JP2010056051A - Method for producing polyelectrolyte membrane, polyelectrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Method for producing polyelectrolyte membrane, polyelectrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a polyelectrolyte membrane which achieves both of a methanol barrier property and proton conductivity at high levels inexpensively, provide the polyelectrolyte membrane obtained by the producing method, and provide a membrane-electrode assembly and fuel cell using the polyelectrolyte membrane. <P>SOLUTION: A process includes a membrane forming step of forming a membrane from a polyelectrolyte solution containing a hydrocarbon block-type polyelectrolyte and a solvent to produce a solvent-containing block-type polyelectrolyte membrane, and a heat treatment step of heating the solvent-containing block-type polyelectrolyte membrane. By using this process, the polyelectrolyte membrane with excellent characteristics for a direct methanol fuel cell is obtained, wherein a temperature of the heat treatment is a temperature higher than a heat decomposition start temperature of the block-type polyelectrolyte for structuring the solvent-containing block-type polyelectrolyte membrane, and a residual amount of the solvent in the polyelectrolyte membrane after the heat treatment is not less than 1 wt.%. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質膜の製造方法、該高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体および燃料電池に関する。さらに詳しくは、直接メタノール型燃料電池に用いて好適な高分子電解質膜の製造方法、該製造方法にて得られる高分子電解質膜、該高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell. More specifically, a method for producing a polymer electrolyte membrane suitable for use in a direct methanol fuel cell, a polymer electrolyte membrane obtained by the production method, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell About.

近年、住宅や自動車の動力などのエネルギーデバイスとして、固体高分子型燃料電池が注目されている。その中でもメタノールを燃料とする直接メタノール型燃料電池は、小型化が可能であるためパーソナルコンピューターや携帯機器の電源等の用途として注目されている。   In recent years, polymer electrolyte fuel cells have attracted attention as energy devices for houses and automobiles. Among them, a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel is attracting attention as a power source for personal computers and portable devices because it can be miniaturized.

周知のように、燃料電池は、セルという基本的な最小単位から構成されている。各単位セルは、電解質膜、該電解質膜の両側に設けられた触媒層、これら触媒層の外側に設けられるガス拡散層によって構成されている。各単位セルは、前記ガス拡散層の外側に設けられるセパレータによって隔離されて積層され、一つの燃料電池を構成する。   As is well known, a fuel cell is composed of basic minimum units called cells. Each unit cell includes an electrolyte membrane, a catalyst layer provided on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer provided outside the catalyst layer. Each unit cell is separated and stacked by a separator provided outside the gas diffusion layer to constitute one fuel cell.

前記電解質膜の両側に設けられる触媒層または触媒層とガス拡散層は、単位セルの電極部分を構成し、一方の電極部分(アノード)に燃料(水素分子、メタノール水溶液など)が供給され、燃料が、前記アノード内の細かい孔(拡散層)を通って触媒層に達すると、この触媒層中で酸化反応が生じて、水素イオンと電子が放出される。水素イオンは、電解質膜中に入り、電解質膜中を他方の電極部分(カソード)の方向に移動する。電子は、アノードを経て外部回路に達し、外部回路を通ってカソード側の触媒層に到達する。   The catalyst layer or the catalyst layer and the gas diffusion layer provided on both sides of the electrolyte membrane constitute an electrode portion of the unit cell, and fuel (hydrogen molecule, aqueous methanol solution, etc.) is supplied to one electrode portion (anode) However, when the catalyst layer is reached through the fine pores (diffusion layer) in the anode, an oxidation reaction occurs in the catalyst layer, and hydrogen ions and electrons are released. Hydrogen ions enter the electrolyte membrane and move in the direction of the other electrode portion (cathode) in the electrolyte membrane. The electrons reach the external circuit through the anode, and reach the catalyst layer on the cathode side through the external circuit.

カソードでは、外部回路を経て到達した電子と、アノードから電解質膜中を移動してきた水素イオンと、そしてカソードのガス拡散層を介して外部から導入された酸素分子(空気)がカソード側の触媒層中で反応して水となり、ガス拡散層を介して系外に排出される。   At the cathode, the catalyst layer on the cathode side consists of electrons that have reached through the external circuit, hydrogen ions that have moved from the anode into the electrolyte membrane, and oxygen molecules (air) introduced from the outside through the cathode gas diffusion layer. It reacts in it to become water and is discharged out of the system through the gas diffusion layer.

また、上述のような燃料電池の単位セルにおける電極とは、触媒層のみを示す場合もあれば、触媒層とガス拡散層との接合体を示す場合もある。そして、かかる電極により電解質膜が挟まれてなる組立体を、膜−電極接合体(MEA=Membrane Electrode Assembly)と呼称している。したがって、膜−電極接合体は、電解質膜が触媒層あるいは触媒層とガス拡散層により挟まれてなる組立体を意味する。すなわち、膜−電極接合体は、電解質膜の両面に少なくとも触媒層が形成されてなる組立体である。   Further, the electrode in the unit cell of the fuel cell as described above may indicate only the catalyst layer, or may indicate a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer. An assembly in which the electrolyte membrane is sandwiched between the electrodes is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA = Membrane Electrode Assembly). Therefore, the membrane-electrode assembly means an assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a catalyst layer or a catalyst layer and a gas diffusion layer. That is, the membrane-electrode assembly is an assembly in which at least a catalyst layer is formed on both surfaces of the electrolyte membrane.

現在、燃料電池には複数の種類があるが、上述のように、燃料(水素またはメタノール水溶液)と酸素(空気)から電気化学反応によって直接電力と熱を取り出す方式であるという共通の原理を持ち、水素イオン(プロトン)の通路となる電解質の種類によって分類されている。固体高分子型燃料電池は、前記電解質膜に固体高分子膜を使用するものであり、自動車用、家庭用、携帯用の電源として有望視されている。   Currently, there are several types of fuel cells, but as described above, they have a common principle that power and heat are extracted directly from fuel (hydrogen or methanol aqueous solution) and oxygen (air) by an electrochemical reaction. They are classified according to the type of electrolyte that serves as a passage for hydrogen ions (protons). The polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane, and is promising as a power source for automobiles, homes, and portables.

前記固体高分子型燃料電池は、その電解質膜に、主として、「ナフィオン」(デュポン社の登録商標)に代表されるパーフルオロアルカン系高分子電解質膜(フッ素樹脂系イオン交換膜)が用いられており、室温からほぼ100℃までの比較的低い温度で作動するため、前述のように自動車用、家庭用、携帯用の電源として有望視されている。   In the polymer electrolyte fuel cell, a perfluoroalkane polymer electrolyte membrane (fluorine resin ion exchange membrane) represented by “Nafion” (registered trademark of DuPont) is mainly used for the electrolyte membrane. Since it operates at a relatively low temperature from room temperature to almost 100 ° C., it is promising as a power source for automobiles, homes, and portables as described above.

前記固体高分子型燃料電池の中でも、燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は、燃料が液体であるために取り扱いも容易で、加湿器などの補助機器が不要なため、小型化が可能であり、パソコンや携帯電話などの携帯機器のバッテリー源として注目されている。   Among the polymer electrolyte fuel cells, a direct methanol fuel cell (DMFC) using a methanol aqueous solution as a fuel is easy to handle because the fuel is liquid, and auxiliary equipment such as a humidifier. Therefore, it is possible to reduce the size and attract attention as a battery source for portable devices such as personal computers and mobile phones.

前述のように、直接メタノール型燃料電池は、アノード(燃料極)に、メタノール水溶液を燃料として供給する。したがって、アノード(燃料極)とカソード(空気極)との間にある高分子電解質膜(プロトン伝導膜)が、メタノールに対するバリア性(メタノールバリア性)が低いと、メタノールが該高分子電解質膜を透過してカソードに移動するという現象が生じる。この現象は、メタノールクロスオーバー(MCO:Methanol Cross Over)と呼称されており、かかる現象が生じると、発電性能の低下やメタノールがカソードから漏れ出し、電池自体に損傷が生じるといった問題が生じるおそれがある。   As described above, a direct methanol fuel cell supplies an aqueous methanol solution as a fuel to an anode (fuel electrode). Therefore, if the polymer electrolyte membrane (proton conductive membrane) between the anode (fuel electrode) and the cathode (air electrode) has a low barrier property (methanol barrier property) against methanol, methanol will cause the polymer electrolyte membrane to The phenomenon of permeating and moving to the cathode occurs. This phenomenon is called methanol crossover (MCO), and if such a phenomenon occurs, there is a risk that the power generation performance will deteriorate or methanol will leak from the cathode, causing damage to the battery itself. is there.

しかし、前記従来の固体高分子型燃料電池に用いられているパーフルオロアルカン系高分子電解質膜は、メタノールバリア性が低く、メタノールクロスオーバーを生じやすいため、従来の固体高分子型燃料電池の構成をそのまま直接メタノール型燃料電池に適用すると、十分な発電性能を得ることができない。   However, since the perfluoroalkane polymer electrolyte membrane used in the conventional solid polymer fuel cell has a low methanol barrier property and easily causes methanol crossover, the configuration of the conventional solid polymer fuel cell When applied directly to a methanol fuel cell, sufficient power generation performance cannot be obtained.

これらの理由から、固体高分子電解質膜として従来重用されているパーフルオロアルカン系高分子電解質膜に代る、高性能の炭化水素系高分子電解質膜の開発が活発化している(特許文献1)。一方、一般に固体高分子電解質膜のメタノールバリア性と、発電性能に関わるプロトン伝導性とは、互いに相反するものであり、現在のところ、高性能な固体高分子型燃料電池用の固体高分子電解質膜、さらには、直接メタノール型燃料電池に用いて好適な固体高分子電解質膜は提供されていない。   For these reasons, development of high-performance hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes, which replaces perfluoroalkane-based polymer electrolyte membranes conventionally used heavily as solid polymer electrolyte membranes, has been activated (Patent Document 1). . On the other hand, the methanol barrier property of the solid polymer electrolyte membrane and the proton conductivity related to the power generation performance are generally contradictory to each other. At present, the solid polymer electrolyte for high-performance solid polymer fuel cells No solid polymer electrolyte membranes suitable for use in membranes and direct methanol fuel cells are provided.

国際公開第2003/033566号パンフレットInternational Publication No. 2003/033566 Pamphlet

本発明は、前記従来の事情に鑑みてなされたもので、その課題は、メタノールバリア性とプロトン伝導性とを高水準で両立しうる高分子電解質膜の製造方法、該製造方法にて得られる高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体および燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and the problem is obtained by a method for producing a polymer electrolyte membrane capable of achieving both methanol barrier properties and proton conductivity at a high level, and the production method. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell.

前記課題を解決するために、本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、炭化水素系ブロック型高分子電解質と溶媒とを含有する高分子電解質溶液を膜化して、含溶媒ブロック型高分子電解質膜を得る膜化工程と、前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜を加熱することにより高分子電解質膜を得る加熱処理工程とを有する高分子電解質膜の製造方法であって、前記加熱処理の温度を、前記炭化水素系ブロック型高分子電解質の熱分解開始温度より高い温度とし、且つ処理後の前記高分子電解質膜の残存溶媒量を1重量%以上とすることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises forming a polymer electrolyte solution containing a hydrocarbon block polymer electrolyte and a solvent into a membrane, and then forming a solvent-containing block polymer. A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising: a membrane forming step for obtaining an electrolyte membrane; and a heat treatment step for obtaining a polymer electrolyte membrane by heating the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane, The temperature is higher than the thermal decomposition start temperature of the hydrocarbon block polymer electrolyte, and the amount of residual solvent in the polymer electrolyte membrane after treatment is 1 wt% or more.

上述のように、本発明に用いる電解質膜は、炭化水素系ブロック型高分子電解質から得られる炭化水素系ブロック型高分子電解質膜であるが、本明細書の記載においては、冗長とならないように、必要に応じて、ブロック型高分子電解質膜、高分子電解質膜、さらには電解質膜と略記する場合がある。また、同様に本発明の電解質膜を形成するために使用する炭化水素系ブロック型高分子電解質についても、ブロック型高分子電解質あるいは高分子電解質と略記する場合がある。   As described above, the electrolyte membrane used in the present invention is a hydrocarbon block polymer electrolyte membrane obtained from a hydrocarbon block polymer electrolyte. However, in the description of this specification, the electrolyte membrane is not redundant. If necessary, they may be abbreviated as block type polymer electrolyte membranes, polymer electrolyte membranes, and electrolyte membranes. Similarly, the hydrocarbon block polymer electrolyte used to form the electrolyte membrane of the present invention may be abbreviated as a block polymer electrolyte or a polymer electrolyte.

前記構成の製造方法において、前記加熱処理工程後の高分子電解質膜を構成する高分子電解質のゲル浸透クロマトグラフィー法により求められるポリスチレン換算数平均分子量が前記加熱処理前の含溶媒ブロック型高分子電解質膜を構成する高分子電解質に比べて高くなることが、望ましい。   In the production method having the above-described configuration, the number average molecular weight in terms of polystyrene determined by gel permeation chromatography of the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane after the heat treatment step is a solvent-containing block type polymer electrolyte before the heat treatment. It is desirable that it be higher than the polymer electrolyte constituting the membrane.

