JP2013218868A - Ion exchange membrane and method for producing the same, redox flow battery, and fuel cell - Google Patents

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Akira Nishimoto
晃 西本
Ryohei Iwahara
良平 岩原
Masako Yoshioka
真佐子 吉岡
Masanobu Kobayashi
真申 小林
Masahiro Yamashita
全広 山下
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To further improve durability in use of an ion exchange membrane used for a redox flow battery or the like, and also improve handleability in membrane use to achieve a reduction in labor hours and an increase in yield.SOLUTION: A sulfonic acid group-containing polymer having a polar group on an aromatic ring is impregnated in a glass fiber base material to be compounded, so that charge/discharge durability and handleability as a polymer electrolyte membrane used for a redox flow battery or the like is improved.

Description

本発明は、使用時における耐久性を向上させたイオン交換膜に関するものであり、用途としては純水製造、製塩、海水淡水化、排水処理や有用物質の回収、さらには燃料電池、レドックスフロー電池等に好適に用いられる。
なお、以下記載で例としてレドックスフロー電池用途における耐久性向上を挙げるが、本発明のイオン交換膜は本記載に限定されるものではなく、あらゆるイオン交換膜の用途に用いることができる。
The present invention relates to an ion exchange membrane with improved durability during use, and as uses, pure water production, salt production, seawater desalination, wastewater treatment and recovery of useful substances, fuel cells, redox flow batteries It is used suitably for etc.
In addition, although the durability improvement in a redox flow battery use is mentioned as an example by the following description, the ion exchange membrane of this invention is not limited to this description, It can be used for the use of all the ion exchange membranes.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい二次電池が注目を集めている。特に、太陽光や風力などの自然エネルギーを貯蔵するため、大型の二次電池が強く求められている。中でも、レドックスフロー電池は充放電サイクル耐性や安全性に優れるため、大型の二次電池に最適である。 In recent years, new secondary batteries excellent in energy efficiency and environmental performance have attracted attention. In particular, in order to store natural energy such as sunlight and wind power, a large secondary battery is strongly demanded. Among these, the redox flow battery is excellent in charge / discharge cycle resistance and safety, and is optimal for a large-sized secondary battery.

レドックスフロー電池は一般的に、ポンプの循環によって、硫酸バナジウム溶液中のバナジウムの酸化還元反応を起こし、エネルギーを得る電池である。このレドックスフロー電池は、両極間のイオンバランスを保つためにプロトン交換膜またはアニオン交換膜が用いられている。   A redox flow battery is generally a battery that obtains energy by causing a redox reaction of vanadium in a vanadium sulfate solution by circulation of a pump. In this redox flow battery, a proton exchange membrane or an anion exchange membrane is used in order to maintain an ion balance between both electrodes.

アニオン交換膜には旭ガラス社製のセレミオンAPS等が用いられている。しかしながら、アニオン交換膜は硫酸アニオンなどイオン半径の大きいイオンを通す必要があるため、抵抗が高いなどの問題点がある。 For the anion exchange membrane, Selemion APS manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. is used. However, since an anion exchange membrane needs to pass ions having a large ion radius such as sulfate anion, there is a problem that resistance is high.

プロトン交換膜には、プロトン伝導性以外にも、電解液の透過防止や機械的強度などの特性が必要である。このようなプロトン交換膜としては、例えば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スルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜や、他に炭化水素系膜としてポリスチレンスルホン酸架橋体を含む膜などが用いられている。 In addition to proton conductivity, the proton exchange membrane must have characteristics such as prevention of permeation of the electrolyte and mechanical strength. As such a proton exchange membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer introduced with a sulfonic acid group represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont of the United States, or a polystyrene sulfone as a hydrocarbon membrane can be used. A film containing an acid cross-linked product is used.

ナフィオンなどのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜は化学耐久性に優れ、プロトン伝導性が高く、セル抵抗を低くできる長所を有している。しかしながら、ナフィオンはイオン透過選択性に乏しいという問題点もある。具体的には、充放電中にバナジウムイオンも通してしまうため、電解液中の活物質量が減少し、充放電サイクルが著しく悪化してしまう。また、高コスト、廃棄時の環境負荷が大きいという問題点もある。 A membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer such as Nafion has advantages of excellent chemical durability, high proton conductivity, and low cell resistance. However, Nafion also has a problem of poor ion permeation selectivity. Specifically, vanadium ions are also allowed to pass during charging / discharging, so that the amount of active material in the electrolytic solution is reduced and the charging / discharging cycle is significantly deteriorated. In addition, there are problems of high cost and large environmental load at the time of disposal.

一方、ポリスチレンスルホン酸架橋体を含む炭化水素系膜は低コストで、バナジウムイオンを通しにくく、イオン透過選択性に優れるなどの長所を有している。しかしながら、加水分解や発熱時にスルホン酸基が脱離してしまうなど、化学耐久性や耐熱性に課題を抱えている。 On the other hand, a hydrocarbon membrane containing a polystyrene sulfonate crosslinked product has advantages such as low cost, difficulty in passing vanadium ions, and excellent ion permeation selectivity. However, there are problems in chemical durability and heat resistance, such as sulfonic acid groups being eliminated during hydrolysis and heat generation.

そこで、プロトン交換膜において、高プロトン伝導性と高耐久性を両立させるための手法がいくつか提案されている。例えば、特許文献1及び特許文献2では芳香族ポリマーにスルホン酸基を導入し、機械強度と耐熱性を向上している。また、高分子電解質と多孔性基材との組み合わせにより機械強度と耐久性を付与する方法においても特許文献3〜12に示されるような多数の提案がなされている。
しかしながら、これらの手法のほとんどは燃料電池用途に最適化されたものであり、レドックスフロー電池用途に最適化された手法はほとんど開発されていなかった。
In view of this, several techniques have been proposed for achieving both high proton conductivity and high durability in proton exchange membranes. For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a sulfonic acid group is introduced into an aromatic polymer to improve mechanical strength and heat resistance. Many proposals as shown in Patent Documents 3 to 12 have also been made in a method of imparting mechanical strength and durability by a combination of a polymer electrolyte and a porous substrate.
However, most of these techniques are optimized for fuel cell applications, and few techniques optimized for redox flow battery applications have been developed.

また、非特許文献1ではスルホン化したポリエーテルエーテルケトンをレドックスフロー電池用途に用い、ナフィオンよりも優れた充放電特性を報告している。しかしながら、これらの手法でもエネルギー効率や電圧効率が不十分であった。 In Non-Patent Document 1, sulfonated polyether ether ketone is used for redox flow battery applications, and charge / discharge characteristics superior to Nafion are reported. However, even with these methods, energy efficiency and voltage efficiency are insufficient.

特表平11−502245号公報Japanese National Patent Publication No. 11-502245 特開2004−10631号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-10631 特開2004−356075号公報JP 2004-356075 A 特開2005−166557号公報JP 2005-166557 A 特開2004−296409号公報JP 2004-296409 A 特開2003−41031号公報JP 2003-41031 A 特開2006−128066号公報JP 2006-128066 A 特開2005−276747号公報JP 2005-276747 A 特開2008−112712号公報JP 2008-1112712 A 特開2010−40530号公報JP 2010-40530 A 特開2008−71706号公報JP 2008-71706 A 特開2011−246695号公報JP 2011-246695 A

ジャーナル・オブ・パワーソースズ(Journal of Power Sources)、(中国)2011年、195巻、P.4380−4383Journal of Power Sources (China) 2011, 195, p. 4380-4383

また他の問題点として、これらの膜は透過性能を発現させるため、また材料コストの問題からできるだけ薄膜で用いられていたが、薄膜になるほど単膜での取扱い性が低下するという問題があった。   As another problem, these membranes were used as thin as possible because of their permeation performance and because of material cost problems, but there was a problem that the handling properties of a single membrane deteriorated as the thickness became thinner. .

しかし、レドックスフロー膜の耐久性は電池全体の耐久性を左右する非常に重要な要件であることから、さらなる向上が必須となっており、また使用の際の手間低減、歩留まり向上の面から取扱い性の向上も必須となっていた。   However, since the durability of the redox flow membrane is a very important requirement that affects the durability of the entire battery, further improvement is essential, and it is handled from the viewpoint of reducing labor during use and improving yield. Improvement of sex was also essential.

そこで、本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究し、芳香環上に極性基を有するスルホン酸基含有ポリマーをガラス繊維基材に含浸複合することにより、よりレドックスフロー膜としての充放電耐久性及び取扱い性が改善されることを見出した。   Therefore, the present inventors have intensively studied to achieve the above object, and by impregnating a glass fiber base material with a sulfonic acid group-containing polymer having a polar group on an aromatic ring, the present invention can be further filled as a redox flow membrane. It has been found that discharge durability and handleability are improved.

すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
[1]強度が0.4MPa以上であるガラス繊維基材中に、アニオン性基を有する芳香族系炭化水素系高分子電解質を含有した複合膜であって、該芳香族系炭化水素系高分子電解質は溶剤を含有し、該複合膜の厚みが10μm以上であり、該芳香族炭化水素系高分子電解質が、一般式(1)で示される構成成分を含むとともに、該アニオン性基として少なくともスルホン酸基を有することを特徴とするイオン交換膜。
That is, this invention consists of the following structures.
[1] A composite membrane containing an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte having an anionic group in a glass fiber substrate having a strength of 0.4 MPa or more, the aromatic hydrocarbon polymer The electrolyte contains a solvent, the composite membrane has a thickness of 10 μm or more, and the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte contains a constituent represented by the general formula (1) and has at least sulfone as the anionic group. An ion exchange membrane having an acid group.

ただし、Xは1価又は2価の基で、ニトリル基、アルコキシ基、アミノ基、アミド基、エステル基、カルボキシル基のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、スルホニル基、直接結合のいずれかを、Ar’は2価の芳香族基を示す。
[2]前記芳香族炭化水素系高分子電解質において、一般式(2)で示される構成成分をさらに含み、かつ前記一般式(1)が一般式(3)で示される構成成分であることを特徴とする[1]に記載のイオン交換膜。
However, X is a monovalent or divalent group, and any of a nitrile group, an alkoxy group, an amino group, an amide group, an ester group, and a carboxyl group, and Z is any of an oxygen atom, a sulfur atom, a sulfonyl group, and a direct bond Ar ′ represents a divalent aromatic group.
[2] The aromatic hydrocarbon polymer electrolyte further includes a constituent represented by the general formula (2), and the general formula (1) is a constituent represented by the general formula (3). The ion exchange membrane according to [1], which is characterized.

ただし、Arは2価の芳香族基、Zはスルホニル基またはカルボニル基、XはHまたは1価または2価のカチオン種を示す。 Here, Ar represents a divalent aromatic group, Z represents a sulfonyl group or a carbonyl group, and X represents H or a monovalent or divalent cation species.


ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。

However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

[3]前記電解質複合膜において、前記芳香族系炭化水素系高分子電解質のアニオン性基の総量を100モル%としたとき、該アニオン性基の80モル%以上が、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属のカチオンと塩を形成していることを特徴とする[1]、[2]のいずれかに記載のイオン交換膜。
[4]前記カチオンがナトリウムイオン、カリウムイオン、セシウムイオン、マグネシウムイオン、及びカルシウムイオンからなる群より選択されてなる一種以上であることを特徴とする[3]に記載のイオン交換膜。
[5]前記電解質複合膜において、前記芳香族系炭化水素系高分子電解質のアニオン性基の総量を100モル%としたとき、該アニオン性基の90モル%以上が遊離の酸であることを特徴とする[1]、[2]のいずれかに記載のイオン交換膜。
[6]前記芳香族炭化水素系高分子電解質中の前記スルホン酸基の含有量が0.1〜5.0meq/gの範囲にあることを特徴とする[1]〜[5]のいずれかに記載のイオン交換膜。
[3] In the electrolyte composite membrane, when the total amount of anionic groups in the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is 100 mol%, 80 mol% or more of the anionic groups are alkali metal or alkaline earth. The ion exchange membrane according to any one of [1] and [2], wherein a salt is formed with a metal cation.
[4] The ion exchange membrane according to [3], wherein the cation is one or more selected from the group consisting of sodium ion, potassium ion, cesium ion, magnesium ion, and calcium ion.
[5] In the electrolyte composite membrane, when the total amount of anionic groups of the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is 100 mol%, 90 mol% or more of the anionic groups are free acids. The ion exchange membrane according to any one of [1] and [2].
[6] The content of the sulfonic acid group in the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is in the range of 0.1 to 5.0 meq / g, any one of [1] to [5] An ion exchange membrane as described in 1.

