JP2008097905A - Multilayered polymer electrolyte membrane, membrane/electrode assembly, and fuel cell using it - Google Patents

Multilayered polymer electrolyte membrane, membrane/electrode assembly, and fuel cell using it Download PDF

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

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane which is superior in methanol permeation suppression characteristics and joining characteristics to an electrode, and suitable for a fuel cell, especially a direct methanol type fuel cell, and also to provide its usage. <P>SOLUTION: A multilayered polymer electrolyte membrane in which two or more layers are laminated is provided, wherein the respective layers are constituted of different polymer electrolytes, and at least one of the polymer electrolyte layers is a sulfonic acid group containing polymer containing a constituting component shown by a chemical formula 1 (X is hydrogen or monovalent cation, Y is sulfonic group or ketone group, and Ar<SP>1</SP>is aromatic compound). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池のプロトン交換膜として用いることができ、メタノールや水素などの燃料の透過性を抑制しつつ、電極との接合性を両立させることができる高分子電解質膜及びその用途(膜/電極接合体、燃料電池)に関する。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a proton exchange membrane of a fuel cell, and can suppress the permeability of fuel such as methanol and hydrogen, and can achieve compatibility with an electrode and a use thereof (membrane) / Electrode assembly, fuel cell).

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。固体高分子形燃料電池の中でも、燃料としてメタノールを直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池は、特に小型化が可能であるためパーソナルコンピューターや携帯機器の電源などの用途に向けた開発が進んでいる。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing. Among solid polymer fuel cells, a direct methanol fuel cell that directly supplies methanol as a fuel can be miniaturized, and is being developed for applications such as power supplies for personal computers and portable devices.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性の高分子電解質を含む膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては、例えばスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。   As the polymer solid electrolyte membrane, a membrane containing a proton conductive polymer electrolyte is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. As such a polymer solid electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced is known.

ダイレクトメタノール形燃料電池はメタノール水溶液を燃料として用いるが、メタノールが膜を透過して空気極に移行すると出力の低下を起こす。そのためメタノール透過性の大きいパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜をダイレクトメタノール形燃料電池に用いる場合、高濃度のメタノール水溶液を用いるとメタノールの透過量が大きくなり、出力の低下が著しいという問題があった。そこで、メタノールの透過性が小さい非パーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜が検討されている(例えば特許文献1〜3参照)。   A direct methanol fuel cell uses an aqueous methanol solution as a fuel, but when methanol passes through the membrane and moves to the air electrode, the output is lowered. Therefore, when a perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane having a high methanol permeability is used in a direct methanol fuel cell, there is a problem that when a high concentration aqueous methanol solution is used, the amount of methanol permeated becomes large and the output is significantly reduced. Thus, non-perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes having low methanol permeability have been studied (for example, see Patent Documents 1 to 3).

しかしながら、これらの炭化水素系高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜よりもメタノール透過性は小さくなるものの、燃料電池としたときの性能は十分といえるものではなかった。また、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜では電極は通常ホットプレスなどで接合しているが、炭化水素系高分子電解質膜で同様の方法で電極を接合しようとするとしばしば剥がれなどの接合不良が生じやすかった。そのため、さらに優れた炭化水素系高分子電解質膜が求められている。   However, although these hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes are less permeable to methanol than perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer electrolyte membranes, their performance as fuel cells has not been sufficient. Also, in perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes, the electrodes are usually joined by hot pressing or the like, but joining the electrodes in a similar manner with hydrocarbon polymer electrolyte membranes often results in poor bonding such as peeling. It was easy to occur. Therefore, a further excellent hydrocarbon polymer electrolyte membrane is required.

特開2003−288916号公報JP 2003-288916 A 特開2003−331868号公報JP 2003-331868 A 米国特許出願公開第2002/0091225号明細書US Patent Application Publication No. 2002/0091225

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、メタノール透過抑制性と電極との接合性のいずれもが良好であり、燃料電池、特にダイレクトメタノール型燃料電池に適した高分子電解質膜、該高分子電解質膜を用いた膜/電極接合体及び燃料電池の提供を課題とするものである。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and both the methanol permeation suppression property and the bonding property with the electrode are good, and a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell, An object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly and a fuel cell using the polymer electrolyte membrane.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、下記の構成からなる。
(1) 異なる組成の高分子電解質層が少なくとも2層積層されてなる多層高分子電解質膜であって、該多層高分子電解質層の少なくとも一つの層が、下記の化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーを含有することを特徴とする高分子電解質膜。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, this invention consists of the following structures.
(1) A multilayer polymer electrolyte membrane in which at least two polymer electrolyte layers having different compositions are laminated, wherein at least one of the multilayer polymer electrolyte layers has a structural unit represented by the following chemical formula 1. A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonic acid group-containing polymer.

Figure 2008097905
(ただし、Xは水素又は1価のカチオン種、Yはスルホン基又はケトン基、Arは下記化学式2で表される分子構造か、又は化学式3及び4で表される分子構造の両方を同時に含む。)
Figure 2008097905
(However, X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or a ketone group, Ar 1 is a molecular structure represented by the following chemical formula 2 or both of the molecular structures represented by chemical formulas 3 and 4 at the same time. Including)

Figure 2008097905
(ただし、Arが化学式2で表される分子構造である場合、Zは酸素原子、nは2以上の任意の整数を示す。Arが化学式3及び4で表される分子構造の両方を同時に含む場合、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。また、Arが化学式3及び4で表される分子構造の両方を同時に含む場合は、上記化学式1と共に下記化学式5及び6の構造単位の両方を同時に含む。)
Figure 2008097905
(However, both the molecular structure Ar 1 be a molecular structure represented by Formula 2, Z 1 is an oxygen atom, n represents the .Ar 1 showing the arbitrary integer of 2 or more is represented by Formula 3 and 4 , Z 1 independently represents either an oxygen atom or a sulfur atom, Z 2 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, -CH 2 -group or cyclohexyl group, and when Ar 1 includes both of the molecular structures represented by Chemical Formulas 3 and 4, the structural units of the following Chemical Formulas 5 and 6 together with the Chemical Formula 1 Including both at the same time.)

Figure 2008097905
(ただし、Ar、Arは2価の芳香族基を、Z、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。)
(2) 前記スルホン酸基含有ポリマーが、下記化学式7で示される構造単位をさらに有する(1)に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008097905
(However, Ar 2 and Ar 3 are divalent aromatic groups, Z 3 and Z 4 are independently oxygen atoms or sulfur atoms, Z 5 is an oxygen atom, sulfur atom, —C (CH 3 ) 2 -group, -C (CF 3 ) 2 -group, -CH 2 -group, or cyclohexyl group.
(2) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the sulfonic acid group-containing polymer further has a structural unit represented by the following chemical formula 7.

Figure 2008097905
(ただし、Arは2価の芳香族基を、nは2以上の任意の整数を示す)
(3) 前記スルホン酸基含有ポリマーにおける前記化学式5のAr及び化学式6のArが、下記化学式8〜11で表される分子構造から選ばれる1種以上の基である(1)に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008097905
(However, Ar 4 represents a divalent aromatic group, and n represents an arbitrary integer of 2 or more.)
(3) Ar 2 of the chemical formula 5 and Ar 3 of the chemical formula 6 in the sulfonic acid group-containing polymer are one or more groups selected from a molecular structure represented by the following chemical formulas 8 to 11. Polymer electrolyte membrane.