前記加熱処理工程を経て得られた高分子電解質膜は、直接メタノール型燃料電池の高分子電解質膜に用いて好適である。   The polymer electrolyte membrane obtained through the heat treatment step is suitable for use in a polymer electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell.

前記構成の製造方法において、前記炭化水素系ブロック型高分子電解質が有するカチオン交換基の10%以上がプロトン型であることが、好ましい。   In the manufacturing method of the said structure, it is preferable that 10% or more of the cation exchange group which the said hydrocarbon type block type polymer electrolyte has is a proton type.

前記構成の製造方法において、前記炭化水素系ブロック型高分子電解質が、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体であることが、好ましい。   In the manufacturing method having the above configuration, it is preferable that the hydrocarbon block polymer electrolyte is a block copolymer including a block having a cation exchange group and a block having substantially no ion exchange group. .

前記カチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式(1):   As the block having a cation exchange group, the following general formula (1):

Figure 2010056051
[式(1)中、Ar11は、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該2価の芳香族基は、少なくとも1つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、X11は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、dは5以上の整数である。]で表される構造単位を有するものが、好ましい。
Figure 2010056051
[In the formula (1), Ar 11 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group represents an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or a substituent. C1-C20 alkoxy group which may have, C6-C20 aryl group which may have a substituent, C6-C20 aryloxy which may have a substituent The divalent aromatic group may have at least one selected from the group consisting of a group and an optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms. A cation exchange group is directly bonded to an aromatic ring, X 11 represents a direct bond, a group represented by —O—, a group represented by —S—, a carbonyl group or a sulfonyl group, and d is an integer of 5 or more. It is. Those having a structural unit represented by the formula:

また、前記カチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式(2)または(3):   Moreover, as a block which has the said cation exchange group, following General formula (2) or (3):

Figure 2010056051
[式(2)および(3)中、Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、または炭素数2〜20のアシル基を表し、X12は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を表し、Jはカチオン交換基を表わし、p、qは1または2であり、dは5以上の整数である。]で表される構造を有するものが、好ましい。
Figure 2010056051
[In the formulas (2) and (3), each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or carbon. Represents an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and X 12 represents a direct bond, a group represented by —O—, a group represented by —S—, a carbonyl group or a sulfonyl group. It represents, J 1 represents a cation exchange group, p, q is 1 or 2, d is an integer of 5 or more. It is preferable to have a structure represented by

また、前記イオン交換基を実質的に有さないブロックとしては、下記一般式(4):   Moreover, as a block which does not have the said ion exchange group substantially, following General formula (4):

Figure 2010056051
[式(4)中、Ar22は、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、X22は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、eは5以上の整数である。]で表される構造単位を有するものが、好ましい。
Figure 2010056051
[In formula (4), Ar 22 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group includes an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and 6 carbon atoms. Or an aryl group having 20 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and X 22 may be a direct bond, —O A group represented by-, a group represented by -S-, a carbonyl group or a sulfonyl group, and e is an integer of 5 or more. Those having a structural unit represented by the formula:

さらに、前記イオン交換基を実質的に有さないブロックとしては、下記一般式(5):   Furthermore, as a block which does not have the said ion exchange group substantially, following General formula (5):

Figure 2010056051
[式(5)中、Ar2、Ar3、Ar4、Ar5は、互いに独立に、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、X、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表し、Y、Y’は、互いに独立に−O−で示される基または−S−で示される基を表し、a、b、cは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。]で表される構造単位を有するものが、好ましい。
Figure 2010056051
[In Formula (5), Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 , Ar 5 independently represent a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. , Having at least one selected from the group consisting of an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, Y and Y ′ each independently represent a group represented by —O— or a group represented by —S—, a, b and c each independently represents 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Those having a structural unit represented by the formula:

本発明に係る高分子電解質膜は、前述の本発明に係る製造方法によって得られたものであることを特徴とする。   The polymer electrolyte membrane according to the present invention is obtained by the above-described production method according to the present invention.

また、本発明に係る膜−電極接合体は、上記高分子電解質膜の両面に触媒層を有することを特徴とする。   The membrane-electrode assembly according to the present invention is characterized by having catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane.

さらに、本発明に係る燃料電池は、上記膜―電極接合体を有することを特徴とする。   Furthermore, the fuel cell according to the present invention has the above membrane-electrode assembly.

本発明の製造方法によれば、メタノールバリア性、プロトン伝導度がともに高水準である高分子電解質膜を得ることができる。本発明の高分子電解質膜を使用した直接メタノール型燃料電池は、高い発電特性を持ちながら、メタノールクロスオーバー性が低く、係る特性に基づいて燃費の低下が低減されるため、携帯機器等の用途に好適に用いることができる。
なお、本発明に係る高分子電解質膜は、特に燃料電池に用いて好適であるが、燃料電池用の高分子電解質膜に限定されるものではなく、メタノールなどの溶媒に対するバリア性やイオン伝導性などの特性を必要とする様々な用途に用いることができる。
According to the production method of the present invention, a polymer electrolyte membrane having both high methanol barrier properties and proton conductivity can be obtained. The direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention has high power generation characteristics and low methanol crossover, and the reduction in fuel consumption is reduced based on such characteristics. Can be suitably used.
The polymer electrolyte membrane according to the present invention is particularly suitable for use in a fuel cell. However, the polymer electrolyte membrane is not limited to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and has barrier properties and ion conductivity against a solvent such as methanol. It can be used for various applications that require characteristics such as.

本発明の高分子電解質膜の製造方法では、まず、炭化水素系ブロック型高分子電解質と溶媒とを含有する高分子電解質溶液を膜化して、含溶媒ブロック型高分子電解質膜を得る(膜化工程)。次に、前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜を加熱して(加熱処理工程)、高分子電解質膜を得る。   In the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention, first, a polymer electrolyte solution containing a hydrocarbon block type polymer electrolyte and a solvent is formed into a film to obtain a solvent-containing block type polymer electrolyte membrane (film formation). Process). Next, the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane is heated (heat treatment step) to obtain a polymer electrolyte membrane.

以下に、本発明の製造方法の上記プロセス順に従って、炭化水素系ブロック型高分子電解質、この高分子電解質と溶媒とを含有する高分子電解質溶液からの膜化方法、膜化された含溶媒ブロック型高分子電解質膜の加熱処理方法、加熱処理によって得られた高分子電解質膜、そして、この高分子電解質膜を用いて得られる膜−電極接合体および燃料電池について、説明する。   In the following, according to the above-described process sequence of the production method of the present invention, a hydrocarbon block type polymer electrolyte, a method for forming a membrane from a polymer electrolyte solution containing the polymer electrolyte and a solvent, and a membrane-containing solvent-containing block The heat treatment method for the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane obtained by the heat treatment, and the membrane-electrode assembly and fuel cell obtained using this polymer electrolyte membrane will be described.

(炭化水素系ブロック型高分子電解質)
本発明の製造方法において、対象となる炭化水素系ブロック型高分子電解質膜を構成する炭化水素系ブロック型高分子電解質とは、カチオン交換基を有し、総原子数の50%以上が炭素および水素で構成されたブロック型の重合体である。かかるブロック型重合体としては、そのカチオン交換基の少なくとも10%以上がプロトン型であるものが好ましく、中でも、カチオン交換基が導入されたブロックと、イオン交換基が実質的に導入されていないブロックとをそれぞれ一つ以上有するブロック共重合体であることが好ましい。かかるブロック共重合体を用いることにより、本発明の効果が顕著に現れる。
(Hydrocarbon block polymer electrolyte)
In the production method of the present invention, the hydrocarbon block polymer electrolyte constituting the target hydrocarbon block polymer electrolyte membrane has a cation exchange group, and 50% or more of the total number of atoms is carbon and It is a block type polymer composed of hydrogen. As such a block type polymer, those in which at least 10% of the cation exchange groups are proton type are preferable, and among them, a block in which a cation exchange group is introduced and a block in which an ion exchange group is not substantially introduced. And a block copolymer having at least one of each. By using such a block copolymer, the effect of the present invention remarkably appears.

前記カチオン交換基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホニルイミド基が好ましく、これらを併せ持つものでもよい。中でもカチオン交換基が、スルホン酸基であると特に好ましい。   As said cation exchange group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonylimide group are preferable, and you may have these together. Of these, the cation exchange group is particularly preferably a sulfonic acid group.

なお、「ブロック型高分子電解質」とは、化学的に性質の異なる2種類以上のブロックが、直接結合あるいは連結基を介して結合した共重合体からなる電解質のことをいう。本発明に用いるブロック型高分子電解質を構成する共重合体は、化学的に性質の異なる2種類以上のブロックとして、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとを有するブロック共重合体であることが好ましい。   The “block type polymer electrolyte” refers to an electrolyte composed of a copolymer in which two or more types of chemically different blocks are bonded directly or via a linking group. The copolymer constituting the block-type polymer electrolyte used in the present invention includes a block having a cation exchange group and a block having substantially no ion exchange group as two or more types of chemically different blocks. It is preferable that it is a block copolymer which has.

また、本発明で用いるブロック型高分子電解質とは、膜化した際にミクロ相分離構造を形成するものが好ましく、このようなミクロ相分離構造を形成するブロック型高分子電解質を用いると、本発明の効果が顕著に現れる。ここでいう「ミクロ相分離構造」とは、ブロック型高分子電解質を膜化した際に、異種のポリマーセグメント同士が化学結合で結合されていることにより、分子鎖サイズのオーダーでの微視的相分離が生じてできる構造を指す。例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)で見た場合に、カチオン交換基を有するブロックの密度が高い微細な相(ミクロドメイン)と、イオン交換基を実質的に有さないブロックの密度が高い微細な相(ミクロドメイン)とが混在し、各ミクロドメイン構造のドメイン幅、すなわち恒等周期が数nm〜数100nmであるような構造を指す。好ましくは5nm〜100nmのミクロドメイン構造を有するものが挙げられる。   Further, the block type polymer electrolyte used in the present invention is preferably one that forms a microphase separation structure when formed into a membrane, and if a block type polymer electrolyte that forms such a microphase separation structure is used, The effect of the invention appears remarkably. The term “microphase separation structure” as used herein refers to a microscopic structure in the order of the molecular chain size because different polymer segments are bonded by chemical bonds when a block-type polymer electrolyte is formed into a membrane. It refers to the structure formed by phase separation. For example, when viewed with a transmission electron microscope (TEM), a fine phase (microdomain) having a high density of blocks having cation exchange groups and a high density of blocks having substantially no ion exchange groups In other words, the structure is such that the domain width of each microdomain structure, that is, the identity period is several nm to several hundred nm. Those having a microdomain structure of 5 nm to 100 nm are preferable.

上記高分子電解質の中でも、耐熱性やリサイクルの容易さの観点から、芳香族系ブロック共重合体を含むことが好ましい。かかる芳香族系ブロック共重合体とは、高分子鎖の主鎖に芳香族環を有し、側鎖および/または主鎖にカチオン交換基を有する高分子化合物を意味する。かかる芳香族系ブロック共重合体としては、溶媒に可溶なものが通常使用され、これらは公知の溶液キャスト法にて、容易に膜化することができるため、好ましい。   Among the polymer electrolytes, an aromatic block copolymer is preferably included from the viewpoint of heat resistance and ease of recycling. The aromatic block copolymer means a polymer compound having an aromatic ring in the main chain of the polymer chain and having a cation exchange group in the side chain and / or the main chain. As such an aromatic block copolymer, those soluble in a solvent are usually used, and these are preferable because they can be easily formed into a film by a known solution casting method.

これらの芳香族系ブロック共重合体のカチオン交換基は、高分子の主鎖を構成している芳香族環に直接置換していても、主鎖を構成している芳香族環に連結基を介して結合していても、または、それらの組み合わせであってもよい。   Even if the cation exchange group of these aromatic block copolymers is directly substituted for the aromatic ring constituting the main chain of the polymer, a linking group is added to the aromatic ring constituting the main chain. Or a combination thereof.

上記ブロック共重合体の具体的な例としては、特開2001−250567号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーブロックを有するブロック共重合体、特開2003−31232号公報、特開2004−359925号公報、特開2005−232439号公報、特開2003−113136号公報等の特許文献に記載の「ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造とし、スルホン酸基を有するブロックを有するブロック共重合体」を挙げることができる。   Specific examples of the block copolymer include a block copolymer having a sulfonated aromatic polymer block described in JP-A No. 2001-250567, JP-A No. 2003-3232, and JP-A No. 2004-2004. No. 359925, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-232439, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-113136, etc., “a block copolymer having a polyether ketone and a polyether sulfone as a main chain structure and a block having a sulfonic acid group. Polymer ".

上記ブロック共重合体のカチオン交換基を有するブロックとしては、下記一般式(1)で表される構造単位が複数連結されている構造を含むブロックであることが好ましく、構造単位1つ当たりのカチオン交換基数で表して、平均して0.5個以上有するものであり、好ましくは平均して1.0個以上有することが好ましい。   The block copolymer having a cation exchange group is preferably a block including a structure in which a plurality of structural units represented by the following general formula (1) are linked, and a cation per structural unit. Expressed in terms of the number of exchange groups, it has an average of 0.5 or more, and preferably has an average of 1.0 or more.

