JP2013077436A - Separator and fuel cell - Google Patents

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隆 眞田
Hiroyuki Kurita
寛之 栗田
Yutaka Ito
伊藤  豊
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator contributing to long term stabilization of a solid polymer fuel cell due to suppression of elution of a metal ion even if the solid polymer fuel cell is operated in a state exposed under a strong acid condition.SOLUTION: The separator includes: a substrate formed of metallic material; and a thin film layer consisting of a conductive metal oxide formed on the substrate. The conductive metal oxide preferably includes one or more element selected from a group consisting of tin, tantalum, niobium, titanium, tungsten, and zirconium.

Description

本発明は、セパレータおよび燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a separator and a fuel cell.

固体高分子形燃料電池(以下、燃料電池と称する)は、膜電極接合体(以下、「MEA」と称することがある)の両面に、反応ガスを電極全体に効率的に拡散させるガス拡散層を配置し、さらにガス拡散層の外側から反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を供給する流路を設けた一対のセパレータで挟持したセル(以下、「燃料電池セル」と称することがある)を基本構成としている。ここで、膜電極接合体とは、イオン伝導性を有する高分子(以下、「高分子電解質」と称することがある)を含む高分子電解質膜の両面に、発電燃料である水素と酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む触媒層と呼ばれる電極を形成したものである。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) is a gas diffusion layer that efficiently diffuses reaction gas over the entire electrode on both sides of a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”). And a cell sandwiched between a pair of separators provided with a flow path for supplying a reaction gas (fuel gas, oxidant gas) from the outside of the gas diffusion layer (hereinafter sometimes referred to as “fuel cell”) Is the basic configuration. Here, the membrane electrode assembly refers to the oxidation of hydrogen and oxygen, which are power generation fuels, on both sides of a polymer electrolyte membrane containing a polymer having ion conductivity (hereinafter sometimes referred to as “polymer electrolyte”). An electrode called a catalyst layer containing a catalyst for promoting a reduction reaction is formed.

一対のセパレータのうち、一方のセパレータの流路には水素や水素を含有するガスを流通させることにより、燃料電池セルに燃料である水素が供給され、他方のセパレータの流路には酸素や酸素を含有するガス(例えば空気)を流通させることにより、燃料電池セルに燃料である酸素が供給される。燃料電池セルにおいては、これらのガスの電気化学反応により直流電流が発生する。   Of the pair of separators, hydrogen or hydrogen-containing gas is circulated in the flow path of one separator, whereby hydrogen as a fuel is supplied to the fuel cell, and oxygen or oxygen is supplied to the flow path of the other separator. By flowing a gas containing, for example, air, oxygen as fuel is supplied to the fuel cell. In the fuel cell, a direct current is generated by an electrochemical reaction of these gases.

このようなセパレータの形成材料としては、大きく分けて金属系材料とカーボン系材料とがある。ステンレス鋼をはじめとする金属系材料は、切削加工が必要なカーボン系材料と比べ、金属特有の加工性に起因してセパレータの厚みを薄くすることができるため、セパレータの軽量化が図れるなどの利点を有する。   Such separator forming materials are roughly classified into metal materials and carbon materials. Compared with carbon-based materials that require cutting, stainless steel and other metal-based materials can reduce the thickness of the separator due to the workability unique to the metal. Have advantages.

しかし、燃料電池を運転させると、電池内部では酸性条件の環境が生まれるため、金属系材料を形成材料とするセパレータ(以下、「金属セパレータ」ということがある。)では、酸性条件下で腐食により金属イオンが溶出し、この溶出した金属イオンが高分子電解質膜に流入するおそれがある。流入した金属イオンは、燃料電池内部で生成する過酸化物(例えば、過酸化水素など)と反応することにより、ラジカルを生じさせ、該ラジカルが高分子電解質膜と反応することで、結果的に高分子電解質膜の劣化を促進してしまう。   However, when a fuel cell is operated, an environment with acidic conditions is created inside the cell. Therefore, separators made of metal-based materials (hereinafter sometimes referred to as “metal separators”) are subject to corrosion under acidic conditions. There is a possibility that metal ions are eluted and the eluted metal ions flow into the polymer electrolyte membrane. The inflowing metal ions react with a peroxide (for example, hydrogen peroxide) generated inside the fuel cell to generate radicals, and the radicals react with the polymer electrolyte membrane. Deterioration of the polymer electrolyte membrane is promoted.

このような問題を解決する方法の一つとして、セパレータの電極と接する表面を不動態皮膜(酸化膜)と非金属性導電層との積層膜で被覆し、この積層膜を貫通する導電性物質により電気的な導通を確保した構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   As one of the methods for solving such problems, the surface of the separator in contact with the electrode is covered with a laminated film of a passive film (oxide film) and a nonmetallic conductive layer, and a conductive material penetrating the laminated film. Therefore, a configuration that ensures electrical continuity has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2010−140886号公報JP 2010-140886 A

しかしながら、上記方法においても、腐食により金属セパレータから金属イオンが溶出し、この溶出した金属イオンが電解質膜に流入する。この流入した金属イオンは、燃料電池内部で生成する過酸化物(例えば、過酸化水素など)と反応することにより、ラジカル(例えば、過酸化水素と反応する場合はヒドロキシラジカル)を生成させる。このようなラジカルは、電解質膜を損傷させるため、結果的に電解質膜の劣化を促進することとなることから、まだ改善の余地がある。   However, also in the above method, metal ions are eluted from the metal separator due to corrosion, and the eluted metal ions flow into the electrolyte membrane. This inflowing metal ion reacts with a peroxide (for example, hydrogen peroxide) generated inside the fuel cell, thereby generating a radical (for example, a hydroxy radical when it reacts with hydrogen peroxide). Such radicals damage the electrolyte membrane, and consequently promote the deterioration of the electrolyte membrane, so there is still room for improvement.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、金属イオンの溶出が抑制されたセパレータを提供することを目的とする。さらには、上述のセパレータを有し、長期安定性に優れた燃料電池を提供することをあわせて目的の一つとする。   This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing the separator by which elution of the metal ion was suppressed. Furthermore, another object is to provide a fuel cell having the above-described separator and having excellent long-term stability.

上記の課題を解決するため、本発明は、金属材料で形成された基材と、前記基材の表面に形成された導電性金属酸化物からなる薄膜層と、を有するセパレータを提供する。   In order to solve the above problems, the present invention provides a separator having a base material formed of a metal material and a thin film layer made of a conductive metal oxide formed on the surface of the base material.

本発明においては、前記導電性金属酸化物が、スズ、タンタル、ニオブ、チタン、タングステン、ジルコニウムからなる群から選ばれる1種以上の元素を含むことが望ましい。   In the present invention, the conductive metal oxide preferably contains one or more elements selected from the group consisting of tin, tantalum, niobium, titanium, tungsten, and zirconium.

本発明においては、前記導電性金属酸化物が、スズを含むことが望ましい。   In the present invention, it is desirable that the conductive metal oxide contains tin.

本発明は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟持する触媒層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池であって、前記一対のセパレータの少なくとも一方が、上述のセパレータであり、前記薄膜層が前記膜電極接合体の側に配置されていることを特徴とする燃料電池を提供する。   The present invention is a fuel cell comprising a membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly, At least one of the pair of separators is the above-described separator, and the fuel cell is characterized in that the thin film layer is disposed on the membrane electrode assembly side.

本発明によれば、金属イオンの溶出が抑制されたセパレータを提供することができる。また、このようなセパレータを有することにより、長期安定性に優れた燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a separator in which elution of metal ions is suppressed can be provided. Moreover, by having such a separator, a fuel cell excellent in long-term stability can be provided.

本発明の好適な一実施態様の燃料電池のセルについての縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view about the cell of the fuel cell of preferable one Embodiment of this invention.

<燃料電池>
図1は、本発明の好適な一実施態様の燃料電池のセルについての縦断面図である。図に示す燃料電池10は、高分子電解質膜12と、これを挟む一対の触媒層14a,14bとから構成された膜電極接合体(MEA)20を備えている。
<Fuel cell>
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cell of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell 10 shown in the figure includes a membrane electrode assembly (MEA) 20 composed of a polymer electrolyte membrane 12 and a pair of catalyst layers 14a and 14b sandwiching the polymer electrolyte membrane 12.

さらに、燃料電池10は、膜電極接合体20の両側に、これを挟むようにガス拡散層16a,ガス拡散層16b、及び本発明の好適な一実施形態のセパレータ18a,セパレータ18b(セパレータ18aは、触媒層14a側に、セパレータ18bは、触媒層14b側に、それぞれ燃料ガス等の流路となる溝(図示せず)が形成されていると好ましい)を順に備えている。なお、膜電極接合体20及びガス拡散層16a,ガス拡散層16bとからなる構造体は、一般的に、膜電極−ガス拡散層接合体(MEGA)と呼ばれることがある。
以下、各構成について順に説明する。
Further, the fuel cell 10 includes a gas diffusion layer 16a and a gas diffusion layer 16b on both sides of the membrane electrode assembly 20, and separators 18a and 18b (separator 18a according to a preferred embodiment of the present invention). On the catalyst layer 14a side, the separator 18b is sequentially provided with a groove (not shown) that forms a flow path for fuel gas or the like on the catalyst layer 14b side. Note that the structure composed of the membrane electrode assembly 20, the gas diffusion layer 16a, and the gas diffusion layer 16b may be generally referred to as a membrane electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA).
Hereafter, each structure is demonstrated in order.

<高分子電解質>
高分子電解質膜12には、高分子電解質膜12の基材を構成する高分子電解質として、以下に示すように、炭化水素系高分子電解質と、フッ素系高分子電解質とを挙げることができる。高分子電解質は、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質を組み合わせて含有してもよいが、この場合、高分子電解質の全量(100質量%)に対して、炭化水素系高分子電解質が、51質量%以上であると好ましく、70質量%以上であるとより好ましくは、85質量%以上であるとさらに好ましくは、90質量%以上であると特に好ましい。また、基材12Xを構成する高分子電解質以外の成分としては、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤が挙げられる。
<Polymer electrolyte>
As the polymer electrolyte constituting the base material of the polymer electrolyte membrane 12, examples of the polymer electrolyte membrane 12 include a hydrocarbon polymer electrolyte and a fluorine polymer electrolyte as described below. The polymer electrolyte may contain a combination of a fluorine-based polymer electrolyte and a hydrocarbon-based polymer electrolyte. In this case, the hydrocarbon-based polymer electrolyte is based on the total amount (100% by mass) of the polymer electrolyte. Is preferably 51% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, still more preferably 85% by mass or more, still more preferably 90% by mass or more. Moreover, as components other than the polymer electrolyte which comprises the base material 12X, additives, such as a plasticizer used for a normal polymer, a stabilizer, a mold release agent, and a water retention agent, are mentioned.

(炭化水素系高分子電解質)
まず、本実施形態の高分子電解質膜に用いることができる炭化水素系高分子電解質について説明する。
(Hydrocarbon polymer electrolyte)
First, the hydrocarbon polymer electrolyte that can be used for the polymer electrolyte membrane of the present embodiment will be described.