[7]前記イオン交換膜が、[1]、[2]のいずれかに記載の芳香族炭化水素系高分子電解質を50〜100質量%含む組成物からなることを特徴とする[1]〜[6]のいずれかに記載のイオン交換膜。
[8]前記ガラス繊維基材がガラスヤーン、ガラスクロス、ガラスペーパー、ガラスグリッドのいずれかであることを特徴とする[1]〜[7]のいずれかに記載のイオン交換膜。
[9][1]〜[8]のいずれかに記載のイオン交換膜の製造方法であって、アニオン性基を有する芳香族系炭化水素系高分子電解質を溶剤に溶解させた溶液をガラス繊維基材に含浸させた後、該溶剤を除去して厚さが5〜300μmの範囲の複合膜とする、イオン交換膜の製造方法。
[10][1]〜[8]のいずれかに記載のイオン交換膜を使用することを特徴とするレドックスフロー電池。
[11][1]、[2]または[5]に記載のイオン交換膜を使用することを特徴とする燃料電池。
[7] The ion exchange membrane is composed of a composition containing 50 to 100% by mass of the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte according to any one of [1] and [2]. The ion exchange membrane according to any one of [6].
[8] The ion exchange membrane according to any one of [1] to [7], wherein the glass fiber substrate is any one of glass yarn, glass cloth, glass paper, and glass grid.
[9] The method for producing an ion exchange membrane according to any one of [1] to [8], wherein a solution in which an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte having an anionic group is dissolved in a solvent is used as a glass fiber. A method for producing an ion exchange membrane, comprising impregnating a substrate and then removing the solvent to form a composite membrane having a thickness in the range of 5 to 300 µm.
[10] A redox flow battery using the ion exchange membrane according to any one of [1] to [8].
[11] A fuel cell using the ion exchange membrane according to [1], [2] or [5].

本発明の芳香族系炭化水素系高分子電解質を溶剤に溶解した溶液をガラス繊維基材に含浸した後、該溶剤を除去して得られる複合電解質膜により、使用時の膜破れ等に対する耐久性を向上させ、かつ取り扱い性向上による作業時間低減、歩留まり向上を図ることが可能になった。また、本効果は例示したレドックスフロー電池に対してのみでなく、イオン交換膜としての一般的用途である、純水製造、製塩、海水淡水化、排水処理や有用物質の回収、さらには燃料電池等に適用することが可能である。   The composite electrolyte membrane obtained by impregnating the glass fiber base material with a solution obtained by dissolving the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte of the present invention in a solvent and then removing the solvent provides durability against membrane breakage during use. In addition, it has become possible to reduce work time and improve yield by improving handling. This effect is not only applied to the illustrated redox flow battery, but is also a general application as an ion exchange membrane, pure water production, salt production, seawater desalination, wastewater treatment and recovery of useful substances, and further a fuel cell It is possible to apply to.

図1はバナジウム系レドックスフロー電池の概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of a vanadium redox flow battery.

本発明のイオン交換膜は、アニオン性基を有する芳香族系炭化水素系高分子電解質を溶剤に溶解した溶液をガラス繊維基材に含浸した後、該溶剤を除去して得る複合電解質膜を得ることで、複合の効果として芳香族炭化水素系高分子電解質単体をガラス繊維基材で補強すると共に、複合体に剛性を持たせることで膜を後加工や使用時の冶具にセットする際の大幅な取り扱い性向上効果を得る。   The ion exchange membrane of the present invention provides a composite electrolyte membrane obtained by impregnating a glass fiber substrate with a solution obtained by dissolving an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte having an anionic group in a solvent, and then removing the solvent. As a composite effect, the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte alone is reinforced with a glass fiber substrate, and the composite is made rigid so that the membrane can be used in post-processing and when used in a jig for use. To improve the handleability.

以下、本発明のイオン交換膜及びその製造方法について、芳香族炭化水素系高分子電解質、芳香族炭化水素系高分子電解質溶液、複合膜の順で詳細に説明する。なお、本発明に係るイオン交換膜が上記工程を経て製造される限り、高分子電解質を構成する芳香族炭化水素系ポリマーやその溶液の含浸、流延、溶剤除去方法、洗浄方法等への態様は特に限定されるものではない。   Hereinafter, the ion exchange membrane of the present invention and the production method thereof will be described in detail in the order of an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte, an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte solution, and a composite membrane. As long as the ion exchange membrane according to the present invention is produced through the above steps, the aromatic hydrocarbon polymer constituting the polymer electrolyte and its solution impregnation, casting, solvent removal method, washing method, etc. Is not particularly limited.

(芳香族炭化水素系電解質)
本発明で用いる芳香族炭化水素系電解質とは、アニオン性基を有している芳香族炭化水素系ポリマーからなり、好ましくはアニオン性基の少なくとも一部が塩を形成しているものである。
上記芳香族炭化水素系ポリマーとは、ポリマー主鎖に芳香族環を有し、この芳香族環が単結合、エーテル結合、スルホン結合、イミド結合、複素環結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合、カーボネート結合、及びケトン結合から選択される少なくとも1種の結合基で結合された構造を有する、非フッ素系あるいは部分フッ素系のイオン伝導性ポリマーである。
かかる構造を有する芳香族炭化水素系ポリマーとしては、例えば、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリフェニルキノキサリン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリアミド、芳香族ポリウレタン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、芳香族ポリカーボネート、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン類(ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホン)等が挙げられる。芳香族炭化水素系電解質は、これらの芳香族炭化水素系ポリマー単独で構成されても、2種以上を組み合わせて構成されてもよい。特に、芳香族炭化水素系ポリマーとしては、ポリ(p−フェニレン)、ポリ(m−フェニレン)などのポリアリーレン系ポリマー;ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン類などのポリアリーレン(チオ)エーテル系ポリマー;前記ポリアリーレン/前記ポリアリーレン(チオ)エーテル共重合系ポリマーであることが好ましく、芳香族基や脂肪族基からなる側鎖を有していてもよい。
芳香族炭化水素系ポリマーが有するアニオン性基としては、例えば、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、スルホンアミド基、スルホンイミド基、及びこれらの誘導体が挙げられる。芳香族炭化水素系ポリマーは、これらのアニオン性基のいずれか一種のみを有して構成されても、2種以上有して構成されてもよい。本発明では、特にスルホン酸基、ホスホン酸基を有していることが好ましい。アニオン性基は、芳香族炭化水素系ポリマーのいずれの位置で保持されていてもよく、例えば、ポリマー主鎖を構成する芳香環上やポリマー側鎖を構成する芳香族基上や脂肪族基上にアニオン性基を有する態様が挙げられる。
本発明の芳香族炭化水素系ポリマーが有するアニオン性基は、少なくともその一部が塩を形成していることが好ましく、このような塩としては、プロトン以外の1価あるいは2価のカチオン塩が好ましい。3以上の価数では、芳香族炭化水素系電解質溶液がゲル化したり、得られる高分子電解質膜の形態が悪くなる場合がある。1価のカチオンとしては、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウムなどのアルカリ金属イオンや、モノアンモニウム塩などが挙げられるが、アルカリ金属イオンが好ましく、中でもナトリウム、カリウム、セシウムがより好ましい。2価のカチオンとしては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム等のアルカリ土類金属イオンが好ましく、中でもマグネシウム、カルシウム塩がより好ましい。アニオン性基の塩は、これら1価のカチオン塩の群から選択される単一種の塩で構成されても、2種以上を組み合わせた複数種の塩で構成されてもよい。
本発明において、塩を形成しているアニオン性基の量は、0.1〜5.0meq/gの範囲であることが必要であり、0.2〜4.0meq/gであることが好ましく、0.3〜3.5meq/gであることがさらに好ましい。アニオン性基の量が0.1meq/g未満であると電池としての効果が発現せず、5.0meq/gを越えるとポリマーがレドックスフロー電池の溶液に溶解してしまう。
本発明において、アニオン性基の塩変換率(カチオン置換率)は、80モル%以上が好ましく、90モル%以上であることがより好ましく、99モル%以上であることがさらに好ましい。この理由は以下の通りである。すなわち、酸性基が塩を形成していない場合には、複合膜の製膜過程において、芳香族炭化水素系ポリマーが熱などによって分解する場合がある。そこで、高分子電解質膜の製膜過程においては、酸性基を塩の形にしておき、製膜後に必要に応じ酸性溶液処理によってプロトンに変換するのである。最終形態としてのアニオン性基の塩変化率は用途に対し自由に選べばよい。例えば、燃料電池等の、アニオン性基が遊離酸であることが電池性能として有利な場合は遊離酸の形態を選べばよいし、一方アニオン性基が塩の形態が有利である場合は塩の形態を選べば良い。
本発明で用いる芳香族炭化水素系電解質は、上記芳香族炭化水素系ポリマーのホモポリマーや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、アニオン性基の塩を有する親水性セグメントと、アニオン性基及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。
芳香族炭化水素系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、芳香族炭化水素系を用いて高分子電解質膜を製造する際に、芳香族炭化水素系電解質の溶剤溶液の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。
芳香族炭化水素系電解質の対数粘度は、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。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。
芳香族炭化水素系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。
(Aromatic hydrocarbon electrolyte)
The aromatic hydrocarbon electrolyte used in the present invention is composed of an aromatic hydrocarbon polymer having an anionic group, and preferably at least a part of the anionic group forms a salt.
The above aromatic hydrocarbon polymer has an aromatic ring in the polymer main chain, and this aromatic ring is a single bond, ether bond, sulfone bond, imide bond, heterocyclic bond, ester bond, amide bond, urethane bond. , A non-fluorinated or partially fluorinated ion-conducting polymer having a structure bonded with at least one linking group selected from a sulfide bond, a carbonate bond, and a ketone bond.
Examples of the aromatic hydrocarbon polymer having such a structure include polyparaphenylene, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyphenylquinoxaline, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, aromatic polyester, Aromatic polyamide, aromatic polyurethane, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, aromatic polycarbonate, polyaryl ketone, polyether ketone (polyether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether ketone, polyether ether ketone ketone, polyether Ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone) and the like. The aromatic hydrocarbon electrolyte may be composed of these aromatic hydrocarbon polymers alone or in combination of two or more. In particular, aromatic hydrocarbon polymers include polyarylene polymers such as poly (p-phenylene) and poly (m-phenylene); polysulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene oxide, polyether sulfone, polyether ketone. A polyarylene (thio) ether-based polymer such as a polyarylene; preferably the polyarylene / polyarylene (thio) ether copolymer-based polymer, and may have a side chain composed of an aromatic group or an aliphatic group. Good.
Examples of the anionic group possessed by the aromatic hydrocarbon polymer include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof. The aromatic hydrocarbon-based polymer may be configured to have only one of these anionic groups or may be configured to have two or more types. In the present invention, it preferably has a sulfonic acid group or a phosphonic acid group. The anionic group may be held at any position of the aromatic hydrocarbon polymer, for example, on the aromatic ring constituting the polymer main chain, on the aromatic group constituting the polymer side chain, or on the aliphatic group. And an embodiment having an anionic group.
The anionic group possessed by the aromatic hydrocarbon polymer of the present invention is preferably at least partially formed as a salt. Examples of such a salt include monovalent or divalent cation salts other than protons. preferable. When the valence is 3 or more, the aromatic hydrocarbon electrolyte solution may gel, or the resulting polymer electrolyte membrane may have a poor shape. Examples of the monovalent cation include alkali metal ions such as lithium, sodium, potassium, and cesium, and monoammonium salts. Alkali metal ions are preferable, and sodium, potassium, and cesium are more preferable. As the divalent cation, alkaline earth metal ions such as beryllium, magnesium, calcium, and barium are preferable, and magnesium and calcium salts are more preferable. The salt of the anionic group may be composed of a single type of salt selected from the group of these monovalent cation salts, or may be composed of a plurality of types of salts obtained by combining two or more types.
In the present invention, the amount of the anionic group forming the salt needs to be in the range of 0.1 to 5.0 meq / g, and preferably 0.2 to 4.0 meq / g. More preferably, it is 0.3 to 3.5 meq / g. When the amount of the anionic group is less than 0.1 meq / g, the effect as a battery is not exhibited, and when it exceeds 5.0 meq / g, the polymer is dissolved in the solution of the redox flow battery.
In the present invention, the salt conversion rate (cation substitution rate) of the anionic group is preferably 80 mol% or more, more preferably 90 mol% or more, and further preferably 99 mol% or more. The reason is as follows. That is, when the acidic group does not form a salt, the aromatic hydrocarbon polymer may be decomposed by heat or the like in the process of forming the composite membrane. Therefore, in the process of forming the polymer electrolyte membrane, the acidic group is made into a salt form, and is converted into protons by an acidic solution treatment as necessary after the film formation. What is necessary is just to choose freely the salt change rate of the anionic group as a final form with respect to a use. For example, when it is advantageous from the viewpoint of battery performance that the anionic group is a free acid, such as a fuel cell, the form of the free acid may be selected. On the other hand, when the anionic group is advantageous in the form of a salt, Choose a form.
The aromatic hydrocarbon electrolyte used in the present invention includes a segmented block copolymer, a polymer having a long chain or a short chain branch (for example, a homopolymer or a random copolymer of the above aromatic hydrocarbon polymer) , Comb polymers, and the like) and star polymers. 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 a salt of an anionic group and a hydrophobic segment having no anionic group and its salt. Such a segmented block copolymer can be obtained, for example, by polymerizing an oligomer constituting the segment directly or via another compound.
The molecular weight of the aromatic hydrocarbon 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. However, when the molecular weight is too large, the concentration of the solvent solution of the aromatic hydrocarbon electrolyte is lowered when the polymer electrolyte membrane is produced using the aromatic hydrocarbon system. Inevitably, there may be a problem in removing the solvent.
The logarithmic viscosity of the aromatic hydrocarbon electrolyte 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. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.
The softening temperature of the aromatic hydrocarbon electrolyte is preferably 120 ° C. or higher, and more preferably 140 to 300 ° C.

