JP2009252471A - Solid polymer electrolyte for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell of a high output and high durability, by making an electrolyte film of low cost by turning into practical application of a PEFC or a DMFC, of high ionic conductivity, and with less variations in the dimensions under water in an area direction, due to superior water resistance. <P>SOLUTION: With the use of a block copolymer with a glass transition temperature of a hydrophobic segment which does not contain an ion-exchange group in a main chain nor in side chains, or with a larger equivalent weight of an ion exchange group than that of a hydrophilic segment which is substantially the same as or higher than a glass transition temperature of a hydrophilic segment containing an ion exchange group; and further, when the hydrophobic segment in that block copolymer includes a specific average molecular weight, it is found that an electrolyte film with higher ionic conductivity, and with little variation of dimensions underwater in a plane direction is obtained, leading to the invention. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用固体高分子電解質に係り、特に、イオン伝導度が高く、耐水性に優れた高分子電解質膜に関するものである。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte for a fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte membrane having high ionic conductivity and excellent water resistance.

固体高分子形燃料電池に用いられている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,旭化成ケミカルズ株式会社製),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度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。   Examples of solid polymer electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Chemicals), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Although a fluorine-based electrolyte membrane having a high ionic conductivity is known, the fluorine-based electrolyte membrane is very expensive.

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。   Furthermore, since ionic conductivity falls at high temperature, there exists a subject that it cannot be used at high temperature.

また、直接メタノール型燃料電池(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。   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.

固体高分子形燃料電池用の固体高分子電解質膜としては、フッ素系電解質膜の他にイオン交換基を有する芳香族系電解質膜なども使用されている。   As a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, an aromatic electrolyte membrane having an ion exchange group is used in addition to a fluorine electrolyte membrane.

特許文献1や特許文献2には、スルホン基を有するポリエーテルスルホン系ブロックとスルホン酸基を有しないポリエーテルスルホン系ブロックからなるブロック共重合体やスルホン酸基を有するポリエーテルケトン系ブロックとスルホン酸基を有しないポリエーテルケトン系ブロックからなるブロック共重合体が開示されている。   Patent Document 1 and Patent Document 2 include a block copolymer composed of a polyethersulfone block having a sulfone group and a polyethersulfone block having no sulfonic acid group, and a polyetherketone block and sulfone having a sulfonic acid group. A block copolymer comprising a polyether ketone block having no acid group is disclosed.

しかしながら、これらの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を用いただけでは、十分な耐水性を得ることが難しいため、水中での面積方向の寸法変化が大きく、耐久性に問題を有し、またイオン伝導度の向上への効果が小さかった。   However, it is difficult to obtain sufficient water resistance only by using an electrolyte membrane using these polyethersulfone block copolymers and polyetherketone block copolymers, so the dimensional change in the area direction in water Is large, has a problem in durability, and has a small effect on improving ionic conductivity.

また、特許文献1,2では親水性セグメントと疎水性セグメントのガラス転移温度やその関係について記載がなく、親水性セグメント,疎水性セグメントの平均分子量についても、本発明の意図する分子量とは異なっている。   In addition, Patent Documents 1 and 2 do not describe the glass transition temperature of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment and the relationship thereof, and the average molecular weight of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment is also different from the intended molecular weight of the present invention. Yes.

また、特許文献3に記載の金属置換した電解質膜の透過電子顕微鏡観察の場合、真空雰囲気の相分離構造のみが確認され、実際のプロトン伝導度との関係は不明であった。   Moreover, in the transmission electron microscope observation of the metal-substituted electrolyte membrane described in Patent Document 3, only the phase separation structure in the vacuum atmosphere was confirmed, and the relationship with the actual proton conductivity was unknown.

加湿中での相分離構造は、AFM(原子間力顕微鏡)などにより測定もされているが、AFMは電解質膜表面の分析法であり、膜全体の相分離構造の評価は出来ていなかった。   The phase separation structure during humidification is also measured by an AFM (atomic force microscope) or the like, but AFM is an analysis method for the surface of the electrolyte membrane, and the phase separation structure of the entire membrane has not been evaluated.

更に、電解質膜の寸法変化の低減については補強材により電解質膜を補強する方法がある。   Furthermore, there is a method of reinforcing the electrolyte membrane with a reinforcing material to reduce the dimensional change of the electrolyte membrane.

特許文献4には重量平均分子量が5×105以上のポリオレフィンからなる多孔性薄膜の空孔中にイオン交換樹脂を充填した固体高分子電解質複合膜が開示されている。しかし、固体高分子電解質複合膜では、イオン伝導度が低くなるという問題があった。 Patent Document 4 discloses a solid polymer electrolyte composite membrane in which pores of a porous thin film made of polyolefin having a weight average molecular weight of 5 × 10 5 or more are filled with an ion exchange resin. However, the solid polymer electrolyte composite membrane has a problem of low ionic conductivity.

特開2003−031232号公報JP 2003-031232 A 特開2006−512428号公報JP 2006-512428 A 特開2005−190830号公報JP 2005-190830 A 特開昭64−022932号公報JP-A 64-022932

従って、本発明の目的は、安価で、イオン伝導度が高く、かつ、優れた耐水性を有するために水中での面積方向の寸法変化小さい電解質膜を作製することにある。更には、高出力,高耐久性の固体高分子形燃料電池を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to produce an electrolyte membrane that is inexpensive, has high ionic conductivity, and has a small dimensional change in the area in water in order to have excellent water resistance. A further object is to provide a polymer electrolyte fuel cell with high output and high durability.

前記の状況に鑑み、芳香族系電解質膜において、優れた耐水性を有するために水中での電解質膜の寸法変化が小さく、かつ、高いプロトン伝導度を有する電解質膜の開発を行った。   In view of the above situation, in order to have excellent water resistance in an aromatic electrolyte membrane, an electrolyte membrane having a small dimensional change of the electrolyte membrane in water and having high proton conductivity was developed.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、疎水性セグメントのガラス転移温度が、親水性セグメントのガラス転移温度に対して、実質的に同じまたは高いブロック共重合体を用いて、さらにそのブロック共重合体における疎水性セグメントが特定の平均分子量を有する場合に、イオン伝導度が高く、かつ、水中での面方向の寸法変化が小さい電解質膜が得られることがわかり、本発明に至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a block copolymer in which the glass transition temperature of the hydrophobic segment is substantially the same or higher than the glass transition temperature of the hydrophilic segment. In addition, it can be seen that when the hydrophobic segment in the block copolymer has a specific average molecular weight, an electrolyte membrane having high ionic conductivity and small dimensional change in the plane direction in water can be obtained. The present invention has been reached.

即ち、本発明においてはイオン交換基を含有する親水性セグメントと、イオン交換基を実質的に含有しないまたはイオン交換量が親水性セグメントよりも少ない疎水性セグメントからなり、疎水性セグメントの数平均分子量Mnが1.0×104〜5.0×104または重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105であるブロック共重合体を提供するものである。 That is, in the present invention, it comprises a hydrophilic segment containing an ion exchange group and a hydrophobic segment substantially not containing an ion exchange group or having a smaller ion exchange amount than the hydrophilic segment, and the number average molecular weight of the hydrophobic segment. The present invention provides a block copolymer having a Mn of 1.0 × 10 4 to 5.0 × 10 4 or a weight average molecular weight Mw of 1.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5 .

本発明のブロック共重合体においては、疎水性セグメントのみを製膜してなる膜のガラス転移温度が前記親水性セグメントのみを製膜してなる膜のガラス転移温度に対し、実質的に同一または高温であることが好ましい。   In the block copolymer of the present invention, the glass transition temperature of the film formed by forming only the hydrophobic segment is substantially the same as the glass transition temperature of the film formed by forming only the hydrophilic segment or High temperature is preferred.

本発明のブロック共重合体においては、スルホン酸基を含有する親水性セグメントが水溶性である燃料電池用固体高分子電解質であることが好ましい。   The block copolymer of the present invention is preferably a solid polymer electrolyte for fuel cells in which the hydrophilic segment containing a sulfonic acid group is water-soluble.

また、本発明の燃料電池用固体高分子電解質においては、スルホン酸基を含有する親水性セグメントが一般式(1)(2)で示される構造単位を含むことが好ましい。   In the solid polymer electrolyte for a fuel cell of the present invention, it is preferable that the hydrophilic segment containing a sulfonic acid group includes a structural unit represented by the general formulas (1) and (2).

Figure 2009252471
ここでX1は、直接結合、−O−,−S−,
Figure 2009252471
1は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
Figure 2009252471
Here, X 1 is a direct bond, —O—, —S—,
Figure 2009252471
Y 1 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.

1は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、Z1は互いに同一でも異なっていても良い。a1,b1は、0または1以上の整数であり、a1+b1≧1である。 Z 1 is any of a direct bond, —S—, and —O—, and Z 1 may be the same as or different from each other. a 1 and b 1 are 0 or an integer of 1 or more, and a 1 + b 1 ≧ 1.

また、0≦c1,d1,e1,f1≦1であり、さらにc1+d1+e1+f1>0.2である。 Further, 0 ≦ c 1 , d 1 , e 1 , f 1 ≦ 1, and c 1 + d 1 + e 1 + f 1 > 0.2.

1,R2は、直接結合、−O−,

Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。O1は、0〜6の整数であり、2つのO1は同一でも異なっていてもよい。 R 1 and R 2 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. O 1 is an integer of 0 to 6, and two O 1 may be the same or different.

なお、一部の水素原子は、フッ素原子と置換されていてもよい。   Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.

Figure 2009252471
1は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
Figure 2009252471
W 1 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.

2は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、2つのZ2は同一でも異なっていても良い。m1,n1は、0または1以上の整数であり、m1+n1≧1である。 Z 2 is either a direct bond, —S— or —O—, and the two Z 2 may be the same or different. m 1 and n 1 are 0 or an integer of 1 or more, and m 1 + n 1 ≧ 1.

また、0≦i1,j1≦1である。 Further, 0 ≦ i 1 and j 1 ≦ 1.

3は、直接結合、−O−,

Figure 2009252471
のいずれかであり、2つのR3は同一でも異なっていても良い。p1は、0〜6の整数であり、2つp1は同一でも異なっていても良い。 R 3 is a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
And two R 3 s may be the same or different. p 1 is an integer of 0 to 6, and two p 1 may be the same or different.

Ar1は、下記一般式(4)〜(8)のいずれかである。なお、(4)〜(8)は置換基が導入されていても良い。

Figure 2009252471
ここで、Ar8,Ar9は少なくともひとつの芳香環を有する4価の基である。 Ar 1 is any one of the following general formulas (4) to (8). In (4) to (8), a substituent may be introduced.
Figure 2009252471
Here, Ar 8 and Ar 9 are tetravalent groups having at least one aromatic ring.

4,R5,R6は、直接結合、−O−,

Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。q1は、0〜6の整数であり、2つのq1は同一でも異なっていても良い。 R 4 , R 5 and R 6 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. q 1 is an integer of 0 to 6, and the two q 1 may be the same or different.

また、0≦r1,s1≦1,0≦t1≦2であり、i1+j1+r1+s1+t1>0.2である。 Also, 0 ≦ r 1 , s 1 ≦ 1, 0 ≦ t 1 ≦ 2, and i 1 + j 1 + r 1 + s 1 + t 1 > 0.2.

5,Z6は、−O−,−S−,−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)2つのZ5は同一でも異なっていても良い。 Z 5 and Z 6 represent —O—, —S—, —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 to 10 carbon atoms). The two Z 5 groups may be the same or different. The alkyl group, the alkoxy group and the aryl group may be substituted.