Figure 2010056051
[式(1)中、Ar11は、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該2価の芳香族基は、少なくとも1つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、X11は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、dは5以上の整数である。]
Figure 2010056051
[In the formula (1), Ar 11 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group represents an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or a substituent. C1-C20 alkoxy group which may have, C6-C20 aryl group which may have a substituent, C6-C20 aryloxy which may have a substituent The divalent aromatic group may have at least one selected from the group consisting of a group and an optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms. A cation exchange group is directly bonded to an aromatic ring, X 11 represents a direct bond, a group represented by —O—, a group represented by —S—, a carbonyl group or a sulfonyl group, and d is an integer of 5 or more. It is. ]

上記置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、2,2−ジメチルプロピル基、シクロペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、2−メチルペンチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、アダマンチル基、イコシル基等の炭素数1〜20のアルキル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が1〜20のアルキル基等が挙げられる。   Examples of the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms that may have a substituent include, for example, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, n-pentyl group, 2,2-dimethylpropyl group, cyclopentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, 2-methylpentyl group, 2-ethylhexyl group, nonyl group, decyl group, dodecyl group, hexadecyl group, adamantyl group, Alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms such as icosyl group, and fluorine, hydroxyl, nitrile, amino, methoxy, ethoxy, isopropyloxy, phenyl, naphthyl, phenoxy, naphthyl, etc. An oxy group or the like is substituted, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in total is exemplified.

また、上記置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、n−ペンチルオキシ基、2,2−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、2−メチルペンチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、デシルオキシ基、アダマンチルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基、イコシルオキシ基等の炭素数1〜20のアルコキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が1〜20のアルコキシ基等が挙げられる。   Moreover, as a C1-C20 alkoxy group which may have the said substituent, a methoxy group, an ethoxy group, n-propyloxy group, isopropyloxy group, n-butyloxy group, sec-butyloxy group, for example Tert-butyloxy group, isobutyloxy group, n-pentyloxy group, 2,2-dimethylpropyloxy group, cyclopentyloxy group, n-hexyloxy group, cyclohexyloxy group, 2-methylpentyloxy group, 2-ethylhexyloxy group Group, a decyloxy group, an adamantyloxy group, a hexadecyloxy group, an icosyloxy group, etc., and an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and these groups include a fluorine atom, a hydroxyl group, a nitrile group, an amino group, a methoxy group, an ethoxy group, Isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, Phenoxy group, and naphthyloxy group and the like are substituted, the total carbon number and an alkoxy group having 1 to 20.

上記置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ビフェニル基等のアリール基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が6〜20のアリール基等が挙げられる。   Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms that may have the substituent include aryl groups such as a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and a biphenyl group, and a fluorine atom, a hydroxyl group, A nitrile group, an amino group, a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a phenyl group, a naphthyl group, a phenoxy group, a naphthyloxy group, and the like are substituted, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms in total is exemplified.

上記置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基としては、例えば、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、アントラセニルオキシ基、ビフェニルオキシ基等のアリールオキシ基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が6〜20のアリールオキシ基等が挙げられる。   Examples of the aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms that may have a substituent include aryloxy groups such as a phenoxy group, a naphthyloxy group, an anthracenyloxy group, and a biphenyloxy group, and these groups. Substituted with a fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc., and an aryl having a total carbon number of 6 to 20 An oxy group etc. are mentioned.

上記置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ベンゾイル基、1−ナフトイル基、2−ナフトイル基等の炭素数2〜20のアシル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換し、その総炭素数が20以下であるアシル基が挙げられる。   Examples of the acyl group having 2 to 20 carbon atoms that may have a substituent include carbon such as acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, benzoyl group, 1-naphthoyl group, and 2-naphthoyl group. A number 2 to 20 acyl group, and these groups are substituted with fluorine atom, hydroxyl group, nitrile group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, etc. And an acyl group having a total carbon number of 20 or less.

ここで、dは、当該ブロックの重合度を表す5以上の整数であり、5〜1000の範囲が好ましく、より好ましくは10〜1000であり、特に好ましくは20〜500である。dの値が5以上であると、プロトン伝導度に優れた高分子電解質が得られるので好ましい。一方、dの値が1000以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。   Here, d is an integer greater than or equal to 5 which represents the polymerization degree of the said block, The range of 5-1000 is preferable, More preferably, it is 10-1000, Most preferably, it is 20-500. A value of d of 5 or more is preferable because a polymer electrolyte excellent in proton conductivity can be obtained. On the other hand, if the value of d is 1000 or less, it is preferable because the production of the block is easier.

上記一般式(1)で表されるブロックの好適な例としては、下記一般式(2)または(3)で表されるブロックであることが好ましい。   As a suitable example of the block represented by the general formula (1), a block represented by the following general formula (2) or (3) is preferable.

Figure 2010056051
[式中、R1は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、または炭素数2〜20のアシル基を表し、X12は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を表し、J1はカチオン交換基を表し、p、qは1または2であり、dは5以上の整数である。]
Figure 2010056051
[In the formula, each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or an aryloxy having 6 to 20 carbon atoms. A group, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, X 12 represents a direct bond, a group represented by —O—, a group represented by —S—, a carbonyl group or a sulfonyl group, and J 1 represents cation exchange. Represents a group, p and q are 1 or 2, and d is an integer of 5 or more. ]

上記のようなイオン交換基を有するブロックを有すると、本発明の高分子電解質膜が高水準のプロトン伝導度と吸水寸法安定性が確保されることに加え、膜強度をより向上させることができるため、好ましい。   When the block having an ion exchange group as described above is used, the polymer electrolyte membrane of the present invention can improve the membrane strength in addition to ensuring a high level of proton conductivity and water absorption dimensional stability. Therefore, it is preferable.

また、R1は上記のとおり、置換基を表すが、とりわけ好ましくは水素原子であり、実質的にフェニレン基、ナフタレンジイル基が、カチオン交換基以外の置換基を有さないものが好ましい。 R 1 represents a substituent as described above, and is particularly preferably a hydrogen atom, and a phenylene group or a naphthalenediyl group having substantially no substituent other than a cation exchange group is preferable.

上記一般式(2)で表されるブロックの具体例としては、カチオン交換基をスルホン酸基で代表させて示すと、下記の式(2a−1)〜(2a−30)で示される構造単位の群から選ばれる一つの構造単位がd個連結してなるブロックを挙げることができる。ここで、dは、上記一般式(2)におけるdと同等の定義の数、すなわち5以上の整数である。   Specific examples of the block represented by the general formula (2) include structural units represented by the following formulas (2a-1) to (2a-30) when the cation exchange group is represented by a sulfonic acid group. And a block in which d structural units selected from the group are connected. Here, d is the number of definitions equivalent to d in the general formula (2), that is, an integer of 5 or more.

Figure 2010056051
Figure 2010056051

Figure 2010056051
Figure 2010056051

Figure 2010056051
Figure 2010056051

Figure 2010056051
Figure 2010056051

また、上記一般式(3)で表されるブロックの具体例としては、カチオン交換基をスルホン酸基で代表させて示すと、下記の(3b−1)〜(3b−28)で示される構造単位の群から選ばれる構造単位がd個連結してなるブロックを挙げることができる。ここで、dは一般式(2)におけるdと同等の定義の数、すなわち5以上の整数である。   Moreover, as a specific example of the block represented by the general formula (3), the structure represented by the following (3b-1) to (3b-28) when the cation exchange group is represented by a sulfonic acid group. A block formed by connecting d structural units selected from the group of units can be given. Here, d is the number of definitions equivalent to d in the general formula (2), that is, an integer of 5 or more.

Figure 2010056051
上掲のブロックは、例えば、特開2004−190002号公報に記載の製造方法などに基づいて製造することができる。
Figure 2010056051
The above-mentioned block can be manufactured based on, for example, a manufacturing method described in JP-A-2004-190002.

さらに、前記カチオン交換基を有するブロックとしては、上記一般式(2)で表されるブロックを構成する構造単位、上記一般式(3)で表されるブロックを構成する構造単位を併せ持つブロックでもよく、それらがd個連結してなるブロックであればよい。   Further, the block having a cation exchange group may be a block having both a structural unit constituting the block represented by the general formula (2) and a structural unit constituting the block represented by the general formula (3). Any block that is formed by connecting d pieces of them may be used.

また、カチオン交換基としては、カルボン酸基、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホニルイミド基が例示され、これらを併せ持つものでもよい。中でも強酸基であるスルホン酸基をカチオン交換基として含むと、特に好ましい。   Moreover, as a cation exchange group, a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a sulfonylimide group are illustrated, and you may have these together. Among them, it is particularly preferable to include a sulfonic acid group that is a strong acid group as a cation exchange group.

次に、上記イオン交換基を実質的に有さないブロックについて説明する。
ここで、「イオン交換基を実質的に有さない」とは、このブロックを主として構成する繰り返し単位のほとんどがイオン交換基を有していないことを意味する。具体的には、このブロックを構成している構造単位1個当たり、イオン交換基が平均して0.1個以下であり、0.05個以下であることが、好ましく、構造単位中にイオン交換基が全く含まれていないことが、特に好ましい。
Next, the block having substantially no ion exchange group will be described.
Here, “substantially free of ion exchange groups” means that most of the repeating units mainly constituting this block have no ion exchange groups. Specifically, the average number of ion exchange groups per structural unit constituting this block is 0.1 or less, preferably 0.05 or less. It is particularly preferred that no exchange groups are contained.

このイオン交換基を実質的に有さないブロックの中でも、とりわけ好ましくは、下記一般式(4)で表されるブロックである。   Among the blocks having substantially no ion exchange group, a block represented by the following general formula (4) is particularly preferable.

Figure 2010056051
[式(4)中、Ar22は、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、X22は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示す。eは5以上の整数である。]
ここで、一般式(4)の芳香族基Ar22の置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基およびアシル基の具体的な例示は、上記一般式(1)と同等である。
また、eは該ブロックの重合度を表す5以上の整数であり、5〜1000の範囲が好ましく、さらに好ましくは10〜1000であり、特に好ましくは20〜500である。eの値が5以上であると、膜強度に優れる高分子電解質が得られるため好ましい。一方、eの値が1000以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。
Figure 2010056051
[In formula (4), Ar 22 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group includes an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and 6 carbon atoms. Or an aryl group having 20 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and X 22 may be a direct bond, —O A group represented by-, a group represented by -S-, a carbonyl group or a sulfonyl group; e is an integer of 5 or more. ]
Here, specific examples of the alkyl group, the alkoxy group, the aryl group, the aryloxy group, and the acyl group, which are substituents of the aromatic group Ar 22 in the general formula (4), are equivalent to the above general formula (1). is there.
Moreover, e is an integer greater than or equal to 5 showing the polymerization degree of this block, The range of 5-1000 is preferable, More preferably, it is 10-1000, Most preferably, it is 20-500. A value of e of 5 or more is preferable because a polymer electrolyte having excellent film strength can be obtained. On the other hand, if the value of e is 1000 or less, it is preferable because the production of the block is easier.

上記イオン交換基を実質的に有さないブロックとしては、特に、下記一般式(5)で表されるブロックであると、好適である。   As the block having substantially no ion exchange group, a block represented by the following general formula (5) is particularly preferable.

Figure 2010056051
[式(5)中、a、b、cは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。Ar2、Ar3、Ar4、Ar5は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここで、これらの2価の芳香族基は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種で置換されていてもよい。X、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表す。Y、Y’は、互いに独立に−O−で示される基または−S−で示される基を表す。]
Figure 2010056051
[In Formula (5), a, b, and c each independently represent 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 , and Ar 5 each independently represent a divalent aromatic group, and these divalent aromatic groups are an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a carbon number 1 to 1 It may be substituted with at least one selected from the group consisting of a 20 alkoxy group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group. Y and Y ′ each independently represent a group represented by —O— or a group represented by —S—. ]

式(5)中のnは該ブロックに係る重合度を表す5以上の整数であり、5〜1000の範囲が好ましく、さらに好ましくは10〜1000であり、特に好ましくは20〜500である。nの値が5以上であると、膜強度に優れる高分子電解質が得られるため好ましい。一方、nの値が1000以下であれば、該ブロックの製造がより容易であるので好ましい。   N in the formula (5) is an integer of 5 or more representing the degree of polymerization related to the block, preferably in the range of 5 to 1000, more preferably 10 to 1000, and particularly preferably 20 to 500. It is preferable that the value of n is 5 or more because a polymer electrolyte having excellent film strength can be obtained. On the other hand, if the value of n is 1000 or less, it is preferable because the production of the block is easier.

上記一般式(5)で表されるブロックの好適な代表例としては、下記一般式(5−1)〜(5−22)で示されるブロックが挙げられる。   Preferable representative examples of the block represented by the general formula (5) include blocks represented by the following general formulas (5-1) to (5-22).

