JP2011103176A - Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2011103176A
JP2011103176A JP2009256615A JP2009256615A JP2011103176A JP 2011103176 A JP2011103176 A JP 2011103176A JP 2009256615 A JP2009256615 A JP 2009256615A JP 2009256615 A JP2009256615 A JP 2009256615A JP 2011103176 A JP2011103176 A JP 2011103176A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer
electrolyte
block
group
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009256615A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuya Shimizu
和哉 清水
Tomohiro Ono
友裕 小野
Takeshi Nakano
武史 仲野
Keiji Kubo
敬次 久保
Nozomi Sugo
望 須郷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kuraray Co Ltd
Original Assignee
Kuraray Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kuraray Co Ltd filed Critical Kuraray Co Ltd
Priority to JP2009256615A priority Critical patent/JP2011103176A/en
Publication of JP2011103176A publication Critical patent/JP2011103176A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problem: a fluorine electrolyte membrane is expensive, is high in oxygen permeability with low durability against radicals thus generated, and is high in environmental loads accompanying fluorine exhaust at manufacturing and discarding, wherein an electrolyte membrane using an engineering plastic material has low power-generating characteristics estimated by cell resistance, and especially, has low cell resistance as well as low power-generating characteristics under low humidity. <P>SOLUTION: In the electrolyte laminated film made by laminating at least two electrolyte membranes as constituents, at least one of the electrolyte membranes is one (i) mainly composed of a polymer (I) having an ion-conductive group and an aromatic ring as a main chain, and further, at least one of the electrolyte membranes is one (ii) mainly composed of a block copolymer (II) constituted of a polymer block (A) having an ionic conductive group, and a polymer block (B) not having an ion-conductive group, as a structural component. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用の電解質積層膜、並びに該電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrolyte laminated film for a polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminated film, and a polymer electrolyte fuel cell.

近年、エネルギー・環境問題の抜本的解決策として、燃料電池技術は新エネルギー技術の柱の1つとして数えられている。特に固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、小型軽量化も期待できることから、電気自動車用の駆動電源や携帯機器用の電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭据置き用の電源機器など幅広い用途への適用が検討されている。   In recent years, fuel cell technology has been counted as one of the pillars of new energy technology as a fundamental solution to energy and environmental problems. In particular, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be expected to be small and light, so it can be used for driving power sources for electric vehicles, power sources for portable devices, and household stationary devices that use electricity and heat simultaneously. Application to a wide range of applications such as power supply equipment is under consideration.

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

固体高分子型燃料電池に使用される高分子電解質膜として、当初主としてフッ素系の高分子電解質膜が使われてきた(例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製))。フッ素系の高分子電解質膜は低湿度下におけるイオン伝導性に優れるため、良好な出力を得ることが可能である。また、乾燥時の機械的強度が高いだけでなく、加湿した場合の線膨張率が低く、燃料電池のオン/オフに伴う湿度変化によっても強度が保持され、寸法変化に伴う膜の劣化も少ない。しかしながら、これらフッ素系の高分子電解質膜は酸素透過性が高くこれに伴い発生するラジカルに対する耐久性が低いこと、製造時及び廃棄時のフッ素排出に伴う環境負荷が大きいこと、また高価であることなどの欠点も有しているため、代替材料が求められている。   As a polymer electrolyte membrane used in a solid polymer fuel cell, a fluorine-based polymer electrolyte membrane has been mainly used at first (for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont)). Since the fluorine-based polymer electrolyte membrane is excellent in ionic conductivity under low humidity, a favorable output can be obtained. In addition to high mechanical strength during drying, the coefficient of linear expansion when humidified is low, the strength is maintained even when the fuel cell is turned on and off, and the strength is maintained. . However, these fluorine-based polymer electrolyte membranes have high oxygen permeability, low durability against radicals generated thereby, high environmental burdens due to fluorine discharge during production and disposal, and high cost. Therefore, alternative materials are required.

フッ素系の高分子電解質に代わる材料として、エンジニアリングプラスチック系材料をベースポリマーとし、これにスルホン酸基などのイオン伝導性基を導入した高分子電解質からなる高分子電解質膜が提案されている。   As an alternative to a fluorine-based polymer electrolyte, a polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte in which an engineering plastic material is used as a base polymer and an ion conductive group such as a sulfonic acid group is introduced has been proposed.

例えば、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)のスルホン化物が提案されている(例えば特許文献1参照)。このような高分子電解質膜はフッ素が含まれていないため、高分子電解質膜の製造及び廃棄時、また劣化時にもフッ素化合物が全く発生しない。また機械的強度が高く加湿時の線膨張率も低いので、使用時の強度、耐久性にも優れる。更に酸素バリア性が高いため、酸素ガスが燃料極に流れ込むことで発生するラジカルの発生が抑制され膜の劣化が起こりにくいという特徴を有している。しかしこれらの材料を用いた高分子電解質膜は、触媒層との接合性が悪いという課題を有している。   For example, a sulfonated product of polyetheretherketone (PEEK) has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Since such a polymer electrolyte membrane does not contain fluorine, no fluorine compound is generated at the time of production and disposal of the polymer electrolyte membrane, or at the time of deterioration. Moreover, since the mechanical strength is high and the linear expansion coefficient when humidified is low, the strength and durability during use are also excellent. Furthermore, since the oxygen barrier property is high, the generation of radicals generated by the oxygen gas flowing into the fuel electrode is suppressed, and the film is hardly deteriorated. However, polymer electrolyte membranes using these materials have the problem of poor bondability with the catalyst layer.

そこで、これら非フッ素系電解質膜に軟化温度が低い高分子電解質を塗布した電解質積層膜が提案されている。特許文献2には、上記エンジニアリングプラスチック系の高分子電解質膜に軟化温度が低いナフィオンを塗布した電解質積層膜が提案されている。   Thus, an electrolyte laminated film in which a polymer electrolyte having a low softening temperature is applied to these non-fluorinated electrolyte films has been proposed. Patent Document 2 proposes an electrolyte laminated film obtained by applying Nafion having a low softening temperature to the engineering plastic polymer electrolyte film.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 国際公開WO2004/051776号公報International Publication WO2004 / 051776

Macromolecules,(1969),2(5),453−458Macromolecules, (1969), 2 (5), 453-458. Kautsch.Gummi,Kunstst.,(1984),37(5),377−379;Kautsch. Gummi, Kunstst. , (1984), 37 (5), 377-379; Polym.Bull.,(1984),12,71−77Polym. Bull. , (1984), 12, 71-77.

しかしながら、エンジニアリングプラスチック系材料を用いた電解質膜は、セル抵抗によって評価される発電特性が低く、特に低湿度下においてセル抵抗・発電特性が大きく悪化する傾向がある。   However, an electrolyte membrane using an engineering plastic material has low power generation characteristics evaluated by cell resistance, and cell resistance / power generation characteristics tend to be greatly deteriorated particularly under low humidity.

また、触媒層との接合性を改善するためにナフィオンを塗布すると、廃棄時にナフィオンを分離することは実質的に不可能であり、廃棄にかかる負荷は従来のフッ素系電解質膜と同様に高いものとなる。   In addition, when Nafion is applied to improve the bondability with the catalyst layer, it is virtually impossible to separate Nafion at the time of disposal, and the load on disposal is as high as that of conventional fluorine-based electrolyte membranes. It becomes.

そこで本発明は、広い湿度範囲で低いセル抵抗を示し、さらに乾燥時の機械的強度に優れ加湿時の線膨張率も抑制されることに由来して、燃料電池のオン/オフに伴う湿度変化によっても発電特性が維持され、またラジカル耐久性にも優れるため長期の使用にも優れる非フッ素系の高分子電解質膜を提供することを目的とする。また、該高分子電解質膜を含んでなる膜−電極接合体を提供することを別の目的とする。更に該膜−電極接合体を含んでなる固体高分子型燃料電池を提供することを別の目的とする。   Therefore, the present invention shows low cell resistance in a wide humidity range, and further has excellent mechanical strength at the time of drying and suppresses the linear expansion coefficient at the time of humidification. It is an object of the present invention to provide a non-fluorine polymer electrolyte membrane that maintains its power generation characteristics and is excellent in radical durability because of its excellent radical durability. Another object is to provide a membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane. It is another object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ね、構成電解質膜として少なくとも2つの高分子電解質膜を積層してなる固体高分子型燃料電池用の電解質積層膜であって、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが、イオン伝導性基を有し、主鎖に芳香環を有する重合体(I)を主成分とする高分子電解質膜(i)であって、さらに、前記高分子電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びイオン伝導性を有しない重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(II)を主成分とする高分子電解質膜(ii)であることを特徴とする電解質積層膜、並びに該電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems, and are electrolyte laminated films for solid polymer fuel cells, in which at least two polymer electrolyte films are laminated as constituent electrolyte films, At least one of the molecular electrolyte membranes is a polymer electrolyte membrane (i) having as a main component a polymer (I) having an ion conductive group and having an aromatic ring in the main chain, and further comprising the polymer electrolyte A polymer electrolyte comprising as a main component a block copolymer (II) comprising at least one of a membrane block (A) having an ion conductive group and a polymer block (B) having no ion conductivity as a constituent component It has been found that the above problems can be solved by providing an electrolyte laminate film characterized by being a membrane (ii), and a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell comprising the electrolyte laminate film, The present invention It has been completed.

すなわち、請求項1に記載の発明は、
構成電解質膜として少なくとも2つの高分子電解質膜を積層してなる電解質積層膜であって、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが、イオン伝導性基を有し、主鎖に芳香環を有する重合体(I)を主成分とする高分子電解質膜(i)であり、さらに、前記高分子電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びイオン伝導性基を有しない重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(II)を主成分とする高分子電解質膜(ii)であることを特徴とする電解質積層膜に関する。
That is, the invention described in claim 1
A polymer electrolyte membrane formed by laminating at least two polymer electrolyte membranes as a constituent electrolyte membrane, wherein at least one of the polymer electrolyte membranes has an ion conductive group and has an aromatic ring in the main chain A polymer electrolyte membrane (i) comprising (I) as a main component, wherein at least one of the polymer electrolyte membranes has a polymer block (A) having an ion conductive group and a heavy polymer having no ion conductive group; The present invention relates to an electrolyte laminated film, which is a polymer electrolyte film (ii) mainly composed of a block copolymer (II) having a combined block (B) as a constituent component.

また、請求項2に記載の発明は、
前記重合体ブロック(B)がゴム状の重合体ブロック(B)であることを特徴とする請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 2
2. The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the polymer block (B) is a rubber-like polymer block (B).

また、請求項3に記載の発明は、
前記重合体(I)が、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルケトンケトン類、ポリフェニレンサルファイド類、ポリフェニレンエーテル類、ポリスルホン類、ポリエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルスルホン類、ポリフェニレンスルホン類、ポリフェニレンスルホキシド類、ポリフェニレンスルフィドスルホン類、ポリフェニレンオキシド類、ポリパラフェニレン類、ポリベンゾオキサゾール類、ポリベンゾチアゾール類、ポリベンゾイミダゾール類、ポリイミド類から選択される少なくとも1種のセグメントを有する請求項1記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 3
The polymer (I) is polyether ketones, polyether ether ketones, polyether ketone ketones, polyphenylene sulfides, polyphenylene ethers, polysulfones, polyether sulfones, polyether ether sulfones, polyphenylene sulfones. And at least one segment selected from polyphenylene sulfoxides, polyphenylene sulfide sulfones, polyphenylene oxides, polyparaphenylenes, polybenzoxazoles, polybenzothiazoles, polybenzimidazoles, and polyimides. It is related with the electrolyte laminated film of description.

また、請求項4に記載の発明は、
前記イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基である請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 4
The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the ion conductive group is a group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). .

また、請求項5に記載の発明は、
前記重合体(II)中、重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とすることを特徴とする請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 5
2. The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the polymer block (A) has an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit in the polymer (II).

また、請求項6に記載の発明は、
前記ブロック共重合体(II)が、イオン伝導性基を有さず非ゴム状の重合体ブロック(C)を更に構成成分とすることを特徴とする請求項2に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 6
3. The electrolyte laminated film according to claim 2, wherein the block copolymer (II) further comprises a non-rubber-like polymer block (C) having no ion conductive group.

また、請求項7に記載の発明は、
前記重合体ブロック(C)が、下記の一般式(a)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックである請求項6に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 7
The said polymer block (C) is an electrolyte laminated film of Claim 6 which is a polymer block which has an aromatic vinyl type compound unit represented by the following general formula (a) as a main repeating unit.

Figure 2011103176

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基であり、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、そのうち少なくとも1つはアルキル基を表す)
Figure 2011103176

(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and at least one of them is an alkyl group. Represents a group)

また、請求項8に記載の発明は、
前記重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
Further, the invention according to claim 8 is
The polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and a carbon number. The electrolyte laminated film according to claim 1, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from the group consisting of 5 to 8 conjugated cycloalkadiene units.

また、請求項9に記載の発明は、
前記重合体ブロック(C)と前記重合体ブロック(A)との質量比が85:15〜20:80である請求項6に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 9 is
It is related with the electrolyte laminated film of Claim 6 whose mass ratio of the said polymer block (C) and the said polymer block (A) is 85: 15-20: 80.

また、請求項10に記載の発明は、
前記ブロック共重合体(II)における前記重合体ブロック(B)の質量割合が5〜95質量%である請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 10 is
2. The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein a mass ratio of the polymer block (B) in the block copolymer (II) is 5 to 95 mass%.

また、請求項11に記載の発明は、
前記イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される官能基である請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
The invention according to claim 11 is
The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the ion conductive group is a functional group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). About.

また、請求項12に記載の発明は、
前記高分子電解質膜(i)の厚さが2〜20μmであり、高分子電解質膜(ii)の厚さが2〜40μmである請求項1に記載の電解質積層膜に関する。
Further, the invention according to claim 12 is
2. The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane (i) has a thickness of 2 to 20 [mu] m, and the polymer electrolyte membrane (ii) has a thickness of 2 to 40 [mu] m.

また、請求項13に記載の発明は、
請求項1に記載の電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体に関する。
The invention according to claim 13 is
The present invention relates to a membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminated film according to claim 1.

