JP2010129292A - Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, and its utilization - Google Patents

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崇泰 宮原
Soichi Matsuno
宗一 松野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte for a fuel cell useful for constituting a polymer electrolyte fuel cell and having high conductivity in a low humidification condition. <P>SOLUTION: Ratio λ (antifreeze water) of the number of water molecules existing as the antifreeze water in a polymer electrolyte in a moisture state and the number of ion exchange groups satisfies relational expression 1. [Relational expression 1]: 25.00>λ(antifreeze water)>1.00. Wherein, λ(antifreeze water) is given by dividing the number of water molecules existing as antifreeze water by the number of ion exchange groups. The polymer electrolyte fuel cell constituted with a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte or a polymer electrolyte composite has high characteristics. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる高分子電解質、高分子電解質膜、またそれによって構成される膜/電極接合体、燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte used in a solid polymer fuel cell, a polymer electrolyte membrane, a membrane / electrode assembly formed thereby, and a fuel cell.

近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。それに対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な部材の一つが電解質である。その電解質からなる燃料と酸化剤とを隔てる電解質膜としては、これまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。   In recent years, development of highly efficient and clean energy sources has been demanded from the viewpoint of environmental problems such as global warming. Fuel cells are attracting attention as one candidate for this. A fuel cell directly supplies power by supplying a fuel such as hydrogen gas or methanol and an oxidant such as oxygen to electrodes separated by an electrolyte, while oxidizing the fuel on the one hand and reducing the oxidant on the other. is there. Among the fuel cell materials described above, one of the most important members is an electrolyte. Various types of electrolyte membranes have been developed so far to separate the electrolyte fuel and oxidant, and in recent years, the electrolyte membrane is composed of a polymer compound containing a proton conductive functional group such as a sulfonic acid group. The development of polymer electrolytes is thriving. In addition to the solid polymer fuel cell, such a polymer electrolyte is used as a raw material for electrochemical elements such as a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display element. Among these polymer electrolyte utilization methods, in particular, polymer electrolyte fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. For example, a polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane made of a polymer compound having a proton-conducting functional group has features such as operation at a low temperature and reduction in size and weight. Application to consumer cogeneration systems and consumer small portable devices is under consideration.

ここで、固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、1950年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。しかしながらナフィオン(登録商標)は、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。また、電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。またその構造上、プロトン伝導基であるスルホン酸基の導入については限界がある。   Here, as the electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell, there is a styrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s, but it has poor stability in the fuel cell operating environment and has a sufficient life. No fuel cell has been produced. On the other hand, as an electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid membranes are said to have high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, Nafion (registered trademark) has a drawback that it is very expensive because of the high raw materials used and the complicated manufacturing process. In addition, it has been pointed out that it is deteriorated by hydrogen peroxide generated by the electrode reaction and by-product hydroxy radical. Further, due to its structure, there is a limit to the introduction of sulfonic acid groups that are proton conductive groups.

このような背景から、再び炭化水素系電解質膜の開発が期待されるようになってきた。その理由としては、炭化水素系電解質膜は化学構造の多様性を持たせやすく、スルホン酸基などのプロトン伝導基の導入の範囲が広く調整できる、他の材料との複合化、架橋の導入などが比較的容易であるという特徴があるからである。なかでも、主鎖にポリエーテルフェニレン構造を持つものは、溶媒溶解性、重合の容易性などから種々検討されてきた。   Against this background, the development of hydrocarbon electrolyte membranes has come to be expected. The reason for this is that the hydrocarbon electrolyte membrane is easy to have a variety of chemical structures, the range of introduction of proton conducting groups such as sulfonic acid groups can be adjusted widely, compounding with other materials, introduction of crosslinking, etc. This is because there is a feature that is relatively easy. Among these, those having a polyether phenylene structure in the main chain have been variously studied from the standpoint of solvent solubility and ease of polymerization.

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

また特許文献1ではポリ(2,6−ジメチルフェニレンオキシド)構造を持ち、高イオン交換容量のイオン性基を有するポリマーを、フッ素系ポリマーと複合化し、相溶させた高分子電解質膜を得ている。相溶化の程度を高めることでイオン性基を疎水性非架橋ポリマーで拘束し、メタノールクロスオーバーが低減したと考察されている。しかしこの高分子電解質として用いているポリ(2,6−ジメチルフェニレンオキシド)のベンジル位炭素の化学的不安定による分解や変質など長期の耐久性に問題があった。   In Patent Document 1, a polymer electrolyte membrane having a poly (2,6-dimethylphenylene oxide) structure and having a high ion exchange capacity ionic group is combined with a fluorine-based polymer to obtain a compatible polymer electrolyte membrane. Yes. It is considered that by increasing the degree of compatibilization, the ionic group was constrained by a hydrophobic non-crosslinked polymer and methanol crossover was reduced. However, poly (2,6-dimethylphenylene oxide) used as the polymer electrolyte has a problem in long-term durability such as decomposition and alteration due to chemical instability of benzylic carbon.

特許文献2ではポリエーテルからなる高分子電解質では不十分な、薄膜形成能や耐溶剤性を補うためにポリイミド構造を導入している。一方で加水分解性が問題となるポリイミドの性質を克服するために、高分子電解質中のスルホン酸基をポリイミド構造から離れた側鎖の先に持たせる工夫をしている。しかしイミド環構造が潜在的に加水分解性を有しており、そのイミド環構造を高分子電解質の主鎖に有していることから、高分子電解質の低分子化が想定され、やはり長期の耐久性が懸念される。
New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 796−785 特開2004−319442号公報 特開2006−265496号公報
In Patent Document 2, a polyimide structure is introduced to supplement thin film forming ability and solvent resistance, which are insufficient with a polymer electrolyte made of polyether. On the other hand, in order to overcome the property of polyimide, where hydrolyzability is a problem, a contrivance is made to have a sulfonic acid group in the polymer electrolyte at the end of the side chain away from the polyimide structure. However, since the imide ring structure is potentially hydrolyzable and has the imide ring structure in the main chain of the polyelectrolyte, it is assumed that the polyelectrolyte will have a low molecular weight. There is concern about durability.
New Materials For Fuel Cell And Modern Battery Systems II 794-785 JP 2004-319442 A JP 2006-265496 A

本発明の目的は、上記問題を鑑みてなされたものであり、固体高分子形燃料電池の高分子電解質膜として有用な高分子電解質を提供することである。つまり、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利なスルホン酸基を持ち、含水状態において膜内に一定量の水を不凍水として存在させ、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質、またそれを用いた高分子電解質膜を提供することである。   The object of the present invention is to provide a polymer electrolyte useful as a polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell. In other words, it is a hydrocarbon-based material that is inexpensive and has a wide variety of chemical structures, has sulfonic acid groups that are advantageous for conductivity, especially in low water conditions, and has a certain amount of water in the membrane in the water-containing state. To provide a polymer electrolyte having excellent proton conductivity and a polymer electrolyte membrane using the polymer electrolyte.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、
含水状態において高分子電解質内に不凍水として存在する水分子の数とイオン交換基の数の比λ(不凍水)が関係式1を満たすことを特徴とする、スルホン酸基を有する高分子電解質が、プロトン伝導度、特に水分の少ない状況におけるプロトン伝導度が優れていることを発見し、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質を提供できることを見出し、本願発明を完成させるに至った。本発明は、かかる新規知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を包含する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors,
The ratio of the number of water molecules present in the polymer electrolyte as antifreeze water to the number of ion-exchange groups λ (antifreeze water) in the water-containing state satisfies the relational expression 1; We discovered that molecular electrolytes have excellent proton conductivity, especially in low water conditions, and are inexpensive hydrocarbon materials with diverse chemical structures that have excellent proton conductivity. The present inventors have found that a polymer electrolyte can be provided and have completed the present invention. The present invention has been completed based on such novel findings, and includes the following inventions.

〔関係式1〕
25.00>λ(不凍水)>1.00
(ただしλ(不凍水)は、不凍水として存在する水分子の数÷イオン交換基の数である。)
[Relational expression 1]
25.00> λ (non-freezing water)> 1.00
(However, λ (antifreeze water) is the number of water molecules present as antifreeze water divided by the number of ion exchange groups.)

本発明は、具体的には以下の通り、
(1)本発明の第1は、含水状態において高分子電解質内に不凍水として存在する水分子の数とイオン交換基の数の比λ(不凍水)が関係式1を満たすことを特徴とする、スルホン酸基を有する高分子電解質である。
The present invention is specifically as follows:
(1) The first aspect of the present invention is that the ratio λ (antifreeze water) of the number of water molecules present in the polymer electrolyte as antifreeze water and the number of ion exchange groups in the water-containing state satisfies the relational expression 1. A feature is a polymer electrolyte having a sulfonic acid group.

〔関係式1〕
25.00>λ(不凍水)>1.00
(ただしλ(不凍水)は、不凍水として存在する水分子の数÷イオン交換基の数である。)
[Relational expression 1]
25.00> λ (non-freezing water)> 1.00
(However, λ (antifreeze water) is the number of water molecules present as antifreeze water divided by the number of ion exchange groups.)

(2)本発明の第2は、下記式(1)〜(4)からなる群より選択される1種以上の構造を有する高分子のスルホン化により得られることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質である。   (2) A second aspect of the present invention is obtained by sulfonation of a polymer having at least one structure selected from the group consisting of the following formulas (1) to (4): The polymer electrolyte described.

Figure 2010129292
(式中、X1は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−、から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar1は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar1の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換気を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(Wherein X 1 is a linking group or a direct bond selected from —O—, —S—, —NH—, —CO—, —SO 2 —, and Ar 1 has 0 to 4 substituents. It is a hydrocarbon aromatic ring or an aromatic heterocycle containing any one of oxygen, sulfur, and nitrogen, and the substituent for Ar 1 has an alkyl group, an alkoxy group, and a substituent. And when there are a plurality of aryl groups having 6 to 30 carbon atoms, ketone groups, sulfone groups, fluorine, chlorine and bromine, they may be the same or different, and n represents an integer.)

Figure 2010129292
(式中、X1、Ar1は前記と同様である。X2は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar2は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar2の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(Wherein, X 1 and Ar 1 are the same as described above. X 2 is a linking group selected from —O—, —S—, —NH—, —CO— and —SO 2 — or a direct bond. Ar 2 has 0 to 4 substituents, a hydrocarbon aromatic ring or oxygen, sulfur, Examples of the substituent of .Ar 2 is aromatic heterocycle containing any atom of the nitrogen group , An alkoxy group, an optionally substituted aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a ketone group, a sulfone group, fluorine, chlorine and bromine, which may be the same as or different from each other. Good, n represents an integer.)

Figure 2010129292
(式中、X1、X2、Ar1、Ar2は前記と同様である。X3は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar3は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar3の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(Wherein X 1 , X 2 , Ar 1 and Ar 2 are the same as described above. X 3 is a linking group selected from —O—, —S—, —NH—, —CO— and —SO 2 —. Alternatively .Ar 3 is a direct bond has 0 to 4 substituents, a hydrocarbon aromatic ring or oxygen, sulfur, the .Ar 3 is aromatic heterocycle containing any atom of the nitrogen The substituent is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent, a ketone group, a sulfone group, fluorine, chlorine, or bromine. Or n may be different. N represents an integer.)

Figure 2010129292
(式中、X1、X2、X3、Ar1、Ar2、Ar3は前記と同様である。X4は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar4は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar4の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(Wherein X 1 , X 2 , X 3 , Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 are the same as described above. X 4 is —O—, —S—, —NH—, —CO—, —SO 2. Ar 4 is a hydrocarbon aromatic ring having 0 to 4 substituents or an aromatic hetero ring containing any one of oxygen, sulfur, and nitrogen atoms. Ar 4 substituents are alkyl groups, alkoxy groups, optionally substituted aryl groups having 6 to 30 carbon atoms, ketone groups, sulfone groups, fluorine, chlorine, bromine, and a plurality of them. In this case, they may be the same or different from each other, and n represents an integer.)

