JP2009191123A - Block copolymer, electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly, and solid polymer type fuel cell - Google Patents

Block copolymer, electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly, and solid polymer type fuel cell Download PDF

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篤彦 大沼
Shin Morishima
森島  慎
Iwao Fukuchi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that a long-life electrolyte membrane is required in order to put a PEFC or DMFC to practical use. <P>SOLUTION: The long-life electrolyte membrane is obtained by using a block copolymer comprising a hydrophilic segment containing an ion exchange group and a hydrophobic segment not containing an ion exchange group in a main chain and a side chain or having a larger ion exchange group equivalent weight than the hydrophilic segment, wherein the hydrophilic segment is a polyarylene in which a sulfonic acid group bonds to an aromatic ring through an alkylene ether bond. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は低コストで、機械的強度、耐酸化性に優れたブロック共重合体、高分子電解質膜、膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a block copolymer, a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly, and a fuel cell using the same, which are low in cost and excellent in mechanical strength and oxidation resistance.

燃料電池の固体高分子電解質膜としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などの高いイオン伝導性を有するフッ素系電解質膜が知られているが、フッ素系電解質膜は非常に高価である。また、廃棄時に焼却するとフッ酸が発生する。さらに、高温ではイオン伝導度が低下する為、高温では使用できないといった課題がある。また、直接メタノール形燃料電池(以下、DMFC)の電解質膜として使用した場合、メタノールクロスオーバーにより電圧低下や発電効率低下などの課題がある。   As a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and the like have high ionic conductivity. Fluorine electrolyte membranes are known, but fluorine electrolyte membranes are very expensive. Also, hydrofluoric acid is generated when incinerated at the time of disposal. Furthermore, since ionic conductivity falls at high temperature, there exists a subject that it cannot be used at high temperature. Further, when used as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC), there are problems such as voltage drop and power generation efficiency drop due to methanol crossover.

燃料電池の固体高分子電解質膜としては、フッ素系電解質の他に特許文献1や特許文献2に、ポリエーテルスルホン系ブロック共重合体やポリエーテルケトン系ブロック共重合体からなる炭化水素系高分子電解質膜が提案されている。   As solid polymer electrolyte membranes for fuel cells, in addition to fluorine-based electrolytes, Patent Documents 1 and 2 describe hydrocarbon-based polymers made of polyethersulfone block copolymers and polyetherketone block copolymers. An electrolyte membrane has been proposed.

ところで、燃料電池においては電極反応によって電極触媒層において過酸化物が生成され、この過酸化物が拡散しながらラジカル化することにより過酸化物ラジカルとなって電解質を侵食し、劣化させるという現象が生じる。この過酸化物ラジカルの生成は、特に供給燃料(ガスまたは液体)あるいは電解質を湿潤状態に保つために供給燃料に混合させるミストの供給配管等から溶出する金属イオン(Fe2+、Cu2+等)によって促進される。そのため、ポリエーテルスルホン系ブロック共重合体やポリエーテルケトン系ブロック共重合体からなる高分子電解質膜においては、耐酸化性が低いために過酸化水素ラジカルにより電解質が酸化され分解・劣化してしまい、寿命が短いという問題があった。ポリエーテルスルホン系ブロック共重合体やポリエーテルケトン系ブロック共重合体を用いた電解質膜において、劣化は、電解質における主鎖中のエーテル結合部位が酸化・分解し、電解質の分子量低下による溶出や電解質膜の破断、破れが劣化の主原因と考えられる。 By the way, in the fuel cell, a peroxide is generated in the electrode catalyst layer by the electrode reaction, and the peroxide is radicalized while diffusing to become a peroxide radical, which erodes and degrades the electrolyte. Arise. The generation of the peroxide radical is caused by metal ions (Fe 2+ , Cu 2+, etc.) eluted from the supply fuel (gas or liquid) or mist supply piping mixed with the supply fuel to keep the electrolyte in a wet state. Promoted. Therefore, in polymer electrolyte membranes made of polyethersulfone block copolymers and polyetherketone block copolymers, the oxidation resistance is low, so the electrolyte is oxidized and decomposed and deteriorated by hydrogen peroxide radicals. There was a problem that the lifetime was short. In electrolyte membranes using polyethersulfone block copolymers and polyetherketone block copolymers, degradation is caused by oxidation and decomposition of the ether bond sites in the main chain of the electrolyte, and elution due to a decrease in the molecular weight of the electrolyte. Breaking and tearing of the film are considered to be the main causes of deterioration.

特許文献3、特許文献4では電極触媒層と電解質層の中間に過酸化水素分解触媒である金属酸化物を含む層を形成し電解質膜の劣化をおさえている。しかしながら、これらの膜電極接合体では長寿命化の影響は小さく、添加剤を投入するために電解質膜のイオン伝導抵抗が大きくなる、膜作製プロセスが複雑となり結果として高コストになるという問題があった。耐酸化性に優れる炭化水素系電解質としては、特許文献5、特許文献6では主鎖中の劣化部位であるエーテル結合を有さないポリアリーレン系高分子電解質が提案されている。しかしながら、このポリアリーレン系高分子電解質は、剛直なポリフェニレン骨格からなり、破断伸び等の機械的特性面で問題を有していた。   In Patent Document 3 and Patent Document 4, a layer containing a metal oxide that is a hydrogen peroxide decomposition catalyst is formed between the electrode catalyst layer and the electrolyte layer to suppress degradation of the electrolyte membrane. However, these membrane electrode assemblies have a problem that the effect of prolonging the life is small, and the ionic conduction resistance of the electrolyte membrane increases because the additive is added, and the membrane preparation process becomes complicated, resulting in high costs. It was. As hydrocarbon electrolytes excellent in oxidation resistance, Patent Document 5 and Patent Document 6 propose polyarylene polymer electrolytes that do not have an ether bond that is a degradation site in the main chain. However, this polyarylene polymer electrolyte has a rigid polyphenylene skeleton, and has problems in mechanical properties such as elongation at break.

なお、特許文献7及び非特許文献1,非特許文献2は実施例においてポリマ(親水性セグメント)及び共重合体の製造ならびに電解質膜の性能検査において用いられた技術を示すものであって、本発明の技術水準を示すためのものではない。   Patent Document 7, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2 show the techniques used in the production of polymers (hydrophilic segments) and copolymers and in the performance inspection of electrolyte membranes in Examples. It is not intended to indicate the technical level of the invention.

特開2003−31232号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-3232 特開2006−512428号公報JP 2006-512428 A 特開2005−216701号公報JP 2005-216701 A 特開2005−353408号公報JP-A-2005-353408 特表平11−515040号公報Japanese National Patent Publication No. 11-515040 特開2003−187826号公報JP 2003-187826 A 特開2004−131662号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-131661 Macromolecles 1992,vol.25,5125−5130Macromolecules 1992, vol. 25,5125-5130 Macromolecles 2005,vol.38,7121−7126Macromolecules 2005, vol. 38,7121-7126

前記の状況に鑑み、本発明者等は耐酸化性に優れ、さらに機械的特性にも優れる炭化水素系高分子電解質膜を見出すべく鋭意検討を重ねた。ポリエーテルスルホン系ブロック共重合体またはポリエーテルケトン系ブロック共重合体を用いた電解質膜の耐酸化性試験において、試験後の電解質膜中のスルホン酸基数が減少しており、ブロック共重合体では親水性セグメントが疎水性セグメントよりも酸化劣化耐性が低く、親水性セグメントが疎水性セグメントよりも先に劣化することで、ポリマ全体が劣化するということが分かった。   In view of the above situation, the present inventors have conducted intensive studies to find a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane having excellent oxidation resistance and excellent mechanical properties. In the oxidation resistance test of an electrolyte membrane using a polyethersulfone block copolymer or a polyetherketone block copolymer, the number of sulfonic acid groups in the electrolyte membrane after the test has decreased. It was found that the hydrophilic segment has lower oxidative degradation resistance than the hydrophobic segment, and that the entire polymer deteriorates when the hydrophilic segment deteriorates before the hydrophobic segment.

