JP2013114974A - Method of manufacturing polymer electrolyte membrane having characteristic improved by ultraviolet irradiation - Google Patents

Method of manufacturing polymer electrolyte membrane having characteristic improved by ultraviolet irradiation Download PDF

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貴弘 松村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
Masahiro Yamashita
全広 山下
Akira Nishimoto
晃 西本
Yoshiki Imanishi
良樹 今西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane with high performance that can attain both durability and bondability to an electrode, and a method of manufacturing the same.SOLUTION: There is provided a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane having been subjected to ultraviolet irradiation processing, the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane being characterized in being found through IR analysis in an ATR method to have changed in absorption strength ratio I/Iby 10% or more through the ultraviolet irradiation.

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質用途に好適な高分子電解質膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane suitable for an electrolyte used in a polymer electrolyte fuel cell.

高分子膜を高分子電解質膜に用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)や直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、可搬性があり、小型化が可能であることから、自動車、家庭用分散発電システム、携帯機器用電源への応用が進められている。現在、高分子電解質膜としては、米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜が広く用いられている。
しかしながらこれらの膜は100℃以上で軟化するため、燃料電池の運転温度は80℃以下に制限されていた。運転温度を上げると、エネルギー効率、装置の小型化、触媒活性の向上など、さまざまな利点があるため、より耐熱性の高い高分子電解質膜が求められている。
Solid polymer fuel cells (PEFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) that use polymer membranes as polymer electrolyte membranes are portable and can be miniaturized. Applications to power generation systems and power supplies for portable devices are being promoted. Currently, perfluorocarbon sulfonic acid polymer membranes represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont of the United States are widely used as polymer electrolyte membranes.
However, since these membranes are softened at 100 ° C. or higher, the operating temperature of the fuel cell is limited to 80 ° C. or lower. Increasing the operating temperature has various advantages such as energy efficiency, downsizing of the apparatus, and improvement of catalytic activity, and therefore a polymer electrolyte membrane with higher heat resistance is required.

耐熱性高分子電解質膜として、ポリスルホンやポリエーテルケトンなどの耐熱性ポリマーを発煙硫酸などのスルホン化剤で処理して得られるスルホン化ポリマーが知られている(例えば非特許文献1)。しかしながら、一般的に、スルホン化剤によるスルホン化反応の制御は困難である。そのため、スルホン化度が過大となったり、過小となったりする。また、スルホン化時にポリマーの分解が起こったり、不均一なスルホン化などが起こりやすいという問題があった。   As a heat-resistant polymer electrolyte membrane, a sulfonated polymer obtained by treating a heat-resistant polymer such as polysulfone or polyetherketone with a sulfonating agent such as fuming sulfuric acid is known (for example, Non-Patent Document 1). However, it is generally difficult to control the sulfonation reaction with a sulfonating agent. For this reason, the degree of sulfonation becomes excessive or excessive. In addition, there is a problem that the polymer is easily decomposed during sulfonation, and uneven sulfonation is likely to occur.

このため、スルホン酸基などの酸性基を有するモノマーから重合したポリマーを高分子電解質膜として用いることが検討されている。例えば、特許文献1には高分子電解質として、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ソーダ、および4,4’−ジクロロジフェニルスルホンと4,4’−ビフェノールの反応で得られる共重合ポリマーが開示されている。これらのポリマーを構成成分とする高分子電解質膜は、前述のスルホン化剤を用いた場合のようなスルホン酸基の不均一性が少なく、スルホン酸基導入量およびポリマー分子量の制御が容易であった。
しかしながら、ビフェニル基を含有した膜は250℃以上でも軟化せず、ホットプレス法による電極との接合が困難であった。これを解決するため、ガラス転移温度(Tg)が100〜250℃の範囲にある芳香族系高分子電解質を高分子電解質膜として用いることが検討されている。例えば、特許文献2には高分子電解質として、Tgが130〜220℃の範囲である共重合ポリマーが示されている。しかしながら、ビフェニル基を置換したポリマーは耐久性が下がるという問題があった。
For this reason, use of a polymer polymerized from a monomer having an acidic group such as a sulfonic acid group as a polymer electrolyte membrane has been studied. For example, Patent Document 1 discloses a polymer electrolyte obtained by reaction of 4,4′-dichlorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonic acid soda and 4,4′-dichlorodiphenylsulfone with 4,4′-biphenol. Copolymers that can be obtained are disclosed. The polymer electrolyte membranes containing these polymers as constituent components have less sulfonic acid group heterogeneity as in the case of using the sulfonating agent described above, and the amount of sulfonic acid group introduced and the molecular weight of the polymer are easy to control. It was.
However, a film containing a biphenyl group is not softened even at 250 ° C. or higher, and it is difficult to join the electrode with a hot press method. In order to solve this, use of an aromatic polymer electrolyte having a glass transition temperature (Tg) in the range of 100 to 250 ° C. as a polymer electrolyte membrane has been studied. For example, Patent Document 2 discloses a copolymer having a Tg in the range of 130 to 220 ° C. as a polymer electrolyte. However, the polymer substituted with the biphenyl group has a problem that the durability is lowered.

米国特許出願公開第2002/0091225号明細書US Patent Application Publication No. 2002/0091225 特開2006−342252号公報JP 2006-342252 A

エフ ルフラノ(F.Lufrano)他3名著、「スルホネイテッド ポリスルホン アズ プロマイジング メンブランズ フォー ポリマー エレクトロライト フュエル セルズ」(Sulfonated Polysulfone as Promising Membranes for Polymer Electrolyte Fuel Cells)、ジャーナル オブ アプライド ポリマー サイエンス(Journal of AppLied Polymer Science)、(米国)、ジョン ワイリー アンド サンズ インク(John Wiley & Sons, Inc.)、2000年、77号、p.1250−1257F. Lufrano et al., “Sulfolated Polysulfone as Prombling Membranes for Polymer Electrolite Fuel Cells,” Science), (USA), John Wiley & Sons, Inc., 2000, 77, p. 1250-1257

上記の従来技術の問題を考慮して、本発明では、耐久性と電極との接合性とを両立することのできる高性能な高分子電解質膜およびその製造方法を提供することを課題として掲げた。   In view of the above-described problems of the prior art, the present invention has been aimed at providing a high-performance polymer electrolyte membrane that can achieve both durability and bondability with an electrode and a method for producing the same. .