(3)本発明の第3は、親水性セグメントと疎水性セグメントを同一分子内に有する(1)または(2)に記載の高分子電解質である。   (3) A third aspect of the present invention is the polymer electrolyte according to (1) or (2), which has a hydrophilic segment and a hydrophobic segment in the same molecule.

(4)本発明の第4は、親水性セグメントのイオン交換容量が1.0〜8.5meq/gである(1)〜(3)のいずれかに記載の高分子電解質である。   (4) A fourth aspect of the present invention is the polymer electrolyte according to any one of (1) to (3), wherein the hydrophilic segment has an ion exchange capacity of 1.0 to 8.5 meq / g.

(5)本発明の第5は、2種以上のモノマーからなる高分子であり、高分子の最小繰り返し単位あたりのスルホン酸基導入量が異なる部位を有する(1)または(2)に記載の高分子電解質である。   (5) A fifth aspect of the present invention is a polymer composed of two or more types of monomers, and has a site where the introduction amount of sulfonic acid groups per minimum repeating unit of the polymer is different from (1) or (2) It is a polymer electrolyte.

(6)本発明の第6は、イオン交換容量が1.0〜8.5meq/gである(5)に記載の高分子電解質である。   (6) A sixth aspect of the present invention is the polymer electrolyte according to (5), which has an ion exchange capacity of 1.0 to 8.5 meq / g.

(7)本発明の第7は、(1)〜(6)のいずれかに記載の高分子電解質を含む、高分子電解質膜である。   (7) 7th of this invention is a polymer electrolyte membrane containing the polymer electrolyte in any one of (1)-(6).

(8)本発明の第8は、(7)に記載の高分子電解質膜を含む、膜電極接合体である。   (8) An eighth aspect of the present invention is a membrane / electrode assembly including the polymer electrolyte membrane according to (7).

(9)本発明の第9は、(7)に記載の高分子電解質膜を含む、固体高分子形燃料電池である。   (9) A ninth aspect of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell including the polymer electrolyte membrane according to (7).

(10)本発明の第10は、(8)に記載の膜電極接合体を含む、固体高分子形燃料電池である。   (10) A tenth aspect of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly according to (8).

本発明の高分子電解質、高分子電解質膜を用いて膜/電極接合体、燃料電池を作製することにより、もとの電解質の優れた特性を活かした膜/電極接合体、燃料電池を作成することができる。つまり、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、プロトン伝導度、特に水分の少ない状況におけるプロトン伝導度に有利な不凍水とスルホン酸基のバランスのとれた高分子電解質、それを用い特に水分の少ない状況におけるプロトン伝導度の優れた高分子電解質膜を含むことにより、優れた特性の膜/電極接合体、燃料電池を得ることができる。   The membrane / electrode assembly and fuel cell utilizing the excellent characteristics of the original electrolyte are prepared by producing the membrane / electrode assembly and fuel cell using the polymer electrolyte and polymer electrolyte membrane of the present invention. be able to. In other words, it is an inexpensive hydrocarbon-based material with a variety of chemical structures, and is a polymer electrolyte with a good balance of antifreeze water and sulfonic acid groups that is advantageous for proton conductivity, especially proton conductivity in low water content conditions. By using such a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity in a state where moisture is particularly low, a membrane / electrode assembly and a fuel cell having excellent characteristics can be obtained.

本発明によれば、スルホン酸基を有する高分子電解質であって、含水状態において高分子電解質内に不凍水として存在する水分子の数とイオン交換基の数の比λ(不凍水)が関係式1を満たすことを特徴とする、スルホン酸基を有する高分子電解質を用いることにより、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質を提供することができる。   According to the present invention, a polymer electrolyte having a sulfonic acid group, which is a ratio λ (antifreeze water) between the number of water molecules present as antifreeze water in the polymer electrolyte in a water-containing state and the number of ion exchange groups By using a polymer electrolyte having a sulfonic acid group, characterized by satisfying the relational expression 1, it is a low-cost hydrocarbon-based material having a variety of chemical structures, and has a low conductivity and particularly low moisture content. It is possible to provide a polymer electrolyte having a high ion exchange capacity site advantageous in terms of conductivity and having excellent proton conductivity.

〔関係式1〕
25.00>λ(不凍水)>1.00
(ただしλ(不凍水)は、不凍水として存在する水分子の数÷イオン交換基の数である。)
[Relational expression 1]
25.00> λ (non-freezing water)> 1.00
(However, λ (antifreeze water) is the number of water molecules present as antifreeze water divided by the number of ion exchange groups.)

また、この高分子電解質を高分子電解質膜に用いることによって、安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質膜を得ることができる。   In addition, by using this polymer electrolyte for the polymer electrolyte membrane, it is an inexpensive hydrocarbon material with a variety of chemical structures, which is advantageous in terms of conductivity, particularly in low moisture conditions. A polymer electrolyte membrane having an exchange capacity site and excellent proton conductivity can be obtained.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。   An embodiment of the present invention will be described as follows. The present invention is not limited to the following description.

<1.本発明にかかる高分子電解質>
本発明の高分子電解質は親水性セグメントと疎水性セグメントからなる。ここで親水性セグメントとは実質的にスルホン化される部位あるいはスルホン酸基を有する部位であり、疎水性セグメントとは実質的にスルホン化されない部位あるいはスルホン酸基を有さない部位である。親水性セグメント、疎水性セグメントを有する高分子電解質の合成法は様々なものが適用可能であるが、2種以上のモノマーを用いる場合と、1種以上のモノマーと1種以上のオリゴマーあるいはポリマーを用いる場合と、2種以上のオリゴマーあるいはポリマーを用いる場合などがある。各セグメントはモノマー3分子以上あるいはオリゴマーあるいはポリマー1分子以上からなる。これらの高分子電解質は親水性セグメントと疎水性セグメントを共に主鎖に有するブロック共重合体からなる高分子電解質であるか、親水性セグメントと疎水性セグメントのいずれか一方を主鎖とし、もう一方を側鎖に有するグラフト共重合体からなる高分子電解質であるか、親水性セグメントと疎水性セグメントがランダムに多点で結合した高分子電解質である。これらセグメント間は結合助剤を用いて結合しても良い。ここで結合助剤とは電子吸引基を2つ以上有する芳香族化合物を指す。例えばヘキサフルオロベンゼン、デカフルオロビフェニル、ジフルオロジフェニルスルホン、ジフルオロベンゾフェノンなどが挙げられる。
<1. Polymer Electrolyte According to the Present Invention>
The polymer electrolyte of the present invention comprises a hydrophilic segment and a hydrophobic segment. Here, the hydrophilic segment is a site that is substantially sulfonated or has a sulfonic acid group, and the hydrophobic segment is a site that is not substantially sulfonated or a site that does not have a sulfonic acid group. Various methods for synthesizing a polyelectrolyte having a hydrophilic segment and a hydrophobic segment can be applied. When two or more monomers are used, one or more monomers and one or more oligomers or polymers are used. In some cases, two or more oligomers or polymers are used. Each segment consists of three or more monomers or one or more oligomers or polymers. These polyelectrolytes are polyelectrolytes composed of block copolymers having both a hydrophilic segment and a hydrophobic segment in the main chain, or one of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment as the main chain, and the other Is a polymer electrolyte made of a graft copolymer having a side chain, or a hydrophilic polymer and a hydrophobic segment randomly combined at multiple points. These segments may be bonded using a bonding aid. Here, the binding aid refers to an aromatic compound having two or more electron withdrawing groups. For example, hexafluorobenzene, decafluorobiphenyl, difluorodiphenyl sulfone, difluorobenzophenone and the like can be mentioned.

<1−1.親水性セグメントの製造方法>
本発明の高分子電解質に含まれる親水性セグメントとは実質的にスルホン化される部位あるいはスルホン酸基を有する部位である。スルホン化は硫酸、発煙硫酸、クロロスルホン酸などのスルホン化剤を用いて行うことができる。またスルホン化は高分子電解質の製造工程において適当な段階で行うことができる。スルホン酸基の導入工程はモノマー段階、オリゴマー或いはポリマー段階、疎水性セグメントとの共重合体化後のいずれか適切な時に行うことができる。
<1-1. Method for producing hydrophilic segment>
The hydrophilic segment contained in the polymer electrolyte of the present invention is a site that is substantially sulfonated or a site having a sulfonic acid group. Sulfonation can be carried out using a sulfonating agent such as sulfuric acid, fuming sulfuric acid and chlorosulfonic acid. The sulfonation can be performed at an appropriate stage in the production process of the polymer electrolyte. The step of introducing the sulfonic acid group can be performed at any suitable time after the monomer stage, the oligomer or polymer stage, and the copolymerization with the hydrophobic segment.

親水性セグメントの特徴は重合に用いるモノマー、オリゴマーあるいはポリマーにスルホン酸基、あるいはスルホン酸基誘導体、あるいは酸化処理などによりスルホン酸基へと変換可能なスルフィド結合、スルホキシド結合、スルホン結合などの硫黄含有部位を有するか、あるいは電子吸引性官能基を有さない芳香環を有する高分子をスルホン化してなる部位である。   Characteristic of hydrophilic segment is monomer, oligomer or polymer used for polymerization. Sulfuric acid group, sulfonic acid group derivative, or sulfur content such as sulfide bond, sulfoxide bond, sulfone bond that can be converted to sulfonic acid group by oxidation treatment. This is a site formed by sulfonating a polymer having an aromatic ring which has a site or does not have an electron-withdrawing functional group.

親水性セグメントはオリゴマー或いはポリマーを形成後に疎水性セグメントとの共重合体化を行ってもよく、親水性セグメントとなるモノマーを疎水性セグメントと共重合体化してもよい。   The hydrophilic segment may be copolymerized with the hydrophobic segment after forming the oligomer or polymer, and the monomer that becomes the hydrophilic segment may be copolymerized with the hydrophobic segment.

親水性セグメントの一般的な合成法としては様々な方法が可能であり、例えば酸化重合、重縮合などが挙げられる。酸化重合で合成されるものとしては例えばポリ(2,6ジメチルフェニレンオキシド)、PPPOなどが挙げられる。重縮合で合成されるものとしてはポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルエーテルスルホンなどが挙げられる。重縮合に用いるモノマーとして電子吸引基が2種以上混在するもの、電子供与基が2種以上混在するものの中から組み合わせを選択することにより様々なセグメントが合成可能である。一般的にはフッ素や塩素などのハロゲン原子により2ヶ所置換されたベンゾフェノン、あるいはジフェニルスルホンなどと、2ヶ所にフェノール性水酸基を有する化合物(以下ジオール1と略す)を組み合わることが多い。ジオール1の例としてはヒドロキノン、ビスフェノールA、ビスフェノールS、4,4´―ビフェニルジオールなどが挙げられる。これらのモノマーに予めスルホン酸基誘導体を導入していてもよい。   As a general method for synthesizing the hydrophilic segment, various methods are possible, and examples thereof include oxidative polymerization and polycondensation. Examples of those synthesized by oxidative polymerization include poly (2,6 dimethylphenylene oxide) and PPPO. Examples of those synthesized by polycondensation include polyetheretherketone and polyetherethersulfone. As a monomer used for polycondensation, various segments can be synthesized by selecting combinations from those in which two or more electron-withdrawing groups are mixed and those in which two or more electron-donating groups are mixed. In general, benzophenone substituted with two halogen atoms such as fluorine and chlorine, diphenylsulfone, and the like are often combined with a compound having a phenolic hydroxyl group at two positions (hereinafter abbreviated as diol 1). Examples of the diol 1 include hydroquinone, bisphenol A, bisphenol S, 4,4′-biphenyl diol, and the like. A sulfonic acid group derivative may be introduced into these monomers in advance.