Figure 2008097905
(4) 前記スルホン酸基含有ポリマーにおける化学式7のArが、化学式8〜11で表される分子構造から選ばれる1種以上の基である(3)に記載の高分子電解質膜。
(5) 前記スルホン酸基含有ポリマーにおける化学式4のZ及びZがいずれも硫黄原子である(1)に記載の高分子電解質膜。
(6) 前記高分子電解質において、化学式1、5及び6でそれぞれ表される構造単位、及びその他の構造単位のモル比が数式1〜3を満たすことを特徴とする(1)に記載の高分子電解質膜。
0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
・・・(数式1)
0.05≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.7 ・・・(数式2)
0.01≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.95・・・(数式3)
(上記式中、n1はArが化学式3である場合の化学式1で表される構造単位のモル%を、n2はArが化学式4である場合の化学式1で表される構造単位のモル%を、n3は化学式5で表される構造単位のモル%を、n4は化学式6で表される構造単位のモル%を、n5はその他の構造単位のモル%を、それぞれ表す。)
(7) 前記スルホン酸基含有ポリマーにおいて、スルホン酸基含有ポリマーを構成するモノマー成分の少なくとも一部が、下記の化学式12で表される末端ジヒドロキシ化合物であって、nの異なる複数の成分からなり、かつnの平均値が1<n≦10の範囲にあるものである請求項2又は4のいずれかに記載の高分子電解質膜。
Figure 2008097905
(4) The polymer electrolyte membrane according to (3), wherein Ar 4 in Chemical Formula 7 in the sulfonic acid group-containing polymer is one or more groups selected from the molecular structure represented by Chemical Formulas 8-11.
(5) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein Z 2 and Z 5 in Chemical Formula 4 in the sulfonic acid group-containing polymer are both sulfur atoms.
(6) In the polymer electrolyte, the molar ratio of the structural units represented by the chemical formulas 1, 5 and 6 and other structural units satisfies Formulas 1 to 3, respectively. Molecular electrolyte membrane.
0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
... (Formula 1)
0.05 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.7 (Formula 2)
0.01 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.95 (Equation 3)
(In the above formula, n1 is the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 1 when Ar 1 is Chemical Formula 3, and n2 is the mole of the structural unit represented by Chemical Formula 1 when Ar 1 is Chemical Formula 4. And n3 represents the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 5, n4 represents the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 6, and n5 represents the mol% of the other structural unit.)
(7) In the sulfonic acid group-containing polymer, at least a part of the monomer component constituting the sulfonic acid group-containing polymer is a terminal dihydroxy compound represented by the following chemical formula 12, and consists of a plurality of components having different n. 5. The polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the average value of n is in the range of 1 <n ≦ 10.

Figure 2008097905
(ただし、nは0以上の整数を表す。)
(8) 前記多層高分子電解質膜におけるイオン交換容量が、0.3〜5.0meq/gの範囲内である前記(1)に記載の高分子電解質膜。
(9) 多層高分子電解質膜が少なくとも3層からなり、少なくとも一方の最外層のイオン交換容量が、内層のイオン交換容量よりも大きい前記(1)に記載の高分子電解質膜。
(10) 前記(1)〜(9)のいずれかに記載の高分子電解質膜が電極と接合されてなる高分子電解質膜/電極接合体。
(11) 前記(10)に記載の高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。
(12) メタノールを燃料とする前記(11)に記載の燃料電池。
である。
Figure 2008097905
(However, n represents an integer of 0 or more.)
(8) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein an ion exchange capacity in the multilayer polymer electrolyte membrane is in a range of 0.3 to 5.0 meq / g.
(9) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the multilayer polymer electrolyte membrane comprises at least three layers, and the ion exchange capacity of at least one outermost layer is larger than the ion exchange capacity of the inner layer.
(10) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly in which the polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (9) is joined to an electrode.
(11) A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to (10).
(12) The fuel cell according to (11), wherein methanol is used as a fuel.
It is.

本発明の高分子電解質膜は、メタノールの透過性が小さいにもかかわらず、電極との接合性が良好であるため、燃料電池用の優れた高分子電解質膜/電極接合体が得られ、これを用いた燃料電池は、高出力と耐久性の向上を計ることができる。本発明の高分子電解質膜は、特にダイレクトメタノール型燃料電池に好適である。   The polymer electrolyte membrane of the present invention has good bondability with the electrode despite its low methanol permeability, and thus an excellent polymer electrolyte membrane / electrode assembly for a fuel cell can be obtained. The fuel cell using can improve the output and durability. The polymer electrolyte membrane of the present invention is particularly suitable for a direct methanol fuel cell.

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明中における重量とは、質量を意味する。
本発明の高分子電解質膜は、2つ以上の異なる組成の高分子電解質層が積層されてなる多層高分子電解質膜である。異なる組成とは、ポリマーの重合組成あるいはポリマーのブレンド組成など何らかの点で組成が異なることを意味し、高分子電解質層の少なくとも一つの層が、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーを含有することを特徴としている。
The present invention will be described in detail below. In addition, the weight in this invention means mass.
The polymer electrolyte membrane of the present invention is a multilayer polymer electrolyte membrane in which two or more polymer electrolyte layers having different compositions are laminated. The different composition means that the composition is different in some respect such as a polymer polymerization composition or a polymer blend composition, and at least one layer of the polymer electrolyte layer contains a sulfonic acid group having a structural unit represented by Formula 1. It is characterized by containing a polymer.

本発明の高分子電解質膜は、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーを含有する高分子電解質層を少なくとも1層有し、2層以上が積層された層であるが、各層は、化学式1で示される構造単位の含有量が異なる、化学式1で示される構造単位の種類が異なる、化学式1で示される構造単位を含有しないなど、組成が異なる層である。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is a layer in which at least one polymer electrolyte layer containing a sulfonic acid group-containing polymer having a structural unit represented by Chemical Formula 1 is included, and two or more layers are laminated. Are layers having different compositions, such as different contents of the structural unit represented by Chemical Formula 1, different types of structural units represented by Chemical Formula 1, and no structural units represented by Chemical Formula 1.

本発明の高分子電解質膜における各種高分子電解質層の厚み比率は、目的に応じて任意の値をとることができ、特に限定されるものではないが、本発明の高分子電解質膜の全体の厚みが20〜300μm程度である場合、全厚みに対して、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーを含む高分子電解質層の厚みの割合は、10%以上であることが好ましく、10〜90%の範囲であることがより好ましく、20〜80%の範囲であることがさらに好ましい。なお、ぞれぞれの層の厚みは製膜する際の溶液のキャスト厚から推定することもできるし、スルホン酸基を染色して顕微鏡観察を行い各層の厚みを測定することもできる。   The thickness ratio of the various polymer electrolyte layers in the polymer electrolyte membrane of the present invention can take any value depending on the purpose, and is not particularly limited, but the overall ratio of the polymer electrolyte membrane of the present invention is not limited. When the thickness is about 20 to 300 μm, the ratio of the thickness of the polymer electrolyte layer containing the sulfonic acid group-containing polymer having the structural unit represented by Chemical Formula 1 is preferably 10% or more with respect to the total thickness. 10 to 90% is more preferable, and 20 to 80% is more preferable. In addition, the thickness of each layer can also be estimated from the cast thickness of the solution at the time of film formation, or the thickness of each layer can also be measured by dyeing a sulfonic acid group and observing under a microscope.

本発明の高分子電解質膜は、好ましくは少なくとも3層からなり、少なくとも一方の最外層のイオン交換容量が、内層のイオン交換容量よりも大きいことが、膜と電極の接合性が向上するため好ましい。好ましい例として、イオン交換容量の低い内層の両面に、イオン交換容量の高い外層を有する多層イオン交換膜を挙げることができる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably composed of at least three layers, and it is preferable that the ion exchange capacity of at least one outer layer is larger than the ion exchange capacity of the inner layer because the bondability between the membrane and the electrode is improved. . As a preferred example, a multilayer ion exchange membrane having an outer layer with a high ion exchange capacity on both sides of an inner layer with a low ion exchange capacity can be mentioned.

本発明の高分子電解質膜は、少なくとも一方の最外層が、化学式1で表される構造単位のスルホン酸基含有ポリマーを含んでいると、膜と電極の接合性が向上するため好ましく、全ての表面層が、化学式1で表される構造単位のスルホン酸基含有ポリマーを含んでいることがより好ましい。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is preferable that at least one outermost layer contains a sulfonic acid group-containing polymer of a structural unit represented by Chemical Formula 1 because the bondability between the membrane and the electrode is improved. More preferably, the surface layer contains a sulfonic acid group-containing polymer having a structural unit represented by Chemical Formula 1.