本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を行った結果、一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とするポリアリーレンエーテル系化合物を含むフィルムに紫外線を照射させることで、電極との接合性に優れ、さらに、耐久性にも優れた高分子電解質膜が得られることを見出し、本発明の完成に至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention include a film containing a polyarylene ether-based compound characterized by including a component represented by the general formula (2) together with the general formula (1) It was found that a polymer electrolyte membrane having excellent bondability with an electrode and excellent durability can be obtained by irradiating the film with ultraviolet rays, and the present invention has been completed.


(1)
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン酸基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。

(1)
Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfonic acid group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.


(2)
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。

(2)
Ar ′ represents a divalent aromatic group.

本発明の製造方法を用いることにより、電極との良好な接合性と、耐久性とを両立する高分子電解質膜を得ることができる。   By using the production method of the present invention, it is possible to obtain a polymer electrolyte membrane that achieves both good bondability with the electrode and durability.

以下、本発明に係る高分子電解質膜の製造方法について具体的に説明する。
[高分子電解質]
本発明の高分子電解質とは、一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とするポリアリーレンエーテル系化合物である。
Hereinafter, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention will be specifically described.
[Polymer electrolyte]
The polymer electrolyte of the present invention is a polyarylene ether compound characterized by containing a constituent represented by the general formula (2) together with the general formula (1).


ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン酸基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。

Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfonic acid group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.


ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。

Ar ′ represents a divalent aromatic group.

本発明で用いる高分子電解質は、ランダム共重合体の他、セグメント化ブロック共重合体、長鎖あるいは短鎖の分岐を有する重合体(例えば、櫛型重合体など)、星型重合体などの高次構造を有していてもよい。中でも、セグメント化ブロック共重合体など、親水性部と疎水性部の相分離によって共連続構造を形成し得る共重合体を用いると、高分子電解質膜の耐久性やプロトン伝導性が向上する点で好ましい。このようなセグメント化ブロック共重合体としては、酸性基またはその塩を有する親水性セグメントと、酸性基およびその塩を有さない疎水性セグメントとの共重合体が挙げられる。このようなセグメント化ブロック共重合体は、例えば、前記セグメントを構成するオリゴマーを、直接あるいは他の化合物を介して重合させることによって得ることができる。   The polymer electrolyte used in the present invention includes a random block copolymer, a segmented block copolymer, a polymer having a long chain or short chain branch (for example, a comb polymer), a star polymer, etc. It may have a higher order structure. In particular, the use of a copolymer that can form a co-continuous structure by phase separation of a hydrophilic part and a hydrophobic part, such as a segmented block copolymer, improves the durability and proton conductivity of the polymer electrolyte membrane. Is preferable. Examples of such a segmented block copolymer include a copolymer of a hydrophilic segment having an acidic group or a salt thereof and a hydrophobic segment having no acidic group and a salt thereof. Such a segmented block copolymer can be obtained, for example, by polymerizing an oligomer constituting the segment directly or via another compound.

本発明で用いる高分子電解質が、主として一般式(1)で表される繰り返し単位と一般式(2)で表される繰り返し単位とからなる芳香族系ポリマーである場合には、各繰り返し単位のモル比は、7:93〜70:30の範囲であることが好ましい。モル比が7:93とは、一般式1で表される繰り返し単位のモル数を7としたとき、一般式2で表される繰り返し単位のモル数が93であることを表す。70:30のモル比よりも一般式1で表される繰り返し単位が多くなると、高分子電解質膜としたときの燃料透過性が大きくなる場合があり好ましくない。7:93のモル比よりも一般式1で表される繰り返し単位が少なくなると、高分子電解質膜としたときのプロトン伝導性が低下して抵抗が増大するため好ましくない。上記モル比は、10:90〜50:50の範囲がより好ましく、10:90〜40:60の範囲がさらに好ましい。
なお、上記芳香族系ポリマーにおいて、上記各一般式で表される各繰り返し単位の結合様式は特に限定されるものではなく、ランダム結合、交互結合、連続したブロック構造での結合などが挙げられる。芳香族系ポリマーは、単一の結合様式で構成されても、2種以上の結合様式の組み合わせで構成されてもよい。
When the polymer electrolyte used in the present invention is an aromatic polymer mainly composed of a repeating unit represented by the general formula (1) and a repeating unit represented by the general formula (2), The molar ratio is preferably in the range of 7:93 to 70:30. The molar ratio of 7:93 means that when the number of moles of the repeating unit represented by the general formula 1 is 7, the number of moles of the repeating unit represented by the general formula 2 is 93. When the number of repeating units represented by the general formula 1 is larger than the molar ratio of 70:30, the fuel permeability when used as a polymer electrolyte membrane may increase, which is not preferable. When the number of repeating units represented by the general formula 1 is less than the molar ratio of 7:93, it is not preferable because the proton conductivity when the polymer electrolyte membrane is made decreases and the resistance increases. The molar ratio is more preferably in the range of 10:90 to 50:50, and still more preferably in the range of 10:90 to 40:60.
In the aromatic polymer, the bonding mode of each repeating unit represented by each general formula is not particularly limited, and examples thereof include random bonding, alternating bonding, and bonding in a continuous block structure. The aromatic polymer may be composed of a single bonding mode or a combination of two or more bonding modes.

