JP2010003571A - Polymer electrolyte - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte for a fuel cell with excellent protonic conductivity and handleability useful as electrolyte for a fuel cell as a constituent material for a solid polymer fuel cell and a direct-methanol fuel cell. <P>SOLUTION: The electrolyte for a fuel cell is structured of a polymeric copolymer having a hydrophilic site with a sulfonic acid group as a side chain and a repetition unit not showing protonic conductivity as a main chain. A ratio (mol%) of the repetition unit not showing protonic conductivity is within a range of 0 to 20 to a repetition unit 1 showing protonic conductivity, and a weight-average molecular weight is within a range of 10,000 to 200,000. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用電解質またはその製造方法、並びに、それらを使用した固体高分子形燃料電池およびその構成材料に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte for a fuel cell or a method for producing the same, a polymer electrolyte fuel cell using them, and a constituent material thereof.

プロトン伝導性置換基を含有する高分子電解質は、燃料電池、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料として使用される。これらの中でも、燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。プロトン伝導性置換基を有する高分子電解質を使用する固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コンジェネレーションシステム、および民間用小型携帯機器などへの適用が検討されている。特にメタノールを直接燃料に使用する直接メタノール型燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには、あるいは、また、高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民間用小型携帯機器への応用が期待されている。固体高分子形燃料電池のガス拡散電極は、燃料(メタノールや水素など)が供給されるアノード触媒層、酸化剤(酸素や空気など)が供給されるカソード触媒層と燃料および酸化剤を拡散させる拡散層とから成り立っており、この触媒層の形成材料には、燃料電池用触媒や高分子電解質などが含まれている。   Polymer electrolytes containing proton conductive substituents are used as raw materials for electrochemical devices such as fuel cells, humidity sensors, gas sensors, and electrochromic display devices. Among these, fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. Solid polymer fuel cells that use polymer electrolytes with proton-conducting substituents can be operated at low temperatures and can be reduced in size, weight, mobile vehicles such as automobiles, household cogeneration systems, and civilian use. Application to small portable devices is under consideration. In particular, direct methanol fuel cells that use methanol directly as fuel have a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and / or characteristics such as high energy density. As such, it is expected to be applied to small portable devices for private use such as mobile phones and notebook computers. A gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell diffuses a fuel and an oxidant to an anode catalyst layer to which a fuel (methanol, hydrogen, etc.) is supplied, a cathode catalyst layer to which an oxidant (oxygen, air, etc.) is supplied The material for forming the catalyst layer includes a fuel cell catalyst, a polymer electrolyte, and the like.

従来用いられている高分子電解質としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。しかしながら、ナフィオン(登録商標)は、フッ素系高分子電解質であるため、使用原料が高く、また複雑な製造工程を経るため、非常に高価である。さらに、その樹脂はメタノールに可溶性であることに加え、メタノールおよび水に対して膨潤しやすいことから、常にメタノール雰囲気下にさらされる直接メタノール形燃料電池(以下、DMFC)の電解質材料として不適であった。   As a polymer electrolyte conventionally used, perfluorocarbon sulfonic acid resins represented by Nafion (registered trademark) have been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid resin has high proton conductivity and is said to be excellent in chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, since Nafion (registered trademark) is a fluorine-based polymer electrolyte, the raw material used is high, and it is very expensive because it undergoes a complicated manufacturing process. Further, since the resin is soluble in methanol and easily swells in methanol and water, it is not suitable as an electrolyte material for a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) that is always exposed to a methanol atmosphere. It was.

このような観点から、ナフィオン(登録商標)に代わる高分子電解質が検討され、提案されている。例えば、非特許文献1では、スルホン化の容易なフェニル基を分子内に多く含む構造を有し、高温安定性を有するポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)(以下PPPOと略す)を用い、これをスルホン化処理することで得られる、イオン交換容量(以下IECと略す)が0.7〜2.8meq./gの高分子電解質(スルホン化ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)(以下S−PPPOと略す))が例示されている。しかしこの文献においては、S−PPPOはIECが2.6meq./g以上では水に溶解してしまうことが示されており、燃料電池用電解質膜としては使用できないものであった。   From such a viewpoint, a polymer electrolyte replacing Nafion (registered trademark) has been studied and proposed. For example, in Non-Patent Document 1, poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide) (hereinafter referred to as PPPO) having a structure containing many phenyl groups easily sulfonated in the molecule and having high-temperature stability. The ion exchange capacity (hereinafter abbreviated as IEC) obtained by sulfonation treatment of 0.7 to 2.8 meq. / G polymer electrolyte (sulfonated poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide) (hereinafter abbreviated as S-PPPO)). However, in this document, S-PPPO has an IEC of 2.6 meq. It has been shown that it dissolves in water at / g or more and cannot be used as an electrolyte membrane for fuel cells.

また特許文献1ではポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)のキャスト膜を混合溶媒系にてクロロスルホン酸を用いてスルホン化した、S−PPPOを電解質として用いており、メタノール透過量の抑制に効果的であったと例示されている。しかし、プロトン伝導度は十分でなく、これ以上の伝導度を得るためにはスルホン酸基の導入量を上げる事が必要であるが、非特許文献1と同様の理由で困難である。   In Patent Document 1, poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide) cast film is sulfonated with chlorosulfonic acid in a mixed solvent system, and S-PPPO is used as an electrolyte. It is exemplified that it was effective in suppressing the amount of permeation. However, proton conductivity is not sufficient, and in order to obtain conductivity higher than this, it is necessary to increase the amount of sulfonic acid groups introduced, but this is difficult for the same reason as in Non-Patent Document 1.

また特許文献2では、スルホン化ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)とスルホン化されてないポリエーテルスルホンをブロック共重合体として主鎖に持つ高分子電解質が開示され、ランダムにスルホン酸基が導入された高分子電解質と比較して、プロトン伝導度が同等以上であり、かつ吸水率は相対的に低く抑えられ、耐水性に優れていたと考察されている。しかし主鎖にスルホン酸基を含む事から、含水による強度の低下が懸念される。   Patent Document 2 discloses a polyelectrolyte having a sulfonated poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide) and an unsulfonated polyethersulfone as a block copolymer in the main chain. Compared with a polymer electrolyte into which a sulfonic acid group is introduced, the proton conductivity is equivalent or higher, the water absorption rate is relatively low, and the water resistance is considered excellent. However, since a sulfonic acid group is contained in the main chain, there is a concern that strength is reduced due to water content.

特許文献3では従来のポリアリーレンからなる高分子電解質では不十分な、耐久性や耐熱水性あるいはプロトン伝導効率の改善を志向し、スルホン酸基を規則的に側鎖に導入し、触媒との接触改善を試みた電解質が開示されている。しかし側鎖はランダムに導入されるのみであり、その効果は限られている。   Patent Document 3 aims to improve durability, hot water resistance or proton conduction efficiency, which is insufficient with a conventional polyarylene polymer electrolyte, and regularly introduces sulfonic acid groups into the side chain to contact the catalyst. An improved electrolyte has been disclosed. However, the side chains are only introduced randomly and their effects are limited.

特許文献4では側鎖に超強酸基を有する、主鎖が芳香族系の高分子が開示されているが、パーフルオロ系の高価な試薬が使用されており、コスト面から実用化には課題がある。
New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 796−800 特開2004−273286号公報 特開2001−250567号公報 特開2005−82757号公報 特開2004−2596号公報
Patent Document 4 discloses a polymer having a super strong acid group in the side chain and an aromatic main chain, but an expensive perfluoro-based reagent is used, and there is a problem in practical use from the viewpoint of cost. There is.
New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 794-800 JP 2004-273286 A JP 2001-250567 A JP 2005-82757 A Japanese Patent Laid-Open No. 2004-2596

本発明の目的は、上記問題を鑑みてなされたものであり、固体高分子形燃料電池、直接メタノ−ル形燃料電池の高分子電解質膜、触媒層用のバインダーとして有用な高分子電解質を提供することである。つまり、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質、またそれを用いた水による膨潤を抑えた高分子電解質膜、触媒層用バインダー、を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a polymer electrolyte useful as a binder for a solid polymer fuel cell, a direct methanol fuel cell polymer electrolyte membrane, and a catalyst layer. It is to be. In other words, it is an inexpensive hydrocarbon-based material with a variety of chemical structures, has a high ion exchange capacity site that is advantageous for conductivity, especially in low moisture conditions, and has high proton conductivity. It is to provide a molecular electrolyte, a polymer electrolyte membrane using the molecular electrolyte, and a catalyst layer binder that suppresses swelling due to water.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、少なくとも、下記式(1)で示される高分子化合物であり、側鎖にイオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位を含むことを特徴とする高分子電解質から得られた燃料電池用電解質膜が優れたプロトン伝導性と低膨潤性を示すこと及び、安価に入手容易な原料から、上記高分子電解質が簡便に製造できることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明は、かかる新知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention are at least a polymer compound represented by the following formula (1), and have an ion exchange capacity of 3.0 meq. / G to 6.5 meq. The electrolyte membrane for a fuel cell obtained from a polymer electrolyte characterized by containing an electrolyte portion of / g shows excellent proton conductivity and low swellability, and the above-mentioned polymer is obtained from a raw material that is easily available at low cost. The inventors have found that the electrolyte can be easily produced, and have completed the present invention. The present invention has been completed based on such new findings and includes the following inventions.

(式中、Arは炭素数6〜30の芳香環を表す。Gは電解質部位を表す。Bは直接結合あるいは−O−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Wは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Yは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−、−O−Ar'−O−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。a、b、c、dは1〜4の整数を表し、sは1〜10の整数を表し、qは1〜50の整数を表し、mおよびnは1〜100の整数を表す。)
すなわち本発明は、下記式(1)で示される高分子化合物であり、側鎖にイオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位を含むことを特徴とする燃料電池用電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, Ar represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms. G represents an electrolyte moiety. B represents a direct bond or —O—Ar′—, —CO—Ar′—, —SO 2 —Ar′—). (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms, in which part or all of the hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms or unsubstituted. When there are a plurality of aromatic rings, these may be directly bonded, Divalent —O—, —CO—, and —SO 2 —, which may be the same or different from each other. W may be the same or different from each other, and W is a direct bond or a linking group selected from —O—, —CO—, and —SO 2 —, and when there are a plurality thereof, they may be the same or different. Y may be a direct bond or —O—, —CO—, —SO 2 —, —O—A. r′—O— (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms in which a part or all of hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms or unsubstituted. When there are plural aromatic rings, these are directly bonded. Or may be linked by divalent —O—, —CO—, —SO 2 —, which may be the same or different.) When there are a plurality, they may be the same or different from each other, R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, and when there are a plurality, they may be the same as each other A, b, c and d each represent an integer of 1 to 4, s represents an integer of 1 to 10, q represents an integer of 1 to 50, and m and n are 1 to 100. Represents an integer.)
That is, the present invention is a polymer compound represented by the following formula (1), and has an ion exchange capacity of 3.0 meq. / G to 6.5 meq. The present invention relates to a fuel cell electrolyte or a method for producing the same.

(式中、Arは炭素数6〜30の芳香環を表す。Gは電解質部位を表す。Bは直接結合あるいは−O−Ar'−、−O−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Wは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Yは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−、−O−Ar'−O−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。a、b、c、dは1〜4の整数を表し、sは1〜10の整数を表し、qは1〜50の整数を表し、mおよびnは1〜100の整数を表す。)
また本発明は、上記式(1)に記載の電解質部位が、下記式(2)で示される部位をスルホン化し3.0meq./g〜6.5meq./gのイオン交換容量にしたものであることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, Ar represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms. G represents an electrolyte moiety. B represents a direct bond or —O—Ar′—, —O—Ar′—, —CO—Ar′—, —SO 2 —Ar ′ — (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms, in which part or all of the hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms, or an unsubstituted aromatic ring. Or a divalent —O—, —CO— or —SO 2 — group, which may be the same or different. Yes, when present in plural, they may be the same or different from each other W is a direct bond or a linking group selected from —O—, —CO—, —SO 2 —, and when present in plural, Y may be the same as or different from each other, Y may be a direct bond or —O—, —CO—, —S. 2 -, -. O-Ar' -O- (Ar ' some or all hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms, or an aromatic ring is more representative of the unsubstituted aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms In this case, they may be directly bonded or may be linked by divalent —O—, —CO— or —SO 2 —, which may be the same or different. In the case where a plurality of linking groups are present, they may be the same or different from each other, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, They may be the same or different from each other, a, b, c, and d represent an integer of 1 to 4, s represents an integer of 1 to 10, q represents an integer of 1 to 50, m and n represents an integer of 1 to 100.)
In the present invention, the electrolyte moiety described in the above formula (1) is sulfonated at 3.0 meq. / G to 6.5 meq. The present invention relates to a polymer electrolyte characterized by having an ion exchange capacity of / g or a method for producing the same.

