JP2010238373A - Polymer electrolyte membrane, its manufacturing method, and membrane electrode assembly as well as solid polymer fuel cell using the same - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, its manufacturing method, and membrane electrode assembly as well as solid polymer fuel cell using the same Download PDF

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JP2010238373A JP2009081813A JP2009081813A JP2010238373A JP 2010238373 A JP2010238373 A JP 2010238373A JP 2009081813 A JP2009081813 A JP 2009081813A JP 2009081813 A JP2009081813 A JP 2009081813A JP 2010238373 A JP2010238373 A JP 2010238373A
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裕志 角田
Junji Kawai
淳司 川井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protonic conductive film for a solid polymer fuel cell with high hydrogen peroxide and radical resistance, high initial output voltage, and capable of obtaining high output voltage over a long period of time. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte membrane contains (A) a polyarylene system copolymer with a sulfonic acid group, and (B) manganese-content oxide with a specific surface area of 55 m<SP>2</SP>/g or less measured in the BET method. The (B) manganese-content oxide is at least one of the complex oxides containing manganese oxide or at least one element out of Mn, Ni, Bi, and Ce, and further, (B) the manganese-content oxide is at least either the complex oxide containing MnO<SB>2</SB>, Mn<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, Mn, and Bi or that containing Mn and Ni. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、過酸化水素、ラジカル耐性が高く、初期の出力電圧が高く、長期に渡って高い出力電圧が得られる固体高分子型燃料電池用のプロトン伝導膜に関する。   The present invention relates to a proton conducting membrane for a polymer electrolyte fuel cell that has high resistance to hydrogen peroxide and radicals, a high initial output voltage, and a high output voltage over a long period of time.

固体高分子型燃料電池は、プ高分子電解質膜の両側にアノード電極およびカソード電極が配され、この両側がセパレータで挟まれたセルをユニットとして構成されている。
上記電極は、ガス拡散の促進および集電を行う電極基材と、実際に電気化学反応場となる触媒層とから構成されている。具体的には、アノード電極では、触媒層で燃料ガスが反応してプロトンおよび電子を生じ、電子は電極基材に伝導し外部回路に送られ、プロトンは電極電解質を介して固体高分子電解質膜へと伝導する。一方、カソード電極では、触媒層で酸化ガスと、固体高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、外部回路を経て電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。
In the solid polymer fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a cell in which both sides are sandwiched by separators is configured as a unit.
The electrode includes an electrode base material that promotes gas diffusion and collects current, and a catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. Specifically, in the anode electrode, the fuel gas reacts in the catalyst layer to generate protons and electrons, the electrons are conducted to the electrode base material and sent to the external circuit, and the protons are passed through the electrode electrolyte to the solid polymer electrolyte membrane. Conducted to. On the other hand, in the cathode electrode, the oxidizing gas in the catalyst layer, protons conducted from the solid polymer electrolyte membrane, and electrons conducted from the electrode substrate through an external circuit react to generate water.

ところでこれらの固体高分子型燃料電池においては、電池反応によって高分子電解質膜と電極の界面に形成された触媒層において過酸化物が生成し、生成した過酸化物が拡散しながら過酸化物ラジカルとなって電解質を劣化させる。これらの電極上で発生した過酸化水素は、電極から拡散等のため離れ、電解質中に移動する。この過酸化水素は酸化力の強い物質で、電解質を構成する多くの有機物を酸化する。多くの場合、過酸化水素がラジカル化し、生成した過酸化水素ラジカルが酸化反応の直接の反応物質になっていると考えられる。   By the way, in these polymer electrolyte fuel cells, peroxide is generated in the catalyst layer formed at the interface between the polymer electrolyte membrane and the electrode by the cell reaction, and the peroxide is generated while diffusing the peroxide. This degrades the electrolyte. Hydrogen peroxide generated on these electrodes moves away from the electrodes due to diffusion or the like and moves into the electrolyte. This hydrogen peroxide is a substance having a strong oxidizing power and oxidizes many organic substances constituting the electrolyte. In many cases, it is considered that hydrogen peroxide is radicalized and the generated hydrogen peroxide radical is a direct reactant of the oxidation reaction.

電解質としてよく用いられるデュポン社のNafionで代表される全フッ素系のパーフルオロスルホン酸ポリマーは、一般にラジカル耐性が高いが、機械的強度が低く、発電出力が向上する高温での使用ができないという問題を有している。一方、非パーフルオロスルホン酸ポリマーは、機械的強度が高く、高温での使用が可能であるが、ラジカル耐性が低いという問題を有している。   Perfluorinated sulfonic acid polymers, such as DuPont's Nafion, which are often used as electrolytes, generally have high radical resistance, but they have low mechanical strength and cannot be used at high temperatures to improve power output. have. On the other hand, non-perfluorosulfonic acid polymers have high mechanical strength and can be used at high temperatures, but have a problem of low radical resistance.

非パーフルオロスルホン酸ポリマーにおける問題点であるラジカル耐性の低さを改善するために、スルホン化ポリスチレン−グラフトーETFE膜に二酸化マンガンなどの金属酸化物を過酸化水素分解触媒として添加する技術(特許文献1)、また、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンに二酸化マンガンなどの金属酸化物を添加し、電解質膜のラジカル耐性を向上させる技術(特許文献2)が開示されている。   Technology for adding metal oxides such as manganese dioxide as a hydrogen peroxide decomposition catalyst to sulfonated polystyrene-graft-ETFE membranes in order to improve the low radical resistance, which is a problem in non-perfluorosulfonic acid polymers (Patent Literature) 1) Further, a technique (Patent Document 2) is disclosed in which a metal oxide such as manganese dioxide is added to a sulfonated polyether ether ketone to improve the radical resistance of the electrolyte membrane.

さらに、特許文献3でスルホン酸基を有するセグメントとスルホン酸を有さないセグメントからなるスルホン基を有するポリアリーレン系共重合体にMnO2を添加させて耐久性を向上させているが、添加量が多く、且つ使用するMnO2の平均サイズが大きいため、高分子電解質膜中でのMnO2の分散状態が悪く、耐久性は十分ではなかった。 Furthermore, in Patent Document 3, the durability is improved by adding MnO 2 to a polyarylene copolymer having a sulfonic group composed of a segment having a sulfonic acid group and a segment having no sulfonic acid. In addition, since the average size of MnO 2 used was large, the dispersion state of MnO 2 in the polymer electrolyte membrane was poor, and the durability was not sufficient.

特開2000−106203号公報JP 2000-106203 A 特開2001−118591号公報JP 2001-118591 A 特開2005−135651号公報JP 2005-135651 A

本発明の課題は、過酸化水素、ラジカル耐性が高く、初期の出力電圧が高く、長期に渡って高い出力電圧が得られる燃料電池が得られる高分子電解質膜を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane from which a fuel cell having a high resistance to hydrogen peroxide and radicals, a high initial output voltage, and a high output voltage over a long period of time can be obtained.

本発明の構成は以下の通りである。
[1](A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体および(B)BET法で測定した比表面積が55m2/g以下であるマンガン含有酸化物を含有してなる高分子電解質膜。
[2]前記(B)マンガン含有酸化物が、マンガン酸化物又はMn及びNi、Bi、Ceの少なくとも一つの元素を含む複合酸化物の少なくとも一つである[1]の高分子電解質膜。
[3]前記(B)マンガン含有酸化物が、MnO2、Mn23、Mn及びBiを含む複合酸化物、Mn及びNiを含む複合酸化物の少なくとも一つである[2]の高分子電解質膜。
[4](A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体が、下記一般式(3)で表される構造単位、および下記一般式(4)で表される構造単位を含む[1]〜[3]の高分子電解質膜。
The configuration of the present invention is as follows.
[1] A polymer electrolyte membrane comprising (A) a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group and (B) a manganese-containing oxide having a specific surface area of 55 m 2 / g or less measured by the BET method.
[2] The polymer electrolyte membrane according to [1], wherein the (B) manganese-containing oxide is at least one of a manganese oxide or a complex oxide containing at least one element of Mn and Ni, Bi, and Ce.
[3] The polymer according to [2], wherein (B) the manganese-containing oxide is at least one of a composite oxide containing MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn and Bi, and a composite oxide containing Mn and Ni. Electrolyte membrane.
[4] (A) The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group includes a structural unit represented by the following general formula (3) and a structural unit represented by the following general formula (4) [1] ~ [3] polymer electrolyte membrane.

Figure 2010238373
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 2010238373
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p An aromatic group having a substituent represented by SO 3 H. p represents an integer of 1 to 12, m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, and k represents 1 Represents an integer of ~ 4.)

Figure 2010238373
(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。s、tは0〜4の整数を示し、rは、0または1以上の整数を示す。)
[5](A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体が、下記一般式(1)で表される構造を含む[4]の高分子電解質膜。
Figure 2010238373
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). ), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group. ), At least one structure selected from the group consisting of cyclohexylidene group, fluorenylidene group, —O—, and —S—, B is an oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16 May be the same or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group At least one atom or group selected, s, t Represents an integer of 0 to 4, r represents 0 or an integer of 1 or more.)
[5] (A) The polymer electrolyte membrane according to [4], wherein the polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group includes a structure represented by the following general formula (1).

Figure 2010238373
[式(1)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示し、Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示し、Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
Figure 2010238373
[In the formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10). Or —C (CF 3 ) 2 —, Z is independently a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, — O— or —S— is represented, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). The aromatic group which has a substituent represented by this is shown, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4.

AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示し、sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。]
Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
x、y、zは、x+y+z=100mol%とした場合のモル比を示す。〕
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10. ), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. .), cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O- or -S-, B is an oxygen atom or a sulfur atom independently, R 1 to R 16 each independently represent a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl Group, a halogenated alkyl group, allyl group, aryl group, nitro group or nitrile group partially or wholly halogenated, s and t each represent an integer of 0 to 4, and r is 0 or 1 or more Indicates an integer. ]
Z represents a direct bond or at least one structure selected from the group consisting of —O— and —S—, and Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO. —, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, at least one structure selected from the group consisting of — and R 20 is a nitrogen-containing complex A ring group is shown. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4.
x, y, z represents a molar ratio when x + y + z = 100 mol%. ]

[6](A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を有機溶媒に溶解又は分散する工程と、(B)BET法で測定した比表面積が55m2/g以下であるマンガン含有酸化物を添加し、5000回/分以上の回転数で高速攪拌して(B)マンガン含有酸化物を分散する工程と、を含む高分子電解質膜の製造方法。
[7]前記[1]〜[5]の高分子電解質膜を含む電極−膜接合体。
[8]前記[7]の電極−膜接合体を含む固体高分子型燃料電池。
[6] (A) A step of dissolving or dispersing a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group in an organic solvent, and (B) a manganese-containing oxide having a specific surface area measured by the BET method of 55 m 2 / g or less. And (B) a step of dispersing the manganese-containing oxide by high-speed stirring at a rotational speed of 5000 times / minute or more, and a method for producing a polymer electrolyte membrane.
[7] An electrode-membrane assembly including the polymer electrolyte membrane of [1] to [5].
[8] A polymer electrolyte fuel cell comprising the electrode-membrane assembly according to [7].

以下、本発明に係る高分子電解質膜について詳細に説明する。
[分子電解質膜]
本発明の高分子電解質膜は、(A)プロトン酸基含有芳香族系ポリマーとBET法で測定した比表面積が55m2/g以下であるマンガン含有酸化物とを含有している。そして、本発明の高分子電解質膜中の(A)プロトン酸基含有芳香族系ポリマーは、後述するプロトン酸基を有するポリマーセグメントからなる海状の連続相と、プロトン酸基を有さないポリマーセグメントの島状の不連続相からなるいわゆる海島構造のミクロ相分離構造を構成していることが好ましい。このような連続相の確認は、TEM観察によって行う。
Hereinafter, the polymer electrolyte membrane according to the present invention will be described in detail.
[Molecular electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane of the present invention contains (A) a protonic acid group-containing aromatic polymer and a manganese-containing oxide having a specific surface area measured by the BET method of 55 m 2 / g or less. The (A) protonic acid group-containing aromatic polymer in the polymer electrolyte membrane of the present invention comprises a sea-like continuous phase comprising a polymer segment having a protonic acid group, which will be described later, and a polymer having no protonic acid group. It is preferable to constitute a so-called sea-island microphase separation structure composed of segmented island-like discontinuous phases. Such a continuous phase is confirmed by TEM observation.

このようなミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜は、(A)プロトン酸基含有芳香族系ポリマーがブロック共重合体であり、また、プロトン酸基含有芳香族系ポリマーのイオン交換容量が1.5〜3.5meq/gであることにより好ましく実現される。本発明の高分子電解質膜は、このようなミクロ分離構造を有することにより、(B)マンガン含有酸化物を添加しても、プロトン伝導性の低下が小さく、また、熱水による膨潤が小さく、前記マンガン含有酸化物の溶出がみられない。また、イオン伝導成分を有するポリマーセグメントが連続相であるため、プロトン伝導パスが切断される確率が低く、初期出力電圧の低下が小さい傾向にある。   In the polymer electrolyte membrane having such a microphase separation structure, (A) the protonic acid group-containing aromatic polymer is a block copolymer, and the protonic acid group-containing aromatic polymer has an ion exchange capacity of 1 0.5 to 3.5 meq / g is preferably realized. Since the polymer electrolyte membrane of the present invention has such a micro-separated structure, even when (B) a manganese-containing oxide is added, the decrease in proton conductivity is small, and the swelling due to hot water is small. No elution of the manganese-containing oxide is observed. In addition, since the polymer segment having an ion conduction component is a continuous phase, the probability that the proton conduction path is cut is low, and the decrease in the initial output voltage tends to be small.

[(A)プロトン酸基含有芳香族系ポリマー]
(A)プロトン酸基含有芳香族系ポリマーは、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基又はリン酸基等からなるイオン性基からなるプロトン酸基を有している。この中でも、プロトン酸基がスルホン酸基であるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体が、燃料電池内でのプロトン伝導効率に優れる点で、最も好ましい。
[(A) Protonic acid group-containing aromatic polymer]
(A) The protonic acid group-containing aromatic polymer has a protonic acid group composed of an ionic group composed of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphonic acid group, or a phosphoric acid group. Among these, a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group in which the proton acid group is a sulfonic acid group is most preferable because it is excellent in proton conduction efficiency in the fuel cell.

プロトン酸基含有芳香族系ポリマー中の主鎖骨格としては、耐熱性や機械的強度に優れた芳香族環を共有結合で結合した骨格を有するポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリアリーレンなどを含むものが用いられ、且つ、プロトン酸基を有するポリマーセグメントとプロトン酸基を有さないポリマーセグメントが共有結合していることが好ましい。これらの構造をとることにより、耐熱性および機械的強度が向上し、高温での作動が可能となる。   The main chain skeleton in the protonic acid group-containing aromatic polymer includes polyether ether ketone, polyether sulfone, polyimide, polybenzo having a skeleton formed by covalently bonding aromatic rings excellent in heat resistance and mechanical strength. Those containing oxazole, polyarylene and the like are used, and the polymer segment having a proton acid group and the polymer segment having no proton acid group are preferably covalently bonded. By adopting these structures, heat resistance and mechanical strength are improved, and operation at high temperatures is possible.

また、プロトン酸基を有するポリマーセグメントとプロトン酸基を有さないポリマーセグメントが共有結合しているものは、熱水による膨張が抑制され、酸化物の溶出が抑制される。さらに、高分子電解質膜がミクロ相分離構造を有し、イオン伝導成分を有するポリマーセグメントが連続相であることが好ましい。このようなミクロ相分離構造はプロトン酸基含有芳香族系ポリマーのイオン交換容量が1.5〜3.5meq/gで、プロトン酸基を有するポリマーセグメントとプロトン酸基を有さないポリマーセグメントが共有結合しているブロック共重合体にすることで発現しやすい傾向にある。   In addition, in the case where a polymer segment having a proton acid group and a polymer segment not having a proton acid group are covalently bonded, expansion due to hot water is suppressed, and oxide elution is suppressed. Furthermore, it is preferable that the polymer electrolyte membrane has a microphase separation structure and the polymer segment having an ion conductive component is a continuous phase. In such a microphase separation structure, the proton acid group-containing aromatic polymer has an ion exchange capacity of 1.5 to 3.5 meq / g, and a polymer segment having a proton acid group and a polymer segment having no proton acid group are It tends to be expressed easily by using a block copolymer that is covalently bonded.

次に、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体について具体的に説明する。本発明に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、下記一般式(1)で表されるスルホン酸基を有する構造単位と、下記一般式(2)で表される芳香族構造を有する構造単位とを含むことが特徴であり、下記一般式(3)で表される重合体である。   Next, the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group will be specifically described. The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group used in the present invention includes a structural unit having a sulfonic acid group represented by the following general formula (1) and an aromatic represented by the following general formula (2). The polymer is characterized by containing a structural unit having a structure, and is a polymer represented by the following general formula (3).

[スルホン酸基を有する構造単位]
スルホン酸基を有する構造単位は、下記式(1)で表される構造を有する。
[Structural unit having sulfonic acid group]
The structural unit having a sulfonic acid group has a structure represented by the following formula (1).

Figure 2010238373
一般式(1)において、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち、−CO−、−SO2−が好ましい。
Figure 2010238373
In the general formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — It represents at least one structure selected from the group consisting of C (CF 3 ) 2 —. Of these, —CO— and —SO 2 — are preferable.

Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。このうち直接結合、−O−が好ましい。 Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. The structure of the species is shown. Among these, a direct bond and -O- are preferable.

Arは−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)を有する芳香族基を示す。
芳香族基として具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基などが挙げられる。これらの基のうち、フェニル基、ナフチル基が好ましい。−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基(pは1〜12の整数を示す)は、少なくとも1個置換されていることが必要であり、ナフチル基である場合には2個以上置換していることが好ましい。
Ar is an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). Indicates.
Specific examples of the aromatic group include a phenyl group, a naphthyl group, an anthryl group, and a phenanthryl group. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. At least one substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12) is substituted. When it is a naphthyl group, it is preferable to substitute two or more.

mは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、nは0〜10、好ましくは0〜2の整数であり、kは1〜4の整数を示す。
m、nの値とY、Z、Arの構造についての好ましい組み合わせとして、(1)m=0、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、(2)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、(3)m=1、n=1、k=1であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−SO3Hを有するフェニル基である構造、(4)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Arが置換基として2個の−SO3Hを有するナフチル基である構造、(5)m=1、n=0であり、Yは−CO−であり、Zは−O−であり、Arが置換基として−O(CH24SO3Hを有するフェニル基である構造などを挙げることができる。
m is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, n is an integer of 0 to 10, preferably 0 to 2, and k is an integer of 1 to 4.
As a preferred combination of the values of m and n and the structures of Y, Z and Ar, (1) m = 0, n = 0, Y is —CO—, and Ar is substituted with —SO 3 H. (2) m = 1, n = 0, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent. A structure, (3) m = 1, n = 1, k = 1, Y is —CO—, Z is —O—, and Ar is a phenyl group having —SO 3 H as a substituent. A structure, (4) m = 1, n = 0, Y is —CO—, and Ar is a naphthyl group having two —SO 3 H as substituents; (5) m = 1 a n = 0, Y is -CO-, Z is -O-, and phenyl group Ar has an -O (CH 2) 4 SO 3 H as a substituent Or the like can be given a certain structure.

[芳香族構造を有する構造単位]
芳香族構造を有する構造単位は、下記式(2)で表される構造を有する。
[Structural unit having aromatic structure]
The structural unit having an aromatic structure has a structure represented by the following formula (2).

Figure 2010238373
一般式(2)において、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。ここで、−CR’2−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基、などが挙げられる。
Figure 2010238373
In the general formula (2), A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (1 is 1 to 1). Is an integer of 10), — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, and a halogenated carbon. A hydrogen group), at least one structure selected from the group consisting of a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group, and the like.

これらのうち、直接結合または、−CO−、−SO2−、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−が好ましい。 Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene Group, fluorenylidene group and -O- are preferred.

Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、酸素原子が好ましい。
1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which a part or all of them are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of

アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基などが挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基などが挙げられる。アリル基としては、プロペニル基などが挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基などが挙げられる。   Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

s、tは0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100、好ましくは1〜80である。
s、tの値と、A、B、D、R1〜R16の構造についての好ましい組み合わせとしては、(1)s=1、t=1であり、Aが−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または、−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、(2)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−または、−SO2−であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、(3)s=0、t=1であり、Aが−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、Bが酸素原子であり、R1〜R16が水素原子またはフッ素原子またはニトリル基である構造が挙げられる。
s and t represent an integer of 0 to 4. r shows 0 or an integer greater than or equal to 1, and an upper limit is 100 normally, Preferably it is 1-80.
Preferred combinations of the values of s and t and the structures of A, B, D, and R 1 to R 16 include (1) s = 1, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ Represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —. Wherein R 1 to R 16 are hydrogen atoms or fluorine atoms, (2) s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO— or —SO 2 —. A structure in which R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom, (3) s = 0, t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic carbonization. Hydrogen group and halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene group, fluorenylidene group, B is an oxygen atom The structure R 1 to R 16 is a hydrogen atom or a fluorine atom or a nitrile group.

[スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の構造]
(A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、下記式(3)で表される構造を含む。
[Structure of polyarylene copolymer having sulfonic acid group]
(A) The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group includes a structure represented by the following formula (3).

Figure 2010238373
一般式(3)において、A、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16は、それぞれ上記一般式(1)および(2)中のA、B、D、Y、Z、Ar、k、m、n、r、s、tおよびR1〜R16と同義である。x、yはx+y=100モル%とした場合のモル比を示す。
Figure 2010238373
In the general formula (3), A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t and R 1 to R 16 are respectively in the general formulas (1) and (2). A, B, D, Y, Z, Ar, k, m, n, r, s, t, and R 1 to R 16 . x and y represent molar ratios when x + y = 100 mol%.

本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、式(1)で表されるスルホン酸基を有する構造単位を0.5〜100モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、式(2)で表される芳香族構造を有する構造単位を99.5〜0モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。   The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group used in the present invention contains 0.5 to 100 mol%, preferably 10 to 99.999 mol, of a structural unit having a sulfonic acid group represented by the formula (1). %, The structural unit having an aromatic structure represented by the formula (2) is contained in an amount of 99.5 to 0 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.

(A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、好ましくは、スルホン酸基を有する構造単位から構成されたプロトン酸基を有するポリマーセグメントと芳香族構造を有する構造単位から構成されたプロトン酸基を有さないポリマーセグメントが共有結合したブロック共重合体である。   (A) The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group is preferably a proton composed of a polymer segment having a proton acid group composed of a structural unit having a sulfonic acid group and a structural unit having an aromatic structure. It is a block copolymer in which polymer segments having no acid group are covalently bonded.

(A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体のイオン交換容量は、1.5〜3.5meq/gであることが好ましく、より好ましくは、1.9〜3.0meq/g、さらに好ましくは、1.8〜2.7meq/gである。イオン交換容量が上記範囲内であると、プロトン酸基を有するポリマーセグメントが連続相を形成しやすく、前記マンガン含有酸化物を添加しても、プロトン伝導性の低下が小さく、また、熱水による膨潤が小さく、前記マンガン含有酸化物の溶出がみられない。   (A) The ion exchange capacity of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group is preferably 1.5 to 3.5 meq / g, more preferably 1.9 to 3.0 meq / g, Preferably, it is 1.8 to 2.7 meq / g. When the ion exchange capacity is within the above range, the polymer segment having a proton acid group tends to form a continuous phase, and even when the manganese-containing oxide is added, the decrease in proton conductivity is small, and also due to hot water Swelling is small and elution of the manganese-containing oxide is not observed.