また、請求項14に記載の発明は、
請求項13に記載の膜−電極接合体を含んでなる固体高分子型燃料電池に関する。
The invention as set forth in claim 14
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 13.

本発明の電解質積層膜は、低湿度から高湿度までの広い湿度変化においても高い寸法安定性、並びに高い機械的耐久性を有し、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池に用いたとき、出力特性、耐久性に優れる。このことは、従来湿度の制御のため必要であった多くの補機類を省略することに繋がり、装置の小型化、コストダウンのために有利である。また高分子電解質膜のガスバリア性が高いため、酸素の透過に伴い発生するラジカルに対する耐久性に優れ、長寿命である。さらに、該電解質積層膜を用いた膜−電極接合体、及び燃料電池は発電特性、並びにラジカルに対する耐久性に優れる。   The electrolyte laminate film of the present invention has high dimensional stability and high mechanical durability even in a wide range of humidity changes from low humidity to high humidity, and is used in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel. Excellent output characteristics and durability. This leads to the omission of many auxiliary devices conventionally required for controlling the humidity, which is advantageous for downsizing and cost reduction of the apparatus. Further, since the polymer electrolyte membrane has a high gas barrier property, it has excellent durability against radicals generated by permeation of oxygen and has a long life. Furthermore, the membrane-electrode assembly and the fuel cell using the electrolyte laminate film are excellent in power generation characteristics and radical durability.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の電解質積層膜を構成する高分子電解質膜(i)の主成分である重合体(I)は高分子電解質膜(i)の70質量%以上を占めることが望ましく、90質量%以上を占めることが更に望ましく、95質量%以上を占めることが更に望ましい。重合体(I)は複数を併用してもよく、その場合、用いる複数の重合体(I)の合計として高分子電解質膜(i)の主成分を構成すればよい。複数の重合体(I)を併用する場合、相互の親和性が高いことが望ましく、これは一次構造、極性などの類似性が重要となる。   The polymer (I), which is the main component of the polymer electrolyte membrane (i) constituting the electrolyte laminated membrane of the present invention, preferably accounts for 70% by mass or more of the polymer electrolyte membrane (i), and 90% by mass or more. It is further desirable to occupy 95% by mass or more. A plurality of polymers (I) may be used in combination, and in this case, the main component of the polymer electrolyte membrane (i) may be constituted as the sum of the plurality of polymers (I) to be used. In the case where a plurality of polymers (I) are used in combination, it is desirable that the mutual affinity is high, and similarity such as primary structure and polarity is important.

本発明の電解質積層膜を構成する高分子電解質膜(i)に含有される重合体(I)以外の成分としては、本発明の効果を損わない限り特に限定されるものではなく、他の高分子材料(例えばイオン伝導性基を有しない、主鎖に芳香環を有する重合体;他の高分子電解質(例えばブロック共重合体(II)と類似の高分子電解質));各種無機材料(例えば金属の酸化物、複合酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩等、イオン伝導性を有する無機電解質、またはイオン伝導性を有さない無機塩類等);各種添加剤(例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤)を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していても良い。   The components other than the polymer (I) contained in the polymer electrolyte membrane (i) constituting the electrolyte laminated membrane of the present invention are not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired. Polymer materials (for example, polymers having no ion-conducting group and having an aromatic ring in the main chain; other polymer electrolytes (for example, polymer electrolytes similar to the block copolymer (II))); various inorganic materials ( For example, metal oxides, composite oxides, hydroxides, halides, carbonates, sulfates, silicates, etc., inorganic electrolytes having ionic conductivity, or inorganic salts having no ionic conductivity, etc.); Contains additives (eg, softeners, stabilizers, light stabilizers, antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments, dyes, brighteners), each alone or in combination of two or more. May be.

本発明の電解質積層膜は高分子電解質膜(i)を少なくとも1層積層しているが、複数層用いてもよい。   In the electrolyte laminate film of the present invention, at least one polymer electrolyte membrane (i) is laminated, but a plurality of layers may be used.

本発明の電解質積層膜で用いる高分子電解質膜(i)の主成分である重合体(I)としては、イオン伝導性基を有し、主鎖に芳香環を有する重合体であり、例えば、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルケトンケトン類、ポリフェニレンサルファイド類、ポリフェニレンエーテル類、ポリスルホン類、ポリエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルスルホン類、ポリフェニレンスルホン類、ポリフェニレンスルホキシド類、ポリフェニレンスルフィドスルホン類、ポリフェニレンオキシド類、ポリパラフェニレン類、ポリベンゾオキサゾール類、ポリベンゾチアゾール類、ポリベンゾイミダゾール類、ポリイミド類から選択される少なくとも1種のセグメントを有する芳香族高分子の構造を挙げることができる。この中でも寸法安定性、機械的耐久性、ガスバリア性に伴うラジカル耐久性の観点からポリエーテルケトン類、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルケトンケトン類、ポリフェニレンサルファイド類、ポリフェニレンエーテル類が好ましい。   The polymer (I), which is the main component of the polymer electrolyte membrane (i) used in the electrolyte laminate film of the present invention, is a polymer having an ion conductive group and having an aromatic ring in the main chain. Polyether ketones, polyether ether ketones, polyether ketone ketones, polyphenylene sulfides, polyphenylene ethers, polysulfones, polyether sulfones, polyether ether sulfones, polyphenylene sulfones, polyphenylene sulfoxides, polyphenylene sulfide sulfones The structure of an aromatic polymer having at least one segment selected from the group, polyphenylene oxides, polyparaphenylenes, polybenzoxazoles, polybenzothiazoles, polybenzimidazoles and polyimides. That. Among these, polyether ketones, polyether ether ketones, polyether ketone ketones, polyphenylene sulfides, and polyphenylene ethers are preferable from the viewpoint of dimensional stability, mechanical durability, and radical durability associated with gas barrier properties.

これらのセグメントにおける芳香環は、置換基を有していてもよく、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等の炭素数1〜6のアルキル基、メトキシ基、エトキシ基等の炭素数1〜6のアルコキシ基、ベンジル基などの炭素数7〜12のアラルキル基、フェニル基、ナフチル基等のアリール基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等のハロゲンなどの置換基が挙げられる。置換基は複数有していても良く、その場合は、これらは異なっていてもよい。またこれらアルキル基、アルコキシ基、アラルキル基、アリール基などの炭化水素系官能基は官能基が有する水素原子を別の官能基で置換した構造であってもよい。   The aromatic ring in these segments may have a substituent, for example, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group or a propyl group, a methoxy group or an ethoxy group having 1 to 1 carbon atoms. Substituents such as 6 alkoxy groups, aralkyl groups having 7 to 12 carbon atoms such as benzyl group, aryl groups such as phenyl group and naphthyl group, and halogens such as fluorine atom, chlorine atom and bromine atom. There may be a plurality of substituents, in which case they may be different. The hydrocarbon functional group such as an alkyl group, an alkoxy group, an aralkyl group, and an aryl group may have a structure in which a hydrogen atom of the functional group is substituted with another functional group.

重合体(I)は2種類以上のセグメントにより構成される共重合体であってもよく、ランダム共重合体でも、ブロック共重合体でも、グラフト共重合体でもよい。また重合体(I)は、重合して得られたものを用いることもできるし、市販品を用いることもできる。例えば、ポリエーテルエーテルケトン類はVICTREX社より「VICTREX PEEK」として、またポリフェニレンサルファイド類はクレハ株式会社より「フォートロンKPS」などとして入手することができる。   The polymer (I) may be a copolymer composed of two or more types of segments, and may be a random copolymer, a block copolymer, or a graft copolymer. Moreover, what was obtained by superposing | polymerizing can also use polymer (I), and can also use a commercial item. For example, polyether ether ketones can be obtained from VICTREX as “VICTREX PEEK”, and polyphenylene sulfides from Kureha Corporation as “Fortron KPS”.

重合体(I)のイオン伝導性基が導入されていない状態での分子量は、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、2,000〜1,0000,000の間から選択されるのが好ましく、5,000〜500,000の範囲から選択されるのがより好ましく、8,000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer (I) in a state where no ion-conducting group is introduced is usually preferably selected from 2,000 to 1,000,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene. More preferably, it is selected from the range of 5,000 to 500,000, more preferably from 8,000 to 100,000.

重合体(I)が有するイオン伝導性基としては、該電解質積層膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、中でも−SOM、−POHM、又は−COOM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基又はそれらの塩を用いることができ、特に高いイオン伝導性を示す観点から、−SOM又は−POHMで表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。 The ion-conducting group possessed by the polymer (I) is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the electrolyte laminate film can express sufficient ionic conductivity. A sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group or a salt thereof represented by —SO 3 M, —PO 3 HM, or —COOM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). A sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a salt thereof represented by —SO 3 M or —PO 3 HM is preferably used from the viewpoint of exhibiting particularly high ion conductivity.

重合体(I)のイオン伝導性基の導入位置については特に制限はなく、主鎖の芳香環に直接導入されていてもよいし、炭素数1から12のアルキル基、フッ化アルキル基、炭素数6から24の芳香族残基、また、炭素数1から12のアルコキシ基などを介して主鎖に結合されていてもよい。   There are no particular restrictions on the position at which the ion conductive group of the polymer (I) is introduced, it may be introduced directly into the aromatic ring of the main chain, or it may be an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a fluorinated alkyl group, carbon. It may be bonded to the main chain via an aromatic residue having 6 to 24 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 12 carbon atoms, or the like.

重合体(I)のイオン伝導性基として例えばスルホン酸基の場合、その導入方法は、硫酸を用いる方法、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物を用いる方法、クロロスルホン酸を用いる方法、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物を用いる方法、三酸化硫黄を用いる方法、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物を用いる方法、さらに2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等を用いる方法が例示される。   In the case of, for example, a sulfonic acid group as the ion conductive group of the polymer (I), the introduction method is a method using sulfuric acid, a method using a mixture of sulfuric acid and an aliphatic acid anhydride, a method using chlorosulfonic acid, chloro A method using a mixture of sulfonic acid and trimethylsilyl chloride, a method using sulfur trioxide, a method using a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate, and an aromatic organic compound represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid A method using sulfonic acid or the like is exemplified.

重合体(I)のイオン伝導性基として例えば、ホスホン酸基の場合、その導入方法は、芳香環上にハロメチル基を導入後、これに三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、さらに加水分解反応を行ってホスホン酸基を導入する方法や、芳香環上にホスフィン酸基を導入後、硝酸によりホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法等が例示できる。   For example, in the case of a phosphonic acid group as the ion conductive group of the polymer (I), the introduction method is such that after introducing a halomethyl group onto the aromatic ring, phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added thereto and reacted. Examples thereof include a method of introducing a phosphonic acid group by performing a hydrolysis reaction, a method of introducing a phosphinic acid group onto an aromatic ring, and then oxidizing the phosphinic acid group with nitric acid to form a phosphonic acid group.

重合体(I)のイオン交換容量は、0.1mmol/g〜5.0mmol/gの範囲が好ましく、0.5mmol/g〜4.0mmol/gの範囲がより好ましい。イオン伝導性基の種類や濃度、温度、処理時間などの条件を適宜選択することによりイオン交換容量を調節することができる。イオン交換容量、もしくは重合体(I)中のスルホン化率又はホスホン化率は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。 The ion exchange capacity of the polymer (I) is preferably in the range of 0.1 mmol / g to 5.0 mmol / g, and more preferably in the range of 0.5 mmol / g to 4.0 mmol / g. The ion exchange capacity can be adjusted by appropriately selecting conditions such as the type, concentration, temperature, and treatment time of the ion conductive group. The ion exchange capacity or the sulfonation rate or the phosphonation rate in the polymer (I) is determined by using an analytical means such as acid value titration method, infrared spectroscopic spectrum measurement, nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement. Can be calculated.

重合体(I)のイオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、適当な方法でイオン交換することより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体を得ることができる。   The ion conductive group of the polymer (I) may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, a block copolymer having a sulfonic acid group in a salt form can be obtained by ion exchange by an appropriate method.

重合体(I)は、本発明の効果を損わない限り、1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよいし、各種添加剤、例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していても良い。   The polymer (I) may contain one or a plurality of other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired, and various additives such as a softener, a stabilizer, and a light stabilizer. An agent, an antistatic agent, a release agent, a flame retardant, a foaming agent, a pigment, a dye, a whitening agent, and the like may be contained alone or in combination of two or more.

本発明の電解質積層膜を構成する高分子電解質膜(ii)の主成分であるブロック共重合体(II)は該高分子電解質膜(ii)の70質量%以上を占めることが望ましく、90質量%以上を占めることが更に望ましく、95質量%以上を占めることが更に望ましい。これらブロック共重合体(II)は複数を併用してもよく、その場合、用いる複数のブロック共重合体(II)の合計として高分子電解質膜(ii)の主成分を構成すればよい。複数のブロック共重合体(II)を併用する場合、相互の親和性が高いことが望ましく、これは構成する各ブロックの1次構造、極性などの類似性が重要となる。   The block copolymer (II), which is the main component of the polymer electrolyte membrane (ii) constituting the electrolyte laminate film of the present invention, preferably accounts for 70% by mass or more of the polymer electrolyte membrane (ii), and 90% by mass. % And more preferably 95% by mass or more. A plurality of these block copolymers (II) may be used in combination, and in this case, the main component of the polymer electrolyte membrane (ii) may be constituted as the sum of the plurality of block copolymers (II) to be used. When a plurality of block copolymers (II) are used in combination, it is desirable that the mutual affinity is high, and this is important for the similarity of the primary structure and polarity of each block constituting the block copolymer (II).

本発明の電解質積層膜を構成する高分子電解質膜(ii)に含有されるブロック共重合体(II)以外の成分としては、本発明の効果を損わない限り特に限定されるものではなく、他の高分子材料(例えばイオン伝導性基を有しない重合体;他の高分子電解質(例えば重合体(I)と類似の高分子電解質));各種無機材料(例えば金属の酸化物、複合酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩等、イオン伝導性を有する無機電解質、またはイオン伝導性を有さない無機塩類等);各種添加剤(例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤)を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していても良い。   Components other than the block copolymer (II) contained in the polymer electrolyte membrane (ii) constituting the electrolyte laminated membrane of the present invention are not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, Other polymer materials (for example, polymers having no ion conductive group; other polymer electrolytes (for example, polymer electrolytes similar to the polymer (I))); various inorganic materials (for example, metal oxides, complex oxidation) Products, hydroxides, halides, carbonates, sulfates, silicates, etc., inorganic electrolytes having ionic conductivity, or inorganic salts having no ionic conductivity); various additives (for example, softeners, Stabilizers, light stabilizers, antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments, dyes, and brighteners) may be used alone or in combination of two or more.