Figure 2010056051
Figure 2010056051

Figure 2010056051
Figure 2010056051

Figure 2010056051
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具体的に、本発明に適用する好適なブロック共重合体としては、下記(表1)に示した組み合わせ構成の共重合体(6−1)〜(6−18)を例示することができる。
なお、下記(表1)において、「カチオン交換基を有するブロック(2a−1)、(2a−4)、(2a−19)、および(2a−25)」とは、それぞれ、先に一般式(2a−1)、(2a−4)、(2a−19)、(2a−25)を用いて説明したブロックを意味し、同様に、「実質的にイオン交換基を有さないブロック(5−1)、(5−2)、(5−9)、(5−10)、(5−21)、(5−22)」とは、それぞれ、先に一般式(5−1)、(5−2)、(5−9)、(5−10)、(5−21)、(5−22)を用いて説明したブロックを意味する。
Specifically, examples of suitable block copolymers to be applied to the present invention include copolymers (6-1) to (6-18) having a combination structure shown in the following (Table 1).
In addition, in the following (Table 1), “the block having a cation exchange group (2a-1), (2a-4), (2a-19), and (2a-25)” respectively represents the general formula. This means the block described using (2a-1), (2a-4), (2a-19), and (2a-25), and similarly, “block having substantially no ion exchange group (5 -1), (5-2), (5-9), (5-10), (5-21), (5-22) "are respectively represented by general formulas (5-1), ( 5-2), the block described using (5-9), (5-10), (5-21), and (5-22).

Figure 2010056051
Figure 2010056051

とりわけ好ましいブロック共重合体としては、下記一般式(7−1)および(7−2)で示されるものを挙げることができる。   Particularly preferred block copolymers include those represented by the following general formulas (7-1) and (7-2).

Figure 2010056051
Figure 2010056051

なお、上記ブロック共重合体としては、カチオン基を有するブロックと、実質的にイオン基を有さないブロックの存在比を調整することにより、上記ブロック共重合体のイオン交換容量が、0.5〜4.0meq/gの範囲となることが好ましく、より好ましくは0.8〜3.5meq/gの範囲となることが好ましい。上記イオン交換容量は、滴定法によって求めることができる。   In addition, as the block copolymer, the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.5 by adjusting the abundance ratio of the block having a cationic group and the block having substantially no ionic group. It is preferable to be in the range of ˜4.0 meq / g, more preferably in the range of 0.8 to 3.5 meq / g. The ion exchange capacity can be determined by a titration method.

上記ブロック型高分子電解質は、その構造などにより最適分子量範囲を適宜求めることができるが、一般的にはGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)法によるポリスチレン換算の数平均分子量で表して、1000〜1000000が好ましく、5000〜500000がより好ましく、10000〜300000がさらに好ましい。   The above-mentioned block type polymer electrolyte can obtain the optimal molecular weight range as appropriate depending on its structure and the like, but generally it is expressed in terms of polystyrene-reduced number average molecular weight by GPC (gel permeation chromatography) method. Preferably, 5000-500000 is more preferable, and 10000-300000 is further more preferable.

上記平均分子量が、1000以上であると、膜強度がより向上する傾向にあり、1000000以下であると、該高分子電解質の溶媒に対する溶解性が良好となり、得られる溶液の溶液粘度が低下することから、溶液キャスト法による製膜が容易になるため、上記の分子量範囲が好ましい。   When the average molecular weight is 1000 or more, the film strength tends to be further improved. When the average molecular weight is 1000000 or less, the solubility of the polymer electrolyte in a solvent is improved, and the solution viscosity of the resulting solution is lowered. Therefore, the above molecular weight range is preferable because film formation by the solution casting method is facilitated.

上記ブロック型高分子電解質のカチオン交換基の少なくとも一部がプロトン型である場合は、そのブロック型分子電解質の熱分解開始温度が低くなり、それに伴って後述の加熱処理における加熱処理温度も低くすることができるため、好ましい。前記カチオン交換基がプロトン型である割合としては、10%以上が好ましい。より好ましくは50%以上、更に好ましくは80%以上である。   When at least a part of the cation exchange group of the block type polymer electrolyte is proton type, the thermal decomposition starting temperature of the block type molecular electrolyte is lowered, and accordingly, the heat treatment temperature in the heat treatment described later is also lowered. This is preferable. The ratio of the cation exchange group being proton type is preferably 10% or more. More preferably, it is 50% or more, More preferably, it is 80% or more.

(含溶媒ブロック型高分子電解質膜とその膜化方法)
上述のブロック型高分子電解質を適当な溶媒に溶解して得られた溶液から含溶媒ブロック型高分子電解質膜を得る膜化方法としては、特に限定されるものではなく、スピンコート法、溶液キャスト法など公知の方法を用いることができるが、前記溶液を、支持基材上に流延塗布し、溶媒量を低減することにより、前記支持材上に含溶媒ブロック型高分子電解質膜を製造する溶液キャスト法が、操作も簡便であるため、特に好ましい。
その他の膜化方法としては、上記ブロック型高分子電解質を適当な溶媒に溶解して得られた溶液を多孔質な膜状支持体に塗布し、該多孔質な膜状支持体にブロック型高分子電解質を保持させ、その後、高分子電解質の溶液の溶媒量を低減することにより、多孔質な膜状支持体と該支持体に保持されたブロック型高分子電解質膜とからなる複合膜を得る膜化方法も可能である。この複合膜を含溶媒ブロック型高分子電解質膜として用い、本発明の高分子電解質膜を製造してもよい。該膜化方法に用いる「多孔質な膜状支持体」としては、ポリイミド、ポリスルホン、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等を材料とした多孔質膜を用いることができる。
(Solvent-containing block type polymer electrolyte membrane and method for forming the membrane)
The film forming method for obtaining the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane from a solution obtained by dissolving the above block type polymer electrolyte in an appropriate solvent is not particularly limited, and spin coating, solution casting Although a known method such as a method can be used, a solvent-containing block type polymer electrolyte membrane is produced on the support material by casting the solution onto a support substrate and reducing the amount of solvent. The solution casting method is particularly preferable because the operation is simple.
As another membrane forming method, a solution obtained by dissolving the block type polymer electrolyte in an appropriate solvent is applied to a porous membrane support, and the block membrane high support is applied to the porous membrane support. A composite membrane composed of a porous membrane-like support and a block-type polymer electrolyte membrane held on the support is obtained by holding the molecular electrolyte and then reducing the amount of solvent in the polymer electrolyte solution. A film-forming method is also possible. This composite membrane may be used as a solvent-containing block type polymer electrolyte membrane to produce the polymer electrolyte membrane of the present invention. As the “porous membrane-like support” used in the membrane forming method, a porous material made of polyimide, polysulfone, polyamide, polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) or the like is used. A membrane can be used.

前記溶媒は、前記ブロック型高分子電解質を溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド(以下、「DMF」という)、N,N−ジメチルアセトアミド(以下、「DMAc」という)、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」という)、ジメチルスルホキシド(以下、「DMSO」という)等の非プロトン性極性溶媒;あるいはジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒;メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これら好適な溶媒の中でも、非プロトン性極性溶媒がより好適に用いられる。すなわち、DMF、DMAc、NMP、DMSO等の非プロトン性極性溶媒が前記ブロック型高分子電解質の溶解性が高く好ましい。
上記溶媒は単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上を混合して用いてもよい。
The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the block type polyelectrolyte and can be removed thereafter. For example, N, N-dimethylformamide (hereinafter referred to as “DMF”), N, Aprotic polar solvents such as N-dimethylacetamide (hereinafter referred to as “DMAc”), N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”), dimethyl sulfoxide (hereinafter referred to as “DMSO”); or dichloromethane, Chlorinated solvents such as chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene; alcohols such as methanol, ethanol, propanol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl Alkylene glycol monoalkyl ethers such as ether is preferably used. Among these suitable solvents, aprotic polar solvents are more preferably used. That is, an aprotic polar solvent such as DMF, DMAc, NMP, DMSO is preferable because of high solubility of the block type polymer electrolyte.
Although the said solvent can also be used independently, you may mix and use 2 or more types as needed.

溶液キャスト法に用いる支持基材は、溶液により膨潤あるいは溶解することなく、かつ製膜後に得られる膜が、剥離し得るものであるならば、特に制限は無く、例えば、ガラス、ステンレス材、ステンレスベルト、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルム等が好適に用いられる。該基材表面は必要に応じ離型処理、鏡面処理、エンボス処理、或いは艶消し処理等を施してもよい。   The support base material used in the solution casting method is not particularly limited as long as it does not swell or dissolve with the solution and the film obtained after film formation can be peeled off. For example, glass, stainless steel, stainless steel A belt, a polyethylene terephthalate (PET) film, a polytetrafluoroethylene (PTFE) film or the like is preferably used. If necessary, the surface of the substrate may be subjected to release treatment, mirror surface treatment, embossing treatment, or matting treatment.

溶液キャスト法に用いる溶液中のブロック型高分子電解質濃度は、使用したブロック型高分子電解質自体の分子量にもよるが、通常5〜40重量%、好ましくは5〜30重量%である。このブロック型高分子電解質濃度が5重量%以上であると、実用的な膜厚の膜が加工しやすく、40重量%以下であると、得られる溶液の溶液粘度が低くなることから、平滑な表面のフィルムを得ることが容易となるため好ましい。   The concentration of the block type polymer electrolyte in the solution used for the solution casting method is usually 5 to 40% by weight, preferably 5 to 30% by weight, although it depends on the molecular weight of the used block type polymer electrolyte itself. When this block type polymer electrolyte concentration is 5% by weight or more, a film having a practical film thickness is easy to process, and when it is 40% by weight or less, the solution viscosity of the resulting solution becomes low. Since it becomes easy to obtain the film of the surface, it is preferable.

また、この溶液キャスト(膜化工程)において溶媒量を低減し、塗膜を硬化するために、加熱してもよいが、その場合の加熱の温度範囲は、前記ブロック型高分子電解質の熱分解開始温度以下とすることが望ましい。   Moreover, in this solution casting (film formation process), in order to reduce the amount of solvent and cure the coating film, heating may be performed. In this case, the heating temperature range is the thermal decomposition of the block type polymer electrolyte. It is desirable that the temperature be lower than the starting temperature.

(含溶媒ブロック型高分子電解質膜の加熱処理工程)
前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜は、加熱処理されて所望の高分子電解質膜とされる。この加熱処理工程では、前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜に、該電解質膜を構成しているブロック型高分子電解質の熱分解開始温度より高い温度で処理する。好ましくは、前記熱分解開始温度に対して10〜100℃、より好ましくは20℃〜80℃高い温度の熱をかける。この場合のブロック型高分子電解質の熱分解開始温度はTG/DTAにより測定することができる。含溶媒ブロック型高分子電解質膜にそのブロック型高分子電解質の熱分解開始温度よりも高い所定の温度の熱を加えると、該温度では、溶媒が残存する状態下でのブロック型高分子電解質の熱分解程度が小さくなることがある。すなわち、ブロック型高分子電解質が熱分解を開始する温度で加熱しても、溶媒が残存する場合は、ブロック型高分子電解質が分解する前に、ブロック型高分子電解質の分子量を増加させることが可能である。好ましくは、加熱処理前に比べて該高分子電解質膜を構成するブロック型高分子電解質の分子量が、溶媒に可溶な範囲で増大する。なお、この増大の度合いとしては、加熱処理工程前のブロック型高分子電解質の数平均分子量に対して加熱処理工程後のブロック型高分子電解質の数平均分子量が1.05倍以上であることが好ましく、1.10倍以上であることがより好ましい。
(Heat treatment process of solvent-containing block type polymer electrolyte membrane)
The solvent-containing block type polymer electrolyte membrane is heat-treated to obtain a desired polymer electrolyte membrane. In this heat treatment step, the solvent-containing block-type polymer electrolyte membrane is treated at a temperature higher than the thermal decomposition start temperature of the block-type polymer electrolyte constituting the electrolyte membrane. Preferably, heat is applied at a temperature 10 to 100 ° C, more preferably 20 ° C to 80 ° C higher than the thermal decomposition start temperature. The thermal decomposition starting temperature of the block type polymer electrolyte in this case can be measured by TG / DTA. When heat at a predetermined temperature higher than the thermal decomposition start temperature of the block-type polymer electrolyte is applied to the solvent-containing block-type polymer electrolyte membrane, at that temperature, the block-type polymer electrolyte in a state where the solvent remains The degree of thermal decomposition may be reduced. That is, if the solvent remains even when the block polymer electrolyte is heated at a temperature at which thermal decomposition starts, the molecular weight of the block polymer electrolyte may be increased before the block polymer electrolyte decomposes. Is possible. Preferably, the molecular weight of the block type polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane is increased in a range soluble in the solvent as compared with that before the heat treatment. The degree of increase is that the number average molecular weight of the block type polymer electrolyte after the heat treatment step is 1.05 times or more with respect to the number average molecular weight of the block type polymer electrolyte before the heat treatment step. Preferably, it is 1.10 times or more.

また、この加熱処理における加熱時間は、前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜の種類や上記加熱処理温度にも大きく依存するが、前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜を構成しているブロック型高分子電解質の熱分解の程度を抑え、高い処理効果や生産性を得るためにも、1分以上5時間以下が好ましく、5分以上3時間以下がより好ましい。   In addition, the heating time in this heat treatment largely depends on the kind of the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane and the heat treatment temperature, but the block type high molecular weight constituting the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane is In order to suppress the degree of thermal decomposition of the molecular electrolyte and obtain a high treatment effect and productivity, it is preferably 1 minute or longer and 5 hours or shorter, and more preferably 5 minutes or longer and 3 hours or shorter.