(A)プロトン酸基含有芳香族系ポリマーの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。   (A) The molecular weight of the protonic acid group-containing aromatic polymer is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

[スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の製造方法]
スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、例えば下記に示すA法、B法又はC法により製造することができる。
[Method for producing polyarylene copolymer having sulfonic acid group]
The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group can be produced by, for example, the following method A, method B or method C.

(A法)例えば、特開2004−137444に記載の方法で、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。   (Method A) For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the general formula (1) and the general formula (2) Monomers or oligomers that can be structural units are copolymerized to produce a polyarylene copolymer having a sulfonic acid ester group, and the sulfonic acid ester group is converted into a sulfonic acid group by deesterification. It can be synthesized by conversion.

(B法)例えば、特開2001−342241に記載の方法で、上記一般式(1)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この重合体をスルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。   (Method B) For example, in the method described in JP-A-2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (1) and not having a sulfonic acid group or a sulfonic acid ester group, and the general formula (2) It is also possible to synthesize the polymer by copolymerizing with a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by formula (I) and sulfonating the polymer using a sulfonating agent.

(C法)一般式(1)において、Arが−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特願2003−295974号(特開2005-060625号公報)に記載の方法で、上記一般式(2)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。 (Method C) In the general formula (1), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H For example, by a method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-060625), a precursor monomer that can be a structural unit represented by the above general formula (2), and the above general formula (2) It is also possible to synthesize by a method in which a monomer or an oligomer that can be a structural unit represented by the formula (1) is copolymerized and then an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced.

(A法)において用いることのできる、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、特開2004−137444号公報、特願2003−143903号(特開2004-345997号公報)、特願2003−143904号(特開2004-346163号公報)に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。   As specific examples of the monomer having a sulfonic acid ester group that can be used in (Method A) and can be the structural unit represented by the above general formula (1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-137444 and Japanese Patent Application No. 2003 Examples thereof include sulfonic acid esters described in Japanese Patent Application No. 143903 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-345997) and Japanese Patent Application No. 2003-143904 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-346163).

(B法)において用いることのできる、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   As a specific example of a monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (1) that can be used in (Method B), JP-A-2001-342241 Examples thereof include dihalides described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293889.

(C法)において用いることのできる、上記一般式(1)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特願2003−275409号(特開2005-36125号公報)に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。   As a specific example of a precursor monomer that can be a structural unit represented by the above general formula (1) that can be used in (Method C), Japanese Patent Application No. 2003-275409 (JP 2005-36125 A) Can be mentioned.

また、いずれの方法においても用いられる、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの具体的な例として、
r=0の場合、例えば4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。これらの化合物において塩素原子が臭素原子またはヨウ素原子に置き換わった化合物などが挙げられる。
Moreover, as a specific example of a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (2) used in any method,
When r = 0, for example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1, 1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, 2,6-dichlorobenzonitrile It is done. In these compounds, a compound in which a chlorine atom is replaced with a bromine atom or an iodine atom is exemplified.

r=1の場合、例えば特開2003−113136に記載の化合物を挙げることができる。
r≧2の場合、例えば特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特開2004-346164号公報、特開2005-112985号公報、特開2006-028414号公報、特開2006-028415号公報、特開2005-133081号公報に記載の化合物を挙げることができる。
In the case of r = 1, for example, compounds described in JP-A No. 2003-113136 can be exemplified.
In the case of r ≧ 2, for example, JP 2004-137444, JP 2004-244517, JP 2004-346164, JP 2005-112985, JP 2006-028414, JP 2006 -028415 and JP-A-2005-133081 can be mentioned.

スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を得るためは、まず、これらの、上記一般式(1)で表される構造単位となりうるモノマーと、上記一般式(2)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレン系共重合体を得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、好ましくは、遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)が用いられる。   In order to obtain a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (1) and a structural unit represented by the general formula (2). It is necessary to obtain a precursor polyarylene-based copolymer by copolymerizing with a monomer or oligomer that can be obtained. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used here is a catalyst system containing a transition metal compound, and this catalyst system is preferably a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex (including a copper salt) in which a ligand is coordinated is used.

これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物を挙げることができる。   Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the polymerization conditions such as the reaction solvent, concentration, temperature, time, etc. include the compounds described in JP-A No. 2001-342241.

スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体は、この前駆体のポリアリーレン系共重合体を、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体に変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。   The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group can be obtained by converting the precursor polyarylene copolymer to a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.

(A法)前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレン系共重合体を、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(B法)前駆体のポリアリーレン系共重合体を、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(C法)前駆体のポリアリーレン系共重合体に、特願2003−295974号(特開2005-60625号公報)に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
(Method A) A method in which a polyarylene copolymer having a sulfonate group as a precursor is deesterified by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method B) A method in which a precursor polyarylene copolymer is sulfonated by the method described in JP-A-2001-342241.
(Method C) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene copolymer by the method described in Japanese Patent Application No. 2003-295974 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-60625).

(B)マンガン含有酸化物
本発明のマンガン含有酸化物としては、MnO2、Mn23、Mn34などのマンガン酸化物、マンガンと他元素からなる複合酸化物などが挙げられる。マンガンと他元素からなる複合酸化物は、金属換算のモル比(Mn:Mn以外)で、99.9:0.1〜5:95、好ましくは、99.9:0.1〜30:70.さらに好ましくは、95:5〜40:60である。この範囲内であると、過酸化水素の分解速度が単体よりも速くなる傾向にある。また、他金属元素としては、1つ、もしくは、複数であってもよく、Ni、Bi、Ceなどがあげられる。好ましくは、MnO2、Mn23、Mn及びBiを含む複合酸化物、Mn及びNiを含む複合酸化物が挙げられる。これらのマンガン含有酸化物は、1種で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。本発明の高分子電解質膜は、(B)マンガン含有酸化物を含むことにより、過酸化水素、ラジカル耐性が向上し、初期の出力電圧の低下が小さく、高分子電解質膜の劣化が抑制され、長期に渡って高い出力電圧が得られる。詳細なメカニズムは明らかでないが、前記の酸化物により電極層から高分子電解質膜へ拡散してきた過酸化水素がラジカルにある前に不活性化されたと考えられる。なお、本願発明における複合酸化物とは、2種類以上の金属原子を含む酸化物をいう。
(B) Manganese-containing oxide Examples of the manganese-containing oxide of the present invention include manganese oxides such as MnO 2 , Mn 2 O 3 , and Mn 3 O 4 , and composite oxides composed of manganese and other elements. The composite oxide composed of manganese and other elements has a metal-converted molar ratio (Mn: other than Mn), and 99.9: 0.1 to 5:95, preferably 99.9: 0.1 to 30:70. . More preferably, it is 95: 5 to 40:60. Within this range, the decomposition rate of hydrogen peroxide tends to be faster than that of the simple substance. Further, the other metal element may be one or more, and examples thereof include Ni, Bi, and Ce. Preferably, a composite oxide containing MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn and Bi, or a composite oxide containing Mn and Ni is used. These manganese-containing oxides may be used alone or in combination of two or more. The polymer electrolyte membrane of the present invention includes (B) a manganese-containing oxide, so that hydrogen peroxide and radical resistance are improved, a decrease in initial output voltage is small, and deterioration of the polymer electrolyte membrane is suppressed, A high output voltage can be obtained over a long period of time. Although the detailed mechanism is not clear, it is considered that hydrogen peroxide diffused from the electrode layer to the polymer electrolyte membrane by the oxide was inactivated before being present in the radical. The composite oxide in the present invention means an oxide containing two or more kinds of metal atoms.

また、マンガン含有酸化物は含水物でもよく、結晶体でも非晶質体でもいい。また、粉体でも、繊維状であってもよい。高分子電解質膜中での分散性から粉体の方が好ましい。さらに、高分子電解質膜中での分散性の観点から、レーザー回折・散乱法で測定したマンガン含有酸化物の平均サイズ(平均凝集塊サイズ)が55μm以下、好ましくは、平均サイズが20μm以下、好ましくは、10μm以下、より好ましくは5m以下である。また、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの担体に担持された形態でもよい。   Further, the manganese-containing oxide may be a hydrated substance, and may be a crystalline body or an amorphous body. Further, it may be powder or fibrous. From the viewpoint of dispersibility in the polymer electrolyte membrane, powder is preferred. Furthermore, from the viewpoint of dispersibility in the polymer electrolyte membrane, the average size (average aggregate size) of the manganese-containing oxide measured by the laser diffraction / scattering method is 55 μm or less, preferably the average size is 20 μm or less, preferably Is 10 μm or less, more preferably 5 m or less. Moreover, the form carry | supported by carriers, such as an alumina, a silica, a titania, a zirconia, may be sufficient.

また、マンガン含有酸化物の比表面積が、1〜55m2/gであることが好ましく、20〜50m2/gであることがさらに好ましく、25〜45m2/gであることが特に好ましい。上記範囲未満であると、高分子電解質膜の劣化を十分に抑制するには、多量に添加する必要があり、十分な初期出力電圧を確保できない。一方、上記範囲を超えると、高分子電解質膜の劣化抑制効果が飽和し、且つ、初期出力電圧が大幅に低下することがある。ここで、マンガン含有酸化物の比表面積は、BET法(JIS R 1626;ファインセラミックス粉体の気体吸着BET法による比表面積の測定方法)により測定する。 The specific surface area of the manganese-containing oxide is preferably a 1~55m 2 / g, more preferably from 20 to 50 m 2 / g, particularly preferably 25~45m 2 / g. If it is less than the above range, it is necessary to add a large amount in order to sufficiently suppress the deterioration of the polymer electrolyte membrane, and a sufficient initial output voltage cannot be secured. On the other hand, when the above range is exceeded, the deterioration suppressing effect of the polymer electrolyte membrane is saturated, and the initial output voltage may be significantly reduced. Here, the specific surface area of the manganese-containing oxide is measured by the BET method (JIS R 1626; a method for measuring the specific surface area of the fine ceramic powder by the gas adsorption BET method).

また、マンガン含有酸化物中のマンガン酸化物の含有量は、すべてのマンガン原子がMnO2となっているとして計算したMnO2換算量として、70〜100質量%が好ましい。好ましくは、80〜100質量%、より好ましくは、90〜100質量%である。ここで、MnO2含量は、マンガン含有酸化物粉末とシュウ酸水溶液、硫酸を溶解して、過マンガン酸カリウム水溶液で滴定して求めることができる。MnO2含量が上記範囲未満であると、耐久性向上効果が十分ではない。 Further, the content of the manganese oxide in the manganese-containing oxide is preferably 70 to 100% by mass as the MnO 2 conversion amount calculated on the assumption that all the manganese atoms are MnO 2 . Preferably, it is 80-100 mass%, More preferably, it is 90-100 mass%. Here, the MnO 2 content can be obtained by dissolving a manganese-containing oxide powder, an oxalic acid aqueous solution, and sulfuric acid and titrating with a potassium permanganate aqueous solution. When the MnO 2 content is less than the above range, the durability improving effect is not sufficient.