(芳香族炭化水素系電解質の製造方法)
本発明で用いる芳香族炭化水素系電解質(好ましくはその一部が塩を形成している酸性基を有する芳香族炭化水素系ポリマー)は、いずれの方法によって製造されてもよい。例えば、芳香族炭化水素系ポリマーにアニオン性基を導入した後にこのアニオン性基を塩に変換する方法や、アニオン性基を有するモノマー成分を重合してアニオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーを得た後、このアニオン性基を塩に変換する方法などが挙げられる。アニオン性基を塩に変換する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、カチオンを含む水溶液に浸漬する方法が挙げられる。
芳香族炭化水素系ポリマーにアニオン性基を導入する方法のうち、特に芳香族炭化水素系ポリマーの芳香環上にスルホン酸基を導入する方法としては、例えば、上記のような骨格を持つ芳香族炭化水素系ポリマーに対して、ポリマーに応じた反応条件を適宜選択しながら、適当なスルホン化剤を反応させて導入する方法が挙げられる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族系炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸(例えば、Solid State Ionics,106,P219(1998))、クロル硫酸(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P295(1984))、無水硫酸錯体(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P1231(1985))、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等が挙げられる。これらのスルホン化剤は単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、アニオン性基を有するモノマー成分を重合して、アニオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーを得る方法としては、例えば、アニオン性基(スルホン酸基やホスホン酸基など)を有する芳香族ジアミンを含むジアミンと、芳香族テトラカルボン酸二無水物とを重合して、アニオン性基含有ポリイミドを得る方法;アニオン性基を有する芳香族ジカルボン酸を含むジカルボン酸と、芳香族ジアミンジオールや芳香族ジアミンジチオールや芳香族テトラミンとを重合して、アニオン性基含有ポリベンズオキサゾールや酸性基含有ポリベンズチアゾールやアニオン性基含有ポリベンズイミダゾールを得る方法;芳香族ジハライドと芳香族ジオールとを重合してポリスルホンやポリエーテルスルホンやポリエーテルケトンを得るにあたり、アニオン性基を有する芳香族ジハライドやアニオン性基を有する芳香族ジオールを用いる方法等が挙げられる。なお、アニオン性基を有する芳香族ジオールを用いるよりも、アニオン性基を有する芳香族ジハライドを用いる方が、重合度が高くなり易く、また、アニオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましい。
以上、本発明で用いる芳香族炭化水素系電解質、及びその製造方法について、その概略を説明した。以下において、当該ポリマー、及びその製造方法の特に好ましい態様を、より具体的に説明する。
(Method for producing aromatic hydrocarbon electrolyte)
The aromatic hydrocarbon electrolyte used in the present invention (preferably an aromatic hydrocarbon polymer having an acidic group, part of which forms a salt) may be produced by any method. For example, a method of converting an anionic group into a salt after introducing an anionic group into an aromatic hydrocarbon polymer, or an aromatic hydrocarbon polymer having an anionic group by polymerizing a monomer component having an anionic group And a method of converting this anionic group into a salt. The method for converting an anionic group into a salt is not particularly limited, and examples thereof include a method of immersing in an aqueous solution containing a cation.
Among the methods for introducing an anionic group into an aromatic hydrocarbon polymer, in particular, as a method for introducing a sulfonic acid group onto the aromatic ring of an aromatic hydrocarbon polymer, for example, an aromatic having a skeleton as described above A method of introducing a suitable sulfonating agent by reacting with a hydrocarbon polymer while appropriately selecting reaction conditions depending on the polymer may be mentioned. As such a sulfonating agent, for example, concentrated sulfuric acid and fuming sulfuric acid (for example, Solid State Ionics, 106, P219 (1998)) reported as an example of introducing a sulfonic acid group into an aromatic hydrocarbon polymer. ), Chlorosulfuric acid (eg, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P295 (1984)), sulfuric anhydride complex (eg, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P721 (1984)). ), J. Polym. Sci., Polym. Chem., 23, P1231 (1985)), and a sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189. These sulfonating agents may be used alone or in combination of two or more.
Examples of a method for polymerizing a monomer component having an anionic group to obtain an aromatic hydrocarbon polymer having an anionic group include, for example, an aromatic having an anionic group (such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group). A method of polymerizing a diamine containing diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride to obtain an anionic group-containing polyimide; a dicarboxylic acid containing an anionic group-containing aromatic dicarboxylic acid; an aromatic diamine diol or aromatic Polymerization of aromatic diaminedithiol and aromatic tetramine to obtain anionic group-containing polybenzoxazole, acidic group-containing polybenzthiazole and anionic group-containing polybenzimidazole; polymerization of aromatic dihalide and aromatic diol In obtaining polysulfone, polyethersulfone and polyetherketone, A method using an aromatic diol having an aromatic dihalide and an anionic group having an anion group and the like. Note that the degree of polymerization tends to be higher when an aromatic dihalide having an anionic group is used than when an aromatic diol having an anionic group is used, and the heat of the aromatic hydrocarbon polymer having an anionic group is increased. It is preferable because stability is increased.
The outline of the aromatic hydrocarbon electrolyte used in the present invention and the production method thereof have been described above. Below, the said polymer and the especially preferable aspect of the manufacturing method are demonstrated more concretely.

(芳香族炭化水素系電解質の好適例)
本発明で用いる芳香族炭化水素系電解質は一般式(1)で示される構成成分を含むとともに、アニオン性基としてスルホン酸基を持つ化合物であることが好ましい。
(Preferred example of aromatic hydrocarbon electrolyte)
The aromatic hydrocarbon electrolyte used in the present invention is preferably a compound having a constituent represented by the general formula (1) and having a sulfonic acid group as an anionic group.

ただし、Xは1価または2価の基で、ニトリル基、アルコキシ基、アミノ基、アミド基、エステル基、カルボキシル基のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、スルホン結合、直接結合のいずれかを、Ar’は2価の芳香族基を示す。 However, X is a monovalent or divalent group, and any one of a nitrile group, an alkoxy group, an amino group, an amide group, an ester group, and a carboxyl group, and Z is any of an oxygen atom, a sulfur atom, a sulfone bond, and a direct bond Ar ′ represents a divalent aromatic group.

上記一般式(1)で示される構成成分は、下記一般式(3)で示される構成成分であることが特に好ましい。 The component represented by the general formula (1) is particularly preferably a component represented by the following general formula (3).

ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。 However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

また、アニオン性基を含有する成分は下記一般式(2)で示される構成成分であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the component containing an anionic group is a structural component shown by following General formula (2).

また、本発明の芳香族炭化水素系電解質においては上記一般式(1)〜(3)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記一般式(1)〜(3)で示される構造単位を有するポリマー以外のポリマーを併用する場合は全ポリマー100質量%に対して、50質量%以下であることが好ましい。50質量%以下とすることにより、本発明の芳香族炭化水素系電解質の特性を活かした組成物とすることができる。 The aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention may contain structural units other than those represented by the general formulas (1) to (3). At this time, when a polymer other than the polymer having the structural unit represented by the general formulas (1) to (3) is used in combination, it is preferably 50% by mass or less with respect to 100% by mass of the total polymer. By setting it as 50 mass% or less, it can be set as the composition which utilized the characteristic of the aromatic hydrocarbon type electrolyte of this invention.

本発明の芳香族炭化水素系電解質としては、上記一般式(2)の構成成分として下記一般式(4)の構成成分を含むとともに、上記一般式(3)の構成成分として下記一般式(5)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。ビフェニレン構造を有していることにより電解液中での寸法安定性に優れるとともに、フィルムの強靱性も高いものとなる。   The aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention includes the following general formula (4) as a constituent of the above general formula (2) and the following general formula (5) as a constituent of the above general formula (3). Particularly preferred are those containing a component represented by By having a biphenylene structure, the dimensional stability in the electrolytic solution is excellent, and the toughness of the film is also high.

ただし、XはHまたは1価または2価のカチオン種を示す。
m、nは一般式(4)と一般式(5)の共重合比を示し、m+n=100であり、25≦m≦55、45≦n≦75の範囲にあることが好ましい。
X represents H or a monovalent or divalent cation species.
m and n represent the copolymerization ratio of the general formula (4) and the general formula (5), and m + n = 100, and preferably in the range of 25 ≦ m ≦ 55 and 45 ≦ n ≦ 75.

本発明の芳香族炭化水素系電解質は、下記一般式(6)および一般式(7)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(6)で表される化合物の具体例としては、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スルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。一般式(7)で表される化合物としては、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、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。   The aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing compounds represented by the following general formulas (6) and (7) as monomers. Specific examples of the compound represented by the general formula (6) 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 sulfone, and those whose sulfonic acid groups are converted to salts with monovalent cation species Can be mentioned. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the general formula (7) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. it can.

ただし、Yはスルホニル基またはカルボニル基、Xは1価または2価のカチオン種、Zは塩素またはフッ素を示す。本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリルおよび2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なイオン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。   Y represents a sulfonyl group or carbonyl group, X represents a monovalent or divalent cation species, and Z represents chlorine or fluorine. In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used, good ion conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.

上述の芳香族求核置換反応において、上記一般式(6)、(7)で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   In the above-described aromatic nucleophilic substitution reaction, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the general formulas (6) and (7) as monomers. Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.

また、上述の一般式(1)で表される構成成分中のAr’および上述の一般式(2)で表される構成成分中のAr’は、一般には芳香族求核置換重合において上述の一般式(6)、(7)で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、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)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)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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、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、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、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン等があげられるが、この他にも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を使用することもできる。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。 In addition, Ar ′ in the structural component represented by the general formula (1) and Ar ′ in the structural component represented by the general formula (2) are generally the same as those described above in the aromatic nucleophilic substitution polymerization. It is a structure introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compounds represented by the general formulas (6) and (7). Examples of such aromatic diol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 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, bis ( 4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9- (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, etc. Various aromatic diols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used. These aromatic diols can be used alone, but a plurality of aromatic diols can be used in combination.

本発明の芳香族炭化水素系電解質を芳香族求核置換反応により重合する場合、上記一般式(6)および一般式(7)で表せる化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物および/またはジクロロ芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50質量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。   When the aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound and / or dichloroaromatic containing a compound represented by the above general formula (6) and general formula (7) A polymer can be obtained by reacting a compound with an aromatic diol in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.

本発明の芳香族炭化水素系電解質は上記一般式(1)および一般式(2)の構成成分からなるブロックポリマーであっても良い。ブロックポリマーにすることで、電解液中での寸法安定性に優れると共に、親水性セグメントと疎水性セグメントのミクロ相分離構造により、バナジウムイオン透過抑制効果が向上するため好ましい。 The aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention may be a block polymer composed of the components of the above general formula (1) and general formula (2). It is preferable to use a block polymer because it has excellent dimensional stability in the electrolytic solution and improves the vanadium ion permeation suppression effect due to the microphase separation structure of the hydrophilic segment and the hydrophobic segment.