本発明は、イオン交換基を含有する親水性セグメントと、主鎖及び側鎖にイオン交換基を含有しないまたはイオン交換基当量重量が親水性セグメントのイオン交換基当量重量よりも大きい疎水性セグメントからなり、親水性セグメントはイオン交換基がアルキレンエーテル結合を介して芳香環と結合したポリアリーレンであるブロック共重合体であり、前記親水性セグメントが下記一般式(1)、(2)、(3)及び(4)からなる群から選択される繰り返し構造単位の少なくとも1つを含むことを特徴とするブロック共重合体を提供するものである。   The present invention includes a hydrophilic segment containing an ion exchange group and a hydrophobic segment containing no ion exchange group in the main chain and side chain or having an ion exchange group equivalent weight larger than the ion exchange group equivalent weight of the hydrophilic segment. The hydrophilic segment is a block copolymer in which an ion exchange group is a polyarylene bonded to an aromatic ring via an alkylene ether bond, and the hydrophilic segment is represented by the following general formulas (1), (2), (3 And a block copolymer comprising at least one repeating structural unit selected from the group consisting of (4) and (4).

Figure 2009191123
Figure 2009191123

ここで、Ar〜Arは下記結合構造(5)〜(7)の中の少なくとも一つであり、同一でも異なっていてもよい。Qは、スルホン酸基またはリン酸基またはその他のイオン交換基のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。R〜Rは、炭素数1から6のアルキル基またはフルオロアルキル基からなる群からそれぞれ独立に選ばれた基であり、Zは水素あるいはメチル基である。 Here, Ar 1 to Ar 6 are at least one of the following bond structures (5) to (7), and may be the same or different. Q is any one of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and other ion exchange groups, and may be the same or different. R 1 to R 8 are groups independently selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or a fluoroalkyl group, and Z is hydrogen or a methyl group.

Figure 2009191123
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本発明によれば、耐酸化性に優れた電解質膜を提供することができ、これにより燃料電池の寿命を向上することができる。   According to the present invention, an electrolyte membrane excellent in oxidation resistance can be provided, and thereby the life of the fuel cell can be improved.

本発明者は、親水性セグメントと疎水性セグメントを有するブロック共重合体において、親水性セグメントの酸化劣化耐性のみを向上させれば、耐酸化性の向上が可能であるという知見を得た。従来、親水性と疎水性セグメントの両方の耐酸化性を向上させなければならないと考えられており、耐酸化性を得るために剛直なポリフェニレン骨格からなっていたため、破断伸び等の機械的特性面で問題を有していたが、上記の知見により疎水性セグメントに屈曲構造を有する単位を導入しても耐酸化性を維持することが可能となり特許文献5、特許文献6で問題を有していた機械的特性についても解決するに至った。   The present inventor has found that in a block copolymer having a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, if only the oxidation degradation resistance of the hydrophilic segment is improved, the oxidation resistance can be improved. Conventionally, it was thought that the oxidation resistance of both hydrophilic and hydrophobic segments had to be improved, and since it consisted of a rigid polyphenylene skeleton in order to obtain oxidation resistance, mechanical properties such as elongation at break However, according to the above knowledge, it is possible to maintain the oxidation resistance even if a unit having a bent structure is introduced into the hydrophobic segment, and there are problems in Patent Document 5 and Patent Document 6. The mechanical properties have also been solved.

さらに、親水性セグメントにイオン交換基がアルキレンエーテル結合を介して芳香環と結合したポリアリーレンを用いることで、熱水中等でのイオン交換基の脱離などによる電解質ポリマの劣化についても十分な耐性が得られる。親水性セグメントの酸化劣化耐性が疎水性セグメントよりも低い原因は定かではないが、電解質膜中での過酸化水素ラジカルの拡散や電解質中の電子密度差に影響されていると考えられる。   In addition, by using polyarylene in which ion exchange groups are bonded to an aromatic ring via an alkylene ether bond in a hydrophilic segment, it is sufficiently resistant to electrolyte polymer degradation due to desorption of ion exchange groups in hot water, etc. Is obtained. The reason why the oxidative degradation resistance of the hydrophilic segment is lower than that of the hydrophobic segment is not clear, but is considered to be influenced by the diffusion of hydrogen peroxide radicals in the electrolyte membrane and the difference in electron density in the electrolyte.

以上のことから、イオン交換基を含有する親水性セグメントと疎水性セグメントを有し、親水性セグメントはイオン交換基がアルキレンエーテル結合を介して芳香環と結合したポリアリーレンであり、前記親水性セグメントが下記一般式(1)、(2)、(3)及び(4)からなる群から選択された繰り返し構造単位の少なくとも1つを含むことを特徴とするブロック共重合体を用いることで、耐酸化性に優れた高分子電解質膜を得られることが分かった。   As described above, the hydrophilic segment has an ion exchange group-containing hydrophilic segment and a hydrophobic segment, and the hydrophilic segment is a polyarylene in which the ion exchange group is bonded to an aromatic ring via an alkylene ether bond, and the hydrophilic segment By using a block copolymer characterized in that it contains at least one repeating structural unit selected from the group consisting of the following general formulas (1), (2), (3) and (4): It was found that a polymer electrolyte membrane having excellent chemical properties can be obtained.

ここで言うブロック共重合体とは、相互に直接的もしくは間接的に共有結合された少なくとも1種類の親水性セグメントと少なくとも1種類の疎水性セグメントを含有する共重合体である。好ましい態様においては、疎水性セグメントと親水性セグメントは別々に反応させることによって、疎水性−親水性セグメントを形成させ、これらのセグメントをその後で重合させるが、その合成法は限定されるものではない。例えば、疎水性―疎水性ブロック共重合体を合成した後に、疎水性部位の片方のみを硫酸やクロロ硫酸等により親水化する方法でもよい。また、疎水性セグメントとはイオン交換基当量重量が1200以上であり、かつ、親水性セグメントよりもイオン交換基当量重量が大きい共重合体を言う。   The block copolymer here is a copolymer containing at least one hydrophilic segment and at least one hydrophobic segment that are covalently bonded to each other directly or indirectly. In a preferred embodiment, the hydrophobic segment and the hydrophilic segment are reacted separately to form a hydrophobic-hydrophilic segment, which is then polymerized, but the synthesis method is not limited. . For example, after synthesizing a hydrophobic-hydrophobic block copolymer, only one of the hydrophobic sites may be hydrophilized with sulfuric acid or chlorosulfuric acid. The hydrophobic segment refers to a copolymer having an ion exchange group equivalent weight of 1200 or more and a larger ion exchange group equivalent weight than the hydrophilic segment.

なお、本発明のイオン交換基当量重量とは、導入されたイオン交換基単位当量あたりのポリマの分子量を表し、値が小さいほどイオン交換基の導入度が大きいことを示す。イオン交換基当量重量は、H−NMRスペクトロスコピー、元素分析、特公平1−52866号公報に記載の酸塩基滴定、非水酸塩基滴定(規定液はカリウムメトキシドのベンゼン・メタノール溶液)等により測定が可能である。さらに親水性セグメントとは、イオン交換基当量重量が200〜1500であり、かつ、疎水性セグメントよりもイオン交換基当量重量が小さい共重合体を言う。 In addition, the ion exchange group equivalent weight of this invention represents the molecular weight of the polymer per ion exchange group unit equivalent introduce | transduced, and shows that the introduction degree of an ion exchange group is so large that a value is small. The ion exchange group equivalent weight is 1 H-NMR spectroscopy, elemental analysis, acid-base titration described in JP-B-1-52866, non-hydroxybase titration (the specified solution is a benzene / methanol solution of potassium methoxide), etc. Can be measured. Further, the hydrophilic segment refers to a copolymer having an ion exchange group equivalent weight of 200 to 1500 and a smaller ion exchange group equivalent weight than the hydrophobic segment.