本発明の電解質積層膜は高分子電解質膜(ii)を少なくとも1層積層しているが、複数層用いてもよい。   In the electrolyte laminate film of the present invention, at least one polymer electrolyte membrane (ii) is laminated, but a plurality of layers may be used.

本発明の電解質積層膜で用いる高分子電解質膜(ii)に含有されるブロック共重合体(II)を構成する重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とがミクロ相分離することが非常に望ましい。ここでいうミクロ相分離とは、2種類以上の鎖状高分子の末端を共有結合で連結したブロックコポリマーにおいて、同種の高分子鎖同士で凝集し相分離するが、異種高分子間に斥力的な相互作用が働き、結果としてナノスケールからサブミクロンスケールの周期的な自己組織化構造を形成し、得られる周期構造を言う。かかるミクロ相分離構造は形成されるドメインサイズが可視光の波長(3800〜7800Å)以下である相分離を意味するものとする。重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士はそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトン等のイオンの通り道となる。   The polymer block (A) and the polymer block (B) constituting the block copolymer (II) contained in the polymer electrolyte membrane (ii) used in the electrolyte laminated membrane of the present invention may undergo microphase separation. Highly desirable. Microphase separation here refers to a block copolymer in which the ends of two or more types of chain polymers are linked by covalent bonds, and the same type of polymer chains aggregate and phase separate. This is a periodic structure obtained by forming a periodic self-organized structure from nanoscale to submicron scale. Such a microphase separation structure means phase separation in which the formed domain size is not more than the wavelength of visible light (3800 to 7800 mm). The polymer blocks (A) and the polymer blocks (B) have a property of gathering, and the polymer block (A) has an ion conductive group, so that the ion channels are formed by the gathering of the polymer blocks (A). It is formed and becomes a passage for ions such as protons.

ブロック共重合体(II)の構成成分である重合体ブロック(A)としては、イオン交換基を有し、ブロック共重合体を合成可能な重合体ブロックであればよい。例えば、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロック、ポリカーボネートブロック、ポリアミドブロック、ポリイミドブロック、ポリ尿素ブロック、ポリスルホンブロック、ポリスルホネートブロック、ポリベンゾオキサゾールブロック、ポリベンゾチアゾールブロック、ポリフェニルキノキサリンブロック、ポリキノリンブロック、ポリトリアジンブロック、ポリアクリレート誘導体ブロック、ポリメタクリレート誘導体ブロック等が挙げられ、中でも芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロックが好ましい。このうち、合成が容易であり、また、重合体(I)との構造の類似性から、親和性が高く、接合性に優れる、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロックがより好ましい。   The polymer block (A) which is a constituent component of the block copolymer (II) may be a polymer block having an ion exchange group and capable of synthesizing the block copolymer. For example, a polymer block mainly composed of an aromatic vinyl compound unit, a polyether ketone block, a polysulfide block, a polyphosphazene block, a polyphenylene block, a polybenzimidazole block, a polyether sulfone block, a polyphenylene oxide block, a polycarbonate block, Polyamide block, polyimide block, polyurea block, polysulfone block, polysulfonate block, polybenzoxazole block, polybenzothiazole block, polyphenylquinoxaline block, polyquinoline block, polytriazine block, polyacrylate derivative block, polymethacrylate derivative block, etc. Among them, the main repetition of aromatic vinyl compound units Polymer block unit, polyetherketone blocks, polysulfide block, polyphosphazene block, polyphenylene block, polybenzimidazole block, polyether sulfone block, polyphenylene oxide block are preferred. Among these, a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit, which is easy to synthesize and has high affinity and excellent bonding properties due to the structural similarity to the polymer (I). More preferred.

重合体ブロック(A)を構成する芳香族ビニル系化合物単位が有する芳香環は、炭素環式芳香環であるのが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等が挙げられる。これら芳香族ビニル系化合物の具体例として、スチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、4−n−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−n−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−t−ブチルスチレン、4−n−オクチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,5−ジメチルスチレン、3,5−ジメチルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、2−メトキシスチレン、3−メトキシスチレン、4−メトキシスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンなどの芳香族ビニル系化合物が挙げられる。   The aromatic ring contained in the aromatic vinyl compound unit constituting the polymer block (A) is preferably a carbocyclic aromatic ring, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, and a pyrene ring. Specific examples of these aromatic vinyl compounds include styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 4-n-propylstyrene, 4-isopropylstyrene, 4-n-butyl. Styrene, 4-isobutylstyrene, 4-t-butylstyrene, 4-n-octylstyrene, 2,4-dimethylstyrene, 2,5-dimethylstyrene, 3,5-dimethylstyrene, 2,4,6-trimethylstyrene Aromatic vinyl compounds such as 2-methoxystyrene, 3-methoxystyrene, 4-methoxystyrene, vinylnaphthalene and vinylanthracene.

また、上記の芳香族ビニル系化合物単位が炭素環式芳香環として、α−炭素が4級炭素であるものでもよい。すなわち、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、もしくはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物等を挙げることができ、具体的には、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン、α−メチル−4−t−ブチルスチレン、1,1−ジフェニルエチレン等が挙げられる。   Further, the aromatic vinyl compound unit may be a carbocyclic aromatic ring and the α-carbon may be a quaternary carbon. That is, a hydrogen atom bonded to an α-carbon atom is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, or tert. -Butyl group), halogenated alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or aromatic vinyl compounds substituted with phenyl groups, and the like. Specific examples include α-methyl styrene, α-methyl-4-methyl styrene, α-methyl-4-ethyl styrene, α-methyl-4-t-butyl styrene, 1,1-diphenylethylene, and the like.

これらは1種又は2種以上組み合わせて使用できるが、中でもスチレン、α−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレンが、材料の入手性、合成の容易さ、イオン交換基の導入の点から好ましい。   These can be used alone or in combination of two or more. Among them, styrene, α-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-2-methylstyrene are used. From the viewpoints of availability of materials, ease of synthesis, and introduction of ion exchange groups.

これらの2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。   The form in the case of copolymerizing two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば、炭素数4〜8の共役ジエン(1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等)、炭素数2〜8のアルケン(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが望ましい。   The polymer block (A) may contain one or more other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3- Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene, etc.), alkenes having 2 to 8 carbon atoms (ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), (meth) acrylic acid ester (Methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, Vinyl valine acid, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form with the other monomer is desirably random copolymerization.

重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とすると、重合体ブロック(B)とのミクロ相分離を起こす上で有利であり、この結果イオン伝導性を高めることができる。この場合、芳香族ビニル系化合物単位は、最終的に得られる電解質積層膜に十分なイオン伝導性を付与するために、重合体ブロック(A)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。   When the polymer block (A) has an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit, it is advantageous in causing microphase separation with the polymer block (B), and as a result, ion conductivity can be increased. In this case, the aromatic vinyl compound unit preferably occupies 50% by mass or more of the polymer block (A) in order to impart sufficient ion conductivity to the finally obtained electrolyte laminated film, and 70% by mass. %, More preferably 90% by mass or more.

重合体ブロック(A)がブロック共重合体(II)の5〜60質量%を占めることは、得られる電解質積層膜に十分なイオン伝導性を付与するために好ましい。10〜55質量%を占めることがより好ましく、20〜50質量%以上を占めることが更に好ましい。   It is preferable for the polymer block (A) to occupy 5 to 60% by mass of the block copolymer (II) in order to impart sufficient ionic conductivity to the resulting electrolyte laminate film. More preferably, it occupies 10 to 55% by mass, and more preferably 20 to 50% by mass or more.

各重合体ブロック(A)の分子量は、電解質積層膜の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、電解質積層膜の力学特性が高くなる傾向にあるが、大きすぎるとブロック共重合体の成形、製膜が困難になり、分子量が小さい場合、ミクロ相分離構造、ひいては、イオンチャンネルを形成しにくくなるため、イオン伝導性を示さなくなる傾向にあり、また力学特性が低くなる傾向にあるので、これらの傾向を考慮して、求められる機能に応じて分子量を適宜選択することができる。   The molecular weight of each polymer block (A) is appropriately selected depending on the properties of the electrolyte laminated film, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties of the electrolyte laminate film tend to be high. However, when the molecular weight is too large, it becomes difficult to form and form a block copolymer. When the molecular weight is small, the microphase-separated structure and thus the ion channel In view of these tendencies, the molecular weight can be appropriately selected according to the required function. .

各重合体ブロック(A)のイオン伝導性基が導入されていない状態での分子量は、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、3,000〜100,000の間から選択されるのが好ましく、4,000〜50,000の範囲から選択されるのがより好ましく、5,000〜20,000の間から選択されるのがより好ましい。また、製膜時の溶液調製のしやすさ、および製膜性の観点から、5,000〜10,000の間から選択されるのが好ましい。   The molecular weight of each polymer block (A) in the state where the ion conductive group is not introduced is preferably selected from among 3,000 to 100,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene. More preferably, it is selected from the range of 4,000 to 50,000, more preferably from 5,000 to 20,000. Moreover, it is preferable to select from among 5,000-10,000 from the viewpoint of the ease of solution preparation at the time of film formation, and film forming property.

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

本発明の電解質積層膜を構成する高分子電解質膜(ii)におけるブロック共重合体(II)は重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有することが必要である。イオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック(A)にすることはブロック共重合体(II)全体の耐ラジカル性を向上させるのに特に有効であるためである。   The block copolymer (II) in the polymer electrolyte membrane (ii) constituting the electrolyte laminate film of the present invention needs to have an ion conductive group in the polymer block (A). This is because the introduction of the ion conductive group to the polymer block (A) is particularly effective for improving the radical resistance of the entire block copolymer (II).

重合体ブロック(A)が有するイオン伝導性基としては特に限定はなく、イオン伝導性を有する官能基を用いることが出来、アニオンおよび/またはカチオンとの親和性が高いもの、特に官能基の一部がイオンとして解離しやすいものが好適であり、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基、4級アンモニウム塩、ピリジンの4級塩などが挙げられる。特にプロトン性官能基または該プロトン性官能基のプロトンを他のイオンと交換した塩はプロトン伝導性に優れ、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基並びにそれらの塩などが挙げられる。イオン伝導性、導入しやすさ、価格などの観点からスルホン酸基及びホスホン酸基並びにそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基の種類や濃度を適宜選択することでイオン交換容量を調節することができる。   The ion conductive group possessed by the polymer block (A) is not particularly limited, and functional groups having ion conductivity can be used, and those having high affinity with anions and / or cations, particularly one of functional groups. Those in which the moiety is easily dissociated as ions are suitable, and examples thereof include sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxylic acid groups, quaternary ammonium salts, and quaternary salts of pyridine. In particular, a salt obtained by exchanging a protonic functional group or a proton of the protonic functional group with another ion is excellent in proton conductivity, and examples thereof include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group, and salts thereof. From the viewpoints of ion conductivity, ease of introduction, cost, etc., sulfonic acid groups and phosphonic acid groups and their salts are preferably used. The ion exchange capacity can be adjusted by appropriately selecting the type and concentration of the ion conductive group.

本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトンなどが挙げられる。イオン伝導性基としては、該電解質積層膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、中でも−SOM又は−POHM、又は−COOM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基又はそれらの塩を用いることができ、特に高いイオン伝導性を示す観点から、−SOM又は−POHMで表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。 Examples of ions in the present invention when referring to ionic conductivity include protons. The ion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced by using the electrolyte laminate film can express sufficient ion conductivity. Among them, —SO 3 M or —PO is particularly preferable. A sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group or a salt thereof represented by 3 HM or -COOM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) can be used. in view illustrating the ion conductivity, a sulfonic acid group represented by -SO 3 M or -PO 3 HM, a phosphonic acid group or their salts are preferably used.

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

イオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体(II)の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用の電解質膜として使用するのに十分なイオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体(II) のイオン交換容量が0.70meq/g以上となるような量であることが好ましく、1.00meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体(II)のイオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり耐水性が不十分になる傾向となるので、4.00meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of ion-conductive group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the obtained block copolymer (II), but sufficient ion conductivity to be used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. In order to express it, it is usually preferable that the ion exchange capacity of the block copolymer (II) is 0.70 meq / g or more, and that the amount is 1.00 meq / g or more. It is more preferable. The upper limit of the ion exchange capacity of the block copolymer (II) is 4.00 meq / g or less because if the ion exchange capacity becomes too large, the hydrophilicity tends to increase and the water resistance becomes insufficient. preferable.

イオン伝導性基を有しない重合体ブロック(B)としては、重合体ブロック(A)とミクロ相分離する重合体ブロックであることが望ましい。例えば、スチレン誘導体(スチレンのα−、o−、m−、p−アルキル、アルコキシル、ハロゲン、ハロアルキル、ニトロ、シアノ、アミド、エステル置換体)、炭素数4〜8の共役ジエン(1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等)、炭素数2〜8のアルケン(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、炭素数5〜8のシクロアルケン(シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテン等)、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン(ビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテン等)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。   The polymer block (B) having no ion conductive group is preferably a polymer block that undergoes microphase separation from the polymer block (A). For example, styrene derivatives (α-, o-, m-, p-alkyl, alkoxyl, halogen, haloalkyl, nitro, cyano, amide, ester substituted products of styrene), conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (1,3- Butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene, etc.), C2-C8 alkene (ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2- Hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), C5-C8 cycloalkene (cyclopentene, cyclohexene) , Cycloheptene and cyclooctene), vinylcycloalkenes having 7 to 10 carbon atoms (vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, vinylcycloheptene, vinylcyclooctene, etc.), (meth) acrylate esters (methyl (meth) acrylate, ( (Meth) ethyl acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.) and the like.