上述の「溶媒に可溶な範囲で、ブロック型高分子電解質の高分子量化」を実現するためには、前記範囲内での加熱温度および加熱時間の制御と、加熱処理中の膜中の残存溶媒量を、加熱処理後の膜中の残存溶媒量が1重量%以上となるように、維持することが重要である。   In order to realize the above-mentioned “high molecular weight of the block-type polyelectrolyte within the range soluble in the solvent”, the control of the heating temperature and the heating time within the above range and the remaining in the film during the heat treatment It is important to maintain the amount of solvent so that the amount of residual solvent in the film after heat treatment is 1% by weight or more.

なお、ここでいう「膜中の残存溶媒量1重量%以上」とは、膜全体の重さに対して、残存溶媒量が1重量%以上であることを意味する。そして、「残存溶媒量」とは、加熱処理後の膜中に残存している溶媒の量のことを意味する。ここでの「溶媒」とは、キャスト製膜時に用いた溶媒を示す。また、「加熱処理後」とは、加熱処理工程の終了直後から6時間以内の時間範囲を意味する。すなわち、本発明の高分子電解質膜の製造方法では、加熱処理工程の終了直後から、6時間以内の時間範囲のうち、ある特定の時間において、高分子電解質膜中の残存溶媒量が1重量%以上である。この残存溶媒量は、ガスクロマトグラフィー法によって求めることができる。   Here, “the amount of residual solvent in the film of 1% by weight or more” means that the amount of residual solvent is 1% by weight or more with respect to the weight of the entire film. The “residual solvent amount” means the amount of solvent remaining in the film after the heat treatment. Here, “solvent” refers to the solvent used at the time of casting film formation. Further, “after heat treatment” means a time range within 6 hours immediately after the heat treatment step is finished. That is, in the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention, the residual solvent amount in the polymer electrolyte membrane is 1% by weight in a specific time within a time range of 6 hours or less immediately after completion of the heat treatment step. That's it. This residual solvent amount can be determined by gas chromatography.

すなわち、本発明の高分子電解質膜の製造方法においては、高分子電解質溶液を膜化して得られた含溶媒ブロック型高分子電解質膜を、該含溶媒ブロック型高分子電解質膜を構成するブロック型高分子電解質の熱分解開始温度より高い温度で処理し、且つ該含溶媒高分子電解質膜中の含有溶媒量を該加熱処理の後の残存溶媒量が1重量%以上となるように維持することにより、ブロック型高分子電解質の熱分解程度が小さくなる。好ましくは、加熱処理前に比べて該高分子電解質膜を構成するブロック型高分子電解質の分子量が、溶媒に可溶な範囲で増大する。その結果、得られた高分子電解質膜は、柔軟性を保ちながらも高分子量化(緻密化)されている。このような反応機構により、本発明の製造方法によって得られた高分子電解質膜は、プロトン伝導度を高く保ちながらもメタノールが透過し難く、ハンドリング性に優れた、固体高分子型燃料電池、特に直接メタノール型燃料電池に好適なものになると考えられる。
上記残存溶媒量が1重量%未満であると、膜の柔軟性、ハンドリング性が不十分となる。このような効果が発現される理由は必ずしも定かではないが、本発明者は次のように推定している。すなわち、当該ブロック型炭化水素系高分子電解質において、カチオン交換基を有するブロックは、カチオン交換基が比較的密に集積されており、このように集積されたカチオン交換基同士が反応して、良好なメタノールバリア性を発現すると推定される。
That is, in the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention, a solvent-containing block type polymer electrolyte membrane obtained by forming a polymer electrolyte solution into a membrane is used as a block type constituting the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane. Treating at a temperature higher than the thermal decomposition start temperature of the polymer electrolyte, and maintaining the solvent content in the solvent-containing polymer electrolyte membrane so that the residual solvent amount after the heat treatment is 1% by weight or more As a result, the degree of thermal decomposition of the block-type polymer electrolyte is reduced. Preferably, the molecular weight of the block type polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane is increased in a range soluble in the solvent as compared with that before the heat treatment. As a result, the obtained polymer electrolyte membrane is made high molecular weight (densified) while maintaining flexibility. Due to such a reaction mechanism, the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention has a solid polymer fuel cell, in particular, which is difficult to permeate methanol while maintaining high proton conductivity, and has excellent handling properties. It will be suitable for direct methanol fuel cells.
When the amount of the residual solvent is less than 1% by weight, the flexibility and handling properties of the film are insufficient. The reason why such an effect is manifest is not necessarily clear, but the present inventor estimates as follows. That is, in the block-type hydrocarbon polymer electrolyte, the block having cation exchange groups has a relatively dense accumulation of cation exchange groups, and the accumulated cation exchange groups react with each other and are good. It is estimated that the methanol barrier property is developed.

なお、上記加熱処理工程において、加熱の際に酸素が多く存在する雰囲気で処理を施すと、酸素による高分子電解質膜の酸化といった望ましくない副反応が起こるため、真空下や不活性ガス下で行なうことが望ましい。   In the above heat treatment step, if the treatment is performed in an atmosphere in which a large amount of oxygen is present during heating, an undesirable side reaction such as oxidation of the polymer electrolyte membrane due to oxygen occurs, so the treatment is performed in a vacuum or under an inert gas. It is desirable.

また、先に説明した溶液キャスト(膜化工程)をブロック型高分子電解質の熱分解開始温度以下の温度領域で行い、その後、連続して上述の加熱処理を行なうことが好ましい。溶液キャストを予め前記熱分解開始温度以下の温度領域で行なうことで、急激な溶媒の揮発などによる膜の外観不良を防ぐことができるし、前述の加熱処理中の膜中の残存溶媒量の維持も容易となる。さらに、かかる制御によって残存された溶媒成分により、その後の膜を高分子量化するための加熱処理がブロック型高分子電解質の熱分解開始温度を超える高温にて行われても、加熱処理により得られた高分子電解質膜は、柔軟性が高く、クラックが起こり難く、ハンドリング性に優れたものとなる。   Moreover, it is preferable to perform the solution casting (film formation process) demonstrated previously in the temperature range below the thermal decomposition start temperature of a block type polymer electrolyte, and to perform the above-mentioned heat processing continuously after that. By performing solution casting in the temperature range below the thermal decomposition starting temperature in advance, it is possible to prevent the appearance of the film from being deteriorated due to rapid volatilization of the solvent and to maintain the amount of residual solvent in the film during the heat treatment described above. Is also easier. Furthermore, even if the heat treatment for increasing the molecular weight of the subsequent film is performed at a high temperature exceeding the thermal decomposition starting temperature of the block type polymer electrolyte by the solvent component remaining by such control, it can be obtained by the heat treatment. The polymer electrolyte membrane is highly flexible, hardly cracks, and has excellent handling properties.

加熱処理した高分子電解質膜は、硫酸や塩酸などで酸処理することにより、プロトン型に変換することが好ましい。さらに、残存溶媒を除去するため、水洗工程を経ることが好ましい。   The heat-treated polymer electrolyte membrane is preferably converted to a proton type by acid treatment with sulfuric acid or hydrochloric acid. Furthermore, it is preferable to go through a water washing step in order to remove the residual solvent.

本発明の高分子電解質膜の膜厚は、特に制限はされないが、中でも5〜200μmが好ましい。さらに好ましくは8〜100μm、特に好ましくは15〜80μmである。実用に耐える膜強度を得るには5μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには200μmより薄い方が好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but is preferably 5 to 200 μm. More preferably, it is 8-100 micrometers, Most preferably, it is 15-80 micrometers. A thickness larger than 5 μm is preferable for obtaining a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness smaller than 200 μm is preferable for reducing membrane resistance, that is, improving power generation performance.

(膜−電極接合体および燃料電池)
次に、本発明の膜−電極接合体(MEA)および燃料電池について説明する。以下の説明では、本発明の膜−電極接合体を直接メタノール型燃料電池(DMFC)に適用する場合を例に挙げて述べているが、本発明の膜−電極接合体は、DMFCはもちろんのこと、水素を原料とする燃料電池にも用いることができる。
(Membrane-electrode assembly and fuel cell)
Next, the membrane-electrode assembly (MEA) and fuel cell of the present invention will be described. In the following description, the case where the membrane-electrode assembly of the present invention is applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) is described as an example, but the membrane-electrode assembly of the present invention is not limited to DMFC. In addition, it can be used for a fuel cell using hydrogen as a raw material.

本発明の膜−電極接合体は、上記のようにして得られた高分子電解質膜の両面に、少なくとも触媒層を形成することで製造することができる。該高分子電解質膜の両面に触媒層を形成させる方法としては、大きく分けて電解質膜上に直接触媒層を形成させる方法と、予め電解質膜以外の他の基材上に触媒層を形成させた後に、該触媒層と電解質膜を接合させる方法の2つがある。   The membrane-electrode assembly of the present invention can be produced by forming at least a catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane obtained as described above. As a method of forming a catalyst layer on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, a catalyst layer is directly formed on the electrolyte membrane, and a catalyst layer is previously formed on a substrate other than the electrolyte membrane. There are two methods for joining the catalyst layer and the electrolyte membrane later.

本発明に用いられる触媒層には触媒物質が含まれる。該触媒物質としては、メタノールと酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば、特に制限はなく、公知のものを用いることができる。例えば、白金、白金−ルテニウム合金のような貴金属類や、錯体系電極触媒(例えば、高分子学会燃料電池材料研究会編、「燃料電池と高分子」、103〜112頁、共立出版、2005年11月10日発行に記載されている)が挙げられる。中でも、白金や白金ルテニウム合金の微粒子を用いることが好ましい。通常、燃料極(アノード)側の触媒層(第1の触媒層)の触媒として白金または白金ルテニウム(微粒子)が用いられ、空気極側(カソード)の触媒層(第2の触媒層)の触媒として白金(微粒子)が用いられる。また、該触媒物質を表面に担持させた導電性材料を用いると、触媒層での水素イオンと電子の輸送を容易にできるため、好ましい。該導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどの導電性カーボン材料、酸化チタンなどのセラミック材料などの公知の材料が挙げられる。   The catalyst layer used in the present invention contains a catalyst substance. The catalyst substance is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction between methanol and oxygen, and a known substance can be used. For example, noble metals such as platinum and platinum-ruthenium alloys and complex-based electrode catalysts (for example, Fuel Cell Materials Research Group, Polymer Society of Japan, “Fuel cells and polymers”, pages 103 to 112, Kyoritsu Shuppan, 2005 Described in the November 10 issue). Among these, it is preferable to use fine particles of platinum or a platinum ruthenium alloy. Usually, platinum or platinum ruthenium (fine particles) is used as a catalyst for the catalyst layer (first catalyst layer) on the fuel electrode (anode) side, and the catalyst for the catalyst layer (second catalyst layer) on the air electrode side (cathode). Platinum (fine particles) is used. In addition, it is preferable to use a conductive material having the catalyst substance supported on the surface because hydrogen ions and electrons can be easily transported in the catalyst layer. Examples of the conductive material include known materials such as conductive carbon materials such as carbon black and carbon nanotubes, and ceramic materials such as titanium oxide.

また、本発明に適用する触媒層には、高分子電解質が含まれることが好ましい。該高分子電解質としては、イオン伝導性があり、かつ上記触媒物質を結着させるバインダーとして働くものであれば、特に制限はなく、従来知られているデュポン社製のナフィオン(商品名)や脂肪族高分子電解質、芳香族高分子電解質が挙げられる。触媒物質や高分子電解質以外に、触媒層の撥水性を高める目的で、PTFEなどの撥水材が、また触媒層のガス拡散性を高める目的で、炭酸カルシウムなどの造孔材が、さらに得られる膜−電極接合体の耐久性を高める目的で金属酸化物などの安定剤などが含まれる場合もある。   In addition, the catalyst layer applied to the present invention preferably contains a polymer electrolyte. The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it has ion conductivity and functions as a binder for binding the catalyst substance, and conventionally known Nafion (trade name) manufactured by DuPont or fat. Group polymer electrolytes and aromatic polymer electrolytes. In addition to the catalyst substance and polymer electrolyte, a water repellent material such as PTFE is further obtained for the purpose of enhancing the water repellency of the catalyst layer, and a pore former such as calcium carbonate is further obtained for the purpose of enhancing the gas diffusibility of the catalyst layer. In some cases, a stabilizer such as a metal oxide is included for the purpose of enhancing the durability of the membrane-electrode assembly.

本発明の膜−電極接合体を構成する触媒層の外側には、燃料を効率よくかつ均一に拡散させるために、ガス拡散層を設けることが好ましい。該ガス拡散層は導電性のものであれば特に限定されないが、多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーが、安価で取り扱いも容易なため、好ましい。   In order to diffuse fuel efficiently and uniformly, it is preferable to provide a gas diffusion layer outside the catalyst layer constituting the membrane-electrode assembly of the present invention. The gas diffusion layer is not particularly limited as long as it is conductive, but a porous carbon nonwoven fabric or carbon paper is preferable because it is inexpensive and easy to handle.

電解質膜上、または電解質膜以外の他の基材上に、触媒層を形成させる方法としては、特に制限はなく、ダイコーター、スクリーン印刷、スプレー法、インクジェット法等の既存の方法を使用することができる。   The method for forming the catalyst layer on the electrolyte membrane or on a substrate other than the electrolyte membrane is not particularly limited, and an existing method such as a die coater, screen printing, spray method, ink jet method or the like should be used. Can do.