前記疎水性セグメントは、下記一般式(8)または(9)で示される構造単位を含むことが好ましい。   The hydrophobic segment preferably includes a structural unit represented by the following general formula (8) or (9).

Figure 2009191123
Figure 2009191123

ここでXとYは下記(10)〜(19)のいずれかであり、同一であっても異なっていても良い。   Here, X and Y are any one of the following (10) to (19) and may be the same or different.

Figure 2009191123
Figure 2009191123

gは、0または1以上の整数であり、hは1以上の整数である。また、0≦i、j、k、l≦1である。更に、VとWは直接結合、−O−及び−S−のいずれかであり、同一であっても異なっていてもよい。   g is 0 or an integer of 1 or more, and h is an integer of 1 or more. Further, 0 ≦ i, j, k, and l ≦ 1. Furthermore, V and W are either a direct bond, -O- or -S-, and may be the same or different.

Arは、下記式(20)〜(24)のいずれかであり、あるいはそれらに置換基が導入されていても良い。 Ar 7 is any one of the following formulas (20) to (24), or a substituent may be introduced to them.

Figure 2009191123
Figure 2009191123

ここで、Ar、Arは少なくともひとつの芳香環を有する4価の基である。Z、Zは、それぞれ、−O−、−S−又は−NR−を示し(Rは、水素原子または炭化数1〜6のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基を表し、アルキル基、アルコキシ基、アリール基は置換されていても良い)、さらに2つのZは同一でも異なっていても良い。 Here, Ar 8 and Ar 9 are tetravalent groups having at least one aromatic ring. Z 2 and Z 3 each represent —O—, —S— or —NR— (R represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, or 6 carbon atoms). Represents an aryl group of 10 to 10, and the alkyl group, alkoxy group and aryl group may be substituted), and two Z 2 may be the same or different.

本発明により、前記疎水性セグメントが一般式(2)、(3)または(4)で示される構造単位を含み、前記親水性セグメントが一般式(1)で示される構造単位を含むことを特徴とするブロック共重合体が提供される。   According to the present invention, the hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (2), (3), or (4), and the hydrophilic segment includes a structural unit represented by the general formula (1). A block copolymer is provided.

上記ブロック共重合体のイオン交換基当量重量が300〜1500g/molであることが望ましい。   The block copolymer preferably has an ion exchange group equivalent weight of 300 to 1500 g / mol.

前記ブロック共重合体において、疎水性セグメントと親水性セグメントの間に一般式(6)または(7)示される構造単位を含むことが望ましい。   In the block copolymer, it is desirable that a structural unit represented by the general formula (6) or (7) is included between the hydrophobic segment and the hydrophilic segment.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明では、イオン交換基を含有する親水性セグメントと疎水性セグメントを有し、親水性セグメントはイオン交換基がアルキレンエーテル結合を介して芳香環と結合したポリアリーレンであり、前記親水性セグメントが下記一般式(1)、(2)、(3)、(4)で表される繰り返し構造単位の少なくとも1つを含めば発明の範囲内である。   In the present invention, it has a hydrophilic segment and a hydrophobic segment containing an ion exchange group, and the hydrophilic segment is a polyarylene in which an ion exchange group is bonded to an aromatic ring via an alkylene ether bond, and the hydrophilic segment is It is within the scope of the invention to include at least one repeating structural unit represented by the following general formulas (1), (2), (3), and (4).

親水性セグメントの例としては、R〜R10が1の場合、以下に示した(25)〜(44)があるが、本発明においては、R〜Rは、炭素数1から6のアルキル基またはフルオロアルキル基からなる群からそれぞれ独立に選ばれた基であればよく、以下のものに限定されるものではない。 Examples of the hydrophilic segment include the following (25) to (44) when R 1 to R 10 are 1, but in the present invention, R 1 to R 8 have 1 to 6 carbon atoms. Any group selected from the group consisting of an alkyl group and a fluoroalkyl group may be used, and the group is not limited to the following.

Figure 2009191123
Figure 2009191123

ここでnは、1以上の整数であるが、それぞれに独立であり、互いに同一でも異なっていても良い。なお、この他にも親水性セグメントの化学構造が一般式(1)、(2)(3)又は(4)で表される繰り返し構造単位の中の少なくとも1つを含めば発明の範囲内である。親水性セグメントのイオン交換基について限定はされないが、スルホン酸基またはリン酸基が好ましい。   Here, n is an integer of 1 or more, but each is independent and may be the same or different from each other. In addition, if the chemical structure of the hydrophilic segment includes at least one of the repeating structural units represented by the general formula (1), (2), (3) or (4), it is within the scope of the invention. is there. Although there is no limitation on the ion exchange group of the hydrophilic segment, a sulfonic acid group or a phosphoric acid group is preferable.

また、本発明で用いられる疎水性セグメントとしては、ポリイミド系共重合体、ポリベンゾイミダゾール系共重合体、ポリキノリン系共重合体、ポリスルホン系共重合体、ポリエーテルスルホン系共重合体、ポリケトン系共重合体、ポリエーテルエーテルケトン系共重合体、ポリエーテルケトン系共重合体、ポリフェニレンスルフィッド系共重合体、ポリエーテルイミド系共重合体、ポリアクリロニトリル系共重合体、ポリスチレン系共重合体,ポリスルフィッド系共重合体,ポリフェニレン系共重合体、ポリエーテルエーテルスルホン系共重合体等の芳香族炭化水素系高分子があるが、本発明は、ここに示す例だけに限定されるものではない。   The hydrophobic segments used in the present invention include polyimide copolymers, polybenzimidazole copolymers, polyquinoline copolymers, polysulfone copolymers, polyethersulfone copolymers, and polyketone copolymers. Polymer, polyetheretherketone copolymer, polyetherketone copolymer, polyphenylenesulfide copolymer, polyetherimide copolymer, polyacrylonitrile copolymer, polystyrene copolymer, There are aromatic hydrocarbon polymers such as polysulfide copolymers, polyphenylene copolymers, and polyether ether sulfone copolymers, but the present invention is not limited to the examples shown here.

本発明の高分子電解質を構成するブロック共重合体の数平均分子量は、その分子量が、GPC法によるポリスチレン換算の数平均分子量で表して10000〜250000である。好ましくは20000〜220000であり、さらに好ましくは25000〜200000である。10000より小さいと電解質膜の強度が低下し、220000を超えると出力性能が低下することがありそれぞれ好ましくない。   The number average molecular weight of the block copolymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is 10,000 to 250,000 in terms of the molecular weight in terms of polystyrene by GPC method. Preferably it is 20000-220,000, More preferably, it is 25000-200000. If it is smaller than 10,000, the strength of the electrolyte membrane is lowered, and if it exceeds 220,000, the output performance may be lowered, which is not preferable.

また、本発明のブロック共重合体のイオン交換基当量重量は200〜2000である。好ましくは300〜1500である。200より小さいと電解質膜の吸水率が高くなり、水中や加湿中での膜強度が低下し、2000を超えるとイオン伝導が小さくなり、燃料電池の出力性能が低下することがありそれぞれ好ましくない。   Moreover, the ion exchange group equivalent weight of the block copolymer of this invention is 200-2000. Preferably it is 300-1500. If it is less than 200, the water absorption rate of the electrolyte membrane is increased, the membrane strength in water or in humidification is lowered, and if it exceeds 2000, ionic conduction is reduced, and the output performance of the fuel cell may be lowered.