上記一般式(1)および一般式(2)の構成成分からなるブロックポリマー化は、公知の任意の方法で合成することができる。予め合成しておいた、上記一般式(1)からなる親水性セグメント及び上記一般式(2)からなる疎水性のセグメントとなるオリゴマーを、カップリング剤で結合することによって合成できる。その例として、ヒドロキシル基末端のオリゴマーを、デカフルオロビフェニルなどのパーフルオロ芳香族化合物で結合する方法を挙げることができる。この場合には、デカフルオロビフェニルなどのパーフルオロ芳香族化合物と、両方のオリゴマーもモル比が1付近になるようにすることが好ましい。 The block polymerization comprising the components of the general formula (1) and the general formula (2) can be synthesized by any known method. It can synthesize | combine by couple | bonding the oligomer which becomes a hydrophobic segment which consists of the hydrophilic segment which consists of the said General formula (1), and the said General formula (2) previously synthesize | combined with a coupling agent. As an example thereof, there can be mentioned a method in which a hydroxyl group-terminated oligomer is bonded with a perfluoroaromatic compound such as decafluorobiphenyl. In this case, it is preferable that the molar ratio of the perfluoroaromatic compound such as decafluorobiphenyl and the oligomers of both be close to 1.

また、予め合成しておいた、親水性及び疎水性のセグメントとなるオリゴマーのいずれかの末端基を、上記のデカフルオロビフェニルなどのパーフルオロ芳香族化合物などの反応性が高い基で修飾しておき、もう一方のオリゴマーを反応させることによっても合成することができる。また、上記の反応において、オリゴマーを合成後に精製・単離してから用いてもよいし、オリゴマーを合成した溶液のままで用いてもよいし、精製・単離したオリゴマーを溶液として用いてもよい。精製・単離するオリゴマーはいずれのオリゴマーでもよいが、疎水性セグメントを形成するオリゴマーのほうが、合成が容易である。予め合成しておいた、親水性及び疎水性のセグメントとなるオリゴマーのいずれかの末端基を反応性が高い基で修飾しておき、もう一方のオリゴマーを反応させる方法の場合、修飾したオリゴマーと、もう一方のオリゴマーは等モルで反応させることが好ましいが、反応中の副反応によるゲル化を防ぐためには、修飾したオリゴマーをわずかに過剰にしておくことがこのましい。過剰の度合いは、オリゴマー分子量や目的とするポリマーの分子量によっても異なるが、0.1〜50モル%の範囲であることが好ましく、0.5〜10モル%の範囲であることがより好ましい。また、反応性が高い基で末端を修飾するのは、疎水性セグメントのほうが好ましい。親水性セグメントの構造によっては修飾反応がうまく進行しない場合がある。 In addition, the terminal group of any of the oligomers that have been synthesized in advance and become hydrophilic and hydrophobic segments is modified with a highly reactive group such as the above-mentioned perfluoroaromatic compound such as decafluorobiphenyl. Alternatively, it can be synthesized by reacting the other oligomer. Further, in the above reaction, the oligomer may be used after being purified and isolated after synthesis, may be used as it is in the synthesized oligomer solution, or the purified and isolated oligomer may be used as a solution. . The oligomer to be purified and isolated may be any oligomer, but the oligomer forming the hydrophobic segment is easier to synthesize. In the case of a method in which one end group of an oligomer to be a hydrophilic and hydrophobic segment synthesized in advance is modified with a highly reactive group and the other oligomer is reacted, The other oligomer is preferably reacted in an equimolar amount, but in order to prevent gelation due to a side reaction during the reaction, it is preferable to keep the modified oligomer slightly in excess. The degree of excess varies depending on the oligomer molecular weight and the molecular weight of the target polymer, but is preferably in the range of 0.1 to 50 mol%, more preferably in the range of 0.5 to 10 mol%. In addition, the hydrophobic segment is preferably modified with a highly reactive group. Depending on the structure of the hydrophilic segment, the modification reaction may not proceed well.

本発明の芳香族炭化水素系電解質は、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、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ケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせと言える、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら組成物として使用する場合には、本発明の芳香族炭化水素系電解質は、組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明の芳香族炭化水素系電解質の含有量が組成物全体の50質量%未満の場合には、この組成物を含むイオン伝導膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   The aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Heat curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving polymer dimensionality. If a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, the composition The workability of the product becomes more preferable. When used as these compositions, the aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the aromatic hydrocarbon electrolyte of the present invention is less than 50% by mass of the entire composition, the sulfonic acid group concentration of the ion conductive membrane containing this composition is lowered, and good ion conductivity is obtained. In addition, the unit containing a sulfonic acid group tends to be a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

(芳香族炭化水素系電解質に対する溶剤)
本発明において重合及び膜を形成する工程で用いる溶剤としては、芳香族炭化水素系電解質を均一に溶解または分散し得るものであれば特に限定されるものではなく、芳香族炭化水素系電解質の構造に応じて適宜選択すればよいが、極性溶剤であることが好ましく、非プロトン性極性溶剤であることがさらに好ましい。非プロトン性極性溶剤としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N−モルフォリン−N−オキシド、ヘキサメチレンホスホンアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン、ジフェニルスルホンなどが挙げられる。特に、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシドが好ましい。これらの溶剤は単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。溶剤の沸点は100〜300℃の範囲であることが好ましい。100℃未満であると、製膜の際に形態が悪化する場合があり好ましくない。300℃を超えると、高分子電解質膜の製造に多大なエネルギーが必要となったり、芳香族炭化水素系電解質膜中の溶剤含有量を適切な範囲に制御することが困難になる場合がある。
(Solvents for aromatic hydrocarbon electrolytes)
In the present invention, the solvent used in the polymerization and film forming step is not particularly limited as long as it can uniformly dissolve or disperse the aromatic hydrocarbon electrolyte, and the structure of the aromatic hydrocarbon electrolyte is not limited. However, it is preferably a polar solvent, and more preferably an aprotic polar solvent. Examples of the aprotic polar solvent include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, N-morpholine-N-oxide, and hexamethylene. Examples include phosphonamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, and diphenyl sulfone. In particular, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethyl sulfoxide are preferable. These solvents may be used alone or in combination of two or more. The boiling point of the solvent is preferably in the range of 100 to 300 ° C. If it is lower than 100 ° C., the form may be deteriorated during film formation, which is not preferable. If it exceeds 300 ° C., a large amount of energy may be required for the production of the polymer electrolyte membrane, and it may be difficult to control the solvent content in the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane within an appropriate range.

(芳香族炭化水素系電解質溶液の固形分濃度)
芳香族炭化水素系電解質の溶液の固形分濃度は、芳香族炭化水素系電解質の分子量や、流延する際の温度などによって適宜決定することができ、具体的には1.0〜30質量%の範囲であることが必要であり、1.5〜25質量%が好ましく、さらに好ましくは2.0〜20質量%である。1.0質量%未満であると、後工程で行う溶剤の除去に時間を要して膜の品位が低下したり、ガラス繊維基材中に充分芳香族炭化水素系電解質を充填できない場合がある。30質量%を超えると、溶液の粘度が高くなりすぎてガラス繊維基材に含浸されなくなり、ガラス繊維基材中に残った空気が複合膜の特性に悪影響を及ぼす。
(Solid content concentration of aromatic hydrocarbon electrolyte solution)
The solid content concentration of the aromatic hydrocarbon electrolyte solution can be appropriately determined depending on the molecular weight of the aromatic hydrocarbon electrolyte, the temperature at the time of casting, and the like, specifically 1.0 to 30% by mass. It is necessary to be in the range of 1.5 to 25% by mass, and more preferably 2.0 to 20% by mass. If it is less than 1.0% by mass, it may take time to remove the solvent in the subsequent step, and the quality of the film may be lowered, or the glass fiber substrate may not be sufficiently filled with the aromatic hydrocarbon electrolyte. . If it exceeds 30% by mass, the viscosity of the solution becomes too high to impregnate the glass fiber substrate, and the air remaining in the glass fiber substrate adversely affects the properties of the composite membrane.

(芳香族炭化水素系電解質溶液の粘度)
芳香族炭化水素系電解質の溶液の粘度は、ガラス繊維基材への含浸度合いによって適宜決定することができ、2.0〜200000mPa・sであることが必要であり、5.0〜150000mPa・sが好ましく、さらに好ましくは10〜100000mPa・sである。2.0mPa・s未満であると、含浸した溶液がガラス繊維基材から流れ落ちてしまうためガラス繊維基材中に充分芳香族炭化水素系電解質を充填できず、200000mPa・sを超えると溶液がガラス繊維基材に含浸されなくなり、ガラス繊維基材中に残った空気が複合膜の特性に悪影響を及ぼす。
(Viscosity of aromatic hydrocarbon electrolyte solution)
The viscosity of the aromatic hydrocarbon-based electrolyte solution can be appropriately determined depending on the degree of impregnation into the glass fiber substrate, and needs to be 2.0-200000 mPa · s, and 5.0-150,000 mPa · s. Is more preferable, and 10 to 100,000 mPa · s is more preferable. If it is less than 2.0 mPa · s, the impregnated solution will flow down from the glass fiber base material, so that the glass fiber base material cannot be sufficiently filled with the aromatic hydrocarbon-based electrolyte. The fiber substrate is no longer impregnated and the air remaining in the glass fiber substrate adversely affects the properties of the composite membrane.

(ガラス繊維基材の種類)
本発明におけるガラス繊維基材の効果としてはガラス繊維自身の強度による 芳香族炭化水素系電解質の補強効果に加え、ガラス繊維が芳香族炭化水素系電解質の膨潤、乾燥による寸法変化を抑制する効果が挙げられる。これら効果はイオン交換膜が各装置に組み込まれて使用される際、気流、液流での破れを直接抑制できる機能に加え組みつけた冶具と膜間での寸法変化による応力集中を抑制できる機能としてイオン交換膜の使用時耐久性向上に対し非常に重要な要件である。
なお、ガラス繊維基材の種類については片方の表面と反対の面に物質が通過できる連通孔があればいかなるものでもよく、具体的にはガラスヤーン、ガラスクロス、ガラスペーパー、ガラスグリッド等があげられる。
(Types of glass fiber substrate)
As an effect of the glass fiber base material in the present invention, in addition to the reinforcing effect of the aromatic hydrocarbon electrolyte due to the strength of the glass fiber itself, the glass fiber has the effect of suppressing the dimensional change due to the swelling and drying of the aromatic hydrocarbon electrolyte. Can be mentioned. These effects are the ability to suppress stress concentration due to dimensional changes between the assembled jig and the membrane, in addition to the ability to directly control the breakage of airflow and liquid flow when the ion exchange membrane is incorporated into each device. This is a very important requirement for improving the durability of the ion exchange membrane during use.
Any kind of glass fiber base material may be used as long as it has a communication hole through which a substance can pass on the surface opposite to one surface. Specifically, glass yarn, glass cloth, glass paper, glass grid, etc. It is done.

(ガラス繊維基材の強度)
ガラス繊維基材の強度は本発明の重要な要件である。具体的には、ガラス繊維基材の強度が0.4MPa以上であることが必要であり、0.7MPa以上が好ましく、1.0MPa以上がさらに好ましい。強度が0.4MPa未満であると、ガラス繊維基材の芳香族炭化水素系電解質の補強効果が小さいために水やイオン水溶液によるポリマーの膨潤による応力や、液体、気体の流動時にかかる応力により複合膜が破れてしまい、耐久性の向上効果が小さくなる。
(Strength of glass fiber substrate)
The strength of the glass fiber substrate is an important requirement of the present invention. Specifically, the strength of the glass fiber base material needs to be 0.4 MPa or more, preferably 0.7 MPa or more, and more preferably 1.0 MPa or more. If the strength is less than 0.4 MPa, since the reinforcing effect of the aromatic hydrocarbon electrolyte of the glass fiber substrate is small, it is compounded by the stress caused by the swelling of the polymer by water or ionic aqueous solution or the stress applied when the liquid or gas flows The film is broken, and the effect of improving durability is reduced.

(ガラス繊維基材の厚み)
本発明の製造方法によれば、ガラス繊維基材の各種厚みに対応した複合膜を形態良好に、また生産性よく製造することができる。具体的には、厚みが10μm以上である複合膜を作成することが必要であり、10μm以下(より薄くは7.5μm以下)のガラス繊維基材であっても、形態が良好な複合膜を、生産性よく製造することができる。ガラス繊維基材の厚みの上限については特に限定されるものではないが、500μm以下が好ましく、400μm以下がより好ましく、300μm以下がさらに好ましい。
(Glass fiber substrate thickness)
According to the production method of the present invention, a composite film corresponding to various thicknesses of a glass fiber substrate can be produced with good form and good productivity. Specifically, it is necessary to prepare a composite membrane having a thickness of 10 μm or more, and a composite membrane having a good shape even if it is a glass fiber substrate of 10 μm or less (thinner 7.5 μm or less). Can be manufactured with good productivity. The upper limit of the thickness of the glass fiber substrate is not particularly limited, but is preferably 500 μm or less, more preferably 400 μm or less, and even more preferably 300 μm or less.