ここで、炭化水素系高分子電解質とは、当該高分子電解質を構成する元素質量含有比で表してハロゲン原子が15質量%以下である高分子電解質を意味する。かかる炭化水素系高分子電解質は、前記のフッ素系高分子電解質と比較して安価であるという利点を有するため、より好ましい、特に好適な炭化水素系高分子電解質とは実質的にハロゲン原子を含有していないものであり、このような炭化水素系高分子電解質は燃料電池の作動時に、ハロゲン化水素を発生して、他の部材を腐食させたりする恐れがない。   Here, the hydrocarbon-based polymer electrolyte means a polymer electrolyte having a halogen atom content of 15% by mass or less in terms of a mass content ratio of elements constituting the polymer electrolyte. Such hydrocarbon polymer electrolytes have the advantage of being inexpensive compared to the fluorine polymer electrolytes described above, and therefore more preferred, particularly preferred hydrocarbon polymer electrolytes substantially contain halogen atoms. Such a hydrocarbon-based polymer electrolyte does not generate hydrogen halide during the operation of the fuel cell and does not corrode other members.

また、炭化水素系高分子電解質は、イオン交換基を有する高分子であることが好ましい。その理由は、このようにイオン交換基を有する高分子電解質を用いて燃料電池用の高分子電解質膜を得たとき、当該高分子電解質膜のイオン伝導性が良好になるためである。   The hydrocarbon-based polymer electrolyte is preferably a polymer having an ion exchange group. The reason is that, when a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is obtained using a polymer electrolyte having an ion exchange group as described above, the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane is improved.

上述のイオン交換基として、酸性のイオン交換基(カチオン交換基)又は塩基性のイオン交換基(アニオン交換基)があげられる。高いプロトン伝導性を得る観点から、イオン交換基はカチオン交換基であることが好ましく、カチオン交換基を有する高分子電解質を用いることにより、一層発電性能に優れた燃料電池が得られる。カチオン交換基としては、例えば、スルホ基(−SOH)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン基(−PO)、スルホニルイミド基(−SONHSO−)、フェノール性水酸基等があげられる。これらの中でも、カチオン交換基としては、スルホ基又はホスホン基がより好ましく、スルホ基が特に好ましい。なお、これらのイオン交換基は、部分的に、あるいは全てが、金属イオンや4級アンモニウムイオン等で交換されて塩を形成していてもよいが、燃料電池用部材として使用する際には、実質的に全てが遊離酸の形態であることが好ましい。該イオン交換基が遊離酸の形態であると、後述する積層フィルムの製造において、高分子電解質溶液の調製がより容易になるという利点もある。 Examples of the ion exchange group include an acidic ion exchange group (cation exchange group) or a basic ion exchange group (anion exchange group). From the viewpoint of obtaining high proton conductivity, the ion exchange group is preferably a cation exchange group. By using a polymer electrolyte having a cation exchange group, a fuel cell having further excellent power generation performance can be obtained. Examples of the cation exchange group include a sulfo group (—SO 3 H), a carboxyl group (—COOH), a phosphone group (—PO 3 H 2 ), a sulfonylimide group (—SO 2 NHSO 2 —), a phenolic hydroxyl group, and the like. Can be given. Among these, as the cation exchange group, a sulfo group or a phosphone group is more preferable, and a sulfo group is particularly preferable. These ion exchange groups may be partially or wholly exchanged with metal ions or quaternary ammonium ions to form a salt, but when used as a fuel cell member, It is preferred that substantially all are in the free acid form. When the ion exchange group is in the form of a free acid, there is an advantage that the polymer electrolyte solution can be more easily prepared in the production of the laminated film described later.

これらのイオン交換基は、高分子電解質の主鎖、側鎖の何れか一方又は両方に導入されていてもよいが、好ましくは主鎖へ導入されているものがあげられる。   These ion exchange groups may be introduced into one or both of the main chain and the side chain of the polymer electrolyte, preferably those introduced into the main chain.

前記高分子電解質がイオン交換基を有するものである場合、該イオン交換基の導入量は、高分子電解質単位質量当たりのイオン交換基数であるイオン交換基容量で表すことができる。   When the polymer electrolyte has an ion exchange group, the introduction amount of the ion exchange group can be represented by an ion exchange group capacity which is the number of ion exchange groups per unit mass of the polymer electrolyte.

ここで「イオン交換基容量」とは、高分子電解質膜を構成する高分子電解質の、乾燥樹脂1g当たりに含有するイオン交換基の当量数で定義される値[ミリ当量/g乾燥樹脂](以下、meq/g)である。   Here, the “ion exchange group capacity” is a value [milli equivalent / g dry resin] defined by the number of equivalents of ion exchange groups contained in 1 g of dry resin in the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane. Hereinafter, meq / g).

また、「乾燥樹脂」とは高分子電解質を、水の沸点以上の温度に保持し、質量減少がほとんどなくなり質量の経時変化がほぼ一定値に収束した樹脂をいう。   In addition, “dry resin” refers to a resin in which the polymer electrolyte is maintained at a temperature equal to or higher than the boiling point of water, the mass decrease hardly occurs, and the change in mass with time converges to a substantially constant value.

本実施形態で用いる高分子電解質は、イオン交換基の導入量が、イオン交換容量で表して1.0meq/g以上6.0meq/g以下であると好ましく、2.0meq/g以上5.5meq/g以下であると、さらに好ましく、2.7meq/g以上5.0meq/g以下であると最も好ましい。イオン交換容量がこの範囲であると、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性や耐水性がより良好となり、いずれも燃料電池の使用される高分子電解質膜としての機能が優れるので好ましい。   In the polymer electrolyte used in the present embodiment, the amount of ion exchange groups introduced is preferably 1.0 meq / g or more and 6.0 meq / g or less in terms of ion exchange capacity, and 2.0 meq / g or more and 5.5 meq. / G or less is more preferable, and 2.7 meq / g or more and 5.0 meq / g or less is most preferable. When the ion exchange capacity is within this range, the polymer electrolyte membrane to be obtained has better proton conductivity and water resistance, both of which are excellent because the function as a polymer electrolyte membrane used in a fuel cell is excellent.

以下、好適なイオン交換基を有する高分子電解質に関し詳述する。このような高分子電解質の具体例としては、例えば、下記の(A)〜(F)で表される高分子電解質が挙げられる。
(A)主鎖が脂肪族炭化水素からなる高分子に、イオン交換基が導入された高分子電解質;
(B)主鎖が脂肪族炭化水素からなり、主鎖の一部の水素原子がフッ素原子で置換された高分子に、イオン交換基が導入された高分子電解質;
(C)主鎖が芳香環を有する高分子に、イオン交換基が導入された高分子電解質;
(D)主鎖が、シロキサン基やフォスファゼン基等の無機の単位構造を有する高分子にイオン交換基が導入された高分子電解質;
(E)(A)〜(D)に使用する高分子の主鎖を構成する構造単位から2種以上を選び、それらを組み合わせた共重合体に、イオン交換基が導入された高分子電解質;
(F)主鎖や側鎖に窒素原子を含む炭化水素系高分子に、硫酸やリン酸等の酸性化合物をイオン結合により導入した高分子電解質
Hereinafter, a polymer electrolyte having a suitable ion exchange group will be described in detail. Specific examples of such a polymer electrolyte include polymer electrolytes represented by the following (A) to (F).
(A) a polymer electrolyte in which an ion exchange group is introduced into a polymer whose main chain is an aliphatic hydrocarbon;
(B) a polymer electrolyte in which an ion exchange group is introduced into a polymer in which the main chain is composed of an aliphatic hydrocarbon and a part of the hydrogen atoms of the main chain is substituted with fluorine atoms;
(C) a polymer electrolyte in which an ion exchange group is introduced into a polymer having a main chain having an aromatic ring;
(D) a polymer electrolyte in which an ion exchange group is introduced into a polymer whose main chain has an inorganic unit structure such as a siloxane group or a phosphazene group;
(E) A polymer electrolyte in which two or more structural units constituting the main chain of the polymer used in (A) to (D) are selected, and an ion exchange group is introduced into a copolymer obtained by combining them;
(F) A polymer electrolyte in which an acidic compound such as sulfuric acid or phosphoric acid is introduced into a hydrocarbon polymer containing a nitrogen atom in the main chain or side chain by ionic bond

なお、以下の例示においては、イオン交換基がスルホ基である場合を主として例示するが、このスルホ基を別のイオン交換基に置き換えたものでもよい。   In the following examples, the case where the ion exchange group is a sulfo group is mainly exemplified, but this ion exchange group may be replaced with another ion exchange group.

前記(A)の高分子電解質としては、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (A) include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like.

前記(B)の高分子電解質としては、特開平9−102322号公報に記載された炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーとの共重合によって製造された高分子を主鎖とし、スルホ基を有する炭化水素鎖を側鎖とし、共重合様式がグラフト重合であるスルホン酸型ポリスチレン−グラフト−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)が挙げられる。また、米国特許第4,012,303号公報又は米国特許第4,605,685号公報に記載された方法により得られる炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーとの共重合体に、α,β,β−トリフルオロスチレンをグラフト重合させ、これにスルホ基を導入して固体高分子電解質としたスルホン酸型ポリ(トリフルオロスチレン)−グラフト−ETFEも挙げることができる。   As the polymer electrolyte (B), a polymer produced by copolymerization of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer described in JP-A-9-102322 has a main chain, and a sulfo group. And a sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) having a side chain as a hydrocarbon chain and having a copolymerization mode of graft polymerization. In addition, a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer obtained by the method described in U.S. Pat. No. 4,012,303 or U.S. Pat. No. 4,605,685, α Further, sulfonic acid type poly (trifluorostyrene) -graft-ETFE obtained by graft polymerization of .beta.,. Beta.-trifluorostyrene and introducing a sulfo group therein to form a solid polymer electrolyte can also be mentioned.

前記(C)の高分子電解質は、主鎖に酸素原子等のヘテロ原子を含むものであってもよい。このような高分子電解質としては、例えば、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリイミド、ポリ((4−フェノキシベンゾイル)−1,4−フェニレン)、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれに、スルホ基が導入されたものが挙げられる。具体的には、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール(例えば、特開平9−110982号公報参照)等が挙げられる。主鎖が酸素原子等のヘテロ原子で中断されている化合物であってもよく、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリイミド、ポリ((4−フェノキシベンゾイル)−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)が挙げられる。このような高分子電解質は、特開平9−110982号公報、J.Appl.Polym.Sci.,18,1969(1974)にも記載されている。   The polymer electrolyte (C) may contain a hetero atom such as an oxygen atom in the main chain. Examples of such a polymer electrolyte include polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, poly (arylene ether), polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1, 4-phenylene), polyphenylquinoxalene and the like each having a sulfo group introduced therein. Specific examples include sulfoarylated polybenzimidazoles and sulfoalkylated polybenzimidazoles (for example, see JP-A-9-110882). A compound in which the main chain is interrupted by a hetero atom such as an oxygen atom may be used. For example, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, poly (arylene ether), polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, polyphenylquinoxalen, sulfoarylated polybenzimidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole, phosphonated poly (phenylene ether). Such a polymer electrolyte is disclosed in JP-A-9-110882 and J.A. Appl. Polym. Sci. 18, 1969 (1974).