なお、一部の水素原子はフッ素原子と置換されていてもよい。   Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.

また、本発明の燃料電池用固体高分子電解質においては疎水性セグメントが一般式(3)または(4)で示される構造単位を含むことが好ましい。   Moreover, in the solid polymer electrolyte for a fuel cell of the present invention, it is preferable that the hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (3) or (4).

Figure 2009252471
ここでX2は、直接結合、−O−,−S−,
Figure 2009252471
2は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
Figure 2009252471
Here, X 2 is a direct bond, —O—, —S—,
Figure 2009252471
Y 2 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.

3は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、さらにc2+d2+e2+f2<0.2である。2つのZ3は同一でも異なっていても良い。 Z 3 is any one of a direct bond, —S—, and —O—, and c 2 + d 2 + e 2 + f 2 <0.2. Two Z 3 may be the same or different.

2,b2は、0または1以上の整数であり、a2+b2≧1である。 a 2 and b 2 are 0 or an integer of 1 or more, and a 2 + b 2 ≧ 1.

また、0≦c2,d2,e2,f2、≦1であり、さらにc2+d2+e2+f2<0.2である。 Further, 0 ≦ c 2 , d 2 , e 2 , f 2 , ≦ 1, and c 2 + d 2 + e 2 + f 2 <0.2.

7,R8は、直接結合、−O−,

Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。O2は、0〜6の整数であり、2つのO2は同一でも異なっていても良い。 R 7 and R 8 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. O 2 is an integer of 0 to 6, and the two O 2 may be the same or different.

なお、一部の水素原子は、フッ素原子と置換されていてもよい。   Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.

Figure 2009252471
2は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
Figure 2009252471
W 2 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.

4は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、2つのZ4は同一でも異なっていても良い。m2,n2は、0または1以上の整数であり、m2+n2≧1である。 Z 4 is either a direct bond, —S— or —O—, and the two Z 4 may be the same or different. m 2 and n 2 are 0 or an integer of 1 or more, and m 2 + n 2 ≧ 1.

また、0≦i2,j2≦1であり、2つのk2は独立であり、0以上の整数である。 Further, 0 ≦ i 2 , j 2 ≦ 1, and two k 2 are independent and are integers of 0 or more.

9は、直接結合、−O−,

Figure 2009252471
のいずれかであり、2つのR9は同一でも異なっていても良い。Ar2は、下記一般式(9)〜(13)のいずれかである。なお、(9)〜(13)は置換基が導入されていても良い。
Figure 2009252471
ここで、Ar8,Ar9は少なくともひとつの芳香環を有する4価の基である。 R 9 is a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
And two R 9 s may be the same or different. Ar 2 is any one of the following general formulas (9) to (13). In (9) to (13), a substituent may be introduced.
Figure 2009252471
Here, Ar 8 and Ar 9 are tetravalent groups having at least one aromatic ring.

10,R11,R12は、直接結合、−O−,

Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。q2は、0〜6の整数であり、2つのq2は同一でも異なっていても良い。 R 10 , R 11 and R 12 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. q 2 is an integer from 0 to 6, two q 2 may be the same or different.

また、0≦r2,s2≦1,0≦t2≦2であり、i2+j2+r2+s2+t2<0.2である。 Further, 0 ≦ r 2 , s 2 ≦ 1, 0 ≦ t 2 ≦ 2, and i 2 + j 2 + r 2 + s 2 + t 2 <0.2.

5,Z6は、−O−,−S−,−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)2つのZ5は同一でも異なっていても良い。なお、一部の水素原子はフッ素原子と置換されていてもよい。 Z 5 and Z 6 represent —O—, —S—, —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 to 10 carbon atoms). The two Z 5 groups may be the same or different. The alkyl group, the alkoxy group and the aryl group may be substituted. Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.

また、本発明の燃料電池用固体高分子電解質においては疎水性セグメントが一般式(3)または(4)で示される構造単位を含み、かつ、a2,b2,m2,n2のうち少なくとも1つが20以上であることが好ましい。 In the solid polymer electrolyte for a fuel cell of the present invention, the hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (3) or (4), and a 2 , b 2 , m 2 , or n 2 It is preferable that at least one is 20 or more.

本発明は、上記の高分子電解質を成膜してなる燃料電池用高分子電解質膜を提供するものである。   The present invention provides a polymer electrolyte membrane for fuel cells formed by forming the polymer electrolyte described above.

また、本発明は、燃料電池用固体高分子電解質膜のイオン交換基を金属で置換した後に小角X線散乱により分析する分析方法を提供する。   The present invention also provides an analysis method in which analysis is performed by small-angle X-ray scattering after the ion exchange group of a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell is replaced with a metal.

さらに、本発明は、上記の燃料電池用高分子電解質膜と、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を提供するものである。   Furthermore, the present invention includes the above-described polymer electrolyte membrane for fuel cells, and a cathode electrode and an anode electrode sandwiching the polymer electrolyte membrane, and the cathode electrode and the anode electrode are supported on at least carbon and the carbon. A membrane electrode assembly including an electrode catalyst and a polymer electrolyte is provided.

また、本発明は上記の膜電極接合体を用いた固体高分子形燃料電池を提供するものである。   The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell using the membrane electrode assembly.

本発明によれば、高イオン伝導度で水中での面積方向への寸法変化の小さい電解質膜が作製でき、燃料電池の出力と寿命が向上する。   According to the present invention, an electrolyte membrane with high ionic conductivity and small dimensional change in the area in water can be produced, and the output and life of the fuel cell are improved.

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.

本発明においてイオン交換基を含有する親水性セグメントと、イオン交換基を実質的に含有しないまたはイオン交換量が親水性セグメントよりも少ない疎水性セグメントからなり、疎水性セグメントの数平均分子量Mnが1.0×104〜5.0×104または重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105のブロック共重合体であれば発明の範囲内である。 In the present invention, a hydrophilic segment containing an ion exchange group and a hydrophobic segment substantially not containing an ion exchange group or having a smaller ion exchange amount than the hydrophilic segment, the number average molecular weight Mn of the hydrophobic segment is 1 Any block copolymer having a weight average molecular weight Mw of 1.5 × 10 4 to 5.0 × 10 4 or 1.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5 is within the scope of the invention.

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。疎水性セグメントとは、イオン交換当量重量が1000g/当量以上である共重合体を言い、親水性セグメントとは、イオン交換当量重量が1000g/当量以下であり、かつ、疎水性セグメントよりもイオン交換当量重量が小さい共重合体を言う。   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. The hydrophobic segment means a copolymer having an ion exchange equivalent weight of 1000 g / equivalent or more, and the hydrophilic segment has an ion exchange equivalent weight of 1000 g / equivalent or less and more ion exchange than the hydrophobic segment. A copolymer having a small equivalent weight.

なお、イオン交換基当量とは、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、1H−NMRスペクトロスコピー,元素分析,特公平1−52866号明細書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。 In addition, ion exchange group equivalent represents the molecular weight of the polymer per introduced ion exchange group unit equivalent, and shows that the introduction degree of an ion exchange group is so large that a value is small. Ion exchange group equivalent weight is 1 H-NMR spectroscopy, elemental analysis, acid-base titration described in JP-B-1-52866, non-hydroxybase titration (normal solution is benzene / methanol solution of potassium methoxide) It is possible to measure by such as.

ブロック共重合体の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それぞれ別々に反応させることによって、疎水性または親水性セグメントをそれぞれ形成させ、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(疎水性セグメント)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く、また、疎水性セグメントまたは親水性セグメントを合成した後に親水性モノマまたは疎水性セグメントを投入することでブロック共重合体を作製してもよい。   In a preferred embodiment of the block copolymer, the hydrophobic segment and the hydrophilic segment are reacted separately to form hydrophobic or hydrophilic segments, respectively, and these segments are then polymerized. Is not limited. For example, after synthesizing a hydrophobic-hydrophobic block copolymer (hydrophobic segment), only one of the hydrophobic sites may be hydrophilized with sulfuric acid or chlorosulfuric acid. Alternatively, the hydrophobic segment or the hydrophilic segment may be used. A block copolymer may be prepared by adding a hydrophilic monomer or a hydrophobic segment after synthesizing.

親水性セグメント,疎水性セグメント,ブロックポリマの数平均分子量Mn,重量平均分子量Mwは、蒸気圧浸透圧法,膜浸透圧法,光散乱法,低角度光散乱法,沈降平衡法,粘度測定,ゲル浸透クロマトグラフィ(GPC)等により測定が可能である。親水性セグメント,疎水性セグメントの平均分子量の測定方法としては、疎水性または親水性セグメントをそれぞれ形成させた際に平均分子量を測定する方法の他、ブロックポリマを所定の時間、80℃,3%H22,3ppmFe2+を含む溶液に浸漬し、ブロックポリマの分子鎖を一部分断することにより親水性セグメントを溶液に溶解させた後にそれぞれの分子量を測定する方法等がある。この方法の場合、疎水性セグメントの数平均分子量Mnは0.5×104〜5.0×104となり、重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105となると考えられる。 Hydrophilic segment, hydrophobic segment, block polymer number average molecular weight Mn, weight average molecular weight Mw are vapor pressure osmotic pressure method, membrane osmotic pressure method, light scattering method, low angle light scattering method, sedimentation equilibrium method, viscosity measurement, gel permeation It can be measured by chromatography (GPC) or the like. As a method for measuring the average molecular weight of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment, in addition to the method of measuring the average molecular weight when each of the hydrophobic or hydrophilic segments is formed, the block polymer is subjected to 80 ° C., 3% for a predetermined time. There is a method of immersing in a solution containing H 2 O 2 , 3 ppm Fe 2+ and partially breaking the molecular chain of the block polymer to dissolve the hydrophilic segment in the solution and then measuring the molecular weight of each. In the case of this method, the number average molecular weight Mn of the hydrophobic segment is 0.5 × 10 4 to 5.0 × 10 4 and the weight average molecular weight Mw is considered to be 1.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5. It is done.

また、本発明において疎水性セグメントのガラス転移温度が、親水性セグメントのガラス転移温度に対して、実質的に同じまたは高いブロック共重合体であれば、発明の範囲内である。ガラス転移温度は熱機械分析(TMA),示差走査熱分析(DSC),粘弾性測定(DMA)等により測定が可能である。   In addition, in the present invention, if the block copolymer is substantially the same or higher than the glass transition temperature of the hydrophilic segment, the glass transition temperature of the hydrophobic segment is within the scope of the invention. The glass transition temperature can be measured by thermomechanical analysis (TMA), differential scanning calorimetry (DSC), viscoelasticity measurement (DMA), or the like.

本発明において、電解質膜の耐水性が向上し、水中での面積方向への寸法変化が小さくなる原因としては、疎水性セグメントにおける分子間相互作用の影響が大きく、ガラス転移温度が高い疎水性セグメントが強固な骨格となるために水中での面積方向への寸法変化が小さいと考えられる。水中での面積方向への寸法変化は、疎水性セグメントの平均分子量の他にブロックポリマ全体の分子量にも影響されるが、ランダムポリマにおける分子量分布の最大値が疎水性セグメントの数平均分子量Mnが約1.0×104、重量平均分子量Mwが約2.5×104であり、数平均分子量Mnが1.0×104〜5.0×105か、もしくは重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105であるときにその分子間相互作用が大きくなるために水中での面積方向への寸法変化が低減可能であると考えられる。 In the present invention, the water resistance of the electrolyte membrane is improved, and the reason why the dimensional change in the area direction in water is reduced is largely due to the influence of intermolecular interaction in the hydrophobic segment, and the hydrophobic segment having a high glass transition temperature. Therefore, it is considered that the dimensional change in the area direction in water is small. The dimensional change in the area direction in water is influenced by the molecular weight of the entire block polymer in addition to the average molecular weight of the hydrophobic segment, but the maximum value of the molecular weight distribution in the random polymer is the number average molecular weight Mn of the hydrophobic segment. About 1.0 × 10 4 , weight average molecular weight Mw is about 2.5 × 10 4 , number average molecular weight Mn is 1.0 × 10 4 to 5.0 × 10 5 , or weight average molecular weight Mw is 1 It is considered that the dimensional change in the area direction in water can be reduced because the intermolecular interaction becomes large when it is from 0.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5 .