上記電解質以外の他の基材としては、該触媒層を形成する時に、膨潤あるいは溶解しないものであれば、特に制限はなく、例えば、上述のガス拡散層や、ガラス、ステンレス材、ステンレスベルト、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等が好適に用いられる。該基材表面は必要に応じ、離型処理、鏡面処理、エンボス処理、或いは艶消し処理等を施しても良い。   The base material other than the electrolyte is not particularly limited as long as it does not swell or dissolve when the catalyst layer is formed. For example, the above-described gas diffusion layer, glass, stainless steel, stainless steel belt, A polyethylene terephthalate (PET) film or the like is preferably used. If necessary, the surface of the base material may be subjected to release treatment, mirror surface treatment, embossing treatment, or matting treatment.

予め他の基材上に触媒層を形成させ、該触媒層を電解質膜に接合させる方法の場合、接合の際に温度や圧力をかける熱プレス法を行う方が好ましい。加熱温度としては、膜が変性しない温度領域や圧力領域であれば、特に限定されないが、通常、温度は、接合性が向上し、かつ電解質膜が変質しない、30℃以上300℃以下が好ましく、50℃以上250℃以下がより好ましい。また圧力は電解質膜が変形しない、5kgf/cm以上300kgf/cm以下が好ましく、30kgf/cm以上200kgf/cm以下がより好ましい。 In the case of a method in which a catalyst layer is formed on another substrate in advance and the catalyst layer is bonded to the electrolyte membrane, it is preferable to perform a hot pressing method in which temperature or pressure is applied during bonding. The heating temperature is not particularly limited as long as it is a temperature region or a pressure region in which the membrane is not denatured. Usually, the temperature is preferably 30 ° C. or more and 300 ° C. or less, which improves the bonding property and does not alter the electrolyte membrane. It is more preferably 50 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. The pressure membrane is not deformed, preferably 5 kgf / cm 2 or more 300 kgf / cm 2 or less, 30 kgf / cm 2 or more 200 kgf / cm 2 or less being more preferred.

以上のようにして、本発明の製造方法にて得られた高分子電解質膜の両面に少なくとも触媒層を接合してなる膜−電極接合体が得られる。この膜−電極接合体は、特に、直接メタノール型燃料電池(DMFC)に用いたとき、発電性能に優れ、メタノールクロスオーバーによる電池の損傷が著しく抑制された燃料電池を得ることが可能となる。   As described above, a membrane-electrode assembly is obtained in which at least the catalyst layer is bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention. When this membrane-electrode assembly is used in a direct methanol fuel cell (DMFC), it is possible to obtain a fuel cell that is excellent in power generation performance and in which damage to the cell due to methanol crossover is remarkably suppressed.

以下、本発明の実施例を説明するが、以下に示す実施例は、本発明を説明するための好適な例示であり、なんら本発明を限定するものではない。
本発明の実施例の具体的説明に移る前に、各製造例、各実施例および各比較例で得られた高分子電解質、高分子電解質膜の分子量、残存溶媒量、プロトン伝導度、メタノール透過係数、イオン交換容量(IEC)の諸特性値を測定する各測定方法を以下に説明する。
Examples of the present invention will be described below. However, the examples shown below are suitable examples for explaining the present invention, and do not limit the present invention.
Before moving to the specific description of the examples of the present invention, the polymer electrolytes obtained in each production example, each example and each comparative example, the molecular weight of the polymer electrolyte membrane, the residual solvent amount, proton conductivity, methanol permeation Each measurement method for measuring various values of coefficient and ion exchange capacity (IEC) will be described below.

[分子量測定]
ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により、下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量を求めた。
GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
カラム TOSOH社製 TSK−GEL GMHHR−M
カラム温度 40℃
移動相溶媒 DMAc(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
溶媒流量 0.5mL/min
[Molecular weight measurement]
The number average molecular weight in terms of polystyrene was determined by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by TOSOH
Column TSK-GEL GMHHR-M manufactured by TOSOH
Column temperature 40 ° C
Mobile phase solvent DMAc (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate 0.5mL / min

[残存溶媒量]
加熱処理した高分子電解質膜を、加熱処理工程の後、室温、大気圧下におき、6時間以内に、試料溶解液(ジメチルホルムアミド)に溶解し、GC装置を用いてガスクロマトグラフィーにより測定した。得られた測定値を下記解析方法に基づいて解析し、高分子電解質膜中に残存する残存溶媒量を算出した。
GC装置: 「6890」(商品名、ヒューレット・パッカード社製)
解析方法: 標準溶液の設定濃度を横軸、ピーク面積値を縦軸とした検量線を作成し、次の計算式を用いて高分子電解質膜中の残存溶媒量を算出した。
[Residual solvent amount]
The heat-treated polymer electrolyte membrane was placed at room temperature and atmospheric pressure after the heat treatment step, dissolved in a sample solution (dimethylformamide) within 6 hours, and measured by gas chromatography using a GC apparatus. . The obtained measured value was analyzed based on the following analysis method, and the amount of residual solvent remaining in the polymer electrolyte membrane was calculated.
GC device: “6890” (trade name, manufactured by Hewlett-Packard Company)
Analysis method: A calibration curve with the horizontal axis representing the set concentration of the standard solution and the vertical axis representing the peak area value was created, and the amount of residual solvent in the polymer electrolyte membrane was calculated using the following calculation formula.

残存溶媒量(ppm)={(PA−Yac)/Gac}×{SS/PEM}
ここで、PA: ピーク面積
ac: 検量線のy切片
ac: 検量線の傾き
SS: 試料溶解液の量(mL)
PEM: 高分子電解質膜秤量値(g)
Residual solvent amount (ppm) = {(PA-Y ac ) / G ac } × {SS / PEM}
Where PA: peak area
Y ac : y-intercept of calibration curve
G ac : The slope of the calibration curve
SS: Sample solution volume (mL)
PEM: Polymer electrolyte membrane weighing value (g)

[プロトン伝導度(σ)の測定]
新実験化学講座19 高分子化学(II)992p(日本化学会編、丸善)に記載の方法で各例で得られた高分子電解質膜の膜抵抗を測定した。ただし、使用したセルはカーボン製であり、また白金黒付白金電極は使用せず、セルに直接インピーダンス測定装置の端子を接続した。まず、セルに高分子電解質膜をセットして抵抗値を測定し、その後、高分子電解質膜を除いて再度抵抗値を測定して、両者の差から膜抵抗を算出した。高分子電解質膜の両側に接触させる溶液には、1mol/Lの希硫酸を用いた。希硫酸浸漬時の膜厚と抵抗値からプロトン伝導度を算出した。
[Measurement of proton conductivity (σ)]
New Experimental Chemistry Lecture 19 Polymer resistance (II) 992p (edited by the Chemical Society of Japan, Maruzen) was used to measure the membrane resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in each example. However, the cell used was made of carbon, and the platinum electrode with platinum black was not used, and the terminal of the impedance measuring device was directly connected to the cell. First, the polymer electrolyte membrane was set in the cell, and the resistance value was measured. Thereafter, the resistance value was measured again with the polymer electrolyte membrane removed, and the membrane resistance was calculated from the difference between the two. 1 mol / L dilute sulfuric acid was used for the solution brought into contact with both sides of the polymer electrolyte membrane. The proton conductivity was calculated from the film thickness and resistance value when immersed in dilute sulfuric acid.

[メタノール透過係数(D)の測定]
各例で得られた高分子電解質膜のサンプルを、10wt%濃度のメタノール水溶液に2時間浸漬した後、このサンプル高分子電解質膜を、セルAとセルBからなるH字型隔膜セルの中央に、挟持させ、セルAに10wt%濃度のメタノール水溶液を、セルBに純水を入れ、23℃において、初期状態及び該初期状態から一定時間t(sec)放置後での、セルB中のメタノール濃度を分析し、メタノール透過係数D(cm/sec)を下式により求めた。
D={(V×L)/(A×t)}×ln{(C−C)/(C−C)}
ここで、
V:セルB 中の液の容量(cm
L:サンプル高分子電解質膜の膜厚(cm)
A:サンプル高分子電解質膜の断面積(cm
t:時間(sec)
:初期状態におけるセルB中のメタノール濃度(mol/cm
:一定時間t放置後におけるセルB中のメタノール濃度(mol/cm
:初期状態におけるセルA中のメタノール濃度(mol/cm
:一定時間t放置後におけるセルA中のメタノール濃度(mol/cm
なお、メタノール透過量は十分に小さいので、Vは初期の純水容量で一定値とし、また、C=Cで初期濃度(10wt%)として求めた。
[Measurement of methanol permeability coefficient (D)]
After each sample of the polymer electrolyte membrane obtained in each example was immersed in a 10 wt% methanol aqueous solution for 2 hours, this sample polymer electrolyte membrane was placed in the center of an H-shaped diaphragm cell consisting of cell A and cell B. The methanol in the cell B after 10 wt% concentration methanol aqueous solution was put in the cell A and pure water was put in the cell B, and left at 23 ° C. for a predetermined time t (sec) from the initial state. The concentration was analyzed, and the methanol permeability coefficient D (cm 2 / sec) was determined by the following equation.
D = {(V × L) / (A × t)} × ln {(C 1 -C m) / (C 2 -C n)}
here,
V: Volume of liquid in cell B (cm 3 )
L: Sample polymer electrolyte membrane thickness (cm)
A: Cross-sectional area of sample polymer electrolyte membrane (cm 2 )
t: Time (sec)
C 1 : concentration of methanol in cell B in the initial state (mol / cm 3 )
C 2 : Methanol concentration (mol / cm 3 ) in the cell B after standing for a predetermined time t
C m : concentration of methanol in cell A in the initial state (mol / cm 3 )
C n : Methanol concentration in cell A after leaving for a certain time t (mol / cm 3 )
Since the methanol permeation amount was sufficiently small, V was determined to be a constant value at the initial pure water capacity, and to be determined as an initial concentration (10 wt%) with C m = C n .

[特性パラメータ(D/σ)の算出]
直接メタノール型燃料電池用に好適な高分子電解質膜は、プロトン伝導度(σ)が高く、メタノール透過係数(D)の小さい膜である。その指標として、上記で求められた値から、D/σの値を特性パラメータとして算出した。この値が小さいと同じ伝導度(σ)とした場合、メタノール透過性が低いことになり、直接メタノール型燃料電池(DMFC)用の高分子電解質膜として優れていることが示される。
[Calculation of characteristic parameter (D / σ)]
A polymer electrolyte membrane suitable for a direct methanol fuel cell is a membrane having a high proton conductivity (σ) and a small methanol permeability coefficient (D). As the index, the value of D / σ was calculated as a characteristic parameter from the value obtained above. When this value is small, when the same conductivity (σ) is used, the methanol permeability is low, which indicates that it is excellent as a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell (DMFC).

[高分子電解質膜のイオン交換容量(IEC)]
得られた高分子電解質膜を110℃にて乾燥させ、ハロゲン水分率計(メトラートレド社製、商品名「HR73」)で絶乾重量を求めた、この高分子電解質膜を、0.1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定し、中和点を求めた。中和点に要する0.1mol/L塩酸の量と、上記絶乾重量とから、イオン交換容量を求めた。
また、塩交換率Y(%)を下記式(B)に基づいて求めた。
Y=(1−H/T)×100 ……(B)
T:塩置換処理前の高分子電解質膜のグラム当たりの全イオン交換基量
H:塩置換処理後の高分子電解質膜のグラム当たりの対イオンがプロトンであるイオン交換基量
[Ion exchange capacity of polymer electrolyte membrane (IEC)]
The obtained polymer electrolyte membrane was dried at 110 ° C., and the dry weight was determined with a halogen moisture meter (trade name “HR73” manufactured by METTLER TOLEDO). After immersing in 5 mL of L sodium hydroxide aqueous solution, 50 mL of ion-exchanged water was added and left for 2 hours. Then, it titrated by adding 0.1 mol / L hydrochloric acid gradually to the solution in which this polymer electrolyte membrane was immersed, and the neutralization point was calculated | required. The ion exchange capacity was determined from the amount of 0.1 mol / L hydrochloric acid required for the neutralization point and the absolute dry weight.
Moreover, the salt exchange rate Y (%) was calculated | required based on the following formula (B).
Y = (1-H / T) × 100 (B)
T: Total amount of ion exchange groups per gram of polymer electrolyte membrane before salt substitution treatment H: Amount of ion exchange groups whose counter ion per gram of polymer electrolyte membrane after salt substitution treatment is proton

[熱分解開始温度]
熱分解開始温度は、TG/DTA同時測定装置(セイコーインストルメント社製、商品名「SSC−5200」)を用いて測定した。30℃から110℃まで50℃/分で昇温し、110℃にて30分間ホールドした後、110℃から300℃まで5℃/分で昇温し、重量減少が始まる温度を熱分解開始温度とした。
[Pyrolysis start temperature]
The thermal decomposition start temperature was measured using a TG / DTA simultaneous measurement apparatus (manufactured by Seiko Instruments Inc., trade name “SSC-5200”). The temperature is raised from 30 ° C. to 110 ° C. at 50 ° C./min, held at 110 ° C. for 30 minutes, and then heated from 110 ° C. to 300 ° C. at 5 ° C./min. It was.