(式中、Aは−O−、−S−、−NH−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合互いに同一であっても異なっていても良い。R5はそれぞれ独立に水素原子、炭素数6〜30のアリール基、置換アリール基、アリールオキシ基であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。oは1〜4の整数を表し、lは1〜50の整数を表す。)
また本発明は、上記式(1)で示される高分子の主鎖が、下記式(3)で示される部位と下記式(4)で示される部位を重合させることによりなることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, A is a linking group selected from —O—, —S—, and —NH—, and when there are a plurality thereof, they may be the same or different. R 5 is independently a hydrogen atom, When there are a plurality of aryl groups, substituted aryl groups, and aryloxy groups having 6 to 30 carbon atoms, they may be the same or different from each other, o represents an integer of 1 to 4, and l represents 1 to 50 Represents an integer.)
The present invention is also characterized in that the main chain of the polymer represented by the above formula (1) is obtained by polymerizing a site represented by the following formula (3) and a site represented by the following formula (4). The present invention relates to a polymer electrolyte or a method for producing the same.

(式中、Ar、G、B、W、Y、R1、R2、R3、R4およびb、c、s、qは前記と同様である。a'とd'は1〜5の整数を表す。) (In the formula, Ar, G, B, W, Y, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and b, c, s, q are the same as described above. A ′ and d ′ are 1-5. Represents an integer.)

(式中、W、Y、mは前記と同様である。)
また本発明は、上記式(3)が、下記式(5)で示される部位と、下記式(6)で示される部位を反応させて得られることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(W, Y, m in the formula are the same as above.)
In addition, the present invention provides the polymer electrolyte obtained by reacting the site represented by the following formula (5) with the site represented by the following formula (6), or a method for producing the same. About.

(式中、Ar、G、B、Yおよびsは前記と同様である。) (In the formula, Ar, G, B, Y and s are the same as described above.)

(式中、W、R1、R2は前記と同様である。a'とb'は1〜5の整数を表す。)
また、本発明の高分子電解質は、上記式(5)が、下記式(7)で示される部位と、上記式(2)で示される電解質前駆体部位を反応させて得たものであることを特徴とする。
(Wherein W, R 1 and R 2 are the same as described above. A ′ and b ′ represent an integer of 1 to 5)
In the polymer electrolyte of the present invention, the above formula (5) is obtained by reacting the site represented by the following formula (7) with the electrolyte precursor site represented by the above formula (2). It is characterized by.

(式中、Ar、B、Yおよびsは前記と同様である。)
また本発明は、上記式(1)に記載の高分子電解質が、上記式(2)で示される部位、あるいは上記式(2)で示される部位とAr'とを反応させたもののいずれかと、下記式(8)で示される部位を反応させた後、スルホン化することより得られることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, Ar, B, Y and s are the same as described above.)
Further, the present invention provides a polymer electrolyte according to the above formula (1), either a site represented by the above formula (2) or a site obtained by reacting a site represented by the above formula (2) with Ar ′, The present invention relates to a polymer electrolyte obtained by reacting a site represented by the following formula (8) and then sulfonating or a method for producing the same.

(式中、Ar、W、Y、R1、R2、R3、R4およびa、b、c、d、s、qは前記と同様である。B'は水酸基、−O−Ar'−、−O−Ar'、−CO−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。)
また本発明は、上記式(8)が、上記式(6)で示される部位と下記式(9)で示される部位とを重合させた後、脱保護した脱保護体、あるいは脱保護の後、Ar'と反応させたものであることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, Ar, W, Y, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and a, b, c, d, s, and q are the same as above. B ′ is a hydroxyl group, —O—Ar ′. —, —O—Ar ′, —CO—Ar′— (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms in which part or all of the hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms or unsubstituted. When there are a plurality of these, they may be directly bonded or may be linked by divalent —O—, —CO— or —SO 2 —, and these may be the same or different. And when there are a plurality of linking groups, they may be the same as or different from each other.)
In the present invention, the deprotection product after the deprotection or deprotection after the above formula (8) has polymerized the site represented by the above formula (6) and the site represented by the following formula (9): , Ar ′, and a polymer electrolyte, or a method for producing the same.

(式中、Ar、Yおよびsは前記と同様である。Rは水酸基の保護基を表す。)
また本発明は、上記式(2)が、下記式(10)に示される構造であり、スルホン酸基を導入後、イオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位となることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, Ar, Y and s are the same as described above. R represents a hydroxyl-protecting group.)
In the present invention, the above formula (2) has a structure represented by the following formula (10), and after introducing a sulfonic acid group, the ion exchange capacity is 3.0 meq. / G to 6.5 meq. The present invention relates to a polymer electrolyte or a method for producing the same.

(式中、Aおよびlは前記と同様であり、R6はそれぞれ独立に水素原子、炭素数6〜30のアリール基、置換アリール基、アリールオキシ基であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。rは1〜3の整数を表す。)
また本発明は、上記式(10)が、下記式(11)に示される構造からなることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, A and l are the same as defined above, and R 6 is each independently a hydrogen atom, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted aryl group, or an aryloxy group. Or r may be different, and r represents an integer of 1 to 3.)
The present invention also relates to a polymer electrolyte, wherein the formula (10) has a structure represented by the following formula (11) or a method for producing the same.

(式中、lは前記と同様である。)
また本発明は、上記式(11)で示される部位にスルホン酸基が導入された、イオン交換容量が4.0meq./g〜5.0meq./gである電解質部位を有することを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。
(In the formula, l is the same as described above.)
Further, the present invention has an ion exchange capacity of 4.0 meq. In which a sulfonic acid group is introduced at the site represented by the above formula (11). /G-5.0 meq. The present invention relates to a polymer electrolyte having an electrolyte portion of / g or a method for producing the same.

また本発明は、主鎖にポリエーテルスルホン構造を含む芳香族高分子であることを特徴とする高分子電解質またはその製造方法に関する。   The present invention also relates to a polymer electrolyte, which is an aromatic polymer containing a polyethersulfone structure in the main chain, or a method for producing the same.

本発明の高分子電解質複合体は、前記の高分子電解質を少なくとも1つ含み、かつスルホン酸基を持たない高分子化合物を含むものである。   The polymer electrolyte composite of the present invention contains at least one polymer electrolyte and a polymer compound having no sulfonic acid group.

本発明の高分子電解質膜は、前記高分子電解質を含むものである。   The polymer electrolyte membrane of the present invention contains the polymer electrolyte.

本発明の燃料電池用触媒層は、前記高分子電解質を含むものである。   The catalyst layer for a fuel cell of the present invention contains the polymer electrolyte.

本発明の膜電極接合体は、前記高分子電解質、前記高分子電解質膜、前記燃料電池用触媒層、のいずれかを含むものである。   The membrane electrode assembly of the present invention includes any one of the polymer electrolyte, the polymer electrolyte membrane, and the fuel cell catalyst layer.

本発明の固体高分子形燃料電池は、前記高分子電解質、前記高分子電解質膜、前記燃料電池用触媒層、前記膜電極接合体、のいずれかを含むものである。   The solid polymer fuel cell of the present invention includes any of the polymer electrolyte, the polymer electrolyte membrane, the fuel cell catalyst layer, and the membrane electrode assembly.

本発明の直接メタノール形燃料電池は、前記高分子電解質、前記高分子電解質膜、前記燃料電池用触媒層、前記膜電極接合体、のいずれかを含むものである。   The direct methanol fuel cell of the present invention includes any of the polymer electrolyte, the polymer electrolyte membrane, the fuel cell catalyst layer, and the membrane electrode assembly.

本発明によれば、下記式(1)で示される高分子化合物であり、側鎖にイオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位を含む高分子電解質を燃料電池用電解質膜として用いることにより、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質を提供することができる。   According to the present invention, the polymer compound represented by the following formula (1) has an ion exchange capacity of 3.0 meq. / G to 6.5 meq. By using a polymer electrolyte containing an electrolyte portion of / g as an electrolyte membrane for fuel cells, it is an inexpensive hydrocarbon-based material having a variety of chemical structures, and in particular, conductivity in a low moisture state It is possible to provide a polymer electrolyte having a high ion exchange capacity site advantageous to the above and having excellent proton conductivity.

(式中、Arは炭素数6〜30の芳香環を表す。Gは電解質部位を表す。Bは直接結合あるいは−O−Ar'−、−O−Ar'−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された芳香環、あるいは無置換の芳香環を表す。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Wは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Yは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−、−O−Ar'−O−、−O−Ar'−Ar'−O−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された芳香環、あるいは無置換の芳香環を表す。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。a、b、c、dは1〜4の整数を表し、sは1〜10の整数を表し、qは1〜50の整数を表し、mおよびnは1〜100の整数を表す。)
また、この高分子電解質を高分子電解質膜、触媒層バインダーに用いることによって、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質膜、触媒層バインダーを得ることができる。さらに、スルホン酸基を持たない高分子化合物との複合化、架橋構造の導入により、もとの高分子電解質の持つ優れた特性に合わせて、機械強度、膨潤抑制、長期耐久性などの高性能な高分子電解質膜、触媒層バインダーを得ることができる。
(In the formula, Ar represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms. G represents an electrolyte moiety. B represents a direct bond or —O—Ar′—, —O—Ar′—Ar′—, —CO—Ar). A connecting group selected from '-, -SO 2 -Ar'- (Ar' represents an aromatic ring in which some or all of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, or an unsubstituted aromatic ring); When present, they may be the same as or different from each other, W is a direct bond or a linking group selected from —O—, —CO—, and —SO 2 —, Y may be a direct bond or —O—, —CO—, —SO 2 —, —O—Ar′—O—, —O—Ar′—Ar′—O— (Ar 'Represents an aromatic ring in which some or all of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, or an unsubstituted aromatic ring. R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, and when there are a plurality of linking groups, They may be the same or different from each other, a, b, c, and d represent an integer of 1 to 4, s represents an integer of 1 to 10, q represents an integer of 1 to 50, m and n represents an integer of 1 to 100.)
In addition, by using this polymer electrolyte as a polymer electrolyte membrane and catalyst layer binder, it is an inexpensive hydrocarbon-based material with a variety of chemical structures, and its conductivity, especially in low moisture conditions, A polymer electrolyte membrane and a catalyst layer binder having an advantageous high ion exchange capacity site and excellent proton conductivity can be obtained. Furthermore, by combining with a polymer compound that does not have a sulfonic acid group and introducing a cross-linked structure, high performance such as mechanical strength, suppression of swelling, and long-term durability is achieved in accordance with the excellent properties of the original polymer electrolyte. A polymer electrolyte membrane and a catalyst layer binder can be obtained.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではないことを念のため付言しておく。
(1.本発明の高分子電解質)
本発明の高分子電解質は、少なくとも、下記式(1)で示される高分子化合物であり、側鎖にイオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位を有していればよく、その他の成分、形態および製造条件等の具体的な構成については、特に限定されるものではない。このような構成とすることで、優れたプロトン伝導性を発現する。これらを、膜形状に加工して、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として使用することで、優れた発電特性を示すことができ好ましい。また、燃料電池用触媒と組み合わせて燃料電池用触媒層を形成し、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池のアノードあるいはカソード触媒層として使用することで、優れた発電特性を示すことができ好ましい。
An embodiment of the present invention will be described as follows. It should be noted that the present invention is not limited to the following description.
(1. Polymer electrolyte of the present invention)
The polymer electrolyte of the present invention is at least a polymer compound represented by the following formula (1), and has an ion exchange capacity of 3.0 meq. / G to 6.5 meq. As long as it has an electrolyte part of / g, the specific components such as other components, forms and production conditions are not particularly limited. With such a configuration, excellent proton conductivity is exhibited. These are preferably processed into a membrane shape and used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, since excellent power generation characteristics can be exhibited. In addition, a fuel cell catalyst layer is formed in combination with a fuel cell catalyst and used as an anode or cathode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell. This is preferable.