重合体ブロック(B)における「イオン伝導性基を有しない」とは、実質的にイオン伝導性を示さない程度にイオン伝導性基を有しないことを意味し、重合体ブロック(B)の繰り返し単位あたりイオン伝導性基が0.1個以下であればよく、0.05個以下であることが好ましい。   “No ion conductive group” in the polymer block (B) means having no ion conductive group to the extent that it does not substantially exhibit ion conductivity, and the repetition of the polymer block (B) The number of ion conductive groups per unit may be 0.1 or less, and preferably 0.05 or less.

重合体ブロック(B)はこれらの中でも、ゴム状の重合体ブロック(B)を構成成分とすることが好ましく、このことによりブロック共重合体(II)が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)等が改善される。ここでいうゴム状の重合体ブロック(B)はガラス転移点あるいは軟化点が30℃以下であることを意味し、20℃以下であることが好ましく、10℃以下であることがより好ましい。ここでガラス転移点あるいは軟化点は、重合体ブロック(B)に相当するホモポリマーの測定値から類推できる。   Among these, the polymer block (B) is preferably composed of the rubber-like polymer block (B), and this makes the block copolymer (II) elastic and flexible as a whole. In the production of a membrane-electrode assembly or a polymer electrolyte fuel cell, the moldability (such as assembling property, bonding property, and tightening property) is improved. The rubber-like polymer block (B) here means that the glass transition point or softening point is 30 ° C. or less, preferably 20 ° C. or less, and more preferably 10 ° C. or less. Here, the glass transition point or softening point can be inferred from the measured value of the homopolymer corresponding to the polymer block (B).

ゴム状の重合体ブロック(B)は、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも一種の繰り返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位より選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数2〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがさらに好ましい。上記で、アルケン単位として最も好ましいのはイソブテン単位、1,3−ブタジエン単位の二重結合を飽和した構造単位(1−ブテン単位、2−ブテン単位)、イソプレン単位の二重結合を飽和した構造単位(2−メチル−1−ブテン単位、3−メチル−1−ブテン単位、2−メチル−2−ブテン単位)であり、特に柔軟性の高さから1,3−ブタジエン単位の二重結合を飽和した構造単位(1−ブテン単位、2−ブテン単位)の併用、イソプレン単位の二重結合を飽和した構造単位(2−メチル−1−ブテン単位、3−メチル−1−ブテン単位、2−メチル−2−ブテン単位)の併用が、最も好ましい。共役ジエン単位として最も好ましいのは1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。これらは単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。   The rubbery polymer block (B) is composed of alkene units having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkene units having 5 to 8 carbon atoms, vinylcycloalkene units having 7 to 10 carbon atoms, and conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms. And a polymer block composed of at least one repeating unit selected from the group consisting of conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms, alkene units having 2 to 8 carbon atoms, and conjugates having 4 to 8 carbon atoms. More preferably, it is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from diene units, and at least one repeating unit selected from alkene units having 2 to 6 carbon atoms and conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms. More preferably, the polymer block is composed of units. In the above, the most preferable alkene unit is a structure unit saturated with a double bond of an isobutene unit, a 1,3-butadiene unit (1-butene unit, 2-butene unit), or a structure saturated with a double bond of an isoprene unit. Unit (2-methyl-1-butene unit, 3-methyl-1-butene unit, 2-methyl-2-butene unit). Combination of saturated structural units (1-butene unit, 2-butene unit), structural units saturated with a double bond of isoprene unit (2-methyl-1-butene unit, 3-methyl-1-butene unit, 2- Most preferred is the combined use of methyl-2-butene units. Most preferred as conjugated diene units are 1,3-butadiene units and / or isoprene units. These can be used alone or in combination of two or more.

該繰返し単位を構成することができる単量体を重合(共重合)させる場合、単量体として共役ジエンを用いる場合には、可能となる複数の重合様式(例えば1,3−ジエンにおいては1,2−結合、3,4−結合、1,4−結合)のいずれであってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が30℃以下であれば、これら複数の重合様式の割合(例えば1,2−結合と1,4−結合との割合)にも特に制限はない。   When a monomer capable of constituting the repeating unit is polymerized (copolymerized), when a conjugated diene is used as the monomer, a plurality of possible polymerization modes (for example, 1 in 1,3-diene) , 2-bond, 3,4-bond, 1,4-bond), and if the glass transition point or softening point is 30 ° C. or less, the ratio of these polymerization modes (for example, 1 , 2-bond and 1,4-bond) is not particularly limited.

重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、ビニルシクロアルケン単位や共役ジエン単位や共役シクロアルカジエン単位である場合のように炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明の電解質積層膜を用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその80モル%以上が水素添加されているのが好ましく、90モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、95モル%以上が水素添加されているのがより一層好ましい。例えば重合体ブロック(B)として、炭素数4〜8の共役ジエン単位を重合したのち、炭素−炭素二重結合の実質的に全部を水素添加されたものを用いても良い。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、H−NMR測定等によって算出することができる。 When the repeating unit constituting the polymer block (B) has a carbon-carbon double bond as in the case of a vinylcycloalkene unit, a conjugated diene unit, or a conjugated cycloalkadiene unit, the present invention From the standpoint of improving the power generation performance and heat deterioration resistance of the membrane-electrode assembly using the electrolyte laminate film, it is preferable that 80 mol% or more of such carbon-carbon double bonds are hydrogenated, 90 More preferably, at least mol% is hydrogenated, and even more preferably at least 95 mol% is hydrogenated. For example, as the polymer block (B), one obtained by polymerizing a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and hydrogenating substantially all of the carbon-carbon double bonds may be used. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method, for example, iodine value measurement method, 1 H-NMR measurement or the like.

また、このように重合体ブロック(B)中の二重結合を低減することで、イオン伝導性基導入反応が起こりにくくなるので、例えばイオン伝導性基を有しないブロック共重合体にイオン伝導性基導入反応を行うことでブロック共重合体(II)を製造する場合、イオン伝導性基を有しない重合体ブロック(B)を形成する上で有利となる。   In addition, by reducing the double bonds in the polymer block (B) in this manner, the ion conductive group introduction reaction is less likely to occur. For example, the block copolymer having no ion conductive group has an ionic conductivity. When the block copolymer (II) is produced by carrying out a group introduction reaction, it is advantageous for forming a polymer block (B) having no ion conductive group.

また、重合体ブロック(B)が、ブロック共重合体(II)に弾力性を与えるためには、上記ゴム状の重合体ブロック(B)の好ましい繰り返し単位を70質量%以上含むことが好ましく、80%以上含むことがより好ましく、90%以上含むことがより好ましい。他の繰り返し単位としては、例えばスチレン単位、ビニルナフタレン単位等の芳香族ビニル系化合物単位や塩化ビニル単位等のハロゲン含有ビニル化合物単位を含んでいてもよい。   In order for the polymer block (B) to give elasticity to the block copolymer (II), the rubbery polymer block (B) preferably contains 70% by mass or more of a preferable repeating unit, More preferably 80% or more, and more preferably 90% or more. Other repeating units may include, for example, aromatic vinyl compound units such as styrene units and vinyl naphthalene units, and halogen-containing vinyl compound units such as vinyl chloride units.

重合体ブロック(B)がブロック共重合体(II)の40質量%以上を占めることによって、優れた耐水性が発現するので好ましい。50質量%を占めることがより好ましく、60質量%以上を占めることが更に好ましい。また、重合体ブロック(B)がゴム状である場合、ブロック共重合体(II)が柔軟性を発現するためには25%以上占めることが好ましく、40%以上を占めることがより好ましい。   It is preferable that the polymer block (B) accounts for 40% by mass or more of the block copolymer (II) because excellent water resistance is exhibited. It is more preferable to occupy 50 mass%, and it is still more preferable to occupy 60 mass% or more. When the polymer block (B) is rubbery, the block copolymer (II) preferably occupies 25% or more, more preferably 40% or more in order to exhibit flexibility.

各重合体ブロック(B)の分子量は、電解質積層膜の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、電解質積層膜の力学特性が高くなる傾向にあるが、大きすぎるとブロック共重合体(II)の成形、製膜が困難になり、分子量が小さい場合、ミクロ相分離構造、ひいては、イオンチャンネルを形成しにくくなるため、イオン伝導性を示さなくなる傾向にあり、また力学特性が低くなる傾向にあるので、これらの傾向を考慮して、求められる機能に応じて分子量を適宜選択することができる。   The molecular weight of each polymer block (B) is appropriately selected depending on the properties of the electrolyte laminated film, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties of the electrolyte laminate film tend to be high. However, when the molecular weight is too large, it becomes difficult to form and form the block copolymer (II). When the molecular weight is small, the microphase separation structure, and thus Since it is difficult to form an ion channel, the ion conductivity tends not to be exhibited, and the mechanical properties tend to be low. Therefore, considering these tendencies, the molecular weight is appropriately selected according to the required function. be able to.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とするブロック共重合体(II)の構造は特に限定されないが、重合体ブロック(A)は複数あることが望ましく、少なくとも1つの重合体ブロック(B)の少なくとも1つの両端は、ブロック共重合体(II)の末端でないことが望ましい。例としてA−B−A型トリブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体とA−B型ジブロック共重合体との混合物、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)、(B−A)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。   The structure of the block copolymer (II) having the polymer block (A) and the polymer block (B) as constituent components is not particularly limited, but it is desirable that there are a plurality of polymer blocks (A), and at least one It is desirable that at least one end of the polymer block (B) is not a terminal of the block copolymer (II). Examples include an ABA type triblock copolymer, an ABBA type triblock copolymer and an AB type diblock copolymer, an ABBA type tetrablock copolymer. Polymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (A-B) nX-type star copolymer (X is And (BA) nX type star copolymer (X represents a coupling agent residue). These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

前記重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は60:40〜5:95であるのが好ましく、50:50〜10:90であるのがより好ましく、40:60〜20:80であるのがより一層好ましい。該質量比がこの範囲にあるとき、ミクロ相分離により重合体ブロック(A)の形成するイオンチャンネルがシリンダー状ないし連続相となるのに有利であって、実用上十分なイオン伝導性が発現し、また疎水性である重合体ブロック(B)の割合が適切となって優れた耐水性が発現する。   The mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is preferably 60:40 to 5:95, more preferably 50:50 to 10:90, and 40:60 to It is even more preferable that the ratio is 20:80. When the mass ratio is in this range, it is advantageous that the ion channel formed by the polymer block (A) becomes a cylindrical or continuous phase by microphase separation, and practically sufficient ion conductivity is exhibited. Moreover, the ratio of the polymer block (B) which is hydrophobic becomes appropriate, and excellent water resistance is exhibited.

本発明で使用するブロック共重合体(II)は、一部にグラフト結合を含むものも包含する。かかるブロック共重合体としては、構成する重合体ブロックの一部がブロック共重合体の主たる部分(例えば主鎖)にグラフト結合したものなどが挙げられる。   The block copolymer (II) used in the present invention includes those partially containing graft bonds. Examples of such block copolymers include those in which a part of the constituting polymer block is graft-bonded to the main part (for example, main chain) of the block copolymer.

本発明で用いるブロック共重合体(II)の数平均分子量は特に制限されないが、イオン伝導性基が導入されていない状態でのポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜1,000,000が好ましく、15,000〜700,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。   The number average molecular weight of the block copolymer (II) used in the present invention is not particularly limited, but is usually 10,000 to 1,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene in a state where no ion conductive group is introduced. 15,000 is preferable, 15,000 to 700,000 is more preferable, and 20,000 to 500,000 is even more preferable.

本発明のブロック共重合体(II)は、イオン伝導性基を有さず非ゴム状の重合体ブロック(C)を更に構成成分としてもよい。重合体ブロック(C)は、拘束相として機能する。ここでいう重合体ブロック(C)は、使用条件下で、拘束機能を発現する必要があることから、そのガラス転移点あるいは軟化点が30℃を超えることが必要であり、該ガラス転移点あるいは軟化点が40℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましく、80℃以上であることが更に好ましい。ここでガラス転移点あるいは軟化点は重合体ブロック(C)に相当するホモポリマーの測定値から類推できる。   The block copolymer (II) of the present invention may further include a non-rubber polymer block (C) having no ion conductive group as a constituent component. The polymer block (C) functions as a constraining phase. Since the polymer block (C) here needs to exhibit a restraining function under the use conditions, its glass transition point or softening point needs to exceed 30 ° C., and the glass transition point or The softening point is preferably 40 ° C. or higher, more preferably 70 ° C. or higher, and further preferably 80 ° C. or higher. Here, the glass transition point or softening point can be inferred from the measured value of the homopolymer corresponding to the polymer block (C).

重合体ブロック(C)としては、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロック、ポリカーボネートブロック、ポリアミドブロック、ポリイミドブロック、ポリ尿素ブロック、ポリスルホンブロック、ポリスルホネートブロック、ポリベンゾオキサゾールブロック、ポリベンゾチアゾールブロック、ポリフェニルキノキサリンブロック、ポリキノリンブロック、ポリトリアジンブロック、ポリアクリレート誘導体ブロック、ポリメタクリレート誘導体ブロック等が挙げられ、中でも芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロックが好ましく、合成が容易である、また、本発明で用いる重合体(I)との構造の類似性より、親和性が高く、均一性高く一体化される、という観点から芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロックがより好ましい。   As the polymer block (C), a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit, a polyether ketone block, a polysulfide block, a polyphosphazene block, a polyphenylene block, a polybenzimidazole block, a polyether sulfone block, Polyphenylene oxide block, polycarbonate block, polyamide block, polyimide block, polyurea block, polysulfone block, polysulfonate block, polybenzoxazole block, polybenzothiazole block, polyphenylquinoxaline block, polyquinoline block, polytriazine block, polyacrylate derivative Blocks, polymethacrylate derivative blocks, etc. A polymer block, a polyetherketone block, a polysulfide block, a polyphosphazene block, a polyphenylene block, a polybenzimidazole block, a polyethersulfone block, and a polyphenylene oxide block having a main unit as a main repeating unit are preferred, and the synthesis is easy. From the viewpoint that the structure is similar to that of the polymer (I) used in the present invention, the polymer block is mainly composed of an aromatic vinyl compound unit from the viewpoint of high affinity and uniform integration. More preferred.