[高分子電解質の製造方法の好適例]
上記一般式(1)等で表される繰り返し単位を有する芳香族系ポリマーは、下記一般式3〜5で表されるモノマー(例えば、(活性化)ジハロゲン芳香族化合物、芳香族ジオール類、芳香族ジチオール類、ジニトロ芳香族化合物など)を用いて、公知の方法(例えば、塩基性化合物の存在下、公知の芳香族求核置換反応による重合反応)で製造することができる。また、一般式6で表される4,4’−ビフェノールをさらに用いると、膜の形態安定性など物理的な特性が向上するため好ましい。
[Preferred example of production method of polymer electrolyte]
The aromatic polymer having a repeating unit represented by the general formula (1) or the like includes monomers represented by the following general formulas 3 to 5 (for example, (activated) dihalogen aromatic compounds, aromatic diols, aromatics Can be produced by a known method (for example, polymerization reaction by a known aromatic nucleophilic substitution reaction in the presence of a basic compound). Further, it is preferable to further use 4,4′-biphenol represented by the general formula 6 because physical characteristics such as film form stability are improved.


[一般式3〜6において、Z1及びZ3は、それぞれ独立してCl原子、F原子、I原子、Br原子のいずれかを、Z2は、O原子、S原子、−CH2−基、−C(CH32−基、−C(CF32−基、シクロヘキシレン基、直接結合のいずれかを、n1は1以上の整数を表す。なお、X、及びYは、上記X、及びYとそれぞれ同じである。]

[In the general formulas 3 to 6, Z 1 and Z 3 are each independently any one of Cl atom, F atom, I atom and Br atom, Z 2 is O atom, S atom, —CH 2 — group. , —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, cyclohexylene group, or direct bond, n1 represents an integer of 1 or more. X and Y are the same as X and Y, respectively. ]

一般式3で表されるモノマーの具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン等のジハロゲン芳香族化合物、及びこれらのスルホン酸基が1価のカチオンと塩を形成しているものが挙げられる。カチオンの具体例については上述の通りである。
一般式3で表されるモノマーのうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどが挙げられる。
Specific examples of the monomer represented by the general formula 3 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3 ′. -Disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfobutyl-4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3'-disulfobutyl Dihalogen aromatic compounds such as -4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 3,3'-disulfobutyl-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfobutyl-4,4'-difluorodiphenyl ketone, and these In which the sulfonic acid group forms a salt with a monovalent cation. Specific examples of the cation are as described above.
Examples of the compound represented by the general formula 3 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfone Sodium salt-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylketone, 3, 3′-potassium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-potassium disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-potassium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl Examples thereof include ketones and potassium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone.

一般式4で表されるモノマーの具体例としては、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド(4,4’−チオビスフェノール)、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン(ビスフェノールS)、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(下記一般式7で表される構造のもの)などの芳香族ジオール類などが挙げられ、特に、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマーが好ましい。   Specific examples of the monomer represented by the general formula 4 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, and 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane. Bis (4-hydroxyphenyl) sulfide (4,4′-thiobisphenol), 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone (bisphenol) S), aromatic diols such as a terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (having a structure represented by the following general formula 7) and the like, and in particular, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, terminal hydroxyl Containing phenylene ether oligomer are preferred.


[一般式7において、nは1以上の整数からなり、nが異なる複数種の成分を混合したものでもよい。]

[In General Formula 7, n is an integer of 1 or more, and a mixture of a plurality of components with different n may be used. ]

一般式4で表されるモノマーは、高分子電解質膜の柔軟性を高め、変形に対する破壊の防止や、ガラス転移温度の低下による電極との接合性向上などの効果をもたらす。
一般式5で表されるモノマーとしては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基とを有するモノマーが挙げられる。具体的に、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、等の活性化ジハロゲン芳香族化合物が挙げられるがこれらに制限されることはない。
The monomer represented by the general formula 4 enhances the flexibility of the polymer electrolyte membrane, and brings about effects such as prevention of breakage against deformation and improvement in bondability with an electrode due to a decrease in glass transition temperature.
Examples of the monomer represented by the general formula 5 include monomers having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen and nitro group on the same aromatic ring and an electron-withdrawing group that activates it. Specific examples include activated dihalogen aromatic compounds such as 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,6-difluorobenzonitrile, but are not limited thereto.

一般式6で表されるモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、4、4’−ジメルカプトビフェノールなどの芳香族ジオール類が挙げられ、特に4,4’−ビフェノールが好ましい。
本発明では、一般式3〜6で表されるモノマーとともに、他の各種活性化ジハロゲン芳香族化合物、ジニトロ芳香族化合物、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。かかるビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物としては、例えば、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、フェノールフタレイン、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナンスレン−10−オキサイド等が挙げられる。この他、芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオール又は各種芳香族ジチオールを用いてもよい。
Examples of the monomer represented by the general formula 6 include aromatic diols such as 4,4′-biphenol and 4,4′-dimercaptobiphenol, and 4,4′-biphenol is particularly preferable.
In the present invention, various other activated dihalogen aromatic compounds, dinitro aromatic compounds, bisphenol compounds, and bisthiophenol compounds can be used in combination with the monomers represented by the general formulas 3 to 6 as monomers. Examples of the bisphenol compound or bisthiophenol compound include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, and bis (4-hydroxyphenyl). Sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy) -3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, Hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 1,4-ben Njichioru, 1,3 benzenedithiol, phenolphthalein, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphatonin phenanthrene-10-oxide, and the like. In addition, various aromatic diols or various aromatic dithiols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction may be used.

