JP2010067526A - Polyelectrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Polyelectrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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友裕 小野
Shinji Nakai
慎二 中井
Takeshi Nakano
武史 仲野
Keiji Kubo
敬次 久保
Nozomi Sugo
望 須郷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte membrane for a solid polymer fuel cell economical, environment-friendly, excellent in moldability as well as excellent in flexibility and durability, and to provide a membrane-electrode assembly as well as a solid polymer fuel cell using the polyelectrolyte membrane. <P>SOLUTION: The polyelectrolyte membrane for a solid polymer fuel cell as well as a membrane-electrode assembly and a solid polymer fuel cell using the same have a polymer block (A) with an aromatic vinyl based compound unit as a main repetition unit and a flexible polymer block (B) as constituent elements, with a mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) of 65:35 to 10:90, the polymer block (A) containing a block copolymer with an ion-conductive group as a main constituent, with a 100% modulus of 15 MPa in a tensile test at conditions of 25°C or less and a pulling rate of 500 mm/min, a break strength of 15 MPa or more, and a breaking elongation of 300% or more. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane, and a polymer electrolyte fuel cell.

近年、エネルギー・環境問題の抜本的解決策として、さらには将来の水素エネルギー時代の中心的エネルギー変換システムとして、燃料電池技術は、これら新エネルギー技術の柱の1つとして数えられている。特に固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、小型軽量化などの観点から、電気自動車用の駆動電源や携帯機器用の電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭据置き用の電源機器などへの適用が検討されている。   In recent years, fuel cell technology has been counted as one of the pillars of these new energy technologies as a fundamental solution to energy and environmental problems, and as a central energy conversion system in the future hydrogen energy era. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are used for stationary power sources for electric vehicles, portable power devices, and households that use electricity and heat simultaneously from the viewpoint of miniaturization and weight reduction. Application to other power supply devices is under consideration.

固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜の両側に、白金属の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるイオン伝導性バインダーとを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス(例えば空気)を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極(燃料極)に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   A polymer electrolyte fuel cell is generally configured as follows. First, a catalyst layer containing carbon powder carrying a white metal catalyst and an ion conductive binder made of a polymer electrolyte is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane having proton conductivity. A gas diffusion layer, which is a porous material through which fuel gas and oxidant gas are passed, is formed outside each catalyst layer. Carbon paper, carbon cloth, or the like is used as the gas diffusion layer. A structure in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes is bonded to the electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly ( MEA (Mebrane Electrode Assembly). On both sides of this membrane-electrode assembly, separators having electrical conductivity and airtightness are disposed. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas (for example, air) to the electrode surface is formed in a contact portion of the membrane-electrode assembly and the separator or in the separator. Electric power is generated by supplying a fuel gas such as hydrogen or methanol to one electrode (fuel electrode) and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode). That is, at the fuel electrode, the fuel is ionized to produce protons and electrons, the protons pass through the electrolyte membrane, the electrons travel through an external electric circuit formed by connecting both electrodes, and are sent to the oxygen electrode, Water is produced by the reaction. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜としては、通常厚さ20〜200μmのプロトン伝導性イオン交換膜が用いられている。非フッ素系ポリマーをベースとしたイオン伝導性高分子の開発については既にいくつかの取り組みが成されている。例えば、耐熱性芳香族ポリマーであるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(特許文献1)が開発されている。一般にスルホン化芳香族ポリマーから作成された膜は脆い傾向にあることから、膜の取り使いも非常に困難であるだけでなく、この膜を燃料電池に使用した際に、運転可能時間が限定される傾向にある。   As a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive ion exchange membrane having a thickness of 20 to 200 μm is usually used. Several efforts have already been made for the development of ion conductive polymers based on non-fluorine polymers. For example, polyether ether ketone (PEEK) (Patent Document 1), which is a heat-resistant aromatic polymer, has been developed. In general, membranes made from sulfonated aromatic polymers tend to be brittle, so that the membrane is not only very difficult to use, but also has a limited operating time when used in fuel cells. Tend to.

一方、スチレンとゴム成分とからなるブロック共重合体のポリスチレンブロックをスルホン化することにより、ポリスチレンブロックをイオン伝導性チャンネルとした構造が提案されている。例えば、特許文献2において、SEBS(ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体の略)のスルホン化体からなるイオン伝導膜が提案されているが、スチレンとゴム成分の比率によって、その特性は大きく変化するため、この膜を燃料電池に使用した際に、運転可能時間が限定される場合がある。
特開平6−93114号公報 特表平10−503788号公報
On the other hand, a structure in which a polystyrene block is made into an ion conductive channel by sulfonated a polystyrene block of a block copolymer composed of styrene and a rubber component has been proposed. For example, Patent Document 2 proposes an ion conductive membrane made of a sulfonated product of SEBS (polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer), depending on the ratio of styrene and rubber component. Since the characteristics change greatly, when this membrane is used in a fuel cell, the operable time may be limited.
JP-A-6-93114 Japanese National Patent Publication No. 10-503788

本発明の目的は、経済的で、環境に優しく、成形性に優れ、強度と柔軟性を兼ね備え、ひいては膜−電極間の接合性に優れることから耐久性にも優れる固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。   The object of the present invention is for a polymer electrolyte fuel cell that is economical, environmentally friendly, excellent in moldability, has both strength and flexibility, and, in turn, excellent in durability between membrane and electrodes. It is an object to provide a polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane, and a solid polymer fuel cell.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とし、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が特定範囲にあり、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有するブロック共重合体を主成分として含有し、且つ25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における100%モジュラス、破断強さ及び破断伸びが特定範囲の値を示す電解質膜が固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜として上記目的を満たすことを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have a polymer block (A) and a flexible polymer block (B) having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit as constituent components. The mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is in a specific range, the polymer block (A) contains a block copolymer having an ion conductive group as a main component, and 25 An electrolyte membrane showing a value within a specific range of 100% modulus, breaking strength and breaking elongation in a tensile test under the condition of a tensile rate of 500 mm / min at 5 ° C. is used as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. The present invention was completed.

すなわち、本発明は、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とし、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が65:35〜10:90であり、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有するブロック共重合体を主成分として含有し、且つ25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における100%モジュラスが15MPa以下であり、破断強さが15MPa以上であり、且つ破断伸びが300%以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜に関する。   That is, the present invention comprises a polymer block (A) and a flexible polymer block (B) having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit as constituent components, and the polymer block (A) and the polymer block (B ) And a polymer block (A) containing a block copolymer having an ion conductive group as a main component, and at 25 ° C., a tensile rate of 500 mm / A polymer electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that a 100% modulus in a tensile test under the condition of minutes is 15 MPa or less, a breaking strength is 15 MPa or more, and a breaking elongation is 300% or more Relates to the membrane.

上記ブロック共重合体において、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。また、重合体ブロック(B)が存在し、且つその構成成分比である重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比を65:35〜10:90に限定することにより、ブロック共重合体が全体として良好な強度と柔軟性を兼ね備え易くなり、25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における100%モジュラスが15MPa以下であり、破断強さが15MPa以上であり、且つ破断伸びが300%以上の特性を有する電解質膜とすることにより、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たっての成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善され、且つ耐久性も改善される。フレキシブルな重合体ブロック(B)はアルケン単位や共役ジエン単位などから構成される。重合体ブロック(A)は芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする。また、イオン伝導性基は重合体ブロック(A)に結合しているが、このことは耐ラジカル性の向上のため必要である。イオン伝導性基はスルホン酸基及びホスホン酸基並びにそれらの塩を包含する。
本発明はまた、上記電解質膜の製法に関する。
本発明はまた、上記電解質膜を用いた膜−電極接合体及び燃料電池に関する。
In the block copolymer, the polymer block (A) and the polymer block (B) undergo microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) are aggregated. In addition, since the polymer block (A) has an ion conductive group, an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons. Further, by limiting the mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B), which is the component ratio, to the polymer block (B) to 65:35 to 10:90, It becomes easy for the block copolymer to have good strength and flexibility as a whole, the 100% modulus in a tensile test at 25 ° C. and a tensile speed of 500 mm / min is 15 MPa or less, and the breaking strength is 15 MPa or more. In addition, by forming an electrolyte membrane having a property of breaking elongation of 300% or more, formability (assembly, joining, fastening, etc.) in manufacturing a membrane-electrode assembly or a polymer electrolyte fuel cell ) And durability are improved. The flexible polymer block (B) is composed of an alkene unit or a conjugated diene unit. The polymer block (A) has an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit. The ion conductive group is bonded to the polymer block (A), which is necessary for improving radical resistance. Ion conductive groups include sulfonic acid groups and phosphonic acid groups and salts thereof.
The present invention also relates to a method for producing the above electrolyte membrane.
The present invention also relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the above electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜、膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池は経済的で、環境に優しく、柔軟性ひいては膜−電極間の接合性に優れることから耐久性にも優れる。本発明の高分子電解質膜は、また、成形性に優れる。   The polymer electrolyte membrane, the membrane-electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are economical, environmentally friendly, flexible, and hence excellent in the bondability between the membrane and the electrode, and therefore excellent in durability. The polymer electrolyte membrane of the present invention is also excellent in moldability.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とし、かつ、少なくとも1つのイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)を構成成分とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention comprises an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit and a polymer block (A) having at least one ion conductive group as a constituent component. .

上記の芳香族ビニル系化合物における芳香環は炭素環式芳香環であるのが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等が挙げられる。これら芳香族ビニル系化合物の具体例として、α−炭素が3級炭素である場合には、スチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−n−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−n−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−t−ブチルスチレン、4−n−オクチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,5−ジメチルスチレン、3,5−ジメチルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、2−メトキシスチレン、3−メトキシスチレン、4−メトキシスチレン、1,1−ジフェニルエチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンなどの芳香族ビニル化合物が挙げられる。
また、α−炭素が4級炭素である場合には、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基(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、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物であることが好ましい。具体的には、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン、α−メチル−4−t−ブチルスチレンが好ましい。
これらは1種または2種以上で使用できるが、中でもスチレン、α−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレンが好ましく、特に耐ラジカル性の向上の程度からα−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレンが好ましい。これら2種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
The aromatic ring in the aromatic vinyl compound is preferably a carbocyclic aromatic ring, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, and a pyrene ring. As specific examples of these aromatic vinyl compounds, when α-carbon is tertiary carbon, styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 4-isopropylstyrene 4-n-propylstyrene, 4-isopropylstyrene, 4-n-butylstyrene, 4-isobutylstyrene, 4-t-butylstyrene, 4-n-octylstyrene, 2,4-dimethylstyrene, 2,5- Aromatics such as dimethylstyrene, 3,5-dimethylstyrene, 2,4,6-trimethylstyrene, 2-methoxystyrene, 3-methoxystyrene, 4-methoxystyrene, 1,1-diphenylethylene, vinylnaphthalene, vinylanthracene A vinyl compound is mentioned.
Further, when the α-carbon is a quaternary carbon, a hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n- An aromatic vinyl compound substituted with a butyl group, isobutyl group or tert-butyl group), a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or a phenyl group. It is preferable that Specifically, α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-4-ethylstyrene, and α-methyl-4-t-butylstyrene are preferable.
These can be used alone or in combination of two or more. Among them, styrene, α-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, and α-methyl-2-methylstyrene are preferable. In particular, α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, and α-methyl-2-methylstyrene are preferred from the viewpoint of improving radical resistance. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アク
リル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。
The polymer block (A) may contain one or more other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as those in the description of the polymer block (B) described later), alkenes having 2 to 8 carbon atoms (specific examples are described later). (Same as in the description of the polymer block (B)), (meth) acrylate (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate), vinyl ester (vinyl acetate, propion) Vinyl acid, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ether (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.) and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.