前記(D)の高分子電解質としては、例えば、ポリフォスファゼンにスルホ基が導入されたもの等が挙げられる。これらは、Polymer Prep.,41,No.1,70(2000)に準じて容易に製造することができる。   Examples of the polymer electrolyte (D) include those in which a sulfo group is introduced into polyphosphazene. These can be found in Polymer Prep. , 41, no. It can be easily produced according to 1,70 (2000).

前記(E)の高分子電解質は、ランダム共重合体にスルホ基が導入されたもの、交互共重合体にスルホ基が導入されたもの、ブロック共重合体にスルホ基が導入されたもののいずれであってもよい。   The polymer electrolyte of (E) is either a random copolymer having a sulfo group introduced therein, an alternating copolymer having a sulfo group introduced therein, or a block copolymer having a sulfo group introduced therein. There may be.

前記(F)の高分子電解質としては、例えば、特表平11−503262号公報に記載されたようなリン酸を含有させたポリベンズイミダゾール等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (F) include polybenzimidazole containing phosphoric acid as described in JP-T-11-503262.

さらに、本実施形態の高分子電解質膜に使用する高分子電解質としては、イオン交換基を有する構造単位とイオン交換基を有さない構造単位とからなる共重合体であると好ましい。このような共重合体であると、得られる高分子電解質を用い、後述の方法にて作成される高分子電解質膜が良好なプロトン伝導性と耐水性を発現し、燃料電池用として有利であるという利点がある。なお、かかる共重合体に関し、2種の構造単位の共重合様式は、ランダム共重合、ブロック共重合、グラフト共重合又は交互共重合のいずれであってもよく、これらの共重合様式を組合わせたものでもよい。   Furthermore, the polymer electrolyte used in the polymer electrolyte membrane of the present embodiment is preferably a copolymer composed of a structural unit having an ion exchange group and a structural unit having no ion exchange group. When such a copolymer is used, the polymer electrolyte membrane prepared by the method described later using the resulting polymer electrolyte exhibits good proton conductivity and water resistance, and is advantageous for fuel cells. There is an advantage. In addition, regarding such a copolymer, the copolymerization mode of the two structural units may be any of random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization or alternating copolymerization, and these copolymerization modes are combined. May be good.

燃料電池用として良好な耐熱性を有する高分子電解質膜を得るためには、前記炭化水素系高分子電解質の中でも、主鎖に芳香環を有するもの(上記(C))が好ましく、さらには主鎖を構成する芳香環を有し、且つ該芳香環に直接結合または他の原子もしくは原子団を介して間接的に結合したイオン交換基を有する炭化水素系高分子電解質が好ましい。特に、主鎖を構成する芳香族を有し、さらに芳香環を有する側鎖を有してもよく、主鎖を構成する芳香環か側鎖の芳香環の、どちらかの芳香環に直接結合したイオン交換基を有する芳香族系高分子電解質が好ましい。   In order to obtain a polymer electrolyte membrane having good heat resistance for a fuel cell, among the hydrocarbon polymer electrolytes, those having an aromatic ring in the main chain (above (C)) are preferable, and moreover, A hydrocarbon-based polyelectrolyte having an aromatic ring constituting a chain and having an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring or indirectly bonded through another atom or atomic group is preferable. In particular, it may have aromatics constituting the main chain, and may further have side chains having aromatic rings, and directly bonded to either the aromatic ring constituting the main chain or the aromatic ring of the side chain. An aromatic polymer electrolyte having an ion exchange group is preferred.

特に好ましい芳香族系高分子電解質としては、分子構造内にイオン交換基を有する構造単位と、イオン交換基を実質的に有しない構造単位と、を有する高分子電解質が例示される。   Particularly preferred aromatic polymer electrolytes include polymer electrolytes having a structural unit having an ion exchange group in the molecular structure and a structural unit having substantially no ion exchange group.

上述のイオン交換基を有する構造単位としては、下記式(11a)〜(14a)で示される構造を例示することができる。   Examples of the structural unit having an ion exchange group described above include structures represented by the following formulas (11a) to (14a).

Figure 2013077436
(式中、Ar1〜Ar9は、それぞれ同一または相異なり、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有してもよい2価の芳香族基を表す。該主鎖の芳香族環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有する。
Z、Z’はそれぞれ同一または相異なり−CO−で示される基、−SO2−で示される基のいずれかを表し、X、X’、X”はそれぞれ同一または相異なり−O−で示される基、−S−で示される基のいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(15)で表される基を表す。pは0、1又は2を表し、q、rはそれぞれ同一または相異なり1、2又は3を表す。)
Figure 2013077436
(In formula, Ar < 1 > -Ar < 9 > is the same or different, respectively, represents the bivalent aromatic group which may have a side chain which has an aromatic ring in a principal chain, and also has an aromatic ring. At least one of the aromatic ring of the main chain or the aromatic ring of the side chain has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring.
Z and Z ′ are the same or different and each represents a group represented by —CO— or a group represented by —SO 2 —, and X, X ′, and X ″ are each the same or different and represented by —O—. Y represents a direct bond or a group represented by the following general formula (15), p represents 0, 1 or 2, and q and r each represents a group represented by -S-. (The same or different represents 1, 2 or 3.)

また、上述のイオン交換基を有さない構造単位としては、下記式(11b)〜(14b)で示される構造を例示することができる。   Moreover, as a structural unit which does not have the above-mentioned ion exchange group, the structure shown by following formula (11b)-(14b) can be illustrated.

Figure 2013077436
(式中、Ar11〜Ar19は、それぞれ同一または相異なり側鎖としての置換基を有していてもよい2価の芳香族炭素基を表す。Z、Z’はそれぞれ同一または相異なり−CO−で示される基、−SO2−で示される基のいずれかを表し、X、X’、X”はそれぞれ同一または相異なり−O−で示される基、−S−で示される基のいずれかを表す。Yは直接もしくは下記一般式(15)で表される基を表す。p’は0、1又は2を表し、q’、r’はそれぞれ同一または相異なり1、2又は3を表す。)
Figure 2013077436
(In the formula, Ar 11 to Ar 19 are the same or different and each represents a divalent aromatic carbon group which may have a substituent as a side chain. Z and Z ′ are the same or different; Represents a group represented by CO— or a group represented by —SO 2 —, wherein X, X ′, and X ″ are the same or different from each other, a group represented by —O—, and a group represented by —S—. Y represents a group represented directly or by the following general formula (15), p ′ represents 0, 1 or 2, and q ′ and r ′ are the same or different and are 1, 2 or 3 respectively. Represents.)

Figure 2013077436
(式中、R1及びR2はそれぞれ同一または相異なり、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜21のアシル基を表し、R1とR2とが連結して環を形成していてもよい。R1とR2とが連結して形成される環を有する式(15)の基としては、シクロヘキシリデン基などの炭素数5〜20の2価の環状炭化水素基があげられる。)
Figure 2013077436
(In formula, R < 1 > and R < 2 > are the same or different, respectively, a hydrogen atom, the C1-C20 alkyl group which may have a substituent, and C1-C1 which may have a substituent. It may have an alkoxy group having 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. Represents a good acyl group having 2 to 21 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be linked to form a ring, wherein R 1 and R 2 are linked to form a ring (15 ) Is a divalent cyclic hydrocarbon group having 5 to 20 carbon atoms such as a cyclohexylidene group.

イオン交換基を有する構造単位を示す式(11a)〜(14a)において、Ar1〜Ar9は、2価の芳香族基を表す。2価の芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基等の2価の縮環系芳香族基、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾールからなる群より選ばれる1種から芳香環上の水素原子を2個取り去って得られるヘテロ芳香基か、下記式(N−01)〜(N−07)で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含むヘテロ芳香族基等があげられる。 In the formulas (11a) to (14a) showing the structural unit having an ion exchange group, Ar 1 to Ar 9 represent a divalent aromatic group. Examples of the divalent aromatic group include bivalent monocyclic aromatic groups such as 1,3-phenylene group and 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, and 1,4-naphthalenediyl group. Divalent condensed aromatics such as 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group, etc. Group, pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, isoindole, 3H-indole, indole, 1H-indazole, purine, 4H-quinolidine, quinoline, isoquinoline, Phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, pteridine, carbazole, carboline, Enanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine, pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, oxazole, benzoxazole, 1,3,5- A heteroaromatic group obtained by removing two hydrogen atoms on an aromatic ring from one selected from the group consisting of triazine, brine, tetrazole, tetrazine, triazole, phenalsazine, benzimidazole, and benzotriazole, or the following formula (N-01 ) To (N-07), and a heteroaromatic group containing at least one structure selected from the group consisting of structures represented by (N-07).

Figure 2013077436
Figure 2013077436

式(11a)〜(14a)におけるAr1〜Ar9としては、好ましくは、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基等の2価の縮環系芳香族基であり、より好ましくは2価の単環性芳香族基である。 Ar 1 to Ar 9 in the formulas (11a) to (14a) are preferably divalent monocyclic aromatic groups such as 1,3-phenylene group and 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalene. Diyl group, 1,4-naphthalenediyl group, 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group And the like, more preferably a divalent monocyclic aromatic group.

また、式(11a)〜(14a)におけるAr1〜Ar9は、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜21のアシル基で置換されていてもよい。 Moreover, Ar < 1 > -Ar < 9 > in Formula (11a)-(14a) is the C1-C20 alkyl group which may have a substituent, and the C1-C20 which may have a substituent. An alkoxy group having 6 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. It may be substituted with an acyl group having 2 to 21 carbon atoms.

式(11a)〜(14a)におけるAr1〜Ar9は、芳香環に少なくとも一つのイオン交換基を有する。該イオン交換基の具体例および好ましい例は前述のものと同様なものをあげることができる。これらのイオン交換基は、高分子電解質の主鎖、側鎖の何れか一方、または両方に導入されていてもよいが、主鎖の芳香環へ導入されているものが好ましい。該イオン交換基として、上述のように酸性のイオン交換基が好ましく、酸性のイオン交換基の中でも、スルホ基又はホスホン基がより好ましく、スルホ基が特に好ましい。 Ar 1 to Ar 9 in formulas (11a) to (14a) have at least one ion exchange group in the aromatic ring. Specific examples and preferred examples of the ion exchange group are the same as those described above. These ion exchange groups may be introduced into either or both of the main chain and the side chain of the polymer electrolyte, but those introduced into the aromatic ring of the main chain are preferred. As the ion exchange group, an acidic ion exchange group is preferable as described above, and among the acidic ion exchange groups, a sulfo group or a phosphone group is more preferable, and a sulfo group is particularly preferable.

また、式(14a)で表されるイオン交換基を有する構造単位の例の一つとして、下記式(14a−1)をあげることができる。   Moreover, the following formula (14a-1) can be given as one example of the structural unit having an ion exchange group represented by the formula (14a).