(ガラス繊維基材の材質)
ガラス繊維基材の材質は、複合膜の耐久性を高める重要な要件である。具体的には、ガラス繊維に通常よく用いられるEガラスでも芳香族系炭化水素系高分子電解質との組み合わせによる補強効果発現により充分な耐久性向上を得ることができる。しかし芳香族系炭化水素系高分子電解質の持つスルホン酸基を遊離の酸で用いる場合やレドックスフロー電池のように酸性の電解液を用いる場合においてはCガラス、Tガラス等のホウケイ酸ガラス繊維やその他耐酸性の高いガラス繊維を用いることでさらなる高耐久性を得ることができる。
(Material of glass fiber substrate)
The material of the glass fiber base material is an important requirement for enhancing the durability of the composite membrane. Specifically, even E glass, which is usually used for glass fibers, can achieve a sufficient durability improvement due to the reinforcement effect due to the combination with the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte. However, when the sulfonic acid group possessed by the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is used as a free acid or when an acidic electrolyte solution is used such as a redox flow battery, borosilicate glass fibers such as C glass and T glass, Further high durability can be obtained by using glass fiber having high acid resistance.

(芳香族炭化水素系電解質溶液のガラス繊維基材への含浸方法)
芳香族炭化水素系電解質溶液のガラス繊維基材への含浸方法は、芳香族炭化水素系高分子電解質がガラス繊維基材中に固定できる方法であればいかなる方法を用いても良い。例えば、ガラス繊維基材を芳香族炭化水素系電解質溶液の中に浸漬する方法、芳香族炭化水素系電解質溶液をまず支持体の上に流延しておきその上にガラス繊維基材を載せる方法、支持体上に流延した芳香族炭化水素系電解質溶液の上にガラス繊維基材を載せ、さらにその上から芳香族炭化水素系電解質溶液を流延する方法等があるがこれに制限されるものではない。さらに、これらの浸漬、流延を多数回繰り返す方法や浸漬、流延が複数回に及ぶ場合そのそれぞれの操作に対し芳香族炭化水素系電解質溶液の種類を替えることも可能である。さらには浸漬、流延後、芳香族炭化水素系電解質溶液のガラス繊維基材へのさらなる浸透を図るため減圧、加圧等の操作を行うことも、もちろん問題なく可能である。
(Method of impregnating glass fiber substrate with aromatic hydrocarbon electrolyte solution)
As a method for impregnating the glass fiber substrate with the aromatic hydrocarbon electrolyte solution, any method may be used as long as the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte can be fixed in the glass fiber substrate. For example, a method of immersing a glass fiber substrate in an aromatic hydrocarbon-based electrolyte solution, a method of casting an aromatic hydrocarbon-based electrolyte solution on a support first, and placing a glass fiber substrate thereon There is a method of placing a glass fiber substrate on an aromatic hydrocarbon electrolyte solution cast on a support, and casting an aromatic hydrocarbon electrolyte solution from the glass fiber substrate, but the method is limited to this. It is not a thing. Furthermore, it is also possible to change the type of the aromatic hydrocarbon electrolyte solution for a method in which the immersion and casting are repeated many times, or when the immersion and casting are performed a plurality of times. Furthermore, after dipping and casting, it is of course possible to carry out operations such as decompression and pressurization for further penetration of the aromatic hydrocarbon electrolyte solution into the glass fiber substrate.

(溶剤の除去方法)
本工程において、前記含浸膜から溶剤を除去する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、流延膜を加熱して溶剤を蒸発させる方法が挙げられる。この時、流延膜の加熱温度は、400℃以下であることが好ましく、350℃以下がより好ましく、330℃以下であることがさらに好ましい。加熱温度が400℃を超えると、溶剤の除去効率は向上するが、短時間でも溶剤や芳香族炭化水素系電解質の分解・変質が起こったり、急激な乾燥変形により得られる高分子電解質膜の形態が悪くなる(品位が低下する)場合がある。また加熱温度の下限については、50℃が好ましい。加熱温度が50℃未満であると、十分に溶剤を除去することが困難になる場合がある。加熱方法は、熱風、赤外線、マイクロ波など公知の任意の方法で行うことができる。また、窒素などの不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。
(Solvent removal method)
In this step, the method of removing the solvent from the impregnated film is not particularly limited, and examples thereof include a method of heating the cast film and evaporating the solvent. At this time, the heating temperature of the cast film is preferably 400 ° C. or less, more preferably 350 ° C. or less, and further preferably 330 ° C. or less. When the heating temperature exceeds 400 ° C, the solvent removal efficiency is improved, but the polymer electrolyte membrane is obtained by decomposition or alteration of the solvent or aromatic hydrocarbon electrolyte even in a short time, or by rapid drying deformation May deteriorate (deterioration of quality). Moreover, about the minimum of heating temperature, 50 degreeC is preferable. If the heating temperature is less than 50 ° C., it may be difficult to remove the solvent sufficiently. The heating method can be performed by any known method such as hot air, infrared rays, and microwaves. Moreover, you may carry out in inert gas atmosphere, such as nitrogen.

(貧溶剤による溶剤の除去)
本発明では、複合膜を加熱して一定量まで溶剤を蒸発した後、当該溶剤と混和する、芳香族炭化水素系電解質の貧溶剤で、膜中の溶剤を抽出することが可能である。貧溶剤としては、膜や、流延工程で用いた溶剤の種類に応じて適切なものを用いればよい。例えば、水、アルコール、ケトン、エーテル、低分子炭化水素、含ハロゲン溶剤などが挙げられる。含浸工程で用いた溶剤が水と混和する場合には、貧溶剤として水を用いることが好ましい。
膜中の溶剤を貧溶剤で抽出する方法としては、特に限定されないが、膜に対して貧溶剤が均一に接触するように行うことが好ましい。例えば、膜を貧溶剤中に浸漬する方法や、膜に貧溶剤を塗布あるいは噴霧する方法が挙げられる。これらの方法は、2回以上行っても、また組み合わせて行ってもよい。
貧溶剤の温度は、用いる貧溶剤の融点以上、沸点以下であることが好ましい。上記貧溶剤が水の場合には、10〜70℃の範囲であることが好ましく、20〜50℃であることがさらに好ましい。温度が高いと溶剤の除去効率は向上するが、膜の形態や性能を低下させる場合がある。また、温度が低いと溶剤の除去効率が低下し、生産性を下げる場合がある。
本発明では、上記貧溶剤による抽出操作を経て得られる膜中の溶剤の含有率が、0.01質量%以上3質量%以下であることが好ましい。0.01質量%未満の領域では上記加熱の場合と同様、溶剤の量自体が少ないため上記効果がほぼ増進しないにも関わらずごく微量の溶剤をさらに減らすために多大な時間、貧溶剤の消費が必要となり、現実的でない。3質量%よりも大きいと、膨潤性が増大するなど、膜の耐久性を低下させる場合がある。抽出操作後の膜中の溶剤の含有率は、2質量%以下がより好ましく、1質量%以下がさらに好ましい。
膜の溶剤の含有量は、公知の任意の方法で測定することができる。例えば、芳香族炭化水素系電解質を溶解する他の適当な溶剤に溶解し、液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィーによって溶剤を定量する方法や、溶剤を水などの適当な抽出溶剤で抽出して定量する方法、膜のNMR測定を行い、溶剤由来のピークと、芳香族炭化水素系電解質由来のピークの積分値から定量する方法、膜の赤外、近赤外、紫外、可視などの吸収スペクトルを測定し、溶剤成分の吸光度から定量する方法、熱重量測定(TGA)によって、加熱時の溶剤の蒸発による質量減少によって定量する方法などを用いることができる。測定は、製造工程中で行ってもよいし、工程からサンプリングして含有量が変化しないようにしてオフラインで行ってもよい。
(Removal of solvent with poor solvent)
In the present invention, it is possible to extract the solvent in the membrane with a poor solvent of an aromatic hydrocarbon electrolyte that is mixed with the solvent after the composite membrane is heated to evaporate the solvent to a certain amount. As a poor solvent, what is necessary is just to use a suitable thing according to the kind of film | membrane and the solvent used at the casting process. For example, water, alcohol, ketone, ether, low molecular hydrocarbon, halogen-containing solvent and the like can be mentioned. When the solvent used in the impregnation step is miscible with water, it is preferable to use water as the poor solvent.
The method for extracting the solvent in the film with a poor solvent is not particularly limited, but it is preferable to carry out so that the poor solvent uniformly contacts the film. For example, a method of immersing the film in a poor solvent and a method of applying or spraying the poor solvent onto the film are exemplified. These methods may be performed two or more times or in combination.
The temperature of the poor solvent is preferably not less than the melting point and not more than the boiling point of the poor solvent used. When the poor solvent is water, it is preferably in the range of 10 to 70 ° C, more preferably 20 to 50 ° C. When the temperature is high, the solvent removal efficiency is improved, but the form and performance of the film may be lowered. Further, when the temperature is low, the solvent removal efficiency is lowered, and the productivity may be lowered.
In this invention, it is preferable that the content rate of the solvent in the film | membrane obtained through the extraction operation by the said poor solvent is 0.01 to 3 mass%. In the region of less than 0.01% by mass, as in the case of the above heating, the amount of the solvent itself is small, so that the above effect is not substantially enhanced, but a great amount of time is consumed to further reduce the trace amount of solvent. Is necessary and not realistic. If it is larger than 3% by mass, the durability of the film may be lowered, for example, the swelling property is increased. The content of the solvent in the film after the extraction operation is more preferably 2% by mass or less, and further preferably 1% by mass or less.
The solvent content of the film can be measured by any known method. For example, a method in which an aromatic hydrocarbon electrolyte is dissolved in another appropriate solvent and the solvent is quantified by liquid chromatography or gas chromatography, or the solvent is extracted with an appropriate extraction solvent such as water and quantified. Method, NMR measurement of the film, quantification from the integral value of the peak derived from the solvent and the peak derived from the aromatic hydrocarbon electrolyte, and the absorption spectrum of the film such as infrared, near infrared, ultraviolet, and visible In addition, a method of determining from the absorbance of the solvent component, a method of determining by mass reduction due to evaporation of the solvent during heating, etc. by thermogravimetry (TGA) can be used. The measurement may be performed during the manufacturing process, or may be performed off-line by sampling from the process so that the content does not change.

(イオン交換膜と酸性溶液とを接触させる工程)
イオン交換膜の用途によっては上記の溶剤を除去した
複合膜をpKaが3以下の酸性溶液に接触させることでアニオン性基をプロトンに変換して用いることももちろん可能である。本工程で用いる、pKaが3以下の酸性溶液としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、過塩素酸、メタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、スルホンイミド、オキソ酸等の群から選択される少なくとも1種の酸性成分を溶解した水溶液が挙げられる。高分子電解質が有する酸性基がスルホン酸基の場合には、酸性成分は硫酸、塩酸、メタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸であることが好ましく、硫酸がより好ましい。
(Step of bringing the ion exchange membrane into contact with the acidic solution)
Depending on the use of the ion exchange membrane, it is of course possible to use the composite membrane from which the above solvent has been removed by converting an anionic group into a proton by bringing it into contact with an acidic solution having a pKa of 3 or less. The acidic solution having a pKa of 3 or less used in this step is at least one selected from the group of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, perchloric acid, methanesulfonic acid, trifluoroacetic acid, sulfonimide, oxo acid and the like. An aqueous solution in which an acidic component of a seed is dissolved is mentioned. When the acidic group of the polymer electrolyte is a sulfonic acid group, the acidic component is preferably sulfuric acid, hydrochloric acid, methanesulfonic acid, or trifluoroacetic acid, and more preferably sulfuric acid.