(式中、Arは炭素数6〜30の芳香環を表す、Gは電解質部位を表す。Bは直接結合あるいは−O−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Wは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Yは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−、−O−Ar'−O−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。a、b、c、dは1〜4の整数を表し、sは1〜10の整数を表し、qは1〜50の整数を表し、mおよびnは1〜100の整数を表す。)
本発明の高分子電解質について更に詳しく説明する。上記式(1)において、Arは炭素数6〜30の芳香環を表し、主な芳香環としてはベンゼン、ナフタレン、ビフェニルが挙げられ、また、複素環式芳香環としてピリジン、ベンズイミダゾールなどが列挙できる。
(In the formula, Ar represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms, G represents an electrolyte moiety, and B represents a direct bond or —O—Ar′—, —CO—Ar′—, —SO 2 —Ar′—). (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms, in which part or all of the hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms or unsubstituted. When there are a plurality of aromatic rings, these may be directly bonded, Divalent —O—, —CO—, and —SO 2 —, which may be the same or different from each other. W may be the same or different from each other, and W is a direct bond or a linking group selected from —O—, —CO—, and —SO 2 —, and when there are a plurality thereof, they may be the same or different. Y may be a direct bond or —O—, —CO—, —SO 2 —, —O—A. r′—O— (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms in which a part or all of hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms or unsubstituted. When there are plural aromatic rings, these are directly bonded. Or may be linked by divalent —O—, —CO—, —SO 2 —, which may be the same or different.) When there are a plurality, they may be the same or different from each other, R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, and when there are a plurality, they may be the same as each other A, b, c and d each represent an integer of 1 to 4, s represents an integer of 1 to 10, q represents an integer of 1 to 50, and m and n are 1 to 100. Represents an integer.)
The polymer electrolyte of the present invention will be described in more detail. In the above formula (1), Ar represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms, examples of the main aromatic ring include benzene, naphthalene, and biphenyl, and examples of the heterocyclic aromatic ring include pyridine and benzimidazole. it can.

また上記式(1)において、Gは電解質部位を表し、下記式(2)で示され、   In the above formula (1), G represents an electrolyte site and is represented by the following formula (2).

式中Aは−O−、−S−、−NH−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合互いに同一であっても異なっていても良い。R5はそれぞれ独立に水素原子、炭素数6〜30のアリール基、置換アリール基、アリールオキシ基であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。具体的にはフェニル基、ナフチル基、4−フェニルフェニル基、4−フェノキシフェニル基などが列挙でき、モノマーの入手の容易さなどから水素原子、フェニル基であることが好ましい。lは1〜50の整数を表し、好ましくは1〜20である。20より大きいと、水やメタノールに対する膨潤が大きくなる場合がある。oは1〜3の整数を表す。 In the formula, A is a linking group selected from —O—, —S—, and —NH—, and when there are a plurality of them, they may be the same or different. R 5 is independently a hydrogen atom, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted aryl group, or an aryloxy group, and when there are a plurality of R 5 s , they may be the same or different. Specifically, a phenyl group, a naphthyl group, a 4-phenylphenyl group, a 4-phenoxyphenyl group and the like can be listed, and a hydrogen atom and a phenyl group are preferable from the standpoint of availability of monomers. l represents an integer of 1 to 50, preferably 1 to 20. If it is greater than 20, swelling with water or methanol may increase. o represents an integer of 1 to 3.

また上記式(1)において、Bは直接結合あるいは−O−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−から選ばれる連結基であり、Ar'としては、例えば下記式(12a)〜(12c)などより選ばれる2価の芳香族基が挙げられる。 In the above formula (1), B is a direct bond or a linking group selected from —O—Ar′—, —CO—Ar′—, and —SO 2 —Ar′—. And divalent aromatic groups selected from (12a) to (12c).

(R7〜R11はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。e、f、g、h、iは1〜4の整数を表し
複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Vは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。tは0〜5の整数を表す。)
また上記式(1)において、Wは直接結合あるいは二価の連結基であり、具体的には−O−、−CO−、−SO2−などが挙げられ、例えばポリエーテルスルホンの場合、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホンと4,4'−ジクロロジフェニルスルホンとを重縮合して合成することができる。主鎖共重合体がブロックの場合、ポリエーテルスルホンからなるブロックの重量平均分子量は250〜50000が好ましく、より好ましくは250〜20000のものである。50000より大きいと溶解性が低下し、ハンドリング性が悪化する場合がある。
(R 7 to R 11 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, and when a plurality of R 7 to R 11 are present, they may be the same or different. E, f, g, h, and i are integers of 1 to 4). And when present in plural, they may be the same or different from each other, and V is a direct bond or a linking group selected from —O—, —CO—, and —SO 2 —. (It may be the same or different. T represents an integer of 0 to 5.)
In the above formula (1), W is a direct bond or a divalent linking group, and specifically includes —O—, —CO—, —SO 2 —, and the like. , 4′-dihydroxydiphenylsulfone and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone can be synthesized by polycondensation. When the main chain copolymer is a block, the weight average molecular weight of the block made of polyethersulfone is preferably 250 to 50000, more preferably 250 to 20000. If it is larger than 50000, the solubility may be lowered and the handling property may be deteriorated.

また上記式(1)において、Yは直接結合あるいは二価の連結基であり、具体的には、−O−、−CO−、−SO2−、−O−Ar'−O−などが挙げられ、Ar'としては、上記式(12a)〜(12c)などより選ばれる2価の芳香族基が挙げられる。これらは、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。 In the above formula (1), Y is a direct bond or a divalent linking group, and specific examples include —O—, —CO—, —SO 2 —, —O—Ar′—O—, and the like. Ar ′ includes a divalent aromatic group selected from the above formulas (12a) to (12c). When there are a plurality of these, they may be the same or different.

また上記式(1)において、R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子を表すが、ハロゲン原子としては、フッ素原子が反応性の高さから好ましく、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。a、b、c、dは芳香環の置換基の数を表し、1〜4の範囲である。sは1〜10の整数を表し、lの長さとの兼ね合いではあるが、好ましくは1〜5の範囲である。qは1〜50の整数を表し、好ましくは1〜30である。mおよびnは1〜100の整数を表す。 In the above formula (1), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent a hydrogen atom or a halogen atom, and as the halogen atom, a fluorine atom is preferable because of its high reactivity, and there are a plurality of them. In this case, they may be the same as or different from each other. a, b, c, and d represent the number of substituents on the aromatic ring and are in the range of 1-4. s represents an integer of 1 to 10 and is a balance with the length of l, but is preferably in the range of 1 to 5. q represents an integer of 1 to 50, preferably 1 to 30. m and n represent an integer of 1 to 100.

本発明の高分子電解質における、上記式(3)について更に詳しく説明する。上記式(3)において、Ar、G、B、W、Y、R1、R2、R3、R4およびb、c、s、qは前記と同様である。a'とd'は1〜5の整数を表す。
(2.本発明の高分子電解質の製造方法)
次に本発明の高分子電解質に係る製造方法について一例をあげて説明する。なお、本発明の高分子電解質の製造方法は以下に限定されるものではない。
(2−1.上記一般式(2)の製造方法)
本発明の電解質部位は、重合法の一般的な方法(「新高分子実験学3 高分子の合成法・反応(2)縮合系高分子の合成」p.350−359、(1996)共立出版株式会社)などを適用することができる。例えば、ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)の場合、2,6−ジフェニルフェノールを触媒及び酸素存在下に行う酸化重合や、モノマーをハロゲン化した後、触媒存在下塩基条件にて行うウルマン反応あるいは相間移動触媒を利用した重合により製造できる。
(2−2.上記一般式(1)の高分子電解質の製造方法)
次に、本発明の高分子電解質の製造方法について説明する。2種以上の前駆体を化学結合させて高分子量化させる方法には特に制限は無く、重合するモノマーの反応性によって適宜定める事ができる。重合法の詳細は一般的な方法(「高分子の合成と反応(2)」p.249−255、(1991)共立出版株式会社)を適用することができる。高分子量化する際、モノマーを2種以上混合して重合する方法や、一種のモノマーを重合した後に2種目のモノマーあるいはポリマーを添加する方法などが挙げられる。これらの方法を用い、または組み合わせることにより、ブロック共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、マルチブロック共重合体またはグラフト共重合体などを製造する事が可能である。また、モノマー中に副反応を起こしうる官能基を有する場合、公知の方法(「Protective Groups in Organic Synthesis(THIRD EDITION)」p.17−148、(1999)WILEY−INTERSCIENCE)を用いて副反応を起こしうる官能基を保護した後に重合し、得られた重合体を脱保護して官能基を有する重合体を得る事もでき、例えば水酸基がアルコキシ基、またはシロキシ基などで保護されたモノマーを用いて重合した後に、保護基を適当な条件下で脱保護する方法が挙げられる。
The above formula (3) in the polymer electrolyte of the present invention will be described in more detail. In the above formula (3), Ar, G, B, W, Y, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and b, c, s, q are the same as described above. a ′ and d ′ each represent an integer of 1 to 5.
(2. Method for producing polymer electrolyte of the present invention)
Next, an example is given and demonstrated about the manufacturing method which concerns on the polymer electrolyte of this invention. In addition, the manufacturing method of the polymer electrolyte of this invention is not limited to the following.
(2-1. Production Method of General Formula (2))
The electrolyte site of the present invention is a general method of polymerization (“New Polymer Experimental 3 Polymer Synthesis / Reaction (2) Condensation Polymer Synthesis” p. 350-359, (1996) Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.) Company) etc. can be applied. For example, in the case of poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide), oxidative polymerization in which 2,6-diphenylphenol is carried out in the presence of a catalyst and oxygen, or after halogenating a monomer, the basic conditions in the presence of the catalyst It can be produced by the Ullmann reaction carried out in step 1 or polymerization utilizing a phase transfer catalyst.
(2-2. Method for producing polymer electrolyte of general formula (1))
Next, the manufacturing method of the polymer electrolyte of this invention is demonstrated. There is no particular limitation on the method of chemically bonding two or more precursors to increase the molecular weight, and the method can be appropriately determined depending on the reactivity of the monomer to be polymerized. For the details of the polymerization method, a general method (“Synthesis and Reaction of Polymer (2)” p.249-255, (1991) Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.) can be applied. In order to increase the molecular weight, there are a method in which two or more monomers are mixed and polymerized, a method in which a second monomer or polymer is added after polymerizing a single monomer, and the like. By using or combining these methods, a block copolymer, a random copolymer, an alternating copolymer, a multiblock copolymer, a graft copolymer, or the like can be produced. In addition, when the monomer has a functional group capable of causing a side reaction, the side reaction is performed using a known method (“Protective Groups in Organic Synthesis (THIRD EDITION)” p. 17-148, (1999) WILEY-INTERSCIENCE). It is possible to obtain a polymer having a functional group by polymerizing after protecting the functional group that can occur, and deprotecting the obtained polymer. For example, using a monomer in which the hydroxyl group is protected by an alkoxy group or a siloxy group And a method of deprotecting the protecting group under suitable conditions after polymerization.

