JP2014234445A - Polymer electrolyte composition, as well as polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell using the same - Google Patents

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久遠 宮崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte composition with which a highly durable polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell are obtained, and to provide the highly durable polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, the membrane electrode assembly, and the solid polymer fuel cell using the same.SOLUTION: A polymer electrolyte composition contains a polymer electrolyte (a), and a compound (b) containing at least one metal element selected from a group consisting of tantalum and niobium.

Description

本発明は、高分子電解質組成物、並びに、それを用いた、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte composition, and a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell using the same.

燃料電池は、電池内で、水素、メタノール等を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを、直接、電気エネルギーに変換して取り出すものであり、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、固体高分子型燃料電池は、他と比較して低温で作動することから、自動車代替動力源、家庭用コジェネレーションシステム、携帯用発電機等として期待されている。   A fuel cell is one that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically oxidizing hydrogen, methanol, etc. in the battery, and is attracting attention as a clean electrical energy supply source. ing. In particular, solid polymer fuel cells are expected to be used as alternative power sources for automobiles, home cogeneration systems, portable generators, and the like because they operate at lower temperatures than others.

このような固体高分子型燃料電池は、電極触媒層とガス拡散層とが積層されたガス拡散電極がプロトン交換膜の両面に接合された膜電極接合体を少なくとも備えている。ここでいうプロトン交換膜は、高分子鎖中にスルホン酸基、カルボン酸基等の強酸性基を有し、プロトンを選択的に透過する性質を有する組成物からなる膜である。このようなプロトン交換膜に使用される組成物としては、化学的安定性の高いナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン組成物を用いたプロトン交換膜が好適に用いられる。   Such a polymer electrolyte fuel cell includes at least a membrane electrode assembly in which a gas diffusion electrode in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated is bonded to both surfaces of a proton exchange membrane. The proton exchange membrane here is a membrane made of a composition having a strongly acidic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in the polymer chain and a property of selectively transmitting protons. As a composition used for such a proton exchange membrane, a proton exchange membrane using a perfluoro proton composition typified by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) having high chemical stability is preferably used. It is done.

燃料電池の運転時においては、アノード側のガス拡散電極に燃料(例えば、水素)、カソード側のガス拡散電極に酸化剤(例えば、酸素や空気)がそれぞれ供給され、両電極間が外部回路で接続されることにより、燃料電池の作動が実現される。具体的には、水素を燃料とした場合、アノード触媒上で水素が酸化されてプロトンが生じる。このプロトンは、アノード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換膜内を移動し、カソード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通ってカソード触媒上に達する。一方、水素の酸化によりプロトンと同時に生じた電子は、外部回路を通ってカソード側ガス拡散電極に到達する。カソード触媒上では、上記プロトンと酸化剤中の酸素とが反応して水素が生成される。そして、このとき電気エネルギーが取り出される。   During operation of the fuel cell, fuel (for example, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and oxidant (for example, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side. By being connected, the operation of the fuel cell is realized. Specifically, when hydrogen is used as fuel, hydrogen is oxidized on the anode catalyst to generate protons. After passing through the proton conductive polymer in the anode catalyst layer, the protons move in the proton exchange membrane and reach the cathode catalyst through the proton conductive polymer in the cathode catalyst layer. On the other hand, electrons generated simultaneously with protons by oxidation of hydrogen reach the cathode side gas diffusion electrode through an external circuit. On the cathode catalyst, the protons react with oxygen in the oxidant to generate hydrogen. At this time, electric energy is extracted.

この際、プロトン交換膜は、ガスバリア隔壁としての役割も果たす必要がある。プロトン交換膜のガス透過率が高いと、アノード側水素のカソード側へのリーク及びカソード側酸素のアノード側へのリーク、すなわち、クロスリークが発生する。クロスリークが発生すると、いわゆるケミカルショートの状態となって良好な電圧が取り出せなくなるほか、アノード側水素とカソード側酸素が反応して過酸化水素が発生する。この過酸化水素は電池に供給される加湿ガスの供給配管等に含まれる微量な金属(Fe、Cr、Ni等のイオン)によって分解され、ヒドロキシラジカルや過酸化ラジカルが生成する。これらのラジカルによりプロトン交換膜の劣化が促進されるという問題が生じる。   At this time, the proton exchange membrane must also serve as a gas barrier partition. When the gas permeability of the proton exchange membrane is high, leakage of anode-side hydrogen to the cathode and leakage of cathode-side oxygen to the anode, that is, cross-leakage occurs. When a cross leak occurs, a so-called chemical short circuit occurs and a good voltage cannot be taken out, and hydrogen on the anode side reacts with oxygen on the cathode side. This hydrogen peroxide is decomposed by a trace amount of metal (ions such as Fe, Cr, Ni, etc.) contained in the supply pipe of the humidified gas supplied to the battery to generate hydroxy radicals and peroxide radicals. These radicals cause a problem that the deterioration of the proton exchange membrane is promoted.

特に燃料電池自動車の場合、車両コストの削減の観点から、80℃を越えるような高温運転、加湿器削減による湿度30%RH以下のような低加湿運転、金属製のバイポーラプレートの使用が見込まれる。上記のような高温低加湿運転を行う場合、耐久性に優れていると言われているパーフルオロ系プロトン交換膜を隔膜に用いても膜の劣化が加速されるという問題が生じる。また金属製のバイポーラプレートを用いた場合、運転中に徐々に金属(Fe、Cr、Ni等)が溶け出し、溶け出した金属のイオンが過酸化水素の分解を促進し、ラジカル種が生成し、プロトン交換膜の劣化を促進する恐れがある。   In particular, in the case of fuel cell vehicles, from the viewpoint of reducing vehicle costs, high temperature operation exceeding 80 ° C., low humidification operation such as humidity of 30% RH or less by reducing humidifiers, and use of metal bipolar plates are expected. . When performing the above-described high-temperature and low-humidification operation, there is a problem that the deterioration of the membrane is accelerated even if a perfluoro proton exchange membrane, which is said to be excellent in durability, is used for the diaphragm. When a metal bipolar plate is used, the metal (Fe, Cr, Ni, etc.) gradually dissolves during operation, and the dissolved metal ions promote the decomposition of hydrogen peroxide, generating radical species. There is a risk of accelerating the deterioration of the proton exchange membrane.

上記のようなラジカル種によるプロトン交換膜の劣化を抑制する方法として、高分子電解質膜中に金属酸化物(例えば、酸化マンガン、酸化コバルト等)を分散配合する方法(例えば、特許文献1参照。)、高分子電解質膜中にヒドロキシラジカルの酸化還元電位よりも低い電位で還元剤として働き、かつ、過酸化水素が還元剤として働く酸化還元電位よりも高い電位で酸化剤として働く酸化還元サイクルを有する化合物(N−ヒドロキシフタルイミド)を配合する方法(例えば、特許文献2参照。)や高分子電解質膜中にラジカルトラップ剤(フェノール性水酸基を有する化合物)を配合する方法(例えば、特許文献3参照。)等が開示されている。   As a method for suppressing the deterioration of the proton exchange membrane due to the radical species as described above, a method in which a metal oxide (eg, manganese oxide, cobalt oxide, etc.) is dispersed and blended in the polymer electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1). ), A redox cycle in the polymer electrolyte membrane that acts as a reducing agent at a potential lower than the redox potential of the hydroxy radical, and that acts as an oxidizing agent at a potential higher than the redox potential at which hydrogen peroxide acts as a reducing agent. A method of blending a compound having a compound (N-hydroxyphthalimide) (for example, see Patent Document 2) or a method of blending a radical trapping agent (compound having a phenolic hydroxyl group) in a polymer electrolyte membrane (for example, see Patent Document 3) Etc.) are disclosed.

特開2001−118591号公報JP 2001-118591 A 特開2006−49263号公報JP 2006-49263 A 特開2000−223135号公報JP 2000-223135 A

しかしながら、上記特許文献1、特許文献2に記載された方法では、過酸化水素分解物質の酸性、耐熱性が不充分であるために過酸化水素分解能の持続性の観点からなお改善の余地がある。特許文献3に開示された方法では、ラジカル捕捉剤がラジカルを捕捉した後に再生しないため、過酸化水素トラップの持続性や添加量の観点からなお改善の余地がある。これらの特許文献ではいずれも発生したラジカル種を捕捉するものであり、ラジカルの発生源となる過酸化水素の分解を抑制するものではない。   However, in the methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2, there is still room for improvement from the viewpoint of sustainability of hydrogen peroxide resolution because the hydrogen peroxide-decomposing substance has insufficient acidity and heat resistance. . In the method disclosed in Patent Document 3, since the radical scavenger does not regenerate after scavenging the radicals, there is still room for improvement from the viewpoint of the sustainability and addition amount of the hydrogen peroxide trap. These patent documents all capture the generated radical species and do not suppress the decomposition of hydrogen peroxide, which is a radical generation source.

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性の高い、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池を得ることができる高分子電解質組成物、並びに、それを用いた、耐久性の高い、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a polymer that can provide a highly durable polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell. It is an object of the present invention to provide an electrolyte composition, and a highly durable polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte composition.

本発明者らは、上記課題を解決する為に鋭意検討した結果、高分子電解質膜が分解する原因となるラジカル種の発生源である過酸化水素の分解を抑制することができれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明をするに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors can solve the above-mentioned problems if the decomposition of hydrogen peroxide, which is a source of radical species that cause the polymer electrolyte membrane to decompose, can be suppressed. The inventors have found that the problem can be solved and have come to the present invention.