また本発明の高分子電解質を構成する別の態様のポリマーの原料としては、3,3’,4,4’−テトラアミノジフェニルスルホン、3、3’−ジアミノベンジジンなどの芳香族テトラアミノ化合物と、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウムや3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸などのイオン性基を有する芳香族ジカルボン酸などを挙げることができる。これらのモノマーを用いて重縮合を行い、ポリベンズイミダゾールなどのポリアゾール系高分子電解質を得ることができる。   In addition, as a raw material of the polymer of another embodiment constituting the polymer electrolyte of the present invention, aromatic tetraamino compounds such as 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone, 3,3′-diaminobenzidine and the like And aromatic dicarboxylic acids having an ionic group such as monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate and 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid. Polycondensation can be performed using these monomers to obtain a polyazole polymer electrolyte such as polybenzimidazole.

高分子電解質の分子量は特に限定されるものではないが、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーを用いてポリエチレングリコールを標準として測定される数平均分子量が10000〜500000の範囲であることが好ましい。10000未満では、膜の物理的特性が低下する場合がある。分子量が大きくなるほど、機械的特性の面からは好ましいが、大き過ぎると、高分子電解質組成物を用いて高分子電解質膜を製造する際に、高分子電解質組成物の固形分濃度を下げざるを得なくなり、溶剤の除去に問題が出る場合がある。
高分子電解質組成物の対数粘度は、0.1〜10.0dL/gの範囲であることが好ましく、0.3〜5.0dL/gの範囲であることがより好ましい。対数粘度が0.1dL/g以下であると、膜を形成することが困難になる場合がある。また、対数粘度が10.0dL/g以上であると、組成物の粘度が高くなりすぎたり、濃度が低くなりすぎたりして、製膜が困難になる場合がある。
高分子電解質の軟化温度は、120℃以上であることが好ましく、140〜300℃であることがより好ましい。
The molecular weight of the polymer electrolyte is not particularly limited, but it is preferable that the number average molecular weight measured by using gel permeation chromatography with polyethylene glycol as a standard is in the range of 10,000 to 500,000. If it is less than 10,000, the physical properties of the film may deteriorate. The larger the molecular weight, the better from the viewpoint of mechanical properties, but if it is too large, the solid content concentration of the polymer electrolyte composition may be lowered when the polymer electrolyte membrane is produced using the polymer electrolyte composition. May not be obtained, and there may be a problem in removing the solvent.
The logarithmic viscosity of the polymer electrolyte composition is preferably in the range of 0.1 to 10.0 dL / g, and more preferably in the range of 0.3 to 5.0 dL / g. If the logarithmic viscosity is 0.1 dL / g or less, it may be difficult to form a film. On the other hand, if the logarithmic viscosity is 10.0 dL / g or more, the viscosity of the composition may become too high or the concentration may become too low, making film formation difficult.
The softening temperature of the polymer electrolyte is preferably 120 ° C. or higher, and more preferably 140 to 300 ° C.

[高分子電解質組成物の成形方法]
本発明の高分子電解質組成物は、押し出し、紡糸、圧延またはキャストなど任意の方法で繊維やフィルムなどの成形体とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。
溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。たとえば、加熱、減圧乾燥、高分子電解質およびビフェニル誘導体を溶解する溶媒(良溶媒)と混和することができるが、高分子電解質およびビフェニル誘導体は溶解しない溶媒(貧溶媒)への浸漬等によって、高分子電解質組成物から良溶媒を除去し、成形体を得ることができる。貧溶媒は、加熱又は減圧乾燥によって留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で、繊維状、フィルム状、ペレット状、プレート状、ロッド状、パイプ状、ボール状、ブロック状などの様々な形状に成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中の酸性基は、1価のカチオンとの塩の形のものを含んでいてもよいが、必要に応じて酸処理することによりフリーの酸性基に変換することもできる。
[Method of forming polymer electrolyte composition]
The polymer electrolyte composition of the present invention can be formed into a molded body such as a fiber or a film by any method such as extrusion, spinning, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent.
A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, by heating, drying under reduced pressure, mixing with a solvent (good solvent) that dissolves the polymer electrolyte and the biphenyl derivative, the polymer electrolyte and biphenyl derivative can be mixed with a solvent that does not dissolve (poor solvent), etc. A good solvent can be removed from the molecular electrolyte composition to obtain a molded body. The poor solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, it may be formed into various shapes such as a fiber shape, a film shape, a pellet shape, a plate shape, a rod shape, a pipe shape, a ball shape, and a block shape in a form combined with other compounds as necessary. it can. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The acidic group in the molded product thus obtained may contain a salt form with a monovalent cation, but is converted to a free acidic group by acid treatment as necessary. You can also.