上記の芳香族ビニル系化合物単位が有する芳香環は炭素環式芳香環であるのが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等が挙げられる。これら芳香族ビニル系化合物の具体例として、スチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、4−n−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−n−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−t−ブチルスチレン、4−n−オクチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,5−ジメチルスチレン、3,5−ジメチルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、2−メトキシスチレン、3−メトキシスチレン、4−メトキシスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンなどの芳香族ビニル系化合物が挙げられる。   The aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit is preferably a carbocyclic aromatic ring, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, and a pyrene ring. Specific examples of these aromatic vinyl compounds include styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 4-n-propylstyrene, 4-isopropylstyrene, 4-n-butyl. Styrene, 4-isobutylstyrene, 4-t-butylstyrene, 4-n-octylstyrene, 2,4-dimethylstyrene, 2,5-dimethylstyrene, 3,5-dimethylstyrene, 2,4,6-trimethylstyrene Aromatic vinyl compounds such as 2-methoxystyrene, 3-methoxystyrene, 4-methoxystyrene, vinylnaphthalene and vinylanthracene.

また、上記の芳香族ビニル系化合物単位が有する炭素環式芳香環として、α−炭素が4級炭素であるものでもよい。すなわち、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、もしくはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物等を挙げることができ、具体的には、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン、α−メチル−4−t−ブチルスチレン、α−メチル−4−イソプロピルスチレン、1,1−ジフェニルエチレン等が挙げられる。   In addition, as the carbocyclic aromatic ring that the aromatic vinyl compound unit has, the α-carbon may be a quaternary carbon. That is, a hydrogen atom bonded to an α-carbon atom is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, or tert. -Butyl group), halogenated alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or aromatic vinyl compounds substituted with phenyl groups, and the like. Specifically, α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-4-ethylstyrene, α-methyl-4-t-butylstyrene, α-methyl-4-isopropylstyrene, 1, Examples include 1-diphenylethylene.

これらは1種又は2種以上組み合わせて使用できるが、中でも4−t−ブチルスチレン、4−イソプロピルスチレン、α−メチル−4−t−ブチルスチレン、α−メチル−イソプロピルスチレンが好ましい。これらの2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。   These can be used alone or in combination of two or more. Among them, 4-t-butylstyrene, 4-isopropylstyrene, α-methyl-4-t-butylstyrene, and α-methyl-isopropylstyrene are preferable. The form in the case of copolymerizing two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization or tapered copolymerization.

重合体ブロック(C)は、本発明の効果を損わない範囲内で1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば、炭素数4〜8の共役ジエン(1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等)、炭素数2〜8のアルケン(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが望ましい。   The polymer block (C) may contain one or more other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3- Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene, etc.), alkenes having 2 to 8 carbon atoms (ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), (meth) acrylic acid ester (Methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, Vinyl valine acid, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form with the other monomer is desirably random copolymerization.

重合体ブロック(C)がブロック共重合体(II)の10質量%以上を占めることによって、機械的強度を高く保つこととなり、好ましい。20質量%以上を占めることがより好ましく、25質量%以上を占めることが更に好ましい。   When the polymer block (C) accounts for 10% by mass or more of the block copolymer (II), the mechanical strength is kept high, which is preferable. More preferably, it occupies 20% by mass or more, and more preferably 25% by mass or more.

重合体ブロック(C)と重合体ブロック(A)との比率に特に限定はないが、イオン伝導性基を導入する前の単量体単位の比率として、85:15〜0:100であることが好ましく、重合体ブロック(C)による機械的強度と、高いイオン伝導性を両立する上では、85:15〜20:80であることが好ましく、更に75:25〜25:75の範囲であることが好ましい。   Although there is no limitation in particular in the ratio of a polymer block (C) and a polymer block (A), it is 85: 15-0: 100 as a ratio of the monomer unit before introduce | transducing an ion conductive group. Is preferable, and it is preferably 85:15 to 20:80 and more preferably in the range of 75:25 to 25:75 in order to achieve both the mechanical strength of the polymer block (C) and high ionic conductivity. It is preferable.

またゴム状の重合体ブロック(B)と重合体ブロック(C)との合計として、ブロック共重合体(II)の40質量%以上を占めることによって、優れた耐水性が発現するので好ましい。50質量%を占めることがより好ましく、60質量%以上を占めることが更に好ましい。   Further, the total of the rubber-like polymer block (B) and the polymer block (C) accounts for 40% by mass or more of the block copolymer (II), so that excellent water resistance is exhibited. It is more preferable to occupy 50 mass%, and it is still more preferable to occupy 60 mass% or more.

実質的にイオン伝導性基を有さない重合体ブロック(C)は、下記の一般式(a)   The polymer block (C) having substantially no ion conductive group has the following general formula (a):

Figure 2011103176

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基であり、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、そのうち少なくとも1つはアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから構成されていてもよい。一般式(a)のRで表される炭素数1〜4のアルキル基は、直鎖状でも分岐状でもよく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。一般式(a)のR〜Rで表される炭素数1〜8のアルキル基は、直鎖状でも分岐状でもよく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、ヘキシル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基などが挙げられる。一般式(a)で表される芳香族ビニル系化合物単位の好適な具体例としては、p−メチルスチレン単位、4−tert−ブチルスチレン単位、p−メチル−α−メチルスチレン単位、4−tert−ブチル−α−メチルスチレン単位等が挙げられ、これらは1種または2種以上組み合わせて用いてもよい。これら2種以上を重合(共重合)させる場合の形態は、ランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
Figure 2011103176

(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and at least one of them is an alkyl group. It may be composed of a polymer block having as a main repeating unit an aromatic vinyl compound unit represented by: The alkyl group having 1 to 4 carbon atoms represented by R 1 in the general formula (a) may be linear or branched, and is a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, sec-butyl group. , Isobutyl group, tert-butyl group and the like. The alkyl group having 1 to 8 carbon atoms represented by R 2 to R 4 in the general formula (a) may be linear or branched, and is methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, sec Examples include -butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, hexyl group, 1-methylpentyl group, heptyl group, octyl group and the like. Preferable specific examples of the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (a) include p-methylstyrene unit, 4-tert-butylstyrene unit, p-methyl-α-methylstyrene unit, 4-tert. -Butyl- (alpha) -methylstyrene unit etc. are mentioned, These may be used 1 type or in combination of 2 or more types. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(C)は、拘束相としての機能を妨げない範囲内で、芳香族ビニル系化合物単位以外に、1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいても良い。かかる他の単量体単位を与える単量体としては、例えば、炭素数4〜8の共役ジエン、炭素数2〜8のアルケン、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエステル、ビニルエーテル等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが望ましい。
拘束相としての機能を果たす観点から、上記した芳香族ビニル系化合物単位は、重合体ブロック(C)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。
The polymer block (C) may contain one or more other monomer units in addition to the aromatic vinyl compound unit as long as the function as a constrained phase is not hindered. Examples of the monomer that provides such other monomer units include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms, alkenes having 2 to 8 carbon atoms, (meth) acrylic acid esters, vinyl esters, vinyl ethers, and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer is desirably random copolymerization.
From the viewpoint of serving as a constrained phase, the aromatic vinyl compound unit described above preferably occupies 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more of the polymer block (C), and 90% by mass. It is even more preferable to occupy% or more.

重合体ブロック(C)の分子量は、高分子電解質の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、高分子電解質の力学特性が高くなる傾向にあるが、大きすぎるとブロック共重合体の成形、製膜が困難になり、分子量が小さい場合、力学特性が低くなる傾向にあり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、800〜500,000の間から選択されるのが好ましく、2,000〜150,000の間から選択されるのがより好ましく、3,000〜50,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (C) is appropriately selected depending on properties of the polymer electrolyte, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties of the polymer electrolyte tend to be high, but when it is too large, it becomes difficult to mold and form a block copolymer, and when the molecular weight is small, the mechanical properties tend to be low, It is important to select the molecular weight appropriately according to the required performance. The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually preferably selected from 800 to 500,000, more preferably from 2,000 to 150,000, and more preferably from 3,000 to 50,000. It is more preferable to select between.

本発明で用いるブロック共重合体(II)が重合体ブロック(C)、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)から構成される場合、該ブロック共重合体(II)の構造は、特に限定されないが、例としてA−B−C−Aテトラブロック共重合体、B−A−B−Cテトラブロック共重合体、A−B−C−Bテトラブロック共重合体、C−B−C−Aテトラブロック共重合体、A−B−A−Cテトラブロック共重合体、A−C−B−C−Aペンタブロック共重合体、C−A−B−A−Cペンタブロック共重合体、A−C−B−C−Aペンタブロック共重合体、C−B−A−B−Cペンタブロック共重合体、A−B−C−A−Bペンタブロック共重合体、A−B−C−A−Cペンタブロック共重合体、A−B−C−B−Cペンタブロック共重合体、A−B−A−B−Cペンタブロック共重合体、A−B−A−C−Bペンタブロック共重合体、B−A−B−A−Cペンタブロック共重合体、B−A−B−C−Aペンタブロック共重合体、B−A−B−C−Bペンタブロック共重合体、C−A−C−B−Cペンタブロック共重合体等が挙げられる。   When the block copolymer (II) used in the present invention is composed of a polymer block (C), a polymer block (A) and a polymer block (B), the structure of the block copolymer (II) is: Although not particularly limited, examples include A-B-C-A tetrablock copolymer, B-A-B-C tetrablock copolymer, A-B-C-B tetrablock copolymer, C-B- C-A tetra-block copolymer, A-B-A-C tetra-block copolymer, A-C-B-C-A penta-block copolymer, C-A-B-A-C penta-block copolymer Polymer, A-C-B-C-A pentablock copolymer, C-B-A-B-C pentablock copolymer, A-B-C-A-B pentablock copolymer, A-B -C-A-C pentablock copolymer, A-B-C-B-C pentablock copolymer Coalescence, A-B-A-B-C pentablock copolymer, A-B-A-C-B pentablock copolymer, B-A-B-A-C pentablock copolymer, B-A -B-C-A pentablock copolymer, B-A-B-C-B pentablock copolymer, C-A-C-B-C pentablock copolymer and the like.

ブロック共重合体(II)の構成成分である重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。   The polymer block (A) and the polymer block (B), which are constituent components of the block copolymer (II), undergo microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) are separated from each other. Each of the polymer blocks (A) has an ion conductive group, and therefore, an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons.

本発明で使用するブロック共重合体(II)は、一部にグラフト結合を含むものも包含する。一部にグラフト結合を含むブロック共重合体としては、構成する重合体ブロックの一部がブロック共重合体の主たる部分(例えば主鎖)にグラフト結合したものなどが挙げられる。   The block copolymer (II) used in the present invention includes those partially containing graft bonds. Examples of the block copolymer partially containing a graft bond include those in which a part of the constituting polymer block is graft-bonded to a main part (for example, main chain) of the block copolymer.

本発明で用いられるブロック共重合体(II)の製造法に関しては、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えばイオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、イオン伝導性基を結合させる方法がある。この場合イオン伝導性基が導入されやすい繰り返し単位からなる重合体ブロックと、イオン伝導性基が導入されにくい重合体ブロックからなるブロック共重合体をまず製造し、イオン伝導性基導入反応を行う。イオン伝導性基が導入されやすい繰り返し単位からなる重合体ブロックが重合体ブロック(A)となり、イオン伝導性基が導入されにくい繰り返し単位からなる重合体ブロックが重合体ブロック(B)、(C)となる。イオン伝導性基が導入されにくい繰り返し単位からなる重合体ブロックは重合後、二重結合などの官能化されやすい部位が消失するようなモノマーを選択してもよく、該二重結合などの官能化されやすい部位を重合後に除去(例えば二重結合の水素添加)しても良い。   It does not specifically limit regarding the manufacturing method of block copolymer (II) used by this invention, A well-known method can be used. For example, there is a method in which an ion conductive group is bonded after a block copolymer having no ion conductive group is produced. In this case, a polymer block composed of a repeating unit in which an ion conductive group is easily introduced and a block copolymer composed of a polymer block in which the ion conductive group is difficult to be introduced are first produced, and an ion conductive group introduction reaction is performed. A polymer block consisting of a repeating unit in which an ion conductive group is easily introduced becomes the polymer block (A), and a polymer block consisting of a repeating unit in which the ion conductive group is difficult to be introduced is a polymer block (B) or (C). It becomes. For polymer blocks consisting of repeating units in which ion-conducting groups are difficult to be introduced, a monomer may be selected so that a site that is easily functionalized such as a double bond disappears after polymerization. Sites that are likely to be removed may be removed after polymerization (for example, hydrogenation of double bonds).

重合体ブロック(A)又は(B)を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック(A)又は(B)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量制御、分子量分布制御、重合体構造制御、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法、リビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法が好ましい。   Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, Although it is appropriately selected from coordination polymerization method and the like, radical polymerization method, anionic polymerization method and cationic polymerization method are preferably selected from the viewpoint of industrial ease. In particular, the so-called living polymerization method is preferable from the viewpoint of molecular weight control, molecular weight distribution control, polymer structure control, ease of bonding between the polymer block (A) and the polymer block (B), and specifically, a living radical polymerization method. Living anionic polymerization and living cationic polymerization are preferred.

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

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

このようにして製造されたブロック共重合体は、重合体ブロック(B)を構成する炭素数4〜8の共役ジエン単位の二重結合の水素添加反応に供される。該水素添加反応の方法としては、アニオン重合等で得られたブロック共重合体の溶液を耐圧容器に仕込み、Ni/Al系等のチーグラー系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において水素添加反応を行う方法を例示できる。   The block copolymer thus produced is subjected to a hydrogenation reaction of double bonds of conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms constituting the polymer block (B). As a method of the hydrogenation reaction, a solution of a block copolymer obtained by anionic polymerization or the like is charged into a pressure vessel, and a hydrogenation reaction is performed in a hydrogen atmosphere using a Ziegler type hydrogenation catalyst such as a Ni / Al system. The method of performing can be illustrated.