すなわち本発明は、以下のとおりである。
〔1〕
高分子電解質(a)と、
タンタル及びニオブからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物(b)と、を含有する、
高分子電解質組成物。
〔2〕
前記化合物(b)が、硫酸塩、炭酸塩、リン酸塩、及びカルボン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1つである、前項〔1〕に記載の高分子電解質組成物。
〔3〕
ラジカル捕捉剤(c)をさらに含有する、前項〔1〕又は〔2〕に記載の高分子電解質組成物。
〔4〕
前記高分子電解質(a)が、下記式[1]で示される、前項〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の高分子電解質組成物。
−[CF2CX12a−[CF2−CF(−O−(CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− [1]
(式[1]中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、
bは、0以上8以下の整数である。cは0又は1であり、
d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数であり
fは、0以上10以下の整数であり、
ただし、d+e+fは0に等しくなく、
1及びR2は、互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基であり、
4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZであり、ここで、Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子又はアミン類(NH4、NH33、NH234、NHR345、NR3456)であり、またR3、R4、R5及びR6はアルキル基又はアレーン基である。)
〔5〕
前項〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の高分子電解質組成物を含む、高分子電解質膜。
〔6〕
前項〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の高分子電解質組成物を含む、電極触媒層。
〔7〕
前項〔5〕に記載の高分子電解質膜、及び/又は、前項〔6〕に記載の電極触媒層を有する、膜電極接合体。
〔8〕
前項〔7〕に記載の膜電極接合体を有する、固体高分子型燃料電池。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A polymer electrolyte (a);
A compound (b) containing at least one metal element selected from the group consisting of tantalum and niobium,
Polymer electrolyte composition.
[2]
The polymer electrolyte composition according to [1], wherein the compound (b) is at least one selected from the group consisting of sulfates, carbonates, phosphates, and carboxylates.
[3]
The polymer electrolyte composition according to [1] or [2] above, further containing a radical scavenger (c).
[4]
The polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [3], wherein the polymer electrolyte (a) is represented by the following formula [1].
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2) f -X 4)] g - [1]
(In the formula [1], X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1,
b is an integer of 0 or more and 8 or less. c is 0 or 1,
d and e are each independently an integer of 0 or more and 6 or less, and f is an integer of 0 or more and 10 or less,
However, d + e + f is not equal to 0,
R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
X 4 is COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom or an amine (NH 4 , NH 3 R 3 , NH 2 R 3 R 4 , NHR 3 R 4 R 5 , NR 3 R 4 R 5 R 6 ), and R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups or arene groups. )
[5]
A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [4] above.
[6]
An electrode catalyst layer comprising the polymer electrolyte composition according to any one of [1] to [4] above.
[7]
A membrane / electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to [5] above and / or the electrode catalyst layer according to [6] above.
[8]
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to [7] above.

本発明によれば、耐久性の高い、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池を得ることができる高分子電解質組成物、並びに、それを用いた、耐久性の高い、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a highly durable polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a polymer electrolyte composition capable of obtaining a solid polymer fuel cell, and using the same, A highly durable polymer electrolyte membrane, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell can be provided.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing variously within the range of the summary.

〔高分子電解質組成物〕
本実施形態に係る高分子電解質組成物は、高分子電解質(a)と、タンタル及びニオブからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物(b)と、を含有する。これにより、高分子電解質の分解の要因となるラジカル種の発生源となる過酸化水素の分解を抑制することができ、高温低加湿及び金属イオンが多く発生する運転条件下等でも耐久性に優れる。また、このような高分子電解質組成物を含む、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池も耐久性により優れるものとなる。
[Polymer electrolyte composition]
The polymer electrolyte composition according to this embodiment contains a polymer electrolyte (a) and a compound (b) containing at least one metal element selected from the group consisting of tantalum and niobium. As a result, it is possible to suppress the decomposition of hydrogen peroxide, which is a source of radical species that cause decomposition of the polymer electrolyte, and it is excellent in durability under high temperature and low humidity and operating conditions where a large amount of metal ions are generated. . In addition, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell containing such a polymer electrolyte composition are also excellent in durability.

〔高分子電解質(a)〕
高分子電解質(a)としては、特に限定されないが、例えば、分子中にフッ素元素及び/又はイオン交換基を含有する高分子電解質が好ましい。高分子電解質(a)のイオン交換容量は、0.5〜3.0ミリ当量/gが好ましく、0.65〜2.0ミリ当量/gがより好ましく、0.8〜1.5ミリ当量/gがさらに好ましい。イオン交換容量が3.0ミリ当量/g以下であることにより、高分子電解質膜として利用した際に、高分子電解質膜が燃料電池運転中の高温高加湿下における高分子電解質膜の膨潤が低減される傾向にある。このように膨潤が低減されることにより、高分子電解質膜の強度の低下や、しわが発生して電極から剥離したりするなどの問題、さらには、ガス遮断性が低下する問題を低減できる傾向にある。また、イオン交換容量を0.5ミリ当量/g以上であることにより、得られた高分子電解質膜を備えた燃料電池の発電能力がより向上する傾向にある。なお、イオン交換容量は、実施例に記載の方法により求めることができる
[Polymer electrolyte (a)]
Although it does not specifically limit as a polymer electrolyte (a), For example, the polymer electrolyte which contains a fluorine element and / or an ion exchange group in a molecule | numerator is preferable. The ion exchange capacity of the polymer electrolyte (a) is preferably 0.5 to 3.0 meq / g, more preferably 0.65 to 2.0 meq / g, and 0.8 to 1.5 meq / g. / G is more preferable. When the ion exchange capacity is 3.0 meq / g or less, when used as a polymer electrolyte membrane, swelling of the polymer electrolyte membrane under high temperature and high humidity during fuel cell operation is reduced. Tend to be. By reducing the swelling in this way, there is a tendency to reduce the problems such as a decrease in the strength of the polymer electrolyte membrane, wrinkles and peeling from the electrode, and further a problem that the gas barrier property is lowered. It is in. Further, when the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more, the power generation capacity of the fuel cell including the obtained polymer electrolyte membrane tends to be further improved. The ion exchange capacity can be determined by the method described in the examples.

フッ素元素を含有する高分子電解質(a)としては、特に限定されないが、例えば、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物、又は、分子内に芳香環を有する、一部がフッ素化された炭化水素系高分子化合物にイオン交換基を導入した化合物などが好ましい。このなかでも、化学的安定性の観点から、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物がより好ましい。   The polymer electrolyte (a) containing elemental fluorine is not particularly limited. For example, a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group, or a partially fluorinated carbonization having an aromatic ring in the molecule. A compound obtained by introducing an ion exchange group into a hydrogen polymer compound is preferable. Among these, a perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group is more preferable from the viewpoint of chemical stability.

ここで、分子内に芳香環を有する、一部がフッ素化された炭化水素系高分子化合物としては、特に限定されないが、例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカーボネート等の分子中の一部がフッ素化された高分子化合物が挙げられる。   Here, the partially fluorinated hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule is not particularly limited. For example, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone. , Polyetherketone, polyetheretherketone, polythioetherethersulfone, polythioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, Polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polyimide, polyether De, polyesterimide, polyamideimide, polyarylate, aromatic polyamide, polystyrene, polyester, a portion in the molecule of the polycarbonate, and the like are fluorinated polymer compound.

この中でも、分子内に芳香環を有する、一部がフッ素化された炭化水素系高分子化合物としては、特に限定されないが、耐熱性や耐酸化性、耐加水分解性の観点から、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルスルホン、ポリチオエーテルケトン、ポリチオエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾオキサジノン、ポリキシリレン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン、ポリシアノゲン、ポリナフチリジン、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミドの分子中の一部がフッ素化された高分子化合物が好ましい。   Among these, the partially fluorinated hydrocarbon polymer compound having an aromatic ring in the molecule is not particularly limited, but from the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and hydrolysis resistance, polyphenylene sulfide, Polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polythioetherethersulfone, polythioetherketone, polythioetheretherketone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, Polybenzoxazinone, polyxylylene, polyphenylene, polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacene, polycyanogen, polynaphthyridine, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenyle Sulfone, a polyimide, polyether imide, a polymer compound in which a part of the molecule has been fluorinated polyester imide are preferable.

なお、これらに導入するイオン交換基としては、特に限定されないが、例えば、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、カルボン酸基、リン酸基等が好ましい。このなかでも、特にスルホン酸基が好ましい。   In addition, although it does not specifically limit as an ion exchange group introduce | transduced into these, For example, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group etc. are preferable. Among these, a sulfonic acid group is particularly preferable.

また、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物としては、特に限定されないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、パーフルオロカーボンカルボン酸樹脂、パーフルオロカーボンスルホンイミド樹脂、パーフルオロカーボンスルホンアミド樹脂、パーフルオロカーボンリン酸樹脂、又はこれら樹脂のアミン塩、金属塩等が挙げられる。   Further, the perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group is not particularly limited. For example, perfluorocarbon sulfonic acid resin, perfluorocarbon carboxylic acid resin, perfluorocarbon sulfonimide resin, perfluorocarbon sulfonamide resin, perfluorocarbon phosphoric acid. Examples of the resin include amine salts and metal salts of these resins.

高分子電解質(a)としては、特に限定されないが、より具体的には、下記式[1]で表される重合体が挙げられる。
−[CF2CX12a−[CF2−CF(−O−(CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− [1]
(式[1]中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、
bは0以上8以下の整数であり、
cは0又は1であり、
d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数であり、
fは、0以上10以下の整数であり、
ただし、d+e+fは0に等しくなく、
1及びR2は、互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基であり、
4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZであり、ここで、Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子又はアミン類(NH4、NH33、NH234、NHR345、NR3456)であり、またR3、R4、R5及びR6はアルキル基又はアレーン基である。)
Although it does not specifically limit as a polymer electrolyte (a), More specifically, the polymer represented by following formula [1] is mentioned.
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2) f -X 4)] g - [1]
(In the formula [1], X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1,
b is an integer of 0 to 8,
c is 0 or 1,
d and e are each independently an integer of 0 to 6,
f is an integer of 0 to 10,
However, d + e + f is not equal to 0,
R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
X 4 is COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom or an amine (NH 4 , NH 3 R 3 , NH 2 R 3 R 4 , NHR 3 R 4 R 5 , NR 3 R 4 R 5 R 6 ), and R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups or arene groups. )

中でも、下記式[2]又は式[3]で表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂もしくはその金属塩がより好ましい。
−[CF2CF2a−[CF2−CF(−O−(CF2−CF(CF3))b−O−(CF2c−SO3X)]d− [2]
(式中、a及びdは、0≦a<1、0≦d<1、a+d=1である。bは1以上8以下の整数である。cは0以上10以下の整数である。Xは水素原子又はアルカリ金属原子である。)
−[CF2CF2e−[CF2−CF(−O−(CF2f−SO3Y)]g− [3]
(式中、e及びgは、0≦e<1、0≦g<1、e+g=1である。fは0以上10以下の整数である。Yは水素原子又はアルカリ金属原子である。)
Among these, a perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by the following formula [2] or formula [3] or a metal salt thereof is more preferable.
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 3)) b -O- (CF 2) c -SO 3 X)] d - [2]
(In the formula, a and d are 0 ≦ a <1, 0 ≦ d <1, and a + d = 1. B is an integer of 1 to 8. c is an integer of 0 to 10. X Is a hydrogen atom or an alkali metal atom.)
- [CF 2 CF 2] e - [CF 2 -CF (-O- (CF 2) f -SO 3 Y)] g - [3]
(In the formula, e and g are 0 ≦ e <1, 0 ≦ g <1, and e + g = 1. F is an integer of 0 or more and 10 or less. Y is a hydrogen atom or an alkali metal atom.)