上記式(1)で表される高分子電解質を得るには、上記式(3)で表される末端にハロゲンが残存した化合物と上記式(4)で表される末端に水酸基が残存した化合物をアルカリ存在下に縮合する方法が挙げられる。また、上記式(8)で表される高分子電解質を得るには、上記式(6)で表される末端にハロゲンが残存した化合物と上記式(9)で表される末端に水酸基が残存した化合物をアルカリ存在下に縮合する方法が挙げられる。また、末端に水酸基が残存した化合物どうしを結合させる場合は、パーフルオロベンゼン、パーフルオロビフェニル、4,4'−ジクロロジフェニルスルホンなどの両末端ハロゲン化合物を加えることで同様の縮合反応で縮合させることもでき、一方、末端にハロゲンが残存した化合物どうしを結合させる場合は、4,4'−ヒドロキシジフェニルスルホンなどのジヒドロキシ化合物を加えることで同様の縮合反応で縮合させることもできる。アルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、金属ナトリウム、金属カリウム、金属リチウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化リチウム、トリエチルアミン、ピリジンなどが挙げられる。縮合反応は溶媒を用いない溶融状態でも行うことは可能であるが、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などが列挙でき、中でも溶解度からN,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶媒とジクロロベンゼンやトリクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒の混合系が好ましい。また、これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。重合反応工程の反応温度は重合反応に応じて適宜設定すればよい。具体的には最適使用範囲の20℃〜250℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜200℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば主鎖が切れる場合がある。   In order to obtain the polymer electrolyte represented by the above formula (1), a compound in which halogen remains at the terminal represented by the above formula (3) and a compound in which a hydroxyl group remains at the terminal represented by the above formula (4) And a method of condensing in the presence of an alkali. Moreover, in order to obtain the polymer electrolyte represented by the above formula (8), a compound in which halogen remains at the terminal represented by the above formula (6) and a hydroxyl group remaining at the terminal represented by the above formula (9). And a method of condensing the obtained compound in the presence of an alkali. In addition, when compounds having hydroxyl groups remaining at the ends are bonded to each other, they may be condensed in the same condensation reaction by adding halogen compounds at both ends such as perfluorobenzene, perfluorobiphenyl, and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone. On the other hand, in the case where compounds having halogen remaining at the ends are bonded to each other, they can be condensed by the same condensation reaction by adding a dihydroxy compound such as 4,4′-hydroxydiphenylsulfone. Examples of the alkali include sodium hydroxide, potassium hydroxide, potassium carbonate, metallic sodium, metallic potassium, metallic lithium, sodium hydride, potassium hydride, lithium hydride, triethylamine, pyridine and the like. The condensation reaction can be performed in a molten state without using a solvent, but it is preferably performed in a suitable solvent. Examples of the solvent include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents, and the like. Among them, N, N-dimethylacetamide, N, A mixed system of an amide solvent such as N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone and a halogen solvent such as dichlorobenzene or trichlorobenzene is preferable. Moreover, these may be used independently or may use 2 or more types together. What is necessary is just to set the reaction temperature of a polymerization reaction process suitably according to a polymerization reaction. Specifically, it may be set to 20 ° C. to 250 ° C. of the optimum use range, and more preferably 40 ° C. to 200 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction is slow, and if the temperature is high, the main chain may be broken.

上記式(8)がポリエーテルスルホン類である場合、その製造方法として特に制限を受ける事はないが、例えば、ジハロゲン化ジフェニルスルホンとジオールをアルカリ存在下に反応させる方法が挙げられる。ジハロゲン化ジフェニルスルホンとしては、4,4'−ジフルオ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、2,2'−ジフルオロジフェニルスルホン、2,2'−ジクロロジフェニルスルホンなどが列挙でき、これらは水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換されていてもよく、また2種以上の混合物であっても良い。ジオールとしては、例えばハイドロキノン、メトキシハイドロキノン、4,4'−ジヒドロキシビフェニル、2,2'−ジヒドロキシビフェニル、2,4'−ジヒドロキシビフェニル、4,4'−ジヒドロキシビフェニルエーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィドなどが列挙でき、これらは水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換されていても、ほかの置換基を有していてもよく、また2種以上の混合物であってもよい。   When the above formula (8) is a polyethersulfone, the production method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a dihalogenated diphenylsulfone and a diol are reacted in the presence of an alkali. Examples of the dihalogenated diphenyl sulfone include 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 2,2′-difluorodiphenyl sulfone, 2,2′-dichlorodiphenyl sulfone, and the like. Some or all of the atoms may be substituted with fluorine atoms, or a mixture of two or more. Examples of the diol include hydroquinone, methoxyhydroquinone, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 2,2′-dihydroxybiphenyl, 2,4′-dihydroxybiphenyl, 4,4′-dihydroxybiphenyl ether, and bis (4-hydroxyphenyl). Sulfides and the like can be enumerated, and these may have some or all of the hydrogen atoms substituted with fluorine atoms, may have other substituents, or may be a mixture of two or more.

上記式(7)で示される化合物のBが−O−Ar'の場合、例えば芳香族水酸基と上記Ar'をアルカリ条件下にて反応させればよい。また、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−の場合、例えば一方がカルボン酸ハロゲン化物あるいはスルホン酸ハロゲン化物で、残りの一方が水素原子であればよい。カルボン酸ハロゲン化物としてはカルボン酸クロリドあるいはカルボン酸フルオリドが挙げられ、スルホン酸ハロゲン化物としてはスルホン酸クロリド、スルホン酸フルオリドが挙げられる。これらを例えばルイス酸存在下にて反応させればよく、ルイス酸としては例えば塩化アルミニウム、塩化鉄、塩化アンチモン、塩化チタン、塩化ビスマスなどが列挙できる。この反応は溶媒を用いない溶融状態でも行うことは可能であるが、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては脂肪族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒などが列挙でき、中でもジクロロメタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒が溶解度から好ましい。反応温度は化合物に応じて適宜設定すればよい。具体的には最適使用範囲の−50℃〜250℃に設定すればよく、より好ましくは−20℃〜200℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば副反応が起こる場合がある。 When B of the compound represented by the formula (7) is —O—Ar ′, for example, an aromatic hydroxyl group and Ar ′ may be reacted under alkaline conditions. In the case of —CO—Ar′— and —SO 2 —Ar′—, for example, one may be a carboxylic acid halide or a sulfonic acid halide, and the other one may be a hydrogen atom. Examples of the carboxylic acid halide include carboxylic acid chloride and carboxylic acid fluoride, and examples of the sulfonic acid halide include sulfonic acid chloride and sulfonic acid fluoride. For example, aluminum chloride, iron chloride, antimony chloride, titanium chloride, bismuth chloride and the like can be listed as the Lewis acid. Although this reaction can be performed in a molten state without using a solvent, it is preferably performed in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aliphatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, and the like. Among them, halogen solvents such as dichloromethane, chlorobenzene, and dichlorobenzene are preferable from the viewpoint of solubility. What is necessary is just to set reaction temperature suitably according to a compound. Specifically, it may be set to −50 ° C. to 250 ° C. of the optimum use range, and more preferably −20 ° C. to 200 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction may be slow, and if the temperature is high, side reactions may occur.

上記式(5)で示される化合物の合成法としては、例えば上記式(2)で示される水酸基などの求核反応可能な部位を有する電解質前駆体部位と上記式(7)で示されるBの部位にハロゲン原子などの脱離基を有する化合物をアルカリ存在下反応させればよく、アルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、金属ナトリウム、金属カリウム、金属リチウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化リチウム、トリエチルアミン、ピリジンなどが挙げられる。反応は溶媒を用いない溶融状態でも行うことは可能であるが、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などが列挙でき、中でも溶解度からN,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶媒とジクロロベンゼンやトリクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒の混合系が好ましい。また、これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。反応温度は適宜設定すればよい。具体的には最適使用範囲の20℃〜250℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜200℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば副反応が起こる場合がある。   As a method for synthesizing the compound represented by the above formula (5), for example, an electrolyte precursor site having a site capable of nucleophilic reaction such as a hydroxyl group represented by the above formula (2) and B represented by the above formula (7) A compound having a leaving group such as a halogen atom at the site may be reacted in the presence of an alkali. Examples of the alkali include sodium hydroxide, potassium hydroxide, potassium carbonate, metallic sodium, metallic potassium, metallic lithium, and sodium hydride. , Potassium hydride, lithium hydride, triethylamine, pyridine and the like. The reaction can be performed in a molten state without using a solvent, but it is preferably performed in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents, and the like. Among them, N, N-dimethylacetamide, N, A mixed system of an amide solvent such as N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone and a halogen solvent such as dichlorobenzene or trichlorobenzene is preferable. Moreover, these may be used independently or may use 2 or more types together. What is necessary is just to set reaction temperature suitably. Specifically, it may be set to the optimum use range of 20 ° C to 250 ° C, more preferably 40 ° C to 200 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction may be slow, and if the temperature is high, side reactions may occur.

上記式(3)で示される化合物の合成法としては、例えば上記式(5)で示される水酸基などの求核反応可能な部位を有する化合物と上記式(6)で示される両末端にハロゲンを有する化合物をアルカリ存在下反応させればよく、両末端にハロゲンを有する化合物としては例えば、パーフルオロベンゼン、パーフルオロビフェニル、4,4'−ジフルオロジフェニルスルホンが挙げられる。アルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、金属ナトリウム、金属カリウム、金属リチウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化リチウム、トリエチルアミン、ピリジンなどが挙げられる。反応は溶媒を用いない溶融状態でも行うことは可能であるが、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒などが列挙でき、中でも溶解度からN,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド系溶媒とジクロロベンゼンやトリクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒の混合系が好ましい。また、これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。反応温度は適宜設定すればよい。具体的には最適使用範囲の20℃〜250℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜200℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば副反応が起こる場合がある。   As a synthesis method of the compound represented by the above formula (3), for example, a compound having a site capable of nucleophilic reaction such as a hydroxyl group represented by the above formula (5) and halogen at both ends represented by the above formula (6). The compound having a halogen may be reacted in the presence of an alkali. Examples of the compound having halogen at both ends include perfluorobenzene, perfluorobiphenyl, and 4,4′-difluorodiphenylsulfone. Examples of the alkali include sodium hydroxide, potassium hydroxide, potassium carbonate, metallic sodium, metallic potassium, metallic lithium, sodium hydride, potassium hydride, lithium hydride, triethylamine, pyridine and the like. The reaction can be performed in a molten state without using a solvent, but it is preferably performed in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents, and the like. Among them, N, N-dimethylacetamide, N, A mixed system of an amide solvent such as N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone and a halogen solvent such as dichlorobenzene or trichlorobenzene is preferable. Moreover, these may be used independently or may use 2 or more types together. What is necessary is just to set reaction temperature suitably. Specifically, it may be set to the optimum use range of 20 ° C to 250 ° C, more preferably 40 ° C to 200 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction may be slow, and if the temperature is high, side reactions may occur.

高分子電解質を得るための、スルホン化工程におけるスルホン化剤としては例えば硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸などが挙げられ、中でもクロロスルホン酸が適度な反応性を有しているため好ましい。スルホン化工程における溶媒としては反応を阻害するものでなければ特に制限は無く、エーテル系溶媒、炭化水素系溶媒、芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒などが列挙でき、中でも溶解度からメチレンクロリドや1,2−ジクロロエタンなどのハロゲン系溶媒が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。スルホン化工程の反応温度は反応に応じて適宜設定すればよく、具体的にはスルホン化剤の最適使用範囲である−80℃〜200℃に設定すればよく、より好ましくは−50℃〜120℃であり、さらに好ましくは−20℃から80℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば急激な反応が起こり目的とするスルホン化が100%まで進行しない。   Examples of the sulfonating agent in the sulfonation step for obtaining the polymer electrolyte include sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid and the like. Among them, chlorosulfonic acid is preferable because it has an appropriate reactivity. The solvent in the sulfonation step is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction, and ether solvents, hydrocarbon solvents, aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents and the like can be listed, and among them, methylene chloride and Halogen solvents such as 1,2-dichloroethane are preferred. These may be used alone or in combination of two or more. What is necessary is just to set the reaction temperature of a sulfonation process suitably according to reaction, Specifically, what is necessary is just to set to -80 to 200 degreeC which is the optimal use range of a sulfonating agent, More preferably, it is -50 to 120 degreeC. ° C, more preferably -20 ° C to 80 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction is slow, and if the temperature is high, a rapid reaction occurs and the intended sulfonation does not proceed to 100%.