<1−2.PPPOの製造方法>
本発明の親水性セグメント前駆体の一例としてPPPOの製造例を示す。PPPOはそれがポリマーである場合、重合法の一般的な方法(「新高分子実験学3 高分子の合成法・反応(2)縮合系高分子の合成」p.350−359、(1996)共立出版株式会社)などを適用することができる。電解質部位はスルホン酸基の導入を重合後に行ってもよく、スルホン酸基を有するモノマーの重合を行ってもよい。重合反応工程における重合触媒は反応条件により種々選択できる。ジクロロベンゼンなどの有機溶媒系であれば、1価の銅化合物とジアミンとの組み合わせた触媒が利用でき、1価の銅化合物としては例えば塩化銅(I)、臭化銅(I)、ヨウ化銅(I)などが列挙でき、ジアミンとしては例えばテトラメチルエチレンジアミン、テトラメチルブチレンジアミンなどが挙げられる。重合反応は酸素が存在する雰囲気が必要であるため酸素あるいは空気雰囲気下で行う。好ましくは酸素雰囲気下で行う。
<1-2. Production method of PPPO>
An example of the production of PPPO is shown as an example of the hydrophilic segment precursor of the present invention. When PPPO is a polymer, a general polymerization method (“New Polymer Experimental 3 Polymer Synthesis / Reaction (2) Synthesis of Condensed Polymer” p. 350-359, (1996) Kyoritsu Publishing Co., Ltd.) can be applied. The electrolyte site may be introduced after the polymerization of a sulfonic acid group, or a monomer having a sulfonic acid group may be polymerized. Various polymerization catalysts in the polymerization reaction step can be selected depending on the reaction conditions. In the case of an organic solvent system such as dichlorobenzene, a catalyst in which a monovalent copper compound and a diamine are combined can be used. Examples of the monovalent copper compound include copper (I) chloride, copper (I) bromide, and iodide. Copper (I) and the like can be listed, and examples of the diamine include tetramethylethylenediamine and tetramethylbutylenediamine. The polymerization reaction is performed in an oxygen or air atmosphere because an atmosphere in which oxygen is present is necessary. Preferably, it is performed in an oxygen atmosphere.

重合反応工程における溶媒としては重合を禁止するものでなければ特に制限は無く、カーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、1−メチル−2−ピロリドン(以下NMPと略す)等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール等)多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール等)ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル等)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、水等が列挙でき、中でも溶解度から1,2−ジクロロベンゼンやクロロベンゼンやニトロベンゼンやトルエンなどの芳香族系溶媒がポリマーの溶解性が高いため好ましい。なかでも1,2−ジクロロベンゼンが銅触媒の溶解性も高く好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。重合反応工程の反応温度は重合反応に応じて適宜設定すればよい。具体的には触媒の最適使用範囲の20℃〜200℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜150℃であり、さらに好ましくは50℃〜120℃である。この範囲よりも低温であれば副反応の割合が増加し、高温であれば酸素の溶解性が低下して重合が十分に進行しない。   The solvent in the polymerization reaction step is not particularly limited as long as polymerization is not prohibited, and carbonate compounds (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, 1-methyl-2-pyrrolidone) (Hereinafter abbreviated as NMP)), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, etc.), polyhydric alcohols (ethylene Glycol, propylene glycol, etc.) nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, etc.), esters (carboxylic acid esters, phosphate esters, phosphonate esters, etc.), aprotic polar substances ( Methyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), non-polar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), water, etc. Aromatic solvents such as chlorobenzene, nitrobenzene and toluene are preferred because of high polymer solubility. Of these, 1,2-dichlorobenzene is preferred because of its high solubility in copper catalysts. These may be used alone or in combination of two or more. What is necessary is just to set the reaction temperature of a polymerization reaction process suitably according to a polymerization reaction. Specifically, it may be set to 20 ° C. to 200 ° C. of the optimum use range of the catalyst, more preferably 40 ° C. to 150 ° C., further preferably 50 ° C. to 120 ° C. If the temperature is lower than this range, the rate of side reactions increases, and if the temperature is higher, the solubility of oxygen decreases and the polymerization does not proceed sufficiently.

本発明の重合反応工程に開始剤として水酸基を2つ有する化合物(以下ジオール2と略す)などを加えてもよく、例えば下記式(5)、(6)で表される化合物が挙げられる。また、ジオール2を加えて製造したものをテレケリックPPPOと表記する。   A compound having two hydroxyl groups (hereinafter abbreviated as diol 2) or the like as an initiator may be added to the polymerization reaction step of the present invention, and examples thereof include compounds represented by the following formulas (5) and (6). A product produced by adding diol 2 is referred to as telechelic PPPO.

Figure 2010129292

(式中、R1〜R4は−H、−CH3、−C65、−CF3、−C65、−F、−Cl、−Br、−Iのうちのいずれか。)
Figure 2010129292

(In the formula, R 1 to R 4 are any one of —H, —CH 3 , —C 6 H 5 , —CF 3 , —C 6 F 5 , —F, —Cl, —Br, and —I. )

Figure 2010129292

(式中、Xは単結合、−CH2−、−CF2−、−C(CH32−、−C(CF32−、−CO−、−SO2−のうちのいずれか。R1〜R8は−H、−CH3、−C65、−CF3、−C65、−F、−Cl、−Br、−Iのうちのいずれか。)なお、重量平均分子量は、500〜1,000,000が好ましい。
Figure 2010129292

(Wherein, X is a single bond, -CH 2 -, - CF 2 -, - C (CH 3) 2 -, - C (CF 3) 2 -, - CO -, - SO 2 - one of the R 1 to R 8 are any one of —H, —CH 3 , —C 6 H 5 , —CF 3 , —C 6 F 5 , —F, —Cl, —Br, and —I.) The weight average molecular weight is preferably 500 to 1,000,000.

重合反応工程では停止操作を行うことが好ましく、これは冷却、希釈、酸素の遮断、重合禁止剤の添加によって行うことができる。重合反応工程の後に生成した高分子を取り出してもよく。さらに精製工程を追加してもよい。   In the polymerization reaction step, it is preferable to perform a stopping operation, which can be performed by cooling, diluting, blocking oxygen, or adding a polymerization inhibitor. You may take out the polymer | macromolecule produced | generated after the polymerization reaction process. Further purification steps may be added.

<1−3.疎水性セグメントの製造方法>
本発明の高分子電解質に含まれる疎水性セグメントとは実質的にスルホン化されない部位あるいはスルホン酸基を有さない部位である。疎水性セグメントは親水性セグメントをスルホン化する際に実質的にスルホン化されない部位である。
<1-3. Method for producing hydrophobic segment>
The hydrophobic segment contained in the polymer electrolyte of the present invention is a site that is not substantially sulfonated or a site that does not have a sulfonic acid group. The hydrophobic segment is a site that is not substantially sulfonated when the hydrophilic segment is sulfonated.

疎水性セグメントの特徴はスルホン酸基、あるいはスルホン酸基へと誘導可能な置換基を有さない、あるいはスルホン酸基へと誘導可能な置換基を有する場合には誘導しない、あるいは親水性セグメントよりスルホン化速度が2倍以上遅い、あるいはスルホン化される部位が少ないなどスルホン化工程において実質的にスルホン化されない部位であればよく、例えば電子吸引性官能基を有する芳香環を主成分とする部位である。   The characteristic of the hydrophobic segment is that it does not have a sulfonic acid group or a substituent that can be derived to a sulfonic acid group, or has no substituent that can be derived to a sulfonic acid group. Any site that is substantially not sulfonated in the sulfonation process, such as a sulfonation rate that is twice or more slower, or few sites to be sulfonated, such as a site mainly composed of an aromatic ring having an electron-withdrawing functional group It is.

疎水性セグメントはオリゴマー或いはポリマーを形成後に親水性セグメントとの共重合体化を行ってもよく、疎水性セグメントをモノマーから作りながら親水性セグメントと共重合体化を行ってもよい。   The hydrophobic segment may be copolymerized with the hydrophilic segment after forming the oligomer or polymer, or may be copolymerized with the hydrophilic segment while forming the hydrophobic segment from the monomer.

疎水性セグメントの一般的な合成法も前記親水性セグメントと同様の方法で合成が可能であり、例えばポリ(エーテルケトン)、ポリ(エーテルスルホン)(以下PESと略す)などが挙げられる。重縮合に用いるモノマーの組み合わせにより電子吸引基が2種以上混在するもの、電子供与基が2種以上混在するものなど様々なセグメントが合成可能である。一般的にはフッ素や塩素などのハロゲン原子により2ヶ所置換されたベンゾフェノン、あるいはジフェニルスルホンなどと、2ヶ所にフェノール性水酸基を有し、且つ一部に電子吸引基を有する化合物(以下ジオール3と略す)を組み合わることが多い。ジオール3の例としては4,4´−ジヒドロキシベンゾフェノン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパンなどが挙げられる。   A general method for synthesizing the hydrophobic segment can also be synthesized in the same manner as the hydrophilic segment, and examples thereof include poly (ether ketone), poly (ether sulfone) (hereinafter abbreviated as PES), and the like. Depending on the combination of monomers used for polycondensation, various segments such as those in which two or more electron-withdrawing groups are mixed and those in which two or more electron-donating groups are mixed can be synthesized. In general, benzophenone substituted with two halogen atoms such as fluorine and chlorine, or diphenyl sulfone, etc., a compound having a phenolic hydroxyl group at two locations and an electron withdrawing group in part (hereinafter referred to as diol 3) Abbreviated). Examples of the diol 3 include 4,4′-dihydroxybenzophenone, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, and the like.

<1−4.PESの製造方法>
本発明の親水性セグメント前駆体の一例としてPESの製造例を示す。PESはそれがポリマーである場合、重合法の一般的な方法(「新高分子実験学3 高分子の合成法・反応(2)縮合系高分子の合成」p.7−24、(1996)共立出版株式会社)などを適用することができる。重合反応は酸素があまり存在しない雰囲気で行うことが好ましく、不活性ガス雰囲気、たとえば窒素ガス雰囲気下やアルゴンガス雰囲気下で行うのが好ましい。重合反応工程における溶媒としては重合を禁止するものでなければ特に制限は無く、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(以下DMIと略す)、1−メチル−2−ピロリドン(以下NMPと略す)等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、水等が列挙でき、中でも重合反応温度、モノマーおよびポリマー溶解度からジメチルアセトアミドやジメチルイミダゾリジノンなどのアミド系溶媒が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。塩基としては安価であるため炭酸カリウムを用いることが多いが、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸セシウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどを用いることができる。
<1-4. Manufacturing method of PES>
An example of production of PES is shown as an example of the hydrophilic segment precursor of the present invention. When PES is a polymer, PES is a general method of polymerization ("New Polymer Experimental 3 Polymer Synthesis / Reaction (2) Condensed Polymer Synthesis" p.7-24, (1996) Kyoritsu Publishing Co., Ltd.) can be applied. The polymerization reaction is preferably performed in an atmosphere that does not contain much oxygen, and is preferably performed in an inert gas atmosphere, such as a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere. The solvent in the polymerization reaction step is not particularly limited as long as polymerization is not prohibited, and heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (hereinafter abbreviated as DMI), 1-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide, sulfolane) Dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), water, etc. Imidazolidinone What amide solvents are preferable. These may be used alone or in combination of two or more. As the base, potassium carbonate is often used because it is inexpensive, but sodium carbonate, calcium carbonate, magnesium carbonate, cesium carbonate, potassium hydroxide, sodium hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, and the like can be used.

重合反応工程の反応温度は重合反応に応じて適宜設定すればよい。具体的には20℃〜300℃に設定すればよく、より好ましくは60℃〜260℃であり、さらに好ましくは80℃〜200℃である。この範囲よりも低温であれば反応速度が著しく低下し、高温であればモノマーおよびポリマーの分解が進行する恐れがある。   What is necessary is just to set the reaction temperature of a polymerization reaction process suitably according to a polymerization reaction. Specifically, it may be set to 20 ° C to 300 ° C, more preferably 60 ° C to 260 ° C, and still more preferably 80 ° C to 200 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction rate is remarkably reduced, and if the temperature is higher, the decomposition of the monomer and polymer may proceed.