マンガン含有酸化物の配合量は、高分子電解質膜の全質量を100質量%として、0.1〜5質量%の割合で含有されていることが好ましい。好ましくは、0.5〜3質量%、より好ましくは0.5〜2質量%である。上記範囲未満であると、高分子電解質膜の劣化抑制効果が小さく、長期に渡って高い出力電圧が維持することができない。一方、上記範囲を超えると、プロトン伝導パスが切断され、初期の出力電圧が低くなることがあるため、好ましくない。さらに、高分子電解質膜中に均一に分散することが困難となる。   The compounding amount of the manganese-containing oxide is preferably 0.1 to 5% by mass with the total mass of the polymer electrolyte membrane being 100% by mass. Preferably, it is 0.5-3 mass%, More preferably, it is 0.5-2 mass%. If it is less than the above range, the effect of suppressing deterioration of the polymer electrolyte membrane is small, and a high output voltage cannot be maintained over a long period of time. On the other hand, exceeding the above range is not preferable because the proton conduction path is cut and the initial output voltage may be lowered. Furthermore, it becomes difficult to uniformly disperse in the polymer electrolyte membrane.

マンガン含有酸化物は高分子電解質膜中に均一に分散していることが好ましいが、高分子電解質の劣化の激しい部位にのみに配置したり、そのような部位により多く配置してもよい。例えば、高分子電解質膜の電極側に多く配置させてもよい。   The manganese-containing oxide is preferably dispersed uniformly in the polymer electrolyte membrane, but it may be arranged only at a site where the polymer electrolyte is severely deteriorated or more at such a site. For example, many may be arranged on the electrode side of the polymer electrolyte membrane.

高分子電解質膜の製造方法
本発明の高分子電解質膜の製造方法は、特に限定されないが、たとえば、(A)プロトン酸含有芳香族系ポリマーを有機溶媒に溶解又は分散させた後、(B)マンガン含有酸化物を含む組成物を調製し、この組成物を基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法などにより製造することができる。なお、前記組成物は、高分子電解質、酸化物、および有機溶媒以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などを含んでもよい。さらに、前記組成物中での酸化物の分散性を高めるため、下記分散剤を添加してもよい。
Method for Producing Polymer Electrolyte Membrane The method for producing the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited. For example, (A) after dissolving or dispersing the proton acid-containing aromatic polymer in an organic solvent, (B) A composition containing a manganese-containing oxide can be prepared, and the composition can be cast by casting on a substrate to form a film. In addition to the polymer electrolyte, oxide, and organic solvent, the composition may contain an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like. Furthermore, in order to improve the dispersibility of the oxide in the composition, the following dispersant may be added.

上記組成物中のポリマー濃度は、高分子電解質の分子量にもよるが、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。ポリマー濃度が前記範囲よりも低いと、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすくなる傾向にあり、一方、上記範囲を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The polymer concentration in the composition is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass, although it depends on the molecular weight of the polymer electrolyte. If the polymer concentration is lower than the above range, it is difficult to increase the film thickness, and pinholes tend to be easily generated. On the other hand, if the polymer concentration exceeds the above range, the solution viscosity is too high to form a film, and the surface smoothness is reduced. May lack sexuality.

上記組成物の溶液粘度は、共重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。溶液粘度が上記範囲よりも低いと、加工中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがあり、一方、上記範囲を超えると、高粘度過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。   The solution viscosity of the composition is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight of the copolymer and the polymer concentration. If the solution viscosity is lower than the above range, the retention of the solution during processing is poor and may flow from the substrate.On the other hand, if it exceeds the above range, the viscosity is too high to be extruded from the die, Film formation by the casting method may be difficult.

上記組成物は、たとえば、上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法、例えばホモミキサー、ホモディスパー、ウエーブローター、ホモジナイザー、ディスパーサー、ペイントコンディショナー、ボールミルなどの混合機を用いて混合することにより調製することができる。回転式混合機の回転速度は、5,000回/分以上が好ましく、10,000回/分以上がさらに好ましい。回転数に特に上限値はないが、現実的には、20,000回/分又は30,000回/分が混合機の性能上の上限となる場合が多い。このような製造方法で製造した前記高分子電解質溶液は、有機溶媒中にマンガン含有酸化物が均一に分散されており、凝集が少なく、長時間放置してもマンガン含有酸化物の沈降がみられない。   The composition is, for example, mixing the above-mentioned components at a predetermined ratio, and using a conventionally known method, for example, a mixer such as a homomixer, homodisper, wafer blower, homogenizer, disperser, paint conditioner, or ball mill. Can be prepared. The rotational speed of the rotary mixer is preferably 5,000 times / minute or more, and more preferably 10,000 times / minute or more. Although there is no particular upper limit for the number of revolutions, in practice, 20,000 times / minute or 30,000 times / minute is often the upper limit on the performance of the mixer. In the polymer electrolyte solution produced by such a production method, the manganese-containing oxide is uniformly dispersed in the organic solvent, there is little aggregation, and precipitation of the manganese-containing oxide is observed even when left for a long time. Absent.

回転速度が少なすぎると、マンガン含有酸化物が均一に高分子電解質膜中に分散できず、十分な発電耐久性が得られない。また、前記高分子電解質溶液を静置後、マンガン含有酸化物の沈降がみられ、発電性能にバラツキが見られることがある。   If the rotational speed is too low, the manganese-containing oxide cannot be uniformly dispersed in the polymer electrolyte membrane, and sufficient power generation durability cannot be obtained. In addition, after the polymer electrolyte solution is allowed to stand, the manganese-containing oxide is precipitated, and the power generation performance may vary.

また、混合機による混合時間は、5秒間〜60分間、好ましくは、5秒〜5分、より好ましくは、5秒〜3分である。この範囲内であると、マンガン含有酸化物が均一の高分子電解質溶液に分散し、静置後、マンガン含有酸化物の沈降がみられない。   The mixing time by the mixer is 5 seconds to 60 minutes, preferably 5 seconds to 5 minutes, and more preferably 5 seconds to 3 minutes. Within this range, the manganese-containing oxide is dispersed in a uniform polymer electrolyte solution, and no sedimentation of the manganese-containing oxide is observed after standing.

上記基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製や金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。また、上記電極層を基体として用いることもできる。   The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in a usual solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate is used. In addition, the electrode layer can be used as a substrate.

上記キャスティング法による製膜後、30〜160℃、好ましくは50〜150℃の温度で、3〜180分、好ましくは5〜120分間乾燥することにより、高分子電解質膜を得ることができる。その乾燥膜厚は、通常、10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。乾燥後、膜中に溶媒が残存する場合は、必要に応じて、水抽出により脱溶媒することもできる。なお、上記高分子電解質膜には、高分子電解質以外に、分散剤、硫酸やリン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などが含まれてもよい。   After film formation by the above casting method, a polymer electrolyte membrane can be obtained by drying at a temperature of 30 to 160 ° C., preferably 50 to 150 ° C. for 3 to 180 minutes, preferably 5 to 120 minutes. The dry film thickness is usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm. If the solvent remains in the membrane after drying, the solvent may be removed by water extraction as necessary. In addition to the polymer electrolyte, the polymer electrolyte membrane may contain a dispersant, an inorganic acid such as sulfuric acid or phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like.

有機溶媒
(A)プロトン酸含有芳香族系ポリマーを分散又は溶解させるために用いられる有機溶媒としては、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノール、シクロヘキサノール、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、ジオキサン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタール、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノン、γーブチロラクトン、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テトラメチル尿素、トルエン、キシレン、ヘプタン、オクタンなどの炭化水素系有機溶媒、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどの多価アルコール系有機溶媒などを挙げることができる。これらの中では、窒素含有溶媒が高分子電解質のプロトン酸と酸−塩基相互作用してミクロそう分離構造を形成しやすいため好ましい。このような窒素含有溶媒としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、γ―ブチロラクトンなどが挙げられる。
Organic solvent (A) Organic solvents used for dispersing or dissolving the protonic acid-containing aromatic polymer include ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, n -Butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, cyclohexanol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2- Pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol 3-methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol, 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, dioxane, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, Bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzyl ethyl ether, anisole, phenetole, acetal, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone, γ-butyrolactone, acetic acid-n-butyl, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, pentyl acetate , Isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2-propanol, dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl- Examples include hydrocarbon organic solvents such as 2-pyrrolidone (NMP), tetramethylurea, toluene, xylene, heptane, and octane, and polyhydric alcohol organic solvents such as ethylene glycol, propylene glycol, and glycerol. Among these, a nitrogen-containing solvent is preferable because it easily forms a micro-separated structure due to acid-base interaction with the protonic acid of the polymer electrolyte. Examples of such nitrogen-containing solvents include dimethylacetamide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide, tetramethylurea, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and γ-butyrolactone. Can be mentioned.

上記有機溶媒は、1種単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよいが、イオン交換樹脂の溶解性の観点から、好ましくは、水溶性の非プロトン性双極子有機溶媒を含有していること、より好ましくは、水溶性の非プロトン性双極子有機溶媒を10質量%以上含有していることが望ましい。   The organic solvent may be used alone or in combination of two or more, but preferably contains a water-soluble aprotic dipolar organic solvent from the viewpoint of solubility of the ion exchange resin. More preferably, it is desirable to contain 10% by mass or more of a water-soluble aprotic dipolar organic solvent.

分散剤
高分子電解質膜を形成するための上記組成物には、必要に応じてさらに分散剤を添加してもよい。このような分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
If necessary, a dispersant may be further added to the composition for forming the dispersant polymer electrolyte membrane. Examples of such a dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant.

[膜電極接合体]
本発明の膜電極接合体は、前記高分子電解質膜を含むものであり、該高分子電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とを備えている。
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly of the present invention includes the polymer electrolyte membrane, and includes the polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer.

典型的には、前記高分子電解質膜を挟んで一方にはカソード電極用の触媒層と他方にはアノード電極用の触媒層が設けられており、さらにカソード側およびアノード側の各触媒層のイオン交換樹脂膜と反対側に接して、カソード側およびアノード側にそれぞれガス拡散層が設けられている。触媒層およびガス拡散層は、公知の構成を採用することができる。以下、ガス拡散層、触媒層についてそれぞれ説明する。   Typically, a catalyst layer for a cathode electrode is provided on one side and a catalyst layer for an anode electrode is provided on the other side of the polymer electrolyte membrane, and ions of each catalyst layer on the cathode side and the anode side are provided. Gas diffusion layers are provided on the cathode side and the anode side, respectively, in contact with the side opposite to the exchange resin film. A well-known structure can be employ | adopted for a catalyst layer and a gas diffusion layer. Hereinafter, each of the gas diffusion layer and the catalyst layer will be described.

[ガス拡散層]
ガス拡散層は、多孔性基材又は多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる場合には、微多孔層が触媒層に接して設けられる。ガス拡散層は、特に限定されないが、多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなることが好ましい。
[Gas diffusion layer]
The gas diffusion layer is composed of a porous substrate or a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, the microporous layer is provided in contact with the catalyst layer. Although a gas diffusion layer is not specifically limited, It is preferable to consist of a laminated structure of a porous base material and a microporous layer.

(1)微多孔層
微多孔層は、炭素粉末と、含フッ素樹脂などを含むことができる。微多孔層は、炭素粉末等を溶媒に分散した微多孔層形成用ペーストを用いて形成される。
(1) Microporous layer The microporous layer can contain carbon powder, fluorine-containing resin, and the like. The microporous layer is formed using a microporous layer forming paste in which carbon powder or the like is dispersed in a solvent.

本発明で用いられる微多孔層組成は、炭素粉末及樹脂が、20〜95:80〜5の重量比に存在することが好ましく、40〜90:60〜10の重量比に存在することがさらに好ましい。前記炭素粉末の含量が20%重量より少ない場合には、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われない。炭素粉末の含量が95%重量を超える場合には、炭素粉末の脱落が起こる可能性があって好ましくない。   In the microporous layer composition used in the present invention, the carbon powder and the resin are preferably present in a weight ratio of 20 to 95:80 to 5, more preferably in a weight ratio of 40 to 90:60 to 10. preferable. When the content of the carbon powder is less than 20% by weight, it is difficult to form fine pores in the microporous layer, and the reactants are not easily diffused. When the content of the carbon powder exceeds 95% by weight, the carbon powder may fall off, which is not preferable.