[高分子電解質膜の製造方法]
本発明の高分子電解質組成物から高分子電解質膜を作製することもできる。高分子電解質膜は、本発明の高分子電解質組成物だけでなく、多孔質膜、不織布、フィブリル、紙などの支持体との複合膜であってもよい。得られた高分子電解質膜は、燃料電池用の高分子電解質膜として用いることができる。
高分子電解質膜を成形する手法として最も好ましいのは、良溶媒を含む高分子電解質組成物からのキャストであり、キャストした溶液から、上記のようにして、良溶媒を除去して高分子電解質膜を得ることができる。貧溶媒の除去は、乾燥によることが高分子電解質膜の均一性からは好ましい。また、高分子電解質や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、高分子電解質組成物の粘度が高い場合には、基板や組成物を加熱して高温でキャストすると、組成物の粘度が低下して容易にキャストすることができる。組成物のキャスト膜の厚みは特に制限されないが、10〜1000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜500μmである。キャスト膜の厚みが10μmよりも薄いと、高分子電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、1000μmよりも厚いと不均一な高分子電解質膜ができやすくなる傾向にある。キャスト膜の厚みを制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にしたりするなどして、キャストされる組成物の量や濃度で、キャスト膜の厚みを制御することができる。キャスト膜は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げるとよい。また、水などの貧溶媒にキャスト膜を浸漬する場合には、浸漬前に、キャスト膜を空気雰囲気下や不活性ガス雰囲気下に適当な時間放置しておくなどして、キャスト膜の凝固速度を調整することができる。
[Production method of polymer electrolyte membrane]
A polymer electrolyte membrane can also be produced from the polymer electrolyte composition of the present invention. The polymer electrolyte membrane may be not only the polymer electrolyte composition of the present invention but also a composite membrane with a support such as a porous membrane, a nonwoven fabric, fibrils, and paper. The obtained polymer electrolyte membrane can be used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.
The most preferable method for forming the polymer electrolyte membrane is a cast from a polymer electrolyte composition containing a good solvent. The polymer electrolyte membrane is obtained by removing the good solvent from the cast solution as described above. Can be obtained. The removal of the poor solvent is preferably by drying from the uniformity of the polymer electrolyte membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a polymer electrolyte or a solvent, it can also be dried at the lowest possible temperature under reduced pressure. Further, when the viscosity of the polymer electrolyte composition is high, when the substrate or the composition is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the composition is lowered and can be easily cast. The thickness of the cast film of the composition is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm. More preferably, it is 50-500 micrometers. If the cast membrane is thinner than 10 μm, it tends to be unable to maintain the form as a polymer electrolyte membrane, and if it is thicker than 1000 μm, a non-uniform polymer electrolyte membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the thickness of the cast film, a known method can be used. For example, the thickness of the cast film can be controlled by the amount and concentration of the composition to be cast, such as by using an applicator or doctor blade to make the thickness constant, or using a glass petri dish to make the cast area constant. can do. The cast film can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, when heating, it is preferable to lower the evaporation rate at a low temperature in the first stage. In addition, when the cast film is immersed in a poor solvent such as water, the cast film is allowed to solidify at a suitable time before being immersed in an air atmosphere or an inert gas atmosphere. Can be adjusted.

[高分子電解質膜]
本発明の高分子電解質膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、プロトン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜200μmであることが好ましく、5〜100μmであることがさらに好ましく、20〜80μmであることが最も好ましい。高分子電解質膜の厚みが5μmより薄いと高分子電解質膜の取り扱いが困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いと高分子電解質膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向がある。高分子電解質膜として使用する場合、膜中の酸性基は1価のカチオンの塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーの酸性基に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸等の水溶液中に、加熱下又は加熱せずに、得られた膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。また、高分子電解質膜のプロトン伝導率は1.0×10-3S/cm以上であることが好ましい。プロトン伝導率が1.0×10-3S/cm以上である場合には、その高分子電解質膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0×10-3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane of the present invention can have any thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, the thickness is preferably 5 to 200 μm, more preferably 5 to 100 μm, and most preferably 20 to 80 μm. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is less than 5 μm, the handling of the polymer electrolyte membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 200 μm, the electrical resistance value of the polymer electrolyte membrane is high. Therefore, the power generation performance of the fuel cell tends to decrease. When used as a polymer electrolyte membrane, the acidic group in the membrane may contain a monovalent cation salt, but can be converted to a free acidic group by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the obtained film in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid or the like with or without heating. The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the proton conductivity is 1.0 × 10 −3 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the polymer electrolyte membrane, and 1.0 × 10 −3 S If it is less than / cm, the output of the fuel cell tends to decrease.

[UV照射による表面処理]
上述の方法で得られた高分子電解質膜に紫外線を照射させる。装置は、100nmから300nmの波長の光を照射できる装置を用いることができる。また、紫外線の波長は単独もしくは複数の波長を発生可能な光源を使用することができる。
例えば、低圧水銀ランプのように、185nmと254nmの光を照射できる装置を用いた場合、185nmの光は酸素に吸収されオゾンを発生する。このオゾンに254nmの光が吸収されると励起酸素原子が発生する。上述の過程を経て生成された活性な酸素誘導体をフィルム表面に作用させることで、高分子電解質膜の表面を親水化処理することができる。
また、185nmの光源は直接有機物の原子結合を切断できるといわれており、この光を照射することでも前記同様に、親水化処理の効果を得るとができる。
キセノンガスが封入された誘電体バリア放電エキシマランプの紫外線の中心波長は172nmである。この光は直接大気中の酸素に吸収され励起酸素原子、オゾンを生成可能で、172nmの光は185nmの光よりも光子のエネルギーが強い。このため、かかる装置を使用しても、高分子電解質膜の表面を容易に親水化処理することができる。
紫外線処理により改質された高分子電解質膜表面の残渣は、酸化され二酸化炭素や水のような化合物に変換され飛散除去できる。
紫外線処理は高分子電解質膜の片面もしくは両面に行うことができる。またこのような処理は、高分子電解質膜の製膜過程( 製膜の途中) であっても、製膜後のいずれであってもよい。処理時間、処理温度等の条件は、材料の種類によってことなるため特に限定されるものではないが、プロトン伝導度、電極接合時の接合性およびその他の特性バランスにより任意に選定することができる。なお、表面処理前後で、膜厚、イオン交換容量などの特性は実質的に変動しない。
ATR法によるIR分析の吸収強度I1685cm−1は、カルボキシル基由来であり、紫外線処理後、カルボキシル基が付加され、電極バインダーとの親和性が向上すると考えられる。
[Surface treatment by UV irradiation]
The polymer electrolyte membrane obtained by the above method is irradiated with ultraviolet rays. As the apparatus, an apparatus that can irradiate light having a wavelength of 100 nm to 300 nm can be used. Moreover, the wavelength of an ultraviolet-ray can use the light source which can generate | occur | produce a single wavelength or several wavelengths.
For example, when a device capable of irradiating light of 185 nm and 254 nm, such as a low-pressure mercury lamp, is used, the light of 185 nm is absorbed by oxygen and generates ozone. When 254 nm light is absorbed by this ozone, excited oxygen atoms are generated. By making the active oxygen derivative produced | generated through the above-mentioned process act on the film surface, the surface of a polymer electrolyte membrane can be hydrophilized.
In addition, it is said that a light source of 185 nm can directly cut an atomic bond of an organic substance, and the effect of hydrophilization treatment can be obtained by irradiating this light as well.
The center wavelength of the ultraviolet light of the dielectric barrier discharge excimer lamp in which the xenon gas is sealed is 172 nm. This light is directly absorbed by oxygen in the atmosphere and can generate excited oxygen atoms and ozone, and 172 nm light has higher photon energy than 185 nm light. For this reason, even if this apparatus is used, the surface of the polymer electrolyte membrane can be easily hydrophilized.
The residue on the surface of the polymer electrolyte membrane modified by the ultraviolet treatment is oxidized and converted into a compound such as carbon dioxide or water, which can be scattered and removed.
The ultraviolet treatment can be performed on one side or both sides of the polymer electrolyte membrane. Further, such treatment may be either in the process of forming the polymer electrolyte membrane (in the middle of film formation) or after the film formation. Conditions such as processing time and processing temperature are not particularly limited because they vary depending on the type of material, but can be arbitrarily selected according to proton conductivity, bonding properties at the time of electrode bonding, and other characteristic balances. Note that characteristics such as film thickness and ion exchange capacity do not substantially vary before and after the surface treatment.
The absorption intensity I 1585 cm −1 of IR analysis by ATR method is derived from a carboxyl group, and it is considered that the carboxyl group is added after the ultraviolet treatment, and the affinity with the electrode binder is improved.