本発明の電解質部位はIECが3.0meq./g〜6.5meq./gである。これより低いと本発明の効果が得られない可能性があり、これより大きいとスルホン化が困難な可能性がある。
(3.本発明の燃料電池用電解質膜)
本発明の燃料電池用電解質膜は、上述した燃料電池用電解質を膜形状(フィルム形状)に加工したものである。膜厚は、機械的強度やハンドリング性、燃料や酸化剤の遮断性、膜抵抗を勘案し、適宜設定すればよい。具体的には5〜200μmが好ましく、20〜100μmがより好ましい。この範囲よりも薄い場合は、膜抵抗は小さくなるものの、機械的強度が不充分となったり、ハンドリング性が損なわれたり、燃料や酸化剤の透過量が多くなりすぎる恐れがある。また、この範囲よりも厚い場合は、膜抵抗が大きなり、電解質膜として所望の性能を発現しない恐れがある。
The electrolyte site of the present invention has an IEC of 3.0 meq. / G to 6.5 meq. / G. If it is lower than this, the effect of the present invention may not be obtained, and if it is higher than this, sulfonation may be difficult.
(3. Fuel cell electrolyte membrane of the present invention)
The fuel cell electrolyte membrane of the present invention is obtained by processing the above-described fuel cell electrolyte into a membrane shape (film shape). The film thickness may be appropriately set in consideration of mechanical strength, handling properties, fuel and oxidant blocking properties, and membrane resistance. Specifically, 5 to 200 μm is preferable, and 20 to 100 μm is more preferable. If it is thinner than this range, the membrane resistance will be small, but the mechanical strength may be insufficient, the handleability may be impaired, and the permeation amount of fuel and oxidant may be excessive. On the other hand, if it is thicker than this range, the membrane resistance may be high and the desired performance as an electrolyte membrane may not be exhibited.

製膜方法は、高分子フィルムや電解質膜で利用されている公知の方法が適用できる。具体的には、溶媒溶解性の場合には溶液キャスト法が、熱可塑性の場合には溶融押出法や熱プレス加工が利用できるが、これに限定されるものではない。また、他のバインダー樹脂や電解質と複合化して、本発明の燃料電池用電解質を固形のまま、他のマトリックス成分中に分散するような形態に加工して利用することも可能である。
(4.本発明の燃料電池用触媒層)
本発明の燃料電池用触媒層は、上述した燃料電池用電解質と燃料電池用触媒、必要に応じて撥水剤やバインダー樹脂から構成されるものである。本発明で使用される燃料電池用触媒とは、文字通り、当業者にとって従来公知の燃料電池用触媒であればよく、導電性触媒担体と該導電性触媒担体に担時された触媒活性物質を含むものであればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。具体的には、燃料電池の電極反応に対して活性な触媒が使用される。アノード側では、燃料(メタノールや水素など)の酸化能を有する触媒が使用される。導電性触媒担体としては、具体的には、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積のカーボン担体が例示でき、触媒担持能や電子伝導性、電気化学的安定性などから、これらの材料が好ましい。触媒活性物質とは、具体的には、白金、コバルト、ルテニウム、などが例示でき、これらを単独、あるいはこれらの少なくとも1種を含んだ合金、さらには任意の混合物として使用しても構わない。特に、燃料の酸化能、酸化剤の還元能、耐久性を考慮すると、白金あるいは白金を含む合金であることが好ましい。これらは必要に応じて、安定化や長寿命化のために、鉄、錫、希土類元素等を用い3成分以上で構成してもよい。
As a film forming method, a known method used in a polymer film or an electrolyte membrane can be applied. Specifically, a solution casting method can be used in the case of solvent solubility, and a melt extrusion method or a hot pressing process can be used in the case of thermoplasticity, but is not limited thereto. In addition, the fuel cell electrolyte of the present invention can be combined with other binder resin or electrolyte and processed into a form in which it is dispersed in other matrix components as it is.
(4. Catalyst layer for fuel cell of the present invention)
The catalyst layer for a fuel cell of the present invention is composed of the above-described electrolyte for a fuel cell, a catalyst for a fuel cell, and, if necessary, a water repellent and a binder resin. The fuel cell catalyst used in the present invention may be literally a fuel cell catalyst conventionally known to those skilled in the art, and includes a conductive catalyst carrier and a catalytically active substance supported by the conductive catalyst carrier. Any other specific configuration is not particularly limited. Specifically, a catalyst active for the electrode reaction of the fuel cell is used. On the anode side, a catalyst having the ability to oxidize fuel (such as methanol or hydrogen) is used. Specific examples of the conductive catalyst support include carbon supports having a high surface area such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, and carbon nanotube. The catalyst support ability, electronic conductivity, and electrochemical stability can be exemplified. Therefore, these materials are preferable. Specific examples of the catalytically active substance include platinum, cobalt, ruthenium, and the like, and these may be used alone or as an alloy containing at least one of them, or any mixture. In particular, considering the oxidizing ability of the fuel, the reducing ability of the oxidizing agent, and durability, platinum or an alloy containing platinum is preferable. If necessary, these may be composed of three or more components using iron, tin, rare earth elements or the like for stabilization and long life.

本発明の燃料電池用触媒層は、本発明の燃料電池用電解質、前記燃料電池用触媒、溶媒、を含む触媒インクから、支持体上に塗布され、溶媒を除去することによって、調整される。前記溶媒は燃料電池用電解質を溶解でき、燃料電池用触媒を被毒しないものであれば、何ら制限なく使用可能である。前記触媒インクは、必要に応じて、非電解質バインダー、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤等の添加剤を含んでいても構わない。また、これらの添加剤は、当業者にとって従来公知のものが使用可能であり、その他の具体的な構成については、特に限定されない。   The fuel cell catalyst layer of the present invention is prepared by applying a catalyst ink containing the fuel cell electrolyte of the present invention, the fuel cell catalyst, and a solvent onto a support and removing the solvent. The solvent can be used without any limitation as long as it can dissolve the fuel cell electrolyte and does not poison the fuel cell catalyst. The catalyst ink may contain additives such as a non-electrolyte binder, a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore-forming agent as necessary. In addition, those additives conventionally known to those skilled in the art can be used, and other specific configurations are not particularly limited.

前記組成および方法で調製された触媒インクは、粘度や基材の種類に応じて、下記に示すような塗布方法が利用できる。前記触媒インクの基材上への塗布方法としては、当業者にとって従来公知の塗布方法であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷などを利用する方法が列挙できるがこれに限定されるものではない。   The catalyst ink prepared by the above composition and method can be applied by the following coating method depending on the viscosity and the type of substrate. The method for applying the catalyst ink onto the substrate may be any method known to those skilled in the art, and the other specific configuration is not particularly limited. For example, methods using a knife coater, a bar coater, a spray, a dip coater, a spin coater, a roll coater, a die coater, a curtain coater, screen printing, and the like can be enumerated, but are not limited thereto.

本発明において、基材として、高分子フィルムを使用した場合には燃料電池用触媒層転写シートが、導電性多孔質シートを使用した場合には燃料電池用ガス拡散電極が、それぞれ製造できる。
(5.本発明の膜電極接合体)
本発明の膜電極接合体は、上述した燃料電池用電解質、燃料電池用電解質膜、燃料電池用触媒層のいずれかを含むものである。即ち、膜電極接合体の構成要件である電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層の少なくとも一つに本発明の燃料電池用電解質、燃料電池用電解質膜、燃料電池用触媒層が使用されていればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。従って、本発明の膜電極接合体において、電解質膜としては、本発明の燃料電池用電解質膜以外にも、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜として、デュポン社製のナフィオン、旭硝子(株)製のフレミオン、旭化成(株)製のアシプレックス、ゴア社製のゴアセレクト、などを使用しても構わない。また、非フッ素系の高分子電解質膜として、当業者にとって従来公知のものが使用できる。例えば、直接メタノール形燃料電池用膜電極接合体に適した高分子電解質膜として、非電解質の多孔質支持体に高分子電解質を充填した細孔フィリング膜や高分子電解質と非電解質とを複合化した複合電解質膜などを使用するのが好ましい。
In the present invention, when a polymer film is used as the substrate, a fuel cell catalyst layer transfer sheet can be produced, and when a conductive porous sheet is used, a fuel cell gas diffusion electrode can be produced.
(5. Membrane electrode assembly of the present invention)
The membrane electrode assembly of the present invention includes any one of the above-described fuel cell electrolyte, fuel cell electrolyte membrane, and fuel cell catalyst layer. That is, the fuel cell electrolyte, the fuel cell electrolyte membrane, and the fuel cell catalyst layer of the present invention are used in at least one of the electrolyte membrane, anode catalyst layer, and cathode catalyst layer, which are constituents of the membrane electrode assembly. Other specific configurations are not particularly limited. Therefore, in the membrane electrode assembly of the present invention, as the electrolyte membrane, in addition to the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, for example, perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer electrolyte membranes such as Nafion and Asahi Glass manufactured by DuPont ( Flemion manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., Aciplex manufactured by Asahi Kasei Corporation, Gore Select manufactured by Gore, etc. may be used. As the non-fluorine polymer electrolyte membrane, those conventionally known to those skilled in the art can be used. For example, as a polymer electrolyte membrane suitable for a membrane electrode assembly for direct methanol fuel cells, a pore filling membrane in which a nonelectrolytic porous support is filled with a polymer electrolyte or a polymer electrolyte and a nonelectrolyte are combined. It is preferable to use a composite electrolyte membrane or the like.

本発明の燃料電池用膜電極接合体の製造において、加熱圧接の条件は、文字通り、当業者にとって従来公知の加熱圧接条件であればよく、その他の具体的な構成については、特に限定されない。最適な条件については、前記電解質膜と、アノード側触媒層およびカソード側触媒層にそれぞれ含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。一般的に加熱圧接の温度は、前記高分子電解質膜や前記触媒層に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜あるいは前記触媒層に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜あるいは前記触媒層に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下で実施するのが好ましい。また、加熱圧接の加圧条件は、概ね0.1MPa以上20MPa以下の範囲であることが、高分子電解質膜と前記触媒層が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。   In the production of the fuel cell membrane / electrode assembly of the present invention, the conditions of the heat-pressure welding may literally be those conventionally known to those skilled in the art, and the other specific configurations are not particularly limited. The optimum conditions need to be set as appropriate according to the type of polymer electrolyte contained in each of the electrolyte membrane, the anode side catalyst layer, and the cathode side catalyst layer. Generally, the temperature of the heating and pressure welding is equal to or lower than the thermal deterioration or thermal decomposition temperature of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer, and the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. It is preferable to carry out the reaction at a temperature above the glass transition point or softening point of the polymer electrolyte, or at a temperature above the glass transition point or softening point of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane or the catalyst layer. In addition, the pressurizing condition of the heat pressure contact is generally in the range of 0.1 MPa or more and 20 MPa or less, and the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are in sufficient contact with each other, and there is no deterioration in characteristics due to significant deformation of the material used. preferable.

本発明の膜電極接合体は、前記高分子電解質膜の両面に、本発明の製造方法で得られる触媒層を配置し、前記高分子電解質膜と前記触媒層を接合した後、高分子フィルムを剥離することによって、高分子電解質膜とアノード側触媒層とカソード側触媒層とからなる3層膜電極接合体(3層MEA:Membrane Electrode Assembly、CCM:Catalyst Coating Membrane)を製造することができる。   In the membrane / electrode assembly of the present invention, the catalyst layer obtained by the production method of the present invention is disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are joined, and then the polymer film is bonded. By peeling off, a three-layer membrane electrode assembly (three-layer MEA: Membrane Electrode Assembly, CCM: Catalytic Coating Membrane) composed of a polymer electrolyte membrane, an anode-side catalyst layer, and a cathode-side catalyst layer can be produced.

また、前記触媒層の代わりに、本発明の製造方法で得られる燃料電池用ガス拡散電極を使用した場合、前記3層膜電極接合体の外側に拡散層が構成された5層膜電極接合体(5層MEA)を製造することができる。   In addition, when a gas diffusion electrode for a fuel cell obtained by the production method of the present invention is used instead of the catalyst layer, a five-layer membrane electrode assembly in which a diffusion layer is formed outside the three-layer membrane electrode assembly (5-layer MEA) can be manufactured.