(1−1)炭素粉末
炭素粉末としては、カーボン粉、カーボン繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、および、表面を炭素膜で被覆した炭化ケイ素ウイスカーなどが挙げられる。これらは、1種単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
(1-1) Carbon powder Examples of the carbon powder include carbon powder, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, and silicon carbide whisker whose surface is coated with a carbon film. These may be used alone or in combination of two or more.

上記カーボン粉としては、電子伝導性と比表面積の大きさの観点から、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましい。   The carbon powder is preferably carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.

(1−2)含フッ素樹脂
微多孔質は、含フッ素樹脂を含んでいてもよい。含フッ素樹脂は多孔性基材に撥水性を付与する。具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル、ポリパーフルオロスルホニルフロライド、アルコキシビニルエーテル、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼン、分子内に脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボン重合体、含フッ素オレフィオンと炭化水素系オレフィンとの共重合体、含フッ素アクリレートとアクリレートまたは/およびメタクリレートとの共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロパンなど、またはこれらのコポリマーがあげられる。この中で、撥水性の持続性および使用上の取り扱いやすさからフッ素樹脂が好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体がより好ましい。
(1-2) Fluorine-containing resin The microporous material may contain a fluorine-containing resin. The fluorine-containing resin imparts water repellency to the porous substrate. Specific examples include polytetrafluoroethylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, silane coupling agent, silicone resin, wax, polyphosphazene, and perfluorocarbon having an aliphatic ring structure in the molecule. Polymer, copolymer of fluorine-containing olefin and hydrocarbon olefin, copolymer of fluorine-containing acrylate and acrylate or / and methacrylate, polyvinylidene fluoride, polychlorotrifluoroethylene, polyhexafluoropropylene, tetrafluoro Ethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, poly Fluoride - hexafluoropropane, or their copolymers. Among these, a fluororesin is preferable from the viewpoint of durability of water repellency and ease of handling in use, and polytetrafluoroethylene and a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer are more preferable.

(1−3)微多孔層形成用ペースト
本発明で使用される微多孔層は、以下に示す微多孔層形成用ペーストを用いて形成される。
(1-3) Microporous layer forming paste The microporous layer used in the present invention is formed using the following microporous layer forming paste.

本発明において、ペースト中の炭素粉末及び含フッ素樹脂の合計重量が3質量%〜50質量%、好ましくは10質量%〜40質量%であり、溶媒の使用割合は重量比で50質量%〜97質量%、好ましくは60質量%〜90質量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0質量%〜45質量%、好ましくは0質量%〜20質量%である。炭素粉末の使用割合が、上記範囲未満であると、微多孔層内に微細気孔を形成しにくくて反応物の拡散が容易に行われない。また、上記範囲より大きいと、炭素粉末の脱落が起こる可能性がある。撥水剤の使用割合が、上記範囲未満であると、炭素粉末の脱落が起こる可能性があって好ましくない。   In the present invention, the total weight of the carbon powder and the fluorine-containing resin in the paste is 3% by mass to 50% by mass, preferably 10% by mass to 40% by mass, and the use ratio of the solvent is 50% by mass to 97% by weight. % By mass, preferably 60% by mass to 90% by mass, and the proportion of the dispersant used as necessary is 0% by mass to 45% by mass, preferably 0% by mass to 20% by mass. . When the use ratio of the carbon powder is less than the above range, it is difficult to form micropores in the microporous layer, and the reactant is not easily diffused. If it is larger than the above range, the carbon powder may fall off. If the ratio of the water repellent used is less than the above range, the carbon powder may fall off, which is not preferable.

(1−4)微多孔層の形成方法
本発明で用いられる微多孔層の形成方法としては、多孔性基材又は触媒層上に、前記ペーストを直接塗布後乾燥することにより形成することが可能であり、他の転写基材上に微多孔層形成用ペーストを塗布後乾燥して微多孔層を形成し、多孔性基材又は触媒層上にホットプレスで転写してもよい。また上記微多孔層を数回に分けて積層することにより形成してもよい。
微多孔層形成用ペーストの塗布方法、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などが挙げられる。
(1-4) Formation method of microporous layer As a formation method of the microporous layer used by this invention, it is possible to form by directly drying after apply | coating the said paste on a porous base material or a catalyst layer. The microporous layer forming paste may be applied on another transfer substrate and then dried to form a microporous layer, which may be transferred onto the porous substrate or the catalyst layer by hot pressing. Moreover, you may form by laminating | stacking the said microporous layer in several times.
Examples of the method for applying the microporous layer forming paste include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.

(2)多孔性基材
本発明で用いられる多孔性基材としては、燃料電池に一般に用いられる多孔性基材、たとえば、導電性物質を主たる構成材とする多孔質導電シートなどを、特に限定されることなく用いることができる。
(2) Porous base material As the porous base material used in the present invention, a porous base material generally used for fuel cells, for example, a porous conductive sheet mainly composed of a conductive substance, is particularly limited. It can be used without being done.

上記導電性物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛および膨張黒鉛などの炭素粉末、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが挙げられる。上記導電性物質の形態は、繊維状または粒子状など特に限定されないが、好ましくは繊維状導電性無機物質(無機導電性繊維)、特に好ましくは炭素繊維である。   Examples of the conductive substance include a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, carbon powders such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum, and titanium. Although the form of the said conductive substance is not specifically limited, such as fibrous form or particle form, Preferably it is a fibrous conductive inorganic substance (inorganic conductive fiber), Most preferably, it is a carbon fiber.

無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートとしては、織布または不織布いずれの構造も使用可能である。織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など特に限定されることなく用いることができる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法などの方法で製造されたものが、特に限定されることなく用いることができる。また、無機導電性繊維を用いた多孔質導電シートは編物であってもよい。   As a porous conductive sheet using inorganic conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. As the woven fabric, plain weaving, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving and the like can be used without particular limitation. Moreover, as a nonwoven fabric, what was manufactured by methods, such as a papermaking method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, a melt blow method, can be used without being specifically limited. The porous conductive sheet using inorganic conductive fibers may be a knitted fabric.

(2−1)多孔性基材の処理方法
多孔性基材は、好ましくは多孔質基材中の導電性物質を、撥水処理して使用される。多孔性基材を撥水処理するには、含フッ素樹脂を水中に分散させたディスパージョン、または有機溶媒に溶解させた撥水剤溶解液(以下、撥水処理用樹脂ともいう。)を用いて、後述の方法で撥水剤コートして撥水剤以外の成分(溶媒、分散剤など)を乾燥、加熱分解することで作製することができる。撥水剤コート法としては、組成物の粘性によってディップコーティング法、スクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法またはドクターブレードを利用したコーティング法、グラビアコーティング法、シルクスクリーン法、ペインティング法などが用いられるが、これに限られるものではない。この中で、ディップコーティング法が好ましい。ディップコーティング法の場合、撥水処理用樹脂のコート量は、ディスパージョン、または撥水剤溶解液の濃度により調整することができる。多孔性基材への撥水処理用樹脂のコート量は、撥水処理多孔性基材に対する撥水剤の重量比が1質量%〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは2質量%〜30質量%で、5質量%〜20質量%が好適である。撥水処理用樹脂のコート量が上記範囲内であると、排水性が良好となり発電特性が向上するため好ましい。
(2-1) Method for treating porous substrate The porous substrate is preferably used after subjecting the conductive material in the porous substrate to a water repellent treatment. In order to perform the water repellent treatment of the porous substrate, a dispersion in which a fluorine-containing resin is dispersed in water or a water repellent solution dissolved in an organic solvent (hereinafter also referred to as a water repellent treatment resin) is used. Then, it can be produced by coating the water repellent with the method described later and drying and thermally decomposing components other than the water repellent (solvent, dispersant, etc.). As the water repellent coating method, a dip coating method, a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade, a gravure coating method, a silk screen method, a painting method, etc. are used depending on the viscosity of the composition. It is not limited to this. Among these, the dip coating method is preferable. In the case of the dip coating method, the coating amount of the water repellent resin can be adjusted by the concentration of the dispersion or the water repellent solution. The coating amount of the water-repellent treatment resin on the porous substrate is preferably such that the weight ratio of the water-repellent agent to the water-repellent treated porous substrate is 1% by mass to 50% by mass, more preferably 2% by mass. -30 mass%, 5 mass%-20 mass% are suitable. It is preferable that the coating amount of the water-repellent treatment resin is in the above-mentioned range because the drainage is good and the power generation characteristics are improved.

[触媒層]
膜電極接合体を構成する触媒層は、触媒、イオン交換樹脂電解質を含み、さらに必要に応じて、炭素繊維、イオン交換基を有さない樹脂、分散剤などを含む。このような触媒層は、触媒ペーストを使用して形成することができる。該触媒ペーストは、触媒、イオン交換樹脂電解質および溶媒を含有し、好ましくは、触媒、イオン交換樹脂電解質および溶媒に加えて、炭素繊維、イオン交換基を有しない樹脂、水、分散剤等を含有するものである。
[Catalyst layer]
The catalyst layer constituting the membrane electrode assembly includes a catalyst and an ion exchange resin electrolyte, and further includes carbon fiber, a resin having no ion exchange group, a dispersant, and the like as necessary. Such a catalyst layer can be formed using a catalyst paste. The catalyst paste contains a catalyst, an ion exchange resin electrolyte, and a solvent. Preferably, in addition to the catalyst, the ion exchange resin electrolyte and the solvent, carbon fiber, a resin having no ion exchange group, water, a dispersant, and the like. To do.

(1)触媒
触媒としては白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素が含まれるものであってもよい。
(1) Catalyst As the catalyst, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium or iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more elements such as an alloy or a mixture.

触媒を有効利用する観点から、上記触媒を高比表面積カーボン微粒子に担持したものを用いることができる。カーボン担体としては、電子伝導性と比表面積の大きさの観点から、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましい。   From the viewpoint of effectively using the catalyst, a catalyst in which the above catalyst is supported on carbon fine particles having a high specific surface area can be used. As the carbon support, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like is preferable from the viewpoint of electron conductivity and specific surface area.

上記カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、触媒担持カーボン中の触媒含有率が10〜95質量%であることが望ましく、20〜85質量%であると更に好適である。上記範囲より触媒含有率が大きい場合は、有効に使われない触媒が増えるため、効率の悪い電極になる。また上記より小さい触媒含有率の場合は十分な触媒量のできないため電池の性能が低くなる。   The amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as the catalyst activity can be effectively exhibited, but the catalyst content in the catalyst-supported carbon is 10 to 95% by mass. Desirably, it is more suitable in it being 20-85 mass%. If the catalyst content is higher than the above range, the number of catalysts that are not used effectively increases, resulting in an inefficient electrode. Further, when the catalyst content is smaller than the above, a sufficient amount of catalyst cannot be obtained, so that the battery performance is lowered.

(2)イオン交換樹脂電解質
イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を担持したカーボンを結着させるバインダー成分として働くとともに、燃料極では触媒上の反応によって発生したイオンをイオン伝導膜へ効率的に供給し、また、空気極ではイオン伝導膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する。
(2) Ion exchange resin electrolyte The ion exchange resin electrolyte functions as a binder component for binding the carbon carrying the catalyst, and efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the ion conductive membrane at the fuel electrode. In addition, the air electrode efficiently supplies ions supplied from the ion conductive membrane to the catalyst.