本実施形態において用いられうるイオン交換基を有するパーフルオロカーボン高分子化合物は、特に限定されないが、例えば、下記式[4]に示される前駆体ポリマーを重合した後、アルカリ加水分解、酸処理等を行って製造することができる。
−[CF2CX12a−[CF2−CF(−O−(CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X5)]g− [4]
(式中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基である。a及びgは0≦a<1,0<g≦1,a+g=1である。bは0以上8以下の整数である。cは0又は1である。d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数である。fは、0以上10以下の整数である。ただし、d+e+fは0に等しくない。R1及びR2は互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基である。X5はCOOR7、COR8又はSO28である。ここで、R7は炭素数1〜3の炭化水素系アルキル基である。R8はハロゲン元素である。)
The perfluorocarbon polymer compound having an ion exchange group that can be used in the present embodiment is not particularly limited. For example, after polymerizing a precursor polymer represented by the following formula [4], alkali hydrolysis, acid treatment, and the like are performed. Can be made.
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2) f -X 5)] g - [4]
(Wherein X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms. A and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, c is 0 or 1. d and e are independently an integer of 0 to 6, and f is 0. It is an integer of 10 or less, where d + e + f is not equal to 0. R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms or a fluorochloroalkyl group. X 5 is COOR 7 , COR 8 or SO 2 R 8 , where R 7 is a hydrocarbon alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and R 8 is a halogen element.

上記前駆体ポリマーは、特に限定されないが、例えば、フッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物とを共重合させることにより製造することができる。   Although the said precursor polymer is not specifically limited, For example, it can manufacture by copolymerizing a fluorinated olefin compound and a vinyl fluoride compound.

ここで、フッ化オレフィン化合物としては、特に限定されないが、例えば、下記化合物等が挙げられる。
CF2=CFZ
(式中、Zは、H、Cl、F、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基、又は酸素を含んでいてもよい環状パーフルオロアルキル基を示す。)
Here, although it does not specifically limit as a fluorinated olefin compound, For example, the following compound etc. are mentioned.
CF 2 = CFZ
(In the formula, Z represents H, Cl, F, a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, or a cyclic perfluoroalkyl group that may contain oxygen.)

また、フッ化ビニル化合物としては、特に限定されないが、例えば、下記化合物等が挙げられる。
CF2=CFO(CF2z−SO2F,
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2z−SO2F,
CF2=CF(CF2z−SO2F,
CF2=CF(OCF2CF(CF3))z−(CF2z-1−SO2F,
CF2=CFO(CF2z−CO2R,
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2z−CO2R,
CF2=CF(CF2z−CO2R,
CF2=CF(OCF2CF(CF3))z−(CF22−CO2
(式中、Zは1〜8の整数を示し、Rは炭素数1〜3の炭化水素系アルキル基を表す。)
Moreover, it does not specifically limit as a vinyl fluoride compound, For example, the following compound etc. are mentioned.
CF 2 = CFO (CF 2) z -SO 2 F,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) z -SO 2 F,
CF 2 = CF (CF 2) z -SO 2 F,
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2) z-1 -SO 2 F,
CF 2 = CFO (CF 2) z -CO 2 R,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) z -CO 2 R,
CF 2 = CF (CF 2) z -CO 2 R,
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2) 2 -CO 2 R
(In the formula, Z represents an integer of 1 to 8, and R represents a hydrocarbon alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.)

フッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物との共重合方法としては、特に限定されないが、例えば、以下のような方法を挙げることができる。   Although it does not specifically limit as a copolymerization method of a fluorinated olefin compound and a vinyl fluoride compound, For example, the following methods can be mentioned.

(i)溶液重合:
含フッ素炭化水素などの重合溶媒を使用し、この重合溶媒に充填溶解した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合を行う方法。上記含フッ素炭化水素としては、特に限定されないが、例えば、トリクロロトリフルオロエタン、1,1,1,2,3,4,4,5,5,5−デカフロロペンタンなど、「フロン」と総称される化合物群を好適に使用することができる。
(I) Solution polymerization:
A method in which a polymerization solvent such as a fluorinated hydrocarbon is used, and polymerization is carried out by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound in a state of being charged and dissolved in the polymerization solvent. Although it does not specifically limit as said fluorine-containing hydrocarbon, For example, trichlorotrifluoroethane, 1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropentane etc. are named generically as "Freon". The compound group which can be used can be used conveniently.

(ii)塊状重合:
含フッ素炭化水素などの溶媒を使用せず、フッ化ビニル化合物そのものを重合溶剤として用いてフッ化オレフィン化合物とフッ化ビニル化合物との重合を行う方法。
(Ii) Bulk polymerization:
A method of polymerizing a fluorinated olefin compound and a vinyl fluoride compound using a vinyl fluoride compound itself as a polymerization solvent without using a solvent such as a fluorinated hydrocarbon.

(iii)乳化重合:
界面活性剤の水溶液を重合溶媒として用い、この重合溶媒に充填溶解した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンガスとを反応させて重合を行う方法。
(Iii) Emulsion polymerization:
A method in which an aqueous solution of a surfactant is used as a polymerization solvent, and polymerization is carried out by reacting a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas in a state of being charged and dissolved in the polymerization solvent.

(iv)ミニエマルジョン重合、マイクロエマルジョン重合:
界面活性剤及びアルコールなどの助乳化剤の水溶液を用い、この水溶液に充填乳化した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合を行う方法。
(Iv) Mini emulsion polymerization, micro emulsion polymerization:
A method in which an aqueous solution of a surfactant and an auxiliary emulsifier such as alcohol is used, and polymerization is performed by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound in a state where the aqueous solution is filled and emulsified.

(v)懸濁重合:
懸濁安定剤の水溶液を用い、この水溶液に充填懸濁した状態でフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィン化合物のガスとを反応させて重合を行う方法。
(V) Suspension polymerization:
A method in which an aqueous solution of a suspension stabilizer is used, and polymerization is performed by reacting a vinyl fluoride compound and a gas of a fluorinated olefin compound in a state of being filled and suspended in the aqueous solution.

本実施形態においては、前駆体ポリマーの重合度の指標としてメルトマスフローレート(以下「MFR」と略称する)を使用することができる。本実施形態において、前駆体ポリマーのMFRは、0.01g/10分以上が好ましく、0.1g/10分以上がより好ましく、0.3g/10分以上がさらに好ましい。MFRの上限は限定されないが、100g/10分以下が好ましく、10g/10分以下がより好ましい。MFRを0.01g/10分以上100g/10分以下とすることにより、高分子電解質組成物の成膜等の成形加工性がより優れる傾向にある。なお、MFRは、JIS K−7210に基づき、270℃、荷重2.16kgf、オリフィス内径2.09mmで測定することができる。   In the present embodiment, melt mass flow rate (hereinafter abbreviated as “MFR”) can be used as an index of the polymerization degree of the precursor polymer. In the present embodiment, the MFR of the precursor polymer is preferably 0.01 g / 10 min or more, more preferably 0.1 g / 10 min or more, and further preferably 0.3 g / 10 min or more. Although the upper limit of MFR is not limited, 100 g / 10min or less is preferable and 10 g / 10min or less is more preferable. By setting the MFR to 0.01 g / 10 min or more and 100 g / 10 min or less, molding processability such as film formation of the polymer electrolyte composition tends to be more excellent. MFR can be measured at 270 ° C., a load of 2.16 kgf, and an orifice inner diameter of 2.09 mm based on JIS K-7210.

以上のようにして作製された前駆体ポリマーは、塩基性反応液体中で加水分解処理され、温水などで十分に水洗され、酸処理される。この酸処理によってパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体はプロトン化され、SO3H体となる。 The precursor polymer produced as described above is hydrolyzed in a basic reaction liquid, sufficiently washed with warm water and acid-treated. By this acid treatment, the perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor is protonated to form an SO 3 H form.

〔化合物(b)〕
本実施形態に用いられる化合物(b)は、タンタル及びニオブからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物である。化合物(b)は、過酸化水素の分解を抑制する作用をもつ。このように、過酸化水素からヒドロキシラジカルや過酸化ラジカルが生成する分解反応を抑制できることにより、本実施形態に係る高分子電解質組成物は耐久性により優れる。
[Compound (b)]
The compound (b) used in the present embodiment is a compound containing at least one metal element selected from the group consisting of tantalum and niobium. Compound (b) has an action of suppressing the decomposition of hydrogen peroxide. Thus, the polymer electrolyte composition according to the present embodiment is more excellent in durability because the decomposition reaction in which hydroxy radicals or peroxide radicals are generated from hydrogen peroxide can be suppressed.

化合物(b)としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン化物;水酸化物、酸化物等の酸素化合物;硫酸塩、硝酸塩、硼酸塩、リン酸塩、炭酸塩等の無機化合物;酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸、パーフルオロカルボン酸等のカルボン酸基を含有する有機化合物が挙げられる。このような形態を有する化合物(b)を用いることにより、発生した過酸化水素の分解を抑制する作用により優れる傾向にある。これらの中でも、硫酸塩、炭酸塩、リン酸塩、及びカルボン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1つが好ましい。このような、化合物(b)を用いることにより、高分子電解質膜や電極触媒層からの化合物(b)の溶出をより抑制することができる傾向にある。   Although it does not specifically limit as a compound (b), For example, Halide; Oxygen compounds, such as a hydroxide and an oxide; Inorganic compounds, such as a sulfate, nitrate, borate, phosphate, carbonate; Examples thereof include organic compounds containing a carboxylic acid group such as oxalate, citric acid, and perfluorocarboxylic acid. By using the compound (b) having such a form, it tends to be more excellent in the action of suppressing the decomposition of the generated hydrogen peroxide. Among these, at least one selected from the group consisting of sulfate, carbonate, phosphate, and carboxylate is preferable. By using such a compound (b), elution of the compound (b) from the polymer electrolyte membrane or the electrode catalyst layer tends to be further suppressed.

化合物(b)を高分子電解質組成物中に含有させるには、例えばハロゲン化物で添加することが好ましく、溶解性の観点からフッ化物、塩化物が好ましい。フッ化物、塩化物等は、高分子電解質組成物内で、高分子電解質組成物の成分に応じて上記酸素化合物、上記無機化合物、上記有機化合物等となる。   In order to contain the compound (b) in the polymer electrolyte composition, for example, it is preferably added as a halide, and fluoride and chloride are preferred from the viewpoint of solubility. Fluoride, chloride, and the like become the oxygen compound, the inorganic compound, the organic compound, and the like in the polymer electrolyte composition according to the components of the polymer electrolyte composition.

化合物(b)の含有量は、高分子電解質(a)と化合物(b)の合計100質量%に対して、好ましくは0.0001〜10.0000質量%であり、より好ましくは0.0003〜5.0000質量%、さらに好ましくは0.0005〜5.0000質量%である化合物(b)全体の含有量が上記範囲(0.0001〜10.0000質量%)であることにより、良好なプロトン伝導度を維持したまま、過酸化水素の分解を抑制し、高耐久性を有する高分子電解質膜、電極触媒層を得ることができる傾向にある。   The content of the compound (b) is preferably 0.0001 to 10.0000% by mass, and more preferably 0.0003 to 100% by mass of the total of the polymer electrolyte (a) and the compound (b). When the total content of the compound (b) which is 5.0000% by mass, more preferably 0.0005 to 5.0000% by mass is within the above range (0.0001 to 10.0000% by mass), good protons are obtained. While maintaining the conductivity, decomposition of hydrogen peroxide is suppressed, and a polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer having high durability tend to be obtained.