また、イオン伝導度は、親水性セグメントによりイオン伝導部位が連続し、向上すると考えられる。なお、本発明の電解質膜は水中での面積方向への寸法変化が小さいため、DMFCに用いた際のメタノール透過は小さいと考えられる。   In addition, the ionic conductivity is considered to be improved by continuous ion conduction sites due to the hydrophilic segment. In addition, since the electrolyte membrane of this invention has the small dimensional change to the area direction in water, it is thought that methanol permeation at the time of using for DMFC is small.

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等の芳香族炭化水素系高分子が挙げられ、それらは置換基がついていてもよく、さらにスルホン酸,アルキルスルホン酸,アルキルオキシスルホン酸、オキシスルホン酸等がついていてもよい。   The hydrophobic segment used in the present invention includes a polyimide copolymer, a polybenzimidazole copolymer, a polyquinoline copolymer, a polysulfone copolymer, a polyethersulfone copolymer, and a polyetheretherketone system. Aromatic hydrocarbon polymers such as copolymers, polyetherketone copolymers, polyphenylenesulfide copolymers, polyetherimide copolymers, etc., may be substituted. Further, sulfonic acid, alkylsulfonic acid, alkyloxysulfonic acid, oxysulfonic acid, etc. may be attached.

本発明で用いられる親水性セグメントとしては、スルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケトン,スルホン酸基を有するポリエーテルスルホン系共重合体,スルホン酸基を有するポリスルフィッド系共重合体,スルホン酸基を有するポリフェニレン系共重合体,スルホン酸基を有するポリイミド系共重合体,スルホン酸基を有するポリベンゾイミダゾール系共重合体,スルホン酸基を有するポリキノリン系共重合体等のスルホン化エンジニアプラスチック系電解質,アルキルスルホン酸を有するポリエーテルエーテルケトン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリエーテルスルホン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリエーテルエーテルスルホン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリスルホン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリスルフィッド系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリフェニレン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリエーテルエーテルスルホン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリフェニレン系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリイミド系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリベンゾイミダゾール系共重合体,アルキルスルホン酸を有するポリキノリン系共重合体等のアルキルスルホン酸基を有するエンジニアプラスチック系電解質,アルキルオキシスルホン酸を有するポリエーテルエーテルケトン系共重合体,アルキルオキシスルホン酸を有するポリエーテルスルホン系共重合体,アルキルオキシスルホン酸を有するポリエーテルエーテルスルホン系共重合体,アルキルオキシスルホン酸を有するスルホアルキル化ポリスルホン系共重合体,アルキルオキシスルホン酸を有するスルホアルキル化ポリスルフィッド系共重合体,アルキルオキシスルホン酸を有するスルホアルキル化ポリフェニレン系共重合体等のアルキルオキシスルホン酸を有するエンジニアプラスチック系電解質,オキシスルホン酸を有するポリエーテルエーテルケトン系共重合体,オキシスルホン酸を有するポリエーテルスルホン系共重合体,オキシスルホン酸を有するポリエーテルエーテルスルホン系共重合体,オキシスルホン酸を有するスルホアルキル化ポリスルホン系共重合体,オキシスルホン酸を有するスルホアルキル化ポリスルフィッド系共重合体,オキシスルホン酸を有するスルホアルキル化ポリフェニレン系共重合体等のオキシスルホン酸を有するエンジニアプラスチック系電解質等の電解質等が挙げられ、それらは置換基がついていてもよい。   The hydrophilic segment used in the present invention includes a polyether ether ketone having a sulfonic acid group, a polyether sulfone copolymer having a sulfonic acid group, a polysulfide copolymer having a sulfonic acid group, and a sulfonic acid group. Sulfonated engineering plastics electrolytes such as polyphenylene copolymers, polyimide copolymers with sulfonic acid groups, polybenzimidazole copolymers with sulfonic acid groups, polyquinoline copolymers with sulfonic acid groups, alkyl Polyether ether ketone copolymer having sulfonic acid, polyether sulfone copolymer having alkyl sulfonic acid, polyether ether sulfone copolymer having alkyl sulfonic acid, polysulfone copolymer having alkyl sulfonic acid , Archi Polysulfide copolymer with sulfonic acid, polyphenylene copolymer with alkyl sulfonic acid, polyether ether sulfone copolymer with alkyl sulfonic acid, polyphenylene copolymer with alkyl sulfonic acid, alkyl sulfonic acid Engineered plastic electrolytes having alkyl sulfonic acid groups, such as polyimide copolymers having polyalkylene copolymers, polybenzimidazole copolymers having alkyl sulfonic acids, polyquinoline copolymers having alkyl sulfonic acids, poly having alkyl oxy sulfonic acids Ether ether ketone copolymer, polyether sulfone copolymer having alkyloxy sulfonic acid, polyether ether sulfone copolymer having alkyloxy sulfonic acid, alkyloxy sulfone Engineer plastics having alkyloxy sulfonic acid such as sulfoalkylated polysulfone copolymer having alkyloxysulfonic acid, sulfoalkylated polysulfide copolymer having alkyloxysulfonic acid, sulfoalkylated polyphenylene copolymer having alkyloxysulfonic acid, etc. Electrolyte, polyether ether ketone copolymer having oxysulfonic acid, polyether sulfone copolymer having oxysulfonic acid, polyether ether sulfone copolymer having oxysulfonic acid, sulfo having oxysulfonic acid It has oxysulfonic acid such as alkylated polysulfone copolymer, sulfoalkylated polysulfide copolymer having oxysulfonic acid, sulfoalkylated polyphenylene copolymer having oxysulfonic acid, etc. And an electrolyte such as an engineer plastic electrolyte, which may have a substituent.

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Mnと重量平均分子量Mwは、Mnが1.0×104〜2.5×105、Mwが1.5×104〜1.5×105である。好ましくはMnが2.0×104〜2.2×105、Mwが2.5×104〜1.0×106さらに好ましくはMnが2.5×104〜2.0×105、Mwが5.0×105〜9.0×105である。Mnが1.0×104より小さいと電解質膜の強度が低下し、Mnが2.5×105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 block copolymer constituting the polymer electrolyte of the present invention has a number average molecular weight Mn and a weight average molecular weight Mw of 1.0 × 10 4 to 2.5 × 10 5 for Mn and 1.5 × 10 4 to Mw. 1.5 × 10 5 . Preferably Mn is 2.0 × 10 4 to 2.2 × 10 5 , Mw is 2.5 × 10 4 to 1.0 × 10 6, and more preferably Mn is 2.5 × 10 4 to 2.0 × 10 6. 5 and Mw are 5.0 × 10 5 to 9.0 × 10 5 . When Mn is less than 1.0 × 10 4, the strength of the electrolyte membrane is lowered, and when Mn exceeds 2.5 × 10 5 , 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当量重量は200〜2000g/当量である。好ましくは350〜1500g/当量である。   Moreover, the ion exchange equivalent weight of the block copolymer of this invention is 200-2000 g / equivalent. Preferably it is 350-1500 g / equivalent.

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。   The block copolymer of the present invention is used in a polymer membrane state in a fuel cell. Examples of the film production method include a solution casting method, a melt press method, a melt extrusion method, and the like, which 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.

本発明に用いられる高分子電解質膜を製造する際に、通常の高分子に使用される可塑剤,酸化防止剤,過酸化水素分解剤,金属捕捉材,界面活性剤,安定剤,離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。酸化防止剤としてはフェノール−α−ナフチルアミン、フェノール−β−ナフチルアミン、ジフェニルアミン、p−ヒドロキシジフェニルアミン、フェノチアジン等のアミン系酸化防止剤、2,6−ジ(t−ブチル)−p−クレゾール、2,6−ジ(t−ブチル)−p−フェノール、2,4−ジメチル−6−(t−ブチル)−フェノール、p−ヒドロキシフェニルシクロヘキサン、ジ−p−ヒドロキシフェニルシクロヘキサン、スチレン化フェノール、1,1′−メチレンビス(4−ヒドロキシ−3,5−t−ブチルフェノール)等のフェノール系酸化防止剤、ドデシルメルカプタン,ジラウリルチオジプロピオネート,ジステアリルチオジプロピオネート,ジラウリルサルフィッド,メルカプトベンゾイミダゾール等の硫黄系酸化防止剤、トリノリルフェニルホスファイト,トリオクタデシルホスファイト,トリデシルホスファイト,トリラウリトリチオホスファイト等の燐系酸化防止剤がある。過酸化水素分解剤としては、過酸化物を分解する触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、前記酸化防止剤のほかに、金属,金属酸化物,金属リン酸塩,金属フッ化物,大環状金属錯体等が挙げられる。これらから選ばれる一種を単独で用いるか、あるいは二種以上を併用すればよい。なかでも、金属としてはRu,Ag等、金属酸化物としては、RuO,WO3,CeO2,Fe34等、金属リン酸塩としてはCePO4,CrPO4,AlPO4,FePO4等、金属フッ化物としてはCeF3,FeF3等、大環状金属錯体としてはFe−ポルフィリン,Co−ポルフィリン,ヘム,カタラーゼ等が好適である。特に、過酸化物の分解性能が高いという理由から、RuO2,CePO4を用いるとよい。 When producing a polymer electrolyte membrane used in the present invention, a plasticizer, an antioxidant, a hydrogen peroxide decomposing agent, a metal scavenger, a surfactant, a stabilizer, and a mold release agent used for ordinary polymers Additives such as can be used within the range not contrary to the object of the present invention. Antioxidants include amine-based antioxidants such as phenol-α-naphthylamine, phenol-β-naphthylamine, diphenylamine, p-hydroxydiphenylamine, phenothiazine, 2,6-di (t-butyl) -p-cresol, 2, 6-di (t-butyl) -p-phenol, 2,4-dimethyl-6- (t-butyl) -phenol, p-hydroxyphenylcyclohexane, di-p-hydroxyphenylcyclohexane, styrenated phenol, 1,1 Phenolic antioxidants such as' -methylenebis (4-hydroxy-3,5-t-butylphenol), dodecyl mercaptan, dilauryl thiodipropionate, distearyl thiodipropionate, dilauryl sulfide, mercaptobenzimidazole Sulfur-based antioxidants such as Phosphorous antioxidants such as linoleyl phenyl phosphite, trioctadecyl phosphite, tridecyl phosphite, and trilauri trithiophosphite are available. The hydrogen peroxide decomposing agent is not particularly limited as long as it has a catalytic action for decomposing peroxide. For example, in addition to the antioxidant, there may be mentioned metals, metal oxides, metal phosphates, metal fluorides, macrocyclic metal complexes, and the like. One kind selected from these may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Among these, as the metal is Ru, Ag, etc., as the metal oxide, RuO, WO 3, CeO 2 , Fe 3 O 4 , etc., as metal phosphates CePO 4, CrPO 4, AlPO 4 , FePO 4 , etc., as the metal fluoride CeF 3, FeF 3, etc., as the macrocyclic metal complex Fe- porphyrins, Co- porphyrins, heme, catalase and the like. In particular, it is preferable to use RuO 2 or CePO 4 because of its high peroxide decomposition performance.