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

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

得られたブロック共重合体のスルホン化物を含む反応溶液から、スルホン化物を固形物として取り出す方法としては、水中に反応溶液を注ぎスルホン化物を沈殿させた後に溶媒を常圧留去する方法や、反応溶液中に停止剤の水を徐々に添加し懸濁せしめ、スルホン化物を析出させた後に溶媒を常圧留去する方法などが挙げられるが、スルホン化物が微分散化し、その後の水での洗浄効率が高くなる観点から、反応溶液中に停止剤の水を徐々に添加し、懸濁せしめ、スルホン化物を析出させる方法が好適に用いられる。   As a method for removing the sulfonated product as a solid from the reaction solution containing the sulfonated product of the block copolymer, a method of pouring the reaction solution into water and precipitating the sulfonated product, and then distilling off the solvent at atmospheric pressure, Stopper water is gradually added and suspended in the reaction solution, and the sulfonated product is precipitated, and then the solvent is distilled off at atmospheric pressure. From the viewpoint of increasing the washing efficiency, a method of gradually adding and suspending the stopper water in the reaction solution to precipitate the sulfonated product is suitably used.

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

スルホン化又はホスホン化の程度としては、すでに述べたように、ブロック共重合体(II)のイオン交換容量が0.70meq/g以上、特に0.80meq/g以上になるまで、しかし、4.00meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化されることが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。スルホン化またはホスホン化されたブロック共重合体(II)のイオン交換容量、もしくはブロック共重合体(II)における芳香族ビニル系化合物中のスルホン化率又はホスホン化率は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。 The degree of sulfonation or phosphonation is as described above until the ion exchange capacity of the block copolymer (II) is 0.70 meq / g or more, particularly 0.80 meq / g or more. It is desirable to be sulfonated or phosphonated so as to be not more than 00 meq / g. Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer (II), or the sulfonation rate or phosphonation rate in the aromatic vinyl compound in the block copolymer (II) is determined by acid value titration, red It can be calculated using an analytical means such as an external spectral spectrum measurement or a nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.

イオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、適当な方法でイオン交換することより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体(II)を得ることができる。   The ion conductive group may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, a block copolymer (II) having a sulfonic acid group in a salt form can be obtained by ion exchange by an appropriate method.

本発明の電解質積層膜は、本発明の効果を損わない限り、各種添加剤、例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していても良い。   As long as the effect of the present invention is not impaired, the electrolyte laminated film of the present invention is various additives such as a softening agent, a stabilizer, a light stabilizer, an antistatic agent, a release agent, a flame retardant, a foaming agent, a pigment, You may contain dye, a brightening agent, etc. individually or in combination of 2 or more types.

軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等が挙げられる。   Examples of the softener include petroleum softeners such as paraffinic, naphthenic or aromatic process oils, paraffin, vegetable oil softeners, plasticizers, and the like.

安定剤は、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤等を包含し、具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。   Stabilizers include phenol-based stabilizers, sulfur-based stabilizers, phosphorus-based stabilizers, and the like. Specific examples include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerythryl-tetrakis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) Benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate] 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2-thio-diethylenebis [ 3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamide), 3,5 -Di-t-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3- (3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane and other phenolic stabilizers Agents: pentaerythrityltetrakis (3-lauryl thiopropionate), distearyl 3,3'-thiodipropionate, dilauryl 3,3'-thiodipropio And sulfur stabilizers such as dimyristyl 3,3′-thiodipropionate; trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasterylpentaerythritol diphosphite, bis Examples thereof include phosphorus stabilizers such as (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) pentaerythritol diphosphite.

本発明の電解質積層膜は、固体高分子型燃料電池用電解質膜として必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が5〜500μm程度であることが好ましく、7〜100μm程度であることがより好ましい。膜厚が5μm未満である場合には、膜の機械的強度やガスの遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が500μmを超えて厚い場合には、膜抵抗が大きくなり、充分なプロトン伝導性が発現しないため、電池の発電特性が低くなる傾向がある。該膜厚はより好ましくは5〜300μmである。   The electrolyte laminated film of the present invention preferably has a film thickness of about 5 to 500 μm, preferably about 7 to 100 μm, from the viewpoint of performance, film strength, handling properties, etc. required as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. It is more preferable that When the film thickness is less than 5 μm, the mechanical strength of the film and the gas barrier property tend to be insufficient. On the contrary, when the film thickness is thicker than 500 μm, the membrane resistance increases and sufficient proton conductivity does not appear, so that the power generation characteristics of the battery tend to be lowered. The film thickness is more preferably 5 to 300 μm.

本発明の電解質積層膜の構成成分である高分子電解質膜(i)と高分子電解質膜(ii)の膜は、本発明の特徴をより効果的に発揮する観点から、高分子電解質膜(i)の厚さが2〜20μmであり、高分子電解質膜(ii)の厚さが2〜40μmであることが好ましく、高分子電解質膜(i)の厚さが3〜10μmであり、高分子電解質膜(ii)の厚さが3〜20μmであることがより好ましい。高分子電解質膜(i)と高分子電解質膜(ii)の厚さの比としては、1:4〜4:1であることが好ましい。   The polymer electrolyte membrane (i) and the polymer electrolyte membrane (ii), which are constituent components of the electrolyte laminated membrane of the present invention, are polymer electrolyte membranes (i ) Is 2 to 20 μm, the thickness of the polymer electrolyte membrane (ii) is preferably 2 to 40 μm, the thickness of the polymer electrolyte membrane (i) is 3 to 10 μm, and the polymer More preferably, the thickness of the electrolyte membrane (ii) is 3 to 20 μm. The thickness ratio between the polymer electrolyte membrane (i) and the polymer electrolyte membrane (ii) is preferably 1: 4 to 4: 1.

本発明の高分子電解質積層膜の層構成としては特に制限はないが、膜と電極の電気的接合性を高める観点から、最外層の高分子電解質層のイオン伝導容量が内部より高いことが、膜と電極の電気的接合性を高め、電池特性を向上させる観点から好ましい。好ましい例としては、イオン交換容量の低い内層の両面に、イオン交換容量の高い外層を有する構造の高分子電解質積層膜を挙げることができる。また、熱可塑性が低い内層(例えば高分子電解質膜(i))の両面に、熱可塑性がより高い外層(例えば高分子電解質膜(ii))を有する構造の高分子電解質積層膜を挙げることができる。このような構成とすることで加熱によって電極との接合が容易となる。同様の理由で触媒層のバインダー成分と構造がより近い重合体を含有する高分子電解質膜を触媒層と接するように配置することが望ましい。また、機械的強度がより高い層(例えば高分子電解質膜(i))の両面に、機械的強度がより低い層(例えば高分子電解質膜(ii))を対象性良く配置した構造の高分子電解質積層膜を挙げることができる。このような構成とすることで電解質積層膜の変形などが一層抑制できる。   The layer configuration of the polymer electrolyte laminate film of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of improving the electrical bondability between the membrane and the electrode, the outermost polymer electrolyte layer has higher ion conduction capacity than the inside, It is preferable from the viewpoint of improving the electrical characteristics of the membrane and the electrode and improving the battery characteristics. Preferable examples include a polymer electrolyte laminate film having a structure in which an outer layer having a high ion exchange capacity is provided on both sides of an inner layer having a low ion exchange capacity. In addition, a polymer electrolyte laminate film having a structure in which an outer layer (eg, polymer electrolyte membrane (ii)) having higher thermoplasticity is provided on both surfaces of an inner layer (eg, polymer electrolyte membrane (i)) having low thermoplasticity. it can. With such a configuration, joining with the electrode is facilitated by heating. For the same reason, it is desirable to dispose a polymer electrolyte membrane containing a polymer having a structure closer to that of the binder component of the catalyst layer so as to be in contact with the catalyst layer. In addition, a polymer having a structure in which layers having lower mechanical strength (for example, the polymer electrolyte membrane (ii)) are arranged on both sides of a layer having higher mechanical strength (for example, the polymer electrolyte membrane (i)) with good objectivity An electrolyte laminated film can be mentioned. With such a configuration, deformation of the electrolyte laminated film can be further suppressed.

本発明の高分子電解質積層膜の調製については、かかる調製のための通常の方法であればいずれの方法も採用できる。例えば、本発明の電解質積層膜を構成する高分子電解質膜の1つを作製するには、上記重合体(I)もしくはブロック共重合体(II)、及び上記したような添加剤を適当な溶媒と混合して、5質量%以上の上記重合体(I)もしくはブロック共重合体(II)の均一溶液または乳化液を調製した後、離形処理済のPETフィルム等に、コーターやアプリケータ塔を用いて塗布した後、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得る溶液塗工方法や、熱プレス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の方法を用いて製膜する方法等を用いることができるが、良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、溶液塗工方法が好適に用いられる。   As for the preparation of the polymer electrolyte laminate film of the present invention, any method can be adopted as long as it is a usual method for such preparation. For example, in order to produce one of the polymer electrolyte membranes constituting the electrolyte laminate film of the present invention, the polymer (I) or the block copolymer (II), and the additives as described above are used in a suitable solvent. And a homogeneous solution or emulsion of the above polymer (I) or block copolymer (II) of 5% by mass or more is prepared, and then a coater or applicator tower is applied to a release-treated PET film or the like. Using a known method such as a solution coating method for obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness by removing the solvent under an appropriate condition after application using heat treatment, roll molding, extrusion molding, or the like. A method for forming a film can be used, but a solution coating method is preferably used from the viewpoint of easily preparing an electrolyte membrane having good strength and flexibility.

得られた第1層目の電解質膜の上に、第2層として、同じもしくは異なる電解質膜を形成させるには、新たに、同じもしくは異なる重合体(I)もしくはブロック共重合体(II)を同様に塗布して乾燥することにより、作製することができる。3層以上からなる積層膜を作製する場合には、上記方法と同様に第3層目以降を塗布し、乾燥すればよい。また上記のように得られた、同じもしくは異なる電解質膜同士を熱ロール成形等で圧着させることにより積層化させてもよい。また、積層膜の界面接合性を高める観点から、例えば第1層目を塗布した後、凹凸状の基材を押し当てたり、凹凸面のある基材上に第1層目を塗布したりすることで第1層表面に凹凸をつけて表面積を上げ、その後第2層目を塗布することで積層化させてもよい。同様の手法は第3層目以降にもとることができる。   In order to form the same or different electrolyte membrane as the second layer on the obtained first electrolyte membrane, the same or different polymer (I) or block copolymer (II) is newly added. Similarly, it can be produced by applying and drying. In the case of producing a laminated film composed of three or more layers, the third and subsequent layers may be applied and dried in the same manner as in the above method. Moreover, you may make it laminate | stack by making the same or different electrolyte membranes obtained as mentioned above press-fit by hot roll shaping | molding. Also, from the viewpoint of improving the interfacial bonding property of the laminated film, for example, after applying the first layer, the uneven substrate is pressed, or the first layer is applied on the uneven substrate. Thus, the surface of the first layer may be made uneven to increase the surface area, and then the second layer may be applied to form a laminate. A similar technique can be applied to the third and subsequent layers.

均一溶液系で調製する場合に使用する溶媒は、重合体(I)もしくはブロック共重合体(II)の構造を破壊することなく、溶液塗工が可能な程度の粘度の溶液を調製することが可能なものであれば特に制限されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール類、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンのような非プロトン系極性溶媒、あるいはこれらの混合溶媒等が例示できる。重合体(I)、ブロック共重合体(II)の構造、共重合体の構成、分子量、イオン交換容量等に応じて、上記に例示した溶媒の中から、1種又は2種以上の組合せを適宜選択し使用することができる。特に良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調整しやすい観点から、重合体(I)においては非プロトン系極性溶媒が好ましく、ブロック共重合体(II)においてはトルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソブチルアルコールの混合溶媒、テトラヒドロフラン溶媒、テトラヒドロフランとメタノールの混合溶媒が好ましく、特に、トルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒が好ましい。高分子電解質膜(i)と高分子電解質膜(ii)の界面接合性を高める観点から、塗工時には重合体(I)の溶液中にブロック共重合体(II)を溶解する溶媒を適量混合してもよいし、或いはブロック共重合体(II)の溶液中に重合体(I)を溶解する溶媒を適量混合してもよい。     The solvent used when preparing in a homogeneous solution system can prepare a solution having a viscosity that allows solution coating without destroying the structure of the polymer (I) or the block copolymer (II). There is no particular limitation as long as it is possible. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Hydrogens, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, isobutyl alcohol, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like Examples include aprotic polar solvents or mixed solvents thereof. Depending on the structure of the polymer (I) and the block copolymer (II), the structure of the copolymer, the molecular weight, the ion exchange capacity, etc., one or a combination of two or more of the solvents exemplified above may be used. It can be appropriately selected and used. In view of easy adjustment of an electrolyte membrane having particularly good strength and flexibility, an aprotic polar solvent is preferable in the polymer (I), and a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol in the block copolymer (II), A mixed solvent of toluene and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isobutyl alcohol, a tetrahydrofuran solvent, and a mixed solvent of tetrahydrofuran and methanol are preferable. In particular, a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol, toluene and isopropyl alcohol The mixed solvent is preferable. From the viewpoint of enhancing the interfacial bonding between the polymer electrolyte membrane (i) and the polymer electrolyte membrane (ii), an appropriate amount of a solvent that dissolves the block copolymer (II) is mixed in the polymer (I) solution during coating. Alternatively, an appropriate amount of a solvent for dissolving the polymer (I) may be mixed in the solution of the block copolymer (II).

また、溶液塗工方法における溶媒除去の条件は、重合体(1)もしくはブロック共重合体(II)のスルホン酸基等のイオン伝導性基が脱落する温度以下で、溶媒を完全に除去できる条件であれば任意に選択することが可能である。所望の物性を発現させるため、複数の温度を任意に組み合わせたり、通風気下と真空下等を任意に組み合わせてもよい。具体的には、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、100〜140℃程度の熱風乾燥にて2〜4分にて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、25〜40℃程度の雰囲気下、真空乾燥にて1〜12時間程度乾燥する方法などが挙げられる。良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、25〜40℃程度の雰囲気下、真空乾燥にて1〜12時間程度乾燥する方法などが好適に用いられる。   The solvent removal conditions in the solution coating method are such that the solvent can be completely removed at a temperature not higher than the temperature at which ion conductive groups such as sulfonic acid groups of the polymer (1) or the block copolymer (II) are removed. Any selection can be made. In order to express desired physical properties, a plurality of temperatures may be arbitrarily combined, or a combination of ventilation and vacuum may be arbitrarily combined. Specifically, a method of removing the solvent by hot air drying at about 60 to 100 ° C. over 4 minutes, a method of removing the solvent in 2 to 4 minutes by hot air drying at about 100 to 140 ° C., After pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours and then drying with hot air drying at about 100 ° C. for several minutes, or after pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, 25 Examples include a method of drying for about 1 to 12 hours by vacuum drying in an atmosphere of about 40 ° C. From the viewpoint of easy preparation of an electrolyte membrane having good strength and flexibility, a method of removing the solvent over 4 minutes or more by hot air drying at about 60 to 100 ° C., or about 1 to 3 hours at about 25 ° C. After drying, it is dried by hot air drying at about 100 ° C. over several minutes, or after preliminary drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, and then vacuum drying in an atmosphere of about 25-40 ° C. For example, a method of drying for about 1 to 12 hours is preferably used.