重合反応工程では停止操作を行うことが好ましく、これは冷却、希釈、重合禁止剤の添加によって行うことができる。重合反応工程の後に生成した高分子を取り出してもよく。さらに精製工程を追加してもよい。   In the polymerization reaction step, it is preferable to perform a stopping operation, which can be performed by cooling, diluting, or adding a polymerization inhibitor. You may take out the polymer | macromolecule produced | generated after the polymerization reaction process. Further purification steps may be added.

<1−5.ブロック共重合体の製造>
親水性セグメント、疎水性セグメントのいずれともオリゴマー化あるいはポリマー化した後に連結し、ブロック共重合体を得る方法と、いずれかをオリゴマー化あるいはポリマー化しておき、そこにもう一方のセグメント成分を加え重合することでブロック共重合体を得る方法がある。各セグメントの結合部位に連結剤を使用する方法もある。合成条件としては前記PPPOおよびPESの製造方法と同様の手法を適用することができる。いずれの場合も親水性セグメント、疎水性セグメントのいずれか少なくとも一方をオリゴマー化あるいはポリマー化しているものを用いる。共重合体化に用いるオリゴマーあるいはポリマーはそれらのうち少なくとも一方は末端にフッ素、塩素あるいはスルホン酸エステルなどを有し、また少なくとも一方は末端に水酸基、メルカプト基、アミノ基、あるいはそれらの金属塩を有することが好ましい。
<1-5. Production of block copolymer>
Either a hydrophilic segment or a hydrophobic segment is oligomerized or polymerized and then linked to obtain a block copolymer, and one of them is oligomerized or polymerized, and the other segment component is added thereto for polymerization. Thus, there is a method of obtaining a block copolymer. There is also a method of using a linking agent at the binding site of each segment. As the synthesis conditions, the same technique as that for the production method of PPPO and PES can be applied. In either case, a material obtained by oligomerizing or polymerizing at least one of a hydrophilic segment and a hydrophobic segment is used. At least one of the oligomers or polymers used for copolymerization has fluorine, chlorine or sulfonic acid ester at the terminal, and at least one of them has a hydroxyl group, mercapto group, amino group, or metal salt thereof at the terminal. It is preferable to have.

<1−6.高分子電解質前駆体のスルホン化方法>
スルホン化の工程におけるスルホン化剤としては例えば硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸などが挙げられ、中でも多くの場合クロロスルホン酸が適度な反応性を有しているため好ましい。スルホン化工程における溶媒としては反応を阻害するものでなければ特に制限は無く、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、スルホン酸類(メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸など)、硫酸、水が列挙でき、中でも溶解度からメチレンクロリドや1,2−ジクロロエタンなどの塩素系溶媒が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。スルホン化工程の反応温度は反応に応じて適宜設定すればよく、具体的にはスルホン化剤の最適使用範囲である−80℃〜200℃に設定すればよく、より好ましくは−50℃〜120℃であり、さらに好ましくは−20℃から80℃である。この範囲よりも低温であれば反応が遅く、高温であれば急激な反応が起こり目的とする部位以外にもスルホン化が進行してしまう恐れがある。
<1-6. Method for sulfonation of polymer electrolyte precursor>
Examples of the sulfonating agent in the sulfonation step include sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid and the like, and in many cases, chlorosulfonic acid is preferable because it has an appropriate reactivity. The solvent in the sulfonation step is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction. Cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), nonpolar solvents (toluene) , Xylene, etc.) Chlorine solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), sulfonic acids (methanesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, etc.), sulfuric acid, water can be listed, among which methylene chloride, 1,2-dichloroethane, etc. Chlorinated solvents are preferred. These may be used alone or in combination of two or more. What is necessary is just to set the reaction temperature of a sulfonation process suitably according to reaction, Specifically, what is necessary is just to set to -80 to 200 degreeC which is the optimal use range of a sulfonating agent, More preferably, it is -50 to 120 degreeC. ° C, more preferably -20 ° C to 80 ° C. If the temperature is lower than this range, the reaction is slow, and if the temperature is high, a rapid reaction occurs and sulfonation may proceed to other than the intended site.

<1−7.本発明における高分子電解質内に含まれるイオン交換基数>
本発明における高分子電解質内に含まれるイオン交換基数とはイオン交換容量測定より実験的に求めることができる、また高分子電解質作製時の理論的なイオン交換容量をから求めることもできる。好ましくは実験的にイオン交換容量を測定する。イオン交換容量の値は高分子電解質1グラムあたりに含まれるイオン交換基の数に等しいため、イオン交換容量の値は単位重量あたりのイオン交換基の数である。
<1-7. Number of ion-exchange groups contained in the polymer electrolyte in the present invention>
The number of ion exchange groups contained in the polymer electrolyte in the present invention can be determined experimentally by measuring the ion exchange capacity, and can also be determined from the theoretical ion exchange capacity at the time of preparing the polymer electrolyte. Preferably, the ion exchange capacity is measured experimentally. Since the value of ion exchange capacity is equal to the number of ion exchange groups contained per gram of polymer electrolyte, the value of ion exchange capacity is the number of ion exchange groups per unit weight.

<1−8.本発明における高分子電解質内に不凍水として存在する水分子の数>
本発明における含水状態において高分子電解質内に不凍水として存在する水分子の数は示差走査熱量分析(DSC)法を用いて得られる値から計算により求める。すなわち、高分子電解質を20℃の水に12時間浸漬した後、水中から取り出し、表面付着水をガーゼで拭取り除去を行ってから、あらかじめ重量(Gp)を測定してあるアルミナコートされたアルミニウム製密閉型資料容器に入れてクリンプした後、できるだけ素早く試料と密閉型試料容器の合計重量(Gw)を測定し、直ちにDSC測定を実施する。測定温度プログラムは室温から−30℃まで10℃/分の速度で冷却した後、0.3℃/分の速度で5℃まで昇温するものであり、この昇温過程のDSC曲線から下記の数式(n1)を使ってバルク水量(Wf)を求め、下記の数式(n2)を使って低融点水量(Wfc)を求め、また、下記数式(n3)を使って全水分量(Wt)からそれらの値を差し引くことで、不凍水量(Wnf)を求める。
<1-8. Number of water molecules present as antifreeze water in the polymer electrolyte in the present invention>
In the water-containing state of the present invention, the number of water molecules present as antifreeze water in the polymer electrolyte is determined by calculation from a value obtained using a differential scanning calorimetry (DSC) method. That is, after immersing the polymer electrolyte in water at 20 ° C. for 12 hours, the polymer electrolyte is removed from the water, the surface adhering water is wiped off with gauze, and the weight (Gp) is measured in advance. After crimping in a closed type data container, measure the total weight (Gw) of the sample and the closed type sample container as quickly as possible, and immediately perform DSC measurement. The measurement temperature program is to cool from room temperature to −30 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and then increase the temperature to 5 ° C. at a rate of 0.3 ° C./min. The bulk water amount (Wf) is obtained using the formula (n1), the low melting point water amount (Wfc) is obtained using the following formula (n2), and the total water content (Wt) is obtained using the following formula (n3). By subtracting these values, the amount of antifreeze water (Wnf) is obtained.

Figure 2010129292
Figure 2010129292

ここで、バルク水量(Wf)、低融点水量(Wfc)、不凍水量(Wnf)、および全水分量(Wt)は、乾燥試料の単位重量あたりの重量で表される値である。mは乾燥試料の重量、dq/dtはDSCの熱流束シグナル、T0はバルク水の融点、デルタH0(すなわち三角形とH0で表現したもの)はバルク水の融点(T0)での融解エンタルピーである。   Here, the bulk water amount (Wf), the low melting point water amount (Wfc), the antifreeze water amount (Wnf), and the total water amount (Wt) are values represented by the weight per unit weight of the dried sample. m is the weight of the dried sample, dq / dt is the DSC heat flux signal, T0 is the melting point of the bulk water, and Delta H0 (ie, expressed in triangles and H0) is the melting enthalpy at the melting point of the bulk water (T0). .

上記計算法により求められた不凍水量(Wnf)を水の分子量で割ることで単位重量あたりの不凍水として存在する水分子の数が求められる。   The number of water molecules present as antifreeze water per unit weight is obtained by dividing the amount of antifreeze water (Wnf) obtained by the above calculation method by the molecular weight of water.

<1−9.λ(不凍水)に関して>
上記手法により求められた単位重量あたりのイオン交換基の数と不凍水として存在する水分子の数の比λ(不凍水)が関係式1を満たす、スルホン酸基を有する高分子電解質が低加湿条件において優れたプロトン伝導度を有する高分子電解質である。
<1-9. Regarding λ (non-freezing water)>
A polymer electrolyte having a sulfonic acid group, wherein the ratio λ (antifreeze water) of the number of ion exchange groups per unit weight obtained by the above method and the number of water molecules present as antifreeze water satisfies the relational expression 1. It is a polymer electrolyte having excellent proton conductivity under low humidification conditions.

〔関係式1〕
25.00>λ(不凍水)>1.00
(ただしλ(不凍水)は、不凍水として存在する水分子の数÷イオン交換基の数である。)
なかでもより好ましい範囲は25.00>λ(不凍水)>1.40である。
[Relational expression 1]
25.00> λ (non-freezing water)> 1.00
(However, λ (antifreeze water) is the number of water molecules present as antifreeze water divided by the number of ion exchange groups.)
Among these, a more preferable range is 25.00> λ (antifreeze water)> 1.40.

<1−10.DSCの測定条件>
DSCの測定条件は下記のとおりである。
DSC装置:TA Instruments社製 DSC Q100
データ処理装置:東レリサーチセンター製 TRC−THADAP−DSC
測定温度範囲:−55℃〜5℃
昇温速度:0.3℃/min
試料量:約5mg
試料容器:アルミニウム製密閉型試料容器
温度・熱量校正:純水(0.0℃、融解熱量79.7cal/g)
<1-10. DSC measurement conditions>
The DSC measurement conditions are as follows.
DSC device: DSC Q100 manufactured by TA Instruments
Data processing device: TRC-THADAP-DSC manufactured by Toray Research Center
Measurement temperature range: -55 ° C to 5 ° C
Temperature increase rate: 0.3 ° C / min
Sample amount: about 5mg
Sample container: Aluminum sealed sample container Temperature / calorie calibration: Pure water (0.0 ° C., heat of fusion 79.7 cal / g)

<1−11.本発明に掛かる高分子電解質膜>
本発明にかかる高分子電解質膜は、上記高分子電解質、高分子電解質複合体を任意の方法で膜状に成型したものである。このような製膜方法としては、公知の方法が適宜使用され得る。上記放置の方法としては、例えば、ホットプレス法、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、キャスト法、エマルション法などの溶液からの製膜方法が例示され得る。溶融成型方法の例としては、溶融押出成形で高分子電解質膜を製造することが挙げられる。具体的には、材料を、Tダイがセットされた押出機に投入し、溶融混練しながら製膜を行なう方法が適用され得る。さらには、この工程で前記複合化を行うことも可能である。溶液からの製膜方法としては、キャスト法が例示される。これは粘度を調整した高分子電解質、あるいは高分子電解質複合体の溶液を、ガラス板などの平板上に、バーコーター、ブレードコーターなどを用いて塗布し、溶媒を気化させて膜を得る方法である。工業的には溶液を連続的にコートダイからベルト上に塗布し、溶媒を気化させて長尺物を得る方法も一般的である。
<1-11. Polymer Electrolyte Membrane According to the Present Invention>
The polymer electrolyte membrane according to the present invention is obtained by molding the above polymer electrolyte and polymer electrolyte composite into a film shape by an arbitrary method. As such a film forming method, a known method can be appropriately used. Examples of the leaving method include a film forming method from a solution such as a hot extrusion method, an inflation method, a melt extrusion molding method such as a T-die method, a casting method, and an emulsion method. As an example of the melt molding method, a polymer electrolyte membrane is produced by melt extrusion molding. Specifically, a method in which a material is put into an extruder in which a T die is set and film formation is performed while melt kneading can be applied. Furthermore, it is also possible to perform the above-mentioned combination in this step. An example of a film forming method from a solution is a casting method. This is a method in which a polymer electrolyte or polymer electrolyte complex solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, blade coater, etc., and the solvent is evaporated to obtain a film. is there. Industrially, it is also common to apply a solution continuously from a coating die onto a belt and vaporize the solvent to obtain a long product.