[膜電極接合体]
上述した本発明の高分子電解質膜を電極に接合することによって、本発明の高分子電解質膜と電極との接合体(膜電極接合体)を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法または高分子電解質膜と電極とを加熱加圧(ホットプレス法)する方法等がある。本発明の高分子電解質膜は、表面が紫外線によって親水化されているため、電極との親和性が高い。このため、膜電極接合体は、ホットプレス法を採用すれば容易に作製することができる。ホットプレス法における加熱温度は100〜250℃が好ましく、圧力は5〜10 MPaが好ましい。
[Membrane electrode assembly]
By joining the polymer electrolyte membrane of the present invention described above to an electrode, a joined body (membrane electrode assembly) of the polymer electrolyte membrane of the present invention and an electrode can be obtained. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and the electrode There is a method of heating and pressurizing (hot pressing method). The polymer electrolyte membrane of the present invention has a high affinity with the electrode because the surface is hydrophilized by ultraviolet rays. For this reason, a membrane electrode assembly can be easily produced if a hot press method is adopted. The heating temperature in the hot press method is preferably 100 to 250 ° C., and the pressure is preferably 5 to 10 MPa.

[燃料電池]
上述した膜電極接合体を用いて、燃料電池を作製することもできる。本発明の高分子電解質膜は、加工性、プロトン伝導性、耐久性に優れているため、作製が容易で、良好な出力を有し、耐久性に優れる燃料電池を提供することができる。本発明の高分子電解質膜は、メタノールを燃料とするメタノール直接型燃料電池(DMFC)の他にも、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(PEFC)にも適している。また、メタノール、ガソリン、エーテルなどの炭化水素から改質器によって水素を取り出して用いるタイプの燃料電池にも適している。
[Fuel cell]
A fuel cell can also be produced using the membrane electrode assembly described above. Since the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in processability, proton conductivity, and durability, it can be easily produced, has a good output, and can provide a fuel cell excellent in durability. The polymer electrolyte membrane of the present invention is suitable not only for methanol direct fuel cells (DMFC) using methanol as fuel but also for polymer electrolyte fuel cells (PEFC) using hydrogen as fuel. Further, it is also suitable for a fuel cell of a type in which hydrogen is extracted from a hydrocarbon such as methanol, gasoline, ether or the like by a reformer.

以下本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
<IR測定>
バリアン社製FT-IR装置 FTS 7000e (赤外顕微鏡:UMA600) を用いて、ATR法(1回反射ATRアタッチメント:Thunderdome(THERMO SPECTRA TECH社製)、IRE:Ge、入射角:45°、分解能:4cm-1、積算回数:128回)で高分子電解質膜表面のIRスペクトルを測定した。
バリアン社製FT-IR装置 FTS 60A/896を用いて、透過法(分解能:4cm-1、積算回数:128回)で高分子電解質膜のIRスペクトルを測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<IR measurement>
ATR method (single reflection ATR attachment: Thunderdome (manufactured by THERMO SPECTRA TECH), IRE: Ge, incident angle: 45 °, resolution: FT-IR equipment FRS 7000e (infrared microscope: UMA600) manufactured by Varian The IR spectrum of the polymer electrolyte membrane surface was measured at 4 cm −1 and the number of integrations: 128).
An IR spectrum of the polymer electrolyte membrane was measured by a transmission method (resolution: 4 cm −1 , integration number: 128 times) using an FT-IR apparatus FTS 60A / 896 manufactured by Varian.

<イオン交換容量>
乾燥した高分子電解質膜100mgを、0.01NのNaOH水溶液50mLに浸漬し、25℃で一晩攪拌した。その後、0.05NのHCl水溶液で中和滴定した。中和滴定には、電位差滴定装置(「COMTITE−980」;平沼産業社製)を用いた。イオン交換当量は下記式で計算して求めた。
イオン交換容量[meq/g]=(10−滴定量[mL])/2
<Ion exchange capacity>
100 mg of the dried polymer electrolyte membrane was immersed in 50 mL of 0.01N NaOH aqueous solution and stirred overnight at 25 ° C. Then, neutralization titration with 0.05N HCl aqueous solution was performed. For neutralization titration, a potentiometric titrator (“COMMITE-980”; manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd.) was used. The ion exchange equivalent was calculated by the following formula.
Ion exchange capacity [meq / g] = (10-titer [mL]) / 2