本発明で用いられる電解質膜とは、本発明の高分子電解質であるブロック共重合体を溶媒に溶解した後に製膜したものであり、電解質膜中に多孔質基材、酸化防止剤、添加剤、無機材料、他の高分子電解質、カーボン担持Pt触媒やカーボン担持Pt−Ru触媒を含んでいても良い。   The electrolyte membrane used in the present invention is a film formed after dissolving the block copolymer, which is the polymer electrolyte of the present invention, in a solvent. In the electrolyte membrane, a porous substrate, an antioxidant, and an additive , Inorganic materials, other polymer electrolytes, carbon-supported Pt catalysts, and carbon-supported Pt-Ru catalysts.

本発明のブロック共重合体は、燃料電池では高分子膜状態で使用される。膜の製造方法としては、例えば、溶液状態より製膜する溶液キャスト法、溶融プレス法及び溶融押し出し法等がある。この中でも溶液キャスト法が好ましく、例えば、高分子溶液を基材上に流延塗布した後、溶媒を除去して製膜する。該製膜に用いる溶媒は、本発明のブロック共重合体を溶解した後に除去できるならば特に制限はなく、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、或いは、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、iso−プロピルアルコール、t−ブチルアルコール等のアルコールやテトラヒドロフラン等が挙げられる。また、上記膜の補強材として多孔質膜、不織布、フィブリルやフィラー等を本発明の効果を損なわない範囲で使用することができる。   The block copolymer of the present invention is used in a polymer membrane state in a fuel cell. Examples of the method for producing a film include a solution casting method, a melt press method, a melt extrusion method, and the like that form a film from a solution state. Among these, the solution casting method is preferable. For example, after casting a polymer solution on a substrate, the solvent is removed to form a film. The solvent used in the film formation is not particularly limited as long as it can be removed after dissolving the block copolymer of the present invention. For example, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2- Aprotic polar solvents such as pyrrolidone and dimethyl sulfoxide, or alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether, iso-propyl alcohol, t- Examples include alcohols such as butyl alcohol and tetrahydrofuran. Moreover, a porous film, a nonwoven fabric, a fibril, a filler, etc. can be used as a reinforcing material of the said film in the range which does not impair the effect of this invention.

本発明の高分子電解質膜の厚さは5〜200μmが好ましく、10〜100μmがより好ましい。5μm未満では実用に耐える膜の強度を得ることが難しく、200μmを越えると,イオン伝導抵抗が大きくなり、所望の発電性能向上が得られ難い。溶液キャスト法で製膜する場合は膜の厚さは用いる溶液の濃度又は基材上への溶液塗布量を調整することにより制御できる。また、本発明の電解質を製造する際に、通常の高分子に使用される架橋剤、可塑剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の効果を損なわない範囲で使用できる。   The thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 5 to 200 μm, more preferably 10 to 100 μm. If it is less than 5 μm, it is difficult to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and if it exceeds 200 μm, the ion conduction resistance increases and it is difficult to obtain the desired power generation performance improvement. When the film is formed by the solution casting method, the thickness of the film can be controlled by adjusting the concentration of the solution used or the amount of solution applied onto the substrate. Moreover, when manufacturing the electrolyte of this invention, additives, such as a crosslinking agent, a plasticizer, a stabilizer, a mold release agent, etc. which are used for a normal polymer can be used in the range which does not impair the effect of this invention.

燃料用電池用の電解質膜と電極の接合法については、公知の方法を用いることができる。例えば、白金触媒紛を担持したカーボンをポリテトラフルオロエチレン懸濁液と混ぜ、カーボンペーパーに塗布、熱処理して触媒層を形成する。次いで、電解質膜と同一の電解質溶液を前記触媒層に塗布し、前記電解質膜とホットプレスで一体化する方法がある。また、電解質溶液を予め白金触媒紛にコーテイングする方法、触媒ペーストを電解質膜に塗布する方法、電解質膜に電極を無電解鍍金する方法、電解質膜に白金族の金属錯イオンを吸着させた後還元する方法等がある。   As a method for joining the electrolyte membrane for the fuel cell and the electrode, a known method can be used. For example, carbon carrying platinum catalyst powder is mixed with a polytetrafluoroethylene suspension, applied to carbon paper, and heat-treated to form a catalyst layer. Next, there is a method in which the same electrolyte solution as the electrolyte membrane is applied to the catalyst layer and integrated with the electrolyte membrane by hot pressing. In addition, a method of coating the electrolyte solution on the platinum catalyst powder in advance, a method of applying the catalyst paste to the electrolyte membrane, a method of electrolessly plating the electrode on the electrolyte membrane, a platinum group metal complex ion adsorbed on the electrolyte membrane and then reducing There are ways to do this.

本発明においては、例えば、電極触媒担持カーボンに共重合体を含む高分子電解質溶液(電極触媒被覆用溶液)を添加し、均一に分散させて触媒ペーストを作製した後、該触媒ペーストを燃料電池用高分子電解質の両側に塗布し、乾燥することが好ましい。そして、前記電極触媒が、白金族金属又はその合金であることが好ましい。   In the present invention, for example, a polymer electrolyte solution containing a copolymer (electrode catalyst coating solution) is added to the electrode catalyst-supporting carbon and uniformly dispersed to prepare a catalyst paste, and then the catalyst paste is used as a fuel cell. It is preferable to apply to both sides of the polymer electrolyte and dry it. And it is preferable that the said electrode catalyst is a platinum group metal or its alloy.

本発明において、上記のブロック共集合体を電解質膜に用いて各種形態の燃料電池を提供できる。例えば、電解質膜の主面の片面が酸素極、他の片面が水素極で挟持された前記の高分子電解質膜/電極接合体の酸素極側及び水素極側に夫々別個にガス拡散シートが密着して設けられ、該ガス拡散シートの外側表面に前記酸素極及び前記水素極へのガス供給通路を有する導電性セパレータからなる固体高分子形燃料電池単セルを形成することができる。   In the present invention, various types of fuel cells can be provided by using the block co-aggregate as an electrolyte membrane. For example, the gas diffusion sheet is in close contact with the oxygen electrode side and the hydrogen electrode side of the polymer electrolyte membrane / electrode assembly in which one side of the main surface of the electrolyte membrane is sandwiched between an oxygen electrode and the other side is sandwiched between hydrogen electrodes. A solid polymer fuel cell single cell comprising a conductive separator provided on the outer surface of the gas diffusion sheet and having a gas supply passage to the oxygen electrode and the hydrogen electrode can be formed.

また、ケース内に、上記の燃料電池本体と、該燃料電池本体に供給する水素を貯蔵する水素ボンベを有するポータブル電源を提供できる。更に、水素を含むアノードガスに改質する改質器と、前記アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電する燃料電池と、改質器を出た高温のアノードガスと改質器に供給する低温の燃料ガスとの間で熱を交換する熱交換器とを備える燃料電池発電装置を提供できる。   Moreover, the portable power supply which has a hydrogen cylinder which stores said fuel cell main body and the hydrogen supplied to this fuel cell main body in a case can be provided. Furthermore, a reformer for reforming into an anode gas containing hydrogen, a fuel cell for generating electricity from the anode gas and a cathode gas containing oxygen, and a high-temperature anode gas exiting the reformer and the reformer are supplied. A fuel cell power generation device including a heat exchanger that exchanges heat with a low-temperature fuel gas can be provided.

また、電解質膜の主面の片面が酸素極、他の片面がメタノール極で挟持された前記の高分子電解質膜/電極接合体の酸素極側及びメタノール極側に夫々別個にガス拡散シートが密着して設けられ、該ガス拡散シートの外側表面に前記酸素極及び前記メタノール極へのガス及び液体供給通路を有する導電性セパレータからなる直接メタノール形燃料電池単セルを形成することができる。   In addition, the gas diffusion sheet is in close contact with the oxygen electrode side and the methanol electrode side of the polymer electrolyte membrane / electrode assembly in which one side of the main surface of the electrolyte membrane is sandwiched between the oxygen electrode and the other side is sandwiched between the methanol electrodes. A direct methanol fuel cell single cell comprising a conductive separator provided on the outer surface of the gas diffusion sheet and having gas and liquid supply passages to the oxygen electrode and the methanol electrode can be formed.