さらに、拡散層と触媒層との間に、少なくとも、導電性カーボン粒子と撥水剤から構成される撥水導電性材料からなる層、を必要に応じて設けることや、拡散層周縁部の電解質膜上に1対のガスケットを配置して構成した7層膜電極接合体も本発明の範疇であることを付言しておく。
(6.本発明の固体高分子形燃料電池および直接メタノール形燃料電池)
本発明の固体高分子形燃料電池および直接メタノール形燃料電池は、上述した膜電極接合体を、燃料、並びに酸化剤を送り込む流路が形成された一対のセパレーターなどの間に挿入することにより、得られるものである。前記セパレーターは、特に限定されず、例えばカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。これらセパレーターの代わりに、燃料、並びに酸化剤の供給経路を備える部材で代替しても構わない。
Furthermore, at least a layer made of a water repellent conductive material composed of conductive carbon particles and a water repellent agent is provided between the diffusion layer and the catalyst layer as needed, and the electrolyte at the periphery of the diffusion layer It is added that a seven-layer membrane electrode assembly formed by arranging a pair of gaskets on the membrane is also within the scope of the present invention.
(6. Polymer electrolyte fuel cell and direct methanol fuel cell of the present invention)
The polymer electrolyte fuel cell and the direct methanol fuel cell of the present invention are configured such that the membrane electrode assembly described above is inserted between a pair of separators in which flow paths for feeding fuel and oxidant are formed, and the like. It is obtained. The separator is not particularly limited, and for example, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In particular, when a metal material such as stainless steel is used, it is preferable to perform a corrosion resistance treatment. Instead of these separators, members having fuel and oxidant supply paths may be substituted.

アノードに燃料として、水素または水素リッチガスなどを供給する場合は、固体高分子形燃料電池、メタノールおよびその水溶液などを供給する場合は、直接メタノール形燃料電池、に分類される。いずれの場合も、カソードに酸化剤として、特に限定されないが、酸素あるいは空気などを用いることができる。前記カソードに供給される酸化剤は、水で加湿されていても良いが、無加湿の酸化剤を用いた場合、カソードのフラッディング現象を抑制できることから好ましい。   When supplying hydrogen or hydrogen-rich gas as a fuel to the anode, it is classified into a solid polymer fuel cell, and when supplying methanol and its aqueous solution, it is classified directly into a methanol fuel cell. In either case, the oxidizing agent for the cathode is not particularly limited, but oxygen or air can be used. The oxidant supplied to the cathode may be humidified with water, but the use of a non-humidified oxidant is preferable because the cathode flooding phenomenon can be suppressed.

なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成して使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   It should be noted that the polymer electrolyte fuel cells according to the present embodiment can be used alone or in a stacked manner to form a stack, or a fuel cell system incorporating them.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。
(参考例1)
窒素雰囲気下、ジメトキシヒドロキノン16.6g(120mmol)のCH2Cl2(100ml)溶液を内温−15℃まで冷却した。ここに、塩化アルミニウム17.4g(130.8mmol)、4−フルオロベンゾイルクロリド15.6ml(132mmol)を順に加え、そのままの温度にて19時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、水(500ml)へ注ぎ反応を停止した。CH2Cl2にて抽出した後、有機相を10wt%のNaOH水溶液(300ml)で洗浄し、再度、CH2Cl2にて抽出し、水洗後、水層を除去した。有機層を硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮することで2,4−ジメトキシ−4'−フルオロベンゾフェノンを若干黄色のオイルとして30.6g得た。
(参考例2)
窒素雰囲気下、ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)16.5g(n=12)、2,4−ジメトキシ−4'−フルオロベンゾフェノン1.45g(5.5mmol)及び炭酸カリウム1.1g(7.7mmol)を含む、N,N−ジメチルアセトアミド(35ml)とo−ジクロロベンゼン(20ml)の混合溶液を180℃のオイルバス加熱条件下にて、24時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、メタノール(500ml)へ注ぎ沈殿を析出させた。固体を濾取後、60℃にて真空乾燥し、そのまま次の反応に用いた。
(参考例3)
窒素雰囲気下、2,4−ジメトキシ−4'−ポリ(2,6−ジフェニルフェノキシ)ベンゾフェノン(5.5mmol)を含むCH2Cl2(40ml)溶液を内温−15℃まで冷却した。ここに、BBr3の1MCH2Cl2溶液13mlを滴下した後、室温下にて22時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、水(200ml)へ注ぎ反応を停止した。酢酸エチルにて抽出した後、飽和食塩水溶液(100ml)で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥後、減圧濃縮した。これをシリカゲルのカラムクロマトグラフィーにより精製することで、2,4−ジヒドロキシ−4'−ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシ)ベンゾフェノン(n=12)を黄色の結晶として2.8g得た(以下、G−12と呼ぶ)。
(参考例4)
窒素雰囲気下、2,4−ジヒドロキシ−4'−ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシ)ベンゾフェノン(n=12)2.8g(0.89mmol)および炭酸カリウム172mg(1.25mmmol)を含むNMP(20ml)とシクロヘキサン(5ml)の混合溶液を150℃の加熱条件下にて2時間攪拌した後、系を50℃まで冷却した。ここに、パーフルオロビフェニル892mg(2.7mmol)を加えた後、110℃の加熱条件下にて2時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、混合溶液をメタノール(300ml)と水(100ml)の混合溶媒へ注ぎ目的物を固体として沈殿させた。固体を濾取後、60℃にて真空乾燥し、目的化合物をほぼ白色の固体として3.1g得た(以下、G−12Fと呼ぶ)。
(実施例1)
窒素雰囲気下、末端OHのオリゴマーPES1.5g及び炭酸カリウム76mgを含む、NMP(4.5ml)とトルエン(1.5ml)の混合溶液を160℃のオイルバス加熱条件下にて、2時間攪拌し、系中から水とトルエンを共沸除去した後、オイルバスの温度を80℃まで下げた。ここにG−12Fを1.5g加え、120℃の加熱条件下、4時間重合を行った。生じたポリマーをメタノール300mlに落とした後、ポリマーを濾取した(数平均分子量25000、以下GP−12Fと呼ぶ)。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.
(Reference Example 1)
Under a nitrogen atmosphere, a solution of 16.6 g (120 mmol) of dimethoxyhydroquinone in CH 2 Cl 2 (100 ml) was cooled to an internal temperature of −15 ° C. To this, 17.4 g (130.8 mmol) of aluminum chloride and 15.6 ml (132 mmol) of 4-fluorobenzoyl chloride were sequentially added, and the mixture was stirred at the same temperature for 19 hours. After confirming the completion of the reaction by TLC, the reaction was stopped by pouring into water (500 ml). After extraction with CH 2 Cl 2 , the organic phase was washed with 10 wt% NaOH aqueous solution (300 ml), extracted again with CH 2 Cl 2 , washed with water, and the aqueous layer was removed. The organic layer was dried over magnesium sulfate and concentrated under reduced pressure to obtain 30.6 g of 2,4-dimethoxy-4′-fluorobenzophenone as a slightly yellow oil.
(Reference Example 2)
In a nitrogen atmosphere, 16.5 g (n = 12) of poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide), 1.45 g (5.5 mmol) of 2,4-dimethoxy-4′-fluorobenzophenone and potassium carbonate A mixed solution of N, N-dimethylacetamide (35 ml) and o-dichlorobenzene (20 ml) containing 1.1 g (7.7 mmol) was stirred for 24 hours under oil bath heating conditions at 180 ° C. After confirming the completion of the reaction by TLC, it was poured into methanol (500 ml) to precipitate. The solid was collected by filtration and dried in vacuo at 60 ° C. and used as it was in the next reaction.
(Reference Example 3)
Under a nitrogen atmosphere, a CH 2 Cl 2 (40 ml) solution containing 2,4-dimethoxy-4′-poly (2,6-diphenylphenoxy) benzophenone (5.5 mmol) was cooled to an internal temperature of −15 ° C. To this, 13 ml of a 1M CH 2 Cl 2 solution of BBr 3 was added dropwise, followed by stirring at room temperature for 22 hours. After confirming the completion of the reaction by TLC, the reaction was stopped by pouring into water (200 ml). After extraction with ethyl acetate, the extract was washed with a saturated aqueous sodium chloride solution (100 ml), dried over magnesium sulfate, and concentrated under reduced pressure. This was purified by silica gel column chromatography to obtain 2,4-dihydroxy-4′-poly (2,6-diphenyl-1,4-phenyleneoxy) benzophenone (n = 12) as yellow crystals. 8 g was obtained (hereinafter referred to as G-12).
(Reference Example 4)
Under a nitrogen atmosphere, 2,4-dihydroxy-4′-poly (2,6-diphenyl-1,4-phenyleneoxy) benzophenone (n = 12) 2.8 g (0.89 mmol) and potassium carbonate 172 mg (1.25 mmol) ), A mixed solution of NMP (20 ml) and cyclohexane (5 ml) was stirred for 2 hours under heating at 150 ° C., and then the system was cooled to 50 ° C. To this, 892 mg (2.7 mmol) of perfluorobiphenyl was added, followed by stirring for 2 hours under a heating condition of 110 ° C. After confirming the completion of the reaction by TLC, the mixed solution was poured into a mixed solvent of methanol (300 ml) and water (100 ml) to precipitate the target product as a solid. The solid was collected by filtration and dried in vacuo at 60 ° C. to obtain 3.1 g of the target compound as an almost white solid (hereinafter referred to as G-12F).
Example 1
In a nitrogen atmosphere, a mixed solution of NMP (4.5 ml) and toluene (1.5 ml) containing 1.5 g of terminal OH oligomer PES and 76 mg of potassium carbonate was stirred for 2 hours under 160 ° C. oil bath heating conditions. After removing water and toluene azeotropically from the system, the temperature of the oil bath was lowered to 80 ° C. 1.5g of G-12F was added thereto, and polymerization was carried out under a heating condition of 120 ° C for 4 hours. The resulting polymer was dropped into 300 ml of methanol, and then the polymer was collected by filtration (number average molecular weight 25000, hereinafter referred to as GP-12F).

上で得た共重合体1gをCH2Cl2(15ml)に溶解した後、クロロスルホン酸(0.5ml)を滴下し、室温下にて14時間攪拌した。固体を濾別後、イオン交換水に浸し撹拌、濾過を繰り返し洗浄水が中性になるまで洗浄した。固体を濾別し、100℃で24時間真空乾燥させると黄色固体(1g)が高分子電解質として得られた。 1 g of the copolymer obtained above was dissolved in CH 2 Cl 2 (15 ml), chlorosulfonic acid (0.5 ml) was added dropwise, and the mixture was stirred at room temperature for 14 hours. The solid was separated by filtration, immersed in ion-exchanged water, stirred and filtered repeatedly and washed until the washing water became neutral. The solid was filtered off and vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain a yellow solid (1 g) as a polymer electrolyte.