重合体ブロック(A)中の芳香族ビニル系化合物単位は、最終的に得られる高分子電解質膜に十分なイオン伝導性を付与するために、重合体ブロック(A)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。   The aromatic vinyl compound unit in the polymer block (A) occupies 50% by mass or more of the polymer block (A) in order to impart sufficient ion conductivity to the finally obtained polymer electrolyte membrane. Preferably, it occupies 70% by mass or more, more preferably 90% by mass or more.

重合体ブロック(A)のイオン伝導性基が導入されていない状態での分子量は、高分子電解質の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択されるが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、1,000〜500,000の間から選択されるのが好ましく、2,000〜200,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A) in the state where the ion conductive group is not introduced is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte, required performance, other polymer components, etc., but the number average molecular weight in terms of polystyrene In general, it is preferably selected from 1,000 to 500,000, and more preferably selected from 2,000 to 200,000.

また、重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で公知の方法により架橋されていてもよい。架橋を導入することにより、重合体ブロック(A)が形成するイオンチャンネル相が膨潤しにくくなり、乾燥時と湿潤時の力学特性(引張特性等)の変化などが更に小さくなる傾向にある   The polymer block (A) may be crosslinked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. By introducing crosslinks, the ion channel phase formed by the polymer block (A) is less likely to swell, and changes in mechanical properties (such as tensile properties) between drying and wetting tend to be further reduced.

また、重合体ブロック(A)は、実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)とイオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)からなっていてもよい。
実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)は、(1)下記の一般式(I)
Further, the polymer block (A) may be composed of a constraining block (A1) having substantially no ion conductive group and an ion conductive block (A2) having an ion conductive group.
The constraining block (A1) having substantially no ion conductive group is represented by (1) the following general formula (I)

Figure 2010067526
Figure 2010067526

(式中、Rは水素原子、炭素数1〜4のアルキル基であり、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表すが、少なくとも1つは炭素数1〜8のアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから構成される。
一般式(I)のRで表される炭素数1〜4のアルキル基は、直鎖状でも分岐状でもよく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。一般式(I)のR〜Rで表される炭素数1〜8のアルキル基は、直鎖状でも分岐状でもよく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、ヘキシル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基などが挙げられる。一般式(I)で表される芳香族ビニル化合物単位の好適な具体例としては、p−メチルスチレン単位、4−tert−ブチルスチレン単位、p−メチル−α−メチルスチレン単位、4−tert−ブチル−α−メチルスチレン単位等が挙げられ、これらは1種または2種以上組み合わせて用いてもよい。これら2種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, but at least one of them is carbon. It represents a polymer block having an aromatic vinyl compound unit represented by the formula (1 to 8) as a main repeating unit.
The alkyl group having 1 to 4 carbon atoms represented by R 1 in the general formula (I) may be linear or branched, and is a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, sec-butyl group. , Isobutyl group, tert-butyl group and the like. The alkyl group having 1 to 8 carbon atoms represented by R 2 to R 4 in the general formula (I) may be linear or branched, and is methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, sec Examples include -butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, hexyl group, 1-methylpentyl group, heptyl group, octyl group and the like. Preferable specific examples of the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (I) include p-methylstyrene unit, 4-tert-butylstyrene unit, p-methyl-α-methylstyrene unit, 4-tert- Examples thereof include butyl-α-methylstyrene units, and these may be used alone or in combination. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A1)は、拘束相としての機能を妨げない範囲内で、芳香族ビニル系化合物単位以外に、1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体単位を与える単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。
拘束相としての機能を果たす観点から、上記した芳香族ビニル化合物単位は、重合体ブロック(A1)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。
The polymer block (A1) may contain one or more other monomer units in addition to the aromatic vinyl compound unit as long as the function as a constraining phase is not hindered. Examples of the monomer that gives such other monomer units include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as those in the description of the polymer block (B) described later), and alkenes having 2 to 8 carbon atoms. (Specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described later), (meth) acrylate esters (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl Examples include esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.
From the viewpoint of fulfilling the function as the constrained phase, the aromatic vinyl compound unit described above preferably occupies 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass of the polymer block (A1). It is even more preferable to occupy the above.

重合体ブロック(A1)の分子量は、高分子電解質の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、高分子電解質の力学特性が高くなる傾向にあるが、大きすぎるとブロック共重合体の成形が困難になり、分子量が小さい場合、力学特性が低くなる傾向にあり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、1000〜300,000の間から選択されるのが好ましく、2000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A1) is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties of the polymer electrolyte tend to be high, but when it is too large, it becomes difficult to mold the block copolymer, and when the molecular weight is small, the mechanical properties tend to be low, and the required performance is reduced. It is important to select the molecular weight accordingly. The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually preferably selected from 1000 to 300,000, more preferably from 2000 to 100,000.

また、イオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)は下記の一般式(II)   The ion conductive block (A2) having an ion conductive group has the following general formula (II):

Figure 2010067526
Figure 2010067526

(式中、Arは1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基を表し、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基又は1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから構成される。
一般式(II)におけるArで表される炭素数6〜14のアリール基としては、フェニル基、ナフチル基、フェナントリル基、アントリル基、インデニル基、ビフェニリル基、ピレニル基等が挙げられ、フェニル基及びナフチル基が好ましく、フェニル基がより好ましい。このアリール基の芳香環に直接結合し得る任意的な1〜3個の置換基としては、それぞれ独立に、炭素数1〜4の直鎖状もしくは分岐状アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基等)などが挙げられる。一般式(II)におけるRは一般式(I)におけるRと同義であり、該基の例示も好適な例も同様である。
一般式(II)で表される芳香族ビニル系化合物単位を与える芳香族ビニル系化合物の具体例としては、スチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルフェナントレン、ビニルビフェニル、α−メチルスチレン、1−メチル−1−ナフチルエチレン、1−メチル−1−ビフェニリルエチレン等が挙げられ、特にスチレン、α−メチルスチレンが好ましい。
一般式(II)で表される芳香族ビニル系化合物単位を与える芳香族ビニル系化合物は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
(In the formula, Ar 1 represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have 1 to 3 substituents, and R 5 represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or 1 to 3). An aromatic vinyl-based compound unit represented by a C6-C14 aryl group which may have one substituent as a main repeating unit.
Examples of the aryl group having 6 to 14 carbon atoms represented by Ar 1 in the general formula (II) include a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthryl group, an anthryl group, an indenyl group, a biphenylyl group, and a pyrenyl group. And a naphthyl group is preferable, and a phenyl group is more preferable. The optional 1 to 3 substituents that can be directly bonded to the aromatic ring of the aryl group are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, propyl group). Group, isopropyl group, butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, etc.). R 5 in the general formula (II) has the same meaning as R 1 in the general formula (I), and examples of the group and preferred examples thereof are also the same.
Specific examples of the aromatic vinyl compound that gives the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (II) include styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl phenanthrene, vinyl biphenyl, α-methyl styrene, 1-methyl. Examples include -1-naphthylethylene and 1-methyl-1-biphenylylethylene, and styrene and α-methylstyrene are particularly preferable.
The aromatic vinyl compound that gives the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (II) may be used alone or in combination of two or more. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A2)は、本発明の効果を損なわない範囲内で、芳香族ビニル系化合物単位以外に、1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体単位を与える単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。
重合体ブロック(A2)に含まれる芳香族ビニル系化合物単位の割合は、十分なイオン伝導性を付与する観点から50モル%以上であることが好ましく、60モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることがより一層好ましい。
The polymer block (A2) may contain one or more other monomer units in addition to the aromatic vinyl compound unit within a range not impairing the effects of the present invention. Examples of the monomer that gives such other monomer units include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as those in the description of the polymer block (B) described later), and alkenes having 2 to 8 carbon atoms. (Specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described later), (meth) acrylate esters (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl Examples include esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.
The proportion of the aromatic vinyl compound unit contained in the polymer block (A2) is preferably 50 mol% or more, more preferably 60 mol% or more from the viewpoint of imparting sufficient ion conductivity, It is still more preferable that it is 80 mol% or more.

重合体ブロック(A2)のイオン伝導性基が導入されていない状態での分子量は、高分子電解質の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択されるが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、500〜200,000の間から選択されるのが好ましく、1000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A2) in the state where the ion conductive group is not introduced is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte, required performance, other polymer components, etc., but the number average molecular weight in terms of polystyrene In general, it is preferably selected from 500 to 200,000, and more preferably selected from 1000 to 100,000.

また、重合体ブロック(A2)は、本発明の効果を損わない範囲内で公知の方法により架橋させてもよい。架橋を導入することにより、乾燥時と湿潤時の寸法や力学特性(引張特性)の変化が更に小さくなる傾向にある。   The polymer block (A2) may be crosslinked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. By introducing cross-linking, changes in dimensions and mechanical properties (tensile properties) between drying and wetting tend to be further reduced.

本発明の高分子電解質膜を構成する重合体ブロック(A)が重合体ブロック(A1)及び重合体ブロック(A2)からなる場合、重合体ブロック(A1)の割合が多いと、寸法変化や力学的特性(破断強さ等)の変化が小さくなる傾向にあるがイオン伝導性が低くなる傾向にあり、重合体ブロック(A2)の割合が多いと、イオン伝導性が高くなる傾向にあるが、寸法変化や力学的特性(破断強さ等)の変化が大きくなる傾向にある。かかる重合体ブロック(A)における重合体ブロック(A1)と重合体ブロック(A2)の割合は95:5〜20:80であるのが好ましく、93:7〜25:75であるのがより好ましく、90:10〜30:70であるのがより一層好ましい。   When the polymer block (A) constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is composed of the polymer block (A1) and the polymer block (A2), if the ratio of the polymer block (A1) is large, the dimensional change and dynamics are increased. Although there is a tendency that the change in mechanical properties (breaking strength etc.) tends to be small, the ionic conductivity tends to be low, and when the proportion of the polymer block (A2) is large, the ionic conductivity tends to be high, Changes in dimensions and mechanical properties (breaking strength, etc.) tend to increase. The ratio of the polymer block (A1) to the polymer block (A2) in the polymer block (A) is preferably 95: 5 to 20:80, more preferably 93: 7 to 25:75. 90:10 to 30:70 is even more preferable.

本発明の高分子電解質膜で使用するブロック共重合体は、重合体ブロック(A)以外にフレキシブルな重合体ブロック(B)を有する。重合体ブロック(B)が存在し、且つその構成成分比である重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比を65:35〜10:90に限定することにより、ブロック共重合体が全体として良好な強度と柔軟性を兼ね備え易くなり、25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における100%モジュラスが15MPa以下であり、破断強さが15MPa以上であり、且つ破断伸びが300%以上の特性を有する電解質膜とすることにより、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たっての成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善され、且つ耐久性も改善される。ここでいうフレキシブルな重合体ブロック(B)はガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下のいわゆるゴム状重合体ブロックである。   The block copolymer used in the polymer electrolyte membrane of the present invention has a flexible polymer block (B) in addition to the polymer block (A). By limiting the mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B), which is the component ratio, to 65:35 to 10:90, the polymer block (B) is present. The polymer as a whole is easy to have good strength and flexibility, and the 100% modulus in a tensile test at 25 ° C. and a tensile speed of 500 mm / min is 15 MPa or less, and the breaking strength is 15 MPa or more. In addition, by using an electrolyte membrane having a characteristic of breaking elongation of 300% or more, the moldability (assembly property, bondability, tightening property, etc.) in producing a membrane-electrode assembly or a polymer electrolyte fuel cell is improved. It is improved and durability is also improved. The flexible polymer block (B) here is a so-called rubber-like polymer block having a glass transition point or softening point of 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or lower.