また、金属捕捉剤としてはFe2+やCu2+イオン等の金属イオンと反応して錯体を作り、金属イオンを不活性化し、金属イオンの持つ劣化促進作用を抑制するものであれば特に制限は無い。そのような金属捕捉剤としてテノイルトリフルオロアセトン,ジエチルチオカルバミン酸ナトリウム(DDTC)や1,5−ジフェニル−3−チオカルバゾン、さらには1,4,7,10,13−ペンタオキシシクロペンタデカンや1,4,7,10,113,16−ヘキサオキシシクロペンタデカン等のクラウンエーテル、4,7,13,16−テトラオキサ−1,10−ジアザシクロオクタデカンや4,7,13,16,21,24−ヘキサオキシ−1,10−ジアザシクロヘキサコサン等のクリプタンド、また更にはテトラフェニルポルフィリン等のポルフィリン系の材料でも構わない。また、それら材料の混合量は実施例に記載したものに限定されるものではない。これらのうち、特にフェノール系酸化防止剤と燐系酸化防止剤の併用系が、少量で効果があり、燃料電池の諸特性に悪影響を及ぼす程度が少ないので好ましい。これらの酸化防止剤,過酸化水素分解剤,金属捕捉材は電解質膜,電極に加えても、或いは、膜と電極の間に配しても良い。特に、カソード電極、或いはカソード電極と電解質膜の間に配するのが少量で効果があり、燃料電池の諸特性に悪影響を及ぼす程度が少ないので好ましい。 In addition, the metal scavenger is particularly limited as long as it can react with metal ions such as Fe 2+ and Cu 2+ ions to form a complex, inactivate the metal ions, and suppress the deterioration promoting action of the metal ions. There is no. Examples of such metal scavengers include tenoyl trifluoroacetone, sodium diethylthiocarbamate (DDTC), 1,5-diphenyl-3-thiocarbazone, and 1,4,7,10,13-pentaoxycyclopentadecane, Crown ethers such as 4,7,10,113,16-hexaoxycyclopentadecane, 4,7,13,16-tetraoxa-1,10-diazacyclooctadecane and 4,7,13,16,21,24- A cryptand such as hexaoxy-1,10-diazacyclohexacosane, or a porphyrin-based material such as tetraphenylporphyrin may be used. Moreover, the mixing amount of these materials is not limited to what was described in the Example. Among these, a combined system of a phenolic antioxidant and a phosphorus antioxidant is particularly preferable because it is effective in a small amount and has little adverse effect on various characteristics of the fuel cell. These antioxidants, hydrogen peroxide decomposing agents, and metal scavengers may be added to the electrolyte membrane or electrode, or may be disposed between the membrane and the electrode. In particular, it is preferable to dispose the cathode electrode or between the cathode electrode and the electrolyte membrane in a small amount because it is effective because the degree of adverse effects on the various characteristics of the fuel cell is small.

本発明の高分子電解質膜の厚みは特に制限はないが10〜300μmが好ましい。特に15〜200μmが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには200μmより薄い方が好ましい。
溶液キャスト法の場合、膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。溶融状態より製膜する場合、膜厚は溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等で得た所定厚さのフィルムを所定の倍率に延伸することで膜厚を制御できる。
Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the polymer electrolyte membrane of this invention, 10-300 micrometers is preferable. 15-200 micrometers is especially preferable. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 200 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance.
In the case of the solution casting method, the film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. When the film is formed from a molten state, the film thickness can be controlled by stretching a film having a predetermined thickness obtained by a melt press method or a melt extrusion method at a predetermined magnification.

本発明では、燃料電池用高分子電解質膜のイオン交換基を金属で置換した後に小角X線散乱により分析する分析方法も発明の範囲である。イオン交換基を置換する金属としては、アルカリ金属,アルカリ土類金属,遷移金属が挙げられ、制限はない。好ましくは1価または2価の金属であり、さらに好ましくは、Na,K,Rb,Cs,Mg,Ca,Pb等である。金属の価数が高いとイオン交換基の置換が異なり、発電環境下での相分離構造を模擬出来ない。   In the present invention, an analysis method in which the ion exchange group of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell is replaced with a metal and then analyzed by small angle X-ray scattering is also within the scope of the invention. Examples of the metal that replaces the ion exchange group include alkali metals, alkaline earth metals, and transition metals, and are not limited. Monovalent or divalent metals are preferable, and Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Pb, and the like are more preferable. When the valence of the metal is high, the substitution of ion exchange groups is different, and the phase separation structure in a power generation environment cannot be simulated.

本発明の高分子電解質膜と触媒を担持させたカーボン粉末、或いは触媒を担持させたカーボン粉末同士を接着させ、プロトンを伝導する高分子電解質として従来のフッ素系高分子電解質や炭化水素系電解質を使用できる。そのような炭化水素系電解質としては例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン,スルホン化ポリエーテルスルホン,スルホン化アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー,スルホン化ポリスルフィッド,スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化エンジニアプラスチック系電解質,スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン,スルホアルキル化ポリエーテルスルホン,スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン,スルホアルキル化ポリスルホン,スルホアルキル化ポリスルフィッド,スルホアルキル化ポリフェニレン,スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン等のスルホアルキル化エンジニアプラスチック系電解質,スルホアルキルエーテル化ポリフェニレン等の炭化水素系電解質や前記プロトン伝導性付与基と耐酸化性付与基を導入した炭化水素系高分子等が挙げられる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention and the carbon powder carrying the catalyst, or the carbon powder carrying the catalyst are adhered to each other, and a conventional fluorine-based polymer electrolyte or hydrocarbon-based electrolyte is used as a polymer electrolyte that conducts protons. Can be used. Examples of such hydrocarbon electrolytes include sulfonated engineering ether plastic ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated acrylonitrile / butadiene / styrene polymer, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, and the like, Sulfoalkylation engineers such as alkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, sulfoalkylated polyphenylene, sulfoalkylated polyetherethersulfone Plastic electrolytes, hydrocarbon electrolytes such as sulfoalkyletherified polyphenylene, and proton conductivity Hydrocarbon polymer, such as the introduction of Azukamoto and oxidation resistance imparting group.

アノード触媒やカソード触媒として燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金,金,銀,パラジウム,イリジウム,ロジウム,ルテニウム,鉄,コバルト,ニッケル,クロム,タングステン,マンガン,バナジウム,チタンあるいはそれらの合金が挙げられる。このような触媒の中で、特に触媒として白金(Pt)が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は1〜30nmである。これらの触媒はカーボン等の担体に付着させた方が触媒の使用量が少なくコスト的に有利である。触媒の担持量は電極が成形された状態で0.01〜20mg/cm2が好ましい。 Any metal that promotes the fuel oxidation reaction and oxygen reduction reaction as the anode catalyst or cathode catalyst may be used. For example, platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, Chromium, tungsten, manganese, vanadium, titanium, or an alloy thereof can be used. Among such catalysts, platinum (Pt) is often used as a catalyst. The particle size of the metal serving as the catalyst is usually 1 to 30 nm. When these catalysts are attached to a carrier such as carbon, the amount of the catalyst used is small and advantageous in terms of cost. The amount of the catalyst supported is preferably 0.01 to 20 mg / cm 2 in a state where the electrode is formed.

膜電極接合体に使用される電極は、触媒金属の微粒子を担持した導電材により構成されるものであり、必要に応じて撥水剤や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を担持していない導電材と必要に応じて含まれる撥水剤や結着剤とからなる層を、触媒層の外側に形成してもよい。触媒金属を担持させる導電材としては、電子導伝性物質であればいずれのものでも良く、例えば各種金属や炭素材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック,チャンネルブラック,アセチレンブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素あるいは活性炭,黒鉛等を用いることができ、これらは単独あるいは混合して使用することができる。   The electrode used for the membrane electrode assembly is composed of a conductive material carrying catalyst metal fine particles, and may contain a water repellent or a binder as necessary. Moreover, you may form the layer which consists of the electrically conductive material which does not carry | support a catalyst, and the water repellent and binder contained as needed on the outer side of a catalyst layer. The conductive material for supporting the catalyst metal may be any conductive material as long as it is an electron conductive substance, and examples thereof include various metals and carbon materials. As the carbon material, for example, carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, fibrous carbon such as carbon nanotubes, activated carbon, graphite, and the like can be used, and these can be used alone or in combination. it can.

撥水剤として例えばフッ素化カーボン等が使用される。バインダとしては電解質膜と同系統の炭化水素電解質の溶液を用いることが接着性の観点から好ましいが、他の各種樹脂を用いても差し支えない。また、撥水性を有する含フッ素樹脂、例えばポリテトラフロロエチレン,テトラフロロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体、およびテトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体を加えてもよい。   For example, fluorinated carbon is used as the water repellent. As the binder, it is preferable to use a hydrocarbon electrolyte solution of the same system as the electrolyte membrane from the viewpoint of adhesiveness, but other various resins may be used. Further, a water-repellent fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer may be added.

燃料用電池として用いる際の高分子電解質膜と電極を接合する法についても特に制限はなく、公知の方法を適用することが可能である。膜電極接合体の製作方法として、例えば、導電材、例えば、カーボンに担持させたPt触媒紛とポリテトラフロロエチレン懸濁液とを混ぜ、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、バインダとして高分子電解質膜と同一の高分子電解質溶液或いはフッ素系電解質を触媒層に塗布し、高分子電解質膜とホットプレスで一体化する方法がある。この他、高分子電解質と同一の高分子電解質溶液を予めPt触媒紛にコーテイングする方法,触媒ペーストを印刷法,スプレー法,インクジェット法で高分子電解質膜の方に塗布する方法,高分子電解質膜に電極を無電解鍍金する方法,高分子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。このうち、触媒ペーストをインクジェット法で高分子電解質膜に塗布する方法が触媒のロスが少なく優れている。   The method for joining the polymer electrolyte membrane and the electrode when used as a fuel cell is not particularly limited, and a known method can be applied. As a method for manufacturing a membrane electrode assembly, for example, a conductive material, for example, Pt catalyst powder supported on carbon and a polytetrafluoroethylene suspension are mixed, applied to carbon paper and heat-treated to form a catalyst layer. Next, there is a method in which the same polymer electrolyte solution or fluorine-based electrolyte as the polymer electrolyte membrane is applied as a binder to the catalyst layer and integrated with the polymer electrolyte membrane by hot pressing. In addition, a method in which the same polymer electrolyte solution as the polymer electrolyte is coated in advance on the Pt catalyst powder, a method in which the catalyst paste is applied to the polymer electrolyte membrane by a printing method, a spray method, or an ink jet method, a polymer electrolyte membrane There are a method of electroless plating the electrode, a method of adsorbing a platinum group metal complex ion to the polymer electrolyte membrane and then reducing it. Among these, the method of applying the catalyst paste to the polymer electrolyte membrane by the ink jet method is excellent with little loss of the catalyst.

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型燃料電池単セルを形成することができる。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、改質器をで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。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 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. 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. Further, 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 and reformer that are generated from the reformer are supplied to the reformer. A fuel cell power generation device including a heat exchanger that exchanges heat with a low-temperature fuel gas can be provided. 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.