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

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

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

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

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

本発明の電解質積層膜は、高分子電解質膜(i)と高分子電解質膜(ii)を積層することにより、低湿度から高湿度までの広い湿度変化においても高い寸法安定性、並びに高い機械的耐久性を有し、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池に用いたとき、出力特性、耐久性に優れる。このことは、従来湿度の制御のため必要であった多くの補機類を省略することに繋がり、装置の小型化、コストダウンのために有利である。また電解質膜のガスバリア性が高いため、酸素の透過に伴い発生するラジカル耐久性に優れ、長寿命である。更に電解質に弾力性と柔軟性を有するフレキシブルな重合体を有することから、電極との接合性にも優れ、該電解質積層膜を用いた膜−電極接合体、及び燃料電池は出力特性、並びに耐久性に優れる。   The electrolyte laminate film of the present invention has a high dimensional stability and a high mechanical property even in a wide humidity change from low humidity to high humidity by laminating the polymer electrolyte membrane (i) and the polymer electrolyte membrane (ii). It has durability and is excellent in output characteristics and durability when used in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel. This leads to the omission of many auxiliary devices conventionally required for controlling the humidity, which is advantageous for downsizing and cost reduction of the apparatus. Further, since the gas barrier property of the electrolyte membrane is high, it is excellent in the durability of radicals generated by permeation of oxygen and has a long life. Furthermore, since the electrolyte has a flexible polymer having elasticity and flexibility, it has excellent bondability with the electrode, and the membrane-electrode assembly and the fuel cell using the electrolyte laminated film have output characteristics and durability. Excellent in properties.

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

(実施例及び比較例の高分子膜の性能試験及びその結果)
以下の1)〜5)の試験によって各実施例又は比較例で得られた膜を評価した。
(Performance tests and results of polymer films of Examples and Comparative Examples)
The films obtained in each Example or Comparative Example were evaluated by the following tests 1) to 5).

1)線膨張率
1cm×4cmの試料を4時間蒸留水に浸漬した後に、長手方向の長さ(x)を計測し、以下の式により算出し、10%未満を○、10%以上を×とした
線膨張率(%)=(x−4)/4×100
1) Linear expansion coefficient After immersing a sample of 1 cm × 4 cm in distilled water for 4 hours, the length (x) in the longitudinal direction is measured, calculated by the following formula, less than 10% ○, 10% or more × Linear expansion coefficient (%) = (x−4) / 4 × 100

2)膜強度
2.5cm×7.5cmのダンベル型試験片に長軸方向に向かい5cmの切込みを入れ、材料を、インストロンジャパン社製5566型引張試験機により、25℃、相対湿度50%、引張速度250mm/minの条件において応力を測定し、25MPa以上を○、25MPa未満を×とした。
2) Film strength A 5 cm incision was made in a 2.5 cm × 7.5 cm dumbbell-shaped test piece in the long axis direction, and the material was measured at 25 ° C. and 50% relative humidity with an Instron Japan 5566 type tensile tester. The stress was measured under the condition of a tensile speed of 250 mm / min.

3)燃料電池用単セルの発電特性(100%湿度条件下)
得られた電解質膜および電解質積層膜を用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料として水素を用い、酸化剤として空気を用いた。水素の供給条件は、ストイキ1.3、加湿を100%R.H.とした。空気の供給条件は、ストイキ2.0、加湿を100%R.H.とした。セル温度を70℃に設定して、実施例、比較例で作成した評価セルをセットした後、発電試験を実施し、1.0A/cm時のセル抵抗、及び電圧を評価し、セル抵抗については3.0mΩ未満を○、3.0mΩ以上を×とし、電圧については0.50V以上を○、0.50V未満を×とした。
3) Power generation characteristics of single cells for fuel cells (under 100% humidity)
The output performance of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced using the obtained electrolyte membrane and electrolyte laminated membrane was evaluated. Hydrogen was used as the fuel and air was used as the oxidant. The hydrogen supply conditions were stoichiometric 1.3 and humidification at 100% RH. The air supply conditions were stoichiometric 2.0 and humidification at 100% RH. After setting the cell temperature to 70 ° C. and setting the evaluation cells created in the examples and comparative examples, the power generation test was performed, the cell resistance and voltage at 1.0 A / cm 2 were evaluated, and the cell resistance As for, less than 3.0 mΩ was marked as ◯, 3.0 mΩ or more as x, and as for voltage, 0.50 V or more was marked as ◯, and less than 0.50 V was marked as x.

4)燃料電池用単セルの発電特性(30%湿度条件下)
得られた電解質膜および電解質積層膜を用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料として水素を用い、酸化剤として空気を用いた。水素の供給条件は、ストイキ1.3、加湿を30%R.H.とした。空気の供給条件は、ストイキ2.0、加湿を30%R.H.とした。セル温度を70℃に設定して、実施例、比較例で作成した評価セルをセットした後、100%R.H.に加湿した水素、空気を用いて、前処理を行った後、発電試験を実施し、1.0A/cm時のセル抵抗、及び電圧を評価し、セル抵抗については3.0mΩ未満を○、3.0mΩ以上を×とし、電圧については0.45V以上を○、0.45V未満を×とした。
4) Power generation characteristics of fuel cell single cells (30% humidity)
The output performance of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced using the obtained electrolyte membrane and electrolyte laminated membrane was evaluated. Hydrogen was used as the fuel and air was used as the oxidant. The hydrogen supply conditions were stoichiometric 1.3 and humidification 30% RH. The air supply conditions were stoichiometric 2.0 and humidification 30% RH. After setting the cell temperature to 70 ° C. and setting the evaluation cells created in Examples and Comparative Examples, pretreatment was performed using hydrogen and air humidified to 100% RH, and then a power generation test. The cell resistance at 1.0 A / cm 2 and the voltage were evaluated. For the cell resistance, less than 3.0 mΩ was marked as ◯, 3.0 mΩ or more as x, and the voltage as 0.45 V or more as ◯, Less than 0.45V was set as x.

5)耐久性(開回路電圧・OCV)試験
得られた電解質膜および電解質積層膜を用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、加速試験として開回路試験(OCV試験)を行った。試験は、常圧で、アノード及びカソードにそれぞれ水素、酸素を500mL/分の速度で供給し、加湿を30%R.H.とした。セル温度を90℃に設定して、実施例、比較例で作成したセルをセットした後、発電は行わずに開回路状態で放置し、100時間後の電圧を測定し、開回路電圧は初期値0.95V以上、100時間後0.90V以上を○とし、それら未満を×とした。
5) Durability (open circuit voltage / OCV) test An open circuit test (OCV test) was performed as an acceleration test on the single cell for the polymer electrolyte fuel cell prepared using the obtained electrolyte membrane and electrolyte laminated membrane. . In the test, hydrogen and oxygen were supplied to the anode and the cathode at a rate of 500 mL / min at normal pressure, respectively, and the humidity was 30% RH. After setting the cell temperature to 90 ° C. and setting the cells prepared in the examples and comparative examples, the power generation is not performed and the cells are left in an open circuit state, and the voltage after 100 hours is measured. A value of 0.95 V or higher, 100 hours later 0.90 V or higher was rated as ◯, and less than that was rated as x.

<参考例1>
(ポリスチレン(重合体ブロック(A))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体の製造)
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン865ml及びsec−ブチルリチウム(1.25M−シクロヘキサン溶液)3.27mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン36.1ml、スチレン51.0mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させ、次いでイソプレン149ml、スチレン49.4ml、及び4−tert−ブチルスチレン33.7mlを逐次添加し、60℃で逐次重合させることにより、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、tBSSIStBSと略記する)を合成した。得られたtBSSIStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は99010であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は34.8質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は24.8質量%であった。
<Reference Example 1>
(Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (C))
Into a 1400 mL autoclave was charged 865 ml of dehydrated cyclohexane and 3.27 ml of sec-butyllithium (1.25 M-cyclohexane solution), and then 36.1 ml of 4-tert-butylstyrene and 51.0 ml of styrene were successively added at 50 ° C. Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene by sequential polymerization, followed by sequential addition of 149 ml of isoprene, 49.4 ml of styrene and 33.7 ml of 4-tert-butylstyrene and successive polymerization at 60 ° C. -B-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as tBSSIStBS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 99010, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 34.8 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 24.8% by mass.

合成したtBSSIStBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のチーグラー系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において70℃で8時間水素添加反応を行い、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、tBSSEPStBSと略記する)を得た。得られたtBSSEPStBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、ポリイソプレンの二重結合に由来するピークは検出されなかった。 A cyclohexane solution of synthesized tBSSIStBS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 70 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler-type hydrogenation catalyst. To obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as tBSSEPStBS). . When the hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, no peak derived from the polyisoprene double bond was detected.

<製造例1>
(スルホン化tBSSEPStBSの合成)
参考例1で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)40gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン500mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン147.5ml中、0℃にて無水酢酸73.7mlと硫酸33.0mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を、5分かけて徐々に滴下した。室温にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を20ml添加した。その後、0.7Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.3L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から100mol%、該スルホン化tBSSEPStBSのイオン交換容量は2.64meq/gであった。
<Production Example 1>
(Synthesis of sulfonated tBSSEPStBS)
40 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, and then purged with nitrogen. Then, 500 ml of methylene chloride was added, and the mixture was stirred at room temperature. And dissolved. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 73.7 ml of acetic anhydride and 33.0 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 147.5 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 72 hours, 20 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 0.7 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to coagulate and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.3 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 100 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated tBSSEPStBS was 2.64 meq / g.

<製造例2>
(スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの合成)
ポリエーテルエーテルケトン樹脂(VICTREX社製PEEK、450P)30gを、撹拌機付きのガラス製反応容器にて窒素置換した後、濃硫酸550gを加え、室温にて攪拌して溶解させた。室温にて110時間撹拌後、氷冷した水中に反応物を注ぎ、重合体を凝固析出させた。固形分をろ過し、得られた固形分をビーカーに移して蒸留水を2L添加して、撹拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化ポリエーテルエーテルケトンを得た。得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトンの単量体単位でのスルホン化率はH−NMR分析から62%、該スルホン化ポリエーテルエーテルケトンのイオン交換容量は1.80meq/gであった。
<Production Example 2>
(Synthesis of sulfonated polyether ether ketone)
After 30 g of polyetheretherketone resin (PEEK, 450P, manufactured by VICTREX) was replaced with nitrogen in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, 550 g of concentrated sulfuric acid was added and dissolved by stirring at room temperature. After stirring at room temperature for 110 hours, the reaction product was poured into ice-cooled water to coagulate and precipitate the polymer. The solid content was filtered, the obtained solid content was transferred to a beaker, 2 L of distilled water was added, and the mixture was washed with stirring, and then recovered by filtration. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain a sulfonated polyetheretherketone. The sulfonation rate of the obtained sulfonated polyether ether ketone in the monomer unit was 62% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated polyether ether ketone was 1.80 meq / g.

<実施例1>
(電解質積層膜の作製)
製造例1で得られたスルホン化tBSSEPStBSの16質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約75μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、厚さ7μmの膜を得た。ついで、製造例2で得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトンの13質量%のジメチルスルホキシド溶液を調製し、前記膜の上に約75μmの厚みでコートし、100℃で20分乾燥することで、トータルの厚さが14μmの膜を得た。その上に製造例1で得られたスルホン化tBSSEPStBSの16質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を約75μmの厚みでコートし、100℃で4分乾燥することで、トータルの厚さが21μmの膜を得た。得られた電解質積層膜は、気泡等の欠陥のない膜であった。この膜の線膨張率は10%であり、膜強度は27MPaであった。
<Example 1>
(Preparation of electrolyte laminated film)
A 16% by weight toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the sulfonated tBSSEPStBS obtained in Production Example 1 was prepared, and a release-treated PET film ["Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd.] A film having a thickness of about 75 μm was coated thereon, and dried with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to obtain a film having a thickness of 7 μm. Next, a 13% by mass dimethyl sulfoxide solution of the sulfonated polyether ether ketone obtained in Production Example 2 was prepared, coated on the membrane with a thickness of about 75 μm, and dried at 100 ° C. for 20 minutes. A film having a total thickness of 14 μm was obtained. A 16% by weight toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the sulfonated tBSSEPStBS obtained in Production Example 1 was coated thereon with a thickness of about 75 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes. A film having a thickness of 21 μm was obtained. The obtained electrolyte laminated film was a film having no defects such as bubbles. The linear expansion coefficient of this film was 10%, and the film strength was 27 MPa.