フレキシブルな重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位を構成することかできる単量体としては炭素数2〜8のアルケン、炭素数5〜8のシクロアルケン、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素数4〜8の共役ジエン及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエステル類、ビニルエーテル類等が挙げられ、これらは単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。2種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、(共)重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を2つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、共役ジエンの場合には1,2−結合であっても1,4−結合であってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下であれば、1,2−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。   Monomers that can constitute the repeating unit constituting the flexible polymer block (B) include alkenes having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkenes having 5 to 8 carbon atoms, and vinylcycloalkenes having 7 to 10 carbon atoms. , A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms and a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms, a vinyl cycloalkene having 7 to 10 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bond is hydrogenated, and carbon-carbon. A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the double bonds are hydrogenated, a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated, ( Examples include (meth) acrylic acid esters, vinyl esters, vinyl ethers, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more kinds may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization. Further, when the monomer to be used for (co) polymerization has two carbon-carbon double bonds, any of them may be used for the polymerization, and in the case of a conjugated diene, it is a 1,2-bond. 1,4-bonds may be used, and the ratio of 1,2-bonds to 1,4-bonds is not particularly limited as long as the glass transition point or softening point is 50 ° C. or lower.

重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、ビニルシクロアルケンや共役ジエンや共役シクロアルカジエンである場合のように炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその80モル%以上が水素添加されているのが好ましく、90モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、95モル%以上が水素添加されているのがより一層好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、H−NMR測定等によって算出することができる。 When the repeating unit constituting the polymer block (B) has a carbon-carbon double bond as in the case of vinylcycloalkene, conjugated diene or conjugated cycloalkadiene, the polymer of the present invention From the viewpoint of improving the power generation performance of the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane and improving the heat deterioration resistance, it is preferable that 80 mol% or more of such carbon-carbon double bonds are hydrogenated, and 90 mol%. The above is more preferably hydrogenated, and more preferably 95 mol% or more is hydrogenated. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method such as 1 H-NMR measurement.

重合体ブロック(B)は、得られるブロック共重合体に、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、炭素数2〜8のアルケン単位(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、炭素数5〜8のシクロアルケン単位(シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテン等)、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位(ビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテン等)、炭素数4〜8の共役ジエン単位(1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等)、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位(シクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等)、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数2〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより一層好ましい。
上記で、アルケン単位として最も好ましいのはイソブテン単位であり、共役ジエン単位として最も好ましいのは1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。
The polymer block (B) is an alkene having 2 to 8 carbon atoms from the viewpoint of giving the resulting block copolymer elasticity and, in turn, good moldability in the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell. Units (ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), C5-C8 cycloalkene unit (cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, cyclooctene, etc.), C7-10 vinylcycloalkene unit (vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, vinylcycloheptene, vinylcyclooctene, etc.), carbon Conjugated diene units having a number of 4 to 8 (1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3, 5-heptadiene, etc.), conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms (cyclopentadiene, 1,3-cyclohexadiene, etc.), carbon atoms having 7 to 7 carbon atoms partially or wholly hydrogenated 10 vinylcycloalkene units, 4 to 8 carbon conjugated diene units in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated, and some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated It is preferably a polymer block composed of at least one repeating unit selected from conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms, alkene units having 2 to 8 carbon atoms, A polymer block comprising at least one repeating unit selected from a conjugated diene unit having 4 to 8 prime atoms and a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms in which part or all of carbon-carbon double bonds have been hydrogenated. More preferably, the alkene unit having 2 to 6 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and the conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated. It is even more preferable that the polymer block is composed of at least one repeating unit selected from the units.
In the above, the most preferable alkene unit is an isobutene unit, and the most preferable conjugated diene unit is a 1,3-butadiene unit and / or an isoprene unit.

また、重合体ブロック(B)は、上記単量体以外に、ブロック共重合体に弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で他の単量体、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル系化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物等を含んでいてもよい。この場合上記単量体と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、上記単量体と他の単量体との合計に対して、50質量%未満であるのが好ましく、30質量%未満であるのがより好ましく、10質量%未満であるのがより一層好ましい。   In addition to the above monomers, the polymer block (B) may contain other monomers such as styrene and vinyl as long as the purpose of the polymer block (B) that gives elasticity to the block copolymer is not impaired. An aromatic vinyl compound such as naphthalene; a halogen-containing vinyl compound such as vinyl chloride may be included. In this case, the copolymerization form of the monomer and other monomer needs to be random copolymerization. The amount of such other monomer used is preferably less than 50% by weight, more preferably less than 30% by weight, based on the total of the above monomers and other monomers. It is still more preferable that it is less than mass%.

本発明の電解質膜が1つの重合体ブロック(A)、すなわち実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)を有さずに、イオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)のみ有する場合には、その重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)の質量比は、65:35〜10:90であることが必要であり、50:50〜10:90であることが好ましく、45:55〜15:85であることがより好ましい。この質量比が65:35〜10:90である場合には、良好な強度と柔軟性を兼ね備え易くなり、ひいては膜と電極間の接合性が向上しやすくなることから、耐久性に優れる傾向にある。   The electrolyte membrane of the present invention does not have one polymer block (A), that is, a constraining block (A1) substantially having no ion conductive group, and an ion conductive block (A2) having an ion conductive group. ) Only, the mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) needs to be 65:35 to 10:90, and is 50:50 to 10:90. Is more preferable, and 45:55 to 15:85 is more preferable. When this mass ratio is 65:35 to 10:90, it becomes easy to combine good strength and flexibility, and it becomes easy to improve the bondability between the membrane and the electrode, so that the durability tends to be excellent. is there.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とするブロック共重合体の構造は特に限定されないが、例としてA−B−A型トリブロック共重合体、B−A−B型トリブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体もしくはB−A−B型トリブロック共重合体とA−B型ジブロック共重合体との混合物、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)、(B−A)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。   Although the structure of the block copolymer which has a polymer block (A) and a polymer block (B) as a structural component is not specifically limited, ABA type | mold triblock copolymer, BAB, as an example Type triblock copolymer, ABA type triblock copolymer or a mixture of BAB type triblock copolymer and AB type diblock copolymer, ABA type B-type tetrablock copolymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (AB) nX-type star copolymer Examples thereof include a polymer (X represents a coupling agent residue), (BA) nX type star copolymer (X represents a coupling agent residue), and the like. These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

本発明の電解質膜が1つの重合体ブロック(A)、すなわち実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)及びイオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)を有する場合には、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は65:35〜10:90であることが必要であり、65:35〜15:85であることが好ましく、60:40〜15:85であることがより好ましい。この質量比が65:35〜10:90である場合には、良好な強度と柔軟性を兼ね備え易くなり、ひいては膜と電極間の接合性が向上しやすくなることから、耐久性に優れる傾向にある。   When the electrolyte membrane of the present invention has one polymer block (A), that is, a constraining block (A1) having substantially no ion conductive group and an ion conductive block (A2) having an ion conductive group. The mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) needs to be 65:35 to 10:90, preferably 65:35 to 15:85, and 60: More preferably, it is 40-15: 85. When this mass ratio is 65:35 to 10:90, it becomes easy to combine good strength and flexibility, and it becomes easy to improve the bondability between the membrane and the electrode, so that the durability tends to be excellent. is there.

本発明で用いるブロック共重合体の重合体ブロック(A1)、重合体ブロック(A2)及び重合体ブロック(B)から構成されるブロック共重合体の構造は、特に限定されないが、例としてA2−B−A2型トリブロック共重合体、A2−B−A1−A2テトラブロック共重合体、B−A2−B−A1テトラブロック共重合体、A2−B−A1−Bテトラブロック共重合体、A1−B−A1−A2テトラブロック共重合体、A2−B−A2−A1テトラブロック共重合体、A2−A1−B−A1−A2ペンタブロック共重合体、A1−A2−B−A2−A1ペンタブロック共重合体、A2−A1−B−A2−A1ペンタブロック共重合体、A1−B−A2−B−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A1−A2−Bペンタブロック共重合体、A2−B−A1−A2−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A1−B−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A2−B−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A2−A1−Bペンタブロック共重合体、B−A2−B−A2−A1ペンタブロック共重合体、B−A2−B−A1−A2ペンタブロック共重合体、B−A2−B−A1−Bペンタブロック共重合体、A1−A2−A1−B−A1ペンタブロック共重合体等が挙げられる。   The structure of the block copolymer composed of the polymer block (A1), polymer block (A2), and polymer block (B) of the block copolymer used in the present invention is not particularly limited. B-A2 type triblock copolymer, A2-B-A1-A2 tetrablock copolymer, B-A2-B-A1 tetrablock copolymer, A2-B-A1-B tetrablock copolymer, A1 -B-A1-A2 tetrablock copolymer, A2-B-A2-A1 tetrablock copolymer, A2-A1-B-A1-A2 pentablock copolymer, A1-A2-B-A2-A1 penta Block copolymer, A2-A1-B-A2-A1 pentablock copolymer, A1-B-A2-B-A1 pentablock copolymer, A2-B-A1-A2-B pentablock copolymer A2-B-A1-A2-A1 pentablock copolymer, A2-B-A1-B-A1 pentablock copolymer, A2-B-A2-B-A1 pentablock copolymer, A2-B- A2-A1-B pentablock copolymer, B-A2-B-A2-A1 pentablock copolymer, B-A2-B-A1-A2 pentablock copolymer, B-A2-B-A1-B Examples thereof include a pentablock copolymer and an A1-A2-A1-B-A1 pentablock copolymer.

本発明で用いるブロック共重合体のイオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜1,000,000が好ましく、15,000〜700,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。   The number average molecular weight of the block copolymer used in the present invention in a state where the ion conductive group is not introduced is not particularly limited, but the number average molecular weight in terms of polystyrene is usually 10,000 to 1,000,000. Preferably, 15,000-700,000 are more preferable, and 20,000-500,000 are still more preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有することが必要である。本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトンなどが挙げられる。イオン伝導性基としては、該高分子電解質膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、中でも−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基としては、また、カルボキシル基又はその塩も用いることができる。イオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック(A)にするのはブロック共重合体全体の耐ラジカル性を向上させるのに特に有効であるためである。 The block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention needs to have an ion conductive group in the polymer block (A). Examples of ions in the present invention when referring to ionic conductivity include protons. The ion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the polymer electrolyte membrane can express sufficient ionic conductivity. Among them, -SO 3 M or- A sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a salt thereof represented by PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) is preferably used. As the ion conductive group, a carboxyl group or a salt thereof can also be used. The introduction position of the ion conductive group is the polymer block (A) because it is particularly effective for improving the radical resistance of the entire block copolymer.

イオン伝導性基の重合体ブロック(A)中への導入位置については特に制限はなく、芳香族ビニル系化合物単位に導入しても既述の他の単量体単位に導入してもよいが、イオンチャンネル形成を容易にする観点から、芳香族ビニル系化合物単位の芳香環に導入するのが好ましい。   The introduction position of the ion conductive group into the polymer block (A) is not particularly limited and may be introduced into the aromatic vinyl compound unit or other monomer units described above. From the viewpoint of facilitating ion channel formation, it is preferably introduced into the aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit.

イオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として使用するのに十分なイオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.40meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体のイオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり耐水性が不十分になる傾向となるので、3.0meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of ion-conducting group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the resulting block copolymer, etc., but exhibits sufficient ion conductivity for use as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. In general, the amount is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, and more preferably 0.40 meq / g or more. . The upper limit of the ion exchange capacity of the block copolymer is preferably 3.0 meq / g or less because if the ion exchange capacity is too large, the hydrophilicity tends to increase and the water resistance becomes insufficient.

本発明で用いられるブロック共重合体の製造法に関しては、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、イオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、イオン伝導性基を結合させる方法が好ましい。   The production method of the block copolymer used in the present invention is not particularly limited, and a known method can be used, but after producing the block copolymer having no ion conductive group, the ion conductivity is improved. A method of bonding groups is preferred.