以下実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明の趣旨とするところ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。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited only to the examples disclosed herein.

(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1000mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ビフェノール,炭酸カリウムをそれぞれmol比で1.00:1.05:1.15に調製し、投入した。共沸材としてトルエン、溶媒としてN−メチル−2ピロリドン(NMP)を用いて200℃で24hr反応させて末端基がOHのポリマを合成した。さらにmol比で0.1のデカフルオロビフェニルを加えて末端をすべてFとした。得られた疎水性セグメントの分子量(GPCより求めたポリスチレン換算値)は数平均分子量Mnは2.0×104、重量平均分子量Mwは4.4×104であった。
(1) Production of polymer a (hydrophobic segment) After the inside of a 1000 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, 4,4- Dichlorodiphenyl sulfone, 4,4-biphenol, and potassium carbonate were prepared in a molar ratio of 1.00: 1.05: 1.15, and charged. A polymer having an end group of OH was synthesized by performing a reaction at 200 ° C. for 24 hours using toluene as an azeotropic material and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent. Further, decafluorobiphenyl having a mol ratio of 0.1 was added to make all ends F. As for the molecular weight of the obtained hydrophobic segment (polystyrene conversion value determined from GPC), the number average molecular weight Mn was 2.0 × 10 4 and the weight average molecular weight Mw was 4.4 × 10 4 .

GPC(ゲルパメーションクロマトグラフ)の測定条件は、以下のとおりである。
GPC装置 : 東ソー株式会社製 HLC-8220GPC
カラム : 東ソー株式会社製 TSKgel SuperAWM−H×2本
溶離液 : NMP(10mmol/L臭化リチウム添加)
ポリマaを実施例1の(4)の方法で製膜した後に動的粘弾性測定により、ガラス転移温度を測定した。その結果、tanδから求められるガラス転移温度は約237度であった。
The measurement conditions of GPC (gel permeation chromatograph) are as follows.
GPC device: HLC-8220GPC manufactured by Tosoh Corporation
Column: TSKgel SuperAWM-H × 2 manufactured by Tosoh Corporation Eluent: NMP (10 mmol / L lithium bromide added)
After the polymer a was formed by the method of Example 1 (4), the glass transition temperature was measured by dynamic viscoelasticity measurement. As a result, the glass transition temperature obtained from tan δ was about 237 degrees.

(2)ポリマb(親水性セグメント)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1000mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、スルホン化4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ビフェノール、炭酸カリウムをそれぞれmol比で1.60:1.65:1.15に調製し、投入した。溶媒としてトルエン、N−メチル−2ピロリドン(NMP)を用いて200℃で12hr反応させて末端基がOHのポリマを合成した。親水性セグメントの数平均分子量Mnは3.5×104、重量平均分子量Mwは8.5×104であった。
(2) Preparation of polymer b (hydrophilic segment) After the inside of a 1000 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen, sulfonation 4, 4-Dichlorodiphenylsulfone, 4,4-biphenol, and potassium carbonate were each prepared in a molar ratio of 1.60: 1.65: 1.15 and added. Toluene and N-methyl-2pyrrolidone (NMP) were used as a solvent and reacted at 200 ° C. for 12 hours to synthesize a polymer having an OH terminal group. The number average molecular weight Mn of the hydrophilic segment was 3.5 × 10 4 , and the weight average molecular weight Mw was 8.5 × 10 4 .

(3)ブロック共重合体Aの作製
(1)と(2)で合成したポリマa,ポリマbを混合し、140℃で2hr反応させた。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625g/当量になるように調合した。得られた溶液を水に投入し、再沈することでブロック共重合体Aを得た。得られたブロック共重合体Aの数平均分子量Mnは1.2×105、重量平均分子量Mwは4.7×105であった。酸塩基滴定により測定したイオン交換基当量重量は757であった。
(3) Preparation of block copolymer A Polymers a and b synthesized in (1) and (2) were mixed and reacted at 140 ° C. for 2 hr. The blending ratio of polymer a and polymer b was adjusted so that the ion exchange group equivalent weight was 625 g / equivalent. The obtained solution was poured into water and reprecipitated to obtain a block copolymer A. The number average molecular weight Mn of the obtained block copolymer A was 1.2 × 10 5 , and the weight average molecular weight Mw was 4.7 × 10 5 . The ion exchange group equivalent weight measured by acid-base titration was 757.

(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Aを15重量%の濃度になるようにNMPに溶解する。この溶液をガラス上に流延塗布,加熱乾燥し、次いで硫酸および水に浸漬,乾燥して膜厚40μmの高分子電解質膜1を得た。この高分子電解質膜1のイオン交換基をCsで置換した後に水中で小角X線散乱分析(SAXS)をしたところ、平均周期が56nmであったが、金属置換していない電解質膜のSAXSではピークは確認できなかった。以上より、電解質膜を金属置換した後にSAXS分析するときのみ、電解質膜の加湿中・水中での相分離構造が評価可能である。また、80℃の水中に8hr浸漬させた後の面積方向への寸法変化率は4%であり、80℃,60RH%で4端子交流インピーダンス法により測定した10KHzにおけるイオン伝導度は、3.6×10-2S/cmであった。図3に高分子電解質膜1の動的粘弾性測定(DMA)の結果を示す。なお、動的粘弾性測定の際は、約270℃以上の高温で生じるスルホン酸基脱離により弾性率の変化の影響を取り除くために、スルホン酸基をNa置換し、340℃以上のスルホン脱離温度を有する電解質膜を評価した。
(4) Preparation of polymer electrolyte membrane 1 and its characteristics The block copolymer A obtained in (3) above is dissolved in NMP so as to have a concentration of 15% by weight. This solution was cast on glass, heated and dried, then immersed in sulfuric acid and water, and dried to obtain a polymer electrolyte membrane 1 having a thickness of 40 μm. After substituting the ion exchange group of the polymer electrolyte membrane 1 with Cs and performing small-angle X-ray scattering analysis (SAXS) in water, the average period was 56 nm. Could not be confirmed. As described above, the phase separation structure in the humidified / water environment of the electrolyte membrane can be evaluated only when the SAXS analysis is performed after replacing the metal in the electrolyte membrane. Moreover, the dimensional change rate in the area direction after being immersed in water at 80 ° C. for 8 hours is 4%, and the ionic conductivity at 10 KHz measured by the 4-terminal AC impedance method at 80 ° C. and 60 RH% is 3.6%. × 10 -2 S / cm. FIG. 3 shows the result of dynamic viscoelasticity measurement (DMA) of the polymer electrolyte membrane 1. In the measurement of dynamic viscoelasticity, in order to remove the influence of the change in elastic modulus due to sulfonic acid group elimination occurring at a high temperature of about 270 ° C. or higher, the sulfonic acid group is substituted with Na and the sulfone desorption of 340 ° C. or higher is performed. An electrolyte membrane having a separation temperature was evaluated.

SAXSの測定条件は、以下のとおりである。   The measurement conditions for SAXS are as follows.

装置 : 株式会社リガク製 ATX−G
X線源,X線出力 : Cu,40kV−400mA
分光器,測定法 : 多層膜ミラー,透過法
走査軸,走査法 : 2θ,積算走査
走査範囲(ステップ): 0.2≦2θ≦10(0.05deg/step),0.05≦2θ≦ 2.0(0.01deg/step)
積算時間 : 60秒
DMAの測定条件は、以下の通りである。
Equipment: ATX-G manufactured by Rigaku Corporation
X-ray source, X-ray output: Cu, 40 kV-400 mA
Spectrometer, measurement method: multilayer mirror, transmission method Scanning axis, scanning method: 2θ, integrated scanning Scanning range (step): 0.2 ≦ 2θ ≦ 10 (0.05 deg / step), 0.05 ≦ 2θ ≦ 2 0.0 (0.01 deg / step)
Integration time: 60 seconds The DMA measurement conditions are as follows.

装置 : アイティー計測制御株式会社 DVA−220
測定モード : 引っ張り
電解質膜幅,端子距離: 5mm,20mm
測定周波数 : 10Hz
測定温度,昇温速度 : 50−350℃,5℃/分
(5)膜電極接合体(MEA)1の作製
炭素担体上に白金微粒子を70wt%分散担持した触媒粉末と5wt%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、触媒重量が0.4g・cm2になるように電解質膜上にスプレー塗布し、約20μm,幅30mm,長さ30mmのカソードおよびアノードを作製した。その後、120℃,13MPa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,カソードを形成した膜電極接合体(MEA)1を作製した。
Device: ITA Measurement Control Co., Ltd. DVA-220
Measurement mode: Pulling Electrolyte membrane width, terminal distance: 5mm, 20mm
Measurement frequency: 10Hz
Measurement temperature, heating rate: 50-350 ° C., 5 ° C./min (5) Production of membrane electrode assembly (MEA) 1 Catalyst powder in which platinum fine particles are dispersed and supported on a carbon support and 5 wt% polyperfluoro A slurry of 1-propanol, 2-propanol, and water mixed with sulfonic acid was prepared and spray-coated on the electrolyte membrane so that the catalyst weight was 0.4 g · cm 2. About 20 μm, width 30 mm, long A cathode and anode with a thickness of 30 mm were produced. Then, membrane electrode assembly (MEA) 1 having anodes and cathodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 was produced by hot pressing at 120 ° C. and 13 MPa.

(6)燃料電池(PEFC)の発電性能
図3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した。図2において、1は高分子電解質膜、2はアノード電極、3はカソード電極、4はアノード拡散層、5はカソード拡散層、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した。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℃の間で制御した。負荷電流密度を250mA/cm2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0.74V以上の出力を示し、1000時間以上安定して発電可能であった。
(6) Power generation performance of fuel cell (PEFC) The battery performance was measured by incorporating the diffusion layer composed of the MEA 1 and the carbon cloth using the small unit cell using hydrogen as shown in FIG. 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, and 6 serves as a chamber separation and a gas supply passage to the electrode. A fuel flow path of a conductive separator (bipolar plate), 7 is an air passage of the separator, 8 is hydrogen + water, 9 is hydrogen, 10 is air + water, and 11 is air. The small single battery cell was installed in a thermostat, and the temperature of the thermostat was controlled so that the temperature by a thermocouple (not shown) inserted in the separator was 70 ° C. The humidification of the anode and cathode was performed using an external humidifier, and the temperature of the humidifier was controlled between 70 and 73 ° C. so that the dew point near the humidifier outlet was 70 ° C. 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 showed an output of 0.74 V or more, and was able to generate electricity stably for 1000 hours or more.

(1)ポリマc(疎水性セグメント)の作製
実施例1の(1)と同様の方法で、4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ビフェノール,炭酸カリウム,デカフルオロビフェニルの比を変化させて、数平均分子量Mnが1.3×104、重量平均分子量Mwが2.6×104の疎水性セグメントを作製した。
(1) Production of polymer c (hydrophobic segment) In the same manner as in (1) of Example 1, the ratio of 4,4-dichlorodiphenylsulfone, 4,4-biphenol, potassium carbonate, decafluorobiphenyl was changed. Thus, a hydrophobic segment having a number average molecular weight Mn of 1.3 × 10 4 and a weight average molecular weight Mw of 2.6 × 10 4 was produced.

