタリング時間が1.2分程度に相関係数が正となる範囲があり、第二面においてはスパッタリング時間が2分以下で相関係数が正となった。   On the other hand, in the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2, there is a range in which the correlation coefficient is positive when the sputtering time is about 1.2 minutes on the first surface, and the sputtering time is 2 minutes or less on the second surface. The correlation coefficient became positive.

さらに、比較例3の高分子電解質膜では、第一面においてスパッタリング時間が2.4分程度に相関係数が正となる範囲があり、第二面においては測定した全範囲で相関係数が正となった。
[膜抵抗の測定]
Furthermore, in the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3, there is a range where the correlation coefficient is positive when the sputtering time is about 2.4 minutes on the first surface, and the correlation coefficient is the entire measured range on the second surface. It became positive.
[Measurement of membrane resistance]

実施例1と同様にして実施例2、比較例2及び比較例3の高分子電解質膜の膜厚方向の膜抵抗を測定した。得られた結果を、各高分子電解質膜の膜厚及びイオン交換容量とともに表2に示す。

Figure 2008078130
The membrane resistance in the film thickness direction of the polymer electrolyte membranes of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 was measured in the same manner as Example 1. The obtained results are shown in Table 2 together with the film thickness and ion exchange capacity of each polymer electrolyte membrane.
Figure 2008078130

表2より、実施例2の高分子電解質膜は、比較例2及び比較例3に比して、膜厚方向の膜抵抗が小さく、膜厚方向に優れたプロトン伝導性を有することが確認された。   From Table 2, it is confirmed that the polymer electrolyte membrane of Example 2 has smaller membrane resistance in the film thickness direction and superior proton conductivity in the film thickness direction as compared with Comparative Example 2 and Comparative Example 3. It was.

実施例1および比較例1の高分子電解質膜におけるスパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化を表すグラフである。6 is a graph showing changes in the value of A / (A + B) with respect to sputtering time t in the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1および比較例1の高分子電解質膜におけるスパッタリング時間tに対する相関係数の変化を表すグラフである。6 is a graph showing a change in correlation coefficient with respect to sputtering time t in the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2および比較例2の高分子電解質膜におけるスパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化を表すグラフである。6 is a graph showing a change in A / (A + B) value with respect to sputtering time t in the polymer electrolyte membranes of Example 2 and Comparative Example 2. 比較例3の高分子電解質膜におけるスパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化を表すグラフである。10 is a graph showing a change in A / (A + B) value with respect to sputtering time t in the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3. 実施例2、比較例2、および比較例3の高分子電解質膜におけるスパッタリング時間tに対する相関係数の変化を表すグラフである。4 is a graph showing a change in correlation coefficient with respect to sputtering time t in polymer electrolyte membranes of Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 3.

Claims (18)

イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜であって、
前記イオン性セグメントを多く含む相と、前記非イオン性セグメントを多く含む相と、に相分離しており、
少なくとも一方の表面領域において、表面側から内部側への前記イオン性セグメントの量の変化が、実質的な単調減少である、
ことを特徴とする高分子電解質膜。
A polymer electrolyte membrane comprising a polymer compound comprising an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially free of ionic functional groups,
Phase-separated into a phase containing many ionic segments and a phase containing many non-ionic segments,
In at least one surface region, the change in the amount of the ionic segment from the surface side to the inner side is a substantially monotonic decrease.
A polymer electrolyte membrane characterized by that.
イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜であって、
前記イオン性セグメントを多く含む相と、前記非イオン性セグメントを多く含む相と、に相分離しており、
X線光電子分光測定による、前記イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度をAとし、前記非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度をBとしたとき、
少なくとも一方の表面領域において、表面側から内部側へのA/(A+B)で表される値の変化が、実質的な単調減少である、
ことを特徴とする高分子電解質膜。
A polymer electrolyte membrane comprising a polymer compound comprising an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially free of ionic functional groups,
Phase-separated into a phase containing many ionic segments and a phase containing many non-ionic segments,
When the intensity of a specific signal selected from signals derived from the ionic segment by X-ray photoelectron spectroscopy is A and the intensity of a specific signal selected from signals derived from the non-ionic segment is B,
In at least one surface region, the change in the value represented by A / (A + B) from the surface side to the inner side is a substantially monotonous decrease.
A polymer electrolyte membrane characterized by that.
A/(A+B)で表される値の変化が、C60イオンを用いたスパッタリングとA/(A+B)で表される値の測定とを繰り返し行なったときのスパッタリング時間tに対するA/(A+B)の値の変化である、ことを特徴とする請求項2記載の高分子電解質膜。 The change in the value represented by A / (A + B) is A / (A + B) with respect to the sputtering time t when sputtering using C 60 ions and measurement of the value represented by A / (A + B) are repeated. The polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein 前記表面領域において、
前記スパッタリングの開始時点から、SiO換算0.1nm以上0.5nm以下の時間が経過するごとにA/(A+B)の値を測定し、1回目から任意のn回目までの測定で得られるtとA/(A+B)で表される値との相関係数を求めたとき、
前記nが4以上である場合に得られる全ての前記相関係数が負となる、
ことを特徴とする請求項3記載の高分子電解質膜。
In the surface region,
The value of A / (A + B) is measured every time a time of 0.1 nm or more and 0.5 nm or less in terms of SiO 2 has elapsed since the start of the sputtering, and t obtained by the measurement from the first time to any nth time. And the correlation coefficient between the value represented by A / (A + B),
All the correlation coefficients obtained when n is 4 or more are negative;
The polymer electrolyte membrane according to claim 3.
前記イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号が、主な前記非イオン性セグメントからは観測されない信号である、ことを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。   The high signal according to claim 2, wherein the specific signal selected from signals derived from the ionic segments is a signal that is not observed from the main nonionic segments. Molecular electrolyte membrane. 前記非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号が、主な前記イオン性セグメントからは観測されない信号である、ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。   The high signal according to any one of claims 2 to 5, wherein the specific signal selected from signals derived from the non-ionic segment is a signal that is not observed from the main ionic segment. Molecular electrolyte membrane. イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜であって、
前記イオン性セグメントを多く含む相と、前記非イオン性セグメントを多く含む相と、に相分離しており、
その表面領域に、前記非イオン性セグメントの濃度が全体の平均よりも実質的に高い層状部分を有しないこと、
を特徴とする高分子電解質膜。
A polymer electrolyte membrane comprising a polymer compound comprising an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially free of ionic functional groups,
Phase-separated into a phase containing many ionic segments and a phase containing many non-ionic segments,
In its surface region, the non-ionic segment has no layered portion whose concentration is substantially higher than the overall average,
A polymer electrolyte membrane characterized by
前記高分子化合物が、芳香族系高分子化合物である、ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polymer compound is an aromatic polymer compound. 前記高分子化合物が、下記一般式(1)で表される構造単位を含む、ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008078130

[式中、Arは、芳香環に直接結合したイオン性官能基を置換基として少なくとも有する2価の芳香族基を示し、Xは、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。]
The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein the polymer compound includes a structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 2008078130

[Wherein Ar 1 represents a divalent aromatic group having at least an ionic functional group directly bonded to an aromatic ring as a substituent, and X 1 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. Indicates a group. ]
高分子化合物は、前記イオン性セグメント及び前記非イオン性セグメントを有するブロック共重合体である、ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein the polymer compound is a block copolymer having the ionic segment and the nonionic segment. 前記イオン性セグメントが、下記一般式(2)で表される構造を有する、ことを特徴とする請求項10記載の高分子電解質膜。
Figure 2008078130