〔ラジカル捕捉剤(c)〕
本実施形態に係る高分子電解質組成物は、ラジカル捕捉剤(c)をさらに含有することができる。本実施形態に係る高分子電解質組成物は、上述したように、ラジカル種の発生を効率よく抑制できる。これに加え、ラジカル捕捉剤(c)を含むことにより、万が一ラジカル種が発生した場合にも、ラジカル捕捉剤(c)で、捕捉することができる。これにより、燃料電池自動車で要求される高温低加湿な条件においても燃料電池の耐久性を飛躍的に向上させることができる傾向にある。
[Radical scavenger (c)]
The polymer electrolyte composition according to the present embodiment can further contain a radical scavenger (c). As described above, the polymer electrolyte composition according to this embodiment can efficiently suppress the generation of radical species. In addition to this, by including the radical scavenger (c), even if a radical species is generated, the radical scavenger (c) can capture it. Thereby, it exists in the tendency which can improve the durability of a fuel cell drastically also on the high temperature low humidification conditions requested | required with a fuel cell vehicle.

本実施形態に用いることのできるラジカル捕捉剤(c)としては、特に限定されないが、具体的には、公知の酸化防止剤で提唱されているメカニズムを可能にする官能基を有する化合物が挙げられる。このような官能基としては、特に限定されないが、例えば、ラジカル連鎖禁止機能を有する官能基、ラジカルを分解させる機能を有する官能基、連鎖開始を阻害する機能を有する官能基が挙げられる。ラジカル連鎖禁止機能を有する官能基としては、特に限定されないが、例えば、フェノール性水酸基、1級アミン、2級アミン等を挙げることができる。また、ラジカルを分解させる機能を有する官能基としては、特に限定されないが、例えば、硫黄、リン等を含有するメルカプト基、チオエーテル基、ジサリファイド基、フォスファイト基等を挙げることができる。さらに、連鎖開始を阻害する機能を有する官能基としては、特に限定されないが、例えば、ヒドラジン、アミドなどを挙げることができる(「酸化防止剤ハンドブック」(大成社刊1978))。   Although it does not specifically limit as a radical scavenger (c) which can be used for this embodiment, Specifically, the compound which has a functional group which enables the mechanism proposed by well-known antioxidant is mentioned. . Such a functional group is not particularly limited, and examples thereof include a functional group having a radical chain inhibiting function, a functional group having a function of decomposing radicals, and a functional group having a function of inhibiting chain initiation. Although it does not specifically limit as a functional group which has a radical chain prohibition function, For example, a phenolic hydroxyl group, a primary amine, a secondary amine etc. can be mentioned. In addition, the functional group having a function of decomposing radicals is not particularly limited, and examples thereof include a mercapto group containing sulfur, phosphorus and the like, a thioether group, a disulphide group, and a phosphite group. Furthermore, the functional group having a function of inhibiting chain initiation is not particularly limited, and examples thereof include hydrazine, amide and the like (“Antioxidant Handbook” (published by Taiseisha 1978)).

また、ラジカル捕捉剤(c)としては、原子がラジカルにより引き抜かれやすい、例えば、3級炭素に結合した水素、あるいは、炭素―ハロゲン結合などを構造中に有する化合物も挙げられる。   Further, examples of the radical scavenger (c) include compounds having a structure in which atoms are easily extracted by radicals, for example, hydrogen bonded to a tertiary carbon or a carbon-halogen bond.

また、本実施形態に用いることのできるラジカル捕捉剤(c)は、高分子電解質(a)とイオン結合を作る官能基を有することも可能である。このようなラジカル捕捉剤(c)としては、特に限定されないが、例えば、同一分子内に1級アミン、2級アミンのうち何れかのアミンを少なくとも有する化合物(c−1)及び/又は同一分子内に3級アミンを有し、かつ、硫黄、リン、ヒドラジン、アミド、フェノール水酸基、1級アミン、2級アミン、3級炭素に結合した水素、及び炭素に結合したハロゲンからなる群より選択される少なくとも1種以上を有する化合物(c−2)が挙げられる。   In addition, the radical scavenger (c) that can be used in the present embodiment can also have a functional group that forms an ionic bond with the polymer electrolyte (a). Such a radical scavenger (c) is not particularly limited. For example, the compound (c-1) having at least one of a primary amine and a secondary amine in the same molecule and / or the same molecule Selected from the group consisting of sulfur, phosphorus, hydrazine, amide, phenolic hydroxyl group, primary amine, secondary amine, hydrogen bonded to tertiary carbon, and halogen bonded to carbon. And a compound (c-2) having at least one or more thereof.

ここで、化合物(c−1)及び化合物(c−2)における、高分子電解質(a)とイオン結合を作る官能基としては、特に限定されないが、例えば、高分子電解質(a)中のイオン交換基がスルホン酸基の場合は、塩基性官能基を示し、具体的には1級アミン、2級アミン、3級アミン等の窒素含有官能基が挙げられる。従って、1級アミン、2級アミンを有すれば、高分子電解質(a)のイオン交換基と相互作用を有し、かつ、ラジカル捕捉機能をも有することとなる(化合物(c−1)に相当)。一方、高分子電解質(a)のイオン交換基と相互作用を有する部分が3級アミンである場合には、高分子電解質(a)とイオン結合を作る官能基は、ラジカル捕捉機能を有する部分とは別に同一分子内に含まれることが好ましく、このような官能基としては、特に限定されないが、例えば、フェノール水酸基、1、2級アミン等が挙げられる(化合物(c−2)に相当)。   Here, the functional group that forms an ionic bond with the polymer electrolyte (a) in the compound (c-1) and the compound (c-2) is not particularly limited. For example, ions in the polymer electrolyte (a) When the exchange group is a sulfonic acid group, it represents a basic functional group, and specifically includes nitrogen-containing functional groups such as primary amine, secondary amine, and tertiary amine. Therefore, if it has a primary amine and a secondary amine, it has an interaction with the ion exchange group of the polymer electrolyte (a) and also has a radical scavenging function (compound (c-1)). Equivalent). On the other hand, when the part that interacts with the ion exchange group of the polymer electrolyte (a) is a tertiary amine, the functional group that forms an ionic bond with the polymer electrolyte (a) is a part having a radical scavenging function. In addition, it is preferably contained in the same molecule, and such a functional group is not particularly limited, and examples thereof include a phenol hydroxyl group and a 1,2 secondary amine (corresponding to the compound (c-2)).

本実施形態に用いることができる化合物(c−1)及び化合物(c−2)をより具体的に例示すると以下のようになる。   More specific examples of the compound (c-1) and the compound (c-2) that can be used in the present embodiment are as follows.

化合物(c−1)としては、特に限定されないが、例えば、ポリアニリンのような上記の官能基で一部置換された芳香族化合物、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサジアゾール、フェニル化ポリキノキサリン、フェニル化ポリキノリン等の不飽和の複素環化合物を挙げることができる。   Although it does not specifically limit as a compound (c-1), For example, the aromatic compound partially substituted by said functional group like polyaniline, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polybenzoxazi Examples thereof include unsaturated heterocyclic compounds such as azole, phenylated polyquinoxaline, and phenylated polyquinoline.

化合物(c−2)としては、特に限定されないが、例えば、側鎖にスルホン酸と酸塩基結合を有する3級窒素複素環を有し、主鎖にラジカルで引き抜かれやすいベンジル位の水素を有する化合物として、ポリビニルピリジン、ポリビニルカルバゾール、芳香環に2級アミン、あるいは、3級アミンを含む基が導入されたポリスチレン等を挙げることができる。   Although it does not specifically limit as a compound (c-2), For example, it has the tertiary nitrogen heterocyclic ring which has a sulfonic acid and an acid-base bond in a side chain, and has the hydrogen of the benzyl position which is easy to be extracted with a radical in a principal chain. Examples of the compound include polyvinyl pyridine, polyvinyl carbazole, polystyrene in which an aromatic ring is introduced with a secondary amine or a group containing a tertiary amine.

尚、化合物(c−1)及び化合物(c−2)は、イオン交換基を有する高分子電解質(a)と相互作用を有するユニットと、ラジカル捕捉機能を有するユニットとの共重合体等であってもよい。高分子電解質(a)と相互作用を有する部分を有することにより、高分子電解質(a)への相溶性がより向上する傾向にある。また、ラジカル捕捉機能を有することにより、化学的耐久性がより向上する傾向にある。   The compound (c-1) and the compound (c-2) are a copolymer of a unit having an interaction with the polymer electrolyte (a) having an ion exchange group and a unit having a radical scavenging function. May be. By having a portion having an interaction with the polymer electrolyte (a), the compatibility with the polymer electrolyte (a) tends to be further improved. Moreover, there exists a tendency for chemical durability to improve more by having a radical capture | acquisition function.

本実施形態に係る高分子電解質組成物における化合物(c−1)及び化合物(c−2)の含有量は、高分子電解質(a)と化合物(c−1)及び化合物(c−2)の合計100質量%に対して、0.001〜50.000質量%であり、より好ましくは0.005〜20.000質量%、さらに好ましくは0.010〜10.000質量%、よりさらに好ましくは0.100〜5.000質量%、さらにより好ましくは0.100〜2.000質量%である。
本実施形態では化合物(c−1)及び化合物(c−2)全体の含有量を上記の範囲(0.001〜50.000質量%)に設定することにより、良好なプロトン伝導度を維持したまま、高耐久性を有する高分子電解質膜を得ることができる。
The content of the compound (c-1) and the compound (c-2) in the polymer electrolyte composition according to this embodiment is the same as that of the polymer electrolyte (a), the compound (c-1), and the compound (c-2). It is 0.001-50.000 mass% with respect to 100 mass% in total, More preferably, it is 0.005-20.000 mass%, More preferably, it is 0.010-10.000 mass%, More preferably, It is 0.100 to 5.000% by mass, and still more preferably 0.100 to 2.000% by mass.
In this embodiment, favorable proton conductivity was maintained by setting the total content of the compound (c-1) and the compound (c-2) in the above range (0.001 to 50.000 mass%). A polymer electrolyte membrane having high durability can be obtained as it is.

〔チオエーテル化合物(d)〕
本実施形態に係る高分子電解質組成物は、高分子電解質(a)、化合物(b)、ラジカル捕捉剤(c)の他に、チオエーテル化合物(d)を含んでもよい。
[Thioether compound (d)]
The polymer electrolyte composition according to this embodiment may contain a thioether compound (d) in addition to the polymer electrolyte (a), the compound (b), and the radical scavenger (c).