(2)ポリマb(親水性セグメント)の作製
実施例1の(2)と同様の方法で、スルホン化4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ビフェノール,炭酸カリウムの比を変化させて、数平均分子量Mnが2.5×104、重量平均分子量Mwが5.5×104の親水性セグメントを作製した。
(2) Production of polymer b (hydrophilic segment) In the same manner as in (2) of Example 1, the ratio of sulfonated 4,4-dichlorodiphenylsulfone, 4,4-biphenol, potassium carbonate was changed, A hydrophilic segment having a number average molecular weight Mn of 2.5 × 10 4 and a weight average molecular weight Mw of 5.5 × 10 4 was prepared.

(3)ブロック共重合体Bの作製
実施例1の(2)と同様の方法で、(1)と(2)で合成したポリマc,ポリマdを混合し、140℃で2hr反応させた。なお、ポリマcとポリマdの配合比は、イオン交換基当量重量が625g/当量になるように調合した。得られたブロック共重合体Bの数平均分子量Mnは9.5×104、重量平均分子量Mwは2.5×105であった。酸塩基滴定により測定したイオン交換基当量重量は689であった。
(3) Production of block copolymer B Polymers c and d synthesized in (1) and (2) were mixed in the same manner as in (2) of Example 1, and reacted at 140 ° C. for 2 hr. The blend ratio of polymer c and polymer d was adjusted so that the equivalent weight of ion exchange groups was 625 g / equivalent. The obtained block copolymer B had a number average molecular weight Mn of 9.5 × 10 4 and a weight average molecular weight Mw of 2.5 × 10 5 . The ion exchange group equivalent weight measured by acid-base titration was 689.

(4)高分子電解質膜1−2の作製とその特性
実施例1の(4)と同様の方法で(3)で得られたブロック共重合体Bから高分子電解質膜1−2を得た。この高分子電解質膜1−2のイオン交換基をCsで置換した後に水中で小角X線散乱分析(SAXS)をしたところ、平均周期が38nmであり、金属置換していない電解質膜のSAXSではピークは確認できなかった。また、80℃の水中に8hr浸漬させた後の面積方向への寸法変化率は13%であり、80℃,60RH%で4端子交流インピーダンス法により測定した10KHzにおけるイオン伝導度は、3.0×10-2S/cmであった。図4に実施例1(4)に示す方法で測定した高分子電解質膜1−2の動的粘弾性測定の結果を示す。
(4) Production of polymer electrolyte membrane 1-2 and its characteristics Polymer electrolyte membrane 1-2 was obtained from block copolymer B obtained in (3) by the same method as (4) of Example 1. . After substituting the ion exchange group of the polymer electrolyte membrane 1-2 with Cs and performing small-angle X-ray scattering analysis (SAXS) in water, the average period is 38 nm, and the peak in SAXS of the electrolyte membrane without metal substitution Could not be confirmed. Moreover, the dimensional change rate in the area direction after being immersed in water at 80 ° C. for 8 hours is 13%, and the ionic conductivity at 10 KHz measured by the 4-terminal AC impedance method at 80 ° C. and 60 RH% is 3.0. × 10 -2 S / cm. FIG. 4 shows the results of dynamic viscoelasticity measurement of the polymer electrolyte membrane 1-2 measured by the method shown in Example 1 (4).

(5)膜電極接合体(MEA)2の作製
前記実施例1の(5)と同様の方法で、(4)で得られた高分子電解質膜1−2からMEA2を得た。
(5) Production of Membrane / Electrode Assembly (MEA) 2 MEA 2 was obtained from the polymer electrolyte membrane 1-2 obtained in (4) by the same method as in (5) of Example 1.

(6)燃料電池(PEFC)の発電性能
前記実施例1の(6)と同様の方法で、(5)で得られたMEA2を用いたPEFCの電池性能を測定した。MEA2を用いたPEFCは0.73V以上の出力を示し、1000時間以上安定して発電可能であった。
(6) Power generation performance of fuel cell (PEFC) The battery performance of PEFC using MEA2 obtained in (5) was measured in the same manner as in (6) of Example 1. PEFC using MEA2 showed an output of 0.73 V or more, and was able to generate electricity stably for 1000 hours or more.

(1)ポリマe(疎水性セグメント)の作製
実施例1の(1)と同様の方法で、4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ビフェノール,炭酸カリウム,デカフルオロビフェニルの比を変化させて、数平均分子量Mnが0.5×104、重量平均分子量Mwが0.8×104の疎水性セグメントを作製した。
(1) Preparation of polymer e (hydrophobic segment) In the same manner as in (1) of Example 1, the ratio of 4,4-dichlorodiphenylsulfone, 4,4-biphenol, potassium carbonate, decafluorobiphenyl was changed. Thus, a hydrophobic segment having a number average molecular weight Mn of 0.5 × 10 4 and a weight average molecular weight Mw of 0.8 × 10 4 was produced.

(2)ポリマf(親水性セグメント)の作製
実施例1の(2)と同様の方法で、スルホン化4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ビフェノール,炭酸カリウムの比を変化させて、数平均分子量Mnが1.3×104、重量平均分子量Mwが2.3×104の親水性セグメントを作製した。
(2) Production of polymer f (hydrophilic segment) In the same manner as in (2) of Example 1, the ratio of sulfonated 4,4-dichlorodiphenylsulfone, 4,4-biphenol, potassium carbonate was changed, A hydrophilic segment having a number average molecular weight Mn of 1.3 × 10 4 and a weight average molecular weight Mw of 2.3 × 10 4 was produced.

(3)ブロック共重合体Cの作製
実施例1の(2)と同様の方法で、(1)と(2)で合成したポリマc,ポリマdを混合し、140℃で2hr反応させた。なお、ポリマeとポリマfの配合比は、イオン交換基当量重量が625g/当量になるように調合した。得られたブロック共重合体Cの数平均分子量Mnは8.2×104、重量平均分子量Mwは1.8×105であった。酸塩基滴定により測定したイオン交換基当量重量は672であった。
(3) Production of Block Copolymer C Polymers c and d synthesized in (1) and (2) were mixed in the same manner as in (2) of Example 1, and reacted at 140 ° C. for 2 hr. The blending ratio of polymer e and polymer f was adjusted so that the ion exchange group equivalent weight was 625 g / equivalent. The resulting block copolymer C had a number average molecular weight Mn of 8.2 × 10 4 and a weight average molecular weight Mw of 1.8 × 10 5 . The ion exchange group equivalent weight measured by acid-base titration was 672.

(4)高分子電解質膜1−3の作製とその特性
実施例1の(4)と同様の方法で(3)で得られたブロック共重合体Cから高分子電解質膜1−3を得た。この高分子電解質膜1−3のイオン交換基をCsで置換した後に水中で小角X線散乱分析(SAXS)をしたところ、平均周期が23nmであり、金属置換していない電解質膜のSAXSではピークは確認できなかった。また、80℃の水中に8hr浸漬させた後の面積方向への寸法変化率は18%であり、80℃,60RH%で4端子交流インピーダンス法により測定した10KHzにおけるイオン伝導度は、2.1×10-2S/cmであった。図5に実施例1(4)に示す方法で測定した高分子電解質膜1−3の動的粘弾性測定の結果を示す。
(4) Production of polymer electrolyte membrane 1-3 and its characteristics Polymer electrolyte membrane 1-3 was obtained from block copolymer C obtained in (3) by the same method as (4) of Example 1. . After substituting the ion exchange group of this polymer electrolyte membrane 1-3 with Cs and performing small-angle X-ray scattering analysis (SAXS) in water, the average period is 23 nm, and the peak in SAXS of the electrolyte membrane without metal substitution Could not be confirmed. Moreover, the dimensional change rate in the area direction after being immersed in water at 80 ° C. for 8 hours is 18%, and the ionic conductivity at 10 KHz measured by the four-terminal AC impedance method at 80 ° C. and 60 RH% is 2.1. × 10 -2 S / cm. FIG. 5 shows the results of dynamic viscoelasticity measurement of the polymer electrolyte membrane 1-3 measured by the method shown in Example 1 (4).

(5)膜電極接合体(MEA)3の作製
前記実施例1の(5)と同様の方法で、(4)で得られた高分子電解質膜1−3からMEA3を得た。
(5) Production of Membrane / Electrode Assembly (MEA) 3 MEA 3 was obtained from the polymer electrolyte membrane 1-3 obtained in (4) by the same method as (5) in Example 1.

(6)燃料電池(PEFC)の発電性能
前記実施例1の(6)と同様の方法で、(5)で得られたMEA3を用いたPEFCの電池性能を測定した。MEA2を用いたPEFCは0.73V以上の出力を示したが、約800時間の発電後に性能が低下した。発電後のMEA3を調べたところ、MEA3において、電極が塗布された部分と電極が塗布されていない部分の境界部に電解質膜破れを確認した。膜破れは、電解質膜の膨潤・収縮が大きいために実施例1や2の電解質膜よりもより大きい応力がかかったために生じたと考えられる。
(6) Power generation performance of fuel cell (PEFC) The battery performance of PEFC using MEA3 obtained in (5) was measured in the same manner as in (6) of Example 1. PEFC using MEA2 showed an output of 0.73 V or more, but the performance decreased after about 800 hours of power generation. When the MEA 3 after power generation was examined, in the MEA 3, breakage of the electrolyte membrane was confirmed at the boundary between the portion where the electrode was applied and the portion where the electrode was not applied. It is considered that the membrane breakage was caused by applying a larger stress than the electrolyte membranes of Examples 1 and 2 due to the large swelling and shrinkage of the electrolyte membrane.

〔比較例1〕
(1)ポリマf(ランダム共重合体A)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1000mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、スルホン化4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ジクロロジフェニルスルホンとの4,4−ビフェノール,炭酸カリウム,共沸材としてトルエンを入れ、溶媒としてNMPを用いて、200℃で24h合成した。得られた溶液を水に投入し、再沈することでランダム共重合体Aを得た。得られたランダム共重合体Aの分子量は、数平均分子量Mnが1.7×105、重量平均分子量Mwが5.5×105であった。
[Comparative Example 1]
(1) Polymerization of Polymer f (Random Copolymer A) The inside of a 1000 ml four-necked round bottom flask equipped with a stirrer, thermometer, and reflux condenser connected with a calcium chloride tube was purged with nitrogen and then sulfonated. 4,4-Dichlorodiphenylsulfone, 4,4-biphenol with 4,4-dichlorodiphenylsulfone, potassium carbonate, toluene as an azeotrope, and NMP as a solvent were synthesized at 200 ° C. for 24 hours. The obtained solution was poured into water and reprecipitated to obtain a random copolymer A. As for the molecular weight of the obtained random copolymer A, the number average molecular weight Mn was 1.7 × 10 5 , and the weight average molecular weight Mw was 5.5 × 10 5 .

(2)高分子電解質膜1−4の作製とその特性
実施例1の(4)と同様の方法で(1)で得られたランダム共重合体から高分子電解質膜1−4を得た。この高分子電解質膜1−4のイオン交換基をCsで置換した後に水中で小角X線散乱分析(SAXS)をしたところ、ピークは確認できなかった。また、金属置換していない電解質膜のSAXSにおいてもピークは確認できなかった。また、80℃の水中に8hr浸漬させた後の面積方向への寸法変化率は14%であり、80℃,60RH%で4端子交流インピーダンス法により測定した10KHzにおけるイオン伝導度は、1.3×10-2S/cmであった。図6に実施例1(4)に示す方法で測定した高分子電解質膜1−4の動的粘弾性測定の結果を示す。
(2) Production of Polymer Electrolyte Membrane 1-4 and Its Characteristics Polymer electrolyte membrane 1-4 was obtained from the random copolymer obtained in (1) by the same method as (4) of Example 1. When the ion exchange group of this polymer electrolyte membrane 1-4 was replaced with Cs and then small angle X-ray scattering analysis (SAXS) was performed in water, no peak could be confirmed. In addition, no peak was observed in SAXS of the electrolyte membrane not substituted with metal. Moreover, the dimensional change rate in the area direction after being immersed in water at 80 ° C. for 8 hours is 14%, and the ionic conductivity at 10 KHz measured by the 4-terminal AC impedance method at 80 ° C. and 60 RH% is 1.3. × 10 -2 S / cm. FIG. 6 shows the results of dynamic viscoelasticity measurement of the polymer electrolyte membrane 1-4 measured by the method shown in Example 1 (4).