(酸性溶液の濃度)
酸性溶液中の酸性成分の濃度は特に限定されないが、酸性溶液のpKaが、芳香族炭化水素系電解質の酸性基の塩と同等かそれよりも小さくなるように調整することが好ましい。例えば、芳香族炭化水素系電解質が有する酸性基の塩がスルホン酸基の塩の場合には、酸性成分の濃度は1〜75質量%の範囲が好ましい。濃度が1質量%未満だと、プロトンへの変換に、大量の酸性溶液が必要となり生産性に問題を生じる場合がある。濃度が75質量%を超えると、酸性溶液中での酸性成分の解離度が低下し、変換効率が低下する場合がある。
(Concentration of acidic solution)
The concentration of the acidic component in the acidic solution is not particularly limited, but it is preferable to adjust so that the pKa of the acidic solution is equal to or smaller than the salt of the acidic group of the aromatic hydrocarbon electrolyte. For example, when the acidic group salt of the aromatic hydrocarbon electrolyte is a sulfonic acid group salt, the concentration of the acidic component is preferably in the range of 1 to 75% by mass. If the concentration is less than 1% by mass, a large amount of acidic solution is required for conversion to protons, which may cause a problem in productivity. When the concentration exceeds 75% by mass, the dissociation degree of the acidic component in the acidic solution may decrease, and the conversion efficiency may decrease.

(酸性溶液とイオン交換膜との接触方法)
酸性溶液を用いて、複合膜中の芳香族炭化水素系電解質が有する酸性基の塩をプロトンに変換する方法としては、必ずしも限定はなく、膜に対して酸性溶液が複数回均一に接触するように行う方法であれば良い。例えば、膜を酸性溶液中に浸漬する方法や、膜に酸性溶液を塗布あるいは噴霧する方法が挙げられ、これらを単一方法、あるいは接触回ごとに組み合わせる方法を全て選定可能である。なお、このうち好ましい方法としては酸性溶液の使用量を抑制する観点より、2槽以上の酸性溶液槽に対し連続的に複合膜を浸漬する方法があり、さらに好ましい方法として2槽以上の酸性溶液槽に対し連続的に複合膜を浸漬しかつ浸漬順で最も下流側の酸性溶液槽に塩を含まない新規の酸性溶液を槽があふれるように供給し、あふれた分を順に上流側の槽に供給して最も上流側の槽よりあふれた酸性溶液を廃液として取り除く方法がある。
(Contact method between acidic solution and ion exchange membrane)
The method for converting the salt of the acidic group of the aromatic hydrocarbon electrolyte in the composite membrane into protons using the acidic solution is not necessarily limited, so that the acidic solution contacts the membrane uniformly multiple times. Any method can be used. For example, there are a method of immersing the membrane in an acidic solution and a method of applying or spraying the acidic solution on the membrane, and all methods can be selected from a single method or a combination method for each contact. Among these, a preferable method is a method of continuously immersing the composite membrane in two or more acidic solution tanks from the viewpoint of suppressing the amount of the acidic solution used, and a more preferable method is two or more acidic solutions. The composite membrane is continuously immersed in the tank, and a new acidic solution that does not contain salt is supplied to the acidic solution tank on the most downstream side in the order of immersion so that the tank overflows. There is a method in which an acidic solution overflowing from the most upstream tank is removed as waste liquid.

(酸性溶液と接触後のイオン交換膜を洗浄する工程)
先に述べたイオン交換膜と酸性溶液とを接触させる工程を通過した酸処理膜は、次いで、膜中の遊離の酸を除去する洗浄工程を通過する。
本工程で用いる洗浄液としては、水を主成分(好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、さらに好ましくは95%以上)とし、pHが所定の範囲にあれば、その構成は特に限定されない。例えば、溶剤として、アルコール、ケトン、エーテル、低分子炭化水素、含ハロゲン溶剤などの、酸性成分を溶解し得る高分子電解質膜の貧溶剤を少なくとも1種含んでもよい。洗浄液が水を主成分とすることにより、膜に酸性成分が残留しない状態で次工程へ移行できる。すなわち次工程以降での酸性成分の溶出による設備、環境負荷を回避することができる
この洗浄工程における洗浄方法は、膜を洗浄液に接触させることが好ましい。洗浄液に接触させる方法としては、シャワーなどを用いて洗浄液を直接吹き付ける方法、洗浄液に浸漬する方法など特に限定されない。また、洗浄液との接触を繰り返し行っても構わない。この際、洗浄液に塩が含まれていると酸性基が金属塩に再度変換される可能性があるので、少なくとも、イオン交換水のようなイオン除去処理を行った洗浄液を使用することが望ましい。
洗浄液の温度は、20〜60℃(より好ましくは20〜40℃)であることが好ましい。洗浄液を膜に複数回接触させる場合、その温度は、各接触回ごとに異なっていても同じであってもよい。
洗浄液の温度が20℃より低いと、酸性成分の除去効率が低下し、生産性が低下する。60℃より高いと、高分子電解質膜の膨潤が大きくなり、膜変形による品位低下、更には膜変形部位が伝播し、支持体からの高分子電解質膜の剥離が発生する場合がある。
洗浄液による洗浄によって、イオン交換膜中の酸性成分の含有率を芳香族炭化水素系電解質の1質量%以下にすることが好ましく、0.1質量%以下にすることがより好ましい。酸性成分の含有率が大きいと、酸性成分の溶出が起こって腐食や薬傷を引き起こす場合がある。
イオン交換膜中の酸性成分の含有率は、公知の任意の方法で測定することができる。例えば、イオン交換膜から溶出成分を水などの溶剤で抽出し、溶剤中の酸性成分を定量することによって含有率を測定することができる。抽出には水を用いることが好ましく、イオン交換水、超純水など不純物の少ない水が好ましい。抽出は、浸漬、煮沸、超音波処理、ソックスレー抽出などの方法を用いることができる。酸性成分は、アルカリによる中和滴定、抽出液のpH測定、イオンクロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィーなどの方法で定量することができる。
(Step of washing the ion exchange membrane after contact with the acidic solution)
The acid-treated membrane that has passed through the step of bringing the ion exchange membrane into contact with the acidic solution described above then passes through a washing step that removes free acid in the membrane.
The cleaning liquid used in this step is not particularly limited as long as water is a main component (preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and further preferably 95% or more), and the pH is within a predetermined range. . For example, the solvent may contain at least one poor solvent for the polymer electrolyte membrane that can dissolve acidic components, such as alcohol, ketone, ether, low-molecular hydrocarbon, and halogen-containing solvent. When the cleaning liquid contains water as a main component, the process can proceed to the next step without any acidic component remaining in the film. In other words, it is possible to avoid equipment and environmental burden due to elution of acidic components in the subsequent steps. In the cleaning method in this cleaning step, the membrane is preferably brought into contact with a cleaning solution. The method of contacting the cleaning liquid is not particularly limited, such as a method of spraying the cleaning liquid directly using a shower or the like, a method of immersing in the cleaning liquid, and the like. Further, the contact with the cleaning liquid may be repeated. At this time, if the cleaning solution contains a salt, the acidic group may be converted back to the metal salt. Therefore, it is desirable to use at least a cleaning solution that has been subjected to ion removal treatment such as ion-exchanged water.
The temperature of the cleaning liquid is preferably 20 to 60 ° C. (more preferably 20 to 40 ° C.). When the cleaning solution is brought into contact with the membrane a plurality of times, the temperature may be different or the same for each contact time.
When the temperature of the cleaning liquid is lower than 20 ° C., the removal efficiency of the acidic component is lowered and the productivity is lowered. When the temperature is higher than 60 ° C., the swelling of the polymer electrolyte membrane increases, the quality deteriorates due to membrane deformation, and further, the membrane deformation site propagates, and the polymer electrolyte membrane may peel from the support.
The content of acidic components in the ion exchange membrane is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less of the aromatic hydrocarbon electrolyte by washing with the washing liquid. If the content of the acidic component is large, the acidic component may be eluted, causing corrosion and chemical damage.
The content rate of the acidic component in the ion exchange membrane can be measured by any known method. For example, the content rate can be measured by extracting an elution component from an ion exchange membrane with a solvent such as water and quantifying an acidic component in the solvent. Water is preferably used for extraction, and water with few impurities such as ion exchange water and ultrapure water is preferable. For extraction, methods such as immersion, boiling, ultrasonic treatment, and Soxhlet extraction can be used. The acidic component can be quantified by methods such as neutralization titration with alkali, pH measurement of the extract, ion chromatography, liquid chromatography, gas chromatography and the like.

(乾燥工程)
洗浄工程を経て得られるイオン交換膜に、酸性溶液あるいは洗浄液が残存していると、これらの蒸発や滲出によって、イオン交換膜にシワや凸凹などの形態不良や、癒着などの問題が生じる可能性が高くなる。このため、イオン交換膜に残留する溶剤量を低減しておくことが好ましい。例えば、酸性溶液の溶剤あるいは洗浄液の溶剤として水を用いる場合、複合中の溶剤含有率(含水率)は芳香族炭化水素系電解質の5〜30質量%、より好ましくは7〜20質量%にすることが好ましい。イオン交換膜の乾燥方法については特に限定されるものではなく、適切な温度での風乾、赤外線や遠赤外線による加熱、減圧による留去などが挙げられる。乾燥温度は特に限定されるものではないが、例えば20〜50℃で行うことができる。
イオン交換膜の溶剤含有率(例えば含水率)は、公知の任意の方法で測定することができ、限定されるものではないが、例えば、赤外線式水分率計を用いる方法、カールフィシャー水分率計を用いる方法、含溶剤時(含水時)と絶乾時の重量を測定して溶剤含有率(含水率)を求める方法、熱重量分析法で加熱時の重量減少によって溶剤含有率(含水率)を求める方法などが挙げられる。
(Drying process)
If an acidic solution or a cleaning solution remains in the ion exchange membrane obtained through the cleaning process, the evaporation or leaching of these may cause problems such as morphological defects such as wrinkles or irregularities, adhesion, etc. Becomes higher. For this reason, it is preferable to reduce the amount of the solvent remaining in the ion exchange membrane. For example, when water is used as the solvent of the acidic solution or the solvent of the cleaning solution, the solvent content (water content) in the composite is 5 to 30% by mass, more preferably 7 to 20% by mass of the aromatic hydrocarbon electrolyte. It is preferable. The method for drying the ion exchange membrane is not particularly limited, and examples thereof include air drying at an appropriate temperature, heating with infrared rays or far infrared rays, and distillation under reduced pressure. Although a drying temperature is not specifically limited, For example, it can carry out at 20-50 degreeC.
The solvent content (for example, water content) of the ion exchange membrane can be measured by any known method, and is not limited. For example, a method using an infrared moisture meter, a Karl Fischer moisture meter , Method of determining the solvent content (moisture content) by measuring the weight at the time of solvent containing (water containing) and absolutely dry, the solvent content (water content) by thermogravimetric analysis by weight reduction during heating For example.

(イオン交換膜の形状)
本発明の製造方法によって得られるイオン交換膜の形状は特に限定されず、シート、ロールなど、任意の形態であってよい。また、イオン交換膜を製造する際に支持体を用いた場合、その支持体は剥がさずにおいてもよく、また製造後に、支持体から剥離して、複合膜を別の支持体と積層することも可能である。
(Ion exchange membrane shape)
The shape of the ion exchange membrane obtained by the production method of the present invention is not particularly limited, and may be any form such as a sheet or a roll. In addition, when a support is used when producing an ion exchange membrane, the support may not be peeled off, and after production, the composite membrane may be laminated with another support by peeling off from the support. Is possible.

(イオン交換膜の取扱い性)
イオン交換膜の取扱い性は使用の際の手間低減、歩留まり向上の面から非常に重要な要素である。具体的には下記実施例中で定める取扱い性の値が2以上が好ましく、3以上であれば高い方が良い。
(Handling of ion exchange membrane)
The handleability of the ion exchange membrane is a very important factor from the viewpoint of reducing labor during use and improving the yield. Specifically, the handleability value determined in the following examples is preferably 2 or more, and higher if 3 or more.

(イオン交換膜の水膨潤度抑制)
複合膜の面積膨潤度抑制は複合したガラス繊維基材が芳香族炭化水素系電解質がレドックスフロー電池の溶液で膨潤し、セパレーターとの境界部分での応力集中や液流による破れを防止する意味で非常に重要である。
具体的には下記実施例中で定めるイオン交換膜の面積膨潤率を、ガラス繊維で複合した膜と、複合しない膜それぞれで求め、
(複合膜の面積膨潤率)/(複合しない膜の面積膨潤率)で求めた比が1未満が必須であり、0.9以下が好ましく、0.8以下がさらに好ましい。
(Suppression of water swelling of ion exchange membrane)
The suppression of the area swelling degree of the composite membrane means that the composite glass fiber substrate prevents the aromatic hydrocarbon electrolyte from swelling with the redox flow battery solution, and stress concentration at the boundary with the separator and tearing due to the liquid flow. Very important.
Specifically, the area swelling rate of the ion exchange membrane defined in the following examples is determined for each of the membrane composited with glass fiber and the membrane not composited,
The ratio obtained by (area swelling ratio of composite film) / (area swelling ratio of non-composite film) is essential to be less than 1, preferably 0.9 or less, and more preferably 0.8 or less.