チオエーテル化合物(d)としては、特に限定されず−(R−S)n−(Sはイオウ原子、Rは炭化水素基、nは1以上の整数)の化学構造を含む化合物であって、例えば、ジメチルチオエーテル、ジエチルチオエーテル、ジプロピルチオエーテル、メチルエチルチオエーテル、メチルブチルチオエーテルのようなジアルキルチオエーテル;テトラヒドロチオフェン、テトラヒドロアピランのような環状チオエーテル;メチルフェニルスルフィド、エチルフェニルスルフィド、ジフェニルスルフィド、ジベンジルスルフィドのような芳香族チオエーテル等が挙げられる。これらは単量体で用いてもよいし、例えばポリフェニレンスルフィド(PPS)のような重合体で用いてもよい。 The thioether compound (d) is not particularly limited, and is a compound having a chemical structure of-(R-S) n- (S is a sulfur atom, R is a hydrocarbon group, n is an integer of 1 or more), for example, Dialkylthioethers such as dimethylthioether, diethylthioether, dipropylthioether, methylethylthioether, methylbutylthioether; cyclic thioethers such as tetrahydrothiophene, tetrahydroapiran; methylphenyl sulfide, ethylphenyl sulfide, diphenyl sulfide, dibenzyl sulfide And aromatic thioethers. These may be used as a monomer or may be used as a polymer such as polyphenylene sulfide (PPS).

チオエーテル化合物(d)は、耐久性の観点からn≧10の重合体(オリゴマー、ポリマー)であることが好ましく、n≧1,000の重合体であることがより好ましい。さらに好ましいチオエーテル化合物(d)は、ポリフェニレンスルフィド(PPS)である。   The thioether compound (d) is preferably a polymer of n ≧ 10 (oligomer or polymer) from the viewpoint of durability, and more preferably a polymer of n ≧ 1,000. A more preferred thioether compound (d) is polyphenylene sulfide (PPS).

ここでポリフェニレンスルフィドについて説明する。本実施形態において用いられるポリフェニレンスルフィドは、パラフェニレンスルフィド骨格を好ましくは70モル%以上、より好ましくは90モル%以上有するポリフェニレンスルフィドである。   Here, polyphenylene sulfide will be described. The polyphenylene sulfide used in the present embodiment is a polyphenylene sulfide having a paraphenylene sulfide skeleton of preferably 70 mol% or more, more preferably 90 mol% or more.

上記ポリフェニレンスルフィドの製造方法は、特に限定されないが、例えば、ハロゲン置換芳香族化合物(p−ジクロルベンゼン等)を硫黄と炭酸ソーダの存在下で重合させる方法、極性溶媒中でハロゲン置換芳香族化合物を硫化ナトリウムあるいは硫化水素ナトリウムと水酸化ナトリウムの存在下で重合させる方法、又は極性溶媒中でハロゲン置換芳香族化合物を硫化水素と水酸化ナトリウムあるいはナトリウムアミノアルカノエートの存在下で重合させる方法、p−クロルチオフェノールの自己縮合等が挙げられる。中でもN−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒やスルホラン等のスルホン系溶媒中で硫化ナトリウムとp−ジクロルベンゼンを反応させる方法が好適に用いられる。   The method for producing the polyphenylene sulfide is not particularly limited. For example, a method in which a halogen-substituted aromatic compound (p-dichlorobenzene or the like) is polymerized in the presence of sulfur and sodium carbonate, a halogen-substituted aromatic compound in a polar solvent. Polymerizing in the presence of sodium sulfide or sodium hydrogen sulfide and sodium hydroxide, or polymerizing a halogen-substituted aromatic compound in the presence of hydrogen sulfide and sodium hydroxide or sodium aminoalkanoate in a polar solvent, p. -Self-condensation of chlorothiophenol and the like. In particular, a method of reacting sodium sulfide and p-dichlorobenzene in an amide solvent such as N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide or a sulfone solvent such as sulfolane is preferably used.

また、ポリフェニレンスルフィドの有する−SX基(Sはイオウ原子、Xはアルカリ金属又は水素原子である)の含有量は、通常10μmol/g以上10,000μmol/g以下であり、好ましくは15μmol/g以上10,000μmol/g以下であり、より好ましくは20μmol/g以上10,000μmol/g以下である。   In addition, the content of —SX group (S is a sulfur atom, X is an alkali metal or a hydrogen atom) of polyphenylene sulfide is usually 10 μmol / g or more and 10,000 μmol / g or less, preferably 15 μmol / g or more. It is 10,000 μmol / g or less, more preferably 20 μmol / g or more and 10,000 μmol / g or less.

−SX基濃度が上記範囲にあることにより、反応活性点が多くなる。−SX基濃度が上記範囲を満たすポリフェニレンスルフィドを用いることで、本実施形態の高分子電解質(a)との混和性が向上することにより分散性が向上し、高温低加湿条件下でより高い耐久性が得られると考えられる。   When the -SX group concentration is in the above range, the number of reactive sites increases. -Use of polyphenylene sulfide having a SX group concentration satisfying the above range improves dispersibility by improving the miscibility with the polymer electrolyte (a) of the present embodiment, and higher durability under high temperature and low humidification conditions. It is thought that sex is obtained.

また、チオエーテル化合物(d)としては、末端に酸性官能基を導入したものも好適に用いることができる。導入する酸性官能基としては、特に限定されないが、例えば、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基,イタコン酸基、アクリル酸基、メタクリル酸基が好ましい。このなかでも、スルホン酸基がより好ましい。   Moreover, as the thioether compound (d), those having an acidic functional group introduced at the terminal can also be suitably used. The acidic functional group to be introduced is not particularly limited. For example, sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, maleic acid group, maleic anhydride group, fumaric acid group, itaconic acid group, acrylic acid group, methacrylic acid Groups are preferred. Among these, a sulfonic acid group is more preferable.

なお、酸性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法を用いて実施される。例えば、スルホン酸基の導入については、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することができる。このような導入方法は、特に限定されないが、例えば、K.Hu, T.Xu, W.Yang, Y.Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol.91,や、 E.Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol.27, 3043−3051(1989)に記載の条件で実施できる。   In addition, the introduction method of an acidic functional group is not specifically limited, It implements using a general method. For example, the introduction of the sulfonic acid group can be carried out under known conditions using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride or fuming sulfuric acid. Such an introduction method is not particularly limited. Hu, T .; Xu, W .; Yang, Y. et al. Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 91, E.E. Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 27, 3043-3051 (1989).

また、導入した酸性官能基を金属塩又はアミン塩に置換したものも好適に用いられる。金属塩としては、特に限定されないが、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩;カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましい。   Moreover, what substituted the introduce | transduced acidic functional group with the metal salt or amine salt is used suitably. The metal salt is not particularly limited, but for example, alkali metal salts such as sodium salt and potassium salt; alkaline earth metal salts such as calcium salt are preferable.

さらに、チオエーテル化合物(d)を粉末状で用いる場合、チオエーテル化合物(d)の平均粒子径は、0.01〜2.0μmであることが好ましく、0.01〜1.0μmがより好ましく、0.01〜0.5μmがさらに好ましく、0.01〜0.1μmがよりさらに好ましい。平均粒子径が上記範囲内であることにより、高分子電解質(a)中の分散性がより向上し、高寿命化等の効果により優れる傾向にある。なお、平均粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により求めることができる。   Further, when the thioether compound (d) is used in a powder form, the average particle size of the thioether compound (d) is preferably 0.01 to 2.0 μm, more preferably 0.01 to 1.0 μm, and 0 0.01 to 0.5 μm is more preferable, and 0.01 to 0.1 μm is still more preferable. When the average particle diameter is within the above range, the dispersibility in the polymer electrolyte (a) is further improved and tends to be more excellent in effects such as a longer life. In addition, an average particle diameter can be calculated | required by observation using a scanning electron microscope (SEM).

チオエーテル化合物(d)を高分子電解質(a)中に微分散させる方法としては、特に限定されないが、例えば、高分子電解質(a)等との溶融混練時に高せん断を与えて粉砕及び微分散させる方法、高分子電解質溶液を得た後、その溶液を濾過し粗大チオエーテル化合物(d)粒子を除去し、濾過後の溶液を用いる方法等が挙げられる。   The method for finely dispersing the thioether compound (d) in the polymer electrolyte (a) is not particularly limited. For example, it is pulverized and finely dispersed by applying high shear during melt kneading with the polymer electrolyte (a). Examples thereof include a method, a method of obtaining a polymer electrolyte solution, filtering the solution to remove coarse thioether compound (d) particles, and using the solution after filtration.

溶融混練を行う場合に好適に用いられるポリフェニレンスルフィドの溶融粘度(フローテスターを用いて、300℃、荷重196N、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持した値)は、成形加工性の観点から、好ましくは1〜10,000ポイズであり、より好ましくは100〜10,000ポイズである。   Melt viscosity of polyphenylene sulfide suitably used for melt kneading (using a flow tester, 300 ° C., load 196 N, L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1, hold for 6 minutes Is preferably 1 to 10,000 poise, more preferably 100 to 10,000 poise from the viewpoint of moldability.

高分子電解質(a)とチオエーテル化合物(d)の質量比(a/d)は、(a/d)=60/40〜99.99/0.01であることが好ましく、(a/d)=70/30〜99.95/0.05がより好ましく、(a/d)=80/20〜99.9/0.1がさらに好ましく、(a/d)=90/10〜99.5/0.5がよりさらに好ましい。高分子電解質(a)の質量比を60以上とすることにより、良好なイオン伝導性が実現でき、良好な電池特性が実現できる傾向にある。一方、チオエーテル化合物(d)の質量比を40以下とすることにより、高温低加湿条件での電池運転における耐久性がより向上する傾向にある。   The mass ratio (a / d) of the polymer electrolyte (a) to the thioether compound (d) is preferably (a / d) = 60/40 to 99.99 / 0.01, (a / d) = 70/30 to 99.95 / 0.05 is more preferable, (a / d) = 80/20 to 99.9 / 0.1 is more preferable, and (a / d) = 90/10 to 99.5 /0.5 is even more preferable. By setting the mass ratio of the polymer electrolyte (a) to 60 or more, good ion conductivity can be realized, and good battery characteristics tend to be realized. On the other hand, by setting the mass ratio of the thioether compound (d) to 40 or less, durability in battery operation under high temperature and low humidification conditions tends to be further improved.

また、チオエーテル化合物(d)は、本実施形態に係るラジカル捕捉剤(c)と併せて配合することにより、高温低加湿の条件下でも極めて高い耐久性を示すことが可能となる傾向にある。   Moreover, the thioether compound (d) tends to be able to exhibit extremely high durability even under conditions of high temperature and low humidity by blending with the radical scavenger (c) according to this embodiment.