(実施例)
以下実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明の範囲はここに開示した実施例のみに限定されるものではない。
(Example)
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the examples disclosed herein.

(実施例1)
(1)ポリマa(疎水性セグメント)の作製
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた300mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、0.156molの4,4−ジフルオロジフェニルスルホンと0.150molの4,4−ビフェノール、0.174molの炭酸カリウム、溶媒としてトルエン40ml、Nメチル2ピロリドン(NMP)100mlを用いて末端基がFのポリマの合成を行う。さらに1−ナフトール0.1molを加えて末端をすべてナフタレンとする。合成後の溶液を濾過後にメタノールで再沈することでポリマaを得る。ポリマaの数平均分子量Mnは2×10である。
Example 1
(1) Production of polymer a (hydrophobic segment) After the inside of a 300 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 0.156 mol of Synthesis of a polymer having an end group F using 4,4-difluorodiphenylsulfone, 0.150 mol of 4,4-biphenol, 0.174 mol of potassium carbonate, 40 ml of toluene as a solvent, and 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Do. Furthermore, 0.1 mol of 1-naphthol is added to make all the ends naphthalene. Polymer a is obtained by reprecipitating the solution after synthesis with methanol after filtration. The number average molecular weight Mn of the polymer a is 2 × 10 4 .

(2)ポリマb(親水性セグメント)の作製
ハイドロキノンに対し、2倍当量のジブロモブタンを加え、炭酸カリウムをアセトン溶液中で還流させながら24hr反応させてモノマiを得る。次にモノマiとFeClをニトロベンゼン中に投入し、非特許文献1に記載の方法で24hr反応させる。合成後の溶液を濾過後にメタノールで再沈することでポリマbを得る。得られたポリマbについて特許文献7に記載の方法でポリマBのBrをすべてスルホン酸で置換すると、得られたポリマは室温で水溶性である。
(2) Preparation of polymer b (hydrophilic segment) Monoquine i is obtained by adding 2-fold equivalent of dibromobutane to hydroquinone and allowing potassium carbonate to react for 24 hours while refluxing in an acetone solution. Next, monomer i and FeCl 3 are put into nitrobenzene and reacted for 24 hr by the method described in Non-Patent Document 1. Polymer b is obtained by reprecipitating the solution after synthesis with methanol after filtration. When the polymer b thus obtained is all substituted with sulfonic acid for Br of the polymer B by the method described in Patent Document 7, the polymer obtained is water-soluble at room temperature.

(3)ブロック共重合体1の作製
前記(1)と(2)で合成したポリマa、ポリマbとFeClをDMF溶液中に入れて、非特許文献1に記載の方法で還流させながら24hr反応させる。さらに特許文献7に記載の方法でポリマBのBrをすべてスルホン酸に置換する。合成後の溶液を濾過後にメタノールで再沈することでブロック共重合体1を得る。なお、ポリマaとポリマbの配合比は、イオン交換基当量重量が600になるように調合する。得られたブロック共重合体の数平均分子量Mnは4×10以上であり、NMRにより測定したイオン交換基当量重量は620である。
(3) Production of block copolymer 1 Polymer a, polymer b and FeCl 3 synthesized in the above (1) and (2) were placed in a DMF solution and refluxed for 24 hours by the method described in Non-Patent Document 1. React. Furthermore, all Br of the polymer B is substituted with sulfonic acid by the method described in Patent Document 7. The block copolymer 1 is obtained by reprecipitating the solution after synthesis with methanol after filtration. The blend ratio of polymer a and polymer b is adjusted so that the ion exchange group equivalent weight is 600. The number average molecular weight Mn of the obtained block copolymer is 4 × 10 4 or more, and the ion exchange group equivalent weight measured by NMR is 620.

(4)高分子電解質膜1の作製とその特性
前記(3)で得られたブロック共重合体1を20重量%の濃度になるようにDMFに溶解する。この溶液をガラス上に流延塗布し、80℃で真空乾燥、次いで硫酸及び水に浸漬、乾燥して膜厚45μmの高分子電解質膜1を得る。この高分子電解質膜1の70℃、水中におけるイオン伝導率は、0.15S/cmである。非特許文献2に記載の方法で耐酸化性を調べたところ、80℃で90min試験後の重量減少率は3%である。
(4) Production of Polymer Electrolyte Membrane 1 and Its Characteristics The block copolymer 1 obtained in (3) above is dissolved in DMF so as to have a concentration of 20% by weight. This solution is cast-coated on glass, vacuum dried at 80 ° C., then immersed in sulfuric acid and water and dried to obtain a polymer electrolyte membrane 1 having a film thickness of 45 μm. The ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane 1 in water at 70 ° C. is 0.15 S / cm. When the oxidation resistance was examined by the method described in Non-Patent Document 2, the weight loss rate after 90 min test at 80 ° C. was 3%.

(5)膜電極接合体(MEA)1の作製
炭素担体上に白金微粒子を50wt%分散担持した触媒粉末と5 wt%のポリパーフルオロスルホン酸の1−プロパノール、2−プロパノール、水の混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート状に厚さ約20μm、幅30mm、長さ30mmのアノ−ド電極を作製する。
(5) Production of membrane electrode assembly (MEA) 1 Mixed solvent of 1 wt-propanol, 2-propanol and water of catalyst powder in which platinum fine particles are dispersed and supported by 50 wt% on a carbon support and 5 wt% polyperfluorosulfonic acid Then, an anode electrode having a thickness of about 20 μm, a width of 30 mm, and a length of 30 mm is produced in a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet shape by screen printing.

次に、炭素担体上に50wt%の白金微粒子を担持した触媒粉末とポリパーフルオロスルホン酸の1−プロパノール、2−プロパノールと水の混合溶媒をバインダとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でPTFEシート上に厚さ約20μm、幅30mm、長さ30mmのカソ−ド電極を作製する。   Next, a slurry of a water / alcohol mixed solvent is prepared using a catalyst powder supporting 50 wt% platinum fine particles on a carbon support and a mixed solvent of 1-propanol of polyperfluorosulfonic acid, 2-propanol and water as a binder. A cathode electrode having a thickness of about 20 μm, a width of 30 mm, and a length of 30 mm is produced on the PTFE sheet by screen printing.

前記(4)で作製した高分子電解質膜1の両面をアノード電極及びカソード電極ではさみ、100℃、10MPaでホットプレスすることにより、高分子電解質膜1の両面にアノード、カソード電極を形成した膜電極接合体(MEA)を作製した。その断面図を図1に示す。アノード電極2とカソード電極3は、互いに重なるように位置を合わせて接合する。   A membrane in which anode and cathode electrodes are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 by sandwiching both sides of the polymer electrolyte membrane 1 produced in (4) above with an anode electrode and a cathode electrode and hot pressing at 100 ° C. and 10 MPa. An electrode assembly (MEA) was produced. A cross-sectional view thereof is shown in FIG. The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are joined with their positions aligned so as to overlap each other.

(6)燃料電池(PEFC)の発電性能
図2に示す水素を燃料とする小型単電池セルを用いて前記MEA1およびカーボンクロスから成る拡散層を組み込んで電池性能を測定する。
(6) Power generation performance of fuel cell (PEFC) The battery performance is measured by incorporating the diffusion layer composed of the MEA 1 and carbon cloth using the small unit cell using hydrogen as shown in FIG.