Figure 2013077436
(上記式14a−1中、Ar110、Ar120、Ar130は、それぞれ独立に、2価の芳香族基を示し、該芳香環上の水素原子はフッ素原子で置換されていてもよい。Yは、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−,−COO−、−(CFu000−(u000は1〜10の整数である)、−C(CF−または直接結合を示す。Z000は、−O−、−S−、直接結合、−CO−、−SO−、−SO−、−(CHl000−(l000は1〜10の整数である)または−C(CH−を示す。R110は、直接結合、−O(CHp000−、−O(CFp000−、−(CHp000−または−(CFp000−を示す(p000は、1〜12の整数を示す)。R120、R130は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子または炭化水素基を示す。ただし、上記式中に含まれる全てのR120およびR130のうち少なくとも1個は水素原子である。x100は、0〜4の整数。x200は、1〜5の整数。a000は、0〜1の整数。b000は、0〜3の整数を示す。)
Figure 2013077436
(In the formula 14a-1, Ar 110 , Ar 120 , and Ar 130 each independently represent a divalent aromatic group, and a hydrogen atom on the aromatic ring may be substituted with a fluorine atom. Y Are —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO— , — (CF 2 ) u000 — (u000 is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) 2 —. Or Z 000 represents —O—, —S—, direct bond, —CO—, —SO 2 —, —SO— , — (CH 2 ) 1 000 — (1000 is an integer of 1 to 10). there) or -C (CH 3) 2 - are shown .R 110 is a direct bond, -O (CH 2) p000 - , - O (CF 2) p000 -, - (CH 2) p000 - or - (CF 2) p000 - shows a (p000 shows an integer of 1 to 12) R 120, R 130 are each independently a hydrogen atom, an alkali metal atom or a hydrocarbon group. Provided that at least one of all R 120 and R 130 contained in the formula is a hydrogen atom. x100 is an integer of 0 to 4. x200 is an integer of 1 to 5. a000 is an integer of 0 to 1. b000 represents an integer of 0 to 3.)

式(14a−1)におけるAr110、Ar120およびAr130は、2価の芳香族基を表す。2価の芳香族基としては、式(11a)〜(14a)におけるAr〜Arと同様のものがあげられる。 Ar 110 , Ar 120 and Ar 130 in the formula (14a-1) represent a divalent aromatic group. Examples of the divalent aromatic group include those similar to Ar 1 to Ar 9 in formulas (11a) to (14a).

120、R130は、それぞれ独立に、水素原子、アルカリ金属原子または炭化水素基を示す。アルカリ金属原子としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、ルビジウムがあげられ、炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、tert−ブチル基、iso−ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンタンメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]へプチル基、ビシクロ[ 2.2.1]へプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1] ヘプチルメチル基などの直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、複素環を有する炭化水素基などが挙げられる。これらのうちn−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基が好ましく、さらにはネオペンチル基が好ましい。なお、R120、R130は、水素原子であることが好ましい。 R 120 and R 130 each independently represent a hydrogen atom, an alkali metal atom or a hydrocarbon group. Examples of the alkali metal atom include lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, and rubidium. Examples of the hydrocarbon group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an iso-propyl group, and a tert-butyl group. Group, iso-butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantyl group, adamantanemethyl group, 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolanemethyl group, cyclohexylmethyl group , Adamantylmethyl group, bicyclo [2.2.1] hep Examples thereof include a linear hydrocarbon group such as a tilmethyl group, a branched hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, and a hydrocarbon group having a heterocyclic ring. Of these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group are preferable, and neopentyl group is more preferable. . R 120 and R 130 are preferably hydrogen atoms.

上記式(14a−1)で表される構造単位は、さらに下記式(14a−2)で表されるで表されるものが好ましい。   The structural unit represented by the above formula (14a-1) is preferably represented by the following formula (14a-2).

Figure 2013077436
(式(14a-2)中、Y001は−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(ここでのlは1〜10の整数である)、−C(CF−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Z001は直接結合または、−(CH−(ここでのlは1〜10の整数である)、−C(CH−、−O−、−S−、−CO−、−SO−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Ar001は−SO3Hまたは−O(CHSOHまたは−O(CFSOHで表される置換基を有する芳香族基を示す。pは1〜12の整数を示し、mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示す。)
Figure 2013077436
(In the formula (14a-2), Y 001 is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (where l is 1 to 10 Is an integer), and represents at least one structure selected from the group consisting of —C (CF 3 ) 2 —, wherein Z 001 is a direct bond or — (CH 2 ) 1 — (where l is 1 to 1) 10 is an integer of), - C (CH 3) 2 -, - O -, - S -, - CO -, - SO 2 - represents at least one structure selected from the group consisting of, Ar 001 is —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p represents an aromatic group having a substituent represented by p SO 3 H. p represents an integer of 1 to 12, m represents An integer of 0 to 10 is shown, n is an integer of 0 to 10, and k is an integer of 1 to 4.

上記式(14a−2)で表されるイオン交換基を有する構造単位の具体例としては、後述の式(4a−13)〜(4a−20)をあげることができる   Specific examples of the structural unit having an ion exchange group represented by the above formula (14a-2) include the following formulas (4a-13) to (4a-20).

一方、イオン交換基を有さない構造単位を示す式(11b)〜(14b)において、Ar11〜Ar19は、互いに独立な2価の芳香族基を表す。2価の芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基等の2価の縮環系芳香族基、ピロール、2H−ピロール、イミダゾール、ピラゾール、イソオキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、インドリジン、イソインドール、3H−インドール、インドール、1H−インダゾール、プリン、4H−キノリジン、キノリン、イソキノリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、カルバゾール、カルボリン、フェナントリジン、アクリジン、ペリミジン、フェナントロリン、フェナジン、フラザン、フェノキサジン、ピロリジン、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、ピラゾリン、ピペリジン、ピペラジン、インドリン、イソインドリン、キヌクリジン、オキサゾール、ベンゾオキサゾール、1,3,5−トリアジン、ブリン、テトラゾール、テトラジン、トリアゾール、フェナルサジン、ベンゾイミダゾール、ベンゾトリアゾールからなる群より選ばれる1種から芳香環上の水素原子を2個取り去って得られるヘテロ芳香族基か、下記式(N−01)〜(N−07)で表される構造からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造を含むヘテロ芳香族基等があげられる。 On the other hand, in the formulas (11b) to (14b) indicating the structural units having no ion exchange group, Ar 11 to Ar 19 represent divalent aromatic groups independent of each other. Examples of the divalent aromatic group include bivalent monocyclic aromatic groups such as 1,3-phenylene group and 1,4-phenylene group, 1,3-naphthalenediyl group, and 1,4-naphthalenediyl group. Divalent condensed aromatics such as 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group, etc. Group, pyrrole, 2H-pyrrole, imidazole, pyrazole, isoxazole, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, indolizine, isoindole, 3H-indole, indole, 1H-indazole, purine, 4H-quinolidine, quinoline, isoquinoline, Phthalazine, naphthyridine, quinoxaline, quinazoline, cinnoline, pteridine, carbazole, carboline, Enanthridine, acridine, perimidine, phenanthroline, phenazine, furazane, phenoxazine, pyrrolidine, pyrroline, imidazoline, imidazolidine, pyrazolidine, pyrazoline, piperidine, piperazine, indoline, isoindoline, quinuclidine, oxazole, benzoxazole, 1,3,5- A heteroaromatic group obtained by removing two hydrogen atoms on an aromatic ring from one selected from the group consisting of triazine, brine, tetrazole, tetrazine, triazole, phenalsazine, benzimidazole, and benzotriazole, or the following formula (N- And a heteroaromatic group containing at least one structure selected from the group consisting of structures represented by (01) to (N-07).

Figure 2013077436
Figure 2013077436

式(11b)〜(14b)におけるAr11〜Ar19としては、好ましくは、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル基、1,4−ナフタレンジイル基、1,5−ナフタレンジイル基、1,6−ナフタレンジイル基、1,7−ナフタレンジイル基、2,6−ナフタレンジイル基、2,7−ナフタレンジイル基等の2価の縮環系芳香族基であり、より好ましくは2価の単環性芳香族基である。 Ar 11 to Ar 19 in the formulas (11b) to (14b) are preferably a bivalent monocyclic aromatic group such as a 1,3-phenylene group or a 1,4-phenylene group, or 1,3-naphthalene. Diyl group, 1,4-naphthalenediyl group, 1,5-naphthalenediyl group, 1,6-naphthalenediyl group, 1,7-naphthalenediyl group, 2,6-naphthalenediyl group, 2,7-naphthalenediyl group And the like, more preferably a divalent monocyclic aromatic group.

また、Ar11〜Ar19は、フッ素原子、ホルミル基、シアノ基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜21のアシル基で置換されていてもよい。なお、ここでいう「置換基を有していてもよい」の置換基とはイオン交換基を包含するものではない。 Ar 11 to Ar 19 are each a fluorine atom, a formyl group, a cyano group, an optionally substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or an optionally substituted carbon atom having 1 to 20 carbon atoms. An alkoxy group having 6 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. It may be substituted with an acyl group having 2 to 21 carbon atoms. The “optionally substituted” substituent here does not include an ion exchange group.

ここで、前述の2価の芳香族基(式(11a)〜(14a)におけるAr1〜Ar9及び式(11b)〜(14b)におけるAr11〜Ar19)の置換基を例示しておく。 Here, the substituents of the aforementioned divalent aromatic groups (Ar 1 to Ar 9 in formulas (11a) to (14a) and Ar 11 to Ar 19 in formulas (11b) to (14b)) are exemplified. .

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

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

置換基を有していてもよい炭素数6〜20のアリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、フェナントレニル基、アントラセニル基等のアリール基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換され、その総炭素数が20以下であるアリール基が挙げられる。   Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms which may have a substituent include aryl groups such as a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthrenyl group, and an anthracenyl group, and these groups include a fluorine atom, a hydroxyl group, and a nitrile. Group, amino group, methoxy group, ethoxy group, isopropyloxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group and the like are substituted, and aryl groups having a total carbon number of 20 or less can be mentioned.

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

置換基を有していてもよい炭素数2〜21のアシル基としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、ピバロイル基、ベンゾイル基、1−ナフトイル基、2−ナフトイル基等の炭素数2〜20のアシル基、及びこれらの基にフッ素原子、ヒドロキシル基、ニトリル基、アミノ基、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基等が置換され、その総炭素数が21以下であるアシル基が挙げられる。   Examples of the optionally substituted acyl group having 2 to 21 carbon atoms include acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, pivaloyl group, benzoyl group, 1-naphthoyl group, and 2-naphthoyl group. Acyl groups having 2 to 20 carbon atoms, and fluorine, hydroxyl, nitrile, amino, methoxy, ethoxy, isopropyloxy, phenyl, naphthyl, phenoxy, naphthyloxy, etc. And an acyl group having a total carbon number of 21 or less.

これら芳香環置換基のなかでも、フェニル基、ナフチル基、フェナントレニル基、アントラセニル基等のアリール基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、フェナントレニルオキシ基、アントラセニルオキシ基等のアリールオキシ基、ベンゾイル基、1−ナフトイル基、2−ナフトイル基等の芳香環を有するアシル基であると、ポリマーの耐熱性が良好となる傾向があり、より実用的な燃料電池用部材が得られるため好ましい。   Among these aromatic ring substituents, aryl groups such as phenyl group, naphthyl group, phenanthrenyl group, anthracenyl group, aryloxy groups such as phenoxy group, naphthyloxy group, phenanthrenyloxy group, anthracenyloxy group, An acyl group having an aromatic ring such as a benzoyl group, a 1-naphthoyl group, or a 2-naphthoyl group is preferable because the heat resistance of the polymer tends to be good and a more practical fuel cell member can be obtained.