ここでラジカル捕捉剤(c)とチオエーテル化合物(d)の質量比(c/d)は、(d/d)=1/99〜99/1が好ましく、(c/d)=5/95〜95/5がより好ましく、(c/d)=10/90〜90/10がさらに好ましく、(c/d)=20/80〜80/20がよりさらに好ましい。質量比(c/e)が上記範囲内であることにより、化学的安定性と耐久性(分散性)のバランスにより優れる傾向にある。   Here, the mass ratio (c / d) of the radical scavenger (c) to the thioether compound (d) is preferably (d / d) = 1/99 to 99/1, and (c / d) = 5/95 to 95/5 is more preferable, (c / d) = 10/90 to 90/10 is more preferable, and (c / d) = 20/80 to 80/20 is still more preferable. When the mass ratio (c / e) is within the above range, the balance between chemical stability and durability (dispersibility) tends to be excellent.

さらに、ラジカル捕捉剤(c)とチオエーテル化合物(d)の合計質量が高分子電解質膜中に占める含有量は、0.01〜50質量%が好ましく、0.05〜45質量%がより好ましく、0.1〜40質量%がさらに好ましく、0.2〜35質量%がよりさらに好ましく、0.3〜30質量%がさらにより好ましい。含有量が上記範囲内であることにより、イオン伝導性と耐久性(分散性)のバランスにより優れる傾向にある。   Furthermore, the content of the total mass of the radical scavenger (c) and the thioether compound (d) in the polymer electrolyte membrane is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.05 to 45% by mass, 0.1-40 mass% is further more preferable, 0.2-35 mass% is further more preferable, and 0.3-30 mass% is still more preferable. When the content is in the above range, the balance between ion conductivity and durability (dispersibility) tends to be excellent.

また、本実施形態に係る高分子電解質組成物は、高分子電解質溶液、高分子電解質膜、電極触媒層、及び高分子電解質バインダー等の形態で使用することができる。   In addition, the polymer electrolyte composition according to this embodiment can be used in the form of a polymer electrolyte solution, a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a polymer electrolyte binder, and the like.

〔高分子電解質溶液〕
本実施形態に係る高分子電解質組成物は、その組成物を構成する各成分をそれぞれ同時に又は別々に溶解又は分散した後、混合することにより、高分子電解質溶液として用いてもよい。
[Polymer electrolyte solution]
The polymer electrolyte composition according to this embodiment may be used as a polymer electrolyte solution by dissolving or dispersing the components constituting the composition simultaneously or separately and then mixing them.

高分子電解質溶液は、そのまま、あるいは濾過、濃縮等の工程を経た後、単独あるいは他の電解質溶液と混合して、高分子電解質膜や電極用バインダー等の材料として用いることができる。   The polymer electrolyte solution can be used as a material such as a polymer electrolyte membrane or a binder for an electrode as it is or after being subjected to steps such as filtration and concentration, either alone or mixed with another electrolyte solution.

高分子電解質溶液の製造方法について説明する。高分子電解質溶液の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、まず、高分子電解質前駆体からなる成形物を塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解する。この加水分解処理により、上記高分子電解質前駆体は高分子電解質(a)に変換される。次に、加水分解処理された上記成形物を温水などで十分に水洗し、その後、酸処理を行う。   A method for producing the polymer electrolyte solution will be described. The method for producing the polymer electrolyte solution is not particularly limited. For example, first, a molded product made of the polymer electrolyte precursor is immersed in a basic reaction liquid and hydrolyzed. By this hydrolysis treatment, the polymer electrolyte precursor is converted into the polymer electrolyte (a). Next, the hydrolyzed molded product is sufficiently washed with warm water or the like, and then acid-treated.

酸処理に使用する酸は、特に限定されないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸類やシュウ酸、酢酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましい。この酸処理によって高分子電解質前駆体はプロトン化され、SO3H体となる。上記のように酸処理された上記成形物(プロトン化された高分子電解質(a)を含む成形物)は、上記高分子電解質(a)を溶解又は懸濁させ得る溶媒(樹脂との親和性が良好な溶媒)に溶解又は懸濁される。このような溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水;エタノール、メタノール、n−プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、グリセリンなどのプロトン性有機溶媒;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−メチルピロリドンなどの非プロトン性溶媒等が挙げられる。これらは1種を単独で、又は2種以上を併用することができる。特に、1種の溶媒を用いる場合、水単独が好ましい。また、2種以上を併用する場合、水とプロトン性有機溶媒との混合溶媒が好ましい。 The acid used for the acid treatment is not particularly limited, but for example, mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid are preferable. By this acid treatment, the polymer electrolyte precursor is protonated and becomes SO 3 H form. The above-mentioned molded product (molded product containing a protonated polymer electrolyte (a)) treated with an acid as described above is a solvent (affinity with resin) that can dissolve or suspend the polymer electrolyte (a). Is dissolved or suspended in a good solvent). Examples of such a solvent include, but are not limited to, water; protic organic solvents such as ethanol, methanol, n-propanol, isopropyl alcohol, butanol, glycerin; N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide And aprotic solvents such as N-methylpyrrolidone. These can be used alone or in combination of two or more. In particular, when one solvent is used, water alone is preferable. Moreover, when using 2 or more types together, the mixed solvent of water and a protic organic solvent is preferable.

溶解又は懸濁する方法は、特に限定されないが、例えば、上記溶媒中にそのまま溶解又は分散させることが好ましく、大気圧下又はオートクレーブ等で密閉加圧した条件のもとで、0〜250℃の温度範囲で溶解又は分散させることがより好ましい。特に、溶媒としてプロトン性有機溶媒を用いる場合、水とプロトン性有機溶媒の混合比は、溶解方法、溶解条件、高分子電解質(a)の種類、総固形分濃度、溶解温度、撹拌速度等に応じて適宜選択できる。水に対するプロトン性有機溶媒の質量の比率は、水1に対してプロトン性有機溶媒0.1〜10が好ましく、より好ましくは水1に対してプロトン性有機溶媒0.1〜5である。   Although the method of dissolving or suspending is not particularly limited, for example, it is preferable to dissolve or disperse as it is in the above-mentioned solvent, and it is 0 to 250 ° C. under the condition of being sealed and pressurized under an atmospheric pressure or an autoclave. It is more preferable to dissolve or disperse in the temperature range. In particular, when a protic organic solvent is used as the solvent, the mixing ratio of water and the protic organic solvent depends on the dissolution method, the dissolution conditions, the type of the polymer electrolyte (a), the total solid content concentration, the dissolution temperature, the stirring speed, and the like. It can be selected as appropriate. The ratio of the mass of the protic organic solvent to water is preferably from 0.1 to 10 protic organic solvents relative to water 1, and more preferably from 0.1 to 5 protic organic solvents relative to water 1.

なお、高分子電解質(a)の溶解・懸濁液としては、特に限定されないが、例えば、乳濁液(液体中に液体粒子がコロイド粒子あるいはそれより粗大な粒子として分散して乳状をなすもの)、懸濁液(液体中に固体粒子がコロイド粒子あるいは顕微鏡で見える程度の粒子として分散したもの)、コロイド状液体(巨大分子が分散した状態)、ミセル状液体(多数の小分子が分子間力で会合してできた親液コロイド分散系)等の1種又は2種以上が含まれる。   The dissolution / suspension of the polymer electrolyte (a) is not particularly limited. For example, an emulsion (a liquid emulsion in which liquid particles are dispersed as colloidal particles or coarser particles in a liquid is formed. ), Suspensions (solid particles dispersed in a liquid as colloidal particles or microscopic particles), colloidal liquids (macromolecules dispersed), micellar liquids (many small molecules are intermolecular) 1 type or 2 types or more, such as a lyophilic colloidal dispersion system formed by force association.

また、高分子電解質溶液は、成形方法や用途に応じて、溶媒をさらに含んでもよい。このような溶媒としては、特に限定されないが、例えば、水、有機溶媒、液状の樹脂モノマー、液状の樹脂オリゴマーのうち少なくとも1種以上を含有したものが挙げられる。   In addition, the polymer electrolyte solution may further contain a solvent depending on the molding method and application. Such a solvent is not particularly limited, and examples thereof include those containing at least one of water, an organic solvent, a liquid resin monomer, and a liquid resin oligomer.

上記有機溶媒としては、特に限定されないが、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、ブタノール、オクタノール等のアルコール類;酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン等のエステル類;ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングリコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類が挙げられる。溶媒は、1種単独で用いても又は2種以上を併用してもよい。   Although it does not specifically limit as said organic solvent, For example, alcohol, such as methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, octanol; Ethyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, propylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monoethyl ether acetate Esters such as γ-butyrolactone; ethers such as diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether (methyl cellosolve), ethylene glycol monoethyl ether (ethyl cellosolve), ethylene glycol monobutyl ether (butyl cellosolve), diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether Acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, acetylacetone, siku Ketones such as hexanone; benzene, toluene, xylene, ethylbenzene and the like; dimethylformamide, N, N- dimethylacetamide, amides such as N- methylpyrrolidone. A solvent may be used individually by 1 type or may use 2 or more types together.

また、高分子電解質溶液は、成形方法や用途に応じて、濃縮したり、濾過したりすることが可能である。濃縮の方法としては、特に限定されないが、例えば、加熱し、溶媒を蒸発させる方法や、減圧濃縮する方法等がある。高分子電解質溶液を塗工用溶液として使用する場合、高分子電解質溶液の固形分率は、0.5〜50質量%が好ましい。固形分率が0.5質量%以上であることにより、粘度上昇が抑制され、取り扱い性に優れる傾向にある。また、固形分率が50質量%以下であることにより、生産性が向上する傾向にある。   The polymer electrolyte solution can be concentrated or filtered according to the molding method and application. The concentration method is not particularly limited, and examples thereof include a method of evaporating the solvent by heating and a method of concentrating under reduced pressure. When the polymer electrolyte solution is used as a coating solution, the solid content ratio of the polymer electrolyte solution is preferably 0.5 to 50% by mass. When the solid content is 0.5% by mass or more, an increase in viscosity is suppressed and the handling property tends to be excellent. Moreover, it exists in the tendency for productivity to improve because a solid content rate is 50 mass% or less.