(3)膜電極接合体(MEA)3の作製
前記実施例1の(5)と同様の方法で、(2)で得られた高分子電解質膜1−4からMEA4を得た。
(3) Production of Membrane / Electrode Assembly (MEA) 3 MEA 4 was obtained from the polymer electrolyte membrane 1-4 obtained in (2) by the same method as (5) in Example 1.

(4)燃料電池(PEFC)の発電性能
前記実施例1の(6)と同様の方法で、(3)で得られたMEA4を用いたPEFCの電池性能を測定した。MEA2を用いたPEFCは0.72V以下の出力であった。
(4) Power generation performance of fuel cell (PEFC) The battery performance of PEFC using MEA4 obtained in (3) was measured by the same method as in (6) of Example 1. The PEFC using MEA2 had an output of 0.72V or less.

〔比較例2〕
(1)ポリマg(ランダム共重合体B)の重合
比較例1と同様の方法でスルホン化4,4−ジクロロジフェニルスルホン、4,4−ジクロロジフェニルスルホンとの4,4−ビフェノールの比を変えることによりランダム共重合体Bを得た。ランダム共重合体のイオン交換当量重量は470g/当量であった。
[Comparative Example 2]
(1) Polymerization of Polymer g (Random Copolymer B) The ratio of 4,4-biphenol to sulfonated 4,4-dichlorodiphenyl sulfone and 4,4-dichlorodiphenyl sulfone is changed in the same manner as in Comparative Example 1. As a result, a random copolymer B was obtained. The ion exchange equivalent weight of the random copolymer was 470 g / equivalent.

(2)高分子電解質膜1−5の作製とその特性
実施例1の(4)と同様の方法で(1)で得られたランダム共重合体Bから高分子電解質膜1−5を得た。この高分子電解質膜のイオン交換基をNa置換することにより、スルホン酸脱離温度を向上させた後に動的粘弾性測定により、ガラス転移温度を測定した。その結果、tanδから求められるガラス転移温度は約160度であった。この温度は、実施例1(1)の疎水性セグメントの温度よりも小さかった。
(2) Production of polymer electrolyte membrane 1-5 and its characteristics Polymer electrolyte membrane 1-5 was obtained from random copolymer B obtained in (1) in the same manner as in (4) of Example 1. . The glass transition temperature was measured by dynamic viscoelasticity measurement after improving the sulfonic acid desorption temperature by replacing the ion exchange group of the polymer electrolyte membrane with Na. As a result, the glass transition temperature obtained from tan δ was about 160 degrees. This temperature was lower than the temperature of the hydrophobic segment of Example 1 (1).

表1に実施例1〜3と比較例1で作製した高分子電解質膜1〜1−5の膜物性を示す。   Table 1 shows the physical properties of the polymer electrolyte membranes 1 to 1-5 produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.

表1より、疎水性セグメントの分子量が1.0×104以上のブロックポリマを製膜した高分子電解質膜1と1−2の80℃,8hr水浸漬後の寸法変化は、ランダムポリマを製膜した高分子電解質膜1−4の80℃,8hr水浸漬後の寸法変化よりも小さくなった。 According to Table 1, the dimensional change after immersion in water at 80 ° C. for 8 hours between the polymer electrolyte membrane 1 and 1-2 in which a block polymer having a hydrophobic segment molecular weight of 1.0 × 10 4 or more is produced is a random polymer. It was smaller than the dimensional change of the polymer electrolyte membrane 1-4 that had been immersed in water at 80 ° C. for 8 hours.

Figure 2009252471
Figure 2009252471

表2に実施例1〜3で作製した高分子電解質膜1〜1−5を、80℃,3%H22,3ppmFe2+を含む溶液に1.5hr浸漬する前後のポリマの物性を示す。 Table 2 shows the physical properties of the polymer electrolyte membranes before and after immersing the polymer electrolyte membranes 1 to 1-5 produced in Examples 1 to 3 in a solution containing 80 ° C., 3% H 2 O 2 and 3 ppm Fe 2+ for 1.5 hours. Show.

表2より疎水性セグメントの分子量が1.0×104以上の場合、溶液浸漬後の分子量分布が数平均分子量Mn>0.5,重量平均分子量Mw>1.5となる。 From Table 2, when the molecular weight of the hydrophobic segment is 1.0 × 10 4 or more, the molecular weight distribution after immersion in the solution is the number average molecular weight Mn> 0.5 and the weight average molecular weight Mw> 1.5.

Figure 2009252471
Figure 2009252471

図3〜図6に各電解質膜の動的粘弾性測定結果を示す。図3〜図6はそれぞれ順に実施例1〜3および比較例1の電解質膜の測定結果を示している。   The dynamic viscoelasticity measurement result of each electrolyte membrane is shown in FIGS. 3 to 6 show the measurement results of the electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, respectively, in order.

図3〜図6より、疎水性セグメントの平均分子量がMnが1.0×104、Mwが1.5×104よりも大きい場合、約250℃に損失弾性率のピークが存在する。これは、疎水性セグメントの分子間相互作用が大きくなることにより生じている現象であり、分子間相互作用により寸法変化を抑えられると考えられる。一方、比較例1のガラス転移温度は約160℃であり、親水性セグメンとのガラス転移温度と同等以下である。また、実施例3で得られた高分子電解質膜1−3は、160℃から250℃の広いピークを有する。160℃のガラス転移温度は親水性セグメントのガラス転移温度と同等である。ガラス転移温度が実施例1,2の高分子電解質膜よりも低いことから、分子間相互作用も弱いと考えられ、それにより寸法安定性が実施例1,2の高分子電解質膜よりも劣ったと考えられる。 From FIG. 3 to FIG. 6, when the average molecular weight of the hydrophobic segment is larger than 1.0 × 10 4 and Mw is larger than 1.5 × 10 4, a peak of loss elastic modulus exists at about 250 ° C. This is a phenomenon caused by an increase in the intermolecular interaction of the hydrophobic segment, and it is considered that a dimensional change can be suppressed by the intermolecular interaction. On the other hand, the glass transition temperature of Comparative Example 1 is about 160 ° C., which is equal to or lower than the glass transition temperature with the hydrophilic segment. Moreover, the polymer electrolyte membrane 1-3 obtained in Example 3 has a wide peak from 160 ° C to 250 ° C. The glass transition temperature of 160 ° C. is equivalent to the glass transition temperature of the hydrophilic segment. Since the glass transition temperature is lower than that of the polymer electrolyte membranes of Examples 1 and 2, it is considered that the intermolecular interaction is also weak, whereby the dimensional stability is inferior to that of the polymer electrolyte membranes of Examples 1 and 2. Conceivable.

また、実施例1〜3および比較例1より、イオン伝導度は疎水性セグメントおよび親水性セグメントの分子量が大きいほど大きく、この結果から、疎水性セグメントの数平均分子量Mnが1.0×104〜5.0×104または重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105であるブロック共重合体を用いることで、イオン伝導度が高く、耐水性に優れた電解質膜が得られる。 Further, from Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the ionic conductivity increases as the molecular weight of the hydrophobic segment and the hydrophilic segment increases, and from this result, the number average molecular weight Mn of the hydrophobic segment is 1.0 × 10 4. An electrolyte membrane having high ion conductivity and excellent water resistance by using a block copolymer having a molecular weight Mw of 1.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5 or ˜5.0 × 10 4 Is obtained.

本発明は、イオン伝導度が高く、耐水性に優れた電解質を提供することができ、直接メタノール型燃料電池や固体高分子型燃料電池等に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide an electrolyte having high ionic conductivity and excellent water resistance, and can be used for a direct methanol fuel cell, a solid polymer fuel cell, and the like.

電解質膜と電極との概略図。Schematic of an electrolyte membrane and an electrode. 燃料電池の概略図。Schematic of a fuel cell. 電解質膜の動的粘弾性測定結果を示す図。The figure which shows the dynamic viscoelasticity measurement result of an electrolyte membrane. 電解質膜の動的粘弾性測定結果を示す図。The figure which shows the dynamic viscoelasticity measurement result of an electrolyte membrane. 電解質膜の動的粘弾性測定結果を示す図。The figure which shows the dynamic viscoelasticity measurement result of an electrolyte membrane. 電解質膜の動的粘弾性測定結果を示す図。The figure which shows the dynamic viscoelasticity measurement result of an electrolyte membrane.

符号の説明Explanation of symbols

1 高分子電解質膜
2 アノード電極
3 カソード電極
4 アノード拡散層
5 カソード拡散層
6 燃料流路
7 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 diffusion layer 5 Cathode diffusion layer 6 Fuel flow path 7 Air conduit 8 Hydrogen + Water 9 Hydrogen 10 Air + Water 11 Air

Claims (15)