重合体ブロック(A)又は(B)を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック(A)又は(B)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、フレキシブルな成分からなる重合体ブロック(B)と重合体ブロック(A)との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法、リビングアニオン重合法又はリビングカチオン重合法によりブロック共重合体を製造した後、重合体ブロック(B)に共役ジエン単位を有する場合には所望により公知の方法で水素添加反応を行う製造法が好ましい。   Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, Although it is appropriately selected from coordination polymerization method and the like, radical polymerization method, anionic polymerization method and cationic polymerization method are preferably selected from the viewpoint of industrial ease. In particular, the so-called living polymerization method is preferable from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding between the polymer block (B) and the polymer block (A) made of flexible components, and specifically living Production in which a block copolymer is produced by a radical polymerization method, a living anion polymerization method or a living cation polymerization method, and then a hydrogenation reaction is carried out by a known method if desired when the polymer block (B) has a conjugated diene unit. The method is preferred.

製造法の具体例として、ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及び共役ジエンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との結合の容易さ等からリビングアニオン重合法で製造するのが好ましく、次のような具体的な合成例が示される。
(1)テトラヒドロフラン溶媒中でジアニオン系開始剤を用いて共役ジエンを重合後に、―78℃の温度条件下でα−メチルスチレンを逐次重合させA−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1969),2(5),453−458)、
(2)α−メチルスチレンをアニオン系開始剤を用いてバルク重合した後に、共役ジエンを逐次重合させ、その後テトラクロロシラン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、(A−B)nX型ブロック共重合体を得る方法(Kautsch.Gummi,Kunstst.,(1984),37(5),377−379; Polym.Bull.,(1984),12,71−77)、
(3)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させた後、カップリング剤を添加して、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
(4)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレン(重合体ブロック(A2)を構成する単量体)を重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させ、得られるα−メチルスチレン重合体ブロックと共役ジエン重合体ブロックからなるブロック共重合体のリビングポリマーに重合体ブロック(A1)を構成する単量体を重合させてA2−B−A1型ブロック共重合体を得る方法。
As a specific example of the production method, a production method of a block copolymer comprising as a component a polymer block (A) made of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) made of a conjugated diene will be described. In this case, it is preferable to produce by a living anionic polymerization method from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding between the polymer block (A) and the polymer block (B), and the following specific examples A typical synthesis example is shown.
(1) Method of obtaining an ABA type block copolymer by sequentially polymerizing α-methylstyrene under a temperature condition of −78 ° C. after polymerization of a conjugated diene using a dianionic initiator in a tetrahydrofuran solvent ( Macromolecules, (1969), 2 (5), 453-458),
(2) α-methylstyrene is subjected to bulk polymerization using an anionic initiator, then conjugated dienes are sequentially polymerized, and then a coupling reaction is performed with a coupling agent such as tetrachlorosilane, and (AB) nX type block Method for obtaining a copolymer (Kautsch. Gummi, Kunstst., (1984), 37 (5), 377-379; Polym. Bull., (1984), 12, 71-77),
(3) An organic lithium compound in a nonpolar solvent is used as an initiator, and a concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass. A polymer obtained by polymerizing α-methylstyrene, a conjugated diene is polymerized to the resulting living polymer, and then a coupling agent is added to obtain an ABA block copolymer.
(4) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene (a monomer constituting the polymer block (A2)) is polymerized, and the resulting living polymer is polymerized with a conjugated diene. From the resulting α-methylstyrene polymer block and the conjugated diene polymer block, A method for obtaining an A2-B-A1 type block copolymer by polymerizing a monomer constituting the polymer block (A1) to a living block copolymer.

製造法の具体例として、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A1)、スチレン又はα−メチルスチレンからなる重合体ブロック(A2)及び共役ジエンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体あるいはグラフト共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック(A1)、(B)及び(A2)の結合の容易さ等からリビングアニオン重合法が好ましく、次のような具体的な合成例が示される。
(5)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、10〜100℃の温度条件下で、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を重合し、その後共役ジエン、スチレンを逐次重合させA1−B−A2型ブロック共重合体を得る方法、
(6)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、10〜100℃の温度条件下で、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を重合し、その後スチレン、共役ジエンを逐次重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加してA1−A2−B−A2−A1型ブロック共重合体を得る方法、
(7)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、10〜100℃の温度条件下で、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物、共役ジエン、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を逐次重合させA1−B−A1型ブロック共重合体を作成し、アニオン重合開始剤系(アニオン重合開始剤/N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン)を添加し共役ジエン単位をリチオ化した後、スチレンを重合させ、A1−B(−g−A2)−A1型ブロック・グラフト共重合体を得る方法、
(8)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエン、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を逐次重合させてA2−B−A1型ブロック共重合体を得るか、又は、同様の条件下に、α−メチルスチレン、4−tert−ブチルスチレン、共役ジエン、4−tert−ブチルスチレンを逐次重合させてA2−A1−B−A1型ブロック共重合体を得る方法、
などを採用/応用することができる。
Specific examples of the production method include a polymer block (A1) having an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene as a main repeating unit, a polymer block (A2) comprising styrene or α-methylstyrene, and a conjugated diene. A method for producing a block copolymer or graft copolymer containing as a component a polymer block (B) composed of In this case, the living anion polymerization method is preferable from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding of the polymer blocks (A1), (B) and (A2), and the following specific synthesis examples Is shown.
(5) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent, and an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene is polymerized at a temperature of 10 to 100 ° C., and then a conjugated diene and styrene are sequentially polymerized. A method of obtaining an A1-B-A2 type block copolymer,
(6) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent, and an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene is polymerized at a temperature of 10 to 100 ° C., and then styrene and a conjugated diene are sequentially polymerized. And then adding a coupling agent such as phenyl benzoate to obtain an A1-A2-B-A2-A1 type block copolymer,
(7) Using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent, under a temperature condition of 10 to 100 ° C., an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene, a conjugated diene, 4-tert-butylstyrene, etc. A1-B-A1 type block copolymer is prepared by sequential polymerization of aromatic vinyl compounds and an anionic polymerization initiator system (anionic polymerization initiator / N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine) is added. And then lithiating the conjugated diene unit and then polymerizing styrene to obtain an A1-B (-g-A2) -A1 type block / graft copolymer,
(8) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized and the resulting living polymer is sequentially polymerized with an aromatic vinyl compound such as conjugated diene or 4-tert-butylstyrene to obtain an A2-B-A1 type block copolymer, or , A method of sequentially polymerizing α-methylstyrene, 4-tert-butylstyrene, conjugated diene, and 4-tert-butylstyrene under the same conditions to obtain an A2-A1-B-A1 type block copolymer,
Can be adopted / applied.

次に、得られたブロック共重合体にイオン伝導性基を結合させる方法について述べる。まず、得られたブロック共重合体にスルホン酸基を導入する方法について述べる。スルホン化は、公知のスルホン化の方法で行える。このような方法としては、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や縣濁液を調製し、スルホン化剤を添加し混合する方法やブロック共重合体に直接ガス状のスルホン化剤を添加する方法等が例示される。   Next, a method for bonding an ion conductive group to the obtained block copolymer will be described. First, a method for introducing a sulfonic acid group into the obtained block copolymer will be described. Sulfonation can be performed by a known sulfonation method. As such a method, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, a sulfonating agent is added and mixed, a method of adding a gaseous sulfonating agent directly to the block copolymer, etc. Is exemplified.

使用するスルホン化剤としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物系、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物系、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物系、さらに2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、ヘキサン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類等が例示でき、必要に応じて複数の組合せから、適宜選択して使用してもよい。   Sulfonating agents used include sulfuric acid, a mixture of sulfuric acid and aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate. Examples thereof include aromatic organic sulfonic acids represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, and the like. You may use it, selecting suitably from several combinations.

得られたブロック共重合体のスルホン化物を含む反応溶液から、スルホン化物を単離する方法は、水中に反応溶液を注ぎスルホン化沈殿させた後に溶媒を常圧留去する方法や、反応溶液中に停止剤の水を徐々に添加し懸濁せしめた後、スルホン化物を析出させた後に溶媒を常圧留去する方法などが挙げられるが、スルホン化物が微分散化し、その後の水での洗浄効率が高くなる観点から、反応溶液中に停止剤の水を徐々に添加し、懸濁せしめた後、スルホン化物を析出させる方法が好適に用いられる。   The method of isolating the sulfonated product from the reaction solution containing the sulfonated product of the block copolymer is a method of pouring the reaction solution into water to cause sulfonated precipitation and then distilling off the solvent at atmospheric pressure, There is a method in which the water of the stopper is gradually added and suspended, and then the sulfonated product is precipitated and then the solvent is distilled off at atmospheric pressure. The sulfonated product is finely dispersed, and then washed with water. From the viewpoint of increasing the efficiency, a method of gradually adding a stopper water to the reaction solution and suspending it, and then precipitating a sulfonated product is preferably used.

得られたブロック共重合体にホスホン酸基を導入する方法について述べる。ホスホン化は、公知のホスホン化の方法で行える。具体的には、例えば、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や懸濁液を調製し、無水塩化アルミニウムの存在下、該共重合体をクロロメチルエーテル等と反応させ、芳香環にハロメチル基を導入後、これに三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、さらに加水分解反応を行ってホスホン酸基を導入する方法などが挙げられる。あるいは、該共重合体に三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、芳香環にホスフィン酸基を導入後、硝酸によりホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法等が例示できる。   A method for introducing a phosphonic acid group into the obtained block copolymer will be described. Phosphonation can be performed by a known phosphonation method. Specifically, for example, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, and the copolymer is reacted with chloromethyl ether or the like in the presence of anhydrous aluminum chloride to introduce a halomethyl group into the aromatic ring. Thereafter, there may be mentioned a method in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added and reacted, followed by a hydrolysis reaction to introduce a phosphonic acid group. Alternatively, a method may be exemplified in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added to the copolymer and reacted to introduce a phosphinic acid group into the aromatic ring, and then the phosphinic acid group is oxidized with nitric acid to form a phosphonic acid group.

スルホン化又はホスホン化の程度としては、すでに述べたごとく、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上、特に0.40meq/g以上になるまで、しかし、3.0meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化されることが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。スルホン化またはホスホン化されたブロック共重合体のイオン交換容量、もしくはブロック共重合体における芳香族ビニル系化合物中のスルホン化率又はホスホン化率は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。 The degree of sulfonation or phosphonation is as described above until the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, particularly 0.40 meq / g or more, but 3.0 meq / g or less. It is desirable to be sulfonated or phosphonated so that Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer, or the sulfonation rate or phosphonation rate in the aromatic vinyl compound in the block copolymer is determined by acid value titration, infrared spectroscopic measurement, nuclear It can be calculated using an analytical means such as magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.

イオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、o−、m−又はp−スチレンスルホン酸ナトリウム、あるいはα−メチルーo−、m又はp−スチレンスルホン酸ナトリウムを用いて重合体を製造することで、所望のイオン伝導性基を導入できる。又は、適当な方法でイオン交換することにより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体を得ることができる。   The ion conductive group may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, a desired ion conductive group can be introduced by producing a polymer using sodium o-, m- or p-styrene sulfonate, or α-methyl-o-, m or p-sodium styrene sulfonate. . Or the block copolymer which made the sulfonic acid group into the salt form can be obtained by ion-exchange by a suitable method.

本発明の高分子電解質膜は、本発明の効果を損わない限り、各種添加剤、例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維、無機充填剤等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be added to various additives such as a softening agent, a stabilizer, a light stabilizer, an antistatic agent, a release agent, a flame retardant, a foaming agent, and a pigment as long as the effects of the present invention are not impaired. , Dyes, brighteners, carbon fibers, inorganic fillers and the like may be used alone or in combination of two or more.

軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等が挙げられる。
安定剤は、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤等を包含し、具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2,−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。
無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。
Examples of the softener include petroleum softeners such as paraffinic, naphthenic or aromatic process oils, paraffin, vegetable oil softeners, plasticizers, and the like.
Stabilizers include phenol-based stabilizers, sulfur-based stabilizers, phosphorus-based stabilizers, and the like. Specific examples include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerythryl-tetrakis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) Benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate] 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2, -thio-diethylenebi [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamide), 3, 5-di-t-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3 Phenolic compounds such as-(3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane Stabilizer; pentaerythrityl tetrakis (3-lauryl thiopropionate), distearyl 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropione And sulfur stabilizers such as dimyristyl 3,3′-thiodipropionate; trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasterylpentaerythritol diphosphite, Examples thereof include phosphorus stabilizers such as bis (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) pentaerythritol diphosphite.
Specific examples of the inorganic filler include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina.

燃料電池において、長期間発電した場合は、電解質膜が膨潤して電解質膜と電極間での剥離が生じやすくなり、安定した発電ができなくなることがある。特に電解質膜が膨潤して膜が引き伸ばされる場合の引張モジュラスが大きいときには、膜−電極間での剥離が生じやすくなる。以上の観点から、本発明の高分子電解質膜の25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における破断伸び100%時の応力である100%モジュラスは、15MPa以下であることが必要であり、0.3〜13MPaであることが好ましく、0.5〜12MPaであることがより好ましい。100%モジュラスは、用いるブロック共重合体における重合体ブロック(B)の質量比を大きくすることにより小さくすることができる。
また、電解質膜の強度が弱く、柔軟性に欠けている場合には、電解質膜としての耐久性が劣るだけでなく、膜と電極間の接合性が悪くなり、ひいては燃料電池において長時間発電した場合に、電解質膜と電極間での剥離が生じやすくなり、安定した発電ができなくなる傾向になる。以上の観点から、本発明の高分子電解質膜の25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における、破断強さは15MPa以上であることが必要であり、16〜100MPaであることが好ましく、且つ、破断伸びは300%以上であることが必要であり、320〜1000%であることが好ましく、330〜800%であることがより好ましい。破断強さは、用いるブロック共重合体の数平均分子量を大きくし、重合体ブロック(A)の質量比を大きくすることにより、高めることができる。破断伸びは、用いるブロック共重合体の重合体ブロック(B)の質量比を大きくすることにより、大きくすることができる。
In a fuel cell, when power is generated for a long time, the electrolyte membrane swells and peeling between the electrolyte membrane and the electrode tends to occur, and stable power generation may not be possible. In particular, when the tensile modulus is large when the electrolyte membrane swells and the membrane is stretched, peeling between the membrane and the electrode tends to occur. From the above viewpoint, the 100% modulus, which is the stress at the time of 100% elongation at break in the tensile test at 25 ° C. and the tensile rate of 500 mm / min, of the polymer electrolyte membrane of the present invention is 15 MPa or less. It is necessary, it is preferable that it is 0.3-13 MPa, and it is more preferable that it is 0.5-12 MPa. The 100% modulus can be reduced by increasing the mass ratio of the polymer block (B) in the block copolymer to be used.
Moreover, when the strength of the electrolyte membrane is weak and lacks flexibility, not only the durability of the electrolyte membrane is inferior, but also the bondability between the membrane and the electrode is deteriorated, and as a result, power is generated for a long time in the fuel cell. In such a case, peeling between the electrolyte membrane and the electrode tends to occur, and stable power generation tends to be impossible. From the above viewpoint, the breaking strength of the polymer electrolyte membrane of the present invention is required to be 15 MPa or more in a tensile test at 25 ° C. and a tensile speed of 500 mm / min, and is 16 to 100 MPa. The elongation at break needs to be 300% or more, preferably 320 to 1000%, and more preferably 330 to 800%. The breaking strength can be increased by increasing the number average molecular weight of the block copolymer used and increasing the mass ratio of the polymer block (A). The elongation at break can be increased by increasing the mass ratio of the polymer block (B) of the block copolymer used.

本発明の高分子電解質膜におけるブロック共重合体の含有量は、引張試験における上記特性及びイオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより一層好ましい。   The content of the block copolymer in the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more, from the viewpoints of the above characteristics and ion conductivity in the tensile test. 90% by mass or more is even more preferable.

本発明の高分子電解質膜は、燃料電池用電解質膜として必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が5〜500μm程度であることが好ましい。膜厚が5μm未満である場合には、膜の機械的強度やガスの遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が500μmを超えて厚い場合には、膜抵抗が大きくなり、充分なプロトン伝導性が発現しないため、電池の発電特性が低くなる傾向がある。該膜厚はより好ましくは10〜300μmである。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a thickness of about 5 to 500 μm from the viewpoints of performance required as an electrolyte membrane for fuel cells, membrane strength, handling properties, and the like. When the film thickness is less than 5 μm, the mechanical strength of the film and the gas barrier property tend to be insufficient. On the contrary, when the film thickness is thicker than 500 μm, the membrane resistance increases and sufficient proton conductivity does not appear, so that the power generation characteristics of the battery tend to be lowered. The film thickness is more preferably 10 to 300 μm.

本発明の高分子電解質膜の調製方法については、かかる調製のための通常の方法であればいずれの方法も採用できるが、例えば、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体又は該ブロック共重合体及び上記したような添加剤を適当な溶媒と混合して、8質量%以上の該ブロック共重合体の溶液、懸濁液を作成した後、離形処理済みのPETフィルム等に、コーターやアプリケーター等を用いて塗布した後、適切な条件で溶媒を除去することによって所望の厚みを有する電解質膜を得る溶液塗工方法や、ポリテトラフルオロエチレンシート等に5質量%以下の該ブロック共重合体の溶液、懸濁液をキャストした後、1〜数日かけて溶媒を徐々に除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得るキャスト法や、熱プレス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の方法を用いて成膜する方法などを用いることができるが、良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、溶液塗工方法が好適に用いられる。
また、得られた電解質膜層の上に、新たに、同じもしくは異なるブロック共重合体溶液を塗布して乾燥することにより積層化させてもよい。また、上記のようにして得られた、同じもしくは異なる電解質膜同士を熱ロール成形等で圧着させて積層化させてもよい。
As a method for preparing the polymer electrolyte membrane of the present invention, any method can be adopted as long as it is a normal method for such preparation. For example, the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention or the After the block copolymer and the above-mentioned additives are mixed with an appropriate solvent to prepare a solution or suspension of the block copolymer of 8% by mass or more, it is applied to a release-treated PET film or the like. Then, after coating using a coater or applicator, etc., a solvent coating method for obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness by removing the solvent under appropriate conditions, or a polytetrafluoroethylene sheet or the like of 5% by mass or less After casting the solution and suspension of the block copolymer, the solvent is gradually removed over 1 to several days, thereby obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness, and hot press molding. A method of forming a film using a known method such as roll molding or extrusion molding can be used, but the solution coating method is preferably used from the viewpoint of easily preparing an electrolyte membrane having good strength and flexibility. It is done.
Further, the same or different block copolymer solution may be newly applied on the obtained electrolyte membrane layer and dried to be laminated. Further, the same or different electrolyte membranes obtained as described above may be laminated by being pressure-bonded by hot roll molding or the like.

このとき使用する溶媒は、ブロック共重合体の構造を破壊することなく、溶液塗工が可能な程度の粘度の溶液を調製することが可能なものであれば特に制限されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール類、あるいはこれらの混合溶媒等が例示できる。ブロック共重合体の構成、分子量、イオン交換容量等に応じて、上記に例示した溶媒の中から、1種又は2種以上の組合せを適宜選択し使用することができるが、特に良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、芳香族炭化水素類とアルコール類の混合溶媒系(具体的には、トルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒等)、環式脂肪族炭化水素類とアルコール類の混合溶媒系(具体的には、シクロヘキサンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソブチルアルコールの混合溶媒等)、テトラヒドロフラン溶媒が好ましく、特に、芳香族炭化水素類とアルコール類の混合溶媒系の混合溶媒が好ましい。重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)から構成されるA−B−A型トリブロック共重合体からなる電解質膜の場合には、芳香族炭化水素類とアルコール類の混合溶媒系の混合溶媒を用いることにより、重合体ブロック(A)の体積組成に応じたモルフォロジー、もしくは重合体ブロック(A)からなる相が体積組成以上の体積を占めたモルフォロジーを形成しやすい(例えば、体積組成から重合体ブロック(A)の相がシリンダー構造を形成する場合には、シリンダーから共連続構造、更にはラメラ構造を形成しやすい)ため、良好な強度と柔軟性を有する電解質膜をより調製しやすい。   The solvent used at this time is not particularly limited as long as it can prepare a solution having a viscosity capable of solution coating without destroying the structure of the block copolymer. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Examples thereof include ethers such as hydrogen and tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol and isobutyl alcohol, or mixed solvents thereof. Depending on the composition of the block copolymer, the molecular weight, the ion exchange capacity, etc., one or two or more combinations can be appropriately selected and used from the solvents exemplified above. From the viewpoint of easy preparation of a flexible electrolyte membrane, a mixed solvent system of aromatic hydrocarbons and alcohols (specifically, a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol, a mixed solvent of toluene and isopropyl alcohol, etc.), ring Preferred is a mixed solvent system of a formula aliphatic hydrocarbon and an alcohol (specifically, a mixed solvent of cyclohexane and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isobutyl alcohol, etc.), a tetrahydrofuran solvent, and particularly, an aromatic hydrocarbon and A mixed solvent of a mixed solvent system of alcohols is preferable. In the case of an electrolyte membrane comprising an ABA type triblock copolymer composed of a polymer block (A) and a polymer block (B), a mixed solvent system of aromatic hydrocarbons and alcohols is used. By using a mixed solvent, it is easy to form a morphology corresponding to the volume composition of the polymer block (A), or a morphology in which the phase comprising the polymer block (A) occupies a volume greater than or equal to the volume composition (for example, volume composition Therefore, when the phase of polymer block (A) forms a cylinder structure, it is easy to form a co-continuous structure and further a lamellar structure from the cylinder.) Therefore, prepare an electrolyte membrane having good strength and flexibility. Cheap.