芳香環を有するアシル基を芳香環置換基として有する重合体を含む高分子電解質においては、該アシル基を有する2つの構造単位が隣接し、該2つの構造単位にあるアシル基同士が結合したり、アシル基同士が結合した後に転位反応を生じたりすることにより、構造が変化する場合がある。また、このような構造変化が生じたか否かは、例えば13C−核磁気共鳴スペクトルの測定により確認することができる。 In a polymer electrolyte including a polymer having an acyl group having an aromatic ring as an aromatic ring substituent, two structural units having the acyl group are adjacent to each other, and the acyl groups in the two structural units are bonded to each other. In some cases, the structure is changed by causing a rearrangement reaction after the acyl groups are bonded to each other. Whether such a structural change has occurred can be confirmed by measuring, for example, a 13 C-nuclear magnetic resonance spectrum.

なお、本発明においての炭化水素系高分子電解質の好ましい要素の一つとして、当該高分子電解質を構成する元素質量含有比で表してハロゲン原子が15質量%以下である高分子電解質であることがあげられる。かかる炭化水素系高分子電解質は、前記のフッ素系高分子電解質と比較して安価であるという利点を有するため、より好ましい、特に好適な炭化水素系高分子電解質とは実質的にハロゲン原子を含有していないものであり、このような炭化水素系高分子電解質は燃料電池の作動時に、ハロゲン化水素を発生して、他の部材を腐食させたりする恐れがない。   In addition, as one of the preferable elements of the hydrocarbon-based polymer electrolyte in the present invention, it is a polymer electrolyte having a halogen atom content of 15% by mass or less in terms of a mass content ratio of elements constituting the polymer electrolyte. can give. Such hydrocarbon polymer electrolytes have the advantage of being inexpensive compared to the fluorine polymer electrolytes described above, and therefore more preferred, particularly preferred hydrocarbon polymer electrolytes substantially contain halogen atoms. Such a hydrocarbon-based polymer electrolyte does not generate hydrogen halide during the operation of the fuel cell and does not corrode other members.

該炭化水素系高分子電解質は、イオン交換基を有する構造単位、及び、イオン交換基を有さない構造単位を有し、イオン交換基を有する構造単位が密な相が膜厚方向に連続相を形成できれば、よりプロトン伝導性に優れる高分子電解質膜が得られるといった利点があるので好ましい。   The hydrocarbon-based polymer electrolyte includes a structural unit having an ion exchange group and a structural unit having no ion exchange group, and a dense phase of the structural unit having an ion exchange group is a continuous phase in the film thickness direction. Can be formed, because there is an advantage that a polymer electrolyte membrane having more excellent proton conductivity can be obtained.

本発明において、好適な高分子電解質は、前記式(11a)〜(14a)で表される構造単位からなる、イオン交換基を有する構造単位と、前記式(11b)〜(14b)で表される構造単位からなる、イオン交換基を実質的に有しない構造単位とを有するものである。このような高分子電解質は、イオン交換基を有する構造単位と、イオン交換基を実質的に有しない構造単位と、のそれぞれに対応するモノマーまたはオリゴマーを出発物質とする共重合体として得ることができる。このような共重合体において、イオン交換基を有する構造単位と、イオン交換基を実質的に有しない構造単位との好適な組み合わせとしては、下記の表1の<ア>〜<ス>に示す組み合わせをあげることができる。   In the present invention, suitable polymer electrolytes are represented by the structural units having an ion exchange group, which are composed of the structural units represented by the formulas (11a) to (14a), and the formulas (11b) to (14b). And a structural unit having substantially no ion exchange group. Such a polymer electrolyte can be obtained as a copolymer starting from a monomer or oligomer corresponding to each of a structural unit having an ion exchange group and a structural unit having substantially no ion exchange group. it can. In such a copolymer, suitable combinations of a structural unit having an ion exchange group and a structural unit having substantially no ion exchange group are shown in <a> to <su> in Table 1 below. You can give a combination.

Figure 2013077436
Figure 2013077436

本発明において好適に用いられる高分子電解質の構造としては、更に好ましくは、<イ>、<ウ>、<エ>、<キ>、<ク>、<ケ>、<コ>、<シ>、又は<ス>であり、より更に好ましくは<キ>、<ク>、<シ>又は<ス>であり、特に好ましくは<キ>、<ク>、<シ>である。   More preferably, the structure of the polymer electrolyte suitably used in the present invention is <A>, <U>, <D>, <K>, <K>, <K>, <K>, <B> Or <su>, more preferably <ki>, <ku>, <si> or <su>, and particularly preferably <ki>, <ku>, <si>.

具体的に好適な共重合体をあげると、以下に示すイオン交換基を有する構造単位から選ばれる1種又は2種以上の構造単位と、以下に示すイオン交換基を有しない構造単位から選ばれる1種又は2種以上の構造単位と、からなる共重合体をあげることができる。なお、イオン交換基を有する繰り返し単位におけるイオン交換基は、好適なスルホ基により例示している。もちろん、スルホ基に代えて上述のイオン交換基のいずれかを採用することとしてもよい。   Specific examples of the suitable copolymer include one or more structural units selected from the following structural units having an ion exchange group and the following structural units having no ion exchange group. Examples of the copolymer include one or more structural units. In addition, the ion exchange group in the repeating unit which has an ion exchange group is illustrated by the suitable sulfo group. Of course, any of the above-described ion exchange groups may be employed instead of the sulfo group.

また、これら構造単位同士は直接結合している形態でもよく、適当な原子又は原子団で連結している形態でもよい。ここでいう構造単位同士を結合する原子又は原子団の典型的なものとしては、2価の芳香族基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、スルホニル基又はこれらを組み合わせてなる2価の基をあげることができる。   In addition, these structural units may be directly bonded to each other, or may be connected to each other with an appropriate atom or atomic group. As typical examples of the atoms or atomic groups connecting the structural units here, a divalent aromatic group, an oxygen atom, a sulfur atom, a carbonyl group, a sulfonyl group, or a divalent group formed by combining these is used. I can give you.

(イオン交換基を有する構造単位)

Figure 2013077436
(Structural unit having an ion exchange group)
Figure 2013077436

Figure 2013077436
Figure 2013077436

(イオン交換基を有しない構造単位)

Figure 2013077436
(Structural unit without ion exchange group)
Figure 2013077436

Figure 2013077436
Figure 2013077436

Figure 2013077436
(4b−15)〜(4b−32)中、r000は0または1以上の整数を示す。r000は、好ましくは100以下であり、 より好ましくは1以上80以下である。
Figure 2013077436
In (4b-15) to (4b-32), r000 represents 0 or an integer of 1 or more. r000 is preferably 100 or less, more preferably 1 or more and 80 or less.

前記例示の中でも、イオン交換基を有する構造単位としては、(4a−1)、(4a−2)、(4a−3)、(4a−4)、(4a−5)、(4a−6)、(4a−7)、(4a−8)、(4a−9)、(4a−10)、(4a−11)、(4a−12)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位が好ましい。同様に、(4a−10)、(4a−11)、(4a−12)がより好ましく、(4a−11)、(4a−12)が特に好ましい。   Among the examples described above, structural units having an ion exchange group include (4a-1), (4a-2), (4a-3), (4a-4), (4a-5), and (4a-6). One or more structural units selected from the group consisting of: (4a-7), (4a-8), (4a-9), (4a-10), (4a-11), (4a-12) are preferred. . Similarly, (4a-10), (4a-11), and (4a-12) are more preferable, and (4a-11) and (4a-12) are particularly preferable.

このような構造単位を含むセグメントを有する高分子電解質、特に、このような構造単位を繰り返し単位として含むセグメント(イオン交換基を有するセグメント)を有する高分子電解質は、当該セグメントがポリアリーレン構造となるために化学的安定性も比較的良好となる傾向がある。   A polymer electrolyte having a segment containing such a structural unit, particularly a polymer electrolyte having a segment containing such a structural unit as a repeating unit (segment having an ion exchange group) has a polyarylene structure. Therefore, the chemical stability tends to be relatively good.

また、イオン交換基を有しない構造単位としては、(4b−1)、(4b−2)、(4b−3)、(4b−4)、(4b−5)、(4b−6)、(4b−7)、(4b−8)、(4b−9)、(4b−10)、(4b−11)、(4b−12)、(4b−13)、(4b−14)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位が好ましい。同様に、(4b−2)、(4b−3)、(4b−10)、(4b−13)、(4b−14)がより好ましい。   Moreover, as a structural unit which does not have an ion exchange group, (4b-1), (4b-2), (4b-3), (4b-4), (4b-5), (4b-6), ( 4b-7), (4b-8), (4b-9), (4b-10), (4b-11), (4b-12), (4b-13), (4b-14) One or more selected structural units are preferred. Similarly, (4b-2), (4b-3), (4b-10), (4b-13), and (4b-14) are more preferable.

該炭化水素系高分子電解質は、イオン交換基を有する構造単位と、イオン交換基を有さない構造単位とを有するものであり、この2種の構造単位の共重合様式は、ランダム共重合、交互共重合、ブロック共重合、グラフト共重合の何れでもよく、これらの共重合様式の組み合わせでもよい。好ましくは、ランダム共重合、ブロック共重合、グラフト共重合であり、より好ましくは、ランダム共重合、ブロック共重合であり、特に好ましくはブロック共重合である。   The hydrocarbon-based polymer electrolyte has a structural unit having an ion exchange group and a structural unit not having an ion exchange group. The copolymerization mode of these two structural units is random copolymerization, Any of alternating copolymerization, block copolymerization, and graft copolymerization may be used, or a combination of these copolymerization modes may be used. Random copolymerization, block copolymerization, and graft copolymerization are preferred, random copolymerization and block copolymerization are more preferred, and block copolymerization is particularly preferred.

ブロック共重合体としては、主としてイオン交換基を有する構造単位からなるセグメント(イオン交換基を有するセグメント)及び、主としてイオン交換基を有さない構造単位からなるセグメント(イオン交換基を実質的に有しないセグメント)とを有するものが好ましい。このようなブロック共重合体では、イオン交換基を有するセグメントが密な相が膜厚方向に連続相を形成することで、よりプロトン伝導性に優れる高分子電解質膜が得られるといった利点がある。また、好適なイオン交換基を有するセグメントを構成する構造単位とイオン交換基を実質的に有しないセグメントを構成する構造単位の組み合わせをあげると、下記の表2の<ア>〜<ス>に示すセグメントの組み合わせをあげることができる。   As block copolymers, segments mainly composed of structural units having ion-exchange groups (segments having ion-exchange groups) and segments composed mainly of structural units not having ion-exchange groups (substantially having ion-exchange groups). Having no segment) is preferred. Such a block copolymer has an advantage that a polymer electrolyte membrane having more excellent proton conductivity can be obtained by forming a continuous phase in the film thickness direction with a dense phase having segments having ion exchange groups. Moreover, when the combination of the structural unit which comprises the segment which has a suitable ion exchange group, and the structural unit which comprises the segment which does not have an ion exchange group substantially is given, <a>-<su> of following Table 2 The combination of the segment shown can be mention | raise | lifted.