これをNMPに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、55℃にて15時間通風乾燥した後、更に105℃にて18時間真空乾燥した。なお、この膜のイオン交換容量は1.8ミリ当量/gであった。
(実施例2)
ポリマー前駆体としてG−9Fを用いた以外は、実施例1と同様の操作でポリマーを取得した(数平均分子量35000、以下GP−9Fと呼ぶ)。これをスルホン化後、製膜したところイオン交換容量は1.7ミリ当量/gであった。
(実施例3)
ポリマー前駆体としてG−9を用いた以外は、実施例1と同様の操作でポリマーを取得した(数平均分子量61000、以下GP−9と呼ぶ)。これをスルホン化後、製膜したところイオン交換容量は1.7ミリ当量/gであった。
(実施例4)
ポリマー前駆体としてG−8を用いた以外は、実施例1と同様の操作でポリマーを取得した(数平均分子量33000、以下GP−8と呼ぶ)。これをスルホン化後、製膜したところイオン交換容量は1.6ミリ当量/gであった。
(参考例5)
窒素雰囲気下、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン2g(8mmol)、4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン3.05g(12mmol)及び炭酸カリウム2.32g(16.8mmol)を含む、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(9ml)とトルエン(3ml)の混合溶液を150℃のオイルバス加熱条件下にて、1時間攪拌し、系中から水とトルエンを共沸除去した後、オイルバスの温度を180℃まで上げて重合を行った。4時間後、系を室温に戻し、メトキシハイドロキノン0.56g(4mmol)のトルエン(3ml)溶液を加えた後、160℃のオイルバス加熱条件下にて、2時間攪拌した。
After this was dissolved in NMP, the solution was cast on a glass plate, air-dried at 55 ° C. for 15 hours, and then further vacuum-dried at 105 ° C. for 18 hours. The ion exchange capacity of this membrane was 1.8 meq / g.
(Example 2)
A polymer was obtained in the same manner as in Example 1 except that G-9F was used as a polymer precursor (number average molecular weight 35000, hereinafter referred to as GP-9F). After sulfonation, a membrane was formed. The ion exchange capacity was 1.7 meq / g.
(Example 3)
A polymer was obtained in the same manner as in Example 1 except that G-9 was used as the polymer precursor (number average molecular weight 61000, hereinafter referred to as GP-9). After sulfonation, a membrane was formed. The ion exchange capacity was 1.7 meq / g.
Example 4
A polymer was obtained in the same manner as in Example 1 except that G-8 was used as the polymer precursor (number average molecular weight 33,000, hereinafter referred to as GP-8). After sulfonation, a membrane was formed. The ion exchange capacity was 1.6 meq / g.
(Reference Example 5)
1,3-dimethyl containing 2 g (8 mmol) of 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3.05 g (12 mmol) of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 2.32 g (16.8 mmol) of potassium carbonate under a nitrogen atmosphere A mixed solution of -2-imidazolidinone (9 ml) and toluene (3 ml) was stirred for 1 hour under oil bath heating conditions at 150 ° C., and water and toluene were removed azeotropically from the system. Polymerization was carried out by raising the temperature to 180 ° C. After 4 hours, the system was returned to room temperature, a solution of 0.56 g (4 mmol) of methoxyhydroquinone in toluene (3 ml) was added, and the mixture was stirred under oil bath heating conditions at 160 ° C. for 2 hours.

生じたポリマーを水300mlに落とした後、酸を加えて中和し、ポリマーを濾取した。ポリマーを熱水にて攪拌、洗浄した後、ポリマーを再度濾取し、60℃にて真空乾燥した。得られたポリマーをDMSO(20ml)に溶解した後、メタノール(400ml)に滴下し、再度沈殿させた。ポリマーを濾取後、80℃にて真空乾燥し共重合体を5.3g(数平均分子量27000)得た。
(参考例6)
窒素雰囲気下、上記メトキシ保護型の共重合体5gを含むCH2Cl2(100ml)溶液を内温−15℃まで冷却した。ここに、BBr3の1MCH2Cl2溶液15mlを滴下した後、室温下にて30時間攪拌した。その後、水(200ml)へ注ぎ反応を停止した。生じた固体を濾取後、MeOHにて洗浄し、60℃にて真空乾燥することで、目的の脱保護型の共重合体をほぼ白色の固体として5g得た。
(参考例7)
窒素雰囲気下、ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)3g(n=5)及び炭酸カリウム0.46g(3.3mmol)を含む、N,N−ジメチルアセトアミド(20ml)とシクロヘキサン(5ml)の混合溶液を150℃のオイルバス加熱条件下にて、1時間攪拌しシクロヘキサンを留去した。系を室温に戻した後、パーフルオロビフェニル2.4g(7.2mmol)を加えた後、110℃の加熱条件下にて4時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、メタノール(500ml)へ注ぎ沈殿を析出させた。固体を濾取後、60℃にて真空乾燥し、そのまま次の反応に用いた。
(実施例5)
窒素雰囲気下、上記脱保護型の共重合体1g及び炭酸カリウム152mgを含む、NMP(9ml)とトルエン(3ml)の混合溶液を180℃のオイルバス加熱条件下にて、1時間攪拌しトルエンを留去した。系を室温に戻した後、先に末端をパーフルオロビフェニルでキャップしたPPPO(n=5)1.36gを加え、110℃の加熱条件下にて3時間攪拌した。反応溶液をメタノール300mlに落とした後、ポリマーを濾取し、アセトン洗浄後、60℃にて真空乾燥し、共重合体を2.0g(数平均分子量33000、以下GP−F5と呼ぶ)得た。
The resulting polymer was dropped into 300 ml of water, neutralized by adding an acid, and the polymer was collected by filtration. The polymer was stirred and washed with hot water, and then the polymer was again collected by filtration and vacuum dried at 60 ° C. The obtained polymer was dissolved in DMSO (20 ml) and then added dropwise to methanol (400 ml) to precipitate again. The polymer was collected by filtration and vacuum dried at 80 ° C. to obtain 5.3 g of a copolymer (number average molecular weight 27000).
(Reference Example 6)
Under a nitrogen atmosphere, a CH 2 Cl 2 (100 ml) solution containing 5 g of the methoxy-protected copolymer was cooled to an internal temperature of −15 ° C. To this, 15 ml of a 1MCH 2 Cl 2 solution of BBr 3 was added dropwise, followed by stirring at room temperature for 30 hours. Thereafter, the reaction was stopped by pouring into water (200 ml). The resulting solid was collected by filtration, washed with MeOH, and vacuum dried at 60 ° C. to obtain 5 g of the desired deprotected copolymer as an almost white solid.
(Reference Example 7)
N, N-dimethylacetamide (20 ml) and cyclohexane containing 3 g (n = 5) poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene oxide) and 0.46 g (3.3 mmol) potassium carbonate under a nitrogen atmosphere The mixed solution (5 ml) was stirred for 1 hour under oil bath heating conditions at 150 ° C., and cyclohexane was distilled off. After returning the system to room temperature, 2.4 g (7.2 mmol) of perfluorobiphenyl was added, followed by stirring for 4 hours under heating at 110 ° C. After confirming the completion of the reaction by TLC, it was poured into methanol (500 ml) to precipitate. The solid was collected by filtration and dried in vacuo at 60 ° C. and used as it was in the next reaction.
(Example 5)
In a nitrogen atmosphere, a mixed solution of NMP (9 ml) and toluene (3 ml) containing 1 g of the above deprotected copolymer and 152 mg of potassium carbonate was stirred for 1 hour under 180 ° C. oil bath heating conditions. Distilled off. After returning the system to room temperature, 1.36 g of PPPO (n = 5) whose end was previously capped with perfluorobiphenyl was added, and the mixture was stirred for 3 hours under heating at 110 ° C. After dropping the reaction solution into 300 ml of methanol, the polymer was collected by filtration, washed with acetone, and then vacuum-dried at 60 ° C. to obtain 2.0 g of a copolymer (number average molecular weight 33,000, hereinafter referred to as GP-F5). .

これをスルホン化後、製膜したところイオン交換容量は1.4ミリ当量/gであった。
(比較例1)
窒素雰囲気下、スチレンモノマー1.46g(14mmol)、4−アセトキシスチレン0.97g(6mmol)及びアゾビスイソブチロニトリル10mgを含む三口フラスコを90℃のオイルバス加熱条件下にて、攪拌し重合を行った。1時間30分攪拌後、生じたポリマーをTHF20mlに溶解後、メタノール50mlに滴下、白色固体として沈殿させ、これを濾取した後、室温下にて真空乾燥し共重合体を2.1g(重量平均分子量88,000)得た。
上で得た、スチレン−アセトキシスチレン共重合体にナトリウムメトキサイドの1mol/lメタノール溶液6mlを加え、60℃の加熱条件下にて脱保護した後、プロパンサルトン0.73gのメタノール1ml溶液を滴下し、そのままの温度で1時間攪拌した。系を室温に戻した後、白色固体として生じたアルキルスチレンスルホン酸のナトリウム塩を濾取した。これに、10%HCl水溶液を加え、70℃の加熱条件下にて8時間攪拌後、目的物を濾取、数回水洗後、真空乾燥し白色固体を2.0g得た。これをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、70℃にて6時間通風乾燥した後、更に50℃にて2時間真空乾燥し製膜した。
なお、この膜のイオン交換容量は1.7ミリ当量/gであった。
After sulfonation, a membrane was formed. The ion exchange capacity was 1.4 meq / g.
(Comparative Example 1)
In a nitrogen atmosphere, a three-necked flask containing 1.46 g (14 mmol) of styrene monomer, 0.97 g (6 mmol) of 4-acetoxystyrene and 10 mg of azobisisobutyronitrile was stirred and polymerized under a 90 ° C. oil bath heating condition. Went. After stirring for 1 hour and 30 minutes, the resulting polymer was dissolved in 20 ml of THF, dropped into 50 ml of methanol, precipitated as a white solid, collected by filtration, and then vacuum dried at room temperature to obtain 2.1 g (weight) of the copolymer. Average molecular weight 88,000).
6 ml of a 1 mol / l methanol solution of sodium methoxide was added to the styrene-acetoxystyrene copolymer obtained above, and after deprotection under heating conditions at 60 ° C., a solution of 0.73 g of propane sultone in 1 ml of methanol was added. The solution was added dropwise and stirred at the same temperature for 1 hour. After returning the system to room temperature, the sodium salt of alkylstyrene sulfonic acid produced as a white solid was collected by filtration. A 10% aqueous HCl solution was added thereto, and the mixture was stirred for 8 hours under heating at 70 ° C., then the target product was collected by filtration, washed several times with water, and then dried in vacuo to obtain 2.0 g of a white solid. After this was dissolved in DMSO, the solution was cast on a glass plate, dried by ventilation at 70 ° C. for 6 hours, and further vacuum dried at 50 ° C. for 2 hours to form a film.
The ion exchange capacity of this membrane was 1.7 meq / g.

<分子量測定法>
重合体の分子量は、GPCによってポリスチレン換算の重量平均分子量を求めた。溶媒として20mol%の臭化リチウムを含むNMPを用いた。
<Molecular weight measurement method>
As for the molecular weight of the polymer, the weight average molecular weight in terms of polystyrene was determined by GPC. NMP containing 20 mol% lithium bromide was used as a solvent.

<イオン交換容量の測定方法>
対象となる電解質(約100mg:十分に乾燥)を25℃での塩化ナトリウム飽和水溶液20mLに浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間イオン交換反応させた。25℃まで冷却し、次いで膜をイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液および洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、イオン交換容量を算出した。結果を表1に示す。
<Measurement method of ion exchange capacity>
The target electrolyte (about 100 mg: sufficiently dried) was immersed in 20 mL of a saturated aqueous sodium chloride solution at 25 ° C., and subjected to an ion exchange reaction in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to 25 ° C., the membrane was thoroughly washed with ion exchanged water, and all of the saturated aqueous sodium chloride solution and the washing water were collected. To this recovered solution, a phenolphthalein solution was added as an indicator, and neutralization titration was performed with a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution to calculate the ion exchange capacity. The results are shown in Table 1.

<プロトン伝導度の測定方法>
イオン交換水中に保管した高分子電解質膜(約10mm×40mm)を取り出し、高分子電解質膜表面の水をろ紙で拭き取った。2極非密閉系のPTFE製のセルに高分子電解質膜を設置し、さらに白金電極を電極間距離30mmとなるように、膜表面(同一側)に設置した。23℃での膜抵抗を、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜5MHz、印可電圧:0.2V、日置電機製LCRメーター 3531Z HITESTER)により測定し、プロトン伝導度を算出した。結果を表1に示す。
<Measurement method of proton conductivity>
A polymer electrolyte membrane (about 10 mm × 40 mm) stored in ion-exchanged water was taken out, and water on the surface of the polymer electrolyte membrane was wiped off with a filter paper. A polymer electrolyte membrane was placed in a two-electrode non-sealed PTFE cell, and a platinum electrode was placed on the membrane surface (on the same side) so that the distance between the electrodes was 30 mm. The membrane resistance at 23 ° C. was measured by an alternating current impedance method (frequency: 42 Hz to 5 MHz, applied voltage: 0.2 V, Hioki LCR meter 3531Z HITESTER), and proton conductivity was calculated. The results are shown in Table 1.