<プロトン伝導性>
自作測定用プローブ(ポリテトラフルオロエチレン製)上で短冊状の膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押し当て、80℃、95%RHの恒温・恒湿オーブン(「LH−20−01」;ナガノ科学機械製作所製)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスを、周波数応答アナライザ(FREQUENCY RESPONSE ANALYSER 1250型;SOLARTRON社製)により測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から、以下の式により、膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/(膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm])
<Proton conductivity>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed on the surface of a strip-shaped film sample on a probe for self-made measurement (made of polytetrafluoroethylene), and a constant temperature / humidity oven (“LH-” at 80 ° C. and 95% RH) is used. 20-01 "(manufactured by Nagano Kagaku Kikai Seisakusho Co., Ltd.), and the impedance between the platinum wires was measured by a frequency response analyzer (FREQENCY RESPONSE ANALYSER 1250; manufactured by SOLARTRON). Measured by changing the distance between the electrodes, and calculated the conductivity by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire from the slope of the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot. did.
Conductivity [S / cm] = 1 / (film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm])

<膜電極接合性の評価方法>
高分子電解質膜の片面に、繊維状のカーボンに担持された白金触媒をホットプレス法で接合した。この高分子電解質膜電極接合体(略号:MEA)を、グレースケール、600dpiの条件でスキャナ(メーカー:FUJI XEROX、機種:Docu Centre Color f450)を用いて読み取り比較した。
<Method for evaluating membrane electrode bondability>
A platinum catalyst supported on fibrous carbon was joined to one side of the polymer electrolyte membrane by a hot press method. This polymer electrolyte membrane electrode assembly (abbreviation: MEA) was read and compared using a scanner (manufacturer: FUJI XEROX, model: Docu Center Color f450) under the conditions of gray scale and 600 dpi.

比較例1[高分子電解質からなる高分子電解質膜の製造]
<高分子電解質前駆体の製造>
反応器に、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(S−DCDPS)778部、2,6−ジクロロベンゾニトリル(DCBN)553部、4,4’−ビフェノール(BP)893部、炭酸カリウム763部、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)5631部を入れて、窒素雰囲気下、200℃で10時間反応させた。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させ、得られたポリマーを10Lの水で5回洗浄した後、乾燥し、高分子電解質前駆体を得た。この高分子電解質前駆体の対数粘度は1.25dL/gであり、イオン性基量は1.27(meq/g)であり、カチオン置換率(モル%)は100%であった。
<高分子電解質前駆体膜の製造>
NMPを溶媒として用い、固形分濃度が24質量%の前駆体溶液を調製した。次いで、支持体としての非粘着ポリエチレンテレフタレートフィルム上に、ブレードコーターにて幅1000mm、クリアランスを300μmに設定し、温度25℃で連続的に前駆体溶液を流延しつつ、100℃で60分間乾燥して、NMPの残留量が20質量%の高分子電解質前駆体膜1を製造した。
得られた高分子電解質前駆体膜1を、支持体から剥離することなく、25℃の水に連続的に20分間浸漬し、NMPの残留量が0.4質量%の高分子電解質前駆体膜2を製造した。
<高分子電解質膜の製造>
得られた高分子電解質前駆体膜2を、支持体から剥離することなく30℃、20質量%硫酸水溶液(pKa=−3.0)100Lを満たした硫酸水溶液槽1、2に連続的にそれぞれ20分間浸漬して、高分子電解質膜を製造した。
なお、浸漬している間、高分子電解質前駆体膜が後に接触する硫酸水溶液槽2には新規硫酸水溶液を1L/分供給し、高分子電解質前駆体膜が先に接触する硫酸水溶液槽1には硫酸水溶液槽2の液を1L/分供給し、硫酸水溶液槽1からは廃液として1L/分の液の抜き取りを行った。
<高分子電解質膜の洗浄>
次いで、支持体から高分子電解質膜を剥がすことなく、連続的に30℃、pH7の純水で5分間、3回の洗浄を実施した。その後、支持体から洗浄後の高分子電解質膜を剥がすことなく40℃で3分間乾燥させ、支持体に積層された厚さ30μmの高分子電解質膜(含水率;10%)を得た。
Comparative Example 1 [Production of polymer electrolyte membrane made of polymer electrolyte]
<Production of polymer electrolyte precursor>
The reactor was charged with 778 parts of sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (S-DCDPS), 553 parts of 2,6-dichlorobenzonitrile (DCBN), 4,4′-biphenol (BP 893 parts, 763 parts of potassium carbonate and 5631 parts of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were added and reacted at 200 ° C. for 10 hours in a nitrogen atmosphere. After allowing to cool, the polymer was precipitated in water as a strand, and the resulting polymer was washed 5 times with 10 L of water and then dried to obtain a polymer electrolyte precursor. This polymer electrolyte precursor had a logarithmic viscosity of 1.25 dL / g, an ionic group amount of 1.27 (meq / g), and a cation substitution rate (mol%) of 100%.
<Manufacture of polymer electrolyte precursor film>
A precursor solution having a solid content concentration of 24% by mass was prepared using NMP as a solvent. Next, on a non-adhesive polyethylene terephthalate film as a support, a blade coater is set to have a width of 1000 mm and a clearance of 300 μm, and the precursor solution is continuously cast at a temperature of 25 ° C., and dried at 100 ° C. for 60 minutes. Thus, a polymer electrolyte precursor film 1 having a residual amount of NMP of 20% by mass was produced.
The obtained polymer electrolyte precursor film 1 was continuously immersed in water at 25 ° C. for 20 minutes without peeling off from the support, and a polymer electrolyte precursor film having a residual amount of NMP of 0.4% by mass. 2 was produced.
<Manufacture of polymer electrolyte membrane>
The obtained polymer electrolyte precursor film 2 was continuously applied to sulfuric acid aqueous solution tanks 1 and 2 filled with 100 L of a 20 mass% sulfuric acid aqueous solution (pKa = −3.0) at 30 ° C. without peeling from the support. The polymer electrolyte membrane was manufactured by dipping for 20 minutes.
While immersed, the sulfuric acid aqueous solution tank 2 to which the polymer electrolyte precursor film later contacts is supplied with 1 L / min of a new sulfuric acid aqueous solution, and the sulfuric acid aqueous solution tank 1 to which the polymer electrolyte precursor film contacts first is supplied. Supplied 1 L / min of the solution in the sulfuric acid aqueous solution tank 2, and extracted 1 L / min of the liquid from the sulfuric acid aqueous solution tank 1 as a waste liquid.
<Cleaning of polymer electrolyte membrane>
Next, without removing the polymer electrolyte membrane from the support, washing was performed three times for 5 minutes with pure water at 30 ° C. and pH 7 continuously. Thereafter, the washed polymer electrolyte membrane was dried at 40 ° C. for 3 minutes without peeling off from the support to obtain a 30 μm thick polymer electrolyte membrane (water content: 10%) laminated on the support.