本発明で用いられる触媒層のイオン交換樹脂としては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。このようなポリマーに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマーも、特に限定されることなく選ばれるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマーや、スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体などが好ましく用いられる。また、上記し芳香族系イオン交換樹脂膜を構成するスルホン酸基を有するポリアリーレン系重合体をイオン交換性樹脂として使用してもよく、さらにプロトン交換基を有するフッ素原子を含むポリマーや、エチレンやスチレンなどから得られる他のポリマー、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。   The ion exchange resin for the catalyst layer used in the present invention is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the catalyst layer. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. Further, such a polymer having a proton exchange group is also selected without any particular limitation, but a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, a sulfonic acid group A polyarylene copolymer having the same is preferably used. In addition, a polyarylene polymer having a sulfonic acid group constituting the aromatic ion exchange resin membrane described above may be used as an ion exchange resin, and a polymer containing a fluorine atom having a proton exchange group, or ethylene Or other polymers obtained from styrene or the like, copolymers or blends thereof.

このようなイオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、たとえばNafion(DuPont社、登録商標)やスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体等を特に制限なく使用できる。
本発明に用いることのできるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の具体的態様は特に限定されるものではないが、好ましい態様について後述する。
As such an ion exchange resin electrolyte, a known one can be used without particular limitation, and for example, Nafion (DuPont, registered trademark), a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, or the like can be used without any particular limitation.
Although the specific aspect of the polyarylene-type copolymer which has a sulfonic acid group which can be used for this invention is not specifically limited, A preferable aspect is mentioned later.

(3)触媒層組成
本発明において、触媒層中の触媒(触媒が担持されたカーボンブラックの場合は全体)の使用割合は、重量比で25質量%〜85質量%、好ましくは重量40%〜70質量%であり、イオン交換樹脂電解質の使用割合は、重量比で10質量%〜60質量%、好ましくは15質量%〜50質量%であり、必要に応じて用いられるイオン交換基を有しない樹脂の使用割合は、重量比で0質量%〜40質量%、好ましくは0質量%〜20質量%であり、必要に応じて用いられる炭素繊維の使用割合は、重量比で0質量%〜40質量%、好ましくは0質量%〜30質量%であり、必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0質量%〜10質量%、好ましくは0質量%〜5質量%である。
(3) Catalyst layer composition In the present invention, the proportion of the catalyst in the catalyst layer (in the case of carbon black carrying a catalyst) is 25% by mass to 85% by mass, preferably 40% by mass. It is 70% by mass, and the use ratio of the ion exchange resin electrolyte is 10% by mass to 60% by mass, preferably 15% by mass to 50% by mass, and does not have an ion exchange group used as necessary. The use ratio of the resin is 0% by mass to 40% by mass, preferably 0% by mass to 20% by mass, and the use ratio of the carbon fiber used as necessary is 0% by mass to 40% by weight. It is 0 mass%, Preferably it is 0 mass%-30 mass%, and the usage-amount of the dispersing agent used as needed is 0 mass%-10 mass% by weight ratio, Preferably it is 0 mass%-5 mass%. .

(4)触媒ペースト組成
触媒ペーストは、前記触媒層の項に示した使用割合の各成分が有機溶剤に溶解又は分散されてなる。触媒ペーストに用いられる有機溶剤は、特に限定されないが、これらの有機溶剤に水を併用することがさらに好ましい。
(4) Catalyst paste composition The catalyst paste is prepared by dissolving or dispersing each component in the usage ratio shown in the section of the catalyst layer in an organic solvent. The organic solvent used in the catalyst paste is not particularly limited, but it is more preferable to use water in combination with these organic solvents.

(5)触媒ペースト組成物の調製
触媒ペースト組成物は、たとえば、上記各成分を混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。各成分の混合順序は特に限定されないが、たとえば、全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、有機溶媒の量を調整して、組成物の粘度を調整してもよい。
(5) Preparation of catalyst paste composition The catalyst paste composition can be prepared, for example, by mixing the above components and kneading them by a conventionally known method. The order of mixing the components is not particularly limited. For example, all the components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then the dispersant is added as necessary. It is preferable to add and to stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of an organic solvent as needed, and may adjust the viscosity of a composition.

(6)触媒層の形成
本発明に係る膜電極接合体の触媒層は、上記電極ペースト組成物をイオン交換樹脂膜上に直接塗布し、乾燥することにより形成することができる。
(6) Formation of catalyst layer The catalyst layer of the membrane electrode assembly according to the present invention can be formed by directly applying the electrode paste composition onto an ion exchange resin membrane and drying it.

電極ペースト組成物の塗布方法、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などが挙げられる。
基材上に形成された塗膜の溶媒の除去は、温度30℃〜200℃、好ましくは40℃〜180℃、時間は1分〜250分、好ましくは5分〜120分、乾燥して行うことができる。
Examples of the electrode paste composition coating method include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.
Removal of the solvent of the coating film formed on the substrate is performed by drying at a temperature of 30 ° C. to 200 ° C., preferably 40 ° C. to 180 ° C., for a time of 1 minute to 250 minutes, preferably 5 minutes to 120 minutes. be able to.

基材上に形成される触媒層は、酸化剤が供給されるカソード側であれば、触媒層に含まれる貴金属触媒量が、0.1mg/cm2〜6.0mg/cm2であることが好ましく、さらに好ましくは0.3mg/cm2〜2.0mg/cm2である。燃料が供給されるアノード側であれば、触媒層に含まれる貴金属触媒量が、0.1mg/cm2〜4.0mg/cm2であることが好ましく、さらに好ましくは0.2mg/cm2〜1.0mg/cm2である。 Catalyst layer formed on the substrate, if the cathode side to which an oxidant is supplied, that the noble metal catalyst content in the catalyst layer is 0.1mg / cm 2 ~6.0mg / cm 2 preferably, more preferably from 0.3mg / cm 2 ~2.0mg / cm 2 . If the anode side of the fuel is supplied, the noble metal catalyst amount included in the catalyst layer is preferably from 0.1mg / cm 2 ~4.0mg / cm 2 , more preferably 0.2 mg / cm 2 ~ 1.0 mg / cm 2 .

触媒層に含まれる貴金属触媒量が上記範囲未満であると、カソード側、アノード側共に燃料である水素のプロトン化反応量が少なくなり発電性能が低下する。触媒層に含まれる貴金属触媒量が上記範囲以上であると、反応に使用されない貴金属触媒が多くなりすが、アノード側であれば、燃料である水素の透過性が低下し、カソード側であれば、空気(酸素)の透過性、排水性が低下し、発電性能が低下することがある。   If the amount of the noble metal catalyst contained in the catalyst layer is less than the above range, the protonation reaction amount of hydrogen, which is a fuel, on both the cathode side and the anode side decreases, and the power generation performance decreases. If the amount of the noble metal catalyst contained in the catalyst layer is more than the above range, the amount of the noble metal catalyst that is not used in the reaction will increase. Air (oxygen) permeability and drainage may be reduced, and power generation performance may be reduced.

膜電極接合体の製造方法
本発明の膜−電極接合体は、前記順序で各構成材料が積層されていればその製造方法に特に制限されない。
Manufacturing Method of Membrane Electrode Assembly The membrane-electrode assembly of the present invention is not particularly limited to the manufacturing method as long as each constituent material is laminated in the above order.

たとえば、高分子電解質膜を予め作製しておき、該膜の両面に電極層を形成したのち、拡散層で電極層をはさみ、プレス加工するなどの方法が挙げられる。
また、高分子電解質膜を基材表面に作製したのち、電極層と高分子電解質膜とを接合したのち、基材を除去してもよい。
For example, a method in which a polymer electrolyte membrane is prepared in advance, electrode layers are formed on both surfaces of the membrane, the electrode layer is sandwiched between diffusion layers, and press processing is performed.
Alternatively, after the polymer electrolyte membrane is formed on the surface of the substrate, the substrate may be removed after the electrode layer and the polymer electrolyte membrane are joined.

[燃料電池]
本発明の燃料電池は、少なくとも一つ以上の膜−電極接合体及びその両側に位置するセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む燃料電池であって、膜−電極接合体が上記記載のものであることを特徴とする。
[Fuel cell]
The fuel cell according to the present invention includes at least one electricity generation unit including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit; and an oxidant. A fuel cell including an oxidant supply unit that supplies the electricity generation unit, wherein the membrane-electrode assembly is as described above.

本発明の電池に用いられるセパレータとしては、通常の燃料電池に用いられるものを用いることができる。具体的にはカーボンタイプのもの、金属タイプのものなどを用いることができる。   As the separator used in the battery of the present invention, those used in ordinary fuel cells can be used. Specifically, carbon type or metal type can be used.

また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。本発明の電池は単セルで用いることもできるし、複数の単セルを直列に繋いだスタックとして用いることもできる。スタックの方法としては公知のものを用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキング、及び燃料または酸化剤の流路がセパレータの裏表面にそれぞれ形成されているセパレータを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングを用いることができる。   Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The battery of the present invention can be used as a single cell or as a stack in which a plurality of single cells are connected in series. As a stacking method, a known method can be used. Specifically, planar stacking in which single cells are arranged in a plane and bipolar stacking in which single cells are stacked via separators each having a fuel or oxidant flow path formed on the back surface of the separator can be used. .

[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。各実施例・比較例の評価結果を表1に示す。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. Table 1 shows the evaluation results of the examples and comparative examples.

1.イオン交換容量
高分子電解質膜及び各電極触媒層を構成する高分子電解質成分からなる膜を作製し、所定量を秤量してテトラヒドロフラン(THF)/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からイオン交換容量を求めた。
1. Ion exchange capacity A polymer electrolyte membrane and a membrane composed of polymer electrolyte components constituting each electrode catalyst layer are prepared, and a predetermined amount is weighed and phenolphthalein dissolved in a tetrahydrofuran (THF) / water mixed solvent is used as an indicator. Titration was performed using a standard solution of NaOH, and the ion exchange capacity was determined from the neutralization point.

2.分子量
スルホン酸基を有しないポリアリーレン系共重合体の分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の分子量は、臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の分子量を求めた。
2. Molecular weight The molecular weight of the polyarylene copolymer having no sulfonic acid group was determined by GPC using polystyrene (THF) as a solvent and the molecular weight in terms of polystyrene. As for the molecular weight of the polyarylene copolymer having a sulfonic acid group, the molecular weight in terms of polystyrene was determined by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as an eluent.

3.スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の合成
本発明に係る、スルホン酸基含有芳香族系ポリマーとして好ましく用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の合成例について示す。本発明は以下の合成例に特に限定されるものではないが、これらのスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を高分子電解質膜として用いた場合、良好な発電特性を示す燃料電池を得ることができる。
3. Synthesis of Polyarylene Copolymer Having Sulfonic Acid Group A synthesis example of a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group preferably used as a sulfonic acid group-containing aromatic polymer according to the present invention will be described. The present invention is not particularly limited to the following synthesis examples, but when these polyarylene copolymers having a sulfonic acid group are used as a polymer electrolyte membrane, a fuel cell exhibiting good power generation characteristics is obtained. be able to.

4.比表面積
マンガン含有酸化物の比表面積は、BET法(JIS R 1626;ファインセラミックス粉体の気体吸着BET法による比表面積の測定方法)により測定した。
4). Specific surface area The specific surface area of the manganese-containing oxide was measured by the BET method (JIS R 1626; measurement method of specific surface area by gas adsorption BET method of fine ceramic powder).

5.過酸化水素暴露試験
2cm×3cmの高分子電解質膜3枚を85℃の5%過酸化水素水蒸気に24時間暴露させた。暴露前後の高分子電解質膜の分子量を測定し、下記式により暴露後の分子量保持率(%)を求めた。分子量保持率が高いと過酸化水素、ラジカル耐性が高いと考えられる。
(暴露後の分子量)/(暴露前の分子量)×100(%)
5). Hydrogen peroxide exposure test Three polymer electrolyte membranes of 2 cm x 3 cm were exposed to 5% hydrogen peroxide water vapor at 85 ° C for 24 hours. The molecular weight of the polymer electrolyte membrane before and after exposure was measured, and the molecular weight retention rate (%) after exposure was determined by the following formula. If the molecular weight retention is high, hydrogen peroxide and radical resistance are considered to be high.
(Molecular weight after exposure) / (Molecular weight before exposure) x 100 (%)

6.熱水溶出試験
高分子電解質膜を125℃の熱水中に24時間浸漬し、浸漬水中の酸化物由来の金属をICP−Massにより測定し、溶出の有無を確認した。
6). Hot water elution test The polymer electrolyte membrane was immersed in hot water at 125 ° C. for 24 hours, and an oxide-derived metal in the immersion water was measured by ICP-Mass to confirm the presence or absence of elution.