以下、実施例および比較例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、前記及び後記の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更して実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお下記実施例および比較例において「部」、「%」とあるのは、それぞれ質量部、質量%を意味する。また、(表1)にレドックスフロー電池の構成を図示する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples, and can be implemented with appropriate modifications within a range that can be adapted to the above and the gist described below. These are all included in the technical scope of the present invention. In the following examples and comparative examples, “parts” and “%” mean parts by mass and mass%, respectively. In addition, (Table 1) illustrates the configuration of the redox flow battery.

先ず、実施例および比較例によって製造した芳香族炭化水素系電解質(膜)や高分子電解質(膜)の対数粘度、残留溶剤量、カチオン置換率の測定方法、含水率の評価方法について説明し、次いで具体的に実施、比較例を説明する。   First, the logarithmic viscosity of aromatic hydrocarbon electrolytes (membranes) and polymer electrolytes (membranes) produced by Examples and Comparative Examples, residual solvent amount, cation substitution rate measurement method, moisture content evaluation method, Next, specific implementation and comparative examples will be described.

(芳香族炭化水素系電解質のイオン性基量)
測定しようとするイオン交換膜の水分をろ紙でふき取り、23℃、50%RHの室内で1時間放置した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、Varian社製 Varian 400−MRを用いて、積算回数128回、25℃でH−NMRスペクトルを測定した。予め帰属しておいた、芳香族炭化水素系電解質に対するピークの積分値から、芳香族炭化水素系電解質膜のイオン性基量(meq/g)を算出した。なお、複合膜のイオン性基量算出については、
用いた試料重量よりガラス繊維の重量を差し引いて高分子電解質単体量のイオン性基量を算出した。また、イオン性基のアニオンがカチオンで置換されているものについては試料を上記酸性溶液との接触により遊離酸に変換した上でイオン性基量を測定することで求めた。
(Amount of ionic group of aromatic hydrocarbon electrolyte)
Moisture of the ion exchange membrane to be measured is wiped off with a filter paper, left in a room at 23 ° C. and 50% RH for 1 hour, dissolved in deuterated dimethyl sulfoxide, and integrated using a Varian Varian 400-MR. 1 H-NMR spectrum was measured 128 times at 25 ° C. The ionic group amount (meq / g) of the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane was calculated from the integral value of the peak with respect to the aromatic hydrocarbon electrolyte previously assigned. For the calculation of the ionic group amount of the composite membrane,
The weight of the glass fiber was subtracted from the weight of the sample used to calculate the amount of ionic groups of the polymer electrolyte alone. Moreover, about what substituted the anion of the ionic group with the cation, it calculated | required by measuring the amount of ionic groups after converting a sample into a free acid by contact with the said acidic solution.

(芳香族炭化水素系電解質や、その膜のイオン性基のカチオン置換率)
誘導結合プラズマ発光分析法により、高分子電解質(膜)中のNa、及びKの定量を行った。上記のH−NMR分析によって求められた、高分子電解質(膜)のイオン性基量と、Na量及びK量から、カチオン置換率を求めた。
カチオン置換率(モル%)
={(CNa/23.0+C/39.1)÷1000}÷C×100
Naは、Na含有量(mg/kg)を、CはK含有量(mg/kg)を、Cは酸性基量(mmol/g)を、それぞれ表す。
なお、複合膜中のカチオン置換率を求める際にはガラス繊維基材の寄与を差し引き、芳香族炭化水素系電解質単独の値を用いた。
(Cation substitution rate of aromatic hydrocarbon electrolytes and ionic groups of the membrane)
Quantification of Na and K in the polymer electrolyte (membrane) was performed by inductively coupled plasma emission spectrometry. The cation substitution rate was determined from the amount of ionic groups of the polymer electrolyte (membrane), the amount of Na and the amount of K determined by the 1 H-NMR analysis.
Cation substitution rate (mol%)
= {(C Na /23.0+C K /39.1)÷1000}÷C I × 100
C Na represents the Na content (mg / kg), C K represents the K content (mg / kg), and C I represents the acidic group content (mmol / g).
In addition, when calculating | requiring the cation substitution rate in a composite film, the contribution of a glass fiber base material was subtracted and the value of aromatic hydrocarbon type electrolyte alone was used.

(芳香族炭化水素系電解質の対数粘度)
芳香族炭化水素系電解質を、0.5g/dLの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶剤のみの落下秒数、cは試料溶液のポリマー濃度[単位:g/dL])。
(Log viscosity of aromatic hydrocarbon electrolyte)
The aromatic hydrocarbon electrolyte was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb ] / C (ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent alone, and c is the polymer concentration of the sample solution [unit: g / dL]).

(残留溶剤の測定)
測定しようとする芳香族炭化水素系電解質膜の水分をろ紙でふき取り、23℃、50%RHの室内で1時間放置した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、Varian社製 Varian 400−MRを用いて、積算回数128回、25℃でH−NMRスペクトルを測定した。予め帰属しておいた、芳香族炭化水素系電解質、及び溶剤に対するピークの積分値から、芳香族炭化水素系電解質に対する残留溶剤量を算出した。
(Measurement of residual solvent)
Moisture of the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane to be measured is wiped off with a filter paper, left in a room at 23 ° C. and 50% RH for 1 hour, dissolved in deuterated dimethyl sulfoxide, and Varian 400-MR manufactured by Varian is used. The 1 H-NMR spectrum was measured at 25 ° C. using 128 times of integration. The residual solvent amount with respect to the aromatic hydrocarbon electrolyte was calculated from the integral value of the peak with respect to the aromatic hydrocarbon electrolyte and the solvent previously assigned.

(ガラス繊維基材の強度)
ガラス繊維基材を23℃、相対湿度50%の環境で24時間調湿し、その後
JIS K 7127に従って評価した。
(Strength of glass fiber substrate)
The glass fiber substrate was conditioned for 24 hours in an environment of 23 ° C. and 50% relative humidity, and then evaluated according to JIS K 7127.

(イオン交換膜の取扱い性)
たて25cm、よこ25cmの板をガラス盤の上に置き、その後膜を単体で1m離れた位置に置いたガラス板の上に移す際に必要な作業及び移したイオン交換膜の形態を下記5段階評価した。
1:片手、両手いずれで運んだ膜もくっついてしまい修正不可であった
2:片手で運んだ膜はくっついてしまい修正不可であったが、
両手で運んだ膜はくっついてしまうが修正可であった。
3:片手で運んだ膜はくっついてしまうが修正可であり、
両手で運んだ膜はくっつかず、多少のしわ、反りのみ発生した。
4:片手で運ぶことができ、多少のしわ、反りのみ発生した。
5:片手で運ぶことができ、形態に問題は現れなかった。
(Handling of ion exchange membrane)
The work required when placing a plate of 25 cm long and 25 cm wide on a glass plate and then transferring the membrane alone onto a glass plate placed 1 m away and the form of the transferred ion exchange membrane are shown below. Graded.
1: The film carried with one hand or both hands stuck together and could not be corrected. 2: The film carried with one hand stuck together and could not be modified.
The film carried with both hands would stick, but could be corrected.
3: The film carried with one hand sticks, but can be corrected.
The film carried with both hands did not stick and only some wrinkles and warping occurred.
4: Can be carried with one hand, only some wrinkles and warping occurred.
5: Can be carried with one hand, no problem in form.

(イオン交換膜の面積膨潤率)
イオン交換膜を23℃、相対湿度50%で24時間調湿後に50mm四方の正方形を描き、その後23℃、純水中で24時間保持後複合膜を引き揚げて速やかに表面の水分を除いた後測長して面積を比較し、面積膨潤率を算出した。
(Area swelling rate of ion exchange membrane)
After conditioning the ion exchange membrane at 23 ° C. and 50% relative humidity for 24 hours, draw a square of 50 mm square, and then hold it at 23 ° C. for 24 hours in pure water, then lift the composite membrane to quickly remove the surface moisture The length was measured and the areas were compared, and the area swelling rate was calculated.

(レドックスフロー電池特性)
イオン交換膜を炭素電極材料(東洋紡社製XF30A)で挟み込み、図1で示したようなセルを組み立てた。上下方向(通液方向)に10cm、幅方向に1cmの電極面積10cmを有する小型のセルを作り、定電流密度で充放電を繰り返し、電流効率、セル抵抗、エネルギー効率、電圧効率を下記の通りに算出した。また、正極電解液には2mol/lのオキシ硫酸バナジウムの3mol/l硫酸水溶液を用い、負極電解液には2mol/lの硫酸バナジウムの3mol/l硫酸水溶液を用いた。電解液量はセル、配管に対して大過剰とした。液流量は毎分6.2mlとし、30℃で測定を行った。
(Redox flow battery characteristics)
The ion exchange membrane was sandwiched between carbon electrode materials (XF30A manufactured by Toyobo Co., Ltd.) to assemble a cell as shown in FIG. A small cell having an electrode area of 10 cm 2 of 10 cm in the vertical direction (liquid passing direction) and 1 cm in the width direction is made, and charging / discharging is repeated at a constant current density, and the current efficiency, cell resistance, energy efficiency, and voltage efficiency are as follows. Calculated as follows. Moreover, 3 mol / l sulfuric acid aqueous solution of 2 mol / l vanadium oxysulfate was used for the positive electrode electrolyte, and 3 mol / l sulfuric acid aqueous solution of 2 mol / l vanadium sulfate was used for the negative electrode electrolyte. The amount of the electrolytic solution was excessively large with respect to the cell and the piping. The liquid flow rate was 6.2 ml per minute, and the measurement was performed at 30 ° C.

(レドックスフロー電池耐久性(サイクル回数))
1.0Vのセルに対し電流密度を電極幾何面積当たり100mA/cm2(全体で1600mA)として1.6Vまでの定電流充電を行い、次に1.6Vから電流密度を電極幾何面積当たり100mA/cm2(全体で1600mA)とした定電流放電を行って1.0Vに到達した時点を1サイクルとする。
このサイクルを充放電が不可能になるまで繰り返し、その際のサイクル数を
レドックスフロー電池耐久性とする。
(Redox flow battery durability (cycle count))
A constant current charge up to 1.6 V is performed with a current density of 100 mA / cm 2 per electrode geometric area (1600 mA overall) for a 1.0 V cell, and then the current density is increased from 1.6 V to 100 mA / cm 2 per electrode geometric area. One cycle is defined as the time when constant current discharge is performed (1600 mA in total) and 1.0V is reached.
This cycle is repeated until charge / discharge is impossible, and the number of cycles at that time is defined as redox flow battery durability.

(実施例1)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)50.00g(0.1012mole)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)22.215g(0.1288mole)、4,4’−ビフェノール42.846g(0.2299mole)、炭酸カリウム34.957g(0.2529mole)、モレキュラーシーブ26.10gを1L四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。300mlのNMPを入れて、150℃で一時間撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約5時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.25を示し、上記構造式において、m=44であった。
Example 1
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 50.00 g (0.1012 mole), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 22.215 g ( 0.1288 mole), 42.846 g (0.2299 mole) of 4,4′-biphenol, 34.957 g (0.2529 mole) of potassium carbonate, and 26.10 g of molecular sieves were weighed into a 1 L four-necked flask and flushed with nitrogen. . After adding 300 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 5 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.25, and m = 44 in the above structural formula.

ポリマー10gをNMP30gに溶解して25重量%の溶液を作成し、これを32μmのギャップを持ったアプリケーターでPETフィルム上に塗布した。次にCガラスペーパー(厚み50μm)を塗布後の溶液上に乗せて下面からの含浸を行った後、この上から再度352μmのギャップを持ったアプリケーターで該溶液を塗工し、上面からの含浸を行った。本塗工品を130℃、30分間ホットプレート上で乾燥した後、純水に1時間、3回浸漬して脱溶剤、その後風乾、PETフィルムから剥離して厚み54μmの複合膜を得た。得られた複合膜の取扱い性は4であり、高い取扱い性を確認できた。
本複合体のレドックスフロー電池耐久性を評価した所、サイクル数は1900回と、非常に高い耐久性を確認できた。
10 g of the polymer was dissolved in 30 g of NMP to prepare a 25% by weight solution, which was applied onto a PET film with an applicator having a gap of 32 μm. Next, C glass paper (thickness 50 μm) was placed on the solution after application and impregnated from the lower surface. Then, the solution was applied again from above with an applicator having a gap of 352 μm, and impregnation from the upper surface. Went. The coated product was dried on a hot plate at 130 ° C. for 30 minutes, then immersed in pure water for 3 hours for 1 hour to remove the solvent, then air-dried and peeled from the PET film to obtain a composite film having a thickness of 54 μm. The handleability of the obtained composite membrane was 4, and high handleability could be confirmed.
When the redox flow battery durability of this composite was evaluated, the number of cycles was 1900 times, and very high durability could be confirmed.