[式中、Ar11は、芳香環に直接結合したイオン性官能基を置換基として少なくとも有する2価の芳香族基を示し、X11は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。dは2以上の整数である。]
The polymer electrolyte membrane according to claim 10, wherein the ionic segment has a structure represented by the following general formula (2).
Figure 2008078130

[In the formula, Ar 11 represents a divalent aromatic group having at least an ionic functional group directly bonded to an aromatic ring as a substituent, and X 11 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. Indicates a group. d is an integer of 2 or more. ]
前記イオン性セグメントが、下記一般式(3a)又は下記一般式(3b)で表される構造を有する、ことを特徴とする請求項10又は11記載の高分子電解質膜。
Figure 2008078130

[式中、X12は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示し、Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基を示し、Jはイオン性官能基を示し、p及びqはそれぞれ独立に1又は2であり、dは2以上の整数である。]
The polymer electrolyte membrane according to claim 10 or 11, wherein the ionic segment has a structure represented by the following general formula (3a) or the following general formula (3b).
Figure 2008078130

[Wherein, X 12 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group, and each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or 1 to 20 carbon atoms. Represents an alkoxy group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, J 1 represents an ionic functional group, and p and q are independent of each other. 1 or 2, and d is an integer of 2 or more. ]
前記イオン性官能基が、スルホン酸基である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 12, wherein the ionic functional group is a sulfonic acid group. 前記非イオン性セグメントが、下記一般式(5)で表される構造を有する、ことを特徴とする請求項10〜13のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008078130

[式中、Ar22は、イオン性官能基を有しない2価の芳香族基を示し、X22は、直接結合、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基又はスルホニル基を示す。eは2以上の整数である。]
The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 10 to 13, wherein the nonionic segment has a structure represented by the following general formula (5).
Figure 2008078130

[In the formula, Ar 22 represents a divalent aromatic group having no ionic functional group, and X 22 represents a direct bond, an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group or a sulfonyl group. e is an integer of 2 or more. ]
前記非イオン性セグメントが、下記一般式(6)で表される構造を有する、ことを特徴とする請求項10〜14のいずれか一項に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008078130

[式中、a、b及びcはそれぞれ独立に0又は1であり、zは正の整数である。Ar、Ar、Ar及びArはそれぞれ独立にイオン性官能基を有しない2価の芳香族基を示し、X及びX´はそれぞれ独立に直接結合又は2価の基を示し、Y及びY´はそれぞれ独立にオキシ基又はチオキシ基を示す。]
The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 10 to 14, wherein the nonionic segment has a structure represented by the following general formula (6).
Figure 2008078130