Figure 2013077436
Figure 2013077436

更に好ましくは、<イ>、<ウ>、<エ>、<キ>、<ク>、<ケ>、<コ>、<シ>、又は<ス>であり、より更に好ましくは<キ>、<ク>、<シ>又は<ス>であり、<キ>、<ク>、<シ>が特に好ましい。   <I>, <U>, <D>, <K>, <K>, <K>, <K>, <Shi>, or <S>, and more preferably <K>. , <Ku>, <si> or <su>, <ki>, <ku> and <si> are particularly preferred.

前記例示の中でも、イオン交換基を有するセグメントを構成する繰り返し単位に用いられる構造単位としては(4a−1)、(4a−2)、(4a−3)、(4a−4)、(4a−5)、(4a−6)、(4a−7)、(4a−8)、(4a−9)、(4a−10)、(4a−11)及び(4a−12)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位が好ましく、(4a−10)、(4a−11)、(4a−12)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位がより好ましく、(4a−11)又は(4a−12)が特に好ましい。   Among the above examples, structural units used for the repeating unit constituting the segment having an ion exchange group include (4a-1), (4a-2), (4a-3), (4a-4), (4a- 5), (4a-6), (4a-7), (4a-8), (4a-9), (4a-10), (4a-11) and (4a-12). One or more structural units are preferable, and one or more structural units selected from the group consisting of (4a-10), (4a-11), and (4a-12) are more preferable, and (4a-11) or (4a -12) is particularly preferred.

本発明に係る芳香族系高分子電解質膜の好ましい形態の一つとして、イオン交換基を有するセグメントの主鎖が、実質的に複数の芳香環が直接連結してなるポリアリーレン構造であるポリアリーレン系ブロック共重合体であることがあげられる。そのようなセグメントの構造単位として、好ましくは前述の(4a−10)、(4a−11)、(4a−12)、(4a−13)、(4a−14)、(4a−15)、(4a−16)、(4a−17)、(4a−18)、(4a−19)及び(4a−20)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位が好ましく、(4a−10)、(4a−11)及び(4a−12)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位がより好ましく、(4a−11)又は(4a−12)が特に好ましい。   As one of the preferred embodiments of the aromatic polymer electrolyte membrane according to the present invention, a polyarylene having a polyarylene structure in which a main chain of a segment having an ion exchange group is substantially formed by directly connecting a plurality of aromatic rings It is a system block copolymer. As the structural unit of such a segment, the above-mentioned (4a-10), (4a-11), (4a-12), (4a-13), (4a-14), (4a-15), ( 4a-16), (4a-17), (4a-18), (4a-19) and one or more structural units selected from the group consisting of (4a-20) are preferred, (4a-10), ( One or more structural units selected from the group consisting of 4a-11) and (4a-12) are more preferred, and (4a-11) or (4a-12) is particularly preferred.

このような構造単位を繰り返し単位を含むセグメント(イオン交換基を有するセグメント)を有する高分子電解質、特に、このような繰り返し単位からなるセグメントを有する高分子電解質は、優れたイオン伝導性を発現できるものであり、当該セグメントがポリアリーレン構造となるために化学的安定性も比較的良好となる傾向がある。   A polymer electrolyte having a segment (a segment having an ion exchange group) containing such a structural unit as a repeating unit, in particular, a polymer electrolyte having a segment consisting of such a repeating unit can exhibit excellent ionic conductivity. Therefore, since the segment has a polyarylene structure, the chemical stability tends to be relatively good.

ここで「ポリアリーレン構造」とは、主鎖を構成している芳香環同士が実質的に直接結合で結合されている形態であり、具体的には、該芳香環同士の結合の総数を100%としたとき、直接結合の割合が80%以上の構造であると好ましく、90%以上の構造であるとより好ましく、95%以上の構造であるとさらに好ましい。なお、直接結合以外の結合とは、芳香環同士が2価の原子又は2価の原子団で結合している形態である。   Here, the “polyarylene structure” is a form in which the aromatic rings constituting the main chain are substantially directly bonded to each other. Specifically, the total number of bonds between the aromatic rings is 100. %, The direct bond ratio is preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 95% or more. The bond other than the direct bond is a form in which the aromatic rings are bonded with a divalent atom or a divalent atomic group.

イオン交換基を有しないセグメントを構成する繰り返し単位に用いられる構造単位としては、(4b−1)、(4b−2)、(4b−3)、(4b−4)、(4b−5)、(4b−6)、(4b−7)、(4b−8)、(4b−9)、(4b−10)、(4b−11)、(4b−12)、(4b−13)及び(4b−14)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位が好ましく、(4b−2)、(4b−3)、(4b−9)、(4b−10)、(4b−13)及び(4b−14)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位がより好ましく、(4b−2)、(4b−3)、(4b−13)及び(4b−14)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位がよりさらに好ましく、(4b−2)、(4b−3)及び(4b−14)からなる群から選ばれる1種以上の構造単位が特に好ましい。   As the structural unit used for the repeating unit constituting the segment having no ion exchange group, (4b-1), (4b-2), (4b-3), (4b-4), (4b-5), (4b-6), (4b-7), (4b-8), (4b-9), (4b-10), (4b-11), (4b-12), (4b-13) and (4b -14) is preferably one or more structural units selected from the group consisting of (4b-2), (4b-3), (4b-9), (4b-10), (4b-13) and (4b). -14) is more preferably one or more structural units selected from the group consisting of (4b-2), (4b-3), (4b-13) and (4b-14). The above structural units are more preferable, and are the groups consisting of (4b-2), (4b-3) and (4b-14)? One or more structural units selected is particularly preferable.

また、イオン交換基を有するセグメントとイオン交換基を実質的に有しないセグメントとは、直接結合している形態でもよく、適当な原子又は原子団で連結している形態でもよい。ここでいうセグメント同士を結合する原子又は原子団の典型的なものとしては、2価の芳香族基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、スルホニル基又はこれらを組み合わせてなる2価の基をあげることができる。   In addition, the segment having an ion exchange group and the segment having substantially no ion exchange group may be directly bonded or may be connected by an appropriate atom or atomic group. Typical examples of the atoms or atomic groups connecting the segments here include a divalent aromatic group, an oxygen atom, a sulfur atom, a carbonyl group, a sulfonyl group, or a divalent group formed by combining these. be able to.

具体的に、好適なブロック共重合体をあげると、上記に示すイオン交換基を有する構造単位から選ばれる1種又は2種以上の構造単位を含むセグメント(イオン交換基を有するセグメント)と、上記に示すイオン交換基を有しない構造単位から選ばれる1種又は2種以上の構造単位を含むセグメント(イオン交換基を実質的に有しないセグメント)と、からなるブロック共重合体をあげることができる。   Specifically, when a suitable block copolymer is mentioned, a segment (segment having an ion exchange group) containing one or more structural units selected from the structural units having an ion exchange group shown above, and the above And a block copolymer comprising one or more structural units selected from structural units having no ion exchange groups (segments substantially having no ion exchange groups). .

ここで、「イオン交換基を有するセグメント」とは、イオン交換基が、該セグメントを構成する構造単位1個あたりで平均0.5個以上含まれているセグメントであることを意味し、構造単位1個あたりで平均1.0個以上含まれているとより好ましい。   Here, the “segment having an ion exchange group” means that the ion exchange group is a segment containing an average of 0.5 or more per structural unit constituting the segment. It is more preferable that an average of 1.0 or more per one is included.

一方、「イオン交換基を実質的に有しないセグメント」とは、イオン交換基が、該セグメントを構成する構造単位1個あたりで平均0.5個未満であるセグメントであることを意味し、構造単位1個あたりで平均0.1個以下であるとより好ましく、平均0.05個以下であるとさらに好ましい。   On the other hand, “a segment having substantially no ion exchange group” means that the ion exchange group is a segment having an average of less than 0.5 per structural unit constituting the segment, The average per unit is preferably 0.1 or less, and more preferably 0.05 or less on average.

典型的には、イオン交換基を有するセグメントとイオン交換基を実質的に有しないセグメントとが、直接結合で結合されているか、適当な原子又は原子団で結合された形態のブロック共重合体である。   Typically, a block copolymer in a form in which a segment having an ion exchange group and a segment having substantially no ion exchange group are bonded by a direct bond or bonded by an appropriate atom or atomic group. is there.

上記式(11a)〜(14a)から選ばれる構造単位からなるセグメントの重合度は2以上であり、3以上が好ましく、5以上がより好ましく、10以上が更に好ましい。また、セグメントの重合度は1000以下が好ましく、500以下が好ましい。この重合度が2以上、好ましくは5以上であれば、燃料電池用の高分子電解質として、十分なプロトン伝導度を発現し、この重合度が1000以下であれば、製造がより容易である利点がある。   The degree of polymerization of the segment composed of the structural unit selected from the above formulas (11a) to (14a) is 2 or more, preferably 3 or more, more preferably 5 or more, and still more preferably 10 or more. Further, the polymerization degree of the segment is preferably 1000 or less, and preferably 500 or less. If the degree of polymerization is 2 or more, preferably 5 or more, sufficient proton conductivity is expressed as a polymer electrolyte for a fuel cell, and if the degree of polymerization is 1000 or less, the advantage is that manufacture is easier. There is.

また、式(11b)〜(14b)から選ばれる構造単位からなるセグメントの重合度は1以上であり、2以上が好ましく、3以上がより好ましい。また、セグメントの重合度は100以下が好ましく、90以下がより好ましく、80以下が更に好ましい。このような範囲内であれば、燃料電池用の高分子電解質として、十分な機械強度を有し、製造が容易であるので好ましい。   Moreover, the polymerization degree of the segment which consists of a structural unit chosen from Formula (11b)-(14b) is 1 or more, 2 or more are preferable and 3 or more are more preferable. Further, the polymerization degree of the segment is preferably 100 or less, more preferably 90 or less, and still more preferably 80 or less. Within such a range, the polymer electrolyte for a fuel cell is preferable because it has sufficient mechanical strength and is easy to produce.

また、本発明で用いられる炭化水素系高分子電解質の分子量は、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して、5000〜1000000であることが好ましく、10000〜800000であることがより好ましく、10000〜600000であることがより更に好ましく、中でも15000〜400000であることが特に好ましい。このような範囲の分子量の高分子電解質を用いることにより、後述の方法にて作成される高分子電解質膜は、その膜の形状を安定的に維持できる傾向がある。該数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定される。   Moreover, the molecular weight of the hydrocarbon-based polymer electrolyte used in the present invention is preferably 5,000 to 1,000,000, more preferably 10,000 to 800,000, and more preferably 10,000 to 600,000 in terms of polystyrene-reduced number average molecular weight. More preferably, it is more preferably 15,000 to 400,000. By using a polymer electrolyte having a molecular weight in such a range, a polymer electrolyte membrane prepared by a method described later tends to stably maintain the shape of the membrane. The number average molecular weight is measured by gel permeation chromatography (GPC).