また、溶液塗工方法における溶媒除去の条件は、本発明のブロック共重合体のスルホン基等のイオン伝導性基が脱落する温度以下で、溶媒を完全に除去できる条件であれば任意に選択することが可能である。所望の物性を発現させるため、複数の温度を任意に組み合わせたり、通風気下と真空下等を任意に組み合わせてもよい。具体的には、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、100〜140℃程度の熱風乾燥にて2〜4分にて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、25〜40℃程度の雰囲気下、真空乾燥にて1〜12時間程度追い込み乾燥する方法などが挙げられる。良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調整しやすい観点から、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜24時間程度、予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて追い込み乾燥する方法や、25℃程度で1〜15時間程度、予備乾燥させた後、25〜40℃程度の雰囲気下、真空乾燥にて1〜12時間程度追い込み乾燥する方法などが好適に用いられる。特に重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)から構成されるA−B−A型トリブロック共重合体からなる電解質膜の場合には、上記のような好適な乾燥方法を採用することにより、重合体ブロック(A)の体積組成に応じたモルフォロジー、もしくは重合体ブロック(A)からなる相が体積組成以上の体積を占めたモルフォロジーを形成しやすい(例えば、体積組成から重合体ブロック(A)の相がシリンダー構造を形成する場合には、シリンダーから共連続構造、更にはラメラ構造を形成しやすい)ため、良好な強度と柔軟性を有する電解質膜をより調製しやすい。   In addition, the solvent removal conditions in the solution coating method are arbitrarily selected as long as the conditions allow the solvent to be completely removed at a temperature equal to or lower than the temperature at which the ion conductive group such as the sulfone group of the block copolymer of the present invention is removed. It is possible. In order to express desired physical properties, a plurality of temperatures may be arbitrarily combined, or a combination of ventilation and vacuum may be arbitrarily combined. Specifically, a method of removing the solvent by hot air drying at about 60 to 100 ° C. over 4 minutes, a method of removing the solvent in 2 to 4 minutes by hot air drying at about 100 to 140 ° C., After pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours and then drying with hot air drying at about 100 ° C. for several minutes, or after pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, 25 For example, there may be mentioned a method in which it is forced to dry for about 1 to 12 hours by vacuum drying in an atmosphere of about 40 ° C. From the viewpoint of easy adjustment of an electrolyte membrane having good strength and flexibility, a method of removing the solvent by hot air drying at about 60 to 100 ° C. over 4 minutes, or about 1 to 24 hours at about 25 ° C. After drying, follow-up drying with hot air drying at about 100 ° C. over several minutes, or pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 15 hours, and then vacuum drying under an atmosphere of about 25-40 ° C. For example, a method of driving and drying for about 1 to 12 hours is preferably used. In particular, in the case of an electrolyte membrane composed of an ABA type triblock copolymer composed of a polymer block (A) and a polymer block (B), a suitable drying method as described above should be adopted. Thus, it is easy to form a morphology corresponding to the volume composition of the polymer block (A) or a morphology in which the phase composed of the polymer block (A) occupies a volume greater than or equal to the volume composition (for example, from the volume composition to the polymer block ( When the phase of A) forms a cylinder structure, it is easy to form a co-continuous structure and further a lamellar structure from the cylinder. Therefore, it is easier to prepare an electrolyte membrane having good strength and flexibility.

次に、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、イオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで1対の接合体をそれぞれ触媒層を内側にして、高分子電解質膜の両側にホットプレスなどによりと接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により高分子電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、高分子電解質膜の両面及び/又は1対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、1対のこの基材フィルム上の触媒層を高分子電解質膜の両側に加熱圧着により転写し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、これらの方法をイオン伝導性基をNaなどの金属との塩にした状態で行い、接合後の酸処理によってプロトン型に戻す処理を行ってもよい。   Next, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described. The production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an ion conductive binder is applied on the gas diffusion layer by a printing method or a spray method and dried. To form a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then to join the pair of joined bodies with the catalyst layer on the inside and to both sides of the polymer electrolyte membrane by hot pressing or the like, There is a method in which a catalyst paste is applied to both sides of a polymer electrolyte membrane by a printing method or a spray method, dried to form a catalyst layer, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As another production method, a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane and / or the catalyst layer surface of a pair of gas diffusion electrodes, and the electrolyte membrane and the catalyst layer surface are bonded together. There is a method of joining by thermocompression bonding. In this case, the solution or suspension may be applied to either the electrolyte membrane or the catalyst layer surface, or may be applied to both. As another manufacturing method, first, the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer, and then a pair of base films on the base film is formed. The catalyst layer is transferred to both sides of the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding, the base film is peeled off to obtain a joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and the gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. There is a way. In these methods, these methods may be performed in a state where the ion conductive group is made into a salt with a metal such as Na, and a treatment for returning to a proton type by an acid treatment after bonding may be performed.

上記膜−電極接合体を構成するイオン伝導性バインダーとしては、例えば、「Nafion」(登録商標、デュポン社製)や「Gore−select」(登録商標、ゴア社製)などの既存のパーフルオロスルホン酸系ポリマーからなるイオン伝導性バインダー、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリエーテルケトンからなるイオン伝導性バインダー、リン酸や硫酸を含浸したポリベンズイミダゾールからなるイオン伝導性バインダー等を用いることができる。また、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体からイオン伝導性バインダーを作製してもよい。なお、電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、高分子電解質膜と同一材料から形成したイオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。   Examples of the ion conductive binder constituting the membrane-electrode assembly include existing perfluorosulfones such as “Nafion” (registered trademark, manufactured by DuPont) and “Gore-select” (registered trademark, manufactured by Gore). An ion conductive binder made of an acid polymer, an ion conductive binder made of sulfonated polyethersulfone or sulfonated polyetherketone, an ion conductive binder made of polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid can be used. . Moreover, you may produce an ion conductive binder from the block copolymer which comprises the polymer electrolyte membrane of this invention. In order to further enhance the adhesion between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an ion conductive binder formed from the same material as the polymer electrolyte membrane.

上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材/触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは2種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は、10〜300オングストロームである。これら触媒はカーボン等の導電材/触媒担体に担持させた方が触媒使用量は少なくコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。   The constituent material of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is not particularly limited as the conductive material / catalyst support, and examples thereof include carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The catalyst metal may be any metal that promotes the oxidation reaction of fuel such as hydrogen and methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, palladium, etc., or alloys thereof, for example, platinum-ruthenium alloys are mentioned. Of these, platinum and platinum alloys are often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are supported on a conductive material such as carbon / catalyst support, the amount of catalyst used is small and it is advantageous in terms of cost. The catalyst layer may contain a water repellent as necessary. Examples of the water repellent include various thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene butadiene copolymer, and polyether ether ketone.

上記膜−電極接合体のガス拡散層は、導電性及びガス透過性を備えた材料から構成され、かかる材料として例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の炭素繊維よりなる多孔性材料が挙げられる。また、かかる材料には、撥水性を向上させるために、撥水化処理を施してもよい。   The gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly is made of a material having conductivity and gas permeability, and examples of such a material include porous materials made of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. Moreover, in order to improve water repellency, this material may be subjected to water repellency treatment.

上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。
本発明の高分子電解質膜を用いた燃料電池は、耐久性に優れる。
A polymer electrolyte fuel obtained by inserting the membrane-electrode assembly obtained by the above-described method between a conductive separator material that also serves as a gas supply flow path to the electrode and the electrode chamber separation. A battery is obtained. The membrane-electrode assembly of the present invention uses a pure hydrogen type using hydrogen as a fuel gas, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and hydrogen obtained by reforming natural gas. Natural gas reforming type, gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, direct methanol type using methanol directly, etc. can be used as a membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells. is there.
The fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in durability.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by these Examples.

参考例1
ポリα−メチルスチレン(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(WO 02/40611号)と同様の方法で、ポリα−メチルスチレンb−ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下mSBmSと略記する)を合成した。得られたmSBmSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は76000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は55%、α−メチルスチレン単位の含有量は28.0質量%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したmSBmSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリα−メチルスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下mSEBmSと略記する)を得た。得られたmSEBmSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.3%であった。
Reference example 1
Production of block copolymer comprising poly α-methylstyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In the same manner as the previously reported method (WO 02/40611), A poly α-methylstyrene b-polybutadiene-b-poly α-methylstyrene type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSBmS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained mSBmS is 76000, the 1,4-bond amount determined from 1 H-NMR measurement is 55%, and the content of α-methylstyrene unit is 28.0. It was mass%. Further, it was found by composition analysis by 1 H-NMR spectrum measurement that α-methylstyrene was not substantially copolymerized in the polybutadiene block.
Prepare a synthesized cyclohexane solution of mSBmS, charge it into a pressure-resistant vessel that has been sufficiently purged with nitrogen, and then use a Ni / Al Ziegler-type hydrogenation catalyst for 5 hours at 80 ° C. in a hydrogen atmosphere. To obtain a poly α-methylstyrene-b-hydrogenated polybutadiene-b-polyα-methylstyrene type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSEBmS). The hydrogenation proportion of the resulting mSEBmS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.3%.

参考例2
ポリスチレン(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン672ml、THF1.4ml及びsec−ブチルリチウム(1.15M−シクロヘキサン溶液)1.73mlを仕込んだ後、スチレン16.0ml、ブタジエン114ml及びスチレン16.0mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させることにより、ポリスチレン−b−ポリブタジエン−b−ポリスチレン(以下SBSと略記する)を合成した。得られたSBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は76000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は55.0%、スチレン単位の含有量は29.0質量%であった。
合成したSBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリスチレン(以下SEBSと略記する)を得た。得られたSEBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.5%であった。
Reference example 2
Production of block copolymer consisting of polystyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In a 1400 mL autoclave, 672 ml of dehydrated cyclohexane, 1.4 ml of THF and sec-butyllithium (1.15 M) -Cyclohexane solution) 1.73 ml of styrene was charged, 16.0 ml of styrene, 114 ml of butadiene, and 16.0 ml of styrene were successively added and polymerized at 50 ° C. to obtain polystyrene-b-polybutadiene-b-polystyrene (hereinafter referred to as SBS). Abbreviated as). The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained SBS is 76000, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 55.0%, and the content of styrene units is 29.0 mass. %Met.
After preparing a cyclohexane solution of the synthesized SBS and charging it into a pressure-resistant vessel with sufficient nitrogen substitution, a hydrogenation reaction was performed at 80 ° C. for 5 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. To obtain polystyrene-b-hydrogenated polybutadiene-b-polystyrene (hereinafter abbreviated as SEBS). When the hydrogenation rate of the obtained SEBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.5%.

参考例3
ポリスチレン(重合体ブロック(A))とポリイソブチレン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(WO 98/14518号)に従い、ポリスチレン−b−ポリイソブチレン−b−ポリスチレントリブロック共重合体(以下SiBuSと略記する)を製造した。数平均分子量65300、スチレン単位の含有量29.0質量%のSiBuSを合成した。
Reference example 3
Production of block copolymer consisting of polystyrene (polymer block (A)) and polyisobutylene (polymer block (B))
A polystyrene-b-polyisobutylene-b-polystyrene triblock copolymer (hereinafter abbreviated as SiBuS) was produced according to a previously reported method (WO 98/14518). SiBuS having a number average molecular weight of 65,300 and a styrene unit content of 29.0% by mass was synthesized.

参考例4
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(A1))からなるブロック共重合体の製造
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン768ml及びsec−ブチルリチウム(1.0M−シクロヘキサン溶液)1.95mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン36.4ml、スチレン11.3ml、イソプレン107ml、スチレン11.3ml及び4−tert−ブチルスチレン36.4ml、を逐次添加し、50℃で逐次重合させることにより、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下tBSSIStBSと略記する)を合成した。得られたtBSSIStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は104000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は11.3質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は44.0質量%であった。
合成したtBSSIStBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において50℃で8時間水素添加反応を行い、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(tBSSEPStBS)を得た。得られたtBSSEPStBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.9%であった。
Reference example 4
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) 1400 mL autoclave Were charged with 768 ml of dehydrated cyclohexane and 1.95 ml of sec-butyllithium (1.0 M-cyclohexane solution), and then 36.4 ml of 4-tert-butylstyrene, 11.3 ml of styrene, 107 ml of isoprene, 11.3 ml and 4 of styrene. Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (36.4 ml of tert-butylstyrene was sequentially added and polymerized successively at 50 ° C. 4-tert-butylstyrene) (hereinafter tBS) Abbreviated as SIStBS). The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 104000, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 11.3 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 44.0% by mass.
A cyclohexane solution of synthesized tBSSIStBS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 50 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