[Wherein, a, b and c are each independently 0 or 1, and z is a positive integer. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 and Ar 5 each independently represent a divalent aromatic group having no ionic functional group, X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, Y And Y ′ each independently represents an oxy group or a thioxy group. ]
イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質からなる高分子電解質膜の製造方法であって、
前記高分子電解質を含む溶液を、金属又は金属酸化物からなる表面を有する基材上に塗布する工程と、
前記溶液から溶媒を蒸発させる蒸発工程と、を有しており、
前記蒸発工程において、溶媒の蒸発が開始してから完了するまでの時間を60分以下とする、
ことを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte containing a polymer compound containing an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group,
Applying a solution containing the polymer electrolyte onto a substrate having a surface made of metal or metal oxide;
Evaporating the solvent from the solution, and
In the evaporation step, the time from the start of evaporation of the solvent to the completion is 60 minutes or less,
A method for producing a polymer electrolyte membrane.
イオン性官能基を有するイオン性セグメント及びイオン性官能基を実質的に有しない非イオン性セグメントを含む高分子化合物を含有する高分子電解質膜のプロトン伝導性の評価方法であって、
60イオンを用いたスパッタリングを表面側から内部側に行い、該スパッタリングの経過時間tにおけるその時点での表面のX線光電子分光測定を行うことにより、各tの時点での前記イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度A、及び、前記非イオン性セグメントに由来する信号から選ばれる特定の信号の強度Bを求める第1のステップと、
tに対するA/(A+B)で表される値の変化が、実質的な単調減少であるか否かを判定する第2のステップと、
を有することを特徴とする評価方法。
A method for evaluating proton conductivity of a polymer electrolyte membrane comprising a polymer compound comprising an ionic segment having an ionic functional group and a nonionic segment substantially having no ionic functional group,
Sputtering using C 60 ions is performed from the surface side to the inner side, and X-ray photoelectron spectroscopic measurement of the surface at the time of the elapsed time t of the sputtering is performed, whereby the ionic segment at each time t A first step of determining an intensity A of a specific signal selected from a signal derived from and an intensity B of a specific signal selected from a signal derived from the nonionic segment;
a second step of determining whether the change in value represented by A / (A + B) with respect to t is a substantially monotonic decrease;
The evaluation method characterized by having.
前記第1のステップにおいて、前記スパッタリングの開始時点から、SiO換算0.1nm以上0.5nm以下の時間が経過するごとにA/(A+B)を測定し、
前記第2のステップにおいて、1回目から任意のn回目までの測定で得られるtとA/(A+B)で表される値との相関係数を求め、nが4以上である場合に得られる全ての前記相関係数の正負を判定する、
ことを特徴とする請求項17記載の評価方法。
In the first step, A / (A + B) is measured each time a time of 0.1 nm to 0.5 nm in terms of SiO 2 has elapsed from the start of the sputtering,
In the second step, a correlation coefficient between t obtained by measurement from the first time to an arbitrary n-th time and a value represented by A / (A + B) is obtained, and obtained when n is 4 or more. Determining the sign of all the correlation coefficients;
The evaluation method according to claim 17, wherein:
JP2007218919A 2006-08-25 2007-08-24 POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR EVALUATING PROTON CONDUCTIVITY OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE Expired - Fee Related JP4914311B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007218919A JP4914311B2 (en) 2006-08-25 2007-08-24 POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR EVALUATING PROTON CONDUCTIVITY OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006229697 2006-08-25
JP2006229697 2006-08-25
JP2007218919A JP4914311B2 (en) 2006-08-25 2007-08-24 POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR EVALUATING PROTON CONDUCTIVITY OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011278037A Division JP2012104494A (en) 2006-08-25 2011-12-20 Polymer electrolyte membrane, manufacturing method therefor, and evaluation method of proton conductivity of polymer electrolyte membrane

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008078130A true JP2008078130A (en) 2008-04-03
JP4914311B2 JP4914311B2 (en) 2012-04-11

Family

ID=39349950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007218919A Expired - Fee Related JP4914311B2 (en) 2006-08-25 2007-08-24 POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR EVALUATING PROTON CONDUCTIVITY OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4914311B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012017960A1 (en) * 2010-08-03 2012-02-09 Jsr株式会社 Aromatic copolymer having sulfonate group, and application thereof
WO2015141450A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-24 タカハタプレシジョンジャパン株式会社 Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cells, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer, and fuel cell
JP2016196664A (en) * 2016-08-09 2016-11-24 タカハタプレシジョンジャパン株式会社 Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cell, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer, and fuel cell

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004273286A (en) * 2003-03-10 2004-09-30 Toray Ind Inc Electrolyte film and fuel cell using the same
JP2005190675A (en) * 2003-12-24 2005-07-14 Jsr Corp Solid polyelectrolyte film and solid polymer electrolyte fuel cell
JP2007122949A (en) * 2005-10-26 2007-05-17 Nitto Denko Corp Proton conductive membrane and its manufacturing method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004273286A (en) * 2003-03-10 2004-09-30 Toray Ind Inc Electrolyte film and fuel cell using the same
JP2005190675A (en) * 2003-12-24 2005-07-14 Jsr Corp Solid polyelectrolyte film and solid polymer electrolyte fuel cell
JP2007122949A (en) * 2005-10-26 2007-05-17 Nitto Denko Corp Proton conductive membrane and its manufacturing method