(製造例1:高分子電解質の製造例)
アルゴン雰囲気下、蒸留管を付けたフラスコに、3,3’−ジフェニル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル:15.32g(45.28mmol)、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン:10.62g(41.77mmol)、炭酸カリウム:6.57g(47.54mmol)、ジメチルスルホキシド(DMSO):114ml、およびトルエン:18mlを加えて攪拌した。次いで、バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した。トルエン留去後、同温度で2時間反応させた。これを反応マス[A]とする。
(Production Example 1: Production Example of Polymer Electrolyte)
In a flask with a distillation tube under an argon atmosphere, 3,3′-diphenyl-4,4′-dihydroxybiphenyl: 15.32 g (45.28 mmol), 4,4′-difluorodiphenylsulfone: 10.62 g (41 .77 mmol), potassium carbonate: 6.57 g (47.54 mmol), dimethyl sulfoxide (DMSO): 114 ml, and toluene: 18 ml were added and stirred. Next, the bath temperature was raised to 150 ° C., and toluene was distilled off by heating to azeotropically dehydrate water in the system. After the toluene was distilled off, the reaction was carried out at the same temperature for 2 hours. This is called reaction mass [A].

アルゴン雰囲気下、蒸留管を付けたフラスコに、ヒドロキノンスルホン酸カリウム:4.00g(17.52mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム:9.56g(21.03mmol)、炭酸カリウム:2.54g(18.40mmol)、DMSO:60ml、およびトルエン:9mlを加えて攪拌した。次いで、バス温を130℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した。トルエン留去後、同温度で20時間30分反応させた。これを反応マス[B]とする。   In a flask equipped with a distillation tube under an argon atmosphere, potassium hydroquinonesulfonate: 4.00 g (17.52 mmol), dipotassium 4,4′-difluorobenzophenone-3,3′-disulfonate: 9.56 g (21.03 mmol) ), Potassium carbonate: 2.54 g (18.40 mmol), DMSO: 60 ml, and toluene: 9 ml were added and stirred. Subsequently, the bath temperature was raised to 130 ° C., and toluene was distilled off by heating to azeotropically dehydrate water in the system. After the toluene was distilled off, the reaction was carried out at the same temperature for 20 hours 30 minutes. This is called reaction mass [B].

上記反応マス[A]と上記反応マス[B]とを、DMSO:68mlで希釈しながら混合し、この混合液を145℃で33時間30分反応させた。放冷後、反応混合物を大量の2mol/L塩酸水溶液中へ滴下し、生成した沈殿物を濾過回収、洗液が中性になるまで水で洗浄濾過を繰返した。次いで、前記濾過物を大過剰の熱水で1時間処理することを2回繰り返した後、減圧乾燥して目的とする下記一般式(8)で示される高分子電解質(ブロック共重合体A)33.33gを得た。   The reaction mass [A] and the reaction mass [B] were mixed while being diluted with DMSO: 68 ml, and the mixture was reacted at 145 ° C. for 33 hours and 30 minutes. After allowing to cool, the reaction mixture was dropped into a large amount of 2 mol / L hydrochloric acid aqueous solution, and the resulting precipitate was collected by filtration, and washed and filtered repeatedly with water until the washing solution became neutral. Next, the filtrate was treated twice with a large excess of hot water for 1 hour, then dried under reduced pressure, and the target polymer electrolyte represented by the following general formula (8) (block copolymer A) 33.33 g was obtained.

Figure 2010056051
このブロック共重合体Aの数平均分子量は79000であり、熱分解開始温度は210℃であった。
Figure 2010056051
The number average molecular weight of this block copolymer A was 79000, and the thermal decomposition starting temperature was 210 ° C.

(製造例2)
アルゴン雰囲気下、蒸留管を付けたフラスコに、3,3’−ジフェニル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル:12.68g(37.48mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン:4.58g(20.98mmol)、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム:7.50g(16.50mmol)、炭酸カリウム:5.44g(39.36mmol)、N−メチルピロリドン(NMP):96ml、およびトルエン:44mlを加えて攪拌した。次いで、バス温を190℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した。トルエン留去後、同温度で9時間30分反応させた。放冷後、反応混合物を大量の2mol/L塩酸水溶液中へ滴下し、生成した沈殿物を濾過回収、洗液が中性になるまで水で洗浄濾過を繰返した。次いで、前記濾過物を大過剰の熱水で1時間処理することを2回繰り返した後、減圧乾燥して目的とする下記一般式(9)で示される高分子電解質(ランダム共重合体A)18.99gを得た。
(Production Example 2)
In a flask equipped with a distillation tube under an argon atmosphere, 3,3′-diphenyl-4,4′-dihydroxybiphenyl: 12.68 g (37.48 mmol), 4,4′-difluorobenzophenone: 4.58 g (20. 98 mmol), 4,4′-difluorobenzophenone-3,3′-disulfonate dipotassium: 7.50 g (16.50 mmol), potassium carbonate: 5.44 g (39.36 mmol), N-methylpyrrolidone (NMP): 96 ml And toluene: 44 ml was added and stirred. Subsequently, the bath temperature was raised to 190 ° C., and toluene was distilled off by heating to azeotropically dehydrate water in the system. After the toluene was distilled off, the reaction was carried out at the same temperature for 9 hours 30 minutes. After allowing to cool, the reaction mixture was dropped into a large amount of 2 mol / L hydrochloric acid aqueous solution, and the resulting precipitate was collected by filtration, and washed and filtered repeatedly with water until the washing solution became neutral. Subsequently, the filtrate was treated twice with a large excess of hot water for 1 hour, and then dried under reduced pressure to obtain the desired polymer electrolyte represented by the following general formula (9) (random copolymer A). 18.99 g was obtained.

Figure 2010056051
このランダム共重合体Aの数平均分子量は43000であり、熱分解開始温度は215℃であった。
Figure 2010056051
The random copolymer A had a number average molecular weight of 43,000 and a thermal decomposition starting temperature of 215 ° C.

(製造例3)
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO:600ml、トルエン:200mL、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム:26.5g(106.3mmol)、末端クロロ型である下記一般式(10)
(Production Example 3)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus under an argon atmosphere, DMSO: 600 ml, toluene: 200 mL, sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate: 26.5 g (106.3 mmol), the following general formula (terminal chloro type) 10)

Figure 2010056051
で示されるポリエーテルスルホン(住友化学株式会社製、商品名「スミカエクセルPES 5200P」):10.0g、2,2’−ビピリジル:43.8g(280.2mmol)を入れて攪拌した。その後、バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、60℃に冷却した。
次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル:73.4g(266.9mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で5時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の6mol/Lの塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ濾別した。
その後、6mol/L塩酸による洗浄・濾過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする下記一般式(11)で示される高分子電解質(ブロック共重合体B):16.3gを得た。
Figure 2010056051
(Sumitomo Chemical Co., Ltd., trade name “Sumika Excel PES 5200P”): 10.0 g, 2,2′-bipyridyl: 43.8 g (280.2 mmol) were added and stirred. Thereafter, the bath temperature was raised to 150 ° C., and the water in the system was azeotropically dehydrated by distilling toluene off, followed by cooling to 60 ° C.
Next, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel: 73.4 g (266.9 mmol) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 5 hours. After cooling, the reaction solution was poured into a large amount of 6 mol / L hydrochloric acid to precipitate a polymer, which was filtered off.
Thereafter, washing and filtration operations with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, followed by washing with water until the filtrate became neutral, and drying under reduced pressure to obtain a target polymer electrolyte represented by the following general formula (11) ( Block copolymer B): 16.3 g was obtained.

Figure 2010056051
このブロック共重合体Bの数平均分子量は115000であり、熱分解開始温度は200℃であった。
Figure 2010056051
This block copolymer B had a number average molecular weight of 115,000 and a thermal decomposition initiation temperature of 200 ° C.

(実施例1)
前記製造例1で得たブロック共重合体A(熱分解開始温度210℃)を20重量%となるようにNMPに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、80℃で常圧乾燥した(膜化工程)。次いで、230℃の窒素オーブン中で1時間加熱した(加熱処理工程)。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は4重量%であった。
Example 1
The block copolymer A (thermal decomposition starting temperature 210 ° C.) obtained in Production Example 1 was dissolved in NMP so as to be 20% by weight, and then cast on a glass substrate and dried at 80 ° C. under normal pressure ( Film-forming step). Subsequently, it heated in 230 degreeC nitrogen oven for 1 hour (heat-treatment process). The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 4% by weight.

(実施例2)
窒素オーブンの温度を240℃としたことを除いて、実施例1と同様の実験を行なった。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は4重量%であった。
(Example 2)
The same experiment as in Example 1 was performed except that the temperature of the nitrogen oven was 240 ° C. The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 4% by weight.

(比較例1)
窒素オーブンの温度を200℃としたことを除いて、実施例1と同様の実験を行なった。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は10重量%であった。
(Comparative Example 1)
The same experiment as in Example 1 was performed except that the temperature of the nitrogen oven was set to 200 ° C. The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 10% by weight.

(比較例2)
前記製造例1で得たブロック共重合体Aを20重量%となるようにNMPに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、80℃で常圧乾燥した(膜化工程)。次いで、270℃の窒素オーブン中で30分間加熱した。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は、0重量%であった。
(Comparative Example 2)
The block copolymer A obtained in Production Example 1 was dissolved in NMP so as to be 20% by weight, and then cast on a glass substrate and dried at 80 ° C. under normal pressure (filming step). Subsequently, it heated for 30 minutes in 270 degreeC nitrogen oven. The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 0% by weight.

(比較例3)
前記製造例1で得たブロック共重合体Aを20重量%となるようにNMPに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、80℃で常圧乾燥した(膜化工程)。得られた高分子電解質膜を流水で2時間洗浄することで、残存溶媒を実質的に全て取り除き、常温で乾燥させた。次いで、該膜を240℃の窒素オーブン中で15分間加熱した。得られた膜は脆弱であり、メタノール透過係数やプロトン伝導度の測定を行うことは、不可能であった。
(Comparative Example 3)
The block copolymer A obtained in Production Example 1 was dissolved in NMP so as to be 20% by weight, and then cast on a glass substrate and dried at 80 ° C. under normal pressure (filming step). The obtained polymer electrolyte membrane was washed with running water for 2 hours to remove substantially all of the remaining solvent and dried at room temperature. The membrane was then heated in a nitrogen oven at 240 ° C. for 15 minutes. The obtained membrane was fragile, and it was impossible to measure the methanol permeability coefficient and proton conductivity.

(比較例4)
前記製造例2で得たランダム共重合体A(熱分解開始温度215℃)を25重量%となるようにNMPに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、80℃で常圧乾燥した(膜化工程)。次いで240℃の窒素オーブン中で1時間加熱した(加熱処理工程)。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は4重量%であった。
(Comparative Example 4)
The random copolymer A (thermal decomposition start temperature 215 ° C.) obtained in Production Example 2 was dissolved in NMP so as to be 25% by weight, and then cast on a glass substrate and dried at 80 ° C. under normal pressure ( Film-forming step). Subsequently, it heated in 240 degreeC nitrogen oven for 1 hour (heat-treatment process). The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 4% by weight.

(比較例5)
前記製造例2で得たランダム共重合体A(熱分解温開始度215℃)を25重量%となるようにNMPに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、80℃で常圧乾燥した(膜化工程)。次いで、200℃の窒素オーブン中で1時間加熱した(加熱処理工程)。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は11重量%であった。
(Comparative Example 5)
The random copolymer A obtained in Production Example 2 (pyrolysis temperature initiation degree 215 ° C.) was dissolved in NMP so as to be 25% by weight, and then cast on a glass substrate and dried at 80 ° C. under normal pressure. (Filming process). Subsequently, it heated for 1 hour in 200 degreeC nitrogen oven (heat-treatment process). The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 11% by weight.

(実施例3)
前記製造例3で得たブロック共重合体B(熱分解開始温度:200℃)を20重量%となるようにNMPに溶解後、ガラス基板上に流延塗布し、80℃で常温乾燥した(膜化工程)。
次いで、210℃の窒素オーブン中で30分間加熱した(加熱処理工程)。得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は9重量%であった。
(Example 3)
The block copolymer B (thermal decomposition start temperature: 200 ° C.) obtained in Production Example 3 was dissolved in NMP so as to be 20% by weight, and then cast on a glass substrate and dried at room temperature at 80 ° C. ( Film-forming step).
Subsequently, it heated for 30 minutes in 210 degreeC nitrogen oven (heat-treatment process). The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 9% by weight.

(比較例6)
窒素オーブンの温度を200℃としたことを除いて、実施例3と同様の実験を行った。
得られた高分子電解質膜の残存溶媒量は、16重量%であった。
(Comparative Example 6)
The same experiment as in Example 3 was performed except that the temperature of the nitrogen oven was set to 200 ° C.
The amount of residual solvent in the obtained polymer electrolyte membrane was 16% by weight.