(フッ素系高分子電解質)
また、本実施形態の高分子電解質膜に用いることができるフッ素系高分子電解質としては、通常知られたものを例示することができる。例えば、上述の炭化水素系高分子電解質が置換基として有する水素原子をフッ素原子と置換したものを用いることができる。具体的には、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマーが挙げられる。他にも、Nafion(デュポン社登録商標)、旭化成製のAciplex(旭化成登録商標)、旭硝子製のFlemion(旭硝子登録商標)などのフッ素系高分子電解質や、上述した特開2006−32157号公報に記載されているフッ素系高分子電解質なども用いることが可能である。
なお、フッ素系高分子電解質とは、当該高分子電解質を構成する元素質量含有比で表してフッ素原子が15質量%を超える高分子電解質を意味する。
(Fluoropolymer electrolyte)
Moreover, what is generally known can be illustrated as a fluorine-type polymer electrolyte which can be used for the polymer electrolyte membrane of this embodiment. For example, what substituted the hydrogen atom which the above-mentioned hydrocarbon type polymer electrolyte has as a substituent with the fluorine atom can be used. Specifically, a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer and a perfluorocarboxylic acid polymer are exemplified. In addition, fluorine polymer electrolytes such as Nafion (registered trademark of DuPont), Aciplex (Asahi Kasei registered trademark) manufactured by Asahi Kasei, and Flemion (registered trademark of Asahi Glass) manufactured by Asahi Glass, and the above-mentioned JP-A-2006-32157 The described fluorine-based polymer electrolytes can also be used.
In addition, a fluorine-type polymer electrolyte means the polymer electrolyte in which a fluorine atom exceeds 15 mass% when represented with the element mass content ratio which comprises the said polymer electrolyte.

<触媒層>
触媒層14aおよび触媒層14bは、燃料電池10における電極層として機能する層である。触媒層14aおよび触媒層14bには、電極触媒(以下、触媒と称することがある)とパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂等のプロトン伝導性を有する電解質とを含む。
<Catalyst layer>
The catalyst layer 14 a and the catalyst layer 14 b are layers that function as electrode layers in the fuel cell 10. The catalyst layer 14a and the catalyst layer 14b include an electrode catalyst (hereinafter also referred to as a catalyst) and an electrolyte having proton conductivity such as a perfluoroalkylsulfonic acid resin.

ここで、触媒層14aおよび触媒層14bに用いられる触媒としては、水素又は酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金又は白金系合金の微粒子を触媒として用いることが好ましい。白金又は白金系合金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されて用いられることもある。   Here, the catalyst used for the catalyst layer 14a and the catalyst layer 14b is not particularly limited as long as it can activate the oxidation-reduction reaction with hydrogen or oxygen, and a known one can be used. It is preferable to use platinum alloy fine particles as a catalyst. The fine particles of platinum or platinum-based alloys are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.

集電体としての導電性物質に関しても公知の材料を用いることができるが、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布またはカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好ましい。   A known material can be used for the conductive material as the current collector, but porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric, or carbon paper is preferable in order to efficiently transport the raw material gas to the catalyst.

<ガス拡散層>
ガス拡散層16aおよびガス拡散層16bは、触媒層14a、触媒層14bへの原料ガスの拡散を促進する機能を有する層である。このガス拡散層16a,ガス拡散層16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されることが好ましい。前記多孔質材料としては、原料ガスを触媒層14a、触媒層14bへ効率的に輸送することができるため、多孔質性のカーボン不織布、カーボンペーパーが好ましい。
<Gas diffusion layer>
The gas diffusion layer 16a and the gas diffusion layer 16b are layers having a function of promoting the diffusion of the raw material gas into the catalyst layer 14a and the catalyst layer 14b. The gas diffusion layer 16a and the gas diffusion layer 16b are preferably made of a porous material having electron conductivity. The porous material is preferably a porous carbon non-woven fabric or carbon paper because the source gas can be efficiently transported to the catalyst layer 14a and the catalyst layer 14b.

<セパレータ>
セパレータ18aおよびセパレータ18bは、電子伝導性を有する金属材料で形成された基材と、基材の表面に形成された耐酸性を有する導電性金属酸化物から成る薄膜層と、の積層構造を有している。薄膜層は、少なくともセパレータ18aおよびセパレータ18bにおける触媒層側の面に形成されている。詳しくは、セパレータの触媒層側の面のうち、ガス拡散層と面する部分は、燃料電池の運転状況下において強酸性条件となるため、少なくとも当該ガス拡散層と面する部分には薄膜層が形成されている。セパレータ18aの触媒層14a側、セパレータ18bの触媒層14b側に、燃料ガス等の流路となる溝が形成されている場合には当該溝の表面を覆って薄膜層が形成されている。もちろん、薄膜層は、触媒層側の面の全面に形成されていてもよく、また、基材の両面に形成されていてもよい。
<Separator>
The separator 18a and the separator 18b have a laminated structure of a base material made of a metal material having electronic conductivity and a thin film layer made of an acid-resistant conductive metal oxide formed on the surface of the base material. doing. The thin film layer is formed on at least the surface on the catalyst layer side of the separator 18a and the separator 18b. Specifically, the portion facing the gas diffusion layer in the surface of the separator on the catalyst layer side is under strongly acidic conditions under the operating condition of the fuel cell, so that at least the portion facing the gas diffusion layer has a thin film layer. Is formed. When a groove serving as a flow path for fuel gas or the like is formed on the catalyst layer 14a side of the separator 18a and the catalyst layer 14b side of the separator 18b, a thin film layer is formed to cover the surface of the groove. Of course, the thin film layer may be formed on the entire surface on the catalyst layer side, or may be formed on both surfaces of the substrate.

このようなセパレータ18aおよびセパレータ18bにおいては、基材の表面に形成された薄膜層が耐酸性を有するため、燃料電池の運転状況下においてもセパレータが溶解せず、セパレータから金属イオンが溶出することがない。   In such a separator 18a and separator 18b, since the thin film layer formed on the surface of the substrate has acid resistance, the separator does not dissolve even under the operating condition of the fuel cell, and metal ions are eluted from the separator. There is no.

またセパレータは、触媒層と接触して電気(電子)を導通させる機能を有する必要があるが、本実施形態のセパレータ18aおよびセパレータ18bにおいては、薄膜層が導電性金属酸化物で形成されるため、セパレータに求められる導電性を損なうこともない。   Further, the separator needs to have a function of conducting electricity (electrons) in contact with the catalyst layer, but in the separator 18a and the separator 18b of the present embodiment, the thin film layer is formed of a conductive metal oxide. The conductivity required for the separator is not impaired.

基材の形成材料としては、金属単体または合金が用いられ、例えばチタン、ステンレスが挙げられる。加工が容易であり、酸性条件下でも腐食しにくいことから、基材の材料としてはステンレスが好ましい。   As the material for forming the base material, a single metal or an alloy is used, and examples thereof include titanium and stainless steel. Stainless steel is preferable as the material of the base material because it is easy to process and hardly corrodes even under acidic conditions.

薄膜層の形成材料としては、導電性を有し、かつ耐酸腐食性を有している金属酸化物(導電性金属酸化物)であれば、種々の材料を用いることができる。中でも、スズ、タンタル、ニオブ、チタン、タングステン、ジルコニウムからなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素を含む金属酸化物が好ましく、スズを含む金属酸化物がさらに好ましい。スズを含む金属酸化物としては、亜鉛スズ酸化物(Zinc Tin Oxide、ZTO)を好適に用いることができる。   As a material for forming the thin film layer, various materials can be used as long as they are conductive and have acid corrosion resistance as long as they are metal oxides (conductive metal oxides). Among these, a metal oxide containing at least one element selected from the group consisting of tin, tantalum, niobium, titanium, tungsten, and zirconium is preferable, and a metal oxide containing tin is more preferable. As the metal oxide containing tin, zinc tin oxide (ZTO) can be suitably used.

薄膜層の形成材料として亜鉛スズ酸化物を用いる場合、化学的な耐久性の面からはスズをより多く含有することが好ましく、導電性の観点からは亜鉛が所定量含有されることが好ましい。形成材料である亜鉛スズ酸化物においては、スズ(Sn)と亜鉛(Zn)の和に対するSnのモル比(Sn/(Sn+Zn))が0.7以上0.9以下の範囲であることが好ましい。上記モル比が0.7未満となると、薄膜層が導電性を備えにくく、表面に薄膜層を形成したセパレータ全体の導電性が得られにくくなる。また、上記モル比が0.9より大きくなると、セパレータの耐酸性が低下するため、金属イオンの溶出を抑制しにくくなる。   When zinc tin oxide is used as the material for forming the thin film layer, it is preferable to contain more tin from the viewpoint of chemical durability, and a predetermined amount of zinc is preferably contained from the viewpoint of conductivity. In the zinc tin oxide as the forming material, the molar ratio of Sn to the sum of tin (Sn) and zinc (Zn) (Sn / (Sn + Zn)) is preferably in the range of 0.7 to 0.9. . When the molar ratio is less than 0.7, the thin film layer is less likely to have conductivity, and the conductivity of the entire separator having the thin film layer formed on the surface is difficult to obtain. Moreover, since the acid resistance of a separator will fall when the said molar ratio becomes larger than 0.9, it becomes difficult to suppress elution of a metal ion.

また、亜鉛スズ酸化物全体(ZTO)に対するスズおよび亜鉛の和の比((Sn+Zn)/ZTO)は、0.7〜0.8の範囲であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that ratio ((Sn + Zn) / ZTO) of the sum of tin and zinc with respect to the whole zinc tin oxide (ZTO) is the range of 0.7-0.8.

さらに、薄膜層を構成する亜鉛スズ酸化物全体に対するスズの比(Sn/ZTO)は、0.6〜0.8の範囲であることが好ましい。スズの濃度は、薄膜層の層厚方向に均一であってもよく、層厚方向に変化することとしてもよい。   Furthermore, it is preferable that the ratio (Sn / ZTO) of tin with respect to the whole zinc tin oxide which comprises a thin film layer is the range of 0.6-0.8. The tin concentration may be uniform in the layer thickness direction of the thin film layer or may vary in the layer thickness direction.

また、薄膜層は、基材の表面に1μm以下の膜厚で形成されていることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the thin film layer is formed in the film thickness of 1 micrometer or less on the surface of a base material.

薄膜層は、上述の導電性金属酸化物を形成材料として、基材の表面に物理蒸着法、化学蒸着法を用いて成膜することで形成することができる。物理蒸着法ではスパッタ法、イオンプレーティング法、化学蒸着法では、化学気相成長法などが挙げられる。   The thin film layer can be formed by forming a film on the surface of the base material using a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method using the above-described conductive metal oxide as a forming material. Examples of physical vapor deposition include sputtering, ion plating, and chemical vapor deposition include chemical vapor deposition.

他にも、上述の導電性金属酸化物の分散液を基材表面に塗工することで作製される。分散液に分散している導電性金属酸化物の粒径は、例えば10nm以上1000nm以下である。溶液に用いられる溶媒、または分散液に用いられる分散媒としては、例えば、水;メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類;ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン(MEK)等のケトン類;ペンタン、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、が挙げられる。   In addition, it is produced by applying the above-mentioned conductive metal oxide dispersion on the substrate surface. The particle size of the conductive metal oxide dispersed in the dispersion is, for example, 10 nm or more and 1000 nm or less. Examples of the solvent used in the solution or the dispersion medium used in the dispersion include water; alcohols such as methanol, ethanol, and propanol; ethers such as diethyl ether, dimethyl ether, and tetrahydrofuran; acetone, methyl ethyl ketone (MEK), and the like. Ketones; aliphatic hydrocarbons such as pentane and hexane.