比較例2〜3[プラズマ照射高分子電解質膜の製造]
比較例1で得られた高分子電解質膜に、ランテクニカルサービス製SKB1102N-01を用いてUVを照射した。ソフタル社製Corona Station (Plasma) Type PCCE 003-0-1KB4 (リニアプラズマ)を用いてプラズマを照射した。電極巾は200mm、電極とフィルムとの距離、2mm、出力400Wで固定した。搬送速度を5m/min(比較例2)、1m/min(比較例3)とした。
Comparative Examples 2-3 [Production of Plasma Irradiated Polymer Electrolyte Membrane]
The polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 1 was irradiated with UV using SKB1102N-01 manufactured by Run Technical Service. Plasma was irradiated using a Corona Station (Plasma) Type PCCE 003-0-1KB4 (linear plasma) manufactured by Sophthal. The electrode width was 200 mm, the distance between the electrode and the film was 2 mm, and the output was 400 W. The conveyance speed was 5 m / min (Comparative Example 2) and 1 m / min (Comparative Example 3).

実施例1〜3[UV照射高分子電解質膜の製造]
比較例1で得られた高分子電解質膜に、ランテクニカルサービス製SKB1102N-01を用いてUVを照射した。光源と高分子電解質膜の距離は5cmで固定した。照射時間を30、60、120秒とした。照度は、254nmは約205mW/cm2、185nmは約10mW/cm2であった。
実施例及び比較例で得られた高分子電解質膜の評価結果を表1に示す。
Examples 1 to 3 [Production of UV-irradiated polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 1 was irradiated with UV using SKB1102N-01 manufactured by Run Technical Service. The distance between the light source and the polymer electrolyte membrane was fixed at 5 cm. The irradiation time was 30, 60, and 120 seconds. Illuminance, 254 nm of about 205mW / cm 2, 185nm was about 10 mW / cm 2.
Table 1 shows the evaluation results of the polymer electrolyte membranes obtained in the examples and comparative examples.

表1より、本発明の製造方法で作製した高分子電解質膜は、UV照射をしていない比較例の高分子電解質膜と同等のプロトン伝導性を示すにもかかわらず、電極接合性に優れた高分子電解質膜であることが分かる。   From Table 1, the polymer electrolyte membrane produced by the production method of the present invention was excellent in electrode bondability despite exhibiting proton conductivity equivalent to that of the comparative polymer electrolyte membrane not irradiated with UV. It turns out that it is a polymer electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜の製造方法は、高分子電解質膜と電極接合体の作製を容易にすると共に、より安定な膜電極接合体を得ることができ、産業の発展に寄与するところ大である。   The method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention facilitates the production of a polymer electrolyte membrane and an electrode assembly, and can provide a more stable membrane electrode assembly, which contributes to industrial development. is there.

Claims (6)

紫外線照射処理が施された炭化水素系固体高分子電解質膜であって、紫外線を照射する前後で、ATR法によるIR分析をした結果、吸収強度比I1685cm−1/I3500cm−1が紫外線照射前に対して10%以上変化した事を特徴とする炭化水素系固体高分子電解質膜。 This is a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane that has been subjected to ultraviolet irradiation treatment. As a result of IR analysis by ATR method before and after irradiation with ultraviolet rays, the absorption intensity ratio I 1685 cm -1 / I 3500 cm -1 is A hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane characterized by a change of 10% or more from the previous one. 前記高分子電解質膜が、一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とする炭化水素系固体高分子電解質膜。

ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン酸基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。

ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。
The said polymer electrolyte membrane contains the structural component shown by General formula (2) with General formula (1), The hydrocarbon type solid polymer electrolyte membrane characterized by the above-mentioned.

Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfonic acid group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.

Ar ′ represents a divalent aromatic group.
炭化水素系固体高分子電解質膜を製膜したのち、得られた膜に紫外線を照射させることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭化水素系固体高分子電解質膜の製造方法。 3. The method for producing a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein after the formation of the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane, the obtained membrane is irradiated with ultraviolet rays. 上記紫外線の波長が100〜300nmの範囲にあることを特徴とする請求項2又は3に記載の炭化水素系固体高分子電解質膜製造方法。   4. The method for producing a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the wavelength of the ultraviolet ray is in the range of 100 to 300 nm. 請求項1又は2に記載の炭化水素系固体高分子電解質膜と、電極とが接合されたものであることを特徴とする膜電極接合体。   3. A membrane / electrode assembly comprising the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2 and an electrode. 請求項5に記載の膜電極接合体を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015122081A1 (en) * 2014-02-17 2015-08-20 株式会社Screenホールディングス Electrolyte membrane modification apparatus and electrolyte membran modification method, and system and process for producing catalyst-coated membrane

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