(実施例2)
実施例1のポリマー9gをNMP41gに溶解して18重量%の溶液を作成し、これを82μmのギャップを持ったアプリケーターでPETフィルム上に塗布した。次に、実施例1のポリマー4gをNMP28gに溶解して12.5重量%の溶液を作成後バットに入れて含浸用溶液とし、購入によって得たEガラスクロス(厚み15μm、平織り)を含浸用溶液に浸漬し、2本のロール間で絞った後PETフィルム上に置き、この上から再度18重量%の溶液を482μmのギャップを持ったアプリケーターで塗工し、80℃で30分、130℃で30分の乾燥を行った後に純水に1時間、3回浸漬して脱溶剤、2Mの硫酸水溶液に1時間、2回浸漬して酸変換、さらに純水で30分、5回浸漬洗浄した後風乾、PETフィルムから剥離して厚み51μmの複合体を得た。得られた複合膜の取扱い性は4であり、高い取扱い性を確認できた。
本複合体のレドックスフロー電池耐久性を評価した所、サイクル数は1250回と、非常に高い耐久性を確認できた。
(Example 2)
9 g of the polymer of Example 1 was dissolved in 41 g of NMP to prepare an 18% by weight solution, which was applied onto a PET film with an applicator having a gap of 82 μm. Next, 4 g of the polymer of Example 1 was dissolved in 28 g of NMP to prepare a 12.5 wt% solution, which was then put into a vat to make an impregnation solution, and an E glass cloth (thickness 15 μm, plain weave) obtained by purchase was used for impregnation. After immersing in the solution and squeezing between two rolls, it is placed on a PET film. From this, 18% by weight of the solution is applied again with an applicator having a gap of 482 μm, and at 80 ° C. for 30 minutes, 130 ° C. After drying for 30 minutes, remove the solvent by immersion in pure water for 1 hour and 3 times for 1 hour, soak in 2M sulfuric acid aqueous solution for 1 hour and 2 times for acid conversion, and then wash by immersion in pure water for 30 minutes and 5 times. After air drying and peeling from the PET film, a 51 μm thick composite was obtained. The handleability of the obtained composite membrane was 4, and high handleability could be confirmed.
When the redox flow battery durability of this composite was evaluated, the cycle number was 1250 times, and very high durability could be confirmed.

(実施例3)
実施例1のポリマー12gをNMP188gに溶解して6重量%の溶液を作成し、これをプラスチックバットに入れて含浸用溶液とした。次に実施例2で使用したものと同じ厚み、平織りのCガラスクロスを含浸用溶液に浸漬し、引き揚げた後90℃で10分乾燥することを3回繰り返して厚み53μmの複合膜を得た。
この複合膜をさらに2Mの硫酸水溶液に1時間、2回浸漬して酸変換、さらに純水で30分、5回浸漬洗浄した後風乾して厚み51μmの複合膜を得た。得られた複合膜の取扱い性は5であり、非常に高い取扱い性を確認できた。
(Example 3)
12 g of the polymer of Example 1 was dissolved in 188 g of NMP to prepare a 6% by weight solution, which was placed in a plastic vat to make an impregnation solution. Next, a plain weave C glass cloth having the same thickness as that used in Example 2 was dipped in the impregnation solution, pulled up, and dried at 90 ° C. for 10 minutes three times to obtain a composite film having a thickness of 53 μm. .
This composite membrane was further immersed in a 2M sulfuric acid aqueous solution for 1 hour twice to perform acid conversion, further immersed in pure water for 30 minutes, washed 5 times, and then air-dried to obtain a composite membrane having a thickness of 51 μm. The handleability of the obtained composite membrane was 5, and very high handleability could be confirmed.

(比較例1)
実施例1のポリマー10gをNMP30gに溶解して25重量%の溶液を作成し、これをPETフィルム上に170μmの厚みになるよう塗工し、130℃、30分間ホットプレート上で乾燥した後、純水に1時間、3回浸漬して脱溶剤、その後風乾、PETフィルムから剥離して厚み30μmの単膜を得た。得られた複合膜の取扱い性は3であった。
本単膜のレドックスフロー電池耐久性を評価した所、サイクル数は550回であった。
(Comparative Example 1)
10 g of the polymer of Example 1 was dissolved in 30 g of NMP to prepare a 25 wt% solution, which was applied to a thickness of 170 μm on a PET film and dried on a hot plate at 130 ° C. for 30 minutes. It was immersed in pure water for 1 hour and 3 times to remove the solvent, then air-dried and peeled from the PET film to obtain a single film having a thickness of 30 μm. The handleability of the obtained composite membrane was 3.
When the redox flow battery durability of this single membrane was evaluated, the number of cycles was 550.

(比較例2)
比較例1の膜を脱溶剤後2Mの硫酸水溶液に1時間、2回浸漬して酸変換、さらに純水で30分、5回浸漬洗浄した後風乾、PETフィルムから剥離して厚み30μmの単膜を得た。この膜の滴定で求めたIECは2.03であった。
また、得られた複合膜の取扱い性は3であった。
本単膜のレドックスフロー電池耐久性を評価した所、サイクル数は230回であった。
(Comparative Example 2)
The film of Comparative Example 1 was removed from the solvent and then immersed in a 2M aqueous sulfuric acid solution for 1 hour and twice for acid conversion, further immersed in pure water for 30 minutes and washed 5 times, then air-dried, peeled off from the PET film, and 30 μm thick. A membrane was obtained. The IEC determined by titration of this membrane was 2.03.
Moreover, the handleability of the obtained composite membrane was 3.
When the redox flow battery durability of this single membrane was evaluated, the number of cycles was 230.

(比較例3)
比較例1の膜を両側から実施例1で用いたCガラスペーパーで挟みこみ、複合体を得た。得られた複合体の取扱い性は3であった。本複合体のレドックスフロー電池耐久性を評価した所、サイクル数は550回であった。
(Comparative Example 3)
The composite film was obtained by sandwiching the film of Comparative Example 1 from both sides with the C glass paper used in Example 1. The handleability of the resulting composite was 3. When the redox flow battery durability of this composite was evaluated, the number of cycles was 550.

本発明のイオン交換膜は、ガラス繊維基材と芳香族炭化水素系電解質との複合化を図ることで、使用時の耐久性及び取扱い性を大幅に向上させることができるものであり、レドックスフロー電池や燃料電池などに用いる高分子電解質膜を提供する手段として産業界に大きく寄与するものである。   The ion exchange membrane of the present invention can greatly improve durability and handleability during use by combining a glass fiber substrate and an aromatic hydrocarbon-based electrolyte. It greatly contributes to the industry as a means for providing a polymer electrolyte membrane used in batteries, fuel cells, and the like.

1…集電板
2…スペーサ
3…イオン交換膜
4a,b…通液路
5…電極材
6…正極液タンク
7…負極液タンク
8,9…ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Current collecting plate 2 ... Spacer 3 ... Ion exchange membrane 4a, b ... Liquid passage 5 ... Electrode material 6 ... Positive electrode liquid tank 7 ... Negative electrode liquid tank 8, 9 ... Pump

Claims (11)

強度が0.4MPa以上であるガラス繊維基材中に、アニオン性基を有する芳香族系炭化水素系高分子電解質を含有した複合膜であって、該芳香族系炭化水素系高分子電解質は溶剤を含有し、該複合膜の厚みが10μm以上であり、
該芳香族炭化水素系高分子電解質が、一般式(1)で示される構成成分を含むとともに、該アニオン性基として少なくともスルホン酸基を有することを特徴とするイオン交換膜。
ただし、Xは1価又は2価の基で、ニトリル基、アルコキシ基、アミノ基、アミド基、エステル基、カルボキシル基のいずれかを、Zは酸素原子、硫黄原子、スルホニル基、直接結合のいずれかを、Ar’は2価の芳香族基を示す。
A composite membrane containing an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte having an anionic group in a glass fiber substrate having a strength of 0.4 MPa or more, wherein the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is a solvent And the thickness of the composite film is 10 μm or more,
The ion-exchange membrane characterized in that the aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte includes a constituent represented by the general formula (1) and has at least a sulfonic acid group as the anionic group.
However, X is a monovalent or divalent group, and any of a nitrile group, an alkoxy group, an amino group, an amide group, an ester group, and a carboxyl group, and Z is any of an oxygen atom, a sulfur atom, a sulfonyl group, and a direct bond Ar ′ represents a divalent aromatic group.
前記芳香族炭化水素系高分子電解質において、一般式(2)で示される構成成分をさらに含み、かつ前記一般式(1)が一般式(3)で示される構成成分であることを特徴とする請求項1に記載のイオン交換膜。
ただし、Arは2価の芳香族基、Zはスルホニル基またはカルボニル基、XはHまたは1価または2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 aromatic hydrocarbon polymer electrolyte further includes a constituent represented by the general formula (2), and the general formula (1) is a constituent represented by the general formula (3). The ion exchange membrane according to claim 1.
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Z represents a sulfonyl group or a carbonyl group, and X represents H or a monovalent or divalent cation species.

However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
前記電解質複合膜において、前記芳香族系炭化水素系高分子電解質のアニオン性基の総量を100モル%としたとき、該アニオン性基の80モル%以上が、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属のカチオンと塩を形成していることを特徴とする請求項1、2のいずれかに記載のイオン交換膜。 In the electrolyte composite membrane, when the total amount of anionic groups of the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is 100 mol%, 80 mol% or more of the anionic groups are alkali metal or alkaline earth metal cations. The ion exchange membrane according to claim 1, wherein a salt is formed. 前記カチオンがナトリウムイオン、カリウムイオン、セシウムイオン、マグネシウムイオン、及びカルシウムイオンからなる群より選択されてなる一種以上であることを特徴とする請求項3に記載のイオン交換膜。 The ion exchange membrane according to claim 3, wherein the cation is one or more selected from the group consisting of sodium ion, potassium ion, cesium ion, magnesium ion, and calcium ion. 前記電解質複合膜において、前記芳香族系炭化水素系高分子電解質のアニオン性基の総量を100モル%としたとき、該アニオン性基の90モル%以上が遊離の酸であることを特徴とする請求項1、2のいずれかに記載のイオン交換膜。   In the electrolyte composite membrane, when the total amount of anionic groups in the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is 100 mol%, 90 mol% or more of the anionic groups are free acids. The ion exchange membrane according to claim 1. 前記芳香族炭化水素系高分子電解質中の前記スルホン酸基の含有量が0.1〜5.0meq/gの範囲にあることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のイオン交換膜。   The ion exchange according to any one of claims 1 to 5, wherein a content of the sulfonic acid group in the aromatic hydrocarbon polymer electrolyte is in a range of 0.1 to 5.0 meq / g. film. 前記イオン交換膜が、請求項1、2のいずれかに記載の芳香族炭化水素系高分子電解質を50〜100質量%含む組成物からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のイオン交換膜。   The said ion exchange membrane consists of a composition which contains 50-100 mass% of aromatic hydrocarbon type polymer electrolytes in any one of Claim 1, 2, The one in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. The ion exchange membrane as described. 前記ガラス繊維基材がガラスヤーン、ガラスクロス、ガラスペーパー、ガラスグリッドのいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のイオン交換膜。   The ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the glass fiber substrate is one of glass yarn, glass cloth, glass paper, and glass grid. 請求項1〜8のいずれかに記載のイオン交換膜の製造方法であって、アニオン性基を有する芳香族系炭化水素系高分子電解質を溶剤に溶解させた溶液をガラス繊維基材に含浸させた後、該溶剤を除去して厚さが5〜300μmの範囲の複合膜とする、イオン交換膜の製造方法。   The method for producing an ion exchange membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein a glass fiber substrate is impregnated with a solution obtained by dissolving an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte having an anionic group in a solvent. Thereafter, the solvent is removed to obtain a composite membrane having a thickness in the range of 5 to 300 μm. 請求項1〜8のいずれかに記載のイオン交換膜を使用することを特徴とするレドックスフロー電池。   A redox flow battery using the ion exchange membrane according to claim 1. 請求項1、2または5に記載のイオン交換膜を使用することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the ion exchange membrane according to claim 1, 2 or 5.
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