図2において、1は高分子電解質膜、2はアノ−ド電極、3はカソード電極、4はアノード拡散層、5はカソ−ド拡散層、6は極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)の燃料流路、7はセパレータの空気導路、8は水素+水、9は水素、10は空気+水、11は空気である。小型単電池セルを恒温槽に設置し、セパレータ内に挿入した熱電対(図示していない)による温度が70℃になるよう恒温槽の温度を制御する。   In FIG. 2, 1 is a polymer electrolyte membrane, 2 is an anode electrode, 3 is a cathode electrode, 4 is an anode diffusion layer, 5 is a cathode diffusion layer, 6 is electrode chamber separation and a gas supply passage to the electrode. The fuel flow path of the conductive separator (bipolar plate) that also serves as a role, 7 is the air conduit of the separator, 8 is hydrogen + water, 9 is hydrogen, 10 is air + water, and 11 is air. A small single battery cell is installed in a thermostat, and the temperature of the thermostat is controlled so that the temperature by a thermocouple (not shown) inserted in the separator becomes 70 ° C.

アノード及びカソードの加湿は外部加湿器を用い、加湿器出口付近の露点が70℃になるように加湿器の温度を70〜73℃の間で制御する。露点は露点計による計測の他、加湿水の消費量を常時計測し、反応ガスの流量、温度、圧力から求められる露点が所定の値であることを確認している。負荷電流密度を250mA/cmとし、水素利用率を70%、空気利用率を40%で発電した。MEA1を用いたPEFCは0.7V以上の出力を示し、安定である。MEA1を用いたPEFCを実施例1とする。
(比較例)
(1)ポリマc(疎水性セグメント)の重合
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた300mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、0.150molの4,4−ジフルオロジフェニルスルホンと0.156molの4,4−ビフェノール、0.174molの炭酸カリウム、共沸材としてトルエン40mlを入れ、溶媒として100mlのNMPを用いて、170℃で10h合成する。合成後の溶液をメタノールで再沈することでポリマcを得る。
The humidification of the anode and the cathode is performed using an external humidifier, and the temperature of the humidifier is controlled between 70 to 73 ° C. so that the dew point near the humidifier outlet becomes 70 ° C. In addition to measuring the dew point with a dew point meter, the consumption of humidified water is constantly measured to confirm that the dew point obtained from the flow rate, temperature, and pressure of the reaction gas is a predetermined value. Electricity was generated at a load current density of 250 mA / cm 2 , a hydrogen utilization rate of 70%, and an air utilization rate of 40%. PEFC using MEA1 shows an output of 0.7 V or more and is stable. A PEFC using MEA 1 is referred to as Example 1.
(Comparative example)
(1) Polymerization of polymer c (hydrophobic segment) After the inside of a 300 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 0.150 mol of 4,4-difluorodiphenylsulfone, 0.156 mol of 4,4-biphenol, 0.174 mol of potassium carbonate, 40 ml of toluene as an azeotrope, and 100 ml of NMP as a solvent are used for synthesis at 170 ° C. for 10 hours. Polymer c is obtained by reprecipitation of the solution after synthesis with methanol.

(2)ポリマd(親水性セグメント)の重合
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた300mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、0.150molのスルホン化−4,4−ジフルオロジフェニルスルホンと0.156molの4,4−ビフェノール、0.174molの炭酸カリウム、共沸材としてトルエン40mlを入れ、溶媒として100mlのNMPを用いて、170℃で10hr合成する。合成後の溶液をメタノールで再沈することでポリマdを得る。
(2) Polymerization of polymer d (hydrophilic segment) After the inside of a 300 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 0.150 mol Sulfonated-4,4-difluorodiphenyl sulfone, 0.156 mol of 4,4-biphenol, 0.174 mol of potassium carbonate, 40 ml of toluene as an azeotrope, and 100 ml of NMP as a solvent, at 170 ° C. for 10 hours Synthesize. Polymer d is obtained by reprecipitation of the solution after synthesis with methanol.

(3)ブロック共重合体2の作製
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた300mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、比較例(1)で合成したポリマcを含む溶液と比較例(2)で合成したポリマdを含む溶液、スルホン化4−4ジクロロジフェニルスルホン、炭酸カリウム、共沸材としてトルエン40mlを入れ、溶媒として100mlのNMPを用いて170℃で10h合成を行い、合成後の溶液を濾過後にメタノールで再沈することでブロック共重合体2を得る。
(3) Preparation of block copolymer 2 After replacing the inside of a 300 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a reflux condenser connected with a calcium chloride tube with nitrogen, in Comparative Example (1) A solution containing the synthesized polymer c and a solution containing the polymer d synthesized in Comparative Example (2), sulfonated 4-4dichlorodiphenylsulfone, potassium carbonate, 40 ml of toluene as an azeotrope, and 100 ml of NMP as a solvent are used. The block copolymer 2 is obtained by synthesizing at 170 ° C. for 10 hours, filtering the synthesized solution, and reprecipitating with methanol.

ポリマcとポリマd、スルホン化4−4ジクロロジフェニルスルホンの配合比は、イオン交換基当量重量が600になるように調合する。得られたブロック共重合体の数平均分子量Mnは4×10以上であり、NMRにより測定したイオン交換当量重量は630である。 The blend ratio of polymer c, polymer d, and sulfonated 4-4 dichlorodiphenyl sulfone is adjusted so that the ion exchange group equivalent weight is 600. The number average molecular weight Mn of the resulting block copolymer is 4 × 10 4 or more, the ion-exchange equivalent weight as measured by NMR is 630.

(4)高分子電解質膜の作製とその特性
前記比較例1の(3)で得られたブロック共重合体2を20重量%の濃度になるようにDMFに溶解する。この溶液を濾過後にガラス上に流延塗布し、風乾した後、80℃で真空乾燥、次いで硫酸及び水に浸漬、乾燥して作製した膜厚40μmの高分子膜を高分子電解質膜2とする。この高分子電解質膜の室温におけるイオン伝導率は0.15S/cmである。前記実施例(4)と同様の方法で耐酸化性を調べたところ、80℃90min試験後の重量減少率は60%である。
(4) Production of Polymer Electrolyte Membrane and Its Characteristics The block copolymer 2 obtained in (3) of Comparative Example 1 is dissolved in DMF to a concentration of 20% by weight. The solution is cast on glass after being filtered, air-dried, vacuum-dried at 80 ° C., then immersed in sulfuric acid and water, and dried to form a polymer membrane having a thickness of 40 μm as the polymer electrolyte membrane 2. . The polymer electrolyte membrane has an ionic conductivity at room temperature of 0.15 S / cm. When the oxidation resistance was examined in the same manner as in Example (4), the weight loss rate after the 80 ° C. 90 min test was 60%.

(実施例2)
(1)ポリマf(親水性セグメント)の作製
前記実施例1(2)において、ハイドロキノンとジブロモブタンの混合比を変え、ハイドロキノンに対し、1倍当量のジブロモブタンを加える以外は前記実施例1(2)と同様の方法によりモノマjを得る。さらに実施例1と同様の方法にてポリマfを得る。得られたポリマfについてBrをすべてスルホン酸で置換すると、得られたポリマは室温で非水溶性である。
(Example 2)
(1) Production of polymer f (hydrophilic segment) In Example 1 (2), the mixing ratio of hydroquinone and dibromobutane was changed, and Example 1 (excluding adding 1 equivalent of dibromobutane to hydroquinone) Monomer j is obtained by the same method as in 2). Further, a polymer f is obtained by the same method as in Example 1. When all Br of the obtained polymer f is substituted with sulfonic acid, the obtained polymer is water-insoluble at room temperature.

(2)ブロック共重合体3の作製
前記実施例1(1)のポリマaと実施例2(1)のポリマfを用いて、実施例1(3)と同様の方法にてブロック共重合体3を得る。なお、ポリマaとポリマfの配合比は、イオン交換基当量重量が600になるように調合する。得られたブロック共重合体3の数平均分子量Mnは4×10以上であり、NMRにより測定したイオン交換基当量重量は610である。
(2) Production of Block Copolymer 3 Using the polymer a of Example 1 (1) and the polymer f of Example 2 (1), the block copolymer was produced in the same manner as in Example 1 (3). Get 3. The blend ratio of polymer a and polymer f is blended so that the ion exchange group equivalent weight is 600. The number average molecular weight Mn of the obtained block copolymer 3 is 4 × 10 4 or more, and the ion exchange group equivalent weight measured by NMR is 610.