化学式1において、Xは水素又は1価のカチオン種、Yは−S(=O)−基又はC(=O)−基を表す。燃料電池に用いる場合にはXが水素であることが好ましい。Yは、−S(=O)−基であると、モノマー及びポリマーの溶解性が向上させることができ、−C(=O)−基であると、得られるポリマーの軟化温度を低下させたり、光架橋性を付与させたりすることができる。 In Chemical Formula 1, X represents hydrogen or a monovalent cation species, and Y represents a —S (═O) 2 — group or a C (═O) — group. When used in a fuel cell, X is preferably hydrogen. When Y is a —S (═O) 2 — group, the solubility of the monomer and the polymer can be improved. If it is a —C (═O) — group, the softening temperature of the resulting polymer is lowered. Or photocrosslinkability can be imparted.

化学式1の好ましい態様の一つは、Arが化学式2で表される場合の構造単位である。Arが化学式2で表される構造単位であると、得られる高分子電解質膜の電極との接合性が特に良好であるため好ましい。このとき、Zは酸素原子を、nは2以上の任意の整数を示す。nは、異なる複数の成分からなっていてもよく、その平均値が3〜20の範囲にあることが好ましく、4〜10の範囲にあることがより好ましい。 One preferred embodiment of Chemical Formula 1 is a structural unit in the case where Ar 1 is represented by Chemical Formula 2. It is preferable that Ar 1 is a structural unit represented by Chemical Formula 2 because the bonding property with the electrode of the obtained polymer electrolyte membrane is particularly good. In this case, Z 2 is an oxygen atom, n represents an arbitral integer not less than 2. n may consist of a plurality of different components, and the average value thereof is preferably in the range of 3 to 20, and more preferably in the range of 4 to 10.

化学式6において、Arが化学式2で表される構造単位の場合、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質は、化学式7で表される構造単位をさらに有することが好ましい。化学式7において、nは2以上の任意の整数を示す。また、nは、異なる複数の成分からなっていてもよく、その平均値が3〜20の範囲にあることが好ましく、4〜10の範囲にあることがより好ましい。Arは任意の芳香族基を表すが、他の部位と結合している芳香環に電子吸引性基が結合しているものが好ましく、結合部位に対してオルト位もしくはパラ位に結合しているものがより好ましい。さらに、電子吸引性基としては、例えば、スルホン基、スルホニル基、カルボニル基、フォスフィンオキシド基、ニトロ基、シアノ基、フッ素原子などを挙げることができる。また、他の部位とは、同一の芳香環で結合していても、別々の芳香環で結合していてもよい。具体的な例として、オクタフルオロビフェニル基や、化学式8〜11で表される分子構造を挙げることができる。化学式8の分子構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式9の分子構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式10又は11の分子構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式11の分子構造がより好ましい。化学式8〜11の中でも化学式11の分子構造が最も好ましい。 In the chemical formula 6, when Ar 3 is a structural unit represented by the chemical formula 2, the polymer electrolyte composed of the sulfonic acid group-containing polymer having the structural unit represented by the chemical formula 1 further includes the structural unit represented by the chemical formula 7. It is preferable. In Chemical Formula 7, n represents an arbitrary integer of 2 or more. Moreover, n may consist of a plurality of different components, and the average value thereof is preferably in the range of 3 to 20, and more preferably in the range of 4 to 10. Ar 4 represents any aromatic group, but preferably has an electron-withdrawing group bonded to an aromatic ring bonded to another site, and bonded to the ortho or para position with respect to the bonding site. It is more preferable. Furthermore, examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a carbonyl group, a phosphine oxide group, a nitro group, a cyano group, and a fluorine atom. Moreover, it may couple | bond with the other site | part with the same aromatic ring, or may couple | bond with another aromatic ring. Specific examples include an octafluorobiphenyl group and a molecular structure represented by chemical formulas 8 to 11. The molecular structure of Chemical Formula 8 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The molecular structure of Chemical Formula 9 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to increase the bondability with the electrode and impart photocrosslinkability. The molecular structure of Chemical Formula 10 or 11 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the molecular structure of Chemical Formula 11 is more preferable. Among the chemical formulas 8 to 11, the molecular structure of the chemical formula 11 is most preferable.

化学式1において、Arが化学式2で表される場合、化学式12で表される末端ジヒドロキシ化合物であって、nの異なる複数の成分からなり、かつ平均で表される組成が1<n≦10の範囲にあるものをモノマー成分の一部として使用することが好ましい。 In the chemical formula 1, when Ar 1 is represented by the chemical formula 2, the terminal dihydroxy compound represented by the chemical formula 12 is composed of a plurality of components different from each other, and the average composition is 1 <n ≦ 10. It is preferable to use those in the range as a part of the monomer component.

化学式1の好ましい別の態様は、Arが、化学式3で表される分子構造と化学式4で表される分子構造の両方を有する場合である。このとき、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを表すが、硫黄原子であるとポリマーの耐酸化性が向上する。Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示すが、酸素原子、硫黄原子、シクロヘキシル基が好ましい。 Another preferred embodiment of Chemical Formula 1 is when Ar 1 has both a molecular structure represented by Chemical Formula 3 and a molecular structure represented by Chemical Formula 4. At this time, Z 2 independently represents either an oxygen atom or a sulfur atom, but if it is a sulfur atom, the oxidation resistance of the polymer is improved. Z 2 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group or a cyclohexyl group, but an oxygen atom, a sulfur atom, A cyclohexyl group is preferred.

化学式1におけるArが化学式3及び4の両方の分子構造を同時に含む場合は、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーは、化学式1と共に化学式5及び6の構造単位の両方を同時に含む。化学式5及び6において、Ar及びArは、それぞれ任意の芳香族基を表すが、他の部位と結合している芳香環に電子吸引性基が結合しているものが好ましく、結合部位に対してオルト位もしくはパラ位に結合しているものがより好ましい。さらに、電子吸引性基としては、例えば、スルホン基、スルホニル基、カルボニル基、フォスフィンオキシド基、ニトロ基、シアノ基、フッ素原子などを挙げることができる。また、他の部位とは、同一の芳香環で結合していても、別々の芳香環で結合していてもよい。具体的な例として、オクタフルオロビフェニル基や、化学式8〜11で表される芳香族基を挙げることができる。化学式8の基はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式9の基はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式10又は11の基はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式11の基がより好ましい。化学式8〜11の中でも化学式11の基が最も好ましい。 If Ar 1 in Formula 1 contains the molecular structure of both the Formula 3 and 4 at the same time, a sulfonic acid group-containing polymer having a structural unit represented by Formula 1, both of the structural units of the formula 5 and 6 with Formula 1 Including at the same time. In Chemical Formulas 5 and 6, Ar 2 and Ar 3 each represent an arbitrary aromatic group, but those in which an electron-withdrawing group is bonded to an aromatic ring bonded to another site are preferable, and On the other hand, those bonded to the ortho-position or para-position are more preferable. Furthermore, examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a carbonyl group, a phosphine oxide group, a nitro group, a cyano group, and a fluorine atom. Moreover, it may couple | bond with the other site | part with the same aromatic ring, or may couple | bond with another aromatic ring. Specific examples include an octafluorobiphenyl group and aromatic groups represented by chemical formulas 8 to 11. The group of Formula 8 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The group of the chemical formula 9 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to enhance the bondability with the electrode or impart photocrosslinkability. The group of the chemical formula 10 or 11 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the group of the chemical formula 11 is more preferable. Of the chemical formulas 8 to 11, the group of the chemical formula 11 is most preferable.

化学式1におけるArが化学式3及び4の基である場合、化学式5及び6におけるZ、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを表すが、硫黄原子であるとポリマーの耐酸化性が向上する。化学式6におけるZは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示すが、酸素原子、硫黄原子、シクロヘキシル基が好ましい。 When Ar 1 in Chemical Formula 1 is a group of Chemical Formulas 3 and 4, Z 3 and Z 4 in Chemical Formulas 5 and 6 independently represent either an oxygen atom or a sulfur atom. Improves conversion. Z 5 in Chemical Formula 6 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, A sulfur atom and a cyclohexyl group are preferred.

化学式1におけるArが化学式3及び4の両方の基を同時に含む場合、化学式4におけるZ及び化学式6におけるZが、いずれも硫黄原子であると得られる高分子電解質膜が電極との良好な接合性を示すため好ましい。 If Ar 1 in Formula 1 comprises at the same time both a group of formula 3 and 4, Z 5 in Z 2 and Formula 6 in Chemical Formula 4 are both excellent polymer electrolyte membrane obtained as a sulfur atom with the electrode This is preferable because it exhibits excellent bonding properties.

化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーにおいて、化学式1、5、6でそれぞれ表される構造単位及びその他の構造単位のモル比は、数式1〜3を満たすことが好ましい。数式1〜3において、n1はArが化学式3である場合の化学式1で表される構造単位のモル%を、n2はArが化学式4である場合の化学式1で表される構造単位のモル%を、n3は化学式5で表される構造単位のモル%を、n4は化学式6で表される構造単位のモル%を、n5はその他の構造単位のモル%を、それぞれ表す。 In the sulfonic acid group-containing polymer having the structural unit represented by Chemical Formula 1, the molar ratio of the structural unit represented by Chemical Formulas 1, 5, and 6 and the other structural units preferably satisfies Formulas 1 to 3. In Formulas 1 to 3, n1 is the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 1 when Ar 1 is Chemical Formula 3, and n2 is the structural unit represented by Chemical Formula 1 when Ar 1 is Chemical Formula 4. N3 represents the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 5, n4 represents the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 6, and n5 represents the mol% of the other structural unit.

数式1において、(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)が0.9よりも小さいと、高分子電解質膜で良好な特性が得られない傾向がある。より好ましいのは0.95〜1.0の範囲である。   In Formula 1, when (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) is smaller than 0.9, good characteristics tend not to be obtained with the polymer electrolyte membrane. More preferred is a range of 0.95 to 1.0.

数式2において、(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が0.05よりも小さくなると、高分子電解質膜のイオン伝導性が十分に得られない傾向がある。また、0.9よりも大きいと高分子電解質膜の膨潤性が著しく大きくなる傾向がある。より好ましい範囲は0.1〜0.7の範囲である。   In Formula 2, when (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) is smaller than 0.05, the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane tends to be insufficient. On the other hand, if it is larger than 0.9, the swelling property of the polymer electrolyte membrane tends to be remarkably increased. A more preferred range is from 0.1 to 0.7.

水素を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合には、数式2における(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が0.3〜0.8の範囲であることが好ましく、0.4〜0.7の範囲であることがより好ましい。0.3よりも小さいと十分な出力が得られない傾向があり、0.8よりも大きいと膨潤が著しく大きくなる場合がある。   When used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) in Formula 2 is preferably in the range of 0.3 to 0.8, preferably 0.4 to 0.00. A range of 7 is more preferable. If it is less than 0.3, there is a tendency that a sufficient output cannot be obtained, and if it is more than 0.8, swelling may be remarkably increased.

メタノールなどの液体を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜として用いる場合には、数式2における(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)が0.07〜0.5の範囲であることが好ましく、0.1〜0.4の範囲であることがより好ましい。0.5よりも大きいと、燃料透過性が大きくなる場合がある。0.07よりも小さいと、イオン伝導性が低下して抵抗が増大する傾向がある。   When used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a liquid such as methanol as fuel, (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) in Formula 2 is preferably in the range of 0.07 to 0.5, 0.1 More preferably, it is in the range of -0.4. If it is greater than 0.5, the fuel permeability may increase. If it is smaller than 0.07, the ion conductivity tends to decrease and the resistance tends to increase.

数式3において、(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)が0.01よりも少ないと、高分子電解質膜としたときに電極触媒層との接合性が低下する傾向がある。0.95よりも大きいと、高分子電解質膜としたときの膨潤性が大きくなりすぎる場合がある。0.05〜0.8がより好ましい範囲である。水素を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜に用いる場合には、0.05〜0.4の範囲であることが好ましく、メタノールなどの液体を燃料とする燃料電池の高分子電解質膜に用いる場合には、0.5〜0.8の範囲であることがより好ましい。   In Formula 3, when (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) is less than 0.01, the joining property with the electrode catalyst layer tends to decrease when a polymer electrolyte membrane is formed. If it is larger than 0.95, the swelling property when the polymer electrolyte membrane is obtained may become too large. 0.05 to 0.8 is a more preferable range. When used for a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using hydrogen as a fuel, it is preferably in the range of 0.05 to 0.4, and used for a polymer electrolyte membrane of a fuel cell using a liquid such as methanol as a fuel. In some cases, the range of 0.5 to 0.8 is more preferable.

なお、本発明におけるスルホン酸基含有ポリマーにおいて、上記各化学式で表される各構造単位の結合様式は特に限定されるものではなく、ランダム結合、交互結合、連続したブロック構造での結合など、いずれでもよい。   In the sulfonic acid group-containing polymer in the present invention, the bonding mode of each structural unit represented by each chemical formula is not particularly limited, and any of random bonds, alternating bonds, bonds in a continuous block structure, etc. But you can.

本発明の高分子電解質膜のイオン交換容量は、0.3〜5.0meq/gの範囲内であることが好ましい。0.3よりも小さいと十分なイオン伝導性が得られず、燃料電池にしたときに十分な出力を得ることができない場合がある。また、5.0よりも大きいと高分子電解質の膨潤が大きくなりすぎるため膜の変形が大きくなる傾向がある。より好ましくは0.5〜3.0meq/gの範囲である。メタノールを燃料とする燃料電池に用いる場合には0.5〜1.5meq/gの範囲であることが、水素を燃料とする燃料電池に用いる場合には1.5〜2.5meq/gの範囲であることが、それぞれ好ましい。   The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably in the range of 0.3 to 5.0 meq / g. If it is less than 0.3, sufficient ion conductivity cannot be obtained, and there are cases where sufficient output cannot be obtained when the fuel cell is formed. On the other hand, if it is greater than 5.0, the polymer electrolyte will swell so much that the deformation of the membrane tends to increase. More preferably, it is the range of 0.5-3.0 meq / g. When used in a fuel cell using methanol as a fuel, the range is from 0.5 to 1.5 meq / g. When used in a fuel cell using hydrogen as a fuel, the range is from 1.5 to 2.5 meq / g. Each of these ranges is preferable.

高分子電解質層のうち、少なくとも一つの層は0.5〜1.2meq/gの範囲にあり、少なくとも別の一つの層は、1.0〜3.0meq/gのイオン交換容量を有していることが好ましい。少なくとも最外層の一つは、内層よりも大きなイオン交換容量を有していることが好ましい。   Among the polymer electrolyte layers, at least one layer is in the range of 0.5 to 1.2 meq / g, and at least another layer has an ion exchange capacity of 1.0 to 3.0 meq / g. It is preferable. At least one of the outermost layers preferably has a larger ion exchange capacity than the inner layer.

本発明の高分子電解質膜における、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーの構造単位の好ましい例を以下に示すが、これらに限定されるものではなく、本発明の要件を満たすものであれば、燃料電池用高分子電解質膜を構成するポリマーとして好適に使用することが可能である。以下のポリマー骨格の具体例において、n、n’、n”、m、m’、m”、o、o’、o”、p、p’、p”はそれぞれ独立して1〜1000の整数を表す。fは3〜21の整数を表す。   Preferred examples of the structural unit of the sulfonic acid group-containing polymer having the structural unit represented by Chemical Formula 1 in the polymer electrolyte membrane of the present invention are shown below, but are not limited thereto, and satisfy the requirements of the present invention. If it is a thing, it can be used conveniently as a polymer which comprises the polymer electrolyte membrane for fuel cells. In the following specific examples of the polymer skeleton, n, n ′, n ″, m, m ′, m ″, o, o ′, o ″, p, p ′, p ″ are each independently an integer of 1 to 1000 Represents. f represents an integer of 3 to 21.

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本発明の高分子電解質膜における高分子電解質層において、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマー以外の高分子電解質層を構成するポリマーの例としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸成分の少なくとも1種を含むアイオノマーや、芳香族系のポリマーとして、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、及びそれらの誘導体の少なくとも1種が導入されているポリマーを挙げることができる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むと共に、特定のポリマー構造に限定するものではない。   Examples of the polymer constituting the polymer electrolyte layer other than the sulfonic acid group-containing polymer having the structural unit represented by Chemical Formula 1 in the polymer electrolyte layer of the polymer electrolyte membrane of the present invention include polystyrene sulfonic acid, poly (tri Fluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, an ionomer containing at least one polyvinyl sulfonic acid component, and aromatic polymers such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, There are few components such as polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polyimide, etc. Both the polymer containing one, sulfonic acid group, may be mentioned polymer phosphonic acid group, a carboxyl group, and at least one of these derivatives have been introduced. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in the molecular chain thereof. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and is not limited to a specific polymer structure.

その他の高分子電解質は、機械特性や耐熱性が優れたポリマーであることが好ましい。その例としては、スルホン酸基含有ポリスルホン、スルホン酸基含有ポリエーテルスルホン、スルホン酸基含有ポリフェニレンオキシド、スルホン酸基含有ポリフェニレンスルフィド、スルホン酸基含有ポリフェニレンスルフィドスルホン、スルホン酸基含有ポリエーテルケトン系ポリマーなどのスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系ポリマーを挙げることができる。また、軟化温度が250℃以上である高分子電解質層が、最外層にあると電極との接合性を低下させる場合があるので、内層であることが好ましい。   The other polymer electrolyte is preferably a polymer having excellent mechanical properties and heat resistance. Examples include sulfonic acid group-containing polysulfone, sulfonic acid group-containing polyether sulfone, sulfonic acid group-containing polyphenylene oxide, sulfonic acid group-containing polyphenylene sulfide, sulfonic acid group-containing polyphenylene sulfide sulfone, and sulfonic acid group-containing polyether ketone polymer. And sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based polymers. Further, if the polymer electrolyte layer having a softening temperature of 250 ° C. or higher is in the outermost layer, the bondability with the electrode may be lowered, so that the inner layer is preferable.

その他の高分子電解質として好ましい例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。   Preferred examples of other polymer electrolytes are shown below, but are not limited thereto.

Figure 2008097905
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本発明における、化学式1で示される構造単位を含有するスルホン酸基含有ポリマーを合成するには、例えば、下記化学式18〜21で表される分子構造のモノマーを反応させてポリマーを得る方法を例として挙げることができるが、それに限定されるものではなく、任意の原料から任意の方法で合成することができる。   In order to synthesize a sulfonic acid group-containing polymer containing the structural unit represented by Chemical Formula 1 in the present invention, for example, a method of obtaining a polymer by reacting monomers having a molecular structure represented by the following Chemical Formulas 18 to 21. However, it is not limited thereto, and can be synthesized from any raw material by any method.

Figure 2008097905
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化学式18〜21において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z及びZは、それぞれ独立してCl原子、F原子、I原子、Br原子、ニトロ基のいずれかを、Z及びZ10は、それぞれ独立してOH基、SH基、−O−NH−C(=O)−R基、−S−NH−C(=O)−R基のいずれかを[Rは芳香族又は脂肪族の炭化水素基を表す。]、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、 −C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、Arは分子中に、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などの電子吸引性基を有する芳香族基を表す。 In Chemical Formulas 18 to 21, X is a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is H or a monovalent cation, and Z 6 and Z 9 are each independently Any one of Cl atom, F atom, I atom, Br atom and nitro group, Z 7 and Z 10 are each independently OH group, SH group, —O—NH—C (═O) —R group, -S-NH-C (= O) -R group is represented by [R represents an aromatic or aliphatic hydrocarbon group. Z 8 is any of O atom, S atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, —CH 2 — group, cyclohexyl group, Ar 4 is in the molecule And an aromatic group having an electron-withdrawing group such as a perfluoroalkyl group such as a sulfone group, a carbonyl group, a sulfonyl group, a phosphine group, a cyano group or a trifluoromethyl group, a nitro group or a halogen group.

化学式18で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。化学式10で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。   Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 18 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and 3,3′-. Disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl- 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and their sulfonic acid groups are monovalent Examples include salts with cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by Chemical Formula 10 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonic acid. Sodium-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 'Sodium disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 3, , 3′-Disulfonic acid potassium 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfone Potassium 4,4'-difluoro diphenyl sulfone, etc. 3,3'-disulfonic acid potassium 4,4'-difluoro diphenyl ketone and the like.

化学式19で表される化合物の具体例としては2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−オキシビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどを挙げることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(下記化学式22で表される分子構造のもの)が好ましい。   Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 19 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4 , 4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-oxybisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, etc. 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (represented by the following chemical formula 22) Of the molecular structure).

Figure 2008097905
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化学式19で表される分子構造のモノマーが、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊しにくくなったりすることや、ガラス転移温度が低下することによって電極との接合性が高まることなどの効果をもたらすことができる。   The monomer having the molecular structure represented by Chemical Formula 19 increases the flexibility of the polymer, makes it difficult to break against deformation, and increases the bondability with the electrode by lowering the glass transition temperature. Can bring.

化学式20で表される化合物としては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基を有する化合物を挙げることができる。具体例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。
化学式21で表される化合物の例としては、4,4’−ビフェノール、4、4’−ジメルカプトビフェノールなどを挙げることができ、4,4’−ビフェノールが好ましい。
上述の芳香族求核置換反応において、化学式18〜21で表される化合物と共に他の各種活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。
Examples of the compound represented by the chemical formula 20 include compounds having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen and nitro group on the same aromatic ring and an electron-withdrawing group that activates the same. Specific examples include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 ′. -Difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction A group dihalogen compound, an aromatic dinitro compound, an aromatic dicyano compound, and the like can also be used.
Examples of the compound represented by Chemical Formula 21 include 4,4′-biphenol, 4,4′-dimercaptobiphenol, and 4,4′-biphenol is preferred.
In the above aromatic nucleophilic substitution reaction, other various activated dihalogen aromatic compounds, dinitro aromatic compounds, bisphenol compounds, and bisthiophenol compounds can be used in combination with the compounds represented by chemical formulas 18 to 21. .

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

本発明における、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、化学式18〜21で表される分子構造の化合物と、必要に応じて他の活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物や芳香族ジオール類又は芳香族ジチオール類を加えて、塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。モノマー中の、反応性のハロゲン基又はニトロ基と、反応性のヒドロキシ基及びチオール基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、0.8〜1.2であることが好ましく、0.9〜1.1の範囲であることがより好ましく、0.95〜1.05の範囲であることが好ましく、1であると高重合度のポリマーを得ることができるため最も好ましい。   In the present invention, when a sulfonic acid group-containing polymer having a structural unit represented by Chemical Formula 1 is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, a compound having a molecular structure represented by Chemical Formulas 18 to 21, and other compounds as necessary. A polymer can be obtained by adding an activated dihalogen aromatic compound, a dinitro aromatic compound, an aromatic diol, or an aromatic dithiol and reacting in the presence of a basic compound. The polymerization degree of the resulting polymer can be adjusted by adjusting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group to the reactive hydroxy group and thiol group in the monomer to an arbitrary molar ratio. Is preferably in the range of 0.9 to 1.1, more preferably in the range of 0.95 to 1.05, and a high degree of polymerization is 1. It is most preferable because the polymer can be obtained.

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

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

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

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

また、本発明における、化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーは、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度が0.1dl/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dl/gよりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dl/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dl/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   In the present invention, the sulfonic acid group-containing polymer having the structural unit represented by Chemical Formula 1 preferably has a polymer log viscosity measured by a method described later of 0.1 dl / g or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dl / g, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dl / g or more. On the other hand, if the logarithmic viscosity exceeds 5 dl / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

本発明の高分子電解質膜において、各高分子電解質層は、高分子電解質ではないポリマーを含んでいてもよい。高分子電解質ではないポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの組み合わせは、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。本発明の高分子電解質膜の各高分子電解質層における、高分子電解質でないポリマーの含有量は50質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましい。含有量が50質量%以上であると、高分子電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有する単位が非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の高分子電解質膜は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, each polymer electrolyte layer may contain a polymer that is not a polymer electrolyte. Examples of polymers that are not polyelectrolytes include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, and polymethacrylates. Acrylate resins such as polymethyl acrylate and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, ethyl cellulose Cellulose resins such as polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, poly Heat of aromatic polymers such as ether sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There is no restriction | limiting in particular, such as curable resin. A combination with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality. When a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, the composition The processability is more preferable. The content of the polymer that is not a polymer electrolyte in each polymer electrolyte layer of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 50% by mass or less, and more preferably 30% by mass or less. When the content is 50% by mass or more, the sulfonic acid group concentration of the polymer electrolyte membrane tends to be low, and good ionic conductivity tends not to be obtained, and the unit containing the sulfonic acid group becomes a discontinuous phase. The mobility of conducting ions tends to decrease. The polymer electrolyte membrane of the present invention can be used as necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, and an antifoaming agent. Various additives such as an agent, a dispersant, and a polymerization inhibitor may be included.

本発明の高分子電解質膜は、押し出し、圧延、キャストなど任意の方法で製造することができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。例えば、予め作製しておいた第一の高分子電解質層に、第二の高分子電解質層の溶液を、塗布し乾燥することによって得ることができる。溶液の塗布は、アプリケーターやコーターなどを用いてもよいし、スプレーなどを用いて吹き付けてもよい。用いる溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類、及びこれらの有機溶媒と水の混合溶媒から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中のポリマー濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中のポリマー濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基はカチオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced by any method such as extrusion, rolling and casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. For example, it can be obtained by applying and drying a solution of the second polymer electrolyte layer on the first polymer electrolyte layer prepared in advance. Application | coating of an applicator, a coater, etc. may be used for application | coating of a solution, and you may spray using a spray etc. As the solvent to be used, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, alcohols such as methanol and ethanol, An appropriate solvent can be selected from the mixed solvents of these organic solvents and water, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The polymer concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the polymer concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the processability tends to deteriorate. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it can be converted to a free sulfonic acid group by acid treatment as necessary. You can also.

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

本発明における高分子電解質膜の厚みは任意に設定することができるが、20μm未満であると所定の特性を満たすことが困難になることがあるので20μm以上が好ましく、50μm以上であることがより好ましい。また、300μmを超えると製造が困難になることがあるため、300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane in the present invention can be arbitrarily set, but if it is less than 20 μm, it may be difficult to satisfy the predetermined characteristics, so that it is preferably 20 μm or more, more preferably 50 μm or more. preferable. Moreover, since manufacture may become difficult when it exceeds 300 micrometers, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明の膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜を電極と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法や、高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。接着剤としては、ナフィオン(商品名)溶液など市販の高分子電解質組成物の他に、上記の化学式1で示される構造単位を含有するスルホン酸基含有ポリマーからなる高分子電解質などの炭化水素系高分子電解質を用いることができる。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the polymer electrolyte membrane of the present invention to an electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and There is a method of heating and pressing the electrode. As the adhesive, in addition to a commercially available polymer electrolyte composition such as a Nafion (trade name) solution, a hydrocarbon system such as a polymer electrolyte comprising a sulfonic acid group-containing polymer containing the structural unit represented by the above chemical formula 1 A polymer electrolyte can be used.

本発明の高分子電解質膜において、最外層に化学式1で表される構造単位のスルホン酸基含有ポリマーを含む高分子電解質層を用いると、高分子電解質表面が、適度な軟化温度を有するため、加圧加熱によって高分子電解質膜と電極とを接合する方法に特に適している。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, when the polymer electrolyte layer containing the sulfonic acid group-containing polymer of the structural unit represented by Chemical Formula 1 is used as the outermost layer, the polymer electrolyte surface has an appropriate softening temperature. It is particularly suitable for a method of joining a polymer electrolyte membrane and an electrode by pressure heating.

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

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

以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
<溶液粘度>
ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<Solution viscosity>
The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / c was evaluated. (Ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration).

<プロトン伝導性>
自作測定用プローブ(テフロン(登録商標)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度95%の恒温・恒湿オーブン(ナガノ科学機械製作所社、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
<Proton conductivity>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped film sample on a self-made measuring probe (manufactured by Teflon (registered trademark)), and a constant temperature / humidity oven at 80 ° C. and 95% relative humidity (Nagano Science) A sample was held in Machine Seisakusho, LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

<メタノール透過係数>
高分子電解質膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)の濃度のメタノール水溶液に24時間浸漬した高分子電解質膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、高分子電解質膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量を、ガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(高分子電解質膜の面積は、2.0cm)。得られたメタノール透過速度と膜厚からメタノール透過係数を、以下の式により求めた。
メタノール透過係数[μmol・m−1・sec−1]=メタノール透過速度[mmol・m−2・sec−1]×膜厚[μm]×1000
<Methanol permeability coefficient>
The liquid fuel permeation rate of the polymer electrolyte membrane was measured as the methanol permeation rate by the following method. A polymer electrolyte membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched between H-type cells, 100 ml of 5 M aqueous methanol solution is added to one side of the cell, and 100 ml of the other cell is over 100 ml. Inject pure water (18 MΩ · cm) and measure the amount of methanol diffusing into ultrapure water through the polymer electrolyte membrane while stirring the cells on both sides at 25 ° C using a gas chromatograph. (The area of the polymer electrolyte membrane was 2.0 cm 2 ). A methanol permeation coefficient was determined from the obtained methanol permeation rate and film thickness by the following formula.
Methanol permeability coefficient [μmol · m −1 · sec −1 ] = Methanol permeation rate [mmol · m −2 · sec −1 ] × film thickness [μm] × 1000

<電極との接合性評価>
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社、TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となるカーボンペーパー(東レ社、TGPH−060)に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社、TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施したカーボンペーパー(東レ社、TGPH−060)に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により140℃、6MPaにて3分間加圧、加熱して膜−電極接合体とした。出来上がった膜/電極接合体を観察し、電極の剥がれなどから接合性を評価した。剥がれが全くなかったものを○、剥離が生じたものを×、割れが生じたものを△とした。
<Evaluation of bondability with electrode>
After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt / Ru catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC61E54) and moistening it, a 20% Nafion solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont was added to the Pt / Ru. The catalyst-supporting carbon and Nafion were added in a mass ratio of 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. This catalyst paste is coated and dried by screen printing on carbon paper (Toray Industries, TGPH-060) serving as a gas diffusion layer so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2, and carbon paper with an electrode catalyst layer for an anode Was made. Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10V40E) and moistening it, a DuPont 20% Nafion solution (product number: SE-20192) is added to the Pt catalyst-supporting carbon. A cathode catalyst paste was prepared by adding carbon and Nafion at a mass ratio of 2.5: 1 and stirring. This catalyst paste was applied and dried on carbon paper (Toray Industries, TGPH-060) subjected to water repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2, and the carbon paper with the electrode catalyst layer for cathode was applied. Produced. A membrane sample is sandwiched between the above two types of carbon paper with an electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, and is heated and pressurized at 140 ° C. and 6 MPa for 3 minutes by a hot press method. An electrode assembly was obtained. The completed membrane / electrode assembly was observed, and the bondability was evaluated from the peeling of the electrode. The case where peeling did not occur at all was rated as “◯”, the case where peeling occurred as “X”, and the case where cracking occurred as “Δ”.

<発電評価>
得られた膜/電極接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(東陽テクニカ社製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノード及びカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度空気(80ml/min)と、5mol/lの濃度のメタノール水溶液(1.5ml/min)とを供給しながら行った。電流密度が0.05A/cmにおける電圧を出力電圧とした。
<Evaluation of power generation>
The obtained membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Technica). Power generation is performed at a cell temperature of 40 ° C. while supplying high purity air (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and an aqueous methanol solution (1.5 ml / min) having a concentration of 5 mol / l to the anode and cathode, respectively. It was. The voltage at a current density of 0.05 A / cm 2 was taken as the output voltage.

<ハンドリング性>
得られた高分子電解質膜に1mmの切れ込みを入れ、手で軽く引っ張ったときに、容易に裂けたものを×、力を入れると裂けたものを△、裂けにくかったものを○とした。
<Handling>
When the obtained polymer electrolyte membrane was cut by 1 mm and pulled lightly by hand, the one that was easily torn was indicated as x, the one that was torn when applied with force was Δ, and the one that was difficult to tear was indicated as ○.

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

<合成例1>
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS) 50.00g、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN) 102.70g、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド(略号:BPS) 112.56g、4,4’−ビフェノール(略号:BP) 30.32g、炭酸カリウム 103.16g、モレキュラーシーブ80.0gを2000ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。800mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、160℃で60分撹拌した後、反応温度を195〜200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約9時間)。放冷の後、モレキュラーシーブを濾過によって除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で2回洗浄した後、室温の純水で3回洗浄し、乾燥した。
<Synthesis Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 50.00 g, 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 102.70 g, bis (4-hydroxyphenyl) ) Sulfide (abbreviation: BPS) 112.56 g, 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 30.32 g, potassium carbonate 103.16 g, molecular sieve 80.0 g were weighed into a 2000 ml four-necked flask and nitrogen was passed. did. After adding 800 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) and stirring at 160 ° C. for 60 minutes, the reaction temperature is increased to 195 to 200 ° C. Continued (about 9 hours). After allowing to cool, the molecular sieve was removed by filtration and precipitated in water into a strand. The obtained polymer was washed twice in boiling water, then washed three times with pure water at room temperature, and dried.

<合成例2〜16>
モノマー組成及び組成比を変更した他は合成例1と同様にして合成例2〜16のポリマーを合成した。結果を表1に示す。
<Synthesis Examples 2-16>
The polymers of Synthesis Examples 2 to 16 were synthesized in the same manner as Synthesis Example 1 except that the monomer composition and composition ratio were changed. The results are shown in Table 1.

Figure 2008097905
Figure 2008097905

<実施例1>
合成例13のポリマー15gをNMP45mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に60μm厚にキャストして80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で2時間乾燥してフィルムを得た。得られたフィルムがガラス板上にある状態で、フィルムの表面に、合成例1のポリマー15gをNMP45gに溶解した溶液を170μmの厚みでキャストし、80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で2時間乾燥した。その後、得られたフィルムを剥離し、反対側の表面が上面になるようにしてガラス板に耐熱性テープで固定し、前記の合成例1のポリマー溶液を170μmの厚みでキャストし、80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で2時間乾燥した。その後、室温まで冷却し、フィルムをガラス板から剥離した。得られたフィルムは室温の純水に1時間浸漬した後、2mol/リットルの濃度の硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<実施例2〜12>
ポリマーの種類、厚み比を変更した他は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<Example 1>
15 g of the polymer of Synthesis Example 13 was dissolved in 45 ml of NMP, cast onto a glass plate on a hot plate to a thickness of 60 μm, and dried at 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, and 150 ° C. for 2 hours to obtain a film. In a state where the obtained film is on a glass plate, a solution of 15 g of the polymer of Synthesis Example 1 dissolved in 45 g of NMP is cast to a thickness of 170 μm on the surface of the film, and 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, Dry at 150 ° C. for 2 hours. Thereafter, the obtained film was peeled off, fixed to a glass plate with a heat-resistant tape so that the opposite surface was an upper surface, the polymer solution of Synthesis Example 1 was cast at a thickness of 170 μm, and at 80 ° C. It was dried for 1 hour at 120 ° C. for 1 hour and at 150 ° C. for 2 hours. Then, it cooled to room temperature and peeled the film from the glass plate. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 hour and then immersed twice in an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 2 mol / liter for 1 hour. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain a polymer electrolyte membrane. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.
<Examples 2 to 12>
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the type of polymer and the thickness ratio were changed. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.

<比較例1>
合成例1のポリマー15gをNMP45gに溶解した溶液をホットプレート上ガラス板に400μmの厚みでキャストし、80℃で1時間、120℃で1時間、150℃で2時間乾燥した。得られたフィルムは室温の純水に1時間浸漬した後、2mol/lの濃度の硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<比較例2〜4>
ポリマーの種類を変更した他は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜について評価を行った。
<Comparative Example 1>
A solution obtained by dissolving 15 g of the polymer of Synthesis Example 1 in 45 g of NMP was cast on a glass plate on a hot plate with a thickness of 400 μm, and dried at 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 1 hour, and 150 ° C. for 2 hours. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 hour, and then immersed twice in an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 2 mol / l for 1 hour. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain a polymer electrolyte membrane. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.
<Comparative Examples 2-4>
A polymer electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the type of polymer was changed. The obtained polymer electrolyte membrane was evaluated.

実施例及び比較例で得られた高分子電解質膜についての評価結果を表2に示す。なお、表2における、各電解質層の厚みの割合は、製膜時の各ポリマーの質量比から算出した値である。比較例1〜4については、それぞれのポリマーのみからなる電解質膜であることを意味する。   Table 2 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membranes obtained in the examples and comparative examples. In Table 2, the ratio of the thickness of each electrolyte layer is a value calculated from the mass ratio of each polymer during film formation. About Comparative Examples 1-4, it means that it is an electrolyte membrane which consists only of each polymer.

Figure 2008097905
Figure 2008097905

表2から、実施例の高分子電解質膜は、燃料電池にしたときの出力電圧が良好であり、かつ電極との接合性、ハンドリング性に優れていることが分かる。それに対して、比較例1の高分子電解質膜は、接合性やハンドリング性は良好であるものの、発電出力が低く、実施例より劣っていることが分かる。また、比較例2の高分子電解質膜は、メタノール透過係数やプロトン伝導性などの膜特性は実施例と同等であるものの、電極との接合性が悪く、燃料電池にしたときに発電することができず、実施例より劣っていることが分かる。また、実施例と同程度の特性で、化学式1で表される構成単位を含むポリマーのみからなる比較例3の高分子電解質膜は、出力電圧や接合性は良好あるが、ハンドリング性にやや難があることが分かる。また、比較例4の高分子電解質膜は、膜が脆く電極との接合の際に割れが生じ、出力電圧が低いことが分かる。また、ハンドリング性も悪く、実施例より劣っていることが分かる。   From Table 2, it can be seen that the polymer electrolyte membranes of the examples have good output voltage when formed into a fuel cell, and are excellent in bonding properties with electrodes and handling properties. On the other hand, although the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 1 has good bondability and handling properties, it can be seen that the power generation output is low and inferior to the examples. The polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2 has membrane characteristics such as methanol permeability coefficient and proton conductivity that are equivalent to those of the Examples, but has poor adhesion with the electrode and can generate power when it is used as a fuel cell. It cannot be seen that it is inferior to the examples. In addition, the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3 consisting only of a polymer containing the structural unit represented by Chemical Formula 1 with the same characteristics as the Examples has good output voltage and bonding properties, but is somewhat difficult to handle. I understand that there is. In addition, it can be seen that the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 4 is fragile and cracks when bonded to the electrode, and the output voltage is low. Moreover, handling property is also bad and it turns out that it is inferior to an Example.

本発明の高分子電解質膜は、燃料電池に用いた場合に高い出力を得ることが可能であると共に、電極との接合性が良好であり、燃料電池の耐久性を向上させることができる。メタノール透過抑制性と電極との接合性のいずれにも優れた高分子電解質膜であるため、ダイレクトメタノール型燃料電池に特に適している。
また、ジメチルエーテル、ギ酸など他の物質や水素を燃料として用いる燃料電池にも好適に用いることができ、さらには、電解膜、分離膜など、高分子電解質膜として公知の任意の用途に用いることができ、産業界に寄与すること大である。
The polymer electrolyte membrane of the present invention can obtain a high output when used in a fuel cell, has good bondability with an electrode, and can improve the durability of the fuel cell. Since it is a polymer electrolyte membrane excellent in both methanol permeation suppression and electrode bonding properties, it is particularly suitable for direct methanol fuel cells.
Further, it can be suitably used for fuel cells using hydrogen or other substances such as dimethyl ether and formic acid as fuel, and further used for any known application as a polymer electrolyte membrane such as an electrolytic membrane and a separation membrane. It is possible to contribute to the industry.

Claims (12)

異なる組成の高分子電解質層が少なくとも2層積層されてなる多層高分子電解質膜であって、該多層高分子電解質層の少なくとも一つの層が、下記の化学式1で示される構造単位を有するスルホン酸基含有ポリマーを含有することを特徴とする高分子電解質膜。
Figure 2008097905
(ただし、Xは水素又は1価のカチオン種、Yはスルホン基又はケトン基、Arは下記化学式2で表される構造単位か、又は化学式3及び4で表される分子構造の両方を同時に含む。)
Figure 2008097905
(ただし、Arが化学式2で表される分子構造である場合、Zは酸素原子、nは2以上の任意の整数を示す。Arが化学式3及び4で表される分子構造の両方を同時に含む場合、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。また、Arが化学式3及び4で表される分子構造の両方を同時に含む場合は、上記化学式1と共に下記化学式5及び6の構造単位の両方を同時に含む。)
Figure 2008097905
(ただし、Ar、Arは2価の芳香族基を、Z、Zは独立して酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを示す。)
A multilayer polymer electrolyte membrane in which at least two polymer electrolyte layers having different compositions are laminated, and at least one of the multilayer polymer electrolyte layers has a structural unit represented by the following chemical formula 1 A polymer electrolyte membrane comprising a group-containing polymer.
Figure 2008097905
(However, X is hydrogen or a monovalent cation species, Y is a sulfone group or a ketone group, Ar 1 is a structural unit represented by the following chemical formula 2 or both molecular structures represented by chemical formulas 3 and 4 at the same time. Including)
Figure 2008097905
(However, both the molecular structure Ar 1 be a molecular structure represented by Formula 2, Z 1 is an oxygen atom, n represents the .Ar 1 showing the arbitrary integer of 2 or more is represented by Formula 3 and 4 , Z 1 independently represents either an oxygen atom or a sulfur atom, Z 2 represents an oxygen atom, a sulfur atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, -CH 2 -group or cyclohexyl group, and when Ar 1 includes both of the molecular structures represented by Chemical Formulas 3 and 4, the structural units of the following Chemical Formulas 5 and 6 together with the Chemical Formula 1 Including both at the same time.)
Figure 2008097905
(However, Ar 2 and Ar 3 are divalent aromatic groups, Z 3 and Z 4 are independently oxygen atoms or sulfur atoms, Z 5 is an oxygen atom, sulfur atom, —C (CH 3 ) 2 -group, -C (CF 3 ) 2 -group, -CH 2 -group, or cyclohexyl group.
前記スルホン酸基含有ポリマーが、下記化学式7で示される構造単位をさらに有する請求項1に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008097905
(ただし、Arは2価の芳香族結合単位を、nは2以上の任意の整数を示す。)
The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the sulfonic acid group-containing polymer further has a structural unit represented by the following chemical formula 7.
Figure 2008097905
(However, Ar 4 represents a divalent aromatic bond unit, and n represents an arbitrary integer of 2 or more.)
前記スルホン酸基含有ポリマーにおける前記化学式5のAr及び化学式6のArが、下記化学式8〜11で表される2価の芳香族基から選ばれる1種以上の基である請求項1に記載の高分子電解質膜。
Figure 2008097905
The Ar 2 of the chemical formula 5 and the Ar 3 of the chemical formula 6 in the sulfonic acid group-containing polymer are one or more groups selected from divalent aromatic groups represented by the following chemical formulas 8 to 11. The polymer electrolyte membrane as described.
Figure 2008097905
前記スルホン酸基含有ポリマーにおける化学式7のArが、化学式8〜11で表される2価の芳香族基から選ばれる1種以上の基である請求項3に記載の高分子電解質膜。 4. The polymer electrolyte membrane according to claim 3, wherein Ar 4 of Chemical Formula 7 in the sulfonic acid group-containing polymer is one or more groups selected from divalent aromatic groups represented by Chemical Formulas 8 to 11. 5. 前記スルホン酸基含有ポリマーにおける化学式4のZ及びZがいずれも硫黄原子である請求項1に記載の高分子電解質膜。 2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein Z 2 and Z 5 in Chemical Formula 4 in the sulfonic acid group-containing polymer are both sulfur atoms. 前記高分子電解質において、化学式1、5及び6でそれぞれ表される構造単位、及びその他の構造単位のモル比が数式1〜3を満たす請求項1に記載の高分子電解質膜。
0.9≦(n1+n2+n3+n4)/(n1+n2+n3+n4+n5)≦1.0
・・・(数式1)
0.05≦(n1+n2)/(n1+n2+n3+n4)≦0.7 ・・・(数式2)
0.01≦(n2+n4)/(n1+n2+n3+n4)≦0.95・・・(数式3)
(上記式中、n1はArが化学式3である場合の化学式1で表される構造単位のモル%を、n2はArが化学式4である場合の化学式1で表される構造単位のモル%を、n3は化学式5で表される構造単位のモル%を、n4は化学式6で表される構造単位のモル%を、n5はその他の構造単位のモル%を、それぞれ表す。)
2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein in the polymer electrolyte, the molar ratio of the structural units represented by chemical formulas 1, 5 and 6 and the other structural units satisfies Formulas 1 to 3. 3.
0.9 ≦ (n1 + n2 + n3 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4 + n5) ≦ 1.0
... (Formula 1)
0.05 ≦ (n1 + n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.7 (Formula 2)
0.01 ≦ (n2 + n4) / (n1 + n2 + n3 + n4) ≦ 0.95 (Equation 3)
(In the above formula, n1 is the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 1 when Ar 1 is Chemical Formula 3, and n2 is the mole of the structural unit represented by Chemical Formula 1 when Ar 1 is Chemical Formula 4. And n3 represents the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 5, n4 represents the mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 6, and n5 represents the mol% of the other structural unit.)
前記スルホン酸基含有ポリマーにおいて、スルホン酸基含有ポリマーを構成するモノマー成分の少なくとも一部が、下記の化学式12で表される末端ジヒドロキシ化合物であって、nの異なる複数の成分からなり、かつnの平均値が1<n≦10の範囲にあるものである請求項2又は4のいずれかに記載の高分子電解質膜。
Figure 2008097905
(ただし、nは0以上の整数を表す。)
In the sulfonic acid group-containing polymer, at least a part of the monomer component constituting the sulfonic acid group-containing polymer is a terminal dihydroxy compound represented by the following chemical formula 12 and consists of a plurality of components different from each other, and n 5. The polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein an average value of is in a range of 1 <n ≦ 10.
Figure 2008097905
(However, n represents an integer of 0 or more.)
前記多層高分子電解質膜におけるイオン交換容量が、0.3〜5.0meq/gの範囲内である請求項1に記載の高分子電解質膜。   2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein an ion exchange capacity in the multilayer polymer electrolyte membrane is within a range of 0.3 to 5.0 meq / g. 前記多層高分子電解質膜が少なくとも3層からなり、少なくとも一方の最外層のイオン交換容量が、内層のイオン交換容量よりも大きい請求項1に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the multilayer polymer electrolyte membrane is composed of at least three layers, and the ion exchange capacity of at least one outermost layer is larger than the ion exchange capacity of the inner layer. 請求項1〜9のいずれかに記載の高分子電解質膜が電極と接合されてなる高分子電解質膜/電極接合体。   A polymer electrolyte membrane / electrode assembly obtained by bonding the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9 to an electrode. 請求項11に記載の高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 11. メタノールを燃料とする請求項11に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 11, wherein methanol is used as a fuel.
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JP2015522666A (en) * 2012-05-15 2015-08-06 ソルベイ スペシャルティ ポリマーズ ユーエスエー, エルエルシー High performance polysulfone produced from alicyclic diol

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