さらに、高分子電解質膜の分子配向などを制御するために、得られた高分子電解質膜に対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。また、高分子電解質膜の機械的強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス不織布などの補強剤と高分子電解質膜とをプレスにより複合化させたりすることも、本発明の範疇である。   Furthermore, in order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte membrane, the obtained polymer electrolyte membrane is subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. Also good. In addition, it is also within the scope of the present invention to add various fillers in order to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane or to combine a reinforcing agent such as a glass nonwoven fabric with the polymer electrolyte membrane by pressing. is there.

製造される高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子フィルムの厚みは薄い程よい。一方、得られた高分子電解質膜のガス、メタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子電解質膜の厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚みは、1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。上記高分子電解質膜の厚さが上記数値の範囲内であれば、取り扱いが容易であり、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。   The thickness of the manufactured polymer electrolyte membrane can be selected arbitrarily depending on the application. For example, in consideration of reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the polymer film is preferably as thin as possible. On the other hand, when the gas, methanol barrier property and handling property of the obtained polymer electrolyte membrane are taken into consideration, it may not be preferable if the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. When the thickness of the polymer electrolyte membrane is within the range of the above numerical values, handling is improved such that handling is easy and damage is unlikely to occur. In addition, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be expressed within a desired range.

なお、高分子電解質膜は、製膜してからスルホン酸基を導入することも可能である。その場合、上記高分子電解質膜の製膜方法は、高分子電解質膜前駆体フィルムの製膜方法と読み替えることができる。つまり、スルホン酸基を導入する高分子、あるいはスルホン酸基を導入する高分子を含んだ複合体からフィルムを作製する方法を例示したことになる。この場合、フィルムをスルホン化することによって、最終的に高分子電解質膜を得ることになる。   The polymer electrolyte membrane can be introduced with a sulfonic acid group after being formed. In that case, the method for forming the polymer electrolyte membrane can be read as the method for forming the polymer electrolyte membrane precursor film. That is, a method for producing a film from a polymer that introduces a sulfonic acid group or a complex that includes a polymer that introduces a sulfonic acid group is exemplified. In this case, the polymer electrolyte membrane is finally obtained by sulfonating the film.

なお、本発明の高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質膜中に架橋構造などが導入でき、さらに性能が向上する場合がある。またプラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層との接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。   In order to further improve the characteristics of the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like. As a result, a crosslinked structure or the like can be introduced into the polymer electrolyte membrane, and the performance may be further improved. In addition, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve properties such as improving adhesion to the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.

なお、親水性セグメント、疎水性セグメントを有する高分子電解質は親水部、あるいは疎水部からなる相分離を透過型電子顕微鏡などで観察することができる。   In the polymer electrolyte having a hydrophilic segment and a hydrophobic segment, phase separation comprising a hydrophilic portion or a hydrophobic portion can be observed with a transmission electron microscope or the like.

<1−12.本発明にかかる膜/電極接合体、燃料電池>
本発明にかかる高分子電解質、高分子電解質複合体は、様々な産業上の利用が考えられ、その利用(用途)については、特に制限されるものではないが、例えば、膜/電極接合体(以下MEAと表記する)を挙げることができる。かかるMEAは、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池、および直接メタノール形燃料電池等の燃料電池に用いることができる。
<1-12. Membrane / electrode assembly and fuel cell according to the present invention>
The polyelectrolyte and polyelectrolyte composite according to the present invention are considered to have various industrial uses, and the use (use) is not particularly limited. For example, a membrane / electrode assembly ( (Hereinafter referred to as MEA). Such MEAs can be used, for example, in fuel cells, particularly solid polymer fuel cells, and fuel cells such as direct methanol fuel cells.

すなわち、本発明には、上記高分子電解質、高分子電解質複合体を用いてなるMEA、燃料電池が含まれていてもよい。   That is, the present invention may include MEA and fuel cell using the polymer electrolyte and polymer electrolyte composite.

上記膜/電極接合体や燃料電池によれば、上述したような安価で化学構造の多様性を持つ炭化水素系材料であって、伝導度、特に水分の少ない状況での伝導度に有利な高イオン交換容量部位を持ち、優れたプロトン伝導度を持つ高分子電解質膜、触媒層バインダーを備えているため、高い発電特性を有する。   According to the membrane / electrode assembly or the fuel cell, it is a hydrocarbon-based material having a variety of chemical structures as described above, which is advantageous in terms of conductivity, particularly conductivity in a low moisture state. Since it has an ion exchange capacity site, a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity, and a catalyst layer binder, it has high power generation characteristics.

次に、本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明する。   Next, an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example.

図1は、本実施の形態にかかる高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10は、高分子電解質膜1、触媒層2・2、拡散層3・3、セパレーター4・4を備えている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane according to the present embodiment. As shown in the figure, a polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment includes a polymer electrolyte membrane 1, catalyst layers 2 and 2, diffusion layers 3 and 3, and separators 4 and 4.

高分子電解質膜1は、固体高分子形燃料電池10のセルの略中心部に位置している。触媒層2は、高分子電解質膜1に接触するように設けられている。拡散層3は、触媒層2に隣接して設けられており、さらにその外側にセパレーター4が配置されている。セパレーター4には、燃料ガスまたは液体(メタノール水溶液など)、並びに、酸化剤を送り込むための流路5が形成されている。これらの部材は、固体高分子形燃料電池10のセルとして構成されていると換言できる。   The polymer electrolyte membrane 1 is located substantially at the center of the cell of the solid polymer fuel cell 10. The catalyst layer 2 is provided in contact with the polymer electrolyte membrane 1. The diffusion layer 3 is provided adjacent to the catalyst layer 2, and a separator 4 is disposed on the outer side thereof. The separator 4 is formed with a flow path 5 for feeding fuel gas or liquid (such as aqueous methanol solution) and an oxidant. In other words, these members are configured as cells of the polymer electrolyte fuel cell 10.

一般的に、高分子電解質膜1に触媒層2を接合したものや、高分子電解質膜1に触媒層2と拡散層3を接合したものは、膜/電極接合体(本明細中ではMEAとも表記)といわれ、固体高分子形燃料電池の基本部材として使用される。   Generally, a polymer electrolyte membrane 1 with a catalyst layer 2 joined, or a polymer electrolyte membrane 1 with a catalyst layer 2 and a diffusion layer 3 joined together is a membrane / electrode assembly (also referred to as MEA in this specification). It is used as a basic member of a polymer electrolyte fuel cell.

MEAを作製する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)で行われる公知の方法が適用可能である。   Methods for producing MEA are conventionally studied polymer electrolyte membranes made of perfluorocarbon sulfonic acid and other hydrocarbon polymer electrolyte membranes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone). A known method performed with a sulfonated polysulfone, a sulfonated polyimide, a sulfonated polyphenylene sulfide, or the like is applicable.

MEAの具体的作製方法の一例を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。   An example of a specific method for producing MEA is shown below, but the present invention is not limited to this.

触媒層2の形成は、高分子電解質である触媒層バインダーの溶液あるいは分散液に、金属担持触媒を分散させて、触媒層形成用の分散溶液を調合する。この分散溶液をPTFEなどの離型フィルム上にスプレーで塗布して分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、離型フィルム上に所定の触媒層2を形成させる。この離型フィルム上に形成した触媒層2を高分子電解質膜1の両面に配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスし、高分子電解質膜1と触媒層2を接合し、離型フィルムをはがすことによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2が形成されたMEAが作製できる。   The catalyst layer 2 is formed by preparing a dispersion solution for forming a catalyst layer by dispersing a metal-supported catalyst in a solution or dispersion solution of a catalyst layer binder that is a polymer electrolyte. The dispersion solution is applied onto a release film such as PTFE by spraying, and the solvent in the dispersion solution is dried and removed to form a predetermined catalyst layer 2 on the release film. The catalyst layer 2 formed on the release film is disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and hot-pressed under predetermined heating and pressurizing conditions to join the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 and release them. The MEA in which the catalyst layers 2 are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 can be produced by peeling the mold film.

また、上記分散溶液を、コーターなどを用いて拡散層3上に塗工して、分散溶液中の溶媒を乾燥・除去し、拡散層3上に触媒層2が形成された触媒担持ガス拡散電極を作製し、高分子電解質膜1の両側にその触媒担持ガス拡散電極の触媒層2側を配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスすることによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2と拡散層3とが形成されたMEAが製造できる。なお、上記触媒担持ガス拡散電極には、市販のガス拡散電極(米国E−TEK社製、など)を使用しても構わない。   Also, a catalyst-carrying gas diffusion electrode in which the dispersion solution is coated on the diffusion layer 3 using a coater or the like, the solvent in the dispersion solution is dried and removed, and the catalyst layer 2 is formed on the diffusion layer 3 Are arranged on both sides of the polymer electrolyte membrane 1, and the catalyst layer 2 side of the catalyst-carrying gas diffusion electrode is placed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 by hot pressing under predetermined heating and pressurizing conditions. An MEA in which the catalyst layer 2 and the diffusion layer 3 are formed can be manufactured. In addition, you may use a commercially available gas diffusion electrode (made by USA E-TEK company etc.) for the said catalyst carrying | support gas diffusion electrode.

上記高分子電解質の溶液としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子化合物のアルコール溶液(アルドリッチ社製ナフィオン(登録商標)溶液など)やスルホン化された芳香族高分子化合物(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)の有機溶媒溶液などが使用でき、もちろん本発明における触媒層バインダーを用いることもできる。上記金属担持触媒としては、高比表面積の導電性粒子が担体として使用可能であり、例えば、活性炭、カーボンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料が例示できる。   Examples of the polymer electrolyte solution include an alcohol solution of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer compound (such as Nafion (registered trademark) solution manufactured by Aldrich) or a sulfonated aromatic polymer compound (eg, sulfonated polyether ether ketone). , Sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, etc.) can be used. Of course, the catalyst layer binder of the present invention can also be used. As the metal-supported catalyst, conductive particles having a high specific surface area can be used as a carrier, and examples thereof include carbon materials such as activated carbon, carbon black, ketjen black, vulcan, carbon nanohorn, fullerene, and carbon nanotube.

金属触媒としては、燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進するものであれば使用可能であり、燃料極と酸化剤極で同じであっても異なっていても構わない。例えば、白金、ルテニウムなどの貴金属あるいはそれらの合金などが例示でき、それらの触媒活性の促進や、反応副生物による被毒を抑制するための助触媒を添加しても構わない。   Any metal catalyst may be used as long as it promotes the fuel oxidation reaction and oxygen reduction reaction, and the fuel electrode and the oxidant electrode may be the same or different. For example, noble metals such as platinum and ruthenium or alloys thereof can be exemplified, and a promoter for promoting their catalytic activity or suppressing poisoning by reaction by-products may be added.

上記触媒層形成用の分散溶液は、スプレーで塗布したり、コーターで塗工したりしやすい粘度に調整するため、水や有機溶媒で適宜希釈しても構わない。また、必要に応じて触媒層2に撥水性を付与するため、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物を混合してもよい。   The dispersion solution for forming the catalyst layer may be appropriately diluted with water or an organic solvent in order to adjust the viscosity so that it can be easily applied by spraying or coated by a coater. Moreover, you may mix fluorine-type compounds, such as tetrafluoroethylene, in order to provide water repellency to the catalyst layer 2 as needed.

上記拡散層3としては、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔質の導電性材料が使用可能である。これらは燃料や酸化剤の拡散性や反応副生物や未反応物質の排出性を促進するため、テトラフルオロエチレンなどで被覆して撥水性を付与したものを使用するのが好ましい。また、高分子電解質膜1と触媒層2との間に必要に応じて前述したような高分子電解質からなる接着層を設けてもよい。   As the diffusion layer 3, a porous conductive material such as carbon cloth or carbon paper can be used. In order to promote the diffusibility of the fuel and the oxidant and the discharge of reaction by-products and unreacted substances, it is preferable to use those which are coated with tetrafluoroethylene or the like to impart water repellency. Further, an adhesive layer made of a polymer electrolyte as described above may be provided between the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 as necessary.

高分子電解質膜1と触媒層2を加熱・加圧条件下でホットプレスする条件は、使用する高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定する必要がある。上記条件としては、一般的に高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜1あるいは触媒層2に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜1および触媒層2に含まれる高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下であることが好ましい。   The conditions for hot pressing the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 under heating and pressurizing conditions need to be appropriately set according to the type of polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 to be used. is there. The above-mentioned condition is that the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 or the catalyst layer 2 is generally below the thermal degradation or thermal decomposition temperature of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 or the catalyst layer 2. It is preferable that the glass transition point and the softening point are higher than the glass transition point, and the temperature condition is higher than the glass transition point and the softening point of the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2.

加圧条件としては、概ね0.1MPa以上20MPa以下の範囲であることが、高分子電解質膜1と触媒層2が充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がなく好ましい。特にMEAが高分子電解質膜1と触媒層2とからのみ形成される場合は、拡散層3を触媒層2の外側に配置して特に接合することなく接触させるのみで使用しても構わない。   As the pressurizing condition, it is preferable that the pressure is in the range of about 0.1 MPa or more and 20 MPa or less because the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 are in sufficient contact with each other and there is no deterioration in characteristics due to significant deformation of the material used. In particular, when the MEA is formed only from the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2, the diffusion layer 3 may be disposed outside the catalyst layer 2 and used only by contacting without being joined.

上記のような方法で得られたMEAを、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路5が形成された一対のセパレーター4などの間に挿入することにより、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10が得られる。   The MEA obtained by the above method is inserted between a pair of separators 4 in which a flow path 5 for feeding fuel gas or liquid and an oxidant is formed, and the solid according to the present embodiment. A polymer fuel cell 10 is obtained.

上記セパレーター4としてはカーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。   As the separator 4, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In particular, when a metal material such as stainless steel is used, it is preferable to perform a corrosion resistance treatment.

上記の固体高分子形燃料電池10に対して、燃料ガスまたは液体として、水素を主たる成分とするガスや、メタノールを主たる成分とするガスまたは液体を、酸化剤として、酸素を含むガス(酸素あるいは空気)を、それぞれ別個の流路5より、拡散層3を経由して触媒層2に供給することにより、固体高分子形燃料電池は発電する。このとき燃料として、例えば、含水素液体を使用する場合には直接液体形燃料電池となるし、メタノールを使用する場合には直接メタノール形燃料電池となる。つまり、固体高分子形燃料電池10について例示した上記実施形態は、そのまま直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても適用可能といえる。   For the polymer electrolyte fuel cell 10 described above, a gas containing hydrogen as a main component or a gas or liquid containing methanol as a main component as a fuel gas or liquid, and a gas containing oxygen (oxygen or oxygen) as an oxidant. The solid polymer fuel cell generates electric power by supplying air) to the catalyst layer 2 via the diffusion layer 3 from the respective separate flow paths 5. At this time, for example, when a hydrogen-containing liquid is used as the fuel, a direct liquid fuel cell is obtained, and when methanol is used, a direct methanol fuel cell is obtained. That is, it can be said that the above-described embodiment exemplified for the polymer electrolyte fuel cell 10 can be applied to a direct liquid fuel cell and a direct methanol fuel cell as they are.

なお、本実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池10を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   In addition, the polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment can be used alone or in a stacked manner to form a stack, or a fuel cell system incorporating them.

なお、上述した例以外にも、本発明にかかる高分子電解質膜は、特開2001−313046号公報、特開2001−313047号公報、特開2001−93551号公報、特開2001−93558号公報、特開2001−93561号公報、特開2001−102069号公報、特開2001−102070号公報、特開2001−283888号公報、特開2000−268835号公報、特開2000−268836号公報、特開2001−283892号公報等で公知になっている固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として、使用可能である。これらの公知の特許文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質膜を用いて容易に固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池を構成することができる。   In addition to the examples described above, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is disclosed in JP 2001-313046, JP 2001-313047, JP 2001-93551, and JP 2001-93558. JP-A-2001-93561, JP-A-2001-102069, JP-A-2001-102070, JP-A-2001-283888, JP-A-2000-268835, JP-A-2000-268836, It can be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, which is publicly known in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-283893. Based on these known patent documents, those skilled in the art can easily construct a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention.

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

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

〔参考例1〕
(テトラフェニルビスフェノールAを用いたテレケリックPPPOの合成)
ナスフラスコに1,2−ジクロロベンゼン(50ml)と臭化銅(3.4g)とN,N,N´,N´−テトラメチルエチレンジアミン(2.8g)を混合し、室温で15分撹拌した。続いて酸素気流下でテトラフェニルビスフェノールA(5.8g)を加えて80℃に加熱し、30分撹拌した。そこへ2,6−ジフェニルフェノール(50.5g)の1,2−ジクロロベンゼン(50ml)溶液を滴下し80℃で5時間反応させた。反応終了後、室温まで冷却し、反応液を濃塩酸(20ml)と次亜リン酸(20ml)を加えて撹拌し、その後水を加えて水相を除き、有機相を水洗、有機相に炭酸水素ナトリウム水溶液を加えて撹拌後、水相を除き、有機相を2度水洗し、有機相をメタノール(1500ml)中に滴下した。沈殿したポリマーを濾別し80℃で24時間減圧乾燥後、淡黄色ポリマーを52g(Mn=4120)得た。(以下PPPO1と略す)
[Reference Example 1]
(Synthesis of telechelic PPPO using tetraphenylbisphenol A)
1,2-dichlorobenzene (50 ml), copper bromide (3.4 g) and N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (2.8 g) were mixed in an eggplant flask and stirred at room temperature for 15 minutes. . Subsequently, tetraphenylbisphenol A (5.8 g) was added under an oxygen stream, heated to 80 ° C., and stirred for 30 minutes. A solution of 2,6-diphenylphenol (50.5 g) in 1,2-dichlorobenzene (50 ml) was added dropwise thereto and reacted at 80 ° C. for 5 hours. After completion of the reaction, the reaction solution is cooled to room temperature, concentrated hydrochloric acid (20 ml) and hypophosphorous acid (20 ml) are added and stirred, water is then added to remove the aqueous phase, the organic phase is washed with water, and the organic phase is carbonated. After adding an aqueous sodium hydrogen solution and stirring, the aqueous phase was removed, the organic phase was washed twice with water, and the organic phase was dropped into methanol (1500 ml). The precipitated polymer was separated by filtration and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 24 hours to obtain 52 g (Mn = 4120) of a pale yellow polymer. (Hereafter abbreviated as PPPO1)

〔参考例2〕
(両末端ヒドロキシ基を有するPESの調整)
窒素を満たしたナスフラスコにビスフェノールS(7.12g)とジフルオロジフェニルスルホン(7.26g)と炭酸カリウム(5.61g)とDMI(30ml)を混合し、撹拌しながら200℃に加熱した。8時間後、室温まで冷却し、水に析出させミキサーで粉砕後、水洗を行い、ジクロロメタンに溶解させ、再度メタノールに析出させた。固体を濾過し60℃24時間乾燥を行い、白色固体12.6g(Mn=13392)を得た。(以下PES1と略す)
[Reference Example 2]
(Preparation of PES having both terminal hydroxy groups)
Bisphenol S (7.12 g), difluorodiphenyl sulfone (7.26 g), potassium carbonate (5.61 g) and DMI (30 ml) were mixed in an eggplant flask filled with nitrogen, and heated to 200 ° C. with stirring. After 8 hours, the mixture was cooled to room temperature, precipitated in water, ground with a mixer, washed with water, dissolved in dichloromethane, and precipitated again in methanol. The solid was filtered and dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain 12.6 g (Mn = 13392) of a white solid. (Hereafter abbreviated as PES1)

〔参考例3〕
(テレケリックPPPOポリマー末端のデカフルオロビフェニル修飾)
上記手法で得られたテレケリックPPPOポリマーPPPO1(5.0g)とデカフルオロビフェニル(2.4g)と炭酸カリウム(0.7g)とDMI25mlを混合し、窒素下100℃で6時間半反応させた。反応終了後、反応液を室温まで冷却し水へ析出させた。ミキサーで固体を粉砕し濾過後、乾燥を行い淡黄色固体4.9gを得た。生成物は1H−NMRにて末端修飾反応の完了を確認し、19F−NMRにて原料のデカフルオロビフェニルの除去を確認した。得られたポリマーを以下FPPPO1と略す。
[Reference Example 3]
(Decafluorobiphenyl modification of telechelic PPPO polymer terminal)
Telechelic PPPO polymer PPPO1 (5.0 g) obtained by the above method, decafluorobiphenyl (2.4 g), potassium carbonate (0.7 g) and DMI 25 ml were mixed and reacted at 100 ° C. for 6 and a half hours under nitrogen. After completion of the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature and precipitated into water. The solid was pulverized with a mixer, filtered, and dried to obtain 4.9 g of a pale yellow solid. The product confirmed the completion of the terminal modification reaction by 1 H-NMR, and the removal of the raw material decafluorobiphenyl was confirmed by 19 F-NMR. The obtained polymer is hereinafter abbreviated as FPPPO1.

〔実施例1〕
PES1(4.0g)と炭酸カリウム(0.09g)をDMI(15ml)と混合し、窒素下で140℃で2時間加熱撹拌し、FPPPO1(1.8g)を追加し、120℃で2時間加熱撹拌した。反応液を室温まで冷却し水へ加えて固体を析出させた。ミキサーで粉砕し、濾過を行い乾燥後、淡黄色固体(5.6g)を得た。得られたポリマーの分子量はMn=33745、Mw=72229、Mw/Mn=2.140であった。
[Example 1]
PES1 (4.0 g) and potassium carbonate (0.09 g) were mixed with DMI (15 ml), heated and stirred at 140 ° C. for 2 hours under nitrogen, FPPPO1 (1.8 g) was added, and 120 ° C. for 2 hours. Stir with heating. The reaction solution was cooled to room temperature and added to water to precipitate a solid. After pulverizing with a mixer, filtering and drying, a pale yellow solid (5.6 g) was obtained. The molecular weight of the obtained polymer was Mn = 33745, Mw = 72229, and Mw / Mn = 2.140.

続いて得られたポリマー(2.5g)をジクロロメタン50mlに溶解し、フラスコを水冷しながらクロロスルホン酸(9.0g)を溶かしたジクロロメタン250mlの溶液に滴下した。30分後に上澄みを除き、析出固体をジクロロメタンで2度洗浄した。その後水を加えて白色固体を得た。白色固体をミキサーで粉砕し、濾過をした。このとき濾液のpHがほぼ中性になるまで水洗した。残渣を乾燥し淡黄色固体2.4gを得た。   Subsequently, the obtained polymer (2.5 g) was dissolved in 50 ml of dichloromethane, and dropwise added to a solution of 250 ml of dichloromethane in which chlorosulfonic acid (9.0 g) was dissolved while cooling the flask with water. After 30 minutes, the supernatant was removed, and the precipitated solid was washed twice with dichloromethane. Water was then added to give a white solid. The white solid was pulverized with a mixer and filtered. At this time, the filtrate was washed with water until the pH of the filtrate became almost neutral. The residue was dried to obtain 2.4 g of a pale yellow solid.

得られた固体1gをDMSOに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、60℃にて15時間真空乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥した。なお、この膜のイオン交換容量は1.63meq/gであった。得られた高分子電解質膜の特性を評価した結果を表1に示す。また、温度と相対湿度の異なる条件におけるプロトン伝導度の評価結果を表2および表3に示す。   After 1 g of the obtained solid was dissolved in DMSO, the solution was cast on a glass plate, vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours, and further vacuum-dried at 120 ° C. for 18 hours. The ion exchange capacity of this membrane was 1.63 meq / g. The results of evaluating the properties of the obtained polymer electrolyte membrane are shown in Table 1. Tables 2 and 3 show the evaluation results of proton conductivity under different conditions of temperature and relative humidity.

〔参考例4〕
窒素雰囲気下、ジメトキシヒドロキノン16.6g(120mmol)のCH2Cl2(100ml)溶液を内温−15℃まで冷却した。ここに、塩化アルミニウム17.4g(130.8mmol)、4−フルオロベンゾイルクロリド15.6ml(132mmol)を順に加え、そのままの温度にて19時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、水(500ml)へ注ぎ反応を停止した。CH2Cl2にて抽出した後、有機相を10wt%のNaOH水溶液(300ml)で洗浄し、再度、CH2Cl2にて抽出し、水洗後、水層を除去した。有機層を硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮することで2,4−ジメトキシ−4'−フルオロベンゾフェノンを若干黄色のオイルとして30.6g得た。
[Reference Example 4]
Under a nitrogen atmosphere, a solution of 16.6 g (120 mmol) of dimethoxyhydroquinone in CH 2 Cl 2 (100 ml) was cooled to an internal temperature of −15 ° C. To this, 17.4 g (130.8 mmol) of aluminum chloride and 15.6 ml (132 mmol) of 4-fluorobenzoyl chloride were sequentially added, and the mixture was stirred at the same temperature for 19 hours. After confirming the completion of the reaction by TLC, the reaction was stopped by pouring into water (500 ml). After extraction with CH 2 Cl 2 , the organic phase was washed with 10 wt% NaOH aqueous solution (300 ml), extracted again with CH 2 Cl 2 , washed with water, and the aqueous layer was removed. The organic layer was dried over magnesium sulfate and concentrated under reduced pressure to obtain 30.6 g of 2,4-dimethoxy-4′-fluorobenzophenone as a slightly yellow oil.

〔参考例5〕
(PPPOの合成)
反応装置に臭化銅(60mg)、4−ジメチルアミノピリジン(82mg)及びエタノール(35ml)を加え、ここにメチルエチルケトン(8ml)に溶解させた2,6−ジフェニルフェノール(5g)を加えた。酸素雰囲気下室温にて、15時間攪拌し徐々に低分子量ポリ(2,6−ジフェニルフェニレンエーテル)を析出させた後、エチレンジアミン4酢酸3カリウム塩の10%水溶液を添加し、50℃にて加熱攪拌した。次にハイドロキノンを少量ずつ添加し、脱色後、スラリー状のポリ(2,6−ジフェニルフェニレンエーテル)を濾過、アルコールによる洗浄後、80℃で24時間減圧乾燥を行い、淡黄色のポリ(2,6−ジアリールフェニレンエーテル)を4.3g(Mn=2300)得た。(以下PPPO2と略す)
[Reference Example 5]
(Synthesis of PPPO)
Copper bromide (60 mg), 4-dimethylaminopyridine (82 mg) and ethanol (35 ml) were added to the reactor, and 2,6-diphenylphenol (5 g) dissolved in methyl ethyl ketone (8 ml) was added thereto. After stirring for 15 hours at room temperature in an oxygen atmosphere to gradually precipitate low molecular weight poly (2,6-diphenylphenylene ether), a 10% aqueous solution of ethylenediaminetetraacetic acid tripotassium salt was added and heated at 50 ° C. Stir. Next, hydroquinone is added little by little, and after decolorization, the slurry poly (2,6-diphenylphenylene ether) is filtered, washed with alcohol, and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 24 hours. 4.3 g (Mn = 2300) of 6-diarylphenylene ether) was obtained. (Hereafter abbreviated as PPPO2)

〔参考例6〕
窒素雰囲気下、PPPO2(3.3g)、2,4−ジメトキシ−4'−フルオロベンゾフェノン(0.36g)及び炭酸カリウム(0.27g)を含む、N,N−ジメチルアセトアミド(10ml)とo−ジクロロベンゼン(5ml)の混合溶液を180℃のオイルバス加熱条件下にて、24時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、水(50ml)へ注ぎ反応を停止した。CH2Cl2にて抽出した後、メタノール(300ml)に滴下することで沈殿させ目的物を固体として3.1g得た。(以下BPPPO1と略す)
[Reference Example 6]
N, N-dimethylacetamide (10 ml) and o- containing PPPO2 (3.3 g), 2,4-dimethoxy-4′-fluorobenzophenone (0.36 g) and potassium carbonate (0.27 g) under nitrogen atmosphere. A mixed solution of dichlorobenzene (5 ml) was stirred under an oil bath heating condition of 180 ° C. for 24 hours. After the completion of the reaction was confirmed by TLC, the reaction was stopped by pouring into water (50 ml). After extraction with CH 2 Cl 2 , precipitation was performed by adding dropwise to methanol (300 ml) to obtain 3.1 g of the target product as a solid. (Hereinafter abbreviated as BPPPO1)

〔参考例7〕
窒素雰囲気下、BPPPO1(2.56g)を含むCH2Cl2(10ml)溶液を内温−15℃まで冷却した。ここに、BBr3の1MCH2Cl2溶液3mlを滴下した後、室温下にて15時間攪拌した。反応終了をTLCにて確認した後、水(50ml)へ注ぎ反応を停止した。酢酸エチルにて抽出した後、硫酸マグネシウムで乾燥後、減圧濃縮した。これをシリカゲルのカラムクロマトグラフィーにより精製することで黄色の結晶を1.3g得た。(以下BPPPO2と略す)
[Reference Example 7]
Under a nitrogen atmosphere, a CH 2 Cl 2 (10 ml) solution containing BPPPO1 (2.56 g) was cooled to an internal temperature of −15 ° C. To this, 3 ml of a 1MCH 2 Cl 2 solution of BBr 3 was added dropwise, and the mixture was stirred at room temperature for 15 hours. After the completion of the reaction was confirmed by TLC, the reaction was stopped by pouring into water (50 ml). After extraction with ethyl acetate, the extract was dried over magnesium sulfate and concentrated under reduced pressure. This was purified by silica gel column chromatography to obtain 1.3 g of yellow crystals. (Hereinafter abbreviated as BPPPO2)

〔参考例8〕
(両末端クロロ基を有するPESの調整)
窒素を満たしたナスフラスコにビスフェノールS(5.0g)とジクロロジフェニルスルホン(11.5g)と炭酸カリウム(7.7g)とDMI(30ml)を混合し、撹拌しながら200℃に加熱した。8時間後、室温まで冷却し、水に析出させミキサーで粉砕後、水洗を行い、ジクロロメタンに溶解させ、再度メタノールに析出させた。固体を濾過し60℃24時間乾燥を行い、白色固体12.6g(Mn=620)を得た。(以下PES2と略す)
[Reference Example 8]
(Preparation of PES having both terminal chloro groups)
Bisphenol S (5.0 g), dichlorodiphenyl sulfone (11.5 g), potassium carbonate (7.7 g) and DMI (30 ml) were mixed in an eggplant flask filled with nitrogen and heated to 200 ° C. with stirring. After 8 hours, the mixture was cooled to room temperature, precipitated in water, ground with a mixer, washed with water, dissolved in dichloromethane, and precipitated again in methanol. The solid was filtered and dried at 60 ° C. for 24 hours to obtain 12.6 g (Mn = 620) of a white solid. (Hereafter abbreviated as PES2)

〔実施例2〕
窒素雰囲気下、BPPPO2(0.5g)とPES2(1.31g)及び炭酸カリウム(44mg)を含む、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(1.5ml)とo−ジクロロベンゼン(0.8ml)及びトルエン(0.5ml)の混合溶液を160℃のオイルバス加熱条件下にて、1時間攪拌し、系中から水とトルエンを共沸除去した後、オイルバスの温度を180℃まで上げて15時間重合を行った。生じたポリマーを水100mlに落とした後、酸を加えて中和し、ポリマーを濾取した。ポリマーを熱水にて攪拌、洗浄した後、ポリマーを再度濾取し、100℃にて真空乾燥した。得られたポリマーをCH2Cl2(10ml)に溶解した後、メタノール(300ml)に滴下し、再度沈殿させた。ポリマーを濾取後、60℃にて真空乾燥し共重合体を1.9g(Mn=33000)得た。
[Example 2]
Under a nitrogen atmosphere, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (1.5 ml) and o-dichlorobenzene (0. 0. 1) containing BPPPO2 (0.5 g), PES2 (1.31 g) and potassium carbonate (44 mg). 8 ml) and toluene (0.5 ml) were stirred for 1 hour under oil bath heating conditions at 160 ° C., water and toluene were removed azeotropically from the system, and the oil bath temperature was increased to 180 ° C. The polymerization was carried out for 15 hours. The resulting polymer was dropped into 100 ml of water, neutralized by adding an acid, and the polymer was collected by filtration. After stirring and washing the polymer with hot water, the polymer was again collected by filtration and vacuum dried at 100 ° C. The obtained polymer was dissolved in CH 2 Cl 2 (10 ml), then dropped into methanol (300 ml), and precipitated again. The polymer was collected by filtration and dried in vacuo at 60 ° C. to obtain 1.9 g (Mn = 33000) of a copolymer.

上で得た共重合体1gをCH2Cl2(15ml)に溶解した後、クロロスルホン酸(0.5ml)を滴下し、室温下にて8時間攪拌した。固体を濾別後、イオン交換水に浸し撹拌、濾過を繰り返し洗浄水が中性になるまで洗浄した。固体を濾別し、100℃で24時間真空乾燥させると黄色固体(1g)が高分子電解質として得られた。 1 g of the copolymer obtained above was dissolved in CH 2 Cl 2 (15 ml), chlorosulfonic acid (0.5 ml) was added dropwise, and the mixture was stirred at room temperature for 8 hours. The solid was separated by filtration, immersed in ion-exchanged water, stirred and filtered repeatedly and washed until the washing water became neutral. The solid was filtered off and vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain a yellow solid (1 g) as a polymer electrolyte.

これをNMPに溶解した後、溶液をガラス板上に流延塗布し、55℃にて15時間通風乾燥した後、更に120℃にて18時間真空乾燥した。なお、この膜のイオン交換容量は1.58meq/gであった。   After dissolving this in NMP, the solution was cast on a glass plate, dried by ventilation at 55 ° C. for 15 hours, and then further vacuum dried at 120 ° C. for 18 hours. The ion exchange capacity of this membrane was 1.58 meq / g.

高分子電解質膜の評価方法は実施例1と同様の方法で行った。結果を表1〜3に示す。   The polymer electrolyte membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1-3.

〔比較例1〕
<スルホン化ポリフェニレンサルファイド高分子電解質膜の調製>
ポリフェニレンサルファイド(大日本インキ工業株式会社製、DIC−PPS LD10p11)のペレットを、スクリュー温度290℃、Tダイ温度290℃の条件で、2軸混練押出し機にTダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た。ガラス容器に1−クロロブタン634gクロロスルホン酸15gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調整した。前記高分子フィルムを1.5g秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に25℃で20時間浸漬した(クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して10倍量)。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
[Comparative Example 1]
<Preparation of sulfonated polyphenylene sulfide polymer electrolyte membrane>
Pellets of polyphenylene sulfide (Dainippon Ink Industries, Ltd., DIC-PPS LD10p11) were mixed with a twin-screw extruder with a T-die set in a twin-screw kneading extruder under a screw temperature of 290 ° C and a T-die temperature of 290 ° C. The polymer film was obtained by melt extrusion molding. A glass container was weighed with 634 g of 1-chlorobutane and 15 g of chlorosulfonic acid to prepare a chlorosulfonic acid solution. 1.5 g of the polymer film was weighed and immersed in the chlorosulfonic acid solution at 25 ° C. for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 10 times the weight of the polymer film). Thereafter, the polymer film was recovered and washed with ion exchange water until neutral.

高分子電解質膜の評価方法は実施例1と同様の方法で行った。結果を表1〜3に示す。   The polymer electrolyte membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1-3.

〔比較例2〕
ポリフェニレンサルファイド(大日本インキ工業株式会社製、DIC−PPS LD10p11)のペレットを、スクリュー温度290℃、Tダイ温度290℃の条件で、2軸混練押出し機にTダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た。ガラス容器に1−クロロブタン634gクロロスルホン酸15gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調整した。前記高分子フィルムを1.5g秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に25℃で20時間浸漬した(クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して10倍量)。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
[Comparative Example 2]
Pellets of polyphenylene sulfide (Dainippon Ink Industries, Ltd., DIC-PPS LD10p11) were mixed with a twin-screw extruder with a T-die set in a twin-screw kneading extruder under a screw temperature of 290 ° C and a T-die temperature of 290 ° C. The polymer film was obtained by melt extrusion molding. A glass container was weighed with 634 g of 1-chlorobutane and 15 g of chlorosulfonic acid to prepare a chlorosulfonic acid solution. 1.5 g of the polymer film was weighed and immersed in the chlorosulfonic acid solution at 25 ° C. for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 10 times the weight of the polymer film). Thereafter, the polymer film was recovered and washed with ion exchange water until neutral.

高分子電解質膜の評価方法は実施例1と同様の方法で行った。結果を表1〜3に示す。   The polymer electrolyte membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1-3.

〔比較例3〕
ポリフェニレンサルファイド(大日本インキ工業株式会社製、DIC−PPS LD10p11)のペレットを、スクリュー温度290℃、Tダイ温度290℃の条件で、2軸混練押出し機にTダイをセットした二軸押出機により、溶融押出成形し、高分子フィルムを得た。ガラス容器に1−クロロブタン634gクロロスルホン酸15gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調整した。前記高分子フィルムを1.5g秤量し、前記クロロスルホン酸溶液に25℃で20時間浸漬した(クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して10倍量)。その後、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
[Comparative Example 3]
Pellets of polyphenylene sulfide (Dainippon Ink Industries, Ltd., DIC-PPS LD10p11) were mixed with a twin-screw extruder with a T-die set in a twin-screw kneading extruder under a screw temperature of 290 ° C and a T-die temperature of 290 ° C. The polymer film was obtained by melt extrusion molding. A glass container was weighed with 634 g of 1-chlorobutane and 15 g of chlorosulfonic acid to prepare a chlorosulfonic acid solution. 1.5 g of the polymer film was weighed and immersed in the chlorosulfonic acid solution at 25 ° C. for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 10 times the weight of the polymer film). Thereafter, the polymer film was recovered and washed with ion exchange water until neutral.

高分子電解質膜の評価方法は実施例1と同様の方法で行った。結果を表1〜3に示す。   The polymer electrolyte membrane was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1-3.

不凍水の重量%とイオン交換容量とλ(不凍水)値を表1に示す。   Table 1 shows the weight% of antifreeze water, ion exchange capacity, and λ (antifreeze water) value.

Figure 2010129292
Figure 2010129292

23℃30%RHおよび95%RHにおけるプロトン伝導度を表2に示す。比較例2、比較例3は膜の抵抗率が高くプロトン伝導度が測定不可であった。   Table 2 shows proton conductivities at 23 ° C., 30% RH and 95% RH. In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the membrane resistivity was high and proton conductivity could not be measured.

Figure 2010129292
Figure 2010129292

85℃30%RHおよび95%RHにおけるプロトン伝導度を表3に示す。比較例2、比較例3は膜の抵抗率が高くプロトン伝導度が測定不可であった。   Table 3 shows the proton conductivity at 85 ° C. and 30% RH and 95% RH. In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the membrane resistivity was high and proton conductivity could not be measured.

Figure 2010129292
Figure 2010129292

〔結論〕
高湿度においてほぼ同程度のプロトン伝導度を有する実施例1、実施例2、比較例1のサンプルを低湿度において比較すると実施例1、実施例2が優れていることがわかる。また、イオン交換容量の近い実施例1、実施例2、比較例2を比較すると高湿度においても実施例1、実施例2のプロトン導電性が優れており、低湿度においてはその差が顕著であることがわかる。また実施例1、実施例2および比較例1では不凍水の重量%がほぼ同様のサンプルであり、高湿度においてのプロトン伝導度はほぼ同等であり優れているが、低湿度におけるプロトン伝導度は実施例1、実施例2が優れている。これは高分子電解質膜の不凍水の重量%およびイオン交換容量の関係が重要であることを示している。そこで不凍水として存在する水分子の数とイオン交換基の数の関係を表したものが関係式1である。これは高分子電解質膜内に不凍水として存在する水分子の周辺環境が影響していると考えられる。
[Conclusion]
When the samples of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 having approximately the same proton conductivity at high humidity are compared at low humidity, it can be seen that Examples 1 and 2 are superior. In addition, comparing Example 1, Example 2, and Comparative Example 2 having similar ion exchange capacities, the proton conductivity of Example 1 and Example 2 is excellent even at high humidity, and the difference is remarkable at low humidity. I know that there is. In Examples 1, 2 and Comparative Example 1, the weight percentage of the antifreeze water is almost the same, and the proton conductivity at high humidity is almost the same and excellent. However, the proton conductivity at low humidity is excellent. Example 1 and Example 2 are excellent. This indicates that the relationship between the weight percent of antifreeze water in the polymer electrolyte membrane and the ion exchange capacity is important. Therefore, relational expression 1 represents the relationship between the number of water molecules present as antifreeze water and the number of ion exchange groups. This is thought to be due to the surrounding environment of water molecules present as antifreeze water in the polymer electrolyte membrane.

〔関係式1〕
25.00>λ(不凍水)>1.00
(ただしλ(不凍水)は、不凍水として存在する水分子の数÷イオン交換基の数である。)
[Relational expression 1]
25.00> λ (non-freezing water)> 1.00
(However, λ (antifreeze water) is the number of water molecules present as antifreeze water divided by the number of ion exchange groups.)

本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造図Structural drawing of the cross section of the main part of a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 高分子電解質膜
2 触媒層
3 拡散層
4 セパレーター
5 流路
10 固体高分子形燃料電池
15 酸化剤流路
16 膜/電極接合体(MEA)
17 燃料タンク
18 燃料充填部
19 支持体
20 直接メタノール形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Diffusion layer 4 Separator 5 Channel 10 Solid polymer fuel cell 15 Oxidant channel 16 Membrane / electrode assembly (MEA)
17 Fuel Tank 18 Fuel Filling Portion 19 Support 20 Direct Methanol Fuel Cell

Claims (10)

含水状態において高分子電解質内に不凍水として存在する水分子の数とイオン交換基の数の比λ(不凍水)が関係式1を満たすことを特徴とする、スルホン酸基を有する高分子電解質。
〔関係式1〕
25.00>λ(不凍水)>1.00
(ただしλ(不凍水)は、不凍水として存在する水分子の数÷イオン交換基の数である。)
The ratio of the number of water molecules present in the polymer electrolyte as antifreeze water to the number of ion-exchange groups λ (antifreeze water) in the water-containing state satisfies the relational expression 1; Molecular electrolyte.
[Relational expression 1]
25.00> λ (non-freezing water)> 1.00
(However, λ (antifreeze water) is the number of water molecules present as antifreeze water divided by the number of ion exchange groups.)
下記式(1)〜(4)からなる群より選択される1種以上の構造を有する高分子をスルホン化することで得られることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質。
Figure 2010129292
(式中、X1は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−、から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar1は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar1の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(式中、X1、Ar1は前記と同様である。X2は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar2は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar2の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(式中、X1、X2、Ar1、Ar2は前記と同様である。X3は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar3は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar3の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
Figure 2010129292
(式中、X1、X2、X3、Ar1、Ar2、Ar3は前記と同様である。X4は−O−、−S−、−NH−、−CO−、−SO2−から選ばれる連結基あるいは直接結合である。Ar4は0〜4つの置換基を有している、炭化水素系芳香環あるいは酸素、硫黄、窒素のいずれかの原子を含む芳香族へテロ環である。Ar4の置換基としてはアルキル基、アルコキシ基、置換基を有していても良い炭素数6〜30のアリール基、ケトン基、スルホン基、フッ素、塩素、臭素であり複数存在する場合、互いに同一であっても異なっていても良い。nは整数を表す。)
The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polymer electrolyte is obtained by sulfonating a polymer having at least one structure selected from the group consisting of the following formulas (1) to (4).
Figure 2010129292
(Wherein X 1 is a linking group or a direct bond selected from —O—, —S—, —NH—, —CO—, —SO 2 —, and Ar 1 has 0 to 4 substituents. A hydrocarbon-based aromatic ring or an aromatic heterocycle containing any one of oxygen, sulfur, and nitrogen, and the substituent for Ar 1 has an alkyl group, an alkoxy group, or a substituent. And when there are a plurality of aryl groups having 6 to 30 carbon atoms, ketone groups, sulfone groups, fluorine, chlorine and bromine, they may be the same or different, and n represents an integer.)
Figure 2010129292
(Wherein, X 1 and Ar 1 are the same as described above. X 2 is a linking group selected from —O—, —S—, —NH—, —CO— and —SO 2 — or a direct bond. Ar 2 has 0 to 4 substituents, a hydrocarbon aromatic ring or oxygen, sulfur, Examples of the substituent of .Ar 2 is aromatic heterocycle containing any atom of the nitrogen group , An alkoxy group, an optionally substituted aryl group having 6 to 30 carbon atoms, a ketone group, a sulfone group, fluorine, chlorine and bromine, which may be the same as or different from each other. Good, n represents an integer.)
Figure 2010129292
(Wherein X 1 , X 2 , Ar 1 and Ar 2 are the same as described above. X 3 is a linking group selected from —O—, —S—, —NH—, —CO— and —SO 2 —. Alternatively .Ar 3 is a direct bond has 0 to 4 substituents, a hydrocarbon aromatic ring or oxygen, sulfur, the .Ar 3 is aromatic heterocycle containing any atom of the nitrogen The substituent is an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent, a ketone group, a sulfone group, fluorine, chlorine, or bromine. Or n may be different. N represents an integer.)
Figure 2010129292
(Wherein X 1 , X 2 , X 3 , Ar 1 , Ar 2 , Ar 3 are the same as described above. X 4 is —O—, —S—, —NH—, —CO—, —SO 2. Ar 4 is a hydrocarbon aromatic ring having 0 to 4 substituents or an aromatic hetero ring containing any one of oxygen, sulfur, and nitrogen atoms. Ar 4 substituents are alkyl groups, alkoxy groups, optionally substituted aryl groups having 6 to 30 carbon atoms, ketone groups, sulfone groups, fluorine, chlorine, bromine, and a plurality of them. In this case, they may be the same or different from each other, and n represents an integer.)
親水性セグメントと疎水性セグメントを同一分子内に有する請求項1または請求項2に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polymer electrolyte has a hydrophilic segment and a hydrophobic segment in the same molecule. 親水性セグメントのイオン交換容量が1.0〜8.5meq/gである請求項1〜3のいずれか一項に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrophilic segment has an ion exchange capacity of 1.0 to 8.5 meq / g. 2種以上のモノマーからなる高分子であり、高分子の最小繰り返し単位あたりのスルホン酸基導入量が異なる部位を有する請求項1または請求項2に記載の高分子電解質。   3. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polymer electrolyte is a polymer composed of two or more types of monomers, and has a portion where the amount of sulfonic acid group introduced per minimum repeating unit of the polymer is different. イオン交換容量が1.0〜8.5meq/gである請求項5に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 5, which has an ion exchange capacity of 1.0 to 8.5 meq / g. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の高分子電解質を含む、高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane containing the polymer electrolyte as described in any one of Claims 1-6. 請求項7に記載の高分子電解質膜を含む、膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 7. 請求項7に記載の高分子電解質膜を含む、固体高分子形燃料電池。   A solid polymer fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 7. 請求項8に記載の膜電極接合体を含む、固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 8.
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