7.TEM観察
高分子電解質膜がミクロ相分離構造を有しているか否かの判断は、膜の超薄切片を切り出し、該切片を硝酸鉛で染色した後、日立製作所製HF−100FA透過型電子顕微鏡(以下TEM)で観察することにより行った。
7). TEM observation Whether or not the polymer electrolyte membrane has a microphase separation structure is determined by cutting out an ultrathin section of the membrane, staining the section with lead nitrate, and then an HF-100FA transmission electron microscope manufactured by Hitachi, Ltd. (Hereinafter referred to as TEM).

8.初期出力電圧
温度を90℃に保ち、アノード極とカソード極を湿度50%RHの条件で、水素及び空気を大気圧供給し、電流密度1.0A/cm2の端子間電圧を測定した。
8). Initial output voltage The temperature was maintained at 90 ° C., hydrogen and air were supplied at atmospheric pressure to the anode and cathode at a humidity of 50% RH, and the voltage between terminals at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured.

9.発電耐久評価
初期出力電圧を測定後、燃料電池の温度を120℃に保ち、湿度40%RHの条件で、耐久評価を行った。水素及び空気を大気圧供給し、電流密度を0.1A/cm2に維持した時のときの端子間電圧が0.3V以下になるまでの時間を測定した。
9. Power Generation Durability Evaluation After measuring the initial output voltage, the fuel cell temperature was kept at 120 ° C., and durability evaluation was performed under the condition of humidity 40% RH. Hydrogen and air were supplied at atmospheric pressure, and the time until the voltage between the terminals became 0.3 V or less when the current density was maintained at 0.1 A / cm 2 was measured.

[合成例1]
(1)芳香族構造を有する構造単位の合成
攪拌機、温度計、Dean−Stark管、窒素導入管、冷却管をとりつけた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル48.8g(284mmol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン89.5g(266mmol)、炭酸カリウム47.8g(346mmol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン346mL、トルエン173mLを加えて攪拌した。オイルバスで反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−Stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−Stark管から系外に除去した。徐々に反応温度を200℃に上げ、3時間攪拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル9.2g(53mmol)を加え、さらに5時間反応させた。
[Synthesis Example 1]
(1) Synthesis of structural unit having aromatic structure Into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-Stark tube, nitrogen introduction tube, and cooling tube, 48.8 g (284 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (89.5 g, 266 mmol) and potassium carbonate (47.8 g, 346 mmol) were weighed. After nitrogen substitution, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred. The reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. in an oil bath. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-Stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-Stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 200 ° C. and stirring was continued for 3 hours. Then, 9.2 g (53 mmol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.

反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。反応液に不溶の無機塩を濾過し、濾液をメタノール2Lに注いで生成物を沈殿させた。沈殿した生成物を濾過、乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解し、これをメタノール2Lに注いで再沈殿させた。沈殿した白色粉末を濾過、乾燥し、目的物109gを得た。GPCで測定した数平均分子量(Mn)は9,500であった。
得られた化合物は式(I)で表されるオリゴマーであることを確認した。
The reaction solution was allowed to cool, and diluted with 100 mL of toluene. Inorganic salts insoluble in the reaction solution were filtered, and the filtrate was poured into 2 L of methanol to precipitate the product. The precipitated product was filtered and dried, then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran, and poured into 2 L of methanol for reprecipitation. The precipitated white powder was filtered and dried to obtain 109 g of the desired product. The number average molecular weight (Mn) measured by GPC was 9,500.
It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (I).

Figure 2010238373
(2)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体の合成
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.2g(337mmol)、(1)で得られたMn9,500の芳香族構造を有する構造単位48.7g(5.1mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(137mmol)、亜鉛53.7g(821mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)430mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc730mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
Figure 2010238373
(2) Synthesis of polyarylene copolymer having a sulfonic acid group 135.2 g of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer and a nitrogen introducing tube. (337 mmol), 48.7 g (5.1 mmol) of the structural unit having an aromatic structure of Mn 9,500 obtained in (1), 6.71 g (10.3 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, iodide 1.54 g (10.3 mmol) of sodium, 35.9 g (137 mmol) of triphenylphosphine, and 53.7 g (821 mmol) of zinc were weighed and replaced with dry nitrogen. 430 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 730 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム44g(506mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体122gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は135,000であった。得られた重合体は式(II)で表されるスルホン酸基を有するポリマーと推定される。このポリマーのイオン交換容量は2.3meq/gであった。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 44 g (506 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order, and then dried to obtain 122 g of the target polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 135,000. The obtained polymer is presumed to be a polymer having a sulfonic acid group represented by the formula (II). The ion exchange capacity of this polymer was 2.3 meq / g.

Figure 2010238373
[実施例1]
[電解質膜の調製]
攪拌子を入れた50mlのスクリュー管に、合成例1で得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体(II)を4.5g、N―メチル−2−ピロリドン25.5gをとり、室温で4時間攪拌した。この溶液にMnO2含量90wt%、比表面積42m2/gのMnO2粉末(和光純薬製)0.046gを添加し、攪拌機で1500rpm、4時間攪拌し、透明な溶液を得た。その溶液をペットフィルム上にドクターブレードを用いてキャストし、恒温槽を用いて、60℃で1時間、140℃で1時間乾燥し、溶媒を留去した。乾燥後、ペットフィルムから剥がし、厚さ50μmの高分子電解質膜を得た。
Figure 2010238373
[Example 1]
[Preparation of electrolyte membrane]
In a 50 ml screw tube containing a stirrer, 4.5 g of polyarylene copolymer (II) having a sulfonic acid group obtained in Synthesis Example 1 and 25.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone are taken, Stir at room temperature for 4 hours. To this solution, 0.046 g of MnO 2 powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) having a MnO 2 content of 90 wt% and a specific surface area of 42 m 2 / g was added and stirred with a stirrer at 1500 rpm for 4 hours to obtain a transparent solution. The solution was cast on a pet film using a doctor blade, dried using a thermostatic bath at 60 ° C. for 1 hour and 140 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off. After drying, it was peeled off from the pet film to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.

[電極ペーストの調製]
50mLのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール(株式会社ニッカトー製「YTZボール」)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46質量%担持、田中貴金属工業株式会社製「TEC10E50E」)1.51g、蒸留水0.88g、n−プロピルアルコール12.47gおよびナフィオン(商品名、デュポン社製)の20wt%溶液4.59gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、電極ペーストを得た。
[Preparation of electrode paste]
Put 50 g of zirconia balls having a diameter of 5 mm (“YTZ ball” manufactured by Nikkato Co., Ltd.) into a 50 mL plastic bottle, 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 46% by mass, “TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), distillation 0.88 g of water, 12.47 g of n-propyl alcohol and 4.59 g of a 20 wt% solution of Nafion (trade name, manufactured by DuPont) were added and stirred for 60 minutes with a paint shaker to obtain an electrode paste.

[電極の製造]
各実施例・比較例で調製した電解質膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記電極ペーストをドクターブレードにて塗布し、また上記電極ペーストを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにて上記電極ペーストを塗布した。これを120℃で60分間乾燥後、各電極触媒層の触媒塗布量は0.50mg/cm2であった。
[Manufacture of electrodes]
The electrode paste is applied with a doctor blade on one side of the electrolyte membrane prepared in each Example / Comparative Example using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm, and 5 cm is applied on the surface where the electrode paste is not applied. The electrode paste was applied with a doctor blade using a mask having an opening of × 5 cm. After drying this at 120 ° C. for 60 minutes, the amount of catalyst applied to each electrode catalyst layer was 0.50 mg / cm 2 .

[ガス拡散層の作製]
(1)多孔性基材の作製
多孔性基材としてカーボンペーパー(商品名:TGPH−060、東レ株式会社製)を5cm×5cmのサイズに切断し、これを30mLの1.2質量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液に5分間浸漬させた後、75℃の乾燥炉にて15分間乾燥させた。この基材を370℃の電気炉にて1時間焼成させ、アノードおよびカソード用撥水剤コート多孔性基材を作製した。
[Production of gas diffusion layer]
(1) Production of porous substrate Carbon paper (trade name: TGPH-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) as a porous substrate is cut into a size of 5 cm x 5 cm, and this is 30 mL of 1.2 mass% polytetra After being immersed in the fluoroethylene resin fine particle dispersion aqueous solution for 5 minutes, it was dried in a drying furnace at 75 ° C. for 15 minutes. This substrate was baked in an electric furnace at 370 ° C. for 1 hour to produce a water repellent coated porous substrate for anode and cathode.

(2)微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材の形成
炭素粒子(商品名:バルカンXC−72、キャボット社製)2.4g、60質量%ポリテトラフルオロエチレン樹脂微粒子分散水溶液6.2g、蒸留水104.9g、分散剤(商品名:TRITONX−100、シグマ−アルドリッチ社製)10.3gを混合させ、この混合物を均一になるまで遊星ボールミル(商品名:P−5、フリッチュ社製)を使用して攪拌し、アノード用微多孔層形成用ペーストを調製した。このペーストを微多孔層の重量が1.0mg/cm2となるようにアプリケーターを使用して均一に塗布した後、75℃の乾燥炉にて30分間乾燥させ、微多孔層付き撥水剤コート多孔性基材を作製した。
(2) Formation of water repellent coated porous substrate with microporous layer 2.4 g of carbon particles (trade name: Vulcan XC-72, manufactured by Cabot Corporation), 6.2 g of 60 mass% polytetrafluoroethylene resin fine particle dispersed aqueous solution , 104.9 g of distilled water, and 10.3 g of a dispersant (trade name: TRITONX-100, manufactured by Sigma-Aldrich) are mixed, and this mixture is mixed with planetary ball mill (trade name: P-5, manufactured by Fritsch) until uniform. ) Was used to prepare a paste for forming a microporous layer for an anode. After applying this paste uniformly using an applicator so that the weight of the microporous layer is 1.0 mg / cm 2 , the paste is dried in a drying oven at 75 ° C. for 30 minutes to provide a water repellent coating with a microporous layer. A porous substrate was prepared.

[燃料電池の作製]
上記電極触媒層が両面に形成された電解質膜を、2枚のガス拡散層で挟み、圧力60kg/cm2下、160℃×20minの条件でホットプレス成形して、膜−電極接合体を作製した。得られた電極−膜接合体を2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の評価用燃料電池を作製した。
[Fabrication of fuel cell]
The electrolyte membrane having the electrode catalyst layer formed on both sides is sandwiched between two gas diffusion layers and hot press molded under a pressure of 60 kg / cm 2 and a temperature of 160 ° C. for 20 minutes to produce a membrane-electrode assembly. did. The obtained electrode-membrane assembly was sandwiched between two titanium current collectors, and a heater was placed on the outside thereof to produce a fuel cell for evaluation having an effective area of 25 cm 2 .

[実施例2]
撹拌条件を、20000rpm、60秒に変更した以外は実施例1と同様にして電解質膜を作製した。
[Example 2]
An electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the stirring conditions were changed to 20000 rpm and 60 seconds.