濾過の方法としては、特に限定されないが、例えば、フィルターを用いて、加圧濾過する方法が代表的に挙げられる。フィルターについては、90%捕集粒子径が粒子の平均粒子径の10倍〜100倍の濾材を使用することが好ましい。この濾材としては紙製、金属製等が挙げられる。特に濾材が紙の場合は、90%捕集粒子径が粒子の平均粒子径の10〜50倍であることが好ましい。金属製フィルターを用いる場合は、90%捕集粒子径が粒子の平均粒子径の50〜100倍であることが好ましい。当該90%捕集粒子径を平均粒子径の10倍以上に設定することにより、送液するときに必要な圧力が高くなりすぎることを抑制したり、フィルターが短期間で閉塞してしまうことをより抑制できる傾向にある。一方、平均粒子径の100倍以下に設定することにより、フィルムで異物の原因となるような粒子の凝集物や樹脂の未溶解物をより良好に除去できる傾向にある。   Although it does not specifically limit as a filtration method, For example, the method of carrying out pressure filtration using a filter is mentioned typically. As for the filter, it is preferable to use a filter medium whose 90% collection particle diameter is 10 to 100 times the average particle diameter of the particles. Examples of the filter medium include paper and metal. In particular, when the filter medium is paper, the 90% collection particle size is preferably 10 to 50 times the average particle size of the particles. When using a metal filter, it is preferable that the 90% collection particle diameter is 50 to 100 times the average particle diameter of the particles. By setting the 90% collection particle size to 10 times or more of the average particle size, it is possible to prevent the pressure required for liquid feeding from becoming too high, or the filter may be blocked in a short period of time. There is a tendency to suppress more. On the other hand, by setting the average particle diameter to 100 times or less, there is a tendency that particle aggregates and resin undissolved substances that cause foreign substances in the film can be removed better.

〔高分子電解質膜〕
本実施形態に係る高分子電解質膜は、上記高分子電解質組成物を含む。高分子電解質膜の膜厚は、1μm以上500μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上100μm以下であり、さらに好ましくは5μm以上50μm以下である。膜厚が1μm以上であることにより、水素と酸素の直接反応のような不都合をより低減できる傾向にあり、燃料電池製造時の取り扱い時や燃料電池運転時に差圧・歪み等が生じても、膜の損傷等が発生しにくい傾向にある。一方、膜厚が500μm以下であることにより、イオン透過性が向上し、固体高分子電解質膜としての性能がより向上する傾向にある。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane according to the present embodiment includes the polymer electrolyte composition. The thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1 μm or more and 500 μm or less, more preferably 2 μm or more and 100 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 50 μm or less. When the film thickness is 1 μm or more, inconveniences such as direct reaction between hydrogen and oxygen tend to be reduced, even if differential pressure and strain occur during handling during fuel cell production or during fuel cell operation, There is a tendency that the film is not easily damaged. On the other hand, when the film thickness is 500 μm or less, the ion permeability is improved and the performance as a solid polymer electrolyte membrane tends to be further improved.

高分子電解質膜の成形方法について説明する。高分子電解質膜の成形方法は、特に限定されず、高分子電解質溶液を用いてキャスト製膜してもよいし、溶融押し出し、延伸等の工程を経ることにより成形してもよい。溶融押し出しにより成形を行う場合、成形性の観点から、高分子電解質前駆体、並びに、必要に応じて用いるラジカル捕捉剤(c)及びチオエーテル化合物(d)の混合物を溶融混練後、押し出し成形して膜を形成し、その後、塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解するのが好ましい。この加水分解処理により、上記高分子電解質前駆体は高分子電解質(a)に変換される。   A method for forming the polymer electrolyte membrane will be described. The method for forming the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be cast using a polymer electrolyte solution, or may be formed through steps such as melt extrusion and stretching. When molding by melt extrusion, from the viewpoint of moldability, the polymer electrolyte precursor and a mixture of the radical scavenger (c) and the thioether compound (d) used as necessary are melt-kneaded and then extrusion molded. It is preferred to form a membrane and then immerse in a basic reaction liquid and hydrolyze. By this hydrolysis treatment, the polymer electrolyte precursor is converted into the polymer electrolyte (a).

さらに、上記成形物は、前記塩基性反応液体中で加水分解処理された後、温水などで十分に水洗され、その後、酸処理が行われる。酸処理に使用する酸は、特に限定されないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸等の鉱酸類やシュウ酸、酢酸、ギ酸、トリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましい。この酸処理によって高分子電解質前駆体はプロトン化され、SO3H体となる。 Further, the molded product is hydrolyzed in the basic reaction liquid, and then sufficiently washed with warm water, and then acid-treated. The acid used for the acid treatment is not particularly limited, but for example, mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid are preferable. By this acid treatment, the polymer electrolyte precursor is protonated and becomes SO 3 H form.

また、高分子電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロ(アルコキシビニルエーテル)共重合体(PFA)、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔体、繊維、織布、不織布等の多孔シート;シリカ、アルミナ等の無機ウィスカ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリプロピレン製の有機フィラー等で補強されていてもよい。   Polymer electrolyte membranes include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro (alkoxy vinyl ether) copolymer (PFA), polyethylene, polypropylene, etc. Porous sheets such as porous materials, fibers, woven fabrics, nonwoven fabrics, etc .; inorganic whiskers such as silica and alumina, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polypropylene organic fillers, and the like may be used.

さらに、高分子電解質膜は架橋剤や紫外線、電子線、放射線等を用いて架橋することもできる。   Furthermore, the polymer electrolyte membrane can be crosslinked using a crosslinking agent, ultraviolet rays, electron beams, radiation, or the like.

本実施形態に係る高分子電解質膜は、成形後、熱処理が施されることが好ましい。熱処理により高分子電解質(a)の結晶化が促進され、高分子電解質膜の機械的強度が安定化され得る。また、熱処理によりラジカル捕捉剤(c)やチオエーテル化合物(d)等の添加剤の結晶物部分と高分子固体電解質部分とが強固に接着され、その結果、機械的強度がより向上する傾向にある。   The polymer electrolyte membrane according to this embodiment is preferably subjected to heat treatment after molding. The heat treatment promotes crystallization of the polymer electrolyte (a), and can stabilize the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane. Further, the crystal part of the additive such as the radical scavenger (c) and the thioether compound (d) and the polymer solid electrolyte part are firmly bonded by heat treatment, and as a result, the mechanical strength tends to be further improved. .

熱処理温度は、好ましくは120℃以上300℃以下であり、より好ましくは140℃以上250℃以下であり、さらに好ましくは160℃以上230℃以下である。熱処理温度が120℃以上であることにより、結晶物部分と電解質組成物部分との間の密着力がより向上する傾向にある。一方、熱処理温度が300℃以下であることにより、高分子電解質膜の特性がより向上する傾向にある。熱処理の時間は、熱処理温度にもよるが、好ましくは5分以上3時間以下であり、より好ましくは10分以上2時間以下である。   The heat treatment temperature is preferably 120 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, more preferably 140 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and further preferably 160 ° C. or higher and 230 ° C. or lower. When the heat treatment temperature is 120 ° C. or higher, the adhesion between the crystal part and the electrolyte composition part tends to be further improved. On the other hand, when the heat treatment temperature is 300 ° C. or lower, the characteristics of the polymer electrolyte membrane tend to be further improved. Although the heat treatment time depends on the heat treatment temperature, it is preferably 5 minutes or more and 3 hours or less, more preferably 10 minutes or more and 2 hours or less.

〔電極触媒層〕
本実施形態に係る電極触媒層は、上記高分子電解質組成物を含む。電極触媒層は、高分子電解質組成物と、必要に応じて触媒金属の微粒子とこれを担持した導電剤とから構成される。また、必要に応じて撥水剤が含まれる。電極に使用される触媒としては、特に限定されず、水素の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、及びこれらの合金等が挙げられる。この中では、主として白金が用いられる。
(Electrocatalyst layer)
The electrode catalyst layer according to the present embodiment includes the polymer electrolyte composition. The electrode catalyst layer is composed of a polymer electrolyte composition, and, if necessary, fine particles of a catalytic metal and a conductive agent carrying the catalyst metal. Moreover, a water repellent is contained as needed. The catalyst used for the electrode is not particularly limited as long as it is a metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. For example, platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Examples thereof include cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, and alloys thereof. Among these, platinum is mainly used.

〔膜電極接合体〕
本実施形態に係る膜電極接合体は、上記高分子電解質膜及び上記電極触媒層を有する。本実施形態に係る高分子電解質膜は、膜電極接合体、及び固体高分子電解質型燃料電池の構成部材として使用することができる。高分子電解質膜の両面にアノードとカソードの2種類の電極触媒層が接合したユニットは、膜電極接合体(以下「MEA」と略称することがある)と呼ばれる。電極触媒層のさらに外側に一対のガス拡散層を対向するように接合したものについても、MEAと呼ばれる場合がある。
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly according to the present embodiment includes the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. The polymer electrolyte membrane according to the present embodiment can be used as a constituent member of a membrane electrode assembly and a solid polymer electrolyte fuel cell. A unit in which two types of electrode catalyst layers, an anode and a cathode, are bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly (hereinafter sometimes abbreviated as “MEA”). A material in which a pair of gas diffusion layers are bonded to the outer side of the electrode catalyst layer so as to face each other is sometimes referred to as MEA.

MEAの製造方法としては、特に限定されないが、例えば、次のような方法が行われる。まず、電極用バインダーとなるイオン交換樹脂をアルコールと水の混合溶媒に溶解したものに、電極物質となる白金担持カーボンを分散させてペースト状にする。これをPTFEシートに一定量塗布して乾燥させる。次に、PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に高分子電解質膜を挟み込み、100℃〜200℃で熱プレスにより転写接合してMEAを得ることができる。電極用バインダーは一般にイオン交換樹脂を溶媒(アルコールや水等)に溶解したものが使用されるが、燃料電池運転時の耐久性の観点から、本実施形態に係る高分子電解質組成物を使用する。   Although it does not specifically limit as a manufacturing method of MEA, For example, the following methods are performed. First, a platinum-supported carbon serving as an electrode material is dispersed into a paste obtained by dissolving an ion exchange resin serving as an electrode binder in a mixed solvent of alcohol and water. A certain amount of this is applied to a PTFE sheet and dried. Next, the application surface of the PTFE sheet is faced to each other, and a polymer electrolyte membrane is sandwiched therebetween, and transfer joining is performed by hot pressing at 100 ° C. to 200 ° C. to obtain an MEA. In general, a binder for an electrode is prepared by dissolving an ion exchange resin in a solvent (alcohol, water, etc.). From the viewpoint of durability during operation of the fuel cell, the polymer electrolyte composition according to this embodiment is used. .

〔固体高分子電解質型燃料電池〕
本実施形態に係る固体高分子電解質型燃料電池は、上記高分子電解質膜、上記電極触媒層、及び上記記載の膜電極接合体のうち、少なくとも1つを備える。上記で得られたMEA、場合によってはさらに一対のガス拡散電極が対向した構造のMEAは、さらにバイポーラプレートやバッキングプレート等の一般的な固体高分子電解質型燃料電池に用いられる構成部材と組み合わされて、固体高分子電解質型燃料電池を構成することができる。
[Solid polymer electrolyte fuel cell]
The solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment includes at least one of the polymer electrolyte membrane, the electrode catalyst layer, and the membrane electrode assembly described above. The MEA obtained above, and in some cases, the MEA having a structure in which a pair of gas diffusion electrodes are opposed to each other, are further combined with components used for general solid polymer electrolyte fuel cells such as bipolar plates and backing plates. Thus, a solid polymer electrolyte fuel cell can be configured.