参考例5
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(A1))からなるブロック共重合体の製造
1Lオートクレーブに、脱水シクロヘキサン578ml及びsec−ブチルリチウム(1.15M−シクロヘキサン溶液)1.78mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン32.2ml、スチレン13.5ml、イソプレン81.6ml、スチレン13.5ml及び4−tert−ブチルスチレン32.2mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させることにより、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(tBSSIStBS)を合成した。得られたtBSSIStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は103600であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は17.0質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は41.0質量%であった。
合成したtBSSIStBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において50℃で8時間水素添加反応を行い、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(tBSSEPStBS)を得た。得られたtBSSEPStBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.9%であった。
Reference Example 5
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) 1L autoclave To this, 578 ml of dehydrated cyclohexane and 1.78 ml of sec-butyllithium (1.15 M-cyclohexane solution) were charged, and then 32.2 ml of 4-tert-butylstyrene, 13.5 ml of styrene, 81.6 ml of isoprene, and 13.5 ml of styrene. And 32.2 ml of 4-tert-butylstyrene are successively added and polymerized successively at 50 ° C. to obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly. (4-tert-butylstyrene) (tBSSIStB S) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 103600, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 17.0 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 41.0% by mass.
A cyclohexane solution of synthesized tBSSIStBS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 50 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

参考例6
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(A1))からなるブロック共重合体の製造
1.4Lオートクレーブに、脱水シクロヘキサン768ml及びsec−ブチルリチウム(1.00M−シクロヘキサン溶液)2.70mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン50.5ml、スチレン16.5ml、イソプレン72.0ml、スチレン16.5ml及び4−tert−ブチルスチレン50.5mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させることにより、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(tBSSIStBS)を合成した。得られたtBSSIStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は80970であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は17.7質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は51.3質量%であった。
合成したtBSSIStBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において50℃で8時間水素添加反応を行い、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(tBSSEPStBS)を得た。得られたtBSSEPStBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.9%であった。
Reference Example 6
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)). A 4 L autoclave was charged with 768 ml of dehydrated cyclohexane and 2.70 ml of sec-butyllithium (1.00 M-cyclohexane solution), and then 50.5 ml of 4-tert-butylstyrene, 16.5 ml of styrene, 72.0 ml of isoprene, 16 Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene-b by sequentially adding 5 ml and 50.5 ml of 4-tert-butylstyrene and polymerizing sequentially at 50 ° C. -Poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSIS tBS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 80970, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 17.7 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 51.3% by mass.
A cyclohexane solution of synthesized tBSSIStBS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 50 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

実施例1
(1)スルホン化mSEBmSの合成
参考例1で得られたブロック共重合体(mSEBmS)70gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン563mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン38.7ml中、0℃にて無水酢酸20.0mlと硫酸8.84mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて5時間攪拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、攪拌下、1.2Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.2L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化mSEBmSを得た。得られたスルホン化mSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から51.5mol%、イオン交換容量は1.06meq/gであった。
Example 1
(1) Synthesis of sulfonated mSEBmS 70 g of the block copolymer (mSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, and then 563 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 20.0 ml of acetic anhydride and 8.84 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 38.7 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 5 hours, 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.2 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution with stirring to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.2 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the polymer collected at the end was vacuum-dried to obtain sulfonated mSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated mSEBmS was 51.5 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.06 meq / g.

(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化mSEBmSの16.5質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約300μmの厚みでコートし、25℃室温下で2時間乾燥させた後、30℃下の真空乾燥にて10時間、十分乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、共連続構造〜ラメラ構造を形成していることが確認できた。
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 16.5% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated mSEBmS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [ (Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”) was coated with a thickness of about 300 μm, dried at 25 ° C. for 2 hours, and then sufficiently dried by vacuum drying at 30 ° C. for 10 hours. A film having a thickness of 30 μm was obtained. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM) that the benzene ring was stained with ruthenium tetroxide to form a co-continuous structure to a lamellar structure.

(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Pt−Ru合金触媒担持カーボンに、Nafionの10質量%水分散液を、カーボンとNafionとの質量比が1:1になるように添加混合し、ついでn−プロピルアルコールを、水/n−プロピルアルコールの質量比が1/1になるまで添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストをスプレー法にて、カーボンペーパーの片面に均一に塗布した。130℃で30分乾燥させ、アノード用の電極を作製した。また、Pt触媒担持カーボンに、Nafionの10質量%溶液を、カーボンとNafionとの質量比が1:0.75になるように添加混合し、ついでn−プロピルアルコールを、水/n−プロピルアルコールの質量比が1/1になるまで添加混合し、均一に分散されたペーストを調製し、アノード側と同様の方法にてカソード用電極を作製した。(2)で作製した燃料電池用電解質膜を、上記2種類の電極でそれぞれ膜と触媒面とが向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(130℃、20kg/cm、8min)により膜−電極接合体を作製した。ついで作製した膜−電極接合体を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 10% by mass aqueous dispersion of Nafion is added to and mixed with Pt-Ru alloy catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of carbon to Nafion is 1: 1, and then n-propyl alcohol is added to water / n-propyl. The mixture was added and mixed until the alcohol mass ratio became 1/1 to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was uniformly applied to one side of the carbon paper by a spray method. The electrode for anode was produced by drying at 130 ° C. for 30 minutes. Further, a 10% by mass solution of Nafion was added to and mixed with Pt catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of carbon to Nafion was 1: 0.75, and then n-propyl alcohol was added to water / n-propyl alcohol. Was added and mixed until the mass ratio became 1/1, to prepare a uniformly dispersed paste, and a cathode electrode was produced in the same manner as the anode side. The fuel cell electrolyte membrane prepared in (2) is sandwiched between the two kinds of electrodes so that the membrane and the catalyst surface face each other, and the outside is sandwiched in sequence between two heat-resistant films and two stainless steel plates, A membrane-electrode assembly was produced by hot pressing (130 ° C., 20 kg / cm 2 , 8 min). Next, the membrane-electrode assembly produced is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside is sandwiched between two current collector plates and two clamping plates. An evaluation cell for a molecular fuel cell was produced.

実施例2
(1)スルホン化SEBSの合成
塩化メチレン29.6ml中、0℃にて無水酢酸14.8mlと硫酸6.62mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例2で得られたブロック共重合体(SEBS)50gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン670mlを加え、35℃にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を20分かけて徐々に滴下した。35℃にて8時間攪拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、1.3Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.3L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SEBSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から53.5mol%、イオン交換容量は1.32meq/gであった
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化SEBSの12.5質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約550μmの厚みでコートし、25℃室温下で2時間乾燥させた後、30℃下の真空乾燥にて10時間、十分乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、共連続構造〜ラメラ構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化SEBSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 2
(1) Synthesis of Sulfonated SEBS A sulfonating reagent was prepared by reacting 14.8 ml of acetic anhydride and 6.62 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 29.6 ml of methylene chloride. On the other hand, 50 g of the block copolymer (SEBS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer and then purged with nitrogen. And stirred for 4 hours to dissolve. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 8 hours, 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.3 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.3 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SEBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated SEBS was 53.5 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.32 meq / g. (2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 12.5% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated SEBS obtained in (1) was prepared, and a release-treated PET film [Toyobo Co., Ltd., “Toyobo Ester Film K1504 ]] Was coated at a thickness of about 550 μm, dried at 25 ° C. at room temperature for 2 hours, and then sufficiently dried by vacuum drying at 30 ° C. for 10 hours to obtain a film having a thickness of 30 μm. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM) that the benzene ring was stained with ruthenium tetroxide to form a co-continuous structure to a lamellar structure.
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated SEBS was used.

実施例3
(1)スルホン化SiBuSの合成
塩化メチレン41.1ml中、0℃にて無水酢酸20.5mlと硫酸9.18mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例2で得られたブロック共重合体(SiBuS)60gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン597mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を20分かけて徐々に滴下した。35℃にて4時間攪拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、1.3Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.3L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SEBSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から40.0mol%、イオン交換容量は1.00meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化SiBuSの26質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約200μmの厚みでコートし、25℃室温下で2時間乾燥させた後、30℃下の真空乾燥にて10時間、十分乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、共連続構造〜ラメラ構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化SiBuSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 3
(1) Synthesis of Sulfonated SiBuS A sulfonating reagent was prepared by reacting 20.5 ml of acetic anhydride and 9.18 ml of sulfuric acid in 41.1 ml of methylene chloride at 0 ° C. On the other hand, 60 g of the block copolymer (SiBuS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. Then, 597 ml of methylene chloride was added and the temperature was increased to 35 ° C. And stirred for 2 hours to dissolve. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 4 hours, 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.3 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.3 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SEBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated SEBS was 40.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.00 meq / g.
(2) Preparation of Fuel Cell Electrolyte Membrane A 26 mass% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated SiBuS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) "Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd.], coated at a thickness of about 200 μm, dried at room temperature at 25 ° C for 2 hours, and then sufficiently dried by vacuum drying at 30 ° C for 10 hours. A film having a thickness of 30 μm was obtained. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM) that the benzene ring was stained with ruthenium tetroxide to form a co-continuous structure to a lamellar structure.
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated SiBuS was used.

実施例4
(1)スルホン化tBSSEPStBSの合成
塩化メチレン21.3ml中、0℃にて無水酢酸10.7mlと硫酸4.77mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例3で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)20gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン289mlを加え、室温25℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を20分かけて徐々に滴下した。室温25℃にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を5ml添加した。その後、0.6Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を0.6L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から100mol%、イオン交換容量は1.00meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化tBSSEPStBSの20質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約250μmの厚みでコートし、80℃室温下で4分乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したもの、及び酢酸鉛でスルホン酸基を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、ダブルシリンダー構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化tBSSEPStBSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 4
(1) Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS A sulfonating reagent was prepared by reacting 10.7 ml of acetic anhydride and 4.77 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 21.3 ml of methylene chloride. On the other hand, 20 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 3 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. Then, 289 ml of methylene chloride was added, and the room temperature was 25 ° C. And stirred for 2 hours to dissolve. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring for 72 hours at a room temperature of 25 ° C., 5 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 0.6 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 0.6 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 100 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.00 meq / g.
(2) Preparation of Fuel Cell Electrolyte Membrane A 20% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated tBSSEPStBS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) "Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd.] was coated at a thickness of about 250 µm, and dried at 80 ° C at room temperature for 4 minutes to obtain a membrane having a thickness of 30 µm. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, a double cylinder structure was formed by observation with a transmission electron microscope (TEM) of a benzene ring stained with ruthenium tetroxide and a sulfonic acid group stained with lead acetate. It was confirmed that
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated tBSSEPStBS was used.

実施例5
(1)スルホン化tBSSEPStBSの合成
塩化メチレン63.7ml中、0℃にて無水酢酸31.9mlと硫酸14.2mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例3で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)50gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン500mlを加え、室温25℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を20分かけて徐々に滴下した。室温25℃にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、1.0Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から99mol%、イオン交換容量は1.47meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化tBSSEPStBSの17質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約300μmの厚みでコートし、80℃室温下で4分乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したもの、及び酢酸鉛でスルホン酸基を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、ダブルシリンダー構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化tBSSEPStBSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 5
(1) Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS A sulfonating reagent was prepared by reacting 31.9 ml of acetic anhydride and 14.2 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 63.7 ml of methylene chloride. On the other hand, 50 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 3 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. And stirred for 2 hours to dissolve. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring for 72 hours at room temperature of 25 ° C., 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.0 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.0 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 99 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.47 meq / g.
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 17% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated tBSSEPStBS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) "Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd.] with a thickness of about 300 μm and dried at 80 ° C. for 4 minutes at room temperature to obtain a 30 μm thick film. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, a double cylinder structure was formed by observation with a transmission electron microscope (TEM) of a benzene ring stained with ruthenium tetroxide and a sulfonic acid group stained with lead acetate. It was confirmed that
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated tBSSEPStBS was used.