(3)高分子電解質膜3の作製とその特性
前記(2)で得られたブロック共重合体3を用いて前記実施例1(4)と同様の方法で高分子電解質膜3を得る。この高分子電解質膜3の70℃、水中におけるイオン伝導率は、0.10S/cmであり、高分子電解質膜1と比較してイオン伝導率が低い。非特許文献2に記載の方法で耐酸化性を調べたところ、80℃で90min試験後の重量減少率は5%である。
(3) Production of polymer electrolyte membrane 3 and its characteristics The polymer electrolyte membrane 3 is obtained in the same manner as in Example 1 (4) using the block copolymer 3 obtained in (2) above. The polymer electrolyte membrane 3 has an ionic conductivity in water at 70 ° C. of 0.10 S / cm, which is lower than that of the polymer electrolyte membrane 1. When the oxidation resistance was examined by the method described in Non-Patent Document 2, the weight loss rate after a 90-minute test at 80 ° C. was 5%.

(実施例3)
(1)ポリマg(親水性セグメント)の作製
ハイドロキノンを4,4−ジヒドロキシビフェニルに変え、前記実施例1(2)と同様の方法によりモノマkを得る。さらに実施例1と同様の方法にてポリマgを得る。得られたポリマgについてBrをすべてスルホン酸で置換すると、得られたポリマは室温で水溶性である。
(Example 3)
(1) Production of polymer g (hydrophilic segment) Monoquine k is obtained by the same method as in Example 1 (2) except that hydroquinone is replaced with 4,4-dihydroxybiphenyl. Further, a polymer g is obtained by the same method as in Example 1. When all Br of the obtained polymer g is substituted with sulfonic acid, the obtained polymer is water-soluble at room temperature.

(2)ブロック共重合体4の作製
前記実施例1(1)のポリマaと実施例3(1)のポリマgを用いて、実施例1(3)と同様の方法にてブロック共重合体4を得る。なお、ポリマaとポリマgの配合比は、イオン交換基当量重量が600になるように調合する。得られたブロック共重合体4の数平均分子量Mnは4×10以上であり、NMRにより測定したイオン交換基当量重量は630である。
(2) Production of block copolymer 4 Using the polymer a of Example 1 (1) and the polymer g of Example 3 (1), the block copolymer was produced in the same manner as in Example 1 (3). Get 4. The blending ratio of polymer a and polymer g is so adjusted that the ion exchange group equivalent weight is 600. The obtained block copolymer 4 has a number average molecular weight Mn of 4 × 10 4 or more and an ion exchange group equivalent weight measured by NMR of 630.

(3)高分子電解質膜4の作製とその特性
前記(2)で得られたブロック共重合体4を用いて前記実施例1(4)と同様の方法で高分子電解質膜4を得る。この高分子電解質膜4の70℃、水中におけるイオン伝導率は、0.13S/cmであり、非特許文献2に記載の方法で耐酸化性を調べたところ、80℃で90min試験後の重量減少率は18%である。
(3) Production of polymer electrolyte membrane 4 and its characteristics The polymer electrolyte membrane 4 is obtained in the same manner as in Example 1 (4) using the block copolymer 4 obtained in (2) above. The polymer electrolyte membrane 4 has an ionic conductivity of 0.13 S / cm in water at 70 ° C., and its oxidation resistance was examined by the method described in Non-Patent Document 2. The weight after a 90-minute test at 80 ° C. The reduction rate is 18%.

(実施例4)
(1)ポリマh(親水性セグメント)の作製
ハイドロキノンを2,6−ジヒドロキシナフタレンに変え、前記実施例1(2)と同様の方法によりモノマlを得る。さらに実施例1と同様の方法にてポリマhを得る。得られたポリマhについてBrをすべてスルホン酸で置換すると、室温では水溶性である。
Example 4
(1) Production of polymer h (hydrophilic segment) Monoquine 1 is obtained in the same manner as in Example 1 (2) except that hydroquinone is replaced with 2,6-dihydroxynaphthalene. Further, a polymer h is obtained by the same method as in Example 1. When all Br of the obtained polymer h is substituted with sulfonic acid, it is water-soluble at room temperature.

(2)ブロック共重合体5の作製
前記実施例1(1)のポリマaと実施例4(1)のポリマhを用いて、実施例1(3)と同様の方法にてブロック共重合体5を得る。なお、ポリマaとポリマhの配合比は、イオン交換基当量重量が600になるように調合する。得られたブロック共重合体5の数平均分子量Mnは4×10以上であり、NMRにより測定したイオン交換基当量重量は610である。
(2) Preparation of block copolymer 5 Using the polymer a of Example 1 (1) and the polymer h of Example 4 (1), the block copolymer was produced in the same manner as in Example 1 (3). Get 5. The blending ratio of polymer a and polymer h is adjusted so that the ion exchange group equivalent weight is 600. The number average molecular weight Mn of the obtained block copolymer 5 is 4 × 10 4 or more, and the ion exchange group equivalent weight measured by NMR is 610.

(3)高分子電解質膜5の作製とその特性
前記(2)で得られたブロック共重合体5を用いて前記実施例1(4)と同様の方法で高分子電解質膜5を得る。この高分子電解質膜4の70℃、水中におけるイオン伝導率は、0.12S/cmであり、非特許文献2に記載の方法で耐酸化性を調べたところ、80℃で90min試験後の重量減少率は15%である。
(3) Production of Polymer Electrolyte Membrane 5 and Its Characteristics The polymer electrolyte membrane 5 is obtained in the same manner as in Example 1 (4) using the block copolymer 5 obtained in (2) above. The polymer electrolyte membrane 4 has an ionic conductivity of 0.12 S / cm in water at 70 ° C., and its oxidation resistance was examined by the method described in Non-Patent Document 2. The weight after a 90-minute test at 80 ° C. The reduction rate is 15%.

(実施例5)
(1)ポリマn(親水性セグメント)の作製
前記実施例1(2)において、ハイドロキノンをメトキシフェノールに変え、メトキシフェノールに対し1倍当量のジブロモブタンを用いて、前記実施例1(2)と同様の方法によりモノマmを得る。さらに実施例1と同様の方法にてポリマnを得る。
(Example 5)
(1) Production of polymer n (hydrophilic segment) In Example 1 (2), hydroquinone was changed to methoxyphenol, and 1-fold equivalent of dibromobutane was used with respect to methoxyphenol. Monomer m is obtained by the same method. Further, a polymer n is obtained by the same method as in Example 1.

(2)ブロック共重合体6の作製
前記実施例1(1)のポリマaと実施例5(1)のポリマnを用いて、実施例1(3)と同様の方法にてブロック共重合体6を得る。なお、ポリマaとポリマnの配合比は、イオン交換基当量重量が600になるように調合する。得られたブロック共重合体6の数平均分子量Mnは4×10以上であり、NMRにより測定したイオン交換基当量重量は600である。
(2) Production of block copolymer 6 Using the polymer a of Example 1 (1) and the polymer n of Example 5 (1), the block copolymer was produced in the same manner as in Example 1 (3). 6 is obtained. The blending ratio of polymer a and polymer n is adjusted so that the ion exchange group equivalent weight is 600. The number average molecular weight Mn of the obtained block copolymer 6 is 4 × 10 4 or more, and the ion exchange group equivalent weight measured by NMR is 600.