[実施例3]
攪拌子を入れた50mlのスクリュー管に、合成例1で得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体(II)を4.5g、N−メチル−2−ピロリドン25.5gをとり、室温で4時間攪拌した。この溶液にMnO2含量90wt%、比表面積42m2/gのMnO2粉末(和光純薬製)0.092gを添加し、攪拌機で10000rpm、120秒攪拌し、透明な溶液を得た。その溶液をペットフィルム上にドクターブレードを用いてキャストし、恒温槽を用いて、60℃で1時間、140℃で1時間乾燥し、溶媒を留去した。乾燥後、ペットフィルムから剥がし、厚さ50μmの高分子電解質膜を得た。
[Example 3]
In a 50 ml screw tube containing a stirrer, 4.5 g of the polyarylene copolymer (II) having a sulfonic acid group obtained in Synthesis Example 1 and 25.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone are taken, Stir at room temperature for 4 hours. To this solution, 0.092 g of MnO 2 powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) having a MnO 2 content of 90 wt% and a specific surface area of 42 m 2 / g was added and stirred with a stirrer at 10,000 rpm for 120 seconds to obtain a transparent solution. The solution was cast on a pet film using a doctor blade, dried using a thermostatic bath at 60 ° C. for 1 hour and 140 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off. After drying, it was peeled off from the pet film to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.

[実施例4]
攪拌子を入れた50mlのスクリュー管に、合成例1で得られたスルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体(II)を4.5g、N−メチル−2−ピロリドン25.5gをとり、室温で4時間攪拌した。この溶液にMnO2含量90wt%、比表面積42m2/gのMnO2粉末0.138gを添加し、攪拌機で10000rpm、120秒攪拌し、透明な溶液を得た。その溶液をペットフィルム上にドクターブレードを用いてキャストし、恒温槽を用いて、60℃で1時間、140℃で1時間乾燥し、溶媒を留去した。乾燥後、ペットフィルムから剥がし、厚さ50μmの高分子電解質膜を得た。
[Example 4]
In a 50 ml screw tube containing a stirrer, 4.5 g of the polyarylene copolymer (II) having a sulfonic acid group obtained in Synthesis Example 1 and 25.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone are taken, Stir at room temperature for 4 hours. To this solution, 0.138 g of MnO 2 powder having a MnO 2 content of 90 wt% and a specific surface area of 42 m 2 / g was added and stirred with a stirrer at 10,000 rpm for 120 seconds to obtain a transparent solution. The solution was cast on a pet film using a doctor blade, dried using a thermostatic bath at 60 ° C. for 1 hour and 140 ° C. for 1 hour, and the solvent was distilled off. After drying, it was peeled off from the pet film to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.

[実施例5]
MnO2をMn23(高純度化学製)にした以外は実施例1と同様にして作製した。
[実施例6]
MnO2をBi2Mn410にした以外は実施例1と同様にして作製した。
[Example 5]
It was produced in the same manner as in Example 1 except that MnO 2 was changed to Mn 2 O 3 (manufactured by high purity chemical).
[Example 6]
It was produced in the same manner as in Example 1 except that MnO 2 was changed to Bi 2 Mn 4 O 10 .

[比較例1]
MnO2を添加しない以外は実施例1と同様にして作製した。
[比較例2]
合成例1のポリマー50gと比表面積約60m2/gの二酸化マンガン5gをポリ瓶に添加し、ディスパーサーにより20分攪拌し、均一分散させた。
[Comparative Example 1]
It was produced in the same manner as in Example 1 except that MnO 2 was not added.
[Comparative Example 2]
50 g of the polymer of Synthesis Example 1 and 5 g of manganese dioxide having a specific surface area of about 60 m 2 / g were added to a plastic bottle, stirred for 20 minutes with a disperser, and uniformly dispersed.

[比較例3]
よく砕いたポリエーテルエーテルケトンを濃硫酸中に溶解し、窒素雰囲気下で攪拌し、スルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケトンを得た。回収は、過剰の水に再沈することによって行った。このポリマーのイオン交換容量は2.2meq/gであった。このポリマーを用いた以外は比較例1と同様にして作製した。
[Comparative Example 3]
The well-crushed polyether ether ketone was dissolved in concentrated sulfuric acid and stirred under a nitrogen atmosphere to obtain a polyether ether ketone having a sulfonic acid group. Recovery was performed by re-precipitation in excess water. The ion exchange capacity of this polymer was 2.2 meq / g. It was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that this polymer was used.

[比較例4]
合成例1のポリマーを、スルホン酸基を有するポリエーテルエーテルケトンにした以外は実施例1と同様にして作製した。
[Comparative Example 4]
It was prepared in the same manner as in Example 1 except that the polymer of Synthesis Example 1 was changed to a polyether ether ketone having a sulfonic acid group.

以上にして得られた高分子電解質膜について、過酸化水素暴露試験(分子量保持率(%)、熱水溶出試験、および初期出力電圧測定、発電耐久性試験(電圧保持時間(h))を行い、さらにドメイン観察をTEM写真によって行なった。   The polymer electrolyte membrane thus obtained was subjected to a hydrogen peroxide exposure test (molecular weight retention rate (%), hot water elution test, initial output voltage measurement, power generation durability test (voltage holding time (h)). Furthermore, the domain observation was performed by TEM photographs.

結果を併せて表1に示す。   The results are also shown in Table 1.

Figure 2010238373
Figure 2010238373

Claims (8)

(A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体および(B)BET法で測定した比表面積が55m2/g以下であるマンガン含有酸化物を含有してなる高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising (A) a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group and (B) a manganese-containing oxide having a specific surface area measured by the BET method of 55 m 2 / g or less. 前記(B)マンガン含有酸化物が、マンガン酸化物又はMn及びNi、Bi、Ceの少なくとも一つの元素を含む複合酸化物の少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。   2. The polymer according to claim 1, wherein the (B) manganese-containing oxide is at least one of a manganese oxide or a complex oxide containing Mn and at least one element of Ni, Bi, and Ce. Electrolyte membrane. 前記(B)マンガン含有酸化物が、MnO2、Mn23、Mn及びBiを含む複合酸化物、Mn及びNiを含む複合酸化物の少なくとも一つである、請求項2に記載の高分子電解質膜。 (B) the manganese-containing oxide is at least one of MnO 2, Mn 2 O 3, complex oxides containing Mn and Bi, the composite oxide containing Mn and Ni, polymer of claim 2 Electrolyte membrane. (A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体が、下記一般式(3)で表される構造単位、および下記一般式(4)で表される構造単位を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質膜。
Figure 2010238373
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 2010238373
(式中、A、Dは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。s、tは0〜4の整数を示し、rは、0または1以上の整数を示す。)
(A) The polyarylene-based copolymer having a sulfonic acid group includes a structural unit represented by the following general formula (3) and a structural unit represented by the following general formula (4). Item 4. The polymer electrolyte membrane according to any one of Items 1 to 3.
Figure 2010238373
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p An aromatic group having a substituent represented by SO 3 H. p represents an integer of 1 to 12, m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, and k represents 1 Represents an integer of ~ 4.)
Figure 2010238373
(In the formula, A and D are independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10). in a), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - CR - a '2 (R' is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group ), At least one structure selected from the group consisting of cyclohexylidene group, fluorenylidene group, —O—, and —S—, B is an oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16 May be the same or different from each other, and are selected from the group consisting of a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group in which some or all are halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group At least one atom or group selected, s, t Represents an integer of 0 to 4, r represents 0 or an integer of 1 or more.)
(A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体が、下記一般式(1)で表される構造を含むことを特徴とする請求項4に記載の高分子電解質膜。
Figure 2010238373
[式(1)中、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)または−C(CF32−を示し、Zは、独立に直接結合、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−C(CH32−、−O−または−S−を示し、Arは、−SO3H、−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3H(pは1〜12の整数を示す。)で表される置換基を有する芳香族基を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。
AおよびDは、それぞれ独立に直接結合、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2i−(iは1〜10の整数を示す。)、−(CH2j−(jは1〜10の整数を示す。)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−または−S−を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R16は、それぞれ独立に水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部もしくは全部がハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基またはニトリル基を示し、sおよびtは、それぞれ0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。]
Zは直接結合または、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Yは、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、R20は含窒素複素環基を示す。qは1〜5の整数を示し、pは0〜4の整数を示す。
x、y、zは、x+y+z=100mol%とした場合のモル比を示す。〕
(A) The polyarylene copolymer having a sulfonic acid group includes a structure represented by the following general formula (1), The polymer electrolyte membrane according to claim 4.
Figure 2010238373
[In the formula (1), Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10). Or —C (CF 3 ) 2 —, Z is independently a direct bond, — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, — O— or —S— is represented, and Ar represents —SO 3 H, —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H (p represents an integer of 1 to 12). The aromatic group which has a substituent represented by this is shown, m shows the integer of 0-10, n shows the integer of 0-10, k shows the integer of 1-4.
A and D are each independently a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) i — (i represents an integer of 1 to 10. ), — (CH 2 ) j — (j represents an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group. ), Cyclohexylidene group, fluorenylidene group, —O— or —S—, B is independently an oxygen atom or sulfur atom, and R 1 to R 16 are each independently hydrogen atom, fluorine atom, alkyl Group, a halogenated alkyl group, allyl group, aryl group, nitro group or nitrile group partially or wholly halogenated, s and t each represent an integer of 0 to 4, and r is 0 or 1 or more Indicates an integer. ]
Z is a direct bond or, -O -, - represents at least one structure selected from the group consisting of S-, Y is, -CO -, - SO 2 - , - SO -, - CONH -, - COO —, — (CF 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —, at least one structure selected from the group consisting of — and R 20 is a nitrogen-containing complex A ring group is shown. q represents an integer of 1 to 5, and p represents an integer of 0 to 4.
x, y, z represents a molar ratio when x + y + z = 100 mol%. ]
(A)スルホン酸基を有するポリアリーレン系共重合体を有機溶媒に溶解又は分散する工程と、(B)BET法で測定した比表面積が55m2/g以下であるマンガン含有酸化物を添加し、5000回/分以上の回転数で高速攪拌して(B)マンガン含有酸化物を分散する工程と、を含む高分子電解質膜の製造方法。 (A) A step of dissolving or dispersing a polyarylene copolymer having a sulfonic acid group in an organic solvent, and (B) adding a manganese-containing oxide having a specific surface area measured by the BET method of 55 m 2 / g or less. And (B) a step of dispersing the manganese-containing oxide by high-speed stirring at a rotational speed of 5000 times / minute or more, and a method for producing a polymer electrolyte membrane. 請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質膜を含む電極−膜接合体。   An electrode-membrane assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5. 請求項7記載の電極−膜接合体を含む固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the electrode-membrane assembly according to claim 7.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013042746A1 (en) 2011-09-21 2013-03-28 東レ株式会社 Molded article of polymer electrolyte composition and solid polymer type fuel cell using same
JP2013080701A (en) * 2011-09-21 2013-05-02 Toray Ind Inc Polymer electrolyte composition compact and solid polymer fuel cell including the same
JP2013177522A (en) * 2012-02-29 2013-09-09 Toray Ind Inc Polymer electrolyte molding and polymer electrolyte membrane, membrane electrode complex and solid polymer type fuel cell obtained by using the molding
JP2016193987A (en) * 2015-03-31 2016-11-17 株式会社Ihi Electrolyte membrane and method for producing electrolyte membrane

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013042746A1 (en) 2011-09-21 2013-03-28 東レ株式会社 Molded article of polymer electrolyte composition and solid polymer type fuel cell using same
JP2013080701A (en) * 2011-09-21 2013-05-02 Toray Ind Inc Polymer electrolyte composition compact and solid polymer fuel cell including the same
JP2013177522A (en) * 2012-02-29 2013-09-09 Toray Ind Inc Polymer electrolyte molding and polymer electrolyte membrane, membrane electrode complex and solid polymer type fuel cell obtained by using the molding
JP2016193987A (en) * 2015-03-31 2016-11-17 株式会社Ihi Electrolyte membrane and method for producing electrolyte membrane

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