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012017960A1 (en) * 2010-08-03 2012-02-09 Jsr株式会社 Aromatic copolymer having sulfonate group, and application thereof
JPWO2012017960A1 (en) * 2010-08-03 2013-10-03 Jsr株式会社 Aromatic copolymer having sulfonic acid group and use thereof
WO2015141450A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-24 タカハタプレシジョンジャパン株式会社 Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cells, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer, and fuel cell
JP2015174956A (en) * 2014-03-17 2015-10-05 タカハタプレシジョンジャパン株式会社 Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cells, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer and fuel cell
US20170087545A1 (en) * 2014-03-17 2017-03-30 Takahata Precision Japan Co., Ltd. Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cell, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer and fuel cell
US9931624B2 (en) 2014-03-17 2018-04-03 Takahata Precision Japan Co., Ltd. Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cell, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer and fuel cell
JP2016196664A (en) * 2016-08-09 2016-11-24 タカハタプレシジョンジャパン株式会社 Anion exchange resin, electrolyte membrane for fuel cell, binder for forming electrode catalyst layer, battery electrode catalyst layer, and fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP4914311B2 (en) 2012-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2012104494A (en) Polymer electrolyte membrane, manufacturing method therefor, and evaluation method of proton conductivity of polymer electrolyte membrane
US10826098B2 (en) Composite polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell using same
US8211558B2 (en) Crosslinked polymer electrolyte and method for producing same
US20110311899A1 (en) Polymer, polyarylene block copolymer, polyelectrolyte, polyelectrolyte membrane, and fuel cell
JP6819287B2 (en) Composite polymer electrolyte membrane and electrolyte membrane with catalyst layer using it, membrane electrode composite and polymer electrolyte fuel cell
JP5621180B2 (en) Method for producing polymer electrolyte membrane and polymer electrolyte membrane
Yoon et al. Multiblock copolymers based on poly (p-phenylene)-co-poly (arylene ether sulfone ketone) with sulfonated multiphenyl pendant groups for polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) application
US20110033774A1 (en) Polymer electrolyte composition and method for preparing the same, and fuel cell
JP4914311B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR EVALUATING PROTON CONDUCTIVITY OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE
EP1630187A1 (en) Sulfonic group-containing polyarylene block copolymer, process for production thereof, solid polymer electrolyte and proton conductive membrane
KR20070097569A (en) Composition containing oxocarbon and use thereof
JP5023503B2 (en) Mixed solution containing polymer electrolyte, polymer electrolyte composition containing polymer having crosslinked structure, and polymer electrolyte membrane
JP2009104926A (en) Membrane electrode assembly
JPWO2008078810A1 (en) Polyarylene copolymer having aromatic compound and sulfonic acid group, and use thereof
JP4590824B2 (en) Sulfonated aromatic polyether compounds, composites thereof, and production methods thereof.
JP5475301B2 (en) Polymer electrolyte membrane
EP4317252A1 (en) Polymer electrolyte material, polymer electrolyte molded body using same, electrolytic membrane having catalyst layer attached thereto, membrane-electrode assembly, solid polymer fuel cell, and water-electrolysis-type hydrogen generator
JP3651683B1 (en) Sulfonic acid group-containing polymer compound, ion conductive membrane obtained thereby, and article using the same
US20090317684A1 (en) Polymer electrolyte membrane, laminate thereof, and their production methods
JP2006261110A (en) Composition containing oxocarbon acid and/or its derivative and use thereof
JP2009245936A (en) Polymer electrolyte membrane
JP2005268144A (en) Electrolyte film and its manufacturing method
JP2011103296A (en) Polymer electrolyte membrane, processing method thereof, and durability inspection method
JP2011102389A (en) Polymer, polymer electrolyte and application of the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100628

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111019

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111025

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111220

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120117

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120120

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4914311

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150127

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees