JP2009104926A - Membrane electrode assembly - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly (MEA) which has excellent jointing performance between a polymer electrolyte membrane and an electrode and good output characteristics by using as the MEA a polymer electrolyte membrane to reduce methanol crossover, while maintaining a high proton conductivity. <P>SOLUTION: The membrane electrode assembly uses a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S/cm or more and a swelling rate to water of 15% or less. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ブロック共重合体を含む高分子電解質膜を用いた膜電極接合体(MEA)に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly (MEA) using a polymer electrolyte membrane containing a block copolymer.

燃料電池は、発電効率が高く、環境性に優れており、現在大きな課題となっている環境問題、エネルギ問題の解決に貢献可能な次世代の発電装置として期待されている。この燃料電池の中でも固体高分子型燃料電池は、他のいずれの方式に比べても小型かつ高出力であり、小規模オンサイト型、移動体(車載)用、携帯用の燃料電池として次世代の主力とされている。現状では、固体高分子型燃料電池はまだ実用段階に至っていないが、試作、あるいはテスト段階で用いられている燃料電池の高分子電解質膜としては、パーフルオロアルキレン基を主骨格とし、一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基、カルボン酸基等のイオン交換基を有するフッ素系の高分子電解質膜として「ナフィオン(R)」、「フレミオン(R)」等が知られている。   A fuel cell is expected to be a next-generation power generation device that has high power generation efficiency and is excellent in environmental friendliness, and that can contribute to the solution of environmental problems and energy problems, which are currently major issues. Among these fuel cells, solid polymer fuel cells are smaller and have higher output than any other system, and they are the next generation as small-scale on-site, mobile (on-vehicle) and portable fuel cells. It is said to be the main force. At present, solid polymer fuel cells are not yet in practical use, but as polymer electrolyte membranes for fuel cells used in trial production or testing, perfluoroalkylene groups are the main skeleton, and some “Nafion (R)”, “Flemion (R)”, and the like are known as fluorine-based polymer electrolyte membranes having an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group at the end of a perfluorovinyl ether side chain.

しかし、現状用いられている燃料電池の高分子電解質膜である「ナフィオン(R)」等では、100℃を超える条件で運転しようとすると、高分子電解質膜の含水率が急激に落ちるほか、高分子電解質膜の軟化も顕著となり、特に将来が期待されている直接メタノール型燃料電池では、従来の「ナフィオン(R)」の様なフッ素系プロトン伝導性高分子材料を電解質として用いた場合、アノードを通リ抜けたメタノールが膨潤した電解質中を拡散して、カソードに到達し、そこでカソード触媒以上で酸化剤(O)と直接反応するという短絡現象(クロスオーバー)を起こし、電池性能を著しく低下させることから十分な性能を発揮することができないという問題がある。また、メタノールクロスオーバーを低減するには、高分子電解質膜のイオン交換当量重量(EW)上げることが有効であるが、通常、プロトン伝導性とメタノールクロスオーバーはトレードオフの関係にあり、単純にEWを増加させると高分子電解質膜のプロトン伝導性は低下する。また、EWを増加させた高分子電解質膜は、プロトン伝導性が低下しているため、膜抵抗が大きく、燃料電池に適用した際、電流密度を大きくすると出力電圧の低下が大きくなるという欠点がある。電流密度の上昇による出力電圧の低下は、電解質膜の膜抵抗が大きいほど顕著に現れる。一般に電解質膜の厚みを薄くすれば膜抵抗が下がる傾向にあるが、電解質膜が薄膜化するとメタノール遮蔽性が低下し、先に述べたクロスオーバーを引き起こし、電池性能を著しく低下させる。 However, in the currently used fuel cell polymer electrolyte membrane “Nafion (R)” and the like, when the operation is performed at a temperature exceeding 100 ° C., the moisture content of the polymer electrolyte membrane drops rapidly. The softening of the molecular electrolyte membrane is also remarkable. Particularly in the direct methanol fuel cell, which is expected to be in the future, when a conventional fluorine-based proton conductive polymer material such as “Nafion (R)” is used as the electrolyte, the anode The methanol that has passed through the electrolyte diffuses in the swollen electrolyte and reaches the cathode, where it causes a short circuit phenomenon (crossover) in which it directly reacts with the oxidizing agent (O 2 ) above the cathode catalyst, remarkably improving battery performance. There is a problem that sufficient performance cannot be exhibited because of the reduction. In order to reduce the methanol crossover, it is effective to increase the ion exchange equivalent weight (EW) of the polymer electrolyte membrane. However, there is usually a trade-off between proton conductivity and methanol crossover. When EW is increased, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane decreases. In addition, the polymer electrolyte membrane with increased EW has a low proton conductivity, and thus has a large membrane resistance. When applied to a fuel cell, when the current density is increased, the output voltage is greatly decreased. is there. The decrease in the output voltage due to the increase in current density becomes more noticeable as the membrane resistance of the electrolyte membrane increases. In general, when the thickness of the electrolyte membrane is reduced, the membrane resistance tends to decrease. However, when the electrolyte membrane is thinned, the methanol shielding property is lowered, causing the above-described crossover, and the battery performance is remarkably lowered.

また、膨潤率の大きい高分子電解質膜を燃料電池に適用すると、スプレーコート法を用いた場合には、電極調製時において触媒スラリーに含有する溶剤により電解質膜が膨潤・収縮を繰り返すため、電極が高分子電解質膜から容易に剥離する傾向にある。また、拡散層に触媒層をコートしたGDE、及び触媒層をあらかじめ剥離紙上に形成し、高分子電解質膜上に電極を転写する方法(転写法)等を用いてMEAを調製する際には、膜と電極を接合させる熱プレス時において、高分子電解質膜が含有していた水の蒸発により、収縮を起こすため電極の接合性が悪く、電極の剥離が発生し易いと考える。   In addition, when a polymer electrolyte membrane having a large swelling rate is applied to a fuel cell, when the spray coating method is used, the electrolyte membrane repeatedly swells and shrinks due to the solvent contained in the catalyst slurry at the time of electrode preparation. There is a tendency to peel easily from the polymer electrolyte membrane. In addition, when preparing MEA using a GDE in which a diffusion layer is coated with a catalyst layer, and a method in which a catalyst layer is previously formed on release paper and an electrode is transferred onto a polymer electrolyte membrane (transfer method), etc. At the time of hot pressing for bonding the membrane and the electrode, it is considered that the electrode is poorly bonded because the shrinkage occurs due to evaporation of water contained in the polymer electrolyte membrane, and electrode peeling is likely to occur.

このような問題を解決するため、膨潤率の大きい従来からのフッ素系膜の代替材料として、耐熱性の芳香族ポリマに、プロトン伝導性を付与するためのスルホン酸基を導入した高分子電解質膜の検討が種々行なわれており、高分子電解質膜の膨潤率、耐熱性、及び化学的安定性の観点から、スルホン化芳香族ポリエーテルケトン類、スルホン化芳香族ポリエーテルスルホン類、スルホン化ポリフェニレン類等が検討されている(例えば、特許文献1〜3)。   In order to solve such problems, a polymer electrolyte membrane in which a sulfonic acid group for imparting proton conductivity is introduced into a heat-resistant aromatic polymer as an alternative material to a conventional fluorine-based membrane having a large swelling rate From the viewpoint of swelling rate, heat resistance, and chemical stability of polymer electrolyte membranes, sulfonated aromatic polyether ketones, sulfonated aromatic polyether sulfones, sulfonated polyphenylene Kinds etc. are examined (for example, patent documents 1-3).

また、メタノールクロスオーバーを低減する方法、及び膜と電極の接合性を良好に改善する方法として、電解質膜の膨潤を抑えることが有効である。膨潤率を低減する手法として、例えば、ポリエーテルエーテルケトンの膜中のスルホン酸基同士を脱硫酸縮合させたスルホネート結合による橋かけ化(特許文献4)、カルボニル基と芳香環に直結したアルキル基との橋かけ化(特許文献5)が検討されているが、スルホン酸基の低減によるプロトン伝導率の低下、橋かけ化密度の制御が困難であるといった問題点がある。また、多孔質基材に電解質ポリマを充填した細孔フィリング型電解質膜の検討も行われている(特許文献6、7)。この細孔フィリング型電解質膜は、充填された電解質の膨潤を多孔質基材が抑制するため、高温域においても、ナフィオンを超える高いメタノール遮蔽性を有することが記載されている。しかし、多孔質基材の細孔中に十分な量の電解質ポリマを充填することが困難であった。電解質ポリマの充填率を上げる為には、充填操作を繰り返し行う必要があり、製造コストが高くなる可能性があり、充填が完全に行われたとしても、プロトン伝導性を持たない基材の導入により抵抗が増加するため、燃料電池に適用した際、電流密度を大きくすると出力電圧の低下が大きくなるという欠点がある。ゆえに、良好高分子電解質膜と電極との接合性と出力を得るためには、高いプロトン伝導性と低い膨潤率を両立した高分子電解質膜をMEAとして用いる必要がある。   Moreover, it is effective to suppress swelling of the electrolyte membrane as a method for reducing methanol crossover and a method for satisfactorily improving the bondability between the membrane and the electrode. As a technique for reducing the swelling rate, for example, crosslinking by a sulfonate bond obtained by desulfurization condensation of sulfonic acid groups in a polyether ether ketone film (Patent Document 4), an alkyl group directly connected to a carbonyl group and an aromatic ring (Patent Document 5) has been studied, but there are problems such as a decrease in proton conductivity due to a reduction in sulfonic acid groups and difficulty in controlling the crosslinking density. Also, studies have been made on pore filling type electrolyte membranes in which a porous substrate is filled with an electrolyte polymer (Patent Documents 6 and 7). It is described that this pore filling type electrolyte membrane has a high methanol shielding property that exceeds Nafion even in a high temperature range because the porous substrate suppresses the swelling of the filled electrolyte. However, it has been difficult to fill a sufficient amount of electrolyte polymer in the pores of the porous substrate. In order to increase the filling rate of the electrolyte polymer, it is necessary to repeat the filling operation, which may increase the manufacturing cost, and even if the filling is performed completely, the introduction of a substrate that does not have proton conductivity Therefore, when applied to a fuel cell, when the current density is increased, the output voltage is greatly reduced. Therefore, in order to obtain the bondability and output between the good polymer electrolyte membrane and the electrode, it is necessary to use a polymer electrolyte membrane that has both high proton conductivity and low swelling ratio as the MEA.

また、これらスルホン化芳香族ポリマをスルホン酸基が導入された親水部セグメントと、導入されていない疎水部セグメントにブロック化したブロック共重合体とすることで、更にプロトン伝導性を高める検討も行われている。親水部セグメントと疎水部セグメントとから成るブロック共重合体の合成法としては、まず親水部セグメント或いは、疎水部セグメントどちらか一方のセグメントの重合反応を行って、高分子量化した後に、他方のセグメントのモノマーを追加して逐次的に重合させる逐次添加法が知られている。逐次添加法は、One−Potでブロック共重合体を合成できるため操作が簡便であるが、ランダム化が起こり易く、ブロック鎖長の制御が難しいことなどが問題である。一方、親水部セグメントと疎水部セグメントを個別に合成した後、両者を反応させる方法によってもブロック共重合体を合成することが可能である。逐次添加法と比較して、合成操作が複雑になること、及び、親水部セグメントと疎水部セグメントの極性が大きく異なるため、相溶性に乏しく、ブロック化の反応が進行しにくい等の問題がある。相溶性の問題を解決する方法としては、特許文献8に親水セグメントの良溶媒と疎水セグメントの良溶媒の2種類を混合した溶媒を用いることによって、ブロック共重合体を得る方法が開示されている。   In addition, studies have been made to further improve proton conductivity by making these sulfonated aromatic polymers into a block copolymer that has been blocked into a hydrophilic segment into which a sulfonic acid group has been introduced and a hydrophobic segment into which the sulfonate group has not been introduced. It has been broken. As a method for synthesizing a block copolymer composed of a hydrophilic part segment and a hydrophobic part segment, first, a polymerization reaction is performed on either the hydrophilic part segment or the hydrophobic part segment to increase the molecular weight, and then the other segment. A sequential addition method is known in which the monomers are added and polymerized sequentially. The sequential addition method is easy to operate because a block copolymer can be synthesized by One-Pot, but is problematic in that randomization is likely to occur and block chain length is difficult to control. On the other hand, it is also possible to synthesize a block copolymer by a method in which a hydrophilic part segment and a hydrophobic part segment are individually synthesized and then both are reacted. Compared to the sequential addition method, there are problems such as the synthesis operation is complicated and the polarities of the hydrophilic part segment and the hydrophobic part segment are greatly different, so that the compatibility is poor and the blocking reaction is difficult to proceed. . As a method for solving the compatibility problem, Patent Document 8 discloses a method for obtaining a block copolymer by using a solvent obtained by mixing two types of good solvents for hydrophilic segments and good solvents for hydrophobic segments. .

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特許第3861367号公報Japanese Patent No. 3861367 特開2001−329053号公報JP 2001-329053 A 特表2000−501223号公報JP 2000-501223 Gazette 特開2003−217342号公報JP 2003-217342 A 特開2002−83612号公報JP 2002-83612 A 国際公開第00/54351号パンフレットInternational Publication No. 00/54351 Pamphlet 特開2007−106986号公報JP 2007-106986 A

上記事情に鑑みて、本発明は、高いプロトン伝導率を維持しつつ、メタノールクロスオーバーを低減する高分子電解質膜をMEAに用いることで高分子電解質膜と電極との接合性、及び出力特性が良好な膜電極接合体(MEA)を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, the present invention uses the polymer electrolyte membrane that reduces methanol crossover while maintaining high proton conductivity in the MEA, so that the bondability between the polymer electrolyte membrane and the electrode and the output characteristics are improved. It aims at providing a favorable membrane electrode assembly (MEA).

本発明者らは鋭意検討の結果、特定のブロック共重合体を含む高分子電解質膜の膨潤率を調整し、この高分子電解質膜をMEAに用いることで上記課題を解決することを見出した。すなわち具体的には、以下の特徴を有するものである。
1. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜を用いることを特徴とする膜電極接合体。
2. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜上にスプレーコート法を用いて電極を形成することを特徴とする項1記載の膜電極接合体。
3. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜上にガス拡散電極(Gas Diffusion Electrode:GDE、以下GDEと略す)の接合により電極を形成することを特徴とする項1に記載の膜電極接合体。
4. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜上に転写法より電極を形成することを特徴とする項1に記載の膜電極接合体。
5. 貴金属触媒を含有する触媒スラリーを噴霧塗布し、直接、高分子電解質膜上に電極を形成することを特徴とする項1に記載の膜電極接合体。
6. 触媒スラリーが、貴金属触媒、電解質バインダ、及び電解質バインダを溶解し、貴金属触媒を分散することが可能な組成物であることを特徴とする項5に記載の膜電極接合体。
7. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜が、(a)末端にパーフルオロビフェニル基を有し、且つプロトン酸基を有する第一の芳香族高分子化合物と、(b)末端に(a)のパーフルオロビフェニル基と反応し得る反応性基を有し、且つプロトン酸基を有しない第二の芳香族高分子化合物とが結合した共重合体とを含む、高分子電解質膜であることを特徴とする項1〜6のいずれかに記載の膜電極接合体。
8. (a)第一の芳香族高分子化合物が疎水性芳香族ハロゲン基を有し、疎水性芳香族ハロゲン基が、下記の式(1)の構造単位であることを特徴とする項7に記載の膜電極接合体。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problem can be solved by adjusting the swelling ratio of a polymer electrolyte membrane containing a specific block copolymer and using this polymer electrolyte membrane for MEA. Specifically, it has the following characteristics.
1. A membrane / electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less.
2. 2. The membrane / electrode assembly according to item 1, wherein an electrode is formed by spray coating on a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less.
3. Forming an electrode on a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less by bonding a gas diffusion electrode (hereinafter referred to as GDE). Item 2. The membrane electrode assembly according to Item 1, wherein
4). Item 2. The membrane electrode assembly according to Item 1, wherein an electrode is formed by a transfer method on a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less.
5). Item 2. The membrane electrode assembly according to Item 1, wherein an electrode is directly formed on the polymer electrolyte membrane by spray-coating a catalyst slurry containing a noble metal catalyst.
6). Item 6. The membrane electrode assembly according to Item 5, wherein the catalyst slurry is a composition capable of dissolving the noble metal catalyst, the electrolyte binder, and the electrolyte binder and dispersing the noble metal catalyst.
7). A polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less is (a) a first aromatic having a perfluorobiphenyl group at the terminal and having a proton acid group Copolymer with a polymer compound and (b) a second aromatic polymer compound having a reactive group capable of reacting with the perfluorobiphenyl group of (a) and having no proton acid group Item 7. The membrane electrode assembly according to any one of Items 1 to 6, which is a polymer electrolyte membrane containing a combination.
8). (A) The first aromatic polymer compound has a hydrophobic aromatic halogen group, and the hydrophobic aromatic halogen group is a structural unit of the following formula (1): Membrane electrode assembly.

Figure 2009104926

[式中AはS(O)−、−S(O)−、−C(O)−、または−P(O)(C)−を示す。B、C,D,Eは水素または炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のフルオロアルキル基、シアノ基、及びフッ素を示す。Fはフッ素を示す。]
Figure 2009104926

[Wherein A is S (O) -, - S (O) 2 -, - C (O) -, or -P (O) (C 6 H 5) - shows the. B, C, D, and E represent hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluoroalkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, and fluorine. F represents fluorine. ]

9. (a)第一の芳香族高分子化合物が疎水性芳香族ハロゲン基を有し、疎水性芳香族ハロゲン基が、下記の式(2)及び/又は、式(3)の複素環を有する構造単位であることを特徴とする項7に記載の膜電極接合体。 9. (A) Structure in which the first aromatic polymer compound has a hydrophobic aromatic halogen group, and the hydrophobic aromatic halogen group has a heterocycle of the following formula (2) and / or formula (3) Item 8. The membrane electrode assembly according to Item 7, which is a unit.

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、または−CCC−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、f及びjは1〜5の置換基数を示す。Fはフッ素を示す。]
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, or -C 6 H 4 CC 6 H 4 - shows a. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f and j represent 1 to 5 substituents. F represents fluorine. ]

Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、fは1〜5の置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f represents the number of substituents of 1 to 5. ]

10. (b)の(a)のパーフルオロビフェニル基と反応し得る反応性基が、フェノール性水酸基であることを特徴とする項7〜9のいずれかに記載の膜電極接合体。
11. (a)第一の芳香族高分子化合物の重量平均分子量が2000以上150000以下であり、(b)第二の芳香族高分子化合物の重量平均分子量が2000以上150000以下であることを特徴とする項7〜10のいずれかに記載の膜電極接合体。
12. (a)の第一の芳香族高分子化合物と(b)の第二の芳香族高分子化合物の重量比[(a)/(b)]の値が、0.1以上10.0以下であることを特徴とする項7〜11のいずれかに記載の膜電極接合体。
13. (a)の第一の芳香族高分子化合物が下記の式(4)及び/又は下記の式(5)及び/又は下記の式(6)の(α)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする項7〜12のいずれかに記載の膜電極接合体。
10. Item 10. The membrane electrode assembly according to any one of Items 7 to 9, wherein the reactive group capable of reacting with the perfluorobiphenyl group of (b) is a phenolic hydroxyl group.
11. (A) The weight average molecular weight of the first aromatic polymer compound is 2,000 to 150,000, and (b) the weight average molecular weight of the second aromatic polymer compound is 2,000 to 150,000. Item 11. The membrane electrode assembly according to any one of Items 7 to 10.
12 The value of the weight ratio [(a) / (b)] between the first aromatic polymer compound (a) and the second aromatic polymer compound (b) is 0.1 or more and 10.0 or less. Item 12. The membrane electrode assembly according to any one of Items 7 to 11, wherein the membrane electrode assembly is provided.
13. The first aromatic polymer compound of (a) has an aromatic ring into which the (α) protonic acid group of the following formula (4) and / or the following formula (5) and / or the following formula (6) is introduced. Item 13. The membrane electrode assembly according to any one of Items 7 to 12, which comprises a structural unit having.

Figure 2009104926

[式において、Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−、または、
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ). -, - C (CH 3) 2 -, - C (CF 3) 2 -, - C 6 H 4 CC 6 H 4 -, or,

Figure 2009104926

[式中Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1〜4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xは水素、スルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1〜4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[Wherein X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkylsulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylphosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, or a carbon number. A protonic acid group consisting of 1 to 20 alkylcoxyphosphate groups is shown. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ] Is shown. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is hydrogen, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyl oxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, and an alkyl phosphoric acid having 1 to 6 carbon atoms. A protonic acid group composed of an alkylcoxyphosphoric acid group having 1 to 20 carbon atoms. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ]

Figure 2009104926

[式中Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1から4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1から4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[Wherein R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or an alkyl group having 2 to 20 carbon atoms. X is sulfonic acid group, phosphoric acid group, alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, alkyl oxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, alkyl phosphorus having 1 to 6 carbon atoms. A protonic acid group composed of an acid group and an alkylcoxyphosphate group having 1 to 20 carbon atoms is shown. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ]

14. (a)の第一の芳香族高分子化合物が下記の式(7)及び/又は、式(8)の(β)プロトン酸基を導入した複素環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする請求項7〜13のいずれかに記載の膜電極接合体。 14 The first aromatic polymer compound of (a) includes a structural unit having a heterocycle having a (β) protonic acid group introduced by the following formula (7) and / or formula (8): The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 13.

Figure 2009104926


[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−または炭素数1〜10のアルキリデン基を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜5の置換基数を表わし、fは5−mの置換基数を表わす。nは1〜5の置換基数を表わし、jは5−nの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926


[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - indicating the or alkylidene group having 1 to 10 carbon atoms - C 6 H 4 CC 6 H 4. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxy sulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkyl phosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, The protonic acid group which consists of a C1-C20 alkylcoxyphosphoric acid group is shown. m represents the number of substituents of 1 to 5, and f represents the number of substituents of 5-m. n represents the number of substituents of 1 to 5, and j represents the number of substituents of 5-n. ]

Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜5の置換基数を表わし、fは5−mの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxy sulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkyl phosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, The protonic acid group which consists of a C1-C20 alkylcoxyphosphoric acid group is shown. m represents the number of substituents of 1 to 5, and f represents the number of substituents of 5-m. ]

15. (b)の第二の芳香族高分子化合物が、下記の式(9)及び/又は下記の式(10)及び/又は下記の式(11)の(γ)芳香環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする請求項7〜14のいずれかに記載の膜電極接合体。 15. The second aromatic polymer compound of (b) includes a structural unit having a (γ) aromatic ring of the following formula (9) and / or the following formula (10) and / or the following formula (11). The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 14, wherein

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−、または
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - C 6 H 4 CC 6 H 4 -, or

Figure 2009104926

を示す。B、C,D,Eは水素または炭素数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、シアノ基、及びフッ素である。]
Figure 2009104926

Indicates. B, C, D, and E are hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 carbon atoms. ˜20 acyl groups, cyano groups, and fluorine. ]

Figure 2009104926

[式中F、Gは水素または炭素数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、シアノ基、及びフッ素である。]
Figure 2009104926

[Wherein F and G are hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 to 2 carbon atoms. 20 acyl groups, cyano groups, and fluorine. ]

16. (b)の第二の芳香族高分子化合物が、下記の式(12)及び/又は、式(13)の(δ)複素環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする項7〜15のいずれかに記載の膜電極接合体。 16. Item 7 to Item 8, wherein the second aromatic polymer compound of (b) contains a structural unit having the (δ) heterocyclic ring of the following formula (12) and / or formula (13). The membrane electrode assembly according to any one of 15.

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−または炭素数1〜10のアルキリデン基を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、f及びjは1〜5の置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - indicating the or alkylidene group having 1 to 10 carbon atoms - C 6 H 4 CC 6 H 4. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f and j represent 1 to 5 substituents. ]

Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、fは1〜5の置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f represents the number of substituents of 1 to 5. ]

17. (α)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位において、プロトン酸基がスルホン酸基又は/及びリン酸基であることを特徴とする項13〜16のいずれかに記載の膜電極接合体。
18. (a)の第一の芳香族高分子化合物が、下記の式(14)であることを特徴とする項7に記載の膜電極接合体。
17. (Α) In the structural unit having an aromatic ring having a proton acid group introduced therein, the proton acid group is a sulfonic acid group or / and a phosphoric acid group. body.
18. Item 8. The membrane electrode assembly according to Item 7, wherein the first aromatic polymer compound of (a) is the following formula (14).

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、または−CCC−を示す。nは3以上の整数よりなる。]
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, or -C 6 H 4 CC 6 H 4 - shows a. n consists of an integer of 3 or more. ]

本発明は、プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率を15%以下に抑えることにより、高いプロトン伝導率を維持しつつ、メタノールクロスオーバーを低減する高分子電解質膜をMEAに用いることで高分子電解質膜と電極との接合性、及び出力特性が良好な膜電極接合体(MEA)を得ることができる。   The present invention provides an MEA with a polymer electrolyte membrane that reduces methanol crossover while maintaining high proton conductivity by suppressing the swelling rate with respect to water to 15% or less with a proton conductivity of 0.1 S / cm or more. By using it, it is possible to obtain a membrane / electrode assembly (MEA) having good bondability and output characteristics between the polymer electrolyte membrane and the electrode.

以下、本発明について詳述する。
本発明の膜電極接合体(MEA)は、プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下のブロック共重合体を含む高分子電解質膜を用いることによって、良好な高分子電解質膜と電極の接合性、及び出力特性が得られることを特徴とする。通常ランダム重合により電解質ポリマの合成した高分子電解質膜は、プロトン伝導性基が高分子電解質膜中に均一に分布している。このため、明確なプロトン伝導パスが得られず、高いプロトン伝導性を維持するためには、プロトン伝導性基の組成を増加させなければならない。しかし、高分子電解質膜全体にプロトン伝導性基の組成を増加させるため、高分子電解質膜の含水率が増加し、疎水性セグメントによる膨潤抑制効果が得られない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The membrane / electrode assembly (MEA) of the present invention can be obtained by using a polymer electrolyte membrane containing a block copolymer having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less. It is characterized in that the bondability and output characteristics between the molecular electrolyte membrane and the electrode can be obtained. Usually, in a polymer electrolyte membrane synthesized with an electrolyte polymer by random polymerization, proton conductive groups are uniformly distributed in the polymer electrolyte membrane. For this reason, a clear proton conduction path cannot be obtained, and in order to maintain high proton conductivity, the composition of the proton conductive group must be increased. However, since the composition of the proton conductive group is increased throughout the polymer electrolyte membrane, the water content of the polymer electrolyte membrane increases, and the swelling suppression effect by the hydrophobic segment cannot be obtained.

そこで、親水セグメントを形成し、明確なプロトン伝導パスを確保することで高プロトン伝導性をし、且つ、疎水性セグメントの膨潤抑制を効果的に得られると考える。通常、高分子電解質膜中のプトロン伝導パスをメタノールが透過することでクロスオーバーは起こり、高分子電解質膜の膨潤により、さらにプロトン伝導パスが広がることでメタノールのクロスオーバーが増加する。そこで、プロトン伝導パスのサイズをプロトン伝導性を損なわない範囲で親水性セグメントを規定し、且つ、疎水性セグメントにより高分子電解質膜の膨潤を抑制することで高いプロトン伝導性を維持しつつ、メタノールクロスオーバーを低減し、良好な高分子電解質膜と電極の接合性、及び出力特性を得ることができると考える。   Therefore, it is considered that by forming a hydrophilic segment and ensuring a clear proton conduction path, high proton conductivity can be obtained and swelling suppression of the hydrophobic segment can be effectively obtained. Usually, crossover occurs when methanol permeates through the ptron conduction path in the polymer electrolyte membrane, and the crossover of methanol increases due to further expansion of the proton conduction path due to swelling of the polymer electrolyte membrane. Therefore, the size of the proton conduction path is defined within the range that does not impair the proton conductivity, and methanol is maintained while maintaining high proton conductivity by suppressing swelling of the polymer electrolyte membrane by the hydrophobic segment. It is considered that crossover can be reduced and good polymer electrolyte membrane-electrode bondability and output characteristics can be obtained.

また、ブロック共重合体を含む高分子電解質膜のプロトン伝導率は0.1S/cm以上であることが好ましい。プロトン伝導率が0.1S/cm以上である場合には、その高分子電解質膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、0.1S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。   The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer is preferably 0.1 S / cm or more. When the proton conductivity is 0.1 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the polymer electrolyte membrane. When the proton conductivity is less than 0.1 S / cm, the fuel cell There is a tendency for the output to decrease.

プロトン伝導率の測定用に図1に示す評価セルを作製した。電極には白金電極を用い、電極間隔は1cmとした。電解質部分が純水に浸るようにセルを純水の入ったビーカー内に入れ、交流インピーダンス法により、電解質膜の抵抗を測定した。評価法は、セルをSolartron社製、1260FREQUENCY RESPONSE ANALYSERに四端子により接続し、交流周波数を10kHzから0.1Hzへと任意に変化させたとき検出される総インピーダンスの実数部分と虚数部分を、複素面にプロットしたCole−Coleプロットの直線部分数点についてカーブフィッティングを行い、その切片の値から電解質膜の抵抗を得ることができる。
これを式2に代入してプロトン伝導率を算出した。
σ=L/(R×S) (式2)
σ:プロトン伝導率(S/cm)、L:電極間距離(cm)、R:抵抗(Ω)、S:膜断面積(cm
An evaluation cell shown in FIG. 1 was prepared for measurement of proton conductivity. A platinum electrode was used as the electrode, and the electrode interval was 1 cm. The cell was placed in a beaker containing pure water so that the electrolyte portion was immersed in pure water, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an AC impedance method. The evaluation method is that the cell is connected to a 1260 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER made by Solartron with four terminals, and the real and imaginary parts of the total impedance detected when the AC frequency is arbitrarily changed from 10 kHz to 0.1 Hz are complex. Curve fitting is performed for several points in the Cole-Cole plot plotted on the surface, and the resistance of the electrolyte membrane can be obtained from the value of the intercept.
This was substituted into Equation 2 to calculate proton conductivity.
σ = L / (R × S) (Formula 2)
σ: proton conductivity (S / cm), L: distance between electrodes (cm), R: resistance (Ω), S: membrane cross-sectional area (cm 2 )

また、高分子電解質膜の膨潤率は15%以下であることが好ましく、12%以下であることがさらに好ましく、10%以下であることが最も好ましい。膨潤率が10%以下である場合には、高分子電解質膜と電極の接合性、及び出力特性が良好である傾向にあり、15%を超える場合では高分子電解質膜と電極の接合性が悪くなり、出力特性が低下する傾向にある。   The swelling ratio of the polymer electrolyte membrane is preferably 15% or less, more preferably 12% or less, and most preferably 10% or less. When the swelling ratio is 10% or less, the polymer electrolyte membrane and electrode have good bondability and output characteristics, and when it exceeds 15%, the polymer electrolyte membrane and electrode have poor bondability. Therefore, the output characteristics tend to deteriorate.

高分子電解質膜の膨潤率測定は、任意のサイズに切り出した厚さ50〜150μmの高分子電解質膜を、80℃の水に8時間浸漬後、室温で16時間保持し、その測定前後の面積変化λを下記式から求めることができる。浸漬後の面積は、電解質膜表面を濾紙(5A)にて軽く拭き取り、縦と横の辺の長さを測定し、その積より求めることができる。
λ={(S−So)−So}×100
(Sは高分子電解質膜の膨潤後の面積−Soは高分子電解質膜の膨潤前の面積を示す)
The swelling ratio of the polymer electrolyte membrane was measured by immersing a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 to 150 μm cut into an arbitrary size in water at 80 ° C. for 8 hours, and holding at room temperature for 16 hours. The change λ can be obtained from the following equation. The area after immersion can be determined from the product obtained by wiping the surface of the electrolyte membrane lightly with filter paper (5A), measuring the lengths of the vertical and horizontal sides.
λ = {(S−So) −So} × 100
(S is the area after swelling of the polymer electrolyte membrane-So is the area before swelling of the polymer electrolyte membrane)

<膜電極接合体;MEA>
本発明のMEAは、電解質膜上に、上記電極を設けることにより製造される。好ましくは、高分子電解質膜側に電極の触媒層側が接合される。この、MEAの製造方法としては、たとえば以下の3つの方法が挙げられる。
(1)スプレーコート法:電解質膜上に、直接触媒物質を適用して触媒層を形成し、さらに形成した触媒層上にガス拡散層を形成する方法。例えば、特表2000−516014号公報に記載の方法によりイオン交換基を有するパーフルオロカーボンポリマー、白金族触媒、微粉状炭素(カーボンブラック)その他添加物を含む触媒物質を電解質膜上に塗布、噴霧、印刷等することにより適用して触媒層を形成し、この触媒層上に、ガス拡散層を熱プレス等により加熱圧着する方法がある。
(2)GDEの接合: ガス拡散層を触媒物質の溶液に浸漬等させてあらかじめ電極を作製し、得られた電極を電解質膜上に設ける方法。例えば、可溶性白金族塩の溶液(ペースト)に、ガス拡散層を浸漬し、可溶性白金族塩をガス拡散層上及び内に吸着(イオン交換)させる。次いで、ヒドラジン、NaBOのような還元剤溶液に浸漬してガス拡散層上に触媒となる金属を析出させる方法がある。
(3)転写法:あらかじめ基板上に触媒物質を適用して触媒層を作製し、得られた触媒層を電解質膜上に転写し、さらに形成した触媒層上にガス拡散層を形成する方法。例えば、あらかじめポリ四弗化エチレンと、トーマス法等で合成した白金黒とを均一に混合し、テフロン(登録商標)シート基板上に適用して加圧成型した後、電解質膜上に転写し、さらにガス拡散層を配置し、得られた積層物を加圧圧着する方法がある。
<Membrane electrode assembly; MEA>
The MEA of the present invention is manufactured by providing the electrode on the electrolyte membrane. Preferably, the catalyst layer side of the electrode is joined to the polymer electrolyte membrane side. Examples of the MEA manufacturing method include the following three methods.
(1) Spray coating method: A method in which a catalyst layer is directly formed on an electrolyte membrane to form a catalyst layer, and a gas diffusion layer is formed on the formed catalyst layer. For example, a catalyst material containing a perfluorocarbon polymer having an ion exchange group, a platinum group catalyst, fine carbon powder (carbon black) and other additives is applied onto an electrolyte membrane by a method described in JP-T-2000-516014, sprayed, There is a method in which a catalyst layer is formed by printing or the like, and a gas diffusion layer is thermocompression-bonded on the catalyst layer by hot pressing or the like.
(2) GDE bonding: A method in which an electrode is prepared in advance by immersing the gas diffusion layer in a catalyst material solution, and the obtained electrode is provided on the electrolyte membrane. For example, the gas diffusion layer is immersed in a solution (paste) of a soluble platinum group salt to adsorb (ion exchange) the soluble platinum group salt on and in the gas diffusion layer. Next, there is a method in which a metal serving as a catalyst is deposited on a gas diffusion layer by dipping in a reducing agent solution such as hydrazine or Na 2 BO 4 .
(3) Transfer method: A method in which a catalyst layer is prepared on a substrate in advance to produce a catalyst layer, the obtained catalyst layer is transferred onto an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer is formed on the formed catalyst layer. For example, polytetrafluoroethylene in advance and platinum black synthesized by the Thomas method or the like are uniformly mixed, applied onto a Teflon (registered trademark) sheet substrate, pressure-molded, transferred onto the electrolyte membrane, Further, there is a method in which a gas diffusion layer is disposed and the obtained laminate is pressure-bonded.

より好ましい本発明のMEAの製造方法としては、触媒物質とガス拡散層材料とを含む電極材料を直接電解質膜上に適用する方法が挙げられる。具体的には、触媒物質として、白金−ルテニウム(Pt−Ru)白金(Pt)等の触媒物質を担持した触媒担持カーボン粒子または触媒黒を用い、この触媒物質を、水のような溶媒、固体高分子電解質のような結着剤、及び任意にガス拡散層の製造に使用されるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子のような撥水剤と共に混合して触媒スラリーを作製する。この触媒スラリーを直接本発明の電解質膜上に塗布あるいは噴霧により適用して製膜し、その後加熱乾燥して、高分子電解質上に触媒層(撥水剤を含む場合はガス拡散層の一部をなす撥水性層を含む)を形成する。この触媒層上に、任意に撥水処理されたカーボンペーパー等のガス拡散層を熱プレス等することによって電極が作製される。   A more preferable method for producing the MEA of the present invention includes a method in which an electrode material containing a catalyst substance and a gas diffusion layer material is directly applied on the electrolyte membrane. Specifically, catalyst-supported carbon particles or catalyst black supporting a catalyst material such as platinum-ruthenium (Pt-Ru) platinum (Pt) is used as the catalyst material, and the catalyst material is mixed with a solvent such as water or a solid. A catalyst slurry is made by mixing with a binder such as a polymer electrolyte and optionally a water repellent such as polytetrafluoroethylene (PTFE) particles used in the manufacture of the gas diffusion layer. The catalyst slurry is directly applied on the electrolyte membrane of the present invention by coating or spraying to form a film, followed by heating and drying to form a catalyst layer (or a part of the gas diffusion layer when a water repellent is included) on the polymer electrolyte. Forming a water-repellent layer. On this catalyst layer, a gas diffusion layer such as carbon paper optionally treated with water repellency is hot-pressed to produce an electrode.

このときの触媒層の厚さは、例えば、0.1〜1000μm、好ましくは、1〜500μm、より好ましくは2〜200μmであることが適当である。   The thickness of the catalyst layer at this time is suitably, for example, 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 500 μm, more preferably 2 to 200 μm.

上記触媒スラリーは、粘度を0.1〜1000Pa・Sの範囲に調節しておくことが望ましい。この粘度は、(i)各粒子サイズを選択するか、(ii)触媒の粒子と結着剤との組成を調節するか、(iii)水の含有量を調節するか、或は(iv)好適には粘度調節剤、例えばカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースおよびセルロースなど、およびポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸ナトリウムおよびポリメチルビニルエーテルなどを添加することなどで調節可能である。   The catalyst slurry preferably has a viscosity adjusted in the range of 0.1 to 1000 Pa · S. This viscosity can either (i) select each particle size, (ii) adjust the composition of the catalyst particles and binder, (iii) adjust the water content, or (iv) The viscosity can be adjusted preferably by adding viscosity modifiers such as carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose and cellulose, and polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, sodium polyacrylate and polymethyl vinyl ether.

<電極>
本発明の電極は、ガス拡散層と、このガス拡散層上及び/又は内部に設けた触媒層とを有する。
<Electrode>
The electrode of the present invention has a gas diffusion layer and a catalyst layer provided on and / or in the gas diffusion layer.

<ガス拡散層>
ガス拡散層としては、例えば、カーボン繊維織布、カーボンペーパー等、通気性を有する既知の基体が使用され得る。好ましくは、これらの基体等を撥水処理したものが使用される。撥水処理は、例えば、これら基体を、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素樹脂等からなる撥水剤の水溶液中に浸漬し、乾燥し、焼成することにより行われる。
<Gas diffusion layer>
As the gas diffusion layer, for example, a known substrate having air permeability such as a carbon fiber woven fabric or carbon paper can be used. Preferably, those substrates and the like that have been subjected to water repellent treatment are used. The water-repellent treatment is performed, for example, by immersing these substrates in an aqueous solution of a water-repellent agent made of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, drying, and firing. Done.

<触媒層>
触媒層に使用される触媒物質としては、例えば、白金,ロジウム,ルテニウム,イリジウム,パラジウム,オスニウムなどの白金族金属及びその合金が適している。これら触媒物質及び触媒物質の塩類を単独または混合して用いてもよい。中でも、金属塩や錯体、特に[Pt(NH]Xまたは[Pt(NH]X(Xは1価の陰イオン)であらわされるアンミン錯体が好ましい。また、触媒として金属化合物を用いる場合、いくつかの化合物の混合物を用いても良いし、複塩でもよい。例えば、白金化合物とルテニウム化合物を混ぜて用いることで、還元工程により、白金−ルテニウム合金の形成が期待できる。
<Catalyst layer>
As the catalyst material used in the catalyst layer, for example, platinum group metals such as platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osnium, and alloys thereof are suitable. These catalytic materials and salts of the catalytic materials may be used alone or in combination. Among these, metal salts and complexes, particularly ammine complexes represented by [Pt (NH 3 ) 4 ] X 2 or [Pt (NH 3 ) 6 ] X 4 (X is a monovalent anion) are preferable. Moreover, when using a metal compound as a catalyst, the mixture of several compounds may be used and double salt may be sufficient. For example, by using a mixture of a platinum compound and a ruthenium compound, formation of a platinum-ruthenium alloy can be expected by a reduction process.

触媒の粒径は、特に限定されないが、触媒活性の大きくなる適当な大きさの観点から平均粒径が0.5〜20nmであることが好ましい。なお、K. Kinoshita等の研究(J. Electrochem.−Soc., 137, 845(1990))では、酸素の還元に対して活性の高い白金の粒径は3nm程度であることが報告されている。   The particle size of the catalyst is not particularly limited, but it is preferable that the average particle size is 0.5 to 20 nm from the viewpoint of an appropriate size that increases the catalyst activity. K.K. In a study by Kinoshita et al. (J. Electrochem.-Soc., 137, 845 (1990)), it is reported that the particle size of platinum having a high activity for oxygen reduction is about 3 nm.

本発明で用いる触媒には、更に助触媒を添加することができる。助触媒としては、微粉状炭素が挙げられる。微粉状炭素としては共存する触媒が高い活性を示すものが好ましく、例えば、触媒として白金族金属の化合物を用いる場合には、Denka Black, Valcan XC−72,Black Pearl 2000等の、アセチレンブラック等が適当である。触媒の量は、付着方法等により異なるが、ガス拡散層の表面に例えば、約0.02〜約20mg/cmの範囲、好ましくは約0.02〜約20mg/cmの範囲で付着されていることが適当である。また、電極の総量に対し、例えば、0.01〜10質量%、好ましくは、0.3〜5質量%の量で存在することが適当である。 A cocatalyst can be further added to the catalyst used in the present invention. The cocatalyst includes finely divided carbon. The finely divided carbon is preferably one in which the coexisting catalyst exhibits high activity. For example, when a platinum group metal compound is used as the catalyst, acetylene black such as Denka Black, Valcan XC-72, Black Pearl 2000, etc. Is appropriate. The amount of the catalyst varies depending on the deposition method and the like, but is deposited on the surface of the gas diffusion layer, for example, in the range of about 0.02 to about 20 mg / cm 2 , preferably in the range of about 0.02 to about 20 mg / cm 2. It is appropriate. Moreover, it is appropriate that it exists in the quantity of 0.01-10 mass% with respect to the total amount of an electrode, for example, Preferably, it is 0.3-5 mass%.

<結着剤>
本発明の電極は、電極の中及び/又は表面に結着剤を有するものが好ましい。このような結着剤は、上記ガス拡散層と触媒層との結合、及び電極と高分子電解質膜との結合を促進する。結着剤としては、例えば、本発明で使用され得るすべてのポリマ、その他、ナフィオン(R)やフレミオン(R)などのフッ素系等の固体高分子電解質を使用することができる。
<Binder>
The electrode of the present invention preferably has a binder in and / or on the surface of the electrode. Such a binder promotes the bond between the gas diffusion layer and the catalyst layer and the bond between the electrode and the polymer electrolyte membrane. As the binder, for example, all polymers that can be used in the present invention, and other fluorine-based solid polymer electrolytes such as Nafion (R) and Flemion (R) can be used.

<電極の性質>
得られる電極は、多孔質である。電極の平均孔直径は、例えば、0.01〜50μm、好ましくは0.1〜40μmであることが適当である。さらに、電極の間隙率は、例えば、10〜99%、好適には10〜60%であることが適当である。
<Characteristics of electrode>
The resulting electrode is porous. The average pore diameter of the electrode is, for example, 0.01 to 50 μm, preferably 0.1 to 40 μm. Furthermore, the porosity of the electrode is, for example, 10 to 99%, preferably 10 to 60%.

<末端反応性基>
本発明の(a)の疎水性芳香族ハロゲン基としては下記の式(1)の構造単位であるものが好ましい。
<Terminal reactive group>
The hydrophobic aromatic halogen group (a) of the present invention is preferably a structural unit of the following formula (1).

Figure 2009104926

[式中AはS(O)−、−S(O)−、−C(O)−、または−P(O)(C)−を示す。B、C,D,Eは水素または炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のフルオロアルキル基、シアノ基、及びフッ素を示す。Fはフッ素を示す。]
式(1)としては例えば、
Figure 2009104926

[Wherein A is S (O) -, - S (O) 2 -, - C (O) -, or -P (O) (C 6 H 5) - shows the. B, C, D, and E represent hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluoroalkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, and fluorine. F represents fluorine. ]
As formula (1), for example,

Figure 2009104926

等が挙げられる。
Figure 2009104926

Etc.

また、本発明の(a)の疎水性芳香族ハロゲン基としては、下記の式(2)及び/又は、式(3)の複素環を有する構造単位であるものが好ましい。   In addition, the hydrophobic aromatic halogen group (a) of the present invention is preferably a structural unit having a heterocycle of the following formula (2) and / or formula (3).

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、または−CCC−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、f及びjは1〜5の置換基数を示す。Fはフッ素を示す。]
式(2)としては例えば、
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, or -C 6 H 4 CC 6 H 4 - shows a. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f and j represent 1 to 5 substituents. F represents fluorine. ]
As formula (2), for example,

Figure 2009104926

等が挙げられる。
Figure 2009104926

Etc.

Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、fは1〜5の置換基数を表わす。]
式(3)としては例えば、
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f represents the number of substituents of 1 to 5. ]
As an expression (3), for example,

Figure 2009104926

等が挙げられる。
(b)の末端に(a)の疎水性芳香族ハロゲン基と反応し得る反応性基に特に制限は無いが、芳香族アミノ基、芳香族チオール基、フェノール性水酸基等が好ましく、フェノール性水酸基が反応性、及び取扱い易さの観点から特に好ましい。
Figure 2009104926

Etc.
There is no particular limitation on the reactive group capable of reacting with the hydrophobic aromatic halogen group of (a) at the end of (b), but an aromatic amino group, an aromatic thiol group, a phenolic hydroxyl group, etc. are preferred. Is particularly preferable from the viewpoints of reactivity and ease of handling.

<末端反応性基の導入>
末端反応性基の導入方法としては、1)反応基を保護した化合物から重合を開始し、さらに反応基を保護した化合物で重合を停止することで、末端に反応基が保護された重合体を合成し、さらに、保護基を外すことで重合体末端に反応基を導入することができる。また、2)2官能性モノマーの共重合において、モノマー当量比を故意に一致させずに重合を行うことでも、過剰に用いられたモノマー成分の官能基が、末端に導入された重合体を得ることができる。
<Introduction of terminal reactive groups>
As a method for introducing a terminal reactive group, 1) polymerization is started from a compound in which the reactive group is protected, and further, the polymerization is stopped with the compound in which the reactive group is protected, whereby a polymer in which the reactive group is protected at the terminal is obtained. The reactive group can be introduced into the polymer terminal by synthesizing and further removing the protecting group. 2) In the copolymerization of the bifunctional monomer, a polymer in which the functional group of the monomer component used excessively is introduced at the terminal is also obtained by performing polymerization without intentionally matching the monomer equivalent ratio. be able to.

さらに、上記の方法で合成された末端に反応性基を有する重合体を前駆体として用い、この前駆体と反応可能なモノマー成分を、前駆体の末端反応性基に対して2当量反応させることによって、前駆体とは異なる反応性を有する末端反応性重合体を得ることができる。本発明の(a)の疎水性芳香族ハロゲン基の導入方法としては、例えば、末端にフェノール性水酸基を有する(a)の第一の芳香族高分子化合物の前駆体を調製し、その前駆体末端に対して2当量の疎水性芳香族ジハライドを反応させることによって得ることができる。   Further, using a polymer having a reactive group at the terminal synthesized by the above method as a precursor, the monomer component capable of reacting with the precursor is reacted with 2 equivalents with respect to the terminal reactive group of the precursor. Thus, a terminal reactive polymer having reactivity different from that of the precursor can be obtained. As the method for introducing the hydrophobic aromatic halogen group (a) of the present invention, for example, a precursor of the first aromatic polymer compound (a) having a phenolic hydroxyl group at the terminal is prepared, and the precursor It can be obtained by reacting 2 equivalents of a hydrophobic aromatic dihalide with respect to the terminal.

末端反応性基の導入量に特に制限は無いが、(a)の第一の芳香族高分子化合物、及び(b)の第二の芳香族高分子化合物に対して0.5%以上30%以下であることが好ましく、1%以上25%以下であることがより好ましく、2%以上20%以下であることがさらに好ましい。0.5%以上であれば、ブロック共重合反応が不十分になることもなく、30%以下であれば、セグメント長が不足することも無い。   The amount of the terminal reactive group introduced is not particularly limited, but is 0.5% or more and 30% with respect to the first aromatic polymer compound (a) and the second aromatic polymer compound (b). Or less, more preferably 1% or more and 25% or less, and further preferably 2% or more and 20% or less. If it is 0.5% or more, the block copolymerization reaction will not be insufficient, and if it is 30% or less, the segment length will not be insufficient.

<ブロック化の手法>
本発明のブロック共重合体の合成手法は、上記の方法により疎水性芳香族ハロゲン基を導入した(a)の第一の芳香族高分子化合物(親水セグメント)と(b)の第二の芳香族高分子化合物(疎水セグメント)との両者を混合して共重合させることにより行われる。この時(a)の第一の芳香族高分子化合物の末端に導入される疎水性芳香族ハロゲン基は、疎水性で且つ、反応活性が高い。
<Blockization method>
The method for synthesizing the block copolymer of the present invention comprises the steps (a) of the first aromatic polymer compound (hydrophilic segment) and (b) of the second fragrance into which a hydrophobic aromatic halogen group has been introduced. It is carried out by mixing and copolymerizing both the high molecular weight compound (hydrophobic segment). At this time, the hydrophobic aromatic halogen group introduced into the terminal of the first aromatic polymer compound (a) is hydrophobic and has high reaction activity.

疎水性の反応性基を親水セグメントに導入することによって疎水セグメントとの末端の相溶性が良好になり、ブロック化の反応が進行しやすくなる。また、反応活性の高い反応性基を用いることによって、ブロック化の反応温度を低くすることができる。より低い温度でブロック化の反応を行うことにより、ブロック共重合体のランダム化を抑制する効果が期待できる。本発明において反応活性とは、重合反応に対する活性を言い、また重合反応が、80℃〜160℃で進行する場合を活性が高いとする。   By introducing a hydrophobic reactive group into the hydrophilic segment, the compatibility of the terminal with the hydrophobic segment becomes good, and the blocking reaction easily proceeds. Moreover, the reaction temperature of blocking can be lowered by using a reactive group having high reaction activity. By performing the blocking reaction at a lower temperature, an effect of suppressing randomization of the block copolymer can be expected. In the present invention, the reaction activity refers to the activity for the polymerization reaction, and the activity is high when the polymerization reaction proceeds at 80 ° C. to 160 ° C.

本発明のブロック共重合体に用いられる(a)の第一の芳香族高分子化合物(親水セグメント)と(b)の第二の芳香族高分子化合物(疎水セグメント)の混合方法としては、各反応溶液をそのまま混合する方法や、一旦精製して取り出した第一の芳香族高分子化合物及び第二の芳香族高分子化合物を混合し、溶媒を加えて再度溶解させる方法等があるが、各反応溶液をそのまま混合する方法が、反応操作の容易さの観点から好適に用いられる。   As a mixing method of the first aromatic polymer compound (hydrophilic segment) (a) used in the block copolymer of the present invention and the second aromatic polymer compound (hydrophobic segment) (b), There are a method of mixing the reaction solution as it is, a method of mixing the first aromatic polymer compound and the second aromatic polymer compound once purified and taken out, adding a solvent and dissolving again, etc. A method of mixing the reaction solution as it is is preferably used from the viewpoint of easy reaction operation.

ブロック共重合体の合成に用いる溶媒としては、第一の芳香族高分子化合物及び第二の芳香族高分子化合物が溶解するものであれば特に制限は無いが、第一の芳香族高分子化合物及び第二の芳香族高分子化合物の合成溶媒が好適に用いられる。この時、溶液濃度や溶解性を調整するために合成に用いた溶媒、或いはその他の溶媒を追加しても良い。具体的な反応溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、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、ウ−ブチロラクトン等の非プロトン極性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。溶媒量は、反応させるモノマーおよび触媒の総重量に対して0.1〜100倍の範囲で用いることができる。   The solvent used for the synthesis of the block copolymer is not particularly limited as long as it dissolves the first aromatic polymer compound and the second aromatic polymer compound, but the first aromatic polymer compound is not limited. And a synthetic solvent for the second aromatic polymer compound is preferably used. At this time, a solvent used for synthesis or other solvent may be added to adjust the solution concentration and solubility. Specific reaction solvents are suitable from aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, u-butyrolactone, etc. However, the present invention is not limited to these. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The amount of the solvent can be used in the range of 0.1 to 100 times the total weight of the monomer and catalyst to be reacted.

ブロック共重合体の反応温度としては、80℃以上160℃以下が好ましく、90℃以上150℃以下がより好ましく、100℃以上140℃以下がさらに好ましい、80℃以上であればブロック共重合反応が不十分になることも無く、140℃以下であれば、ランダム化が過度に進行することも無い。ブロック共重合体の反応時間は、0.1時間以上12時間以下が好ましく、0.2時間以上8時間以下が好ましく、0.5時間以上4時間以下がさらに好ましい、0.1時間以上であればブロック共重合反応が不十分になることも無く、12時間以下であればランダム化が過度に進行することも無い。   The reaction temperature of the block copolymer is preferably 80 ° C. or higher and 160 ° C. or lower, more preferably 90 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, even more preferably 100 ° C. or higher and 140 ° C. or lower. If it is 140 ° C. or less, randomization will not proceed excessively. The reaction time of the block copolymer is preferably 0.1 hours or more and 12 hours or less, preferably 0.2 hours or more and 8 hours or less, more preferably 0.5 hours or more and 4 hours or less, and more preferably 0.1 hours or more. For example, the block copolymerization reaction does not become insufficient, and if it is 12 hours or less, randomization does not proceed excessively.

<セグメントの分子量>
前記(a)の第一の芳香族高分子化合物の重量平均分子量は、2000以上150000以下が好ましく、7000以上120000以下がより好ましく、7000以上100000以下がさらに好ましい。重量平均分子量が2000以上であれば、セグメント長が不足することも無く、150000以下であれば、ブロック共重合反応が不十分になることもない。
<Molecular weight of segment>
The weight average molecular weight of the first aromatic polymer compound (a) is preferably 2000 or more and 150,000 or less, more preferably 7000 or more and 120,000 or less, and further preferably 7000 or more and 100,000 or less. If the weight average molecular weight is 2000 or more, the segment length will not be insufficient, and if it is 150,000 or less, the block copolymerization reaction will not be insufficient.

また、前記(b)の第二の芳香族高分子化合物の重量平均分子量は、5000以上150000以下が好ましく、7000以上120000以下がより好ましく、7000以上100000以下がさらに好ましい。重量平均分子量が5000以上であれば、セグメント長が不足することも無く、150000以下であれば、ブロック共重合反応が不十分になることもない。   The weight average molecular weight of the second aromatic polymer compound (b) is preferably 5000 or more and 150,000 or less, more preferably 7000 or more and 120,000 or less, and further preferably 7000 or more and 100,000 or less. If the weight average molecular weight is 5000 or more, the segment length will not be insufficient, and if it is 150,000 or less, the block copolymerization reaction will not be insufficient.

<セグメントの比率>
本発明のブロック共重合体に含まれる、(a)の第一の芳香族高分子化合物と前記(b)の第二の芳香族高分子化合物との重量比[(a)/(b)]の値は、0.1以上10.0以下が好ましく、0.2以上5.0以下がより好ましく、0.2以上3.0以下がさらに好ましい。重量比[(a)/(b)]の値が0.1以上であればプロトン伝導性が良好となり、10.0以下であればブロック共重合体の耐久性が低下することもない。
<Segment ratio>
The weight ratio [(a) / (b)] of the first aromatic polymer compound (a) and the second aromatic polymer compound (b) contained in the block copolymer of the present invention. The value of is preferably from 0.1 to 10.0, more preferably from 0.2 to 5.0, and still more preferably from 0.2 to 3.0. If the value of the weight ratio [(a) / (b)] is 0.1 or more, the proton conductivity is good, and if it is 10.0 or less, the durability of the block copolymer is not lowered.

<ブロック共重合体のプロトン酸基量>
本発明のブロック共重合体のプロトン酸基量に特に制限は無いが、プロトン伝導性と耐久性の観点から、イオン交換当量重量(EW値)の値で、300以上1000以下が好ましく、400以上900以下がより好ましく、500以上800以下がさらに好ましい。ここでイオン交換当量重量(EW値)とは、プロトン酸基1モル当りのブロック共重合体の重量(g)を言う。EW値が300以上であれば、耐久性が低下することもなく、1000以下であれば、プロトン伝導性が良好となる。
<Amount of protonic acid group of block copolymer>
The amount of the protonic acid group of the block copolymer of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of proton conductivity and durability, the value of ion exchange equivalent weight (EW value) is preferably from 300 to 1,000, and preferably from 400 900 or less is more preferable, and 500 or more and 800 or less is more preferable. Here, the ion exchange equivalent weight (EW value) refers to the weight (g) of the block copolymer per mole of proton acid groups. If the EW value is 300 or more, the durability does not deteriorate, and if it is 1000 or less, the proton conductivity is good.

<第一の芳香族高分子化合物の構造>
本発明の(a)の第一の芳香族高分子化合物は、下記の式(4)及び/又は下記の式(5)の(α)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位を含んでいることが好ましい。
<Structure of the first aromatic polymer compound>
The first aromatic polymer compound of (a) of the present invention includes a structural unit having an aromatic ring into which (α) a protonic acid group of the following formula (4) and / or the following formula (5) is introduced. It is preferable that

Figure 2009104926

[式において、Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−、または、
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ). -, - C (CH 3) 2 -, - C (CF 3) 2 -, - C 6 H 4 CC 6 H 4 -, or,

Figure 2009104926

[式中Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1〜4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xは水素、スルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1〜4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[Wherein X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkylsulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylphosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, or a carbon number. A protonic acid group consisting of 1 to 20 alkylcoxyphosphate groups is shown. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ] Is shown. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is hydrogen, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyl oxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, and an alkyl phosphoric acid having 1 to 6 carbon atoms. A protonic acid group composed of an alkylcoxyphosphoric acid group having 1 to 20 carbon atoms. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ]

Figure 2009104926

[式中Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1から4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1から4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]
式(4)としては例えば、
Figure 2009104926

[Wherein R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or an alkyl group having 2 to 20 carbon atoms. X is sulfonic acid group, phosphoric acid group, alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, alkyl oxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, alkyl phosphorus having 1 to 6 carbon atoms. A protonic acid group composed of an acid group and an alkylcoxyphosphate group having 1 to 20 carbon atoms is shown. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ]
As an expression (4), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926

等が挙げられる。
Figure 2009104926

Etc.

式(6)としては例えば、   As an expression (6), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
Figure 2009104926
Etc.

本発明の(a)の第一の芳香族高分子化合物は、下記の式(7)及び/又は、式(8)の(β)プロトン酸基を導入した複素環を有する構造単位を含んでいることが好ましい。   The first aromatic polymer compound of (a) of the present invention includes a structural unit having a heterocyclic ring having a (β) protonic acid group introduced by the following formula (7) and / or formula (8). Preferably it is.

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−または炭素数1〜10のアルキリデン基を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜5の置換基数を表わし、fは5−mの置換基数を表わす。nは1〜5の置換基数を表わし、jは5−nの置換基数を表わす。]
式(7)としては例えば、
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - indicating the or alkylidene group having 1 to 10 carbon atoms - C 6 H 4 CC 6 H 4. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxy sulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkyl phosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, The protonic acid group which consists of a C1-C20 alkylcoxyphosphoric acid group is shown. m represents the number of substituents of 1 to 5, and f represents the number of substituents of 5-m. n represents the number of substituents of 1 to 5, and j represents the number of substituents of 5-n. ]
As an expression (7), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
Figure 2009104926
Etc.

Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜5の置換基数を表わし、fは5−mの置換基数を表わす。]
式(8)としては例えば、
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxy sulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkyl phosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, The protonic acid group which consists of a C1-C20 alkylcoxyphosphoric acid group is shown. m represents the number of substituents of 1 to 5, and f represents the number of substituents of 5-m. ]
As formula (8), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
ここで、(α)〜(β)の構造単位は、必ずしも一種類に限定されるものではなく、二種類以上の構造単位が含まれていてもよい。
Figure 2009104926
Etc.
Here, the structural units (α) to (β) are not necessarily limited to one type, and two or more types of structural units may be included.

<第二の芳香族高分子化合物の構造>
本発明の(b)の第二の芳香族高分子化合物は、下記の式(9)及び/又は下記の式(11)の(γ)芳香環を有する構造単位を含んでいることが好ましい。
<Structure of the second aromatic polymer compound>
The second aromatic polymer compound (b) of the present invention preferably contains a structural unit having a (γ) aromatic ring of the following formula (9) and / or the following formula (11).

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−、または
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - C 6 H 4 CC 6 H 4 -, or

Figure 2009104926

を示す。B、C,D,Eは水素または炭素数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、シアノ基、及びフッ素である。]
式(9)としては例えば、
Figure 2009104926

Indicates. B, C, D, and E are hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 carbon atoms. ˜20 acyl groups, cyano groups, and fluorine. ]
As formula (9), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
Figure 2009104926
Etc.

Figure 2009104926

[式中F、Gは水素または炭素数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、シアノ基、及びフッ素である。]
式(11)としては例えば、
Figure 2009104926

[Wherein F and G are hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 to 2 carbon atoms. 20 acyl groups, cyano groups, and fluorine. ]
As the equation (11), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
Figure 2009104926
Etc.

また、本発明の第二の芳香族高分子化合物としては、下記の式(12)及び/又は、式(13)の(δ)複素環を有する構造単位を含んでいることが好ましい。   In addition, the second aromatic polymer compound of the present invention preferably contains a structural unit having a (δ) heterocycle of the following formula (12) and / or formula (13).

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−または炭素数1〜10のアルキリデン基を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、f及びjは1〜5の置換基数を表わす。]
式(12)としては例えば、
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - indicating the or alkylidene group having 1 to 10 carbon atoms - C 6 H 4 CC 6 H 4. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f and j represent 1 to 5 substituents. ]
As the equation (12), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
Figure 2009104926
Etc.

Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、fは1〜5の置換基数を表わす。]
式(13)としては例えば、
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f represents the number of substituents of 1 to 5. ]
As an expression (13), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
等が挙げられる。
ここで、(γ)〜(δ)構造単位は、必ずしも一種類に限定されるものではなく、二種類以上の構造単位が含まれていてもよい。
Figure 2009104926
Etc.
Here, the (γ) to (δ) structural units are not necessarily limited to one type, and two or more types of structural units may be included.

本発明の(a)の第一の芳香族高分子化合物としては、下記の式(14)の構造を含んでいることがより好ましい。   The first aromatic polymer compound (a) of the present invention more preferably includes the structure of the following formula (14).

Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、または−CCC−を示す。nは3以上の整数よりなる。]
式(14)としては例えば、
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, or -C 6 H 4 CC 6 H 4 - shows a. n consists of an integer of 3 or more. ]
As formula (14), for example,

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
Figure 2009104926

Figure 2009104926
が挙げられる。
Figure 2009104926
Is mentioned.

<(a)第一の芳香族高分子化合物に含まれるプロトン酸基量>
本発明の(a)の第一の芳香族高分子化合物に含まれる(α)及び(β)各成分の含有量に特に制限は無いが、(a)の第一の芳香族高分子化合物中のプロトン酸基量が、イオン交換当量重量(EW値)で250以上600以下になる範囲で調整されることが好ましい。ここでイオン交換当量重量(EW値)とは、プロトン酸基1モル当りの高分子化合物の重量(g)を指す。第一の芳香族高分子化合物のEW値が、250以上であれば、ブロック共重合体の耐溶剤性が極端に低下することも無く、600以下であれば、ブロック共重合体のプロトン伝導性が低下することも無い。
<(A) Amount of protonic acid group contained in the first aromatic polymer compound>
Although there is no restriction | limiting in particular in content of ((alpha)) and ((beta) each component contained in the 1st aromatic polymer compound of (a) of this invention, In the 1st aromatic polymer compound of (a) It is preferable that the amount of protonic acid groups is adjusted within a range of 250 to 600 in terms of ion exchange equivalent weight (EW value). Here, the ion exchange equivalent weight (EW value) refers to the weight (g) of the polymer compound per mole of proton acid groups. If the EW value of the first aromatic polymer compound is 250 or more, the solvent resistance of the block copolymer is not extremely lowered. If the EW value is 600 or less, the proton conductivity of the block copolymer is reduced. There is no decline.

<(a)末端に疎水性芳香族ハロゲン基を有し、且つプロトン酸基を有する第一の芳香族高分子化合物の合成>
次に、本発明の(a)末端に疎水性芳香族ハロゲン基を有し、且つプロトン酸基を有する第一の芳香族高分子化合物の合成方法について説明する。
まず、末端に疎水性芳香族ハロゲン基を導入するために、第一の芳香族高分子化合物の(I)前駆体高分子化合物を合成する。(I)前駆体高分子化合物は、本発明における(α)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位及び、(β)プロトン酸基を導入した複素環を有する構造単位の前駆体モノマーを化学結合させて共重合体とすることにより好適に合成される。ここで共重合体を製造する方法には特に制限はなく、それぞれの構造単位の組合せに応じた適切な公知の方法を用いることができる。
<(A) Synthesis of First Aromatic Polymer Compound Having Hydrophobic Aromatic Halogen Group at Terminal and Protic Acid Group>
Next, a method for synthesizing the first aromatic polymer compound having a hydrophobic aromatic halogen group at the terminal (a) and a protonic acid group in the present invention will be described.
First, in order to introduce a hydrophobic aromatic halogen group at the terminal, the (I) precursor polymer compound of the first aromatic polymer compound is synthesized. (I) Precursor polymer compound is a chemical compound of (α) a structural unit having an aromatic ring introduced with a protonic acid group and (β) a structural unit precursor monomer having a heterocyclic ring introduced with a protonic acid group. It is preferably synthesized by combining them into a copolymer. Here, the method for producing the copolymer is not particularly limited, and any known method suitable for the combination of the respective structural units can be used.

例えば、本発明の(α)及び(β)成分からなる(η)2個以上の置換反応可能な官能基を有する前駆体モノマーと、(θ)この前駆体モノマーと反応可能な2個以上の官能基を有する前駆体モノマーを縮合反応することにより合成することができる。(η)成分の2個以上の置換反応可能な官能基を有する前駆体モノマーとしては、例えばジハロンゲン、トリハロゲン、テトラハロゲン化化合物であり、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられる。これらハロゲン化モノマーは、同一のハロゲン化モノマーでも異種類のハロゲン化モノマーでも良い。   For example, (η) consisting of the components (α) and (β) of the present invention (η) a precursor monomer having two or more functional groups capable of substitution reaction, and (θ) two or more precursor monomers capable of reacting with this precursor monomer It can be synthesized by subjecting a precursor monomer having a functional group to a condensation reaction. Examples of the precursor monomer having two or more substitution-reactive functional groups of the (η) component are dihalongen, trihalogen, and tetrahalogenated compounds, and examples of halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. It is done. These halogenated monomers may be the same halogenated monomer or different types of halogenated monomers.

また、上記ハロゲン化モノマーと反応可能な(θ)成分の2個以上の置換反応可能な官能基を有するモノマーとしては、ジヒドロキシ、トリヒドロキシ、テトラヒドロキシ化合物、ジチオフェノール、トリチオフェノール、テトラチオフェノール化合物、ジアミノ、トリアミノ、テトラアミノ化合物、ジ一置換アミノ、トリ一置換アミノ、テトラ一置換アミノ等が挙げられる。これらハロゲン化モノマーと反応可能なモノマーは、同一でも異種類の化合物でも良い。   In addition, as the monomer having two or more functional groups capable of substitution reaction of the (θ) component capable of reacting with the halogenated monomer, dihydroxy, trihydroxy, tetrahydroxy compound, dithiophenol, trithiophenol, tetrathiophenol Examples thereof include compounds, diamino, triamino, tetraamino compounds, dimonosubstituted amino, trimonosubstituted amino, and tetramonosubstituted amino. Monomers that can react with these halogenated monomers may be the same or different compounds.

(I)前駆体高分子化合物の末端に、本発明の疎水性の反応性基を導入する方法としては、例えば、上記(η)成分に対して過剰量の(θ)成分を縮合反応させることによって、末端にハロゲン化モノマーと反応可能な反応性基を有する(I)前駆体高分子化合物を合成した後、過剰分の(θ)成分に対して2当量のデカフルオロビフェニルを反応させることによって、(a)末端にパーフルオロビフェニル基を有し、且つプロトン酸基を有する第一の芳香族高分子化合物を合成することができる。   (I) As a method for introducing the hydrophobic reactive group of the present invention into the terminal of the precursor polymer compound, for example, by subjecting an excess amount of the (θ) component to a condensation reaction with respect to the (η) component. After synthesizing the precursor polymer compound (I) having a reactive group capable of reacting with a halogenated monomer at the terminal, 2 equivalents of decafluorobiphenyl is reacted with the excess (θ) component ( a) A first aromatic polymer compound having a perfluorobiphenyl group at a terminal and a protonic acid group can be synthesized.

本発明の(a)末端に疎水性芳香族ハロゲン基を有し、且つプロトン酸基を有する第一の芳香族高分子化合物の合成は、触媒存在下溶媒中で行うことができる。触媒としては、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸セシウム等のアルカリ触媒やフッ化セシウム等の金属ハロゲン化物が使用できる。触媒量は、反応させるモノマーの全モル数に対して、0.1から100倍で使用できる。反応溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、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、ウ−ブチロラクトン等の非プロトン極性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。溶媒量は、反応させるモノマーおよび触媒の総重量に対して0.1〜100倍の範囲で用いることができる。反応温度は0℃〜350℃であり、好ましくは40℃〜260℃である。反応時間は、2時間〜500時間で行うことができる。   The synthesis of the first aromatic polymer compound having a hydrophobic aromatic halogen group at the terminal (a) and a protonic acid group of the present invention can be carried out in a solvent in the presence of a catalyst. As the catalyst, alkali catalysts such as potassium carbonate, calcium carbonate and cesium carbonate and metal halides such as cesium fluoride can be used. The catalyst amount can be 0.1 to 100 times the total number of moles of monomers to be reacted. As a reaction solvent, select an appropriate one from aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, and u-butyrolactone. However, it is not limited to these. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The amount of the solvent can be used in the range of 0.1 to 100 times the total weight of the monomer and catalyst to be reacted. The reaction temperature is 0 ° C to 350 ° C, preferably 40 ° C to 260 ° C. The reaction time can be 2 hours to 500 hours.

<(b)末端に(a)の疎水性芳香族ハロゲン基と反応し得る反応性基を有し、且つプロトン酸基を有しない第二の芳香族高分子化合物の製造方法>
次に、本発明の(b)末端に(a)の疎水性芳香族ハロゲン基と反応し得る反応性基を有し、且つプロトン酸基を有しない第二の芳香族高分子化合物の合成方法について説明する。
本発明の(b)の第二の芳香族高分子化合物は、前記(I)前駆体高分子化合物と同様の手法を用いて合成することができる。すなわち、本発明における(γ)芳香環を有する構造単位、及び(δ)複素環を有する構造単位の前駆体モノマーを化学結合させて共重合体とすることにより好適に合成される。ここで共重合体を製造する方法には特に制限はなく、それぞれの構造単位の組合せに応じた適切な公知の方法を用いることができる。
<(B) Method for producing second aromatic polymer compound having a reactive group capable of reacting with the hydrophobic aromatic halogen group of (a) at the terminal and not having a protonic acid group>
Next, the method for synthesizing the second aromatic polymer compound having a reactive group capable of reacting with the hydrophobic aromatic halogen group of (a) at the terminal (b) of the present invention and having no proton acid group Will be described.
The second aromatic polymer compound (b) of the present invention can be synthesized using the same method as that for the precursor polymer compound (I). That is, it is preferably synthesized by chemically bonding the structural unit having a (γ) aromatic ring and the precursor monomer of the structural unit having a (δ) heterocyclic ring in the present invention to form a copolymer. Here, the method for producing the copolymer is not particularly limited, and any known method suitable for the combination of the respective structural units can be used.

例えば、本発明の(γ)及び(δ)成分からなる(ρ)2個以上の置換反応可能な官能基を有する前駆体モノマーと、(σ)この前駆体モノマーと反応可能な2個以上の官能基を有する前駆体モノマーを縮合反応することにより合成することができる。(ρ)成分の2個以上の置換反応可能な官能基を有する前駆体モノマーとしては、例えばジハロンゲン、トリハロゲン、テトラハロゲン化化合物であり、ハロゲンとしては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等が挙げられる。これらハロゲン化モノマーは、同一のハロゲン化モノマーでも異種類のハロゲン化モノマーでも良い。   For example, the (γ) and (δ) components of the present invention, (ρ) a precursor monomer having two or more functional groups capable of substitution reaction, and (σ) two or more precursor monomers capable of reacting with the precursor monomer It can be synthesized by subjecting a precursor monomer having a functional group to a condensation reaction. Examples of the precursor monomer having two or more substitution-reactive functional groups of component (ρ) are dihalongen, trihalogen, and tetrahalogenated compounds. Examples of halogen include fluorine, chlorine, bromine, and iodine. It is done. These halogenated monomers may be the same halogenated monomer or different types of halogenated monomers.

また、上記ハロゲン化モノマーと反応可能な(σ)成分の2個以上の置換反応可能な官能基を有するモノマーとしては、ジヒドロキシ、トリヒドロキシ、テトラヒドロキシ化合物、ジチオフェノール、トリチオフェノール、テトラチオフェノール化合物、ジアミノ、トリアミノ、テトラアミノ化合物、ジ一置換アミノ、トリ一置換アミノ、テトラ一置換アミノ等が挙げられる。これらハロゲン化モノマーと反応可能なモノマーは、同一でも異種類の化合物でも良い。   Moreover, as a monomer having two or more functional groups capable of substitution reaction of the (σ) component capable of reacting with the halogenated monomer, dihydroxy, trihydroxy, tetrahydroxy compound, dithiophenol, trithiophenol, tetrathiophenol Examples thereof include compounds, diamino, triamino, tetraamino compounds, dimonosubstituted amino, trimonosubstituted amino, and tetramonosubstituted amino. Monomers that can react with these halogenated monomers may be the same or different compounds.

(b)の第二の芳香族高分子化合物の末端に、(a)の疎水性芳香族ハロゲン基と反応し得る反応性基を導入する方法としては、例えば、上記(ρ)成分に対して過剰量の(σ)成分を縮合反応させることによって合成することができる。この時、(σ)成分の過剰量は、(a)の第一の芳香族高分子化合物の末端に対して0.5当量であることが、ブロック共重合体の高分子量化の観点から好ましい。   As a method for introducing a reactive group capable of reacting with the hydrophobic aromatic halogen group of (a) at the end of the second aromatic polymer compound of (b), for example, for the above component (ρ) It can be synthesized by subjecting an excess amount of the (σ) component to a condensation reaction. At this time, the excess amount of the (σ) component is preferably 0.5 equivalents relative to the terminal of the first aromatic polymer compound (a) from the viewpoint of increasing the molecular weight of the block copolymer. .

本発明の(b)末端に疎水性の反応性基を有し、且つプロトン酸基を有する第二の芳香族高分子化合物の合成は、触媒存在下溶媒中で行うことができる。触媒としては、炭酸カリウム、炭酸カルシウム、炭酸セシウム等のアルカリ触媒やフッ化セシウム等の金属ハロゲン化物が使用できる。触媒量は、反応させるモノマーの全モル数に対して、0.1から100倍で使用できる。反応溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、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、ウ−ブチロラクトン等の非プロトン極性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。溶媒量は、反応させるモノマーおよび触媒の総重量に対して0.1〜100倍の範囲で用いることができる。反応温度は0℃〜350℃であり、好ましくは40℃〜260℃である。反応時間は、2時間〜500時間で行うことができる。   The synthesis of the second aromatic polymer compound having a hydrophobic reactive group at the terminal (b) of the present invention and having a protonic acid group can be carried out in a solvent in the presence of a catalyst. As the catalyst, alkali catalysts such as potassium carbonate, calcium carbonate and cesium carbonate and metal halides such as cesium fluoride can be used. The catalyst amount can be 0.1 to 100 times the total number of moles of monomers to be reacted. As a reaction solvent, select an appropriate one from aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphonamide, and u-butyrolactone. However, it is not limited to these. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The amount of the solvent can be used in the range of 0.1 to 100 times the total weight of the monomer and catalyst to be reacted. The reaction temperature is 0 ° C to 350 ° C, preferably 40 ° C to 260 ° C. The reaction time can be 2 hours to 500 hours.

<ブロック共重合体の精製方法>
本発明の高分子電解質化合物の精製方法は、従来から公知の精製方法を好適に使用可能であるが、例えば、得られたプロトン酸基含有化合物が固体状の場合には濾過後に溶剤で洗浄して乾燥することにより、オイル状の場合には分液することにより、反応溶液に溶解している場合には有機溶媒を蒸発除去することにより、精製することができる。あるいは、本発明の高分子電解質化合物が含まれる反応液に水を加え、必要に応じてアルカリ成分を加えて溶解し、溶剤相と水相に分離した後に、水相より酸析や塩析等の方法により沈殿化させ、濾過後に溶剤で洗浄して乾燥させることにより精製することもできる。また、濃硫酸等のスルホン化剤のみで反応を行なう場合には、反応液を水中に注ぐことにより化合物を沈殿させて、回収および精製を行なうことも有効である。
<Purification method of block copolymer>
For the purification method of the polyelectrolyte compound of the present invention, conventionally known purification methods can be suitably used. For example, when the obtained protonic acid group-containing compound is in a solid state, it is washed with a solvent after filtration. It can be purified by separating it in the case of an oily state by drying and by removing the organic solvent by evaporation if dissolved in the reaction solution. Alternatively, water is added to the reaction solution containing the polymer electrolyte compound of the present invention, and if necessary, an alkali component is added and dissolved, and after separation into a solvent phase and an aqueous phase, acid precipitation, salting out, etc. from the aqueous phase It is also possible to purify by precipitation by the above method, washing with a solvent after filtration and drying. In the case where the reaction is carried out only with a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, it is also effective to precipitate the compound by pouring the reaction solution into water for recovery and purification.

<その他の成分>
さらに、本発明の(a)の第一の芳香族高分子化合物、及び(b)の第二の芳香族高分子化合物は、(α)〜(δ)以外の繰返し単位が含まれていてもよい。本発明における(α)〜(δ)以外の繰返し単位は、特に制限はないが、例えば、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、テトラメチレンオキシド等のアルキレンエーテル、パーフルオロアルキレンエーテル、芳香族イミド、アミド等の結合を有する芳香族エーテル等がある。また、本発明のブロック共重合体は、その特性を著しく低下しない範囲で、構造の異なる他の種類の樹脂を含有していてもよい。
<Other ingredients>
Furthermore, the first aromatic polymer compound (a) of the present invention and the second aromatic polymer compound (b) of the present invention may contain repeating units other than (α) to (δ). Good. The repeating units other than (α) to (δ) in the present invention are not particularly limited, but for example, bonds of alkylene ethers such as ethylene oxide, propylene oxide and tetramethylene oxide, perfluoroalkylene ethers, aromatic imides and amides There are aromatic ethers and the like. In addition, the block copolymer of the present invention may contain other types of resins having different structures as long as the characteristics are not significantly deteriorated.

この樹脂の種類としては、具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ABS樹脂およびAS樹脂等の汎用樹脂、ポリアセテート(POM)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド(PA:ナイロン)、ポリエチレンテレフタレート(PET)およびポリブチレンテレフタレート(PBT)等のエンジニアリングプラスチック、ならびにポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリケトン(PK)、ポリイミド(PI)、ポリシクロヘキサンジメタノールテレフタレート(PCT)、ポリアリレート(PAR)及び各種液晶ポリマー(LCP)等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the resin include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), ABS resin, AS resin and other general-purpose resins, polyacetate (POM), Engineering plastics such as polycarbonate (PC), polyamide (PA: nylon), polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), and polyphenylene sulfide (PPS), polyethersulfone (PES), polyketone (PK), polyimide ( PI), polycyclohexanedimethanol terephthalate (PCT), polyarylate (PAR), and various liquid crystal polymers (LCP) and other thermoplastic resins, epoxy resins, phenol resins, novolak resins, etc. Curable resin and the like, but not limited thereto.

また、この場合には、本発明の高分子電解質化合物が、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のブロック共重合体の含有量が樹脂組成物全体の50質量%未満の場合には、この樹脂組成物を含む高分子電解質膜の樹脂組成物中のプロトン酸基濃度が低くなり良好なプロトン導電性が得られない傾向にあり、また、プロトン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するプロトンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の樹脂組成物は、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、等の各種添加剤を含んでいてもよい。   Moreover, in this case, it is preferable that the polymer electrolyte compound of the present invention is contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the block copolymer of the present invention is less than 50% by mass of the entire resin composition, the protonic acid group concentration in the resin composition of the polymer electrolyte membrane containing this resin composition is low, which is good Proton conductivity tends not to be obtained, and a unit containing a proton acid group becomes a discontinuous phase and tends to lower the mobility of protons conducted. The resin composition of the present invention can be used, for example, as necessary, for example, antioxidants, heat stabilizers, lubricants, tackifiers, plasticizers, crosslinking agents, viscosity modifiers, antistatic agents, antibacterial agents, antifoaming agents. Various additives such as an agent, a dispersant, and a polymerization inhibitor may be included.

<高分子電解質膜の調製法>
本発明の高分子電解質膜は、上記調製法によるブロック共重合体を用いて、高分子電解質電解質膜を調製することができる。この時、ブロック共重合体は、1種類或いは2種類以上組み合わせて用いることができる。本発明の高分子電解質膜は、またはその樹脂組成物から高分子電解質膜を作製することもできる。溶液から高分子電解質膜を得る方法は従来から公知の方法を用いて行なうことができる。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、溶媒を除去し高分子電解質膜を得ることができる。
<Polymer electrolyte membrane preparation method>
The polymer electrolyte membrane of the present invention can be prepared using the block copolymer prepared by the above preparation method. At this time, the block copolymer can be used alone or in combination of two or more. The polymer electrolyte membrane of the present invention can also be produced from the resin composition. A method for obtaining a polymer electrolyte membrane from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, or immersing in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound.

高分子電解質膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去して高分子電解質膜を得ることができる。この溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミド等の非プロトン極性溶媒や、メタノール、エタノールな等のアルコール類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。溶液中の化合物濃度は0.1質量%〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満である場合には成形性が悪化する傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶媒が有機溶媒の場合は、加熱又は減圧乾燥で溶媒を留去させることが好ましい。溶解性挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形をすることができる点で好ましい。   The most preferable method for forming the polymer electrolyte membrane is casting from a solution, and the polymer electrolyte membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. Suitable solvents include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. However, the present invention is not limited to these. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1% by mass to 50% by mass. When the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, the moldability tends to deteriorate, and when it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate. 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 solubility behavior, it is preferable in that good molding can be achieved.

また、化合物や溶媒の分解や変質をさけるため、減圧下で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、0.1μm以上10.0μm以下であることが好ましく、より好ましくは50μm以上750μm以下である。   Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound and 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 0.1 μm or more and 10.0 μm or less, and more preferably 50 μm or more and 750 μm or less.

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、1000μm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としては従来から公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケータ、ドクターブレード等を用いて一定の厚みに制御することができ、或いは、ガラスシャーレ等を用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な高分子電解質膜を得ることができる。   If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the shape as a polymer electrolyte membrane tends to be lost, and if it is thicker than 1000 μm, a non-uniform polymer electrolyte membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a conventionally known method can be used. For example, the thickness can be controlled to a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, or the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform polymer electrolyte membrane by adjusting the solvent removal rate.

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、水等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等して化合物の凝固速度を調整することができる。本発明の高分子電解質膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、プロトン導電率の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜200μm以下であることが好ましく、5〜75μm以下であることがさらに好ましく、5〜50μm以下であることが最も好ましい。高分子電解質膜の厚みが5μmより薄いと高分子電解質膜の取り扱いが困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いと高分子電解質膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。   For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. When immersed in water or the like, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The polymer electrolyte membrane of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, it is preferably 5 to 200 μm or less, more preferably 5 to 75 μm or less, and most preferably 5 to 50 μm or less. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is less than 5 μm, the handling of the polymer electrolyte membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 200 μm, the electrical resistance value of the polymer electrolyte membrane is high. Therefore, the power generation performance of the fuel cell tends to decrease.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施例で得られた高分子電解質膜の評価方法を以下に示す。
<測定方法および評価方法>
プロトン伝導率の測定
プロトン伝導率の測定用に図1に示す評価セルを作製した。電極には白金電極を用い、電極間隔は1cmとした。電解質部分が純水に浸るようにセルを純水の入ったビーカー内に入れ、交流インピーダンス法により、電解質膜の抵抗を測定した。評価法は、セルをSolartron社製、1260FREQUENCY RESPONSE ANALYSERに四端子により接続し、交流周波数を10kHzから0.1Hzへと任意に変化させたとき検出される総インピーダンスの実数部分と虚数部分を、複素面にプロットしたCole−Coleプロットの直線部分数点についてカーブフィッティングを行い、その切片の値から電解質膜の抵抗を得た。
これを式1に代入してプロトン伝導率を算出した。
σ=L/(R×S) (式1)
σ:プロトン伝導率(S/cm)、L:電極間距離(cm)、R:抵抗(Ω)、S:膜断面積(cm
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these. The evaluation method of the polymer electrolyte membrane obtained in this example is shown below.
<Measurement method and evaluation method>
Measurement of proton conductivity An evaluation cell shown in FIG. 1 was prepared for measurement of proton conductivity. A platinum electrode was used as the electrode, and the electrode interval was 1 cm. The cell was placed in a beaker containing pure water so that the electrolyte portion was immersed in pure water, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an AC impedance method. The evaluation method is that the cell is connected to a 1260 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER made by Solartron with four terminals, and the real and imaginary parts of the total impedance detected when the AC frequency is arbitrarily changed from 10 kHz to 0.1 Hz are complex. Curve fitting was performed for several points in the Cole-Cole plot plotted on the surface, and the resistance of the electrolyte membrane was obtained from the value of the intercept.
This was substituted into Equation 1 to calculate proton conductivity.
σ = L / (R × S) (Formula 1)
σ: proton conductivity (S / cm), L: distance between electrodes (cm), R: resistance (Ω), S: membrane cross-sectional area (cm 2 )

膨潤率の評価
膨潤率は、3cm×3cmに切り出した厚さ50〜150μmの高分子電解質膜を、80℃の水に1時間浸漬させて、その前後の面積変化を下記式から求めた。浸漬後の面積は、電解質膜表面を濾紙(5A)にて軽く拭き取り、縦と横の辺の長さを測定し、その積より求めた。
Evaluation of swelling rate The swelling rate was determined by immersing a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 to 150 μm cut out to 3 cm × 3 cm in water at 80 ° C. for 1 hour, and determining the area change before and after that from the following formula. The area after immersion was obtained by wiping the surface of the electrolyte membrane lightly with filter paper (5A), measuring the lengths of the vertical and horizontal sides, and calculating the product.

(3)メタノール透過性の評価
メタノール透過量を評価するため、図2に示す自作の評価用セルを用いた。電解質膜の変形を防止するためにセル開口部の膜両面にスチールフィルタ(メッシュ1000)を配した。またセル内部の溶液は、マグネティックスターラーで撹拌し、電解質近傍とサンプル取り出し口近傍の濃度分布を極力抑えるようにした。Aセルに精製水を180g、Bセルに精製水200gを加え評価用セルを恒温槽(60℃)に設置して30分間放置した。Aセルにメタノールを20g加え、400rpmで撹拌した。30分毎にBセルのメタノール濃度をガスクロマトグラフィーにより定量し、時間に対するメタノール透過量をプロットした。このプロットの傾き(メタノール透過流束からメタノール透過性を評価した。
(3) Evaluation of methanol permeability In order to evaluate the methanol permeation amount, a self-made evaluation cell shown in FIG. 2 was used. In order to prevent deformation of the electrolyte membrane, steel filters (mesh 1000) were arranged on both sides of the cell opening. The solution inside the cell was stirred with a magnetic stirrer to suppress the concentration distribution in the vicinity of the electrolyte and in the vicinity of the sample outlet as much as possible. 180 g of purified water was added to the A cell and 200 g of purified water was added to the B cell, and the evaluation cell was placed in a thermostatic bath (60 ° C.) and left for 30 minutes. 20 g of methanol was added to the A cell and stirred at 400 rpm. The methanol concentration in the B cell was quantified by gas chromatography every 30 minutes, and the amount of methanol permeation with respect to time was plotted. The slope of this plot (methanol permeability was evaluated from the methanol permeation flux.

イオン交換当量重量の測定
スルホン酸型にしたポリマーフィルムを100℃で24時間減圧乾燥後、アルゴン雰囲気のグローブボックス中に移し30分放置してから重量を測定した。これを1.0mol/lの食塩水中に加え、水酸化カリウムの0.05mol/lエタノール溶液で滴定を行った。pH7になった時点を当量点とし、そのとき加えた水酸化カリウムの量からイオン交換容量を算出した。イオン交換容量の計算式:イオン交換容量[meq/g]=0.05[mmol/ml]×水酸化カリウムの滴定量[ml]/ポリマーフィルムの重量[g]
Measurement of Ion Exchange Equivalent Weight A polymer film made into a sulfonic acid type was dried under reduced pressure at 100 ° C. for 24 hours, then transferred to a glove box in an argon atmosphere and allowed to stand for 30 minutes, and then the weight was measured. This was added to 1.0 mol / l saline and titrated with a 0.05 mol / l ethanol solution of potassium hydroxide. The time when the pH reached 7 was taken as the equivalent point, and the ion exchange capacity was calculated from the amount of potassium hydroxide added at that time. Formula for calculating ion exchange capacity: ion exchange capacity [meq / g] = 0.05 [mmol / ml] × titrated amount of potassium hydroxide [ml] / weight of polymer film [g]

(実施例1)
<第一の芳香族高分子化合物(親水セグメント)の合成>
ディーンスタークトラップ、コンデンサー、撹拌機および窒素供給管を備えた1000mlの4つ口セパラブルフラスコに、4,4’−ジクロロ−3,3’−ジスルホン酸ナトリウムジフェニルスルホン1水和物(SDCDPS, 分子量509.25, 15.00g, 0.0295モル, 1.00当量)、4,4&’−ジヒドロキシビフェニル(Biphenol, 分子量186.21, 5.76g, 0.0309モル, 1.05当量)、炭酸カリウム(KCO, 分子量138.21,4.92g, 0.0356モル, 1.21当量)、N−メチルピロリドン70ml、トルエン50mlを入れ、160℃で1時間、180℃で1時間加熱攪拌してトルエンを留去したのち、200℃に昇温して24時間加熱した。反応液を室温に冷却後、デカフルオロビフェニル(DFBP, 分子量334.11,0.98g, 0.0029モル, 0.10当量)を加え、130℃で2時間加熱攪拌して、第一の芳香族高分子化合物の反応液を得た。得られた第一の芳香族高分子化合物の分子量は、数平均分子量34600、重量平均分子量84800であった。
(Example 1)
<Synthesis of the first aromatic polymer compound (hydrophilic segment)>
A 1000 ml four-necked separable flask equipped with a Dean-Stark trap, condenser, stirrer and nitrogen supply tube was charged with sodium 4,4′-dichloro-3,3′-disulfonate diphenylsulfone monohydrate (SDCDPS, molecular weight). 509.25, 15.00 g, 0.0295 mol, 1.00 equivalent), 4,4 &'-dihydroxybiphenyl (Biphenol, molecular weight 186.21, 5.76 g, 0.0309 mol, 1.05 equivalent), carbonic acid Potassium (K 2 CO 3 , molecular weights 138.21, 4.92 g, 0.0356 mol, 1.21 equivalents), N-methylpyrrolidone 70 ml, toluene 50 ml were added, and heated at 160 ° C. for 1 hour and heated at 180 ° C. for 1 hour. After stirring and distilling off toluene, the temperature was raised to 200 ° C. and heated for 24 hours. After cooling the reaction solution to room temperature, decafluorobiphenyl (DFBP, molecular weight 334.11, 0.98 g, 0.0029 mol, 0.10 equivalent) was added, and the mixture was stirred at 130 ° C. for 2 hours to give the first fragrance. A reaction solution of a group high molecular compound was obtained. The obtained first aromatic polymer compound had a number average molecular weight of 34600 and a weight average molecular weight of 84800.

<第二の芳香族高分子化合物(疎水セグメント)の合成>
ディーンスタークトラップ、コンデンサー、マグネティックスタラーおよび窒素供給管を備えた500mlのナスフラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(DCDPS, 分子量287.16, 13.53g, 0.0471モル, 1.60当量)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(Biphenol, 分子量186.21, 9.05g, 0.0486モル, 1.65当量)、炭酸カリウム(KCO, 分子量138.21,7.72g, 0.0559モル, 1.90当量)、N−メチルピロリドン140ml、トルエン100mlを入れ、160℃で1時間、180℃で1時間加熱攪拌してトルエンを留去したのち、200℃に昇温して12時間加熱攪拌して、第二の芳香族高分子化合物の反応液を得た。得られた第二の芳香族高分子化合物の分子量は、数平均分子量20100、重量平均分子量43800であった。
<Synthesis of second aromatic polymer compound (hydrophobic segment)>
A 500 ml eggplant flask equipped with a Dean-Stark trap, condenser, magnetic stirrer and nitrogen supply tube was charged with 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (DCDPS, molecular weight 287.16, 13.53 g, 0.0471 mol, 1.60). Equivalent)), 4,4′-dihydroxybiphenyl (Biphenol, molecular weight 186.21, 9.05 g, 0.0486 mol, 1.65 equivalent), potassium carbonate (K 2 CO 3 , molecular weight 138.21, 7.72 g, 0.0559 mol, 1.90 equivalents), 140 ml of N-methylpyrrolidone and 100 ml of toluene were added, and the mixture was heated and stirred at 160 ° C. for 1 hour and 180 ° C. for 1 hour to distill off the toluene, and then heated to 200 ° C. The mixture was heated and stirred for 12 hours to obtain a reaction liquid of the second aromatic polymer compound. The obtained second aromatic polymer compound had a number average molecular weight of 20,100 and a weight average molecular weight of 43,800.

<ブロック共重合体の合成>
第一の芳香族高分子化合物の反応容器と、第二の芳香族高分子化合物の反応容器をシリコンチューブで繋ぎ、窒素雰囲気下、室温で第二の芳香族高分子化合物の反応液を全て第一の芳香族高分子化合物の反応容器へ注いだ。この時、無水N−メチルピロリドン200mlで第二の芳香族高分子化合物の反応容器を窒素雰囲気下洗浄し、洗浄液も全て第一の芳香族高分子化合物の反応容器へ注いだ。反応混合液を140℃で1時間加熱攪拌した。
<Synthesis of block copolymer>
The reaction vessel for the first aromatic polymer compound and the reaction vessel for the second aromatic polymer compound are connected by a silicon tube, and the reaction solution for the second aromatic polymer compound is completely removed at room temperature under a nitrogen atmosphere. One aromatic polymer compound was poured into a reaction vessel. At this time, the reaction vessel of the second aromatic polymer compound was washed with 200 ml of anhydrous N-methylpyrrolidone in a nitrogen atmosphere, and all the cleaning liquid was poured into the reaction vessel of the first aromatic polymer compound. The reaction mixture was heated and stirred at 140 ° C. for 1 hour.

<ブロック共重合体の精製>
室温に冷却後、反応液を2000mlの水中に注ぎ、ブロック共重合体を析出させた。ブロック共重合体を濾過した後、3000mlのビーカーに移し、蒸留水1500mlを加えて、室温から70℃に加熱した。ブロック共重合体を濾過した後、3000mlのビーカーに移し、10%硫酸水溶液1500mlを加えて、室温から70℃に加熱した。ブロック共重合体を濾過した後、精製水で十分に洗浄し、3000mlのビーカーに移し、蒸留水1500mlを加えて、室温から70℃に加熱した。ブロック共重合体を濾過した後、精製水で十分に洗浄し、3000mlのビーカーに移し、蒸留水1500mlと5%炭酸ナトリウム水溶液500mlを加えて、室温から70℃に加熱した。ブロック共重合体を濾過した後、精製水で十分に洗浄し140℃の熱風乾燥機で6時間乾燥することで目的物であるブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体の構造式、収量、収率、重量平均分子量、分散度、及びイオン交換当量重量(EW値)は以下に示すとおりである。
<Purification of block copolymer>
After cooling to room temperature, the reaction solution was poured into 2000 ml of water to precipitate a block copolymer. The block copolymer was filtered, transferred to a 3000 ml beaker, 1500 ml of distilled water was added, and the mixture was heated from room temperature to 70 ° C. The block copolymer was filtered, transferred to a 3000 ml beaker, 1500 ml of 10% aqueous sulfuric acid was added, and the mixture was heated from room temperature to 70 ° C. After filtering the block copolymer, it was thoroughly washed with purified water, transferred to a 3000 ml beaker, 1500 ml of distilled water was added, and the mixture was heated from room temperature to 70 ° C. The block copolymer was filtered, washed thoroughly with purified water, transferred to a 3000 ml beaker, 1500 ml of distilled water and 500 ml of 5% aqueous sodium carbonate solution were added, and the mixture was heated from room temperature to 70 ° C. After filtering the block copolymer, it was washed thoroughly with purified water and dried in a hot air dryer at 140 ° C. for 6 hours to obtain the target block copolymer. The structural formula, yield, yield, weight average molecular weight, dispersity, and ion exchange equivalent weight (EW value) of the obtained block copolymer are as shown below.

Figure 2009104926
収量:34.2g, 収率:89%, 数平均分子量185000,重量平均分子量450000,イオン交換当量重量値(EW値)757
Figure 2009104926
Yield: 34.2 g, Yield: 89%, Number average molecular weight 185000, Weight average molecular weight 450,000, Ion exchange equivalent weight value (EW value) 757

<ブロック共重合体膜の作製>
ブロック共重合体の評価を行うために膜を作製した。
得られたブロック共重合体15gをN−メチルピロリドン85gに溶解させた後、1000メッシュのフィルターを用いて加圧濾過し、さらに遊星攪拌型の脱泡装置で脱泡した。この溶液をガラス板上にギャップ400μmのバーコーターを用いて流延した後、熱風型乾燥機で60℃15分、80℃15分、100℃15分乾燥させた。乾燥機から取り出した後、膜をガラス板から剥離し、ステンレス製の枠に固定して、再び乾燥機の中に投じ、160℃30分、200℃30分乾燥した。室温に冷却後、膜を枠から取り外し、10%硫酸水溶液に12時間室温で含浸した。蒸留水で洗浄した後、膜に付着した水分を濾紙(5A)で拭き取りブロック共重合体膜を作製した。
<Preparation of block copolymer film>
Membranes were made to evaluate block copolymers.
After 15 g of the obtained block copolymer was dissolved in 85 g of N-methylpyrrolidone, it was filtered under pressure using a 1000 mesh filter, and further defoamed with a planetary stirring type defoaming device. This solution was cast on a glass plate using a bar coater having a gap of 400 μm, and then dried with a hot air drier at 60 ° C. for 15 minutes, 80 ° C. for 15 minutes, and 100 ° C. for 15 minutes. After taking out from the dryer, the film was peeled off from the glass plate, fixed to a stainless steel frame, poured again into the dryer, and dried at 160 ° C. for 30 minutes and 200 ° C. for 30 minutes. After cooling to room temperature, the membrane was removed from the frame and impregnated with 10% aqueous sulfuric acid for 12 hours at room temperature. After washing with distilled water, the water adhering to the membrane was wiped off with filter paper (5A) to prepare a block copolymer membrane.

<MEAの調製>
白金担持量が50質量%である触媒担持カーボン粒子(田中貴金属株式会社製、TEC10V50E)1.0gを水に湿らせた後に、ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製、「ナフィオン(登録商標)」溶液5%)10gを、均一になるように混合分散することによって、触媒ペーストA(粘度3.0Pa・S)を調製した。次いで、スプレーコーター(ノードソン社製、スラリー塗布装置III(登録商標))を用いて、この触媒ペーストAを実施例1で得られた高分子電解質膜上の片側に塗布、乾燥することにより触媒層Aを形成した。また、白金担持量が30質量%、ルテニウム担持量が24重量%である触媒担持カーボン粒子(田中貴金属株式会社製、TEC61E54)1.0gを水に湿らせた後に、ナフィオン(登録商標)溶液(デュポン社製、「ナフィオン(登録商標)」溶液5%)12gを、均一になるように混合分散することによって、触媒ペーストB(粘度3.5Pa・S)を調製した。この触媒ペーストBをスプレーコーターを用いて塗布、乾燥することにより、実施例1で得られた高分子電解質膜上の触媒層Aの反対側に触媒層Bを形成し、実施例1で得られた高分子電解質膜の両側に触媒層A及びBを形成し、MEAを得た。続けて、平板プレスのプレス板の間に、調製したMEAを挟持し、120℃、5MPaの条件で3分間挟持することでMEA1(触媒層A膜厚150μm、触媒層B膜厚150μm)を調製した。
<Preparation of MEA>
After wetting 1.0 g of catalyst-supported carbon particles (TEC10V50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a platinum-supported amount of 50% by mass with water, a Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont, “Nafion (registered trademark)” Catalyst paste A (viscosity 3.0 Pa · S) was prepared by mixing and dispersing 10 g of “5% solution” uniformly. Next, this catalyst paste A was applied to one side on the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1 using a spray coater (manufactured by Nordson, slurry coating apparatus III (registered trademark)), and dried to form a catalyst layer. A was formed. Further, after wetting 1.0 g of catalyst-supported carbon particles (TEC61E54, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a platinum-supported amount of 30% by mass and a ruthenium-supporting amount of 24% by weight into Nafion (registered trademark) solution ( Catalyst paste B (viscosity 3.5 Pa · S) was prepared by mixing and dispersing 12 g of “Nafion (registered trademark)” 5%) manufactured by DuPont. By applying this catalyst paste B using a spray coater and drying, a catalyst layer B is formed on the opposite side of the catalyst layer A on the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1, and obtained in Example 1. Catalyst layers A and B were formed on both sides of the polymer electrolyte membrane to obtain MEA. Subsequently, MEA 1 (catalyst layer A film thickness 150 μm, catalyst layer B film thickness 150 μm) was prepared by sandwiching the prepared MEA between press plates of a flat plate press and holding at 120 ° C. and 5 MPa for 3 minutes.

<燃料電池の作製>
実施例1で得られたMEA1両側に燃料漏れ防止用のテフロン(登録商標)シート、アノードセル、カソードセル、及び集電板を図3に示したように配置する。最後に全体を専用のボルトで固定し燃料電池(Electrochem, Inc. 社製 FC05−01SP−REF、電極面積5cm、電極平均細孔径2μm、電極間隙率40%、サーペンタインフロー)を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
A Teflon (registered trademark) sheet for preventing fuel leakage, an anode cell, a cathode cell, and a current collector plate are arranged on both sides of the MEA 1 obtained in Example 1 as shown in FIG. Finally, the whole was fixed with a dedicated bolt to prepare a fuel cell (FC05-01SP-REF, manufactured by Electrochem, Inc., electrode area 5 cm 2 , electrode average pore diameter 2 μm, electrode porosity 40%, serpentine flow).

(比較例1)
<第一の芳香族高分子化合物(親水セグメント)の合成>
4,4’−ジクロロ−3,3’−ジスルホン酸ナトリウムジフェニルスルホン1水和物(SDCDPS, 分子量509.25, 15.00g, 0.0295モル, 1.00当量)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(Biphenol, 分子量186.21, 6.03g, 0.0324モル, 1.10当量)、炭酸カリウム(KCO, 分子量138.21,5.15g, 0.0373モル, 1.27当量)、N−メチルピロリドン70ml、トルエン50ml、デカフルオロビフェニル(DFBP, 分子量334.11,1.97g, 0.0059モル, 0.20当量)を用いた以外は全て実施例1と同様にして行った。得られた第一の芳香族高分子化合物の分子量は、数平均分子量25200、重量平均分子量54900であった。
(Comparative Example 1)
<Synthesis of the first aromatic polymer compound (hydrophilic segment)>
Sodium 4,4′-dichloro-3,3′-disulfonate diphenylsulfone monohydrate (SDCDPS, molecular weight 509.25, 15.00 g, 0.0295 mol, 1.00 equivalent), 4,4′-dihydroxy Biphenyl (Biphenol, molecular weight 186.21, 6.03 g, 0.0324 mol, 1.10 equivalent), potassium carbonate (K 2 CO 3 , molecular weight 138.21, 5.15 g, 0.0373 mol, 1.27 equivalent) ), N-methylpyrrolidone 70 ml, toluene 50 ml, and decafluorobiphenyl (DFBP, molecular weights 334.11, 1.97 g, 0.0059 mol, 0.20 equivalents) were all used in the same manner as in Example 1. It was. The obtained first aromatic polymer compound had a number average molecular weight of 25,200 and a weight average molecular weight of 54,900.

<第二の芳香族高分子化合物(疎水セグメント)の合成>
4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(DCDPS, 分子量287.16, 12.69g, 0.0442モル, 1.50当量)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(Biphenol, 分子量186.21, 8.78g, 0.0471モル, 1.60当量)、炭酸カリウム(KCO, 分子量138.21,7.49g, 0.0542モル, 1.84当量)、N−メチルピロリドン70ml、トルエン50mlを用いた以外は全て実施例1と同様にして行った。得られた第二の芳香族高分子化合物の分子量は、数平均分子量13300、重量平均分子量25600であった。
<Synthesis of second aromatic polymer compound (hydrophobic segment)>
4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (DCDPS, molecular weight 287.16, 12.69 g, 0.0442 mol, 1.50 equivalents), 4,4′-dihydroxybiphenyl (Biphenol, molecular weight 186.21, 8.78 g, 0.0471 mol, 1.60 equivalents), potassium carbonate (K 2 CO 3 , molecular weight 138.21, 7.49 g, 0.0542 mol, 1.84 equivalents), N-methylpyrrolidone 70 ml, toluene 50 ml were used. Except for this, the same procedure as in Example 1 was performed. The obtained second aromatic polymer compound had a number average molecular weight of 13,300 and a weight average molecular weight of 25,600.

<ブロック共重合体の合成、ブロック共重合体の精製、及びブロック共重合体膜の作製>
全て実施例1と同様にして行った。得られたブロック共重合体の構造式、収量、収率、重量平均分子量、分散度、及びイオン交換当量重量(EW値)は以下に示すとおりである。
<Synthesis of block copolymer, purification of block copolymer, and production of block copolymer film>
All were carried out in the same manner as in Example 1. The structural formula, yield, yield, weight average molecular weight, dispersity, and ion exchange equivalent weight (EW value) of the obtained block copolymer are as shown below.

Figure 2009104926
収量:36.3g, 収率:93%, 数平均分子量67800,重量平均分子量246000,イオン交換当量重量値(EW値)689
Figure 2009104926
Yield: 36.3 g, Yield: 93%, Number average molecular weight 67800, Weight average molecular weight 246000, Ion exchange equivalent weight value (EW value) 689

<MEAの調製>
実施例1で得られた高分子電解質膜の替わりに比較例1で得られた高分子電解質膜を用いた以外は実施例1と同様にして、MEA2を作製した。
<Preparation of MEA>
MEA2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 1 was used instead of the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1.

<燃料電池の作製>
比較例1で得られたMEA2を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池を作製した。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the MEA 2 obtained in Comparative Example 1 was used.

(比較例2)
<第一の芳香族高分子化合物(親水セグメント)の合成>
4,4’−ジクロロ−3,3’−ジスルホン酸ナトリウムジフェニルスルホン1水和物(SDCDPS, 分子量509.25, 15.00g, 0.0295モル, 1.00当量)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(Biphenol, 分子量186.21, 5.76g, 0.0309モル, 1.05当量)、炭酸カリウム(KCO, 分子量138.21,4.92g, 0.0356モル, 1.21当量)、N−メチルピロリドン70ml、トルエン50ml、デカフルオロビフェニル(DFBP, 分子量334.11,0.98g, 0.0029モル, 0.10当量)を用いた以外は全て実施例1と同様にして行った。得られた第一の芳香族高分子化合物の分子量は、数平均分子量41500、重量平均分子量102000であった。
(Comparative Example 2)
<Synthesis of the first aromatic polymer compound (hydrophilic segment)>
Sodium 4,4′-dichloro-3,3′-disulfonate diphenylsulfone monohydrate (SDCDPS, molecular weight 509.25, 15.00 g, 0.0295 mol, 1.00 equivalent), 4,4′-dihydroxy Biphenyl (Biphenol, molecular weight 186.21, 5.76 g, 0.0309 mol, 1.05 equivalent), potassium carbonate (K 2 CO 3 , molecular weight 138.21, 4.92 g, 0.0356 mol, 1.21 equivalent) ), N-methylpyrrolidone 70 ml, toluene 50 ml, and decafluorobiphenyl (DFBP, molecular weight 334.11, 0.98 g, 0.0029 mol, 0.10 equivalent) were all used in the same manner as in Example 1. It was. The obtained first aromatic polymer compound had a number average molecular weight of 41500 and a weight average molecular weight of 102,000.

<第二の芳香族高分子化合物(疎水セグメント)の合成>
4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(DCDPS, 分子量287.16, 13.53g, 0.0471モル, 1.60当量)、4,4’−ジヒドロキシビフェニル(Biphenol, 分子量186.21, 9.05g, 0.0486モル, 1.65当量)、炭酸カリウム(KCO, 分子量138.21,7.72g, 0.0559モル, 1.90当量)、N−メチルピロリドン70ml、トルエン50mlを用いた以外は全て実施例1と同様にして行った。得られた第二の芳香族高分子化合物の分子量は、数平均分子量15800、重量平均分子量38300であった。
<Synthesis of second aromatic polymer compound (hydrophobic segment)>
4,4′-dichlorodiphenylsulfone (DCDPS, molecular weight 287.16, 13.53 g, 0.0471 mol, 1.60 equivalents), 4,4′-dihydroxybiphenyl (Biphenol, molecular weight 186.21, 9.05 g, 0.0486 mol, 1.65 equivalent), potassium carbonate (K 2 CO 3 , molecular weight 138.21, 7.72 g, 0.0559 mol, 1.90 equivalent), N-methylpyrrolidone 70 ml, toluene 50 ml were used. Except for this, the same procedure as in Example 1 was performed. The obtained second aromatic polymer compound had a number average molecular weight of 15800 and a weight average molecular weight of 38,300.

<ブロック共重合体の合成、ブロック共重合体の精製、及びブロック共重合体膜の作製>
全て実施例1と同様にして行った。得られたブロック共重合体の構造式、収量、収率、重量平均分子量、分散度、及びイオン交換当量重量(EW値)は以下に示すとおりである。
<Synthesis of block copolymer, purification of block copolymer, and production of block copolymer film>
All were carried out in the same manner as in Example 1. The structural formula, yield, yield, weight average molecular weight, dispersity, and ion exchange equivalent weight (EW value) of the obtained block copolymer are as shown below.

Figure 2009104926
収量:34.3g, 収率:89%, 数平均分子量36300,重量平均分子量340000,イオン交換当量重量値(EW値)711
Figure 2009104926
Yield: 34.3 g, Yield: 89%, Number average molecular weight 36300, Weight average molecular weight 340000, Ion exchange equivalent weight value (EW value) 711

<MEAの調製>
実施例1で得られた高分子電解質膜の替わりに比較例2で得られた高分子電解質膜を用いた以外は実施例1と同様にして、MEA3を作製した。
<Preparation of MEA>
MEA3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 2 was used instead of the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1.

<燃料電池の作製>
比較例1で得られたMEA3を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池を作製した。
表1に実施例1及び比較例1、2の物性値をまとめて示す。図3に実施例1及び比較例1、2のMEAを用いた燃料電池について、アノード側に10質量%メタノール水溶液を1ml/分、カソード側に空気を300ml/分、セル温度60℃の条件下での出力特性を示す。図4に実施例1及び比較例1、2のMEAを用いた燃料電池について、図3と同様の条件下での時間経過に対する出力特性を示す。表1は、実施例1及び比較例1、2のEW値、親水セグメント及び疎水セグメントの分子量、膜厚、プロトン伝導率、メタノール透過量、膨潤率を示す表である。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the MEA 3 obtained in Comparative Example 1 was used.
Table 1 summarizes the physical property values of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 3 shows a fuel cell using the MEA of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 on the condition that a 10 mass% methanol aqueous solution is 1 ml / min on the anode side, air is 300 ml / min on the cathode side, and the cell temperature is 60 ° C. The output characteristics at are shown. FIG. 4 shows the output characteristics of the fuel cells using the MEAs of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 over time under the same conditions as in FIG. Table 1 is a table showing the EW values of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the molecular weight, the film thickness, the proton conductivity, the methanol permeation amount, and the swelling rate of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment.

Figure 2009104926
Figure 2009104926

本発明は、プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率を15%以下に抑えることにより、高いプロトン伝導率を維持しつつ、メタノールクロスオーバーを低減する高分子電解質膜をMEAに用いることで高分子電解質膜と電極との接合性、及び出力特性が良好な膜電極接合体(MEA)を得ることができる。   The present invention provides an MEA with a polymer electrolyte membrane that reduces methanol crossover while maintaining high proton conductivity by suppressing the swelling rate with respect to water to 15% or less with a proton conductivity of 0.1 S / cm or more. By using it, it is possible to obtain a membrane / electrode assembly (MEA) having good bondability and output characteristics between the polymer electrolyte membrane and the electrode.

プロトン伝導率測定用セルの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cell for proton conductivity measurement. メタノール透過係数評価用セルを示す図である。It is a figure which shows the cell for methanol permeability coefficient evaluation. 燃料電池の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a fuel cell. 燃料電池の出力特性を示す図である。It is a figure which shows the output characteristic of a fuel cell. 燃料電池の時間経過に対する出力特性を示す図である。It is a figure which shows the output characteristic with respect to time passage of a fuel cell.

Claims (18)

プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜を用いることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane / electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜上にスプレーコート法を用いて電極を形成することを特徴とする請求項1記載の膜電極接合体。   2. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein an electrode is formed on the polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio of 15% or less with respect to water by a spray coating method. . プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜上にガス拡散電極(Gas Diffusion Electrode:GDE、以下GDEと略す)の接合により電極を形成することを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。   Forming an electrode on a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less by bonding a gas diffusion electrode (hereinafter referred to as GDE). The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜上に転写法より電極を形成することを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。   2. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein an electrode is formed by a transfer method on a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less. 貴金属触媒を含有する触媒スラリーを噴霧塗布し、直接、高分子電解質膜上に電極を形成することを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体。   2. The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the electrode is directly formed on the polymer electrolyte membrane by spray coating a catalyst slurry containing a noble metal catalyst. 触媒スラリーが、貴金属触媒、電解質バインダ、及び電解質バインダを溶解し、貴金属触媒を分散することが可能な組成物であることを特徴とする請求項5に記載の膜電極接合体。   6. The membrane electrode assembly according to claim 5, wherein the catalyst slurry is a composition capable of dissolving the noble metal catalyst, the electrolyte binder, and the electrolyte binder and dispersing the noble metal catalyst. プロトン伝導率が0.1S/cm以上で水に対する膨潤率が15%以下の高分子電解質膜が、(a)末端にパーフルオロビフェニル基を有し、且つプロトン酸基を有する第一の芳香族高分子化合物と、(b)末端に(a)のパーフルオロビフェニル基と反応し得る反応性基を有し、且つプロトン酸基を有しない第二の芳香族高分子化合物とが結合した共重合体とを含む、高分子電解質膜であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の膜電極接合体。   A polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 0.1 S / cm or more and a swelling ratio with respect to water of 15% or less is (a) a first aromatic having a perfluorobiphenyl group at the terminal and having a proton acid group Copolymer with a polymer compound and (b) a second aromatic polymer compound having a reactive group capable of reacting with the perfluorobiphenyl group of (a) and having no proton acid group The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the membrane electrode assembly comprises a polymer electrolyte membrane. (a)第一の芳香族高分子化合物が疎水性芳香族ハロゲン基を有し、疎水性芳香族ハロゲン基が、下記の式(1)の構造単位であることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926

[式中AはS(O)−、−S(O)−、−C(O)−、または−P(O)(C)−を示す。B、C,D,Eは水素または炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のフルオロアルキル基、シアノ基、及びフッ素を示す。Fはフッ素を示す。]
(A) The first aromatic polymer compound has a hydrophobic aromatic halogen group, and the hydrophobic aromatic halogen group is a structural unit of the following formula (1): The membrane electrode assembly as described.
Figure 2009104926

[Wherein A is S (O) -, - S (O) 2 -, - C (O) -, or -P (O) (C 6 H 5) - shows the. B, C, D, and E represent hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a fluoroalkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cyano group, and fluorine. F represents fluorine. ]
(a)第一の芳香族高分子化合物が疎水性芳香族ハロゲン基を有し、疎水性芳香族ハロゲン基が、下記の式(2)及び/又は、式(3)の複素環を有する構造単位であることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926


[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、または−CCC−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、f及びjは1〜5の置換基数を示す。Fはフッ素を示す。]
Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、fは1〜5の置換基数を表わす。]
(A) Structure in which the first aromatic polymer compound has a hydrophobic aromatic halogen group, and the hydrophobic aromatic halogen group has a heterocycle of the following formula (2) and / or formula (3) The membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the membrane electrode assembly is a unit.
Figure 2009104926


[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, or -C 6 H 4 CC 6 H 4 - shows a. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f and j represent 1 to 5 substituents. F represents fluorine. ]
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f represents the number of substituents of 1 to 5. ]
(b)の(a)のパーフルオロビフェニル基と反応し得る反応性基が、フェノール性水酸基であることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 9, wherein the reactive group capable of reacting with the perfluorobiphenyl group of (a) in (b) is a phenolic hydroxyl group. (a)第一の芳香族高分子化合物の重量平均分子量が2000以上150000以下であり、(b)第二の芳香族高分子化合物の重量平均分子量が2000以上150000以下であることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の膜電極接合体。   (A) The weight average molecular weight of the first aromatic polymer compound is 2,000 to 150,000, and (b) the weight average molecular weight of the second aromatic polymer compound is 2,000 to 150,000. The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 10. (a)の第一の芳香族高分子化合物と(b)の第二の芳香族高分子化合物の重量比[(a)/(b)]の値が、0.1以上10.0以下であることを特徴とする請求項7〜11のいずれかに記載の膜電極接合体。   The value of the weight ratio [(a) / (b)] between the first aromatic polymer compound (a) and the second aromatic polymer compound (b) is 0.1 or more and 10.0 or less. The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 11, wherein the membrane electrode assembly is provided. (a)の第一の芳香族高分子化合物が下記の式(4)及び/又は下記の式(5)及び/又は下記の式(6)の(α)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする請求項7〜12のいずれかに記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926


[式において、Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−、または、
Figure 2009104926

[式中Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1〜4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xは水素、スルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1〜4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[式中Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1から4の置換基数を表わし、fは4−mの置換基数を表わす。nは1から4の置換基数を表わし、jは4−nの置換基数を表わす。]
The first aromatic polymer compound of (a) has an aromatic ring into which the (α) protonic acid group of the following formula (4) and / or the following formula (5) and / or the following formula (6) is introduced. The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 12, comprising a structural unit.
Figure 2009104926


[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ). -, - C (CH 3) 2 -, - C (CF 3) 2 -, - C 6 H 4 CC 6 H 4 -, or,
Figure 2009104926

[Wherein X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkylsulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkylphosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, or a carbon number. A protonic acid group consisting of 1 to 20 alkylcoxyphosphate groups is shown. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ] Is shown. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is hydrogen, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyl oxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, and an alkyl phosphoric acid having 1 to 6 carbon atoms. A protonic acid group composed of an alkylcoxyphosphoric acid group having 1 to 20 carbon atoms. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ]
Figure 2009104926

[Wherein R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or an alkyl group having 2 to 20 carbon atoms. X is sulfonic acid group, phosphoric acid group, alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, alkyl oxysulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, alkyl phosphorus having 1 to 6 carbon atoms. A protonic acid group composed of an acid group and an alkylcoxyphosphate group having 1 to 20 carbon atoms is shown. m represents the number of substituents of 1 to 4, and f represents the number of substituents of 4-m. n represents the number of substituents of 1 to 4, and j represents the number of substituents of 4-n. ]
(a)の第一の芳香族高分子化合物が下記の式(7)及び/又は、式(8)の(β)プロトン酸基を導入した複素環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする請求項7〜13のいずれかに記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−または炭素数1〜10のアルキリデン基を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜5の置換基数を表わし、fは5−mの置換基数を表わす。nは1〜5の置換基数を表わし、jは5−nの置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、Xはスルホン酸基、リン酸基、炭素数1〜6のアルキルスルホン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシスルホン酸基、炭素数1〜6のアルキルリン酸基、炭素数1〜20のアルキルコキシリン酸基から成るプロトン酸基を示す。mは1〜5の置換基数を表わし、fは5−mの置換基数を表わす。]
The first aromatic polymer compound of (a) includes a structural unit having a heterocycle having a (β) protonic acid group introduced by the following formula (7) and / or formula (8): The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 13.
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - indicating the or alkylidene group having 1 to 10 carbon atoms - C 6 H 4 CC 6 H 4. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxy sulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkyl phosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, The protonic acid group which consists of a C1-C20 alkylcoxyphosphoric acid group is shown. m represents the number of substituents of 1 to 5, and f represents the number of substituents of 5-m. n represents the number of substituents of 1 to 5, and j represents the number of substituents of 5-n. ]
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, X is a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, an alkyl sulfonic acid group having 1 to 6 carbon atoms, an alkyloxy sulfonic acid group having 1 to 20 carbon atoms, an alkyl phosphoric acid group having 1 to 6 carbon atoms, The protonic acid group which consists of a C1-C20 alkylcoxyphosphoric acid group is shown. m represents the number of substituents of 1 to 5, and f represents the number of substituents of 5-m. ]
(b)の第二の芳香族高分子化合物が、下記の式(9)及び/又は下記の式(10)及び/又は下記の式(11)の(γ)芳香環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする請求項7〜14のいずれかに記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−、または
Figure 2009104926

を示す。B,C,D,Eは水素または炭素数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、シアノ基、及びフッ素である。]
Figure 2009104926

[式中F、Gは水素または炭素数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、シアノ基、及びフッ素である。]
The second aromatic polymer compound of (b) includes a structural unit having a (γ) aromatic ring of the following formula (9) and / or the following formula (10) and / or the following formula (11). The membrane electrode assembly according to any one of claims 7 to 14, wherein
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - C 6 H 4 CC 6 H 4 -, or
Figure 2009104926

Indicates. B, C, D, and E are hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 carbon atoms. ˜20 acyl groups, cyano groups, and fluorine. ]
Figure 2009104926

[Wherein F and G are hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, or 2 to 2 carbon atoms. 20 acyl groups, cyano groups, and fluorine. ]
(b)の第二の芳香族高分子化合物が、下記の式(12)及び/又は、式(13)の(δ)複素環を有する構造単位を含んでいることを特徴とする請求項7〜15のいずれかに記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、−CCC−または炭素数1〜10のアルキリデン基を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、f及びjは1〜5の置換基数を表わす。]
Figure 2009104926

[式中Zは直接結合、−NH−、炭素数1〜10のアルキルアミノ基、−NC−、−O−、または−S−を示す。Rは水素または炭素数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、及びフッ素であり、fは1〜5の置換基数を表わす。]
The second aromatic polymer compound of (b) contains a structural unit having a (δ) heterocyclic ring of the following formula (12) and / or formula (13): The membrane electrode assembly according to any one of -15.
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, - indicating the or alkylidene group having 1 to 10 carbon atoms - C 6 H 4 CC 6 H 4. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f and j represent 1 to 5 substituents. ]
Figure 2009104926

[Wherein Z represents a direct bond, —NH—, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, —NC 6 H 4 —, —O—, or —S—. R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, 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, And fluorine, and f represents the number of substituents of 1 to 5. ]
(α)プロトン酸基を導入した芳香環を有する構造単位において、プロトン酸基がスルホン酸基又は/及びリン酸基であることを特徴とする請求項13〜16のいずれかに記載の膜電極接合体。   (Α) In the structural unit having an aromatic ring into which a proton acid group is introduced, the proton acid group is a sulfonic acid group or / and a phosphoric acid group. Joined body. (a)の第一の芳香族高分子化合物が、下記の式(14)であることを特徴とする請求項7に記載の膜電極接合体。
Figure 2009104926

[式中Aは直接結合、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−C(O)−、−P(O)(C)−、−C(CH−、−C(CF−、または−CCC−を示す。nは3以上の整数よりなる。]
The membrane electrode assembly according to claim 7, wherein the first aromatic polymer compound (a) is represented by the following formula (14).
Figure 2009104926

[In the formula, A represents a direct bond, —O—, —S—, —S (O) —, —S (O) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —. , -C (CH 3) 2 - , - C (CF 3) 2 -, or -C 6 H 4 CC 6 H 4 - shows a. n consists of an integer of 3 or more. ]
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