(3)高分子電解質膜6の作製とその特性
前記(2)で得られたブロック共重合体6を用いて前記実施例1(4)と同様の方法で高分子電解質膜6を得る。この高分子電解質膜6の70℃、水中におけるイオン伝導率は、0.11S/cmである。非特許文献2に記載の方法で耐酸化性を調べたところ、80℃で90min試験後の重量減少率は10%である。
(3) Production of polymer electrolyte membrane 6 and its characteristics The polymer electrolyte membrane 6 is obtained in the same manner as in Example 1 (4) using the block copolymer 6 obtained in (2) above. The ionic conductivity of this polymer electrolyte membrane 6 in water at 70 ° C. is 0.11 S / cm. When the oxidation resistance was examined by the method described in Non-Patent Document 2, the weight loss rate after a 90-minute test at 80 ° C. was 10%.

本発明による膜電極接合体の断面図。Sectional drawing of the membrane electrode assembly by this invention. 本発明による燃料電池の展開斜視図。1 is a developed perspective view of a fuel cell according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…高分子電解質膜、2…アノ−ド電極、3…カソード電極、4…アノード拡散層、5…カソ−ド拡散層、6…極室分離と電極へのガス供給通路の役割を兼ねた導電性のセパレータ(バイポーラプレート)の燃料流路、7…セパレータの空気導路、8…水素+水、9…水素、10…空気+水、11…空気   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Polymer electrolyte membrane, 2 ... Anode electrode, 3 ... Cathode electrode, 4 ... Anode diffused layer, 5 ... Cathode diffused layer, 6 ... It played the role of electrode chamber separation and the gas supply path to an electrode Fuel flow path of conductive separator (bipolar plate), 7 ... Air passage of separator, 8 ... Hydrogen + water, 9 ... Hydrogen, 10 ... Air + water, 11 ... Air

Claims (12)

イオン交換基を含有する親水性セグメントと、主鎖及び側鎖にイオン交換基を含有しないまたはイオン交換基当量重量が親水性セグメントのイオン交換基当量重量よりも大きい疎水性セグメントからなり、親水性セグメントはイオン交換基がアルキレンエーテル結合を介して芳香環と結合したポリアリーレンであるブロック共重合体であり、前記親水性セグメントが下記一般式(1)、(2)、(3)及び(4)からなる群から選択される繰り返し構造単位の少なくとも1つを含むことを特徴とするブロック共重合体。
Figure 2009191123
ここで、Ar〜Arは下記結合構造(5)〜(7)の中の少なくとも一つであり、同一でも異なっていてもよい。Qは、スルホン酸基またはリン酸基またはその他のイオン交換基のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。R〜Rは、炭素数1から6のアルキル基またはフルオロアルキル基からなる群からそれぞれ独立に選ばれた基であり、Zは水素あるいはメチル基である。
Figure 2009191123
It consists of a hydrophilic segment containing an ion exchange group and a hydrophobic segment that does not contain an ion exchange group in the main chain and side chain or whose ion exchange group equivalent weight is larger than the ion exchange group equivalent weight of the hydrophilic segment. The segment is a block copolymer of polyarylene in which an ion exchange group is bonded to an aromatic ring via an alkylene ether bond, and the hydrophilic segment is represented by the following general formulas (1), (2), (3) and (4 A block copolymer comprising at least one repeating structural unit selected from the group consisting of:
Figure 2009191123
Here, Ar 1 to Ar 6 are at least one of the following bond structures (5) to (7), and may be the same or different. Q is any one of a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, and other ion exchange groups, and may be the same or different. R 1 to R 8 are groups independently selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or a fluoroalkyl group, and Z is hydrogen or a methyl group.
Figure 2009191123
前記親水性セグメントが水溶性であることを特徴とする請求項1に記載のブロック共重合体。   The block copolymer according to claim 1, wherein the hydrophilic segment is water-soluble. 前記親水性セグメントと疎水性セグメントのイオン交換基がスルホン酸基であることを特徴とする請求項1に記載のブロック共重合体。   The block copolymer according to claim 1, wherein ion exchange groups of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment are sulfonic acid groups. 前記疎水性セグメントは下記一般式(8)または(9)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項1に記載のブロック共重合体。
Figure 2009191123
ここでXとYは下記(10)〜(19)のいずれかであり、同一であっても異なっていても良い。
Figure 2009191123
gは、0または1以上の整数であり、hは1以上の整数である。また、0≦i、j、k、l≦1である。更に、VとWは直接結合、−O−及び−S−のいずれかであり、同一であっても異なっていてもよい。
Arは、下記式(20)〜(24)のいずれかであり、あるいはそれらに置換基が導入されていてもよい。
Figure 2009191123
ここで、Ar及びArは少なくともひとつの芳香環を有する4価の基である。
及びZは、それぞれ、−O−、−S−又は−NR−を示し(Rは、水素原子または炭化数1〜6のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基を表し、アルキル基、アルコキシ基、アリール基は置換されていても良い)、さらに2つのZは同一でも異なっていても良い。
2. The block copolymer according to claim 1, wherein the hydrophobic segment includes a structural unit represented by the following general formula (8) or (9).
Figure 2009191123
Here, X and Y are any one of the following (10) to (19) and may be the same or different.
Figure 2009191123
g is 0 or an integer of 1 or more, and h is an integer of 1 or more. Further, 0 ≦ i, j, k, and l ≦ 1. Furthermore, V and W are either a direct bond, -O- or -S-, and may be the same or different.
Ar 7 is any one of the following formulas (20) to (24), or a substituent group which may be introduced.
Figure 2009191123
Here, Ar 8 and Ar 9 are tetravalent groups having at least one aromatic ring.
Z 2 and Z 3 each represent —O—, —S— or —NR— (R represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, or 6 carbon atoms). Represents an aryl group of 10 to 10, and the alkyl group, alkoxy group and aryl group may be substituted), and two Z 2 may be the same or different.
前記疎水性セグメントが一般式(2)、(3)または(4)で示される構造単位を含み、前記親水性セグメントが一般式(1)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項1に記載のブロック共重合体。   The hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (2), (3), or (4), and the hydrophilic segment includes a structural unit represented by the general formula (1). 2. The block copolymer according to 1. 前記ブロック共重合体のイオン交換基当量重量が300〜1500g/molであることを特徴とする請求項1に記載のブロック共重合体。   The block copolymer according to claim 1, wherein the block copolymer has an ion exchange group equivalent weight of 300 to 1500 g / mol. 請求項5記載のブロック共重合体において、疎水性セグメントと親水性セグメントの間に式(6)または(7)で示される構造単位を含むことを特徴とするブロック共重合体。   6. The block copolymer according to claim 5, comprising a structural unit represented by the formula (6) or (7) between the hydrophobic segment and the hydrophilic segment. 請求項1のブロック共重合体を成膜してなることを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising the block copolymer according to claim 1 formed into a film. 請求項1のブロック共重合体を多孔質基材に充填してなることを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising a porous substrate filled with the block copolymer of claim 1. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むカソード電極及びアノード電極とを有し、前記カソード電極及びアノード電極が、少なくともカーボン、前記カーボンに担持された電極触媒と高分子電解質を含む膜電極接合体において、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質の少なくとも一つが請求項1に記載のブロック共重合体であることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode comprising a polymer electrolyte membrane, and a cathode electrode and an anode electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the cathode electrode and the anode electrode include at least carbon, an electrode catalyst supported on the carbon, and a polymer electrolyte. The membrane electrode assembly, wherein at least one of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte is the block copolymer according to claim 1. 電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟むカソード電極及びアノード電極とを有し、前記カソード電極及びアノード電極が、少なくともカーボン、前記カーボンに担持された電極触媒と高分子電解質を含む膜電極接合体であって、前記高分子電解質膜が請求項8または9に記載の高分子電解質膜であることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a cathode electrode and an anode electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane, wherein the cathode electrode and the anode electrode include at least carbon, an electrode catalyst supported on the carbon, and a polymer electrolyte The membrane electrode assembly is characterized in that the polymer electrolyte membrane is the polymer electrolyte membrane according to claim 8 or 9. 請求項10または11に記載の膜電極接合体を用いたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 10 or 11.
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