<膨潤度の測定方法>
電解質を23℃に調温した恒温恒湿器に入れ、相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間保持することにより乾燥したものを乾燥膜とし、膜厚を測定した。この乾燥膜を十分量のイオン交換水に浸漬させ、2時間以上保持することにより膨潤させたものを膨潤膜とし、膜厚を測定した。乾燥膜、膨潤膜それぞれの膜圧と以下の式から膨潤度を算出した。
膨潤度(%)=膨潤時の膜厚/乾燥時の膜厚×100
実施例1、実施例2と実施例3で得られた共重合体についての諸特性のデータを表1に示した。
<Measurement method of swelling degree>
The electrolyte was placed in a thermo-hygrostat whose temperature was adjusted to 23 ° C. and dried for 30 minutes under humidity control of relative humidity 98%, 80%, 60% and 50%, respectively. The thickness was measured. The dry film was immersed in a sufficient amount of ion-exchanged water and swollen by holding it for 2 hours or longer as a swollen film, and the film thickness was measured. The degree of swelling was calculated from the film pressure of each of the dry film and the swollen film and the following formula.
Swelling degree (%) = film thickness during swelling / film thickness during drying × 100
Table 1 shows data of various properties of the copolymers obtained in Example 1, Example 2 and Example 3.

実施例2及び実施例3と比較例1の比較から、本発明の燃料電池用電解質から調製した燃料電池用電解質膜は、比較例のものとイオン交換容量が同じにもかかわらず、膜膨潤率が低く保たれ、優れたハンドリング性が示唆され、本発明の有効性が示された。 From the comparison between Example 2 and Example 3 and Comparative Example 1, the fuel cell electrolyte membrane prepared from the fuel cell electrolyte of the present invention had a membrane swelling ratio despite the same ion exchange capacity as that of the comparative example. Was kept low, suggesting excellent handling properties, indicating the effectiveness of the present invention.

本発明の燃料電池用電解質は、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池などに代表される、様々な産業上の利用可能性がある。   The electrolyte for fuel cell of the present invention has various industrial applicability represented by solid polymer fuel cell and direct methanol fuel cell.

Claims (17)

下記式(1)で示される高分子化合物であり、側鎖にイオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位を含むことを特徴とする高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、Arは炭素数6〜30の芳香環を表す。Gは電解質部位を表す。Bは直接結合あるいは、−O−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Wは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。Yは直接結合あるいは、−O−、−CO−、−SO2−、−O−Ar'−O−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。a、b、c、dは1〜4の整数を表し、sは1〜10の整数を表し、qは1〜50の整数を表し、mおよびnは1〜100の整数を表す。)
It is a polymer compound represented by the following formula (1), and has an ion exchange capacity of 3.0 meq. / G to 6.5 meq. / G of electrolyte sites, or a method for producing the polymer electrolyte.
(In the formula, Ar represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms. G represents an electrolyte moiety. B represents a direct bond or —O—Ar′—, —CO—Ar′—, —SO 2 —Ar ′. -(Ar 'represents a hydrogen atom in which some or all of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms or an unsubstituted aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms. When there are a plurality of aromatic rings, they may be directly bonded. A divalent —O—, —CO—, and —SO 2 —, which may be the same or different. W may be the same or different from each other, W is a direct bond or a linking group selected from —O—, —CO—, and —SO 2 —, Y may be a direct bond or —O—, —CO—, —SO 2 —, —O—. Ar′—O— (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms in which a part or all of hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms or unsubstituted. When there are a plurality of aromatic rings, they are directly bonded. Or may be linked by divalent —O—, —CO—, —SO 2 —, which may be the same or different.) When there are a plurality, they may be the same or different from each other, R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are each independently a hydrogen atom or a halogen atom, and when there are a plurality, they may be the same as each other A, b, c and d each represent an integer of 1 to 4, s represents an integer of 1 to 10, q represents an integer of 1 to 50, and m and n are 1 to 100. Represents an integer.)
上記式(1)に記載の電解質部位が、下記式(2)で示される部位をスルホン化し3.0meq./g〜6.5meq./gのイオン交換容量にしたものであることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質またはその製造方法。
(式中、Aは−O−、−S−、−NH−から選ばれる連結基であり、複数存在する場合互いに同一であっても異なっていても良い。R5はそれぞれ独立に水素原子、炭素数6〜30のアリール基、置換アリール基、アリールオキシ基であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。oは1〜4の整数を表し、lは1〜50の整数を表す。)
The electrolyte site described in the above formula (1) sulfonates the site represented by the following formula (2) to 3.0 meq. / G to 6.5 meq. The polymer electrolyte according to claim 1 or a method for producing the same according to claim 1, wherein the ion exchange capacity is / g.
(In the formula, A is a linking group selected from —O—, —S—, and —NH—, and when there are a plurality thereof, they may be the same or different. R 5 is independently a hydrogen atom, When there are a plurality of aryl groups, substituted aryl groups, and aryloxy groups having 6 to 30 carbon atoms, they may be the same or different from each other, o represents an integer of 1 to 4, and l represents 1 to 50 Represents an integer.)
上記式(1)で示される高分子の主鎖が、下記式(3)で示される部位と下記式(4)で示される部位を重合させることによりなることを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載の高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、Ar、G、B、W、Y、R1、R2、R3、R4およびb、c、s、qは前記と同様である。a'とd'は1〜5の整数を表す。)
(式中、W、Y、mは前記と同様である。)
The main chain of the polymer represented by the formula (1) is obtained by polymerizing a site represented by the following formula (3) and a site represented by the following formula (4). Or a method for producing the polymer electrolyte.
(In the formula, Ar, G, B, W, Y, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and b, c, s, q are the same as described above. A ′ and d ′ are 1-5. Represents an integer.)
(W, Y, m in the formula are the same as above.)
上記式(3)が、下記式(5)で示される部位と、下記式(6)で示される部位を反応させて得られることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、Ar、G、B、Yおよびsは前記と同様である。)
(式中、W、R1、R2は前記と同様である。a'とb'は1〜5の整数を表す。)
The said Formula (3) is obtained by making the site | part shown by following formula (5), and the site | part shown by following formula (6) react, The high in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Molecular electrolyte or method for producing the same.
(In the formula, Ar, G, B, Y and s are the same as described above.)
(Wherein W, R 1 and R 2 are the same as described above. A ′ and b ′ represent an integer of 1 to 5)
上記式(5)が、下記式(7)で示される部位と、上記式(2)で示される電解質前駆体部位を反応させて得たものであることを特徴とする請求項1〜4に記載の高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、Ar、B、Yおよびsは前記と同様である。)
The above formula (5) is obtained by reacting the site represented by the following formula (7) with the electrolyte precursor site represented by the above formula (2). The polyelectrolyte as described, or its manufacturing method.
(In the formula, Ar, B, Y and s are the same as described above.)
上記式(1)に記載の高分子電解質が、上記式(2)で示される部位、あるいは上記式(2)で示される部位とAr'とを反応させたもののいずれかと、下記式(8)で示される部位を反応させた後、スルホン化することより得られることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、Ar、W、Y、R1、R2、R3、R4およびa、b、c、d、s、qは前記と同様である。B'は水酸基、−O−Ar'−、−CO−Ar'−、−SO2−Ar'−(Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)から選ばれる連結基であり、複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。)
The polymer electrolyte described in the above formula (1) is either the site represented by the above formula (2) or the one obtained by reacting the site represented by the above formula (2) with Ar ′, and the following formula (8) 2. The polymer electrolyte according to claim 1, or a method for producing the polymer electrolyte, wherein the polymer electrolyte is obtained by reacting a site represented by the formula (1) and then sulfonating the site.
(In the formula, Ar, W, Y, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and a, b, c, d, s, and q are the same as above. B ′ is a hydroxyl group, —O—Ar ′. —, —CO—Ar′—, —SO 2 —Ar′— (Ar ′ represents an aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms, in which part or all of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, or unsubstituted. When there are a plurality of aromatic rings, they may be directly bonded or may be connected by divalent —O—, —CO— or —SO 2 —, which may be the same or different. And when there are a plurality of linking groups, they may be the same as or different from each other.)
上記式(8)が、上記式(6)で示される部位と下記式(9)で示される部位とを重合させた後、脱保護した脱保護体、あるいは脱保護の後、Ar'( Ar'は水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された、もしくは無置換の炭素数6〜30の芳香環を表す。芳香環が複数ある場合、これらは直接結合していても、2価の−O−、−CO−、−SO2−で連結していても良く、これらは同一であっても異なっていても良い。)と反応させたものであることを特徴とする請求項1または請求項6に記載の高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、Ar、Yおよびsは前記と同様である。Rは水酸基の保護基を表す。)
After the above formula (8) is polymerized with the site represented by the above formula (6) and the site represented by the following formula (9), the deprotection is deprotected, or after deprotection, Ar ′ (Ar 'Represents a hydrogen atom in which some or all of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms or an unsubstituted aromatic ring having 6 to 30 carbon atoms. When there are a plurality of aromatic rings, they are divalent even if they are directly bonded. of -O -, - CO -, - SO 2 - may be linked with, claim 1, which are characterized in that which was reacted with may) be different even for the same. Or the polymer electrolyte of Claim 6, or its manufacturing method.
(In the formula, Ar, Y and s are the same as described above. R represents a hydroxyl-protecting group.)
上記式(2)が、下記式(10)に示される構造であり、スルホン酸基を導入後、イオン交換容量が3.0meq./g〜6.5meq./gの電解質部位となることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質またはその製造方法。
(式中、Aおよびlは前記と同様であり、R6はそれぞれ独立に水素原子、炭素数6〜30のアリール基、置換アリール基、アリールオキシ基であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。rは1〜3の整数を表す。)
The above formula (2) has a structure represented by the following formula (10), and after introducing a sulfonic acid group, the ion exchange capacity is 3.0 meq. / G to 6.5 meq. The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 7, or a method for producing the same.
(In the formula, A and l are the same as defined above, and R 6 is each independently a hydrogen atom, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted aryl group, or an aryloxy group. Or r may be different, and r represents an integer of 1 to 3.)
上記式(10)が、下記式(11)に示される構造からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の高分子共重合体あるいは高分子電解質、またはその製造方法。
(式中、lは前記と同様である。)
The said Formula (10) consists of a structure shown by following formula (11), The polymer copolymer or polymer electrolyte in any one of Claims 1-8, or its manufacturing method.
(In the formula, l is the same as described above.)
上記式(11)で示される部位にスルホン酸基が導入された、イオン交換容量が4.0meq./g〜5.0meq./gである電解質部位を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の高分子電解質、またはその製造方法。   The ion exchange capacity is 4.0 meq., In which a sulfonic acid group is introduced at the site represented by the above formula (11). /G-5.0 meq. The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 9, or a method for producing the polymer electrolyte, having an electrolyte portion of / g. 主鎖がポリエーテルスルホン構造を含む芳香族高分子であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の高分子電解質、またはその製造方法。   The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 10, or a production method thereof, wherein the main chain is an aromatic polymer containing a polyethersulfone structure. 請求項1〜11のいずれかに記載の高分子電解質の少なくとも1つを含み、かつ、スルホン酸基を持たない高分子化合物を含む事を特徴とする、高分子電解質複合体。   A polymer electrolyte composite comprising at least one polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 and comprising a polymer compound having no sulfonic acid group. 請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質を含む、燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for fuel cells containing the polymer electrolyte in any one of Claims 1-12. 請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質を含む、燃料電池用触媒層。   A fuel cell catalyst layer comprising the polymer electrolyte according to claim 1. 請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質、請求項13記載の燃料電池用電解質膜、請求項14記載の燃料電池用触媒層、のいずれかを含む、膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising any of the polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 12, the electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 13, and the catalyst layer for a fuel cell according to claim 14. 請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質、請求項13記載の燃料電池用電解質膜、請求項14記載の燃料電池用触媒層、請求項15記載の膜電極接合体、のいずれかを含む、固体高分子形燃料電池。   The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 12, the electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 13, the catalyst layer for a fuel cell according to claim 14, and the membrane electrode assembly according to claim 15. A solid polymer fuel cell. 請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質、請求項13記載の燃料電池用電解質膜、請求項14記載の燃料電池用触媒層、請求項15記載の膜電極接合体、のいずれかを含む、直接メタノール形燃料電池。     The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 12, the electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 13, the catalyst layer for a fuel cell according to claim 14, and the membrane electrode assembly according to claim 15. A direct methanol fuel cell.
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