上記比較例3では得られた膜が脆弱であったため、後処理に供し得なかったが、残りの実施例1,2、3および比較例1、2、4、5、6については、各高分子電解質膜を1mol/Lの塩酸に3時間浸漬し、実質的に、カチオン交換基をプロトン型に変換して、流水で3時間洗浄した。得られた高分子電解質膜の数平均分子量、プロトン伝導度(σ)及びメタノール透過係数(D)の測定を、前述の各測定方法に基づいて、行った。   In Comparative Example 3, the obtained film was fragile and could not be subjected to post-treatment. For the remaining Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1, 2, 4, 5, and 6, The molecular electrolyte membrane was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid for 3 hours to substantially convert the cation exchange group into a proton type and washed with running water for 3 hours. The number average molecular weight, proton conductivity (σ), and methanol permeability coefficient (D) of the obtained polymer electrolyte membrane were measured based on each measurement method described above.

上記実施例1〜3および比較例1〜6の測定結果を、下記(表2)に示す。   The measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 are shown below (Table 2).

Figure 2010056051
Figure 2010056051

上述の実施例および比較例は、高分子電解質膜を主に直接メタノール型燃料電池に用いる場合を念頭において、検討した例示である。直接メタノール型燃料電池用の高分子電解質膜として好ましい特性は、プロトン伝導度(σ)が高く、かつメタノール透過係数(D)が小さいこと、すなわち、特性係数(D/σ)が小さいことである。   The above-mentioned examples and comparative examples are examples examined by considering the case where the polymer electrolyte membrane is mainly used for a direct methanol fuel cell. Preferred characteristics as a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell are high proton conductivity (σ) and small methanol permeability coefficient (D), that is, low characteristic coefficient (D / σ). .

上記(表2)に見るように、実施例1,2および比較例1は、電解質材料として、共に、ブロック共重合体Aを使用している。そして、その熱分解開始温度210℃に対して、比較例1では前記熱分解開始温度以下の200℃にて加熱処理(膜化)しており、実施例1および2では前記熱分解開始温度より高い230℃および240℃で加熱処理(膜化)している。その結果、特性係数は、比較例1では8.5×10−6、実施例1では7.1×10−6、実施例2では6.2×10−6となり、電解質材料の熱分解開始温度より高い温度で加熱処理した方が特性係数がより小さくなっている。 As seen in Table 2 above, Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 both use block copolymer A as the electrolyte material. And with respect to the thermal decomposition start temperature 210 degreeC, in the comparative example 1, it heat-processes (film-formation) at 200 degrees C or less of the said thermal decomposition start temperature, In Example 1 and 2, from the said thermal decomposition start temperature Heat treatment (film formation) is performed at a high 230 ° C. and 240 ° C. As a result, the characteristic coefficient is 8.5 × 10 −6 in Comparative Example 1, 7.1 × 10 −6 in Example 1, and 6.2 × 10 −6 in Example 2, and thermal decomposition of the electrolyte material is started. The characteristic coefficient is smaller when the heat treatment is performed at a temperature higher than the temperature.

一方、比較例4および比較例5では、電解質材料として、共に、ランダム共重合体Aを使用している。そして、その熱分解開始温度215℃に対して、比較例4では前記熱分解開始温度より高い240℃にて加熱処理(膜化)しており、比較例3では前記熱分解開始温度以下の200℃で加熱処理(膜化)している。その結果、特性係数は、比較例4では2.6×10−5、比較例5では1.2×10−5となり、電解質材料の熱分解開始温度より高い温度で加熱処理した方が特性係数がより大きくなっている。 On the other hand, in Comparative Example 4 and Comparative Example 5, the random copolymer A is used as the electrolyte material. And with respect to the thermal decomposition start temperature 215 degreeC, in the comparative example 4, it heat-processes (film-formation) at 240 degreeC higher than the said thermal decomposition start temperature, and in the comparative example 3, 200 or less below the said thermal decomposition start temperature. Heat treatment (film formation) at ℃. As a result, the characteristic coefficient is 2.6 × 10 −5 in Comparative Example 4 and 1.2 × 10 −5 in Comparative Example 5, and the characteristic coefficient is higher when the heat treatment is performed at a temperature higher than the thermal decomposition start temperature of the electrolyte material. Is getting bigger.

また、比較例2と比較例3では、上記実施例1,2および比較例1と同様の電解質材料(ブロック共重合体A)を使用しているが、上記実施例1,2および比較例1と異なり、加熱処理後の残存溶媒量が0.1重量%未満となっている。残存溶媒量が0.1重量%未満となった結果、比較例2では特性係数D/σが悪く(2.5×10−5)なっており、比較例3では膜が脆弱となり、ハンドリング性が悪くなっている。 In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the same electrolyte material (block copolymer A) as in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 is used, but in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 above. Unlike the above, the amount of residual solvent after the heat treatment is less than 0.1% by weight. As a result of the residual solvent amount being less than 0.1% by weight, in Comparative Example 2, the characteristic coefficient D / σ is poor (2.5 × 10 −5 ), and in Comparative Example 3, the film is fragile and handling properties are reduced. Is getting worse.

また、実施例3および比較例6は、電解質材料として、共に、ブロック共重合体Bを使用している。そして、その熱分解開始温度200℃に対して、比較例6では前記熱分解開始温度と同じ200℃にて加熱処理(膜化)しており、実施例3では前記熱分解開始温度より高い210℃で加熱処理(膜化)している。その結果、特性係数は、比較例6では1.2×10−5、実施例3では9.7×10−6となり、電解質材料の熱分解開始温度より高い温度で加熱処理した方が特性係数がより小さくなっている。 Moreover, both Example 3 and Comparative Example 6 use the block copolymer B as the electrolyte material. And with respect to the thermal decomposition start temperature 200 degreeC, in the comparative example 6, it heat-processes (film-formation) at the same 200 degreeC as the said thermal decomposition start temperature, In Example 3, it is 210 higher than the said thermal decomposition start temperature. Heat treatment (film formation) at ℃. As a result, the characteristic coefficient is 1.2 × 10 −5 in Comparative Example 6 and 9.7 × 10 −6 in Example 3. The characteristic coefficient is higher when the heat treatment is performed at a temperature higher than the thermal decomposition start temperature of the electrolyte material. Is smaller.

以上説明したように、本発明によれば、安価で、しかもメタノールバリア性とプロトン伝導性とを高水準で両立しうる高分子電解質膜の製造方法、該製造方法にて得られる高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体および燃料電池を提供することができる。本発明の高分子電解質膜を使用した直接メタノール型燃料電池は、高い発電特性を持ちながら、メタノールクロスオーバー性が低く、係る特性に基づいて燃費の低下が低減されるため、携帯機器等の用途に好適に用いることができる。   As described above, according to the present invention, a method for producing a polymer electrolyte membrane that is inexpensive and can achieve both methanol barrier properties and proton conductivity at a high level, and a polymer electrolyte membrane obtained by the production method are provided. And a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the polymer electrolyte membrane can be provided. The direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention has high power generation characteristics and low methanol crossover, and the reduction in fuel consumption is reduced based on such characteristics. Can be suitably used.

Claims (12)

炭化水素系ブロック型高分子電解質と溶媒とを含有する高分子電解質溶液を膜化して、含溶媒ブロック型高分子電解質膜を得る膜化工程と、前記含溶媒ブロック型高分子電解質膜を加熱することにより高分子電解質膜を得る加熱処理工程とを有する高分子電解質膜の製造方法であって、
前記加熱処理の温度を、前記炭化水素系ブロック型高分子電解質の熱分解開始温度より高い温度とし、且つ加熱処理後の前記高分子電解質膜の残存溶媒量を1重量%以上とすることを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
Forming a polymer electrolyte solution containing a hydrocarbon-based block-type polymer electrolyte and a solvent to form a solvent-containing block-type polymer electrolyte membrane, and heating the solvent-containing block-type polymer electrolyte membrane A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising a heat treatment step for obtaining a polymer electrolyte membrane by
The temperature of the heat treatment is set to a temperature higher than the thermal decomposition start temperature of the hydrocarbon block polymer electrolyte, and the residual solvent amount of the polymer electrolyte membrane after the heat treatment is set to 1% by weight or more. A method for producing a polymer electrolyte membrane.
前記加熱処理工程後の高分子電解質膜を構成する高分子電解質のゲル浸透クロマトグラフィー法により求められるポリスチレン換算数平均分子量が前記加熱処理前の含溶媒ブロック型高分子電解質膜を構成する高分子電解質に比べて高くなることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by gel permeation chromatography of the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane after the heat treatment step is a polymer electrolyte constituting the solvent-containing block type polymer electrolyte membrane before the heat treatment The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the method is higher than that of the polymer electrolyte membrane. 前記加熱処理後の高分子電解質膜が直接メタノール型燃料電池の高分子電解質膜として用いられるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質膜の製造方法。   3. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane after the heat treatment is used as a polymer electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell. 前記炭化水素系ブロック型高分子電解質が有するカチオン交換基の10%以上がプロトン型であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein 10% or more of the cation exchange groups of the hydrocarbon-based block polymer electrolyte is a proton type. 前記炭化水素系ブロック型高分子電解質が、カチオン交換基を有するブロックと、実質的にイオン交換基を有さないブロックとからなるブロック共重合体であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The hydrocarbon-based block type polymer electrolyte is a block copolymer composed of a block having a cation exchange group and a block having substantially no ion exchange group. The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of any one of Claims 1. 前記カチオン交換基を有するブロックが、下記一般式(1):
Figure 2010056051
[式(1)中、Ar11は、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、また、該2価の芳香族基は、少なくとも1つのカチオン交換基が直接芳香環に結合しており、X11は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、dは5以上の整数である。]で表される構造単位を有することを特徴とする請求項5に記載の高分子電解質膜の製造方法。
The block having a cation exchange group has the following general formula (1):
Figure 2010056051
[In the formula (1), Ar 11 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group represents an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or a substituent. C1-C20 alkoxy group which may have, C6-C20 aryl group which may have a substituent, C6-C20 aryloxy which may have a substituent The divalent aromatic group may have at least one selected from the group consisting of a group and an optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms. A cation exchange group is directly bonded to an aromatic ring, X 11 represents a direct bond, a group represented by —O—, a group represented by —S—, a carbonyl group or a sulfonyl group, and d is an integer of 5 or more. It is. ] The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of Claim 5 characterized by the above-mentioned.
前記カチオン交換基を有するブロックが、下記一般式(2)または(3):
Figure 2010056051
[式(2)および(3)中、Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、または炭素数2〜20のアシル基を表し、X12は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を表し、Jはカチオン交換基を表わし、p、qは1または2であり、dは5以上の整数である。]で表される構造を有することを特徴とする請求項5に記載の高分子電解質膜の製造方法。
The block having a cation exchange group is represented by the following general formula (2) or (3):
Figure 2010056051
[In the formulas (2) and (3), each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or carbon. Represents an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and X 12 represents a direct bond, a group represented by —O—, a group represented by —S—, a carbonyl group or a sulfonyl group. It represents, J 1 represents a cation exchange group, p, q is 1 or 2, d is an integer of 5 or more. ] The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of Claim 5 characterized by the above-mentioned.
前記イオン交換基を実質的に有さないブロックが、下記一般式(4):
Figure 2010056051
[式(4)中、Ar22は、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、X22は、直接結合、−O−で示される基、−S−で示される基、カルボニル基またはスルホニル基を示し、eは5以上の整数である。]で表される構造単位を有することを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
The block having substantially no ion exchange group is represented by the following general formula (4):
Figure 2010056051
[In formula (4), Ar 22 represents a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group includes an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, and 6 carbon atoms. Or an aryl group having 20 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms, and X 22 may be a direct bond, —O A group represented by-, a group represented by -S-, a carbonyl group or a sulfonyl group, and e is an integer of 5 or more. ] The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of any one of Claims 5-7 characterized by the above-mentioned.
前記イオン交換基を実質的に有さないブロックが、下記一般式(5):
Figure 2010056051
[式(5)中、Ar2、Ar3、Ar4、Ar5は、互いに独立に、2価の芳香族基を示し、該2価の芳香族基は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数6〜20のアリールオキシ基、及び炭素数2〜20のアシル基からなる群から選ばれる少なくとも一種を有していてもよく、X、X’は、互いに独立に直接結合または2価の基を表し、Y、Y’は、互いに独立に−O−で示される基または−S−で示される基を表し、a、b、cは互いに独立に0か1を表し、nは5以上の整数を表す。]で表される構造単位を有することを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
The block having substantially no ion exchange group is represented by the following general formula (5):
Figure 2010056051
[In Formula (5), Ar 2 , Ar 3 , Ar 4 , Ar 5 independently represent a divalent aromatic group, and the divalent aromatic group represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. , Having at least one selected from the group consisting of an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, and an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. X and X ′ each independently represent a direct bond or a divalent group, Y and Y ′ each independently represent a group represented by —O— or a group represented by —S—, a, b and c each independently represents 0 or 1, and n represents an integer of 5 or more. ] The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of any one of Claims 5-7 characterized by the above-mentioned.
請求項1〜9のいずれか1項に記載の製造方法によって得られたものであることを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane obtained by the production method according to claim 1. 請求項10に記載の高分子電解質膜の両面に触媒層を有することを特徴とする膜―電極接合体。   11. A membrane-electrode assembly comprising catalyst layers on both sides of the polymer electrolyte membrane according to claim 10. 請求項11に記載の膜―電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 11.
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