イオン交換基を含有する親水性セグメントと、イオン交換基を実質的に含有しない、または、イオン交換量が親水性セグメントよりも少ない疎水性セグメントからなり、疎水性セグメントの数平均分子量Mnが1.0×104〜5.0×104または重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105であるブロック共重合体を有することを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質。 It consists of a hydrophilic segment containing an ion exchange group and a hydrophobic segment that substantially does not contain an ion exchange group or has a smaller ion exchange amount than the hydrophilic segment, and the number average molecular weight Mn of the hydrophobic segment is 1. A solid polymer electrolyte for a fuel cell having a block copolymer having 0 × 10 4 to 5.0 × 10 4 or a weight average molecular weight Mw of 1.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5 . 疎水性セグメントのみを製膜した膜のガラス転移温度が親水性セグメントのみを製膜した膜のガラス転移温度に対し、同一または高温であることを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質。   A solid polymer electrolyte for a fuel cell, characterized in that a glass transition temperature of a film formed only of a hydrophobic segment is the same as or higher than a glass transition temperature of a film formed of only a hydrophilic segment. 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1,2のいずれかに記載の燃料電池用固体高分子電解質。
Figure 2009252471
ここでX1は、直接結合、−O−,−S−,
Figure 2009252471
1は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
1は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、Z1は互いに同一でも異なっていても良い。a1,b1は、0または1以上の整数であり、a1+b1≧1である。
また、0≦c1,d1,e1,f1≦1であり、さらにc1+d1+e1+f1>0.2である。
1,R2は、直接結合、−O−,
Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。O1は、0〜6の整数であり、2つのO1は同一でも異なっていてもよい。
なお、一部の水素原子は、フッ素原子と置換されていてもよい。
The solid polymer electrolyte for a fuel cell according to any one of claims 1 and 2, wherein the hydrophilic segment includes a structural unit represented by the general formula (1).
Figure 2009252471
Here, X 1 is a direct bond, —O—, —S—,
Figure 2009252471
Y 1 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.
Z 1 is any of a direct bond, —S—, and —O—, and Z 1 may be the same as or different from each other. a 1 and b 1 are 0 or an integer of 1 or more, and a 1 + b 1 ≧ 1.
Further, 0 ≦ c 1 , d 1 , e 1 , f 1 ≦ 1, and c 1 + d 1 + e 1 + f 1 > 0.2.
R 1 and R 2 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. O 1 is an integer of 0 to 6, and two O 1 may be the same or different.
Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.
親水性セグメントが一般式(2)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項1,2のいずれかに記載の燃料電池用固体高分子電解質。
Figure 2009252471
1は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
2は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、2つのZ2は同一でも異なっていても良い。m1,n1は、0または1以上の整数であり、m1+n1≧1である。
また、0≦i1,j1≦1である。
3は、直接結合、−O−,
Figure 2009252471
のいずれかであり、2つのR3は同一でも異なっていても良い。p1は、0〜6の整数であり、2つp1は同一でも異なっていても良い。
Ar1は、下記一般式(4)〜(8)のいずれかである。なお、(4)〜(8)は置換基が導入されていても良い。
Figure 2009252471
ここで、Ar8,Ar9は少なくともひとつの芳香環を有する4価の基である。
4,R5,R6は、直接結合、−O−,
Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。q1は、0〜6の整数であり、2つのq1は同一でも異なっていても良い。
また、0≦r1,s1≦1,0≦t1≦2であり、i1+j1+r1+s1+t1>0.2である。
5,Z6は、−O−,−S−,−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)2つのZ5は同一でも異なっていても良い。
なお、一部の水素原子はフッ素原子と置換されていてもよい。
The solid polymer electrolyte for a fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic segment includes a structural unit represented by the general formula (2).
Figure 2009252471
W 1 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.
Z 2 is either a direct bond, —S— or —O—, and the two Z 2 may be the same or different. m 1 and n 1 are 0 or an integer of 1 or more, and m 1 + n 1 ≧ 1.
Further, 0 ≦ i 1 and j 1 ≦ 1.
R 3 is a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
And two R 3 s may be the same or different. p 1 is an integer of 0 to 6, and two p 1 may be the same or different.
Ar 1 is any one of the following general formulas (4) to (8). In (4) to (8), a substituent may be introduced.
Figure 2009252471
Here, Ar 8 and Ar 9 are tetravalent groups having at least one aromatic ring.
R 4 , R 5 and R 6 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. q 1 is an integer of 0 to 6, and the two q 1 may be the same or different.
Also, 0 ≦ r 1 , s 1 ≦ 1, 0 ≦ t 1 ≦ 2, and i 1 + j 1 + r 1 + s 1 + t 1 > 0.2.
Z 5 and Z 6 represent —O—, —S—, —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 to 10 carbon atoms). The two Z 5 groups may be the same or different. The alkyl group, the alkoxy group and the aryl group may be substituted.
Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.
疎水性セグメントが一般式(3)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項1,2のいずれかに記載の燃料電池用固体高分子電解質。
Figure 2009252471
ここでX2は、直接結合、−O−,−S−,
Figure 2009252471
2は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
3は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、さらにc2+d2+e2+f2<0.2である。2つのZ3は同一でも異なっていても良い。
2,b2は、0または1以上の整数であり、a2+b2≧1である。
また、0≦c2,d2,e2,f2、≦1であり、さらにc2+d2+e2+f2<0.2である。
7,R8は、直接結合、−O−,
Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。O2は、0〜6の整数であり、2つのO2は同一でも異なっていても良い。
なお、一部の水素原子は、フッ素原子と置換されていてもよい。
The solid polymer electrolyte for a fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (3).
Figure 2009252471
Here, X 2 is a direct bond, —O—, —S—,
Figure 2009252471
Y 2 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.
Z 3 is any one of a direct bond, —S—, and —O—, and c 2 + d 2 + e 2 + f 2 <0.2. Two Z 3 may be the same or different.
a 2 and b 2 are 0 or an integer of 1 or more, and a 2 + b 2 ≧ 1.
Further, 0 ≦ c 2 , d 2 , e 2 , f 2 , ≦ 1, and c 2 + d 2 + e 2 + f 2 <0.2.
R 7 and R 8 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. O 2 is an integer of 0 to 6, and the two O 2 may be the same or different.
Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.
疎水性セグメントが一般式(4)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項1,2のいずれかに記載の燃料電池用固体高分子電解質。
Figure 2009252471
2は、直接結合、
Figure 2009252471
のいずれかである。
4は、直接結合、−S−,−O−のいずれかであり、2つのZ4は同一でも異なっていても良い。m2,n2は、0または1以上の整数であり、m2+n2≧1である。
また、0≦i2,j2≦1であり、2つのk2は独立であり、0以上の整数である。
9は、直接結合、−O−,
Figure 2009252471
のいずれかであり、2つのR9は同一でも異なっていても良い。Ar2は、下記一般式(9)〜(13)のいずれかである。なお、(9)〜(13)は置換基が導入されていても良い。
Figure 2009252471
ここで、Ar8,Ar9は少なくともひとつの芳香環を有する4価の基である。
10,R11,R12は、直接結合、−O−,
Figure 2009252471
のいずれかであり、同一でも異なっていても良い。q2は、0〜6の整数であり、2つのq2は同一でも異なっていても良い。
また、0≦r2,s2≦1,0≦t2≦2であり、i2+j2+r2+s2+t2<0.2である。
5,Z6は、−O−,−S−,−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)2つのZ5は同一でも異なっていても良い。なお、一部の水素原子はフッ素原子と置換されていてもよい。
The solid polymer electrolyte for a fuel cell according to any one of claims 1 and 2, wherein the hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (4).
Figure 2009252471
W 2 is a direct bond,
Figure 2009252471
One of them.
Z 4 is either a direct bond, —S— or —O—, and the two Z 4 may be the same or different. m 2 and n 2 are 0 or an integer of 1 or more, and m 2 + n 2 ≧ 1.
Further, 0 ≦ i 2 , j 2 ≦ 1, and two k 2 are independent and are integers of 0 or more.
R 9 is a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
And two R 9 s may be the same or different. Ar 2 is any one of the following general formulas (9) to (13). In (9) to (13), a substituent may be introduced.
Figure 2009252471
Here, Ar 8 and Ar 9 are tetravalent groups having at least one aromatic ring.
R 10 , R 11 and R 12 are a direct bond, —O—,
Figure 2009252471
Which may be the same or different. q 2 is an integer from 0 to 6, two q 2 may be the same or different.
Further, 0 ≦ r 2 , s 2 ≦ 1, 0 ≦ t 2 ≦ 2, and i 2 + j 2 + r 2 + s 2 + t 2 <0.2.
Z 5 and Z 6 represent —O—, —S—, —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 to 10 carbon atoms). The two Z 5 groups may be the same or different. The alkyl group, the alkoxy group and the aryl group may be substituted. Some hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms.
親水性セグメントが一般式(1)または(2)で示される構造単位を含み、疎水性セグメント一般式(3)または(4)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用固体高分子電解質。   The hydrophilic segment includes a structural unit represented by the general formula (1) or (2), and includes a structural unit represented by the hydrophobic segment general formula (3) or (4). Solid polymer electrolyte for fuel cells. 親水性セグメントが一般式(1)または(2)で示される構造単位を含み、疎水性セグメント一般式(3)または(4)で示される構造単位を含むことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用固体高分子電解質。   The hydrophilic segment includes a structural unit represented by the general formula (1) or (2), and includes a structural unit represented by the hydrophobic segment general formula (3) or (4). Solid polymer electrolyte for fuel cells. 疎水性セグメントが一般式(3)または(4)で示される構造単位を含み、a2,b2,m2,n2のうち少なくとも1つが20以上であることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池用固体高分子電解質。 The hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (3) or (4), and at least one of a 2 , b 2 , m 2 , and n 2 is 20 or more. The solid polymer electrolyte for a fuel cell as described. 疎水性セグメントが一般式(3)または(4)で示される構造単位を含み、a2,b2,m2,n2のうち少なくとも1つが20以上であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池用固体高分子電解質。 The hydrophobic segment includes a structural unit represented by the general formula (3) or (4), and at least one of a 2 , b 2 , m 2 , and n 2 is 20 or more, The solid polymer electrolyte for a fuel cell as described. イオン交換基を含有する一般式(1)または(2)で示される構造単位を含む親水性セグメントと、イオン交換基を実質的に含有しない、または、イオン交換量が親水性セグメントよりも少ない一般式(3)または(4)で示される構造単位を含む疎水性セグメントからなり、疎水性セグメントの数平均分子量Mnが1.0×104〜5.0×104または重量平均分子量Mwが1.5×104〜1.5×105であり、疎水性セグメントのみを製膜した膜のガラス転移温度が親水性セグメントのみを製膜した膜のガラス転移温度に対し、同一または高温であることを特徴とする燃料電池用固体高分子電解質。 A hydrophilic segment containing a structural unit represented by the general formula (1) or (2) containing an ion exchange group, and a general one containing substantially no ion exchange group or having a smaller ion exchange amount than the hydrophilic segment It consists of a hydrophobic segment containing the structural unit represented by formula (3) or (4), and the number average molecular weight Mn of the hydrophobic segment is 1.0 × 10 4 to 5.0 × 10 4 or the weight average molecular weight Mw is 1. 0.5 × 10 4 to 1.5 × 10 5 , and the glass transition temperature of the film formed with only the hydrophobic segment is the same or higher than the glass transition temperature of the film formed with only the hydrophilic segment. A solid polymer electrolyte for a fuel cell. 請求項1,2,8,9又は11の固体高分子電解質を成膜してなる燃料電池用高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the solid polymer electrolyte according to claim 1, 2, 8, 9, or 11. 燃料電池用固体高分子電解質膜のイオン交換基を金属で置換した後に小角X線散乱により分析する分析方法。   An analysis method in which an ion exchange group of a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell is replaced with a metal and then analyzed by small angle X-ray scattering. 高分子電解質膜と、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が請求項12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 joint 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. In the body,
A membrane / electrode assembly, wherein the polymer electrolyte membrane is the polymer electrolyte membrane according to claim 12.
請求項14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 14.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009245937A (en) * 2008-03-11 2009-10-22 Sumitomo Chemical Co Ltd Polymer electrolyte membrane
JP2013080701A (en) * 2011-09-21 2013-05-02 Toray Ind Inc Polymer electrolyte composition compact and solid polymer fuel cell including the same
JP2017538661A (en) * 2014-10-28 2017-12-28 エルジー・ケム・リミテッド Fluorine compound for blankers, polymer using the same, and polymer electrolyte membrane using the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005119822A1 (en) * 2004-06-01 2005-12-15 Ube Industries, Ltd. Polyelectrolyte film for solid polymer type fuel cell
JP2008007682A (en) * 2006-06-30 2008-01-17 Toray Ind Inc Epoxy resin composition, prepreg and fiber-reinforced composite material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005119822A1 (en) * 2004-06-01 2005-12-15 Ube Industries, Ltd. Polyelectrolyte film for solid polymer type fuel cell
JP2008007682A (en) * 2006-06-30 2008-01-17 Toray Ind Inc Epoxy resin composition, prepreg and fiber-reinforced composite material

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009245937A (en) * 2008-03-11 2009-10-22 Sumitomo Chemical Co Ltd Polymer electrolyte membrane
JP2013080701A (en) * 2011-09-21 2013-05-02 Toray Ind Inc Polymer electrolyte composition compact and solid polymer fuel cell including the same
JP2017538661A (en) * 2014-10-28 2017-12-28 エルジー・ケム・リミテッド Fluorine compound for blankers, polymer using the same, and polymer electrolyte membrane using the same

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