(固体高分子型燃料電池用単セルの作製)
固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Pt−Ru合金触媒担持カーボンに、ナフィオンの10質量%水分散液を、カーボンとナフィオンとの質量比が1:1になるように添加混合し、ついでn−プロピルアルコールを、水/n−プロピルアルコールの質量比が1/1になるまで添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストをスプレー法にて、カーボンペーパーの片面に均一に塗布した。130℃で30分乾燥させ、アノード用の電極を作製した。また、Pt触媒担持カーボンに、ナフィオンの10質量%溶液を、カーボンとナフィオンとの質量比が1:0.75になるように添加混合し、ついでn−プロピルアルコールを、水/n−プロピルアルコールの質量比が1/1になるまで添加混合し、均一に分散されたペーストを調製し、アノード側と同様の方法にてカソード用電極を作製した。(1)で作製した電解質積層膜を、上記2種類の電極でそれぞれ膜と触媒面とが向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(130℃、20kg/cm、8min)により膜−電極接合体を作製した。ついで作製した膜−電極接合体を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で挟み固体高分子型燃料電池用の評価セル(電極面積は25cm)を作製した。100%湿度条件下での発電特性はセル特性は2.3mΩ、電圧は0.50Vであった。また、30%湿度条件下でのセル特性は2.8mΩ、電圧は0.47Vであった。また、開回路電圧は初期において0.97V、100時間後において0.90Vであった。
(Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell)
An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 10 mass% aqueous dispersion of Nafion is added to and mixed with Pt-Ru alloy catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of carbon to Nafion is 1: 1, and then n-propyl alcohol is added to water / n-propyl. The mixture was added and mixed until the alcohol mass ratio became 1/1 to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was uniformly applied to one side of the carbon paper by a spray method. The electrode for anode was produced by drying at 130 ° C. for 30 minutes. Further, a 10% by mass solution of Nafion was added to and mixed with Pt catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of carbon to Nafion was 1: 0.75, and then n-propyl alcohol was added to water / n-propyl alcohol. Was added and mixed until the mass ratio became 1/1, to prepare a uniformly dispersed paste, and a cathode electrode was produced in the same manner as the anode side. The electrolyte laminate film prepared in (1) is sandwiched between the two types of electrodes so that the membrane and the catalyst face each other, and the outside is sandwiched between two heat-resistant films and two stainless steel plates in order, and hot pressing is performed. A membrane-electrode assembly was produced by (130 ° C., 20 kg / cm 2 , 8 min). Next, the membrane-electrode assembly produced is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside is sandwiched between two current collector plates and two clamping plates. An evaluation cell (electrode area is 25 cm 2 ) for a molecular fuel cell was produced. The power generation characteristics under 100% humidity conditions were 2.3 mΩ for the cell characteristics and 0.50 V for the voltage. Further, the cell characteristic under a 30% humidity condition was 2.8 mΩ, and the voltage was 0.47V. The open circuit voltage was 0.97 V in the initial stage and 0.90 V after 100 hours.

<比較例1>
(電解質膜の作製)
製造例2で得られたスルホン化ポリエーテルエーテルケトンの20質量%のジメチルスルホキシド溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約200μmの厚みでコートし、100℃で20分乾燥後、PETフィルムから剥離することで、厚さ20μmの膜を得た。この膜の線膨張率は5.4%であり、膜強度は49MPaであった。
<Comparative Example 1>
(Preparation of electrolyte membrane)
A 20% by mass dimethyl sulfoxide solution of the sulfonated polyetheretherketone obtained in Production Example 2 was prepared, and a thickness of about 200 μm was formed on a release-treated PET film [“Toyobo Ester Film K1504” manufactured by Toyobo Co., Ltd.]. After coating at 100 ° C. for 20 minutes, the film was peeled from the PET film to obtain a 20 μm thick film. The linear expansion coefficient of this film was 5.4%, and the film strength was 49 MPa.

(固体高分子型燃料電池用単セルの作製)
作製した電解質膜を用いる以外、実施例1と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。100%湿度条件下での発電特性はセル特性は2.3mΩ、電圧は0.50Vであった。また、30%湿度条件下でのセル特性は3.8mΩ、電圧は0.38Vであった。また、開回路電圧は初期において1.00V、100時間後において0.97Vであった。
<比較例2>
(電解質膜の作製)
電解質膜として、線膨張率10%、膜強度25MPaのデュポン社製NAFION211−CS(厚さ25μm)を用いる以外、実施例1と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。100%湿度条件下での発電特性はセル特性は2.8mΩ、電圧は0.58Vであった。また、30%湿度条件下でのセル特性は2.8mΩ、電圧は0.58Vであった。また、開回路電圧は初期において0.91V、100時間後において0.85Vであった。
(Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell)
An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the produced electrolyte membrane was used. The power generation characteristics under 100% humidity conditions were 2.3 mΩ for the cell characteristics and 0.50 V for the voltage. Further, the cell characteristics under a 30% humidity condition were 3.8 mΩ and the voltage was 0.38V. The open circuit voltage was 1.00 V in the initial stage and 0.97 V after 100 hours.
<Comparative example 2>
(Preparation of electrolyte membrane)
An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that NAFION 211-CS (thickness 25 μm) manufactured by DuPont having a linear expansion coefficient of 10% and a membrane strength of 25 MPa was used as the electrolyte membrane. did. The power generation characteristics under 100% humidity conditions were 2.8 mΩ for cell characteristics and 0.58 V for voltage. Further, the cell characteristics under a 30% humidity condition were 2.8 mΩ, and the voltage was 0.58V. The open circuit voltage was 0.91 V in the initial stage and 0.85 V after 100 hours.

実施例1と比較例1、2で作成した電解質積層膜と電解質膜に関する1)〜4)の性能試験結果を表1に示す。   Table 1 shows the performance test results of 1) to 4) regarding the electrolyte laminated film and the electrolyte film prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.

Figure 2011103176
Figure 2011103176

実施例1と比較例1との比較からわかるように、比較例1においては、線膨張率・膜強度と耐久性には優れるものの、セル抵抗が高く、特に相対湿度30%下においての発電性能は低いものであった。また、実施例1と比較例2との比較からわかるように、比較例2においては、線膨張率・膜強度と発電性能には優れるものの、初期のOCV値が低く長期の耐久性も低いものであった。これに対して、実施例1の電解質積層膜は線膨張率を抑え、膜強度を高く保ったまま、高い発電特性と優れた耐久性を示すことが確認された。   As can be seen from the comparison between Example 1 and Comparative Example 1, Comparative Example 1 is excellent in linear expansion coefficient, film strength and durability, but has high cell resistance, and particularly power generation performance under a relative humidity of 30%. Was low. As can be seen from the comparison between Example 1 and Comparative Example 2, Comparative Example 2 is excellent in linear expansion coefficient, film strength and power generation performance, but has low initial OCV value and low long-term durability. Met. On the other hand, it was confirmed that the electrolyte laminated film of Example 1 exhibited high power generation characteristics and excellent durability while suppressing the linear expansion coefficient and keeping the film strength high.

上記各種性能試験の結果から、本発明の電解質積層膜は、低湿度から高湿度までの広い湿度変化においても高い寸法安定性、機械的耐久性、並びに固体高分子型燃料電池に用いたときに優れた出力特性、及び高いラジカル耐久性を示し、性能のバランスに優れる非フッ素系の電解質膜である。また本積層膜は、電極との良好な接合性も優れるため、これを用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池の出力特性および耐久性も優れると言える。   From the results of the various performance tests described above, the electrolyte laminated film of the present invention has high dimensional stability, mechanical durability, and solid polymer fuel cells even in a wide range of humidity changes from low humidity to high humidity. It is a non-fluorinated electrolyte membrane that exhibits excellent output characteristics, high radical durability, and excellent performance balance. Moreover, since this laminated film is excellent also in the favorable bondability with an electrode, it can be said that the output characteristics and durability of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the same are excellent.

Claims (14)

構成電解質膜として少なくとも2つの高分子電解質膜を積層してなる電解質積層膜であって、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが、イオン伝導性基を有し、主鎖に芳香環を有する重合体(I)を主成分とする高分子電解質膜(i)であり、さらに、前記高分子電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びイオン伝導性基を有しない重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(II)を主成分とする高分子電解質膜(ii)であることを特徴とする電解質積層膜。   A polymer electrolyte membrane formed by laminating at least two polymer electrolyte membranes as a constituent electrolyte membrane, wherein at least one of the polymer electrolyte membranes has an ion conductive group and has an aromatic ring in the main chain A polymer electrolyte membrane (i) comprising (I) as a main component, wherein at least one of the polymer electrolyte membranes has a polymer block (A) having an ion conductive group and a heavy polymer having no ion conductive group; An electrolyte laminated film, which is a polymer electrolyte film (ii) mainly composed of a block copolymer (II) having a combined block (B) as a constituent component. 前記重合体ブロック(B)がゴム状の重合体ブロック(B)であることを特徴とする請求項1に記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the polymer block (B) is a rubber-like polymer block (B). 前記重合体(I)が、ポリエーテルケトン類、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルケトンケトン類、ポリフェニレンサルファイド類、ポリフェニレンエーテル類、ポリスルホン類、ポリエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルスルホン類、ポリフェニレンスルホン類、ポリフェニレンスルホキシド類、ポリフェニレンスルフィドスルホン類、ポリフェニレンオキシド類、ポリパラフェニレン類、ポリベンゾオキサゾール類、ポリベンゾチアゾール類、ポリベンゾイミダゾール類、ポリイミド類から選択される少なくとも1種のセグメントを有する請求項1記載の電解質積層膜。   The polymer (I) is polyether ketones, polyether ether ketones, polyether ketone ketones, polyphenylene sulfides, polyphenylene ethers, polysulfones, polyether sulfones, polyether ether sulfones, polyphenylene sulfones. And at least one segment selected from polyphenylene sulfoxides, polyphenylene sulfide sulfones, polyphenylene oxides, polyparaphenylenes, polybenzoxazoles, polybenzothiazoles, polybenzimidazoles, and polyimides. The electrolyte laminated film described. 前記イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基である請求項1に記載の電解質積層膜。 The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the ion conductive group is a group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). 前記ブロック共重合体(II)中、重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とすることを特徴とする請求項1に記載の電解質積層膜。   2. The electrolyte laminate film according to claim 1, wherein in the block copolymer (II), the polymer block (A) contains an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit. 前記ブロック共重合体(II)が、イオン伝導性基を有さず非ゴム状の重合体ブロック(C)を更に構成成分とすることを特徴とする請求項2に記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 2, wherein the block copolymer (II) further comprises a non-rubber-like polymer block (C) having no ion conductive group. 前記重合体ブロック(C)が、下記の一般式(a)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックである請求項6に記載の電解質積層膜。
Figure 2011103176

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基であり、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、そのうち少なくとも1つはアルキル基を表す)
The electrolyte laminate film according to claim 6, wherein the polymer block (C) is a polymer block having an aromatic vinyl compound unit represented by the following general formula (a) as a main repeating unit.
Figure 2011103176

(In the formula, R 1 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and at least one of them is an alkyl group. Represents a group)
前記重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1に記載の電解質積層膜。   The polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and a carbon number. The electrolyte laminated film according to claim 1, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from the group consisting of 5 to 8 conjugated cycloalkadiene units. 前記重合体ブロック(C)と前記重合体ブロック(A)との質量比が85:15〜20:80である請求項6に記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 6, wherein a mass ratio of the polymer block (C) to the polymer block (A) is 85:15 to 20:80. 前記ブロック共重合体(II)における前記重合体ブロック(B)の質量割合が5〜95質量%である請求項1に記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein a mass ratio of the polymer block (B) in the block copolymer (II) is from 5 to 95 mass%. 前記イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される官能基である請求項1に記載の電解質積層膜。 The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the ion conductive group is a functional group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). . 前記高分子電解質膜(i)の厚さが2〜20μmであり、高分子電解質膜(ii)の厚さが2〜40μmである請求項1に記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the thickness of the polymer electrolyte membrane (i) is 2 to 20 µm, and the thickness of the polymer electrolyte membrane (ii) is 2 to 40 µm. 請求項1に記載の電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体。   A membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminate film according to claim 1. 請求項13に記載の膜−電極接合体を含んでなる固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 13.
JP2009256615A 2009-11-10 2009-11-10 Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Pending JP2011103176A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009256615A JP2011103176A (en) 2009-11-10 2009-11-10 Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009256615A JP2011103176A (en) 2009-11-10 2009-11-10 Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011103176A true JP2011103176A (en) 2011-05-26

Family

ID=44193448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009256615A Pending JP2011103176A (en) 2009-11-10 2009-11-10 Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011103176A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013031634A1 (en) * 2011-08-31 2013-03-07 株式会社クラレ Block copolymer, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2014232663A (en) * 2013-05-29 2014-12-11 旭化成イーマテリアルズ株式会社 Polymer electrolytic composition, manufacturing method thereof, and polymer electrolytic film
JP2017188460A (en) * 2017-04-13 2017-10-12 旭化成株式会社 Method for producing polyelectrolyte composition

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007086309A1 (en) * 2006-01-26 2007-08-02 Kuraray Co., Ltd. Electrolyte multilayer membrane for solid polymer fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007086309A1 (en) * 2006-01-26 2007-08-02 Kuraray Co., Ltd. Electrolyte multilayer membrane for solid polymer fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013031634A1 (en) * 2011-08-31 2013-03-07 株式会社クラレ Block copolymer, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JPWO2013031634A1 (en) * 2011-08-31 2015-03-23 株式会社クラレ Block copolymer, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2014232663A (en) * 2013-05-29 2014-12-11 旭化成イーマテリアルズ株式会社 Polymer electrolytic composition, manufacturing method thereof, and polymer electrolytic film
JP2017188460A (en) * 2017-04-13 2017-10-12 旭化成株式会社 Method for producing polyelectrolyte composition

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5118484B2 (en) Electrolyte laminated membrane for polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell
Lin et al. Crosslinked side-chain-type anion exchange membranes with enhanced conductivity and dimensional stability
JP5276442B2 (en) Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP5191139B2 (en) Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
TWI451623B (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assemblyand solid polymer fuel cell
JP2006210326A (en) Polymer electrolyte film for solid polymer fuel cells, membrane-electrode assembly, and fuel cell
WO2006068279A1 (en) Ion-conductive binder, membrane-electrode assembly and fuel cell
JP5629692B2 (en) Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
WO2006070929A1 (en) Polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell
JP5188025B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL
JP2010232121A (en) Electrolyte composite membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2007258003A (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2006202737A (en) Ion conductive binder, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2008004312A (en) Ion conductive binder, membrane-electrode assembly and fuel cell
JP5555636B2 (en) Organic-inorganic composite electrolyte, electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JPWO2010067743A1 (en) Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2010135130A (en) Polymer electrolyte membrane for solid polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2011103176A (en) Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5629761B2 (en) Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP5706906B2 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2007042573A (en) Polymer electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell
JP2010067526A (en) Polyelectrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2011216244A (en) Polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP2008153175A (en) Manufacturing method of membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP2010061914A (en) Polymer electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120416

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130618

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130619

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20131022