このような燃料電池10は、固体高分子型燃料電池の最小単位であるが、単一の燃料電池10(セル)の出力は限られている。そこで、必要な出力が得られるように複数の燃料電池10を直列に接続して、燃料電池スタックとして使用することが好ましい。セパレータ18aおよびセパレータ18bは、複数の燃料電池セルを集積した燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池セル同士を分割する機能を有する。   Such a fuel cell 10 is the minimum unit of a polymer electrolyte fuel cell, but the output of a single fuel cell 10 (cell) is limited. Therefore, it is preferable to use a fuel cell stack by connecting a plurality of fuel cells 10 in series so as to obtain a required output. Separator 18a and separator 18b have a function of dividing a plurality of fuel cells in a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are integrated.

このような燃料電池10は、燃料が水素である場合は固体高分子型燃料電池として、また、燃料がメタノールである場合は直接メタノール型燃料電池として動作させることができる。   Such a fuel cell 10 can be operated as a solid polymer fuel cell when the fuel is hydrogen, and as a direct methanol fuel cell when the fuel is methanol.

以上のような構成のセパレータによれば、金属イオンの溶出を抑制することができる。また、以上のような構成の燃料電池は、上述のセパレータを有することにより、長期安定性に優れたものとなる。   According to the separator configured as described above, elution of metal ions can be suppressed. Moreover, the fuel cell having the above-described configuration has excellent long-term stability by including the above-described separator.

以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(触媒インクの作製)
市販の5重量%ナフィオン(登録商標)溶液(アルドリッチ社製、溶媒:水と低級アルコールとの混合物)6.30gに、白金が担持された白金担持カーボン(エヌ・イー ケムキャット(株)社製、SA50BK、白金含有量50重量%)1.00gを投入し、さらにエタノール43.45gと水6.43gとを加えた。得られた混合物を1時間超音波処理した後、スターラーで5時間攪拌して触媒インクを得た。
(Preparation of catalyst ink)
Platinum-supported carbon in which platinum is supported on 6.30 g of commercially available 5% by weight Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Aldrich, solvent: mixture of water and lower alcohol) (manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.) 5.00 g of SA50BK (platinum content 50% by weight) was added, and 43.45 g of ethanol and 6.43 g of water were further added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred with a stirrer for 5 hours to obtain a catalyst ink.

(膜-電極接合体の作製)
市販のNafion XL(Du Pont社製、25μm)の片面の中央部における5cm×5cmの領域に、スプレー法にて上述の触媒インクを塗布した。この際、吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。同様にして重ね塗りをした後、溶媒を除去してアノード触媒層を形成させた。アノード触媒層として6.6mgの固形分(白金目付け:0.1mg/cm)が塗布された。続いて、もう一方の面に同様に触媒インクを塗布して、カソード触媒層を形成させて、MEAを得た。カソード触媒層として13.2mgの固形分(白金目付け:0.2mg/cm)が塗布された。
(Production of membrane-electrode assembly)
The catalyst ink described above was applied by spraying to a 5 cm × 5 cm region in the center of one side of a commercially available Nafion XL (Du Pont, 25 μm). At this time, the distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After overcoating in the same manner, the solvent was removed to form an anode catalyst layer. As an anode catalyst layer, 6.6 mg of solid content (platinum weight: 0.1 mg / cm 2 ) was applied. Subsequently, a catalyst ink was similarly applied to the other surface to form a cathode catalyst layer to obtain an MEA. As a cathode catalyst layer, 13.2 mg of solid content (platinum weight: 0.2 mg / cm 2 ) was applied.

(金属セパレータの作製)
ステンレス鋼としてSUS316Lを用いた厚み5mmの金属セパレータを作製した。ガス流路形状、電極面積はJARIセル用セパレータと同様にした。
(Production of metal separator)
A metal separator having a thickness of 5 mm using SUS316L as stainless steel was produced. The gas flow path shape and electrode area were the same as those of the JARI cell separator.

(金属セパレータへの亜鉛-スズ酸化物の蒸着)
酸化亜鉛粉末(ZnO、株式会社高純度化学製、純度99.99%)および酸化錫粉末(SnO、株式会社高純度化学製、純度99.99%)を、Zn:Snが20:80となるように秤量し、直径5mmのジルコニア製ボールを用いて乾式ボールミルにより混合した。得られた混合粉末をアルミナ製ルツボに入れて空気雰囲気中において900℃で5時間保持して仮焼した後、さらに直径5mmのジルコニア製ボールを用いて乾式ボールミルにより粉砕した。得られた粉末を、金型を用いて一軸プレスにより500kgf/cmの圧力で円板状に成形した。さらに成形体を冷間静水圧プレス(CIP)を用いて2000kgf/cmの圧力で加圧した後、酸素雰囲気中において常圧で1200℃で5時間保持して焼成して焼結体を得た。
(Vapor deposition of zinc-tin oxide on metal separator)
Zinc oxide powder (ZnO, manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd., purity 99.99%) and tin oxide powder (SnO 2 , manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd., purity 99.99%) were used as Zn: Sn at 20:80. And were mixed by a dry ball mill using zirconia balls having a diameter of 5 mm. The obtained mixed powder was put in an alumina crucible and calcined at 900 ° C. for 5 hours in an air atmosphere, and then pulverized by a dry ball mill using zirconia balls having a diameter of 5 mm. The obtained powder was molded into a disk shape by a uniaxial press using a mold at a pressure of 500 kgf / cm 2 . Further, the compact was pressed at a pressure of 2000 kgf / cm 2 using a cold isostatic press (CIP), and then held at 1200 ° C. for 5 hours in an oxygen atmosphere and fired to obtain a sintered body. It was.

該焼結体を破砕して2〜5mmのイオンプレーティング用ターゲットとして用い、圧力勾配型イオンプレーティング装置内に設置し、さらに支持体として金属セパレータを用い、該金属セパレータを圧力勾配型イオンプレーティング装置内に設置した。アルゴン−酸素混合ガス(酸素濃度6.2体積%)雰囲気中で、圧力0.06Pa、金属セパレータ温度200℃、電力5kWの条件で製膜を行い、金属セパレータ上に形成されたスズ―亜鉛酸化物薄膜を得た。この亜鉛―スズ酸化物の厚みは、触針式膜厚計(ULVAC社製DEKTAK8)で測定したところ、約100nmであった。   The sintered body is crushed and used as a 2-5 mm ion plating target, installed in a pressure gradient ion plating apparatus, a metal separator is used as a support, and the metal separator is used as a pressure gradient ion plate. Installed in the ting apparatus. Tin-zinc oxidation formed on a metal separator by forming a film in an argon-oxygen mixed gas (oxygen concentration: 6.2% by volume) atmosphere under a pressure of 0.06 Pa, a metal separator temperature of 200 ° C., and a power of 5 kW. A thin film was obtained. The thickness of the zinc-tin oxide was about 100 nm as measured with a stylus film thickness meter (DEKTAK8 manufactured by ULVAC).

(セルの作製)
市販のJARI標準セルを用いて上記で得られたMEAの両外側に、ガス拡散層としてカーボンペーパー(Ballard社製、GDS2120)と、ガス通路用の溝を切削加工した前記亜鉛―スズ酸化物薄膜を蒸着した金属セパレータを配し、さらにその外側に集電体及びエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効電極面積25cmの燃料電池セルを組み立てた。
(Production of cell)
The zinc-tin oxide thin film obtained by cutting carbon paper (GDS2120, Ballard Co., Ltd.) as a gas diffusion layer on both outer sides of the MEA obtained above using a commercially available JARI standard cell and a gas passage groove. A fuel cell having an effective electrode area of 25 cm 2 was assembled by disposing a metal separator deposited with, arranging a current collector and an end plate in order on the outside, and fastening them with bolts.

(金属セパレータの腐食試験)
金属セパレータの腐食試験は、開回路保持試験で行う。試験条件は、燃料電池セルの温度を100℃、水素極ガス入口露点を90℃、空気極ガス入口露点を90℃、水素ガス流量を50mL/min、空気流量を100mL/min、水素極ガス出口背圧を0.1MPaG、空気極ガス出口背圧を0.1MPaGである。
(Metal separator corrosion test)
The corrosion test of the metal separator is performed by an open circuit holding test. Test conditions are: fuel cell temperature 100 ° C., hydrogen electrode gas inlet dew point 90 ° C., air electrode gas inlet dew point 90 ° C., hydrogen gas flow rate 50 mL / min, air flow rate 100 mL / min, hydrogen electrode gas outlet The back pressure is 0.1 MPaG, and the air electrode gas outlet back pressure is 0.1 MPaG.

上記開回路保持試験後の金属セパレータ表面の外観を目視で確認しても、腐食は確認されない。   Even if the appearance of the surface of the metal separator after the open circuit holding test is visually confirmed, no corrosion is confirmed.

(比較例)
亜鉛―スズ酸化物薄膜を蒸着してない金属セパレータを用いること以外は、実施例と同様にして、金属セパレータの腐食試験を行うと、目視により、試験後の金属セパレータ表面に腐食の進行が確認される。
(Comparative example)
Except for using a metal separator on which no zinc-tin oxide thin film was deposited, the corrosion test of the metal separator was conducted in the same manner as in the examples, and visually confirmed the progress of corrosion on the surface of the metal separator after the test. Is done.

10…燃料電池、12…高分子電解質膜、13a,13b…金属層、14a…アノード触媒層、14b…カソード触媒層、16a,16b…ガス拡散層、18a,18b…セパレータ、20…膜電極接合体(MEA) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 12 ... Polymer electrolyte membrane, 13a, 13b ... Metal layer, 14a ... Anode catalyst layer, 14b ... Cathode catalyst layer, 16a, 16b ... Gas diffusion layer, 18a, 18b ... Separator, 20 ... Membrane electrode joining Body (MEA)

Claims (4)

金属材料で形成された基材と、
前記基材の表面に形成された導電性金属酸化物からなる薄膜層と、を有するセパレータ。
A substrate formed of a metal material;
And a thin film layer made of a conductive metal oxide formed on the surface of the substrate.
前記導電性金属酸化物が、スズ、タンタル、ニオブ、チタン、タングステン、ジルコニウムからなる群から選ばれる1種以上の元素を含む請求項1に記載のセパレータ。   The separator according to claim 1, wherein the conductive metal oxide contains one or more elements selected from the group consisting of tin, tantalum, niobium, titanium, tungsten, and zirconium. 前記導電性金属酸化物が、スズを含む請求項2に記載のセパレータ。   The separator according to claim 2, wherein the conductive metal oxide contains tin. 高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟持する触媒層とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有する燃料電池であって、
前記一対のセパレータの少なくとも一方が、請求項1から3のいずれか1項のセパレータであり、前記薄膜層が前記膜電極接合体の側に配置されていることを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly having a polymer electrolyte membrane and a catalyst layer sandwiching the polymer electrolyte membrane;
A fuel cell having a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly,
4. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the pair of separators is the separator according to claim 1, and the thin film layer is disposed on the membrane electrode assembly side.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015224368A (en) * 2014-05-28 2015-12-14 株式会社神戸製鋼所 Titanium alloy used for separator material for fuel cell and production method of separator material
US11223052B2 (en) 2018-01-16 2022-01-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel-cell separator
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