比較例1
(2)燃料電池用電解質膜の作製
実施例1の(1)で作成したスルホン化mSEBmSの3質量%のTHF/MeOH(質量比8/2)溶液を調製し、ポリテトラフルオロエチレンシート上に約1670μmの厚みでキャストし、室温で2日間乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、シリンダー〜共連続構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化mSEBmSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 1
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 3% by mass THF / MeOH (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated mSEBmS prepared in (1) of Example 1 was prepared and placed on a polytetrafluoroethylene sheet. The film was cast at a thickness of about 1670 μm and dried at room temperature for 2 days to obtain a film having a thickness of 50 μm. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed that a cylinder to a co-continuous structure was formed by observing a benzene ring stained with ruthenium tetroxide by transmission electron microscope (TEM).
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated mSEBmS was used.

比較例2
(2)燃料電池用電解質膜の作製
実施例2の(1)で作成したスルホン化SEBSを用いた以外は、比較例1の(2)と同様の方法で厚さ50μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、シリンダー〜共連続構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化SEBSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 2
(2) Production of Fuel Cell Electrolyte Membrane A membrane having a thickness of 50 μm was obtained by the same method as (2) of Comparative Example 1 except that the sulfonated SEBS produced in (1) of Example 2 was used. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed that a cylinder to a co-continuous structure was formed by observing a benzene ring stained with ruthenium tetroxide by transmission electron microscope (TEM).
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated SEBS was used.

比較例3
(2)燃料電池用電解質膜の作製
実施例3の(1)で作成したスルホン化SiBuSを用いた以外は、比較例1の(2)と同様の方法で厚さ50μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、シリンダー〜共連続構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化SiBuSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 3
(2) Preparation of Fuel Cell Electrolyte Membrane A membrane having a thickness of 50 μm was obtained by the same method as (2) of Comparative Example 1 except that the sulfonated SiBuS prepared in (1) of Example 3 was used. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed that a cylinder to a co-continuous structure was formed by observing a benzene ring stained with ruthenium tetroxide by transmission electron microscope (TEM).
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated SiBuS was used.

比較例4
(1)スルホン化tBSSEPStBSの合成
塩化メチレン37.5ml中、0℃にて無水酢酸18.8mlと硫酸8.39mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例5で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)30gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン360mlを加え、室温25℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を20分かけて徐々に滴下した。室温25℃にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、0.8Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を0.8L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から99mol%、イオン交換容量は1.49meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化tBSSEPStBSの25質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約200μmの厚みでコートし、80℃室温下で4分乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜の相構造に関しては、四酸化ルテニウムにてベンゼン環を染色したもの、及び酢酸鉛でスルホン酸基を染色したものの透過型電子顕微鏡(TEM)観察により、ダブルシリンダー構造を形成していることが確認できた。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記スルホン化tBSSEPStBSを用いる以外実施例1(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 4
(1) Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS A sulfonating reagent was prepared by reacting 18.8 ml of acetic anhydride and 8.39 ml of sulfuric acid in 37.5 ml of methylene chloride at 0 ° C. On the other hand, 30 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 5 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. Then, 360 ml of methylene chloride was added, and the room temperature was 25 ° C. And stirred for 2 hours to dissolve. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring for 72 hours at room temperature of 25 ° C., 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 0.8 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 0.8 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 99 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.49 meq / g.
(2) Preparation of Fuel Cell Electrolyte Membrane A 25% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated tBSSEPStBS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) "Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd.] was coated at a thickness of about 200 µm and dried at 80 ° C for 4 minutes at room temperature to obtain a 30 µm thick membrane. Regarding the phase structure of the obtained electrolyte membrane, a double cylinder structure was formed by observation with a transmission electron microscope (TEM) of a benzene ring stained with ruthenium tetroxide and a sulfonic acid group stained with lead acetate. It was confirmed that
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 (3) except that the sulfonated tBSSEPStBS was used.

実施例及び比較例の高分子膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
以下の1)〜3)の試験において試料としては各実施例又は比較例で得られたスルホン化ブロック共重合体から調製した膜を使用した。
1)イオン交換容量の測定
試料を密閉できるガラス容器中に秤量(a(g))し、そこに過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を、フェノールフタレイン液を指示薬とし、0.01NのNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(b(ml))した。イオン交換容量は、次式により求めた。
イオン交換容量=(0.01×b×f)/a
2)プロトン伝導度測定
1cm×4cmの試料を一対の金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを温度40℃の水中に設置し、交流インピーダンス法によりプロトン伝導度を測定した。
3)膜強度測定
試料を狭い部分の幅が4.0mmのダンベル状に成形して、インストロンジャパン社製5566型引張試験機により、25℃、相対湿度50%、引張速度500mm/minの条件において破断強さ及び破断伸びを測定した。100%モジュラスは、間隔10mmの標線間が20mmに伸びた時の応力とした。
Performance Test of Polymer Membrane of Examples and Comparative Examples as Electrolyte Membrane for Solid Polymer Type Fuel Cell In the following tests 1) to 3), the sulfonated block obtained in each Example or Comparative Example was used as a sample. A membrane prepared from a polymer was used.
1) Measurement of ion exchange capacity A sample was weighed (a (g)) in a glass container capable of being sealed, and an excess amount of a saturated aqueous sodium chloride solution was added thereto and stirred overnight. Hydrogen chloride generated in the system was titrated (b (ml)) with a 0.01N NaOH standard aqueous solution (titer f) using a phenolphthalein solution as an indicator. The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity = (0.01 × b × f) / a
2) Measurement of proton conductivity A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of gold electrodes and attached to an open cell. The measurement cell was installed in water at a temperature of 40 ° C., and proton conductivity was measured by an AC impedance method.
3) Measurement of film strength A sample was molded into a dumbbell shape having a narrow width of 4.0 mm, and was subjected to conditions of 25 ° C., relative humidity of 50%, and tensile speed of 500 mm / min using an Instron Japan 5566 type tensile tester. The breaking strength and elongation at break were measured. The 100% modulus was defined as the stress when the distance between marked lines with an interval of 10 mm was extended to 20 mm.

4)燃料電池用単セルの発電試験
作成した固体高分子型燃料電池用単セルを用いた発電試験を実施した。
燃料に3M−MeOH水溶液を用い、酸化剤に酸素を用いた場合は、3M−MeOH水溶液の供給速度を0.87ml/min、酸素の供給速度を250ml/minの条件下、セル温度60℃にて試験した。
また、燃料に水素を用い、酸化剤には酸素を用いた場合は、水素の供給速度を250ml/min、相対湿度100%大気開放の条件下、酸素の供給速度を160ml/min、相対湿度100%大気開放の条件下、セル温度80℃にて試験した。
4) Power generation test of single cell for fuel cell A power generation test using the prepared single cell for polymer electrolyte fuel cell was conducted.
When 3M-MeOH aqueous solution is used as the fuel and oxygen is used as the oxidant, the cell temperature is set to 60 ° C. under the condition that the 3M-MeOH aqueous solution supply rate is 0.87 ml / min and the oxygen supply rate is 250 ml / min. And tested.
Further, when hydrogen is used as the fuel and oxygen is used as the oxidant, the supply rate of oxygen is 160 ml / min and the relative humidity is 100 under conditions of a hydrogen supply rate of 250 ml / min and a relative humidity of 100%. Tested at a cell temperature of 80 ° C. under the condition of% open to the atmosphere.

上記性能試験の結果を下記表1に示す。   The results of the performance test are shown in Table 1 below.

Figure 2010067526
Figure 2010067526

高分子電解質膜としての性能試験の結果
実施例1〜5並びに比較例1〜4で得られた固体高分子型燃料電池用単セルの発電試験を50時間実施した後、セルを解体し、MEAを取り出したところ、実施例1〜5については、膜と電極が剥離していなかったのに対し、比較例1〜3においてはモルフォロジーがシリンダー構造〜共連続構造であり破断強さが不十分であったこと、比較例4においては、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が本発明の範囲内になく、フレキシブルな重合体ブロック(B)の割合が小さいために、破断伸びが不十分であったことから、膜と電極が剥離しかけている部位が確認された。
上記から本発明の高分子電解質膜は、発電試験における耐久性に優れると言える。
As a result of the performance test as a polymer electrolyte membrane, the power generation test of the single cells for polymer electrolyte fuel cells obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 was carried out for 50 hours, the cell was disassembled, and the MEA In Examples 1-5, the film and the electrode were not peeled, whereas in Comparative Examples 1-3, the morphology was a cylinder structure to a co-continuous structure, and the breaking strength was insufficient. In Comparative Example 4, the mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is not within the scope of the present invention, and the proportion of the flexible polymer block (B) is small. Since the elongation at break was insufficient, a site where the membrane and the electrode were about to peel was confirmed.
From the above, it can be said that the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in durability in a power generation test.

Claims (12)

芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とし、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が65:35〜10:90であり、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有するブロック共重合体を主成分として含有し、25℃下、引張速度が500mm/分の条件での引張試験における100%モジュラスが15MPa以下であり、破断強さが15MPa以上であり、且つ破断伸びが300%以上であることを特徴とする固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer block (A) and the flexible polymer block (B) having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit are constituent components, and the mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is 65:35 to 10:90, containing a block copolymer having an ion conductive group in the polymer block (A) as a main component, and a tensile test at 25 ° C. and a tensile speed of 500 mm / min. The polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is characterized by having a 100% modulus of 15 MPa or less, a breaking strength of 15 MPa or more, and a breaking elongation of 300% or more. 重合体ブロック(A)が、実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)とイオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)からなる請求項1記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polymer block (A) comprises a constraining block (A1) having substantially no ion conductive group and an ion conductive block (A2) having an ion conductive group. 重合体ブロック(A)において、実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)が、下記の一般式(I)
Figure 2010067526
(式中、Rは水素原子、炭素数1〜4のアルキル基であり、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表すが、少なくとも1つは炭素数1〜8のアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから成り、イオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)が下記の一般式(II)
Figure 2010067526
(式中、Arは1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基を表し、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基又は1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから成る請求項2記載の電解質膜
In the polymer block (A), the constraining block (A1) having substantially no ion conductive group is represented by the following general formula (I):
Figure 2010067526
(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, but at least one of them is carbon. An ion conductive block (A2) having an ion conductive group is represented by the following general formula: (II)
Figure 2010067526
(In the formula, Ar 1 represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have 1 to 3 substituents, and R 5 represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or 1 to 3). 3. The electrolyte membrane according to claim 2, comprising a polymer block having as a main repeating unit an aromatic vinyl-based compound unit represented by the following formula: an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have one substituent.
ブロック共重合体の重合体ブロック(A1)と重合体ブロック(A2)との質量比が95:5〜20:80である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein a mass ratio of the polymer block (A1) and the polymer block (A2) of the block copolymer is 95: 5 to 20:80. フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、並びに炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜。   The flexible polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and carbon. A conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bond has been hydrogenated, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and carbon The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, which is a polymer block composed of at least one repeating unit selected from the group consisting of conjugated cycloalkadiene units of formula 5-8. フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解質膜。   The flexible polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated. The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated diene units. イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基である請求項1〜6のいずれか1項に記載の電解質膜。 (Wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) ion-conducting group is -SO 3 M or -PO 3 HM to any one of claims 1 to 6, a group represented by The electrolyte membrane described. ブロック共重合体のイオン交換容量が、0.30meq/g以上である請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein an ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more. 該電解質を、有機溶媒に溶解させた後、基板上に製膜、乾燥することにより、該電解質膜を作成することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電解質膜の製造方法。   The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrolyte membrane is prepared by dissolving the electrolyte in an organic solvent, and then forming the membrane on a substrate and drying it. Production method. 該有機溶媒が、脂肪族炭化水素とアルコールの混合溶媒からなることを特徴とする請求項9に記載の電解質膜の製造方法。   10. The method for producing an electrolyte membrane according to claim 9, wherein the organic solvent is a mixed solvent of an aliphatic hydrocarbon and an alcohol. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の電解質膜を使用した膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane of any one of Claims 1-8. 請求項11記載の膜−電極接合体を使用した固体高分子型燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 11.
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