バイポーラプレートとは、その表面に燃料や酸化剤等のガスを流すための溝を形成させたグラファイトと樹脂との複合材料、又は金属製のプレート等を意味する。バイポーラプレートは、電子を外部負荷回路へ伝達する機能の他、燃料や酸化剤を電極触媒近傍に供給する流路としての機能を持っている。こうしたバイポーラプレートの間にMEAを挿入して複数積み重ねることにより、燃料電池が製造される。   The bipolar plate means a composite material of graphite and resin having a groove for flowing a gas such as fuel or oxidant on its surface, or a metal plate. In addition to the function of transmitting electrons to an external load circuit, the bipolar plate has a function of a flow path for supplying fuel and oxidant to the vicinity of the electrode catalyst. A fuel cell is manufactured by inserting and stacking a plurality of MEAs between such bipolar plates.

以下、実施例によりさらに具体的に説明するが、本実施形態はこれらの実施例のみに限定されるものではない。実施例等における各種物性の測定方法及び評価方法は次の通りである。   Hereinafter, although an example explains still more concretely, this embodiment is not limited only to these examples. Measurement methods and evaluation methods for various physical properties in Examples and the like are as follows.

(1)イオン交換容量
イオン交換基の対イオンがプロトンの状態となっている高分子電解質膜、およそ2〜20cm2を、25℃、飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、撹拌しながら30分間放置した。次いで、飽和NaCl水溶液中のプロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和後に得られた、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっている高分子電解質膜を、純水ですすぎ、さらに真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの高分子電解質膜の重量をW(mg)とし、下記式により当量質量EW(g/eq)を求めた。
EW=(W/M)−22
さらに、得られたEW値の逆数をとって1000倍とすることにより、イオン交換容量(ミリ当量/g)を算出した。
(1) Ion exchange capacity A polymer electrolyte membrane in which the counter ion of the ion exchange group is in a proton state, approximately 2 to 20 cm 2 , was immersed in 30 mL of a saturated NaCl aqueous solution at 25 ° C. and left for 30 minutes with stirring. . Next, the protons in the saturated NaCl aqueous solution were subjected to neutralization titration with 0.01N sodium hydroxide aqueous solution using phenolphthalein as an indicator. The polymer electrolyte membrane obtained after neutralization, in which the counter ion of the ion exchange group is in the form of sodium ions, was rinsed with pure water, further vacuum dried and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), the weight of the polymer electrolyte membrane whose sodium ion is the counter ion of the ion exchange group is W (mg), and the equivalent mass EW (g / eq) according to the following formula: )
EW = (W / M) −22
Furthermore, the ion exchange capacity (milli equivalent / g) was calculated by taking the reciprocal of the obtained EW value and multiplying it by 1000.

(2)膜厚
高分子電解質膜を23℃、50%RHの恒温恒湿室内で1時間以上静置した後、膜厚計(東洋精機製作所製、商品名:B−1)を用いて測定を行った。
(2) Film thickness After the polymer electrolyte membrane was allowed to stand in a constant temperature and humidity room at 23 ° C. and 50% RH for 1 hour or longer, it was measured using a film thickness meter (trade name: B-1 manufactured by Toyo Seiki Seisakusho). Went.

(3)耐久性試験:発電・OCVサイクル試験
高温低加湿条件下における高分子電解質膜の耐久性を加速的に評価するため、以下のような手順で発電、OCVサイクルによる加速試験を実施した。尚、「OCV」とは、開回路電圧(Open Circuit Voltage)を意味する。
(3) Durability Test: Power Generation / OCV Cycle Test In order to accelerate evaluation of the durability of the polymer electrolyte membrane under high-temperature and low-humidification conditions, an acceleration test by power generation and OCV cycle was performed according to the following procedure. Note that “OCV” means an open circuit voltage.

(3)−1 電極触媒インクの調製
20質量%のパーフルオロスルホン酸樹脂溶液(SS700C/20、旭化成製、当量質量(EW):740)、電極触媒(TEC10E40E、田中貴金属販売社製、白金担持量36.7wt%)を白金/パーフルオロスルホン酸ポリマーが1/1.15(質量)となるように配合し、次いで、固形分率(電極触媒とパーフルオロスルホン酸ポリマーの和)が11wt%となるようにエタノールを加え、ホモジナイザー(アズワン社製)により回転数が3,000rpmで10分間、撹拌することで電極触媒インクを得た。
(3) -1 Preparation of electrode catalyst ink 20% by mass of perfluorosulfonic acid resin solution (SS700C / 20, manufactured by Asahi Kasei, equivalent mass (EW): 740), electrode catalyst (TEC10E40E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., platinum supported) 36.7 wt%) was added so that the platinum / perfluorosulfonic acid polymer was 1 / 1.15 (mass), and then the solid content (the sum of the electrode catalyst and the perfluorosulfonic acid polymer) was 11 wt%. Ethanol was added so as to obtain an electrode catalyst ink by stirring with a homogenizer (manufactured by AS ONE) at a rotational speed of 3,000 rpm for 10 minutes.

(3)−2 MEAの作製
自動スクリーン印刷機(製品名:LS−150、ニューロング精密工業株式会社製)を用い、高分子電解質膜の両面に前記電極触媒インクを、白金担持量がアノード側0.2mg/cm2、カソード側0.3mg/cm2となるように塗布し、140℃、5分の条件で乾燥・固化させることでMEAを得た。
(3) -2 Production of MEA Using an automatic screen printing machine (product name: LS-150, manufactured by Neurong Seimitsu Kogyo Co., Ltd.), the electrocatalyst ink was placed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and the amount of platinum supported was on the anode side. 0.2 mg / cm 2, was applied to the cathode side 0.3mg / cm 2, 140 ℃, to obtain a MEA by drying and solidifying at 5 minutes condition.

(3)−3 燃料電池単セルの作製
前記MEAの両極にガス拡散層(製品名:GDL35BC、MFCテクノロジー社製)を重ね、次いでガスケット、バイポーラプレート、バッキングプレートを重ねることで燃料電池単セルを得た。
(3) -3 Fabrication of a fuel cell unit cell A gas diffusion layer (product name: GDL35BC, manufactured by MFC Technology) is stacked on both poles of the MEA, and then a gasket, bipolar plate, and backing plate are stacked to form a fuel cell unit cell. Obtained.

(3)−4 発電・OCVサイクル試験
前記燃料電池単セルを評価装置(東陽テクニカ製燃料電池評価システム890CL)にセットして、発電3時間、OCV3時間のサイクルによる耐久性試験を実施した。
(3) -4 Power Generation / OCV Cycle Test The fuel cell single cell was set in an evaluation device (Fuel Cell Evaluation System 890CL manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), and a durability test was performed by a cycle of power generation 3 hours and OCV 3 hours.

発電の試験条件は、セル温度90℃、加湿ボトル61℃(相対湿度30%RH)とし、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを、それぞれ0.3A/cm2でのガス利用率が75%、55%となるよう供給する条件とした。また、アノード側とカソード側の両方を無加圧(大気圧)とした。 The test conditions for power generation are a cell temperature of 90 ° C. and a humidifying bottle of 61 ° C. (relative humidity of 30% RH), hydrogen gas on the anode side and air gas on the cathode side, and a gas utilization rate of 0.3 A / cm 2 respectively. Supply conditions were set to 75% and 55%. Further, no pressure was applied (atmospheric pressure) on both the anode side and the cathode side.

OCVの試験条件はセル温度、加湿ボトル温度、供給ガス、圧力は発電の試験条件と同様とした。   The OCV test conditions were the same as the power generation test conditions for the cell temperature, humidified bottle temperature, supply gas, and pressure.

(3)−5 劣化判定
試験時間0時間(L0)から100時間毎に水素のリーク電流を測定した。試験開始から500時間後(L500)の水素のリーク電流とL0の差(L500−L0)を算出することで劣化判定を行った。L500−L0が小さい程良好な耐久性を有すると判断した。尚、水素リーク電流が10mA/cm2以上となった場合、試験時間が500時間に満たくとも破膜と判断し試験を中止した。
(3) -5 Determination of degradation Hydrogen leak current was measured every 100 hours from 0 hour (L0) of the test time. The deterioration was determined by calculating the difference between the hydrogen leakage current and L0 (L500-L0) 500 hours after the start of the test (L500). It was judged that the smaller L500-L0, the better the durability. When the hydrogen leakage current was 10 mA / cm 2 or more, it was judged that the film was broken even if the test time was 500 hours, and the test was stopped.

水素のリーク電流は、セル温度、加湿ボトルの温度は発電の試験条件と同様にして、無加圧の条件でアノードに水素ガス、カソードに窒素ガスをそれぞれ200cc/min導入することで実施した。測定にはポテンショガルバノスタット(製品名:ソーラートロン1280B、東陽テクニカ社製)を用い、0.4Vを5分間保持し、5分後の電流値を電極面積で割ることで算出した。   The hydrogen leakage current was measured by introducing 200 cc / min of hydrogen gas into the anode and nitrogen gas into the cathode under non-pressurized conditions in the same manner as the power generation test conditions for the cell temperature and humidifying bottle temperature. The measurement was performed by using a potentiogalvanostat (product name: Solartron 1280B, manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.), holding 0.4 V for 5 minutes, and dividing the current value after 5 minutes by the electrode area.

下記実施例1から5及び比較例1は、高分子電解質組成物の高分子電解質膜への適用例である。また、下記実施例6から7及び比較例2は、高分子電解質組成物の電極触媒層への適用例である。   Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 below are application examples of the polymer electrolyte composition to the polymer electrolyte membrane. Examples 6 to 7 and Comparative Example 2 below are application examples of the polymer electrolyte composition to the electrode catalyst layer.

〔実施例1〕
(高分子電解質組成物の調製)
高分子電解質(a)の前駆体である、テトラフルオロエチレン、及びCF2=CFO(CF22−SO2Fから得られたパーフルオロスルホン酸樹脂前駆体(加水分解・酸処理後のEW:740)ペレットを、水酸化カリウム(15質量%)とメタノール(50質量%)を溶解した水溶液中に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に5時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回新しい塩酸水溶液を用いて5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、スルホン酸基(SO3H)を有する高分子電解質(a)のペレットを得た。
[Example 1]
(Preparation of polymer electrolyte composition)
Perfluorosulfonic acid resin precursor obtained from tetrafluoroethylene, which is a precursor of the polymer electrolyte (a), and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F (EW after hydrolysis and acid treatment) : 740) The pellet was brought into contact with an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methanol (50% by mass) were dissolved at 80 ° C. for 20 hours for hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 5 hours. Next, the treatment of immersing in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times each time using a new aqueous hydrochloric acid solution, then washed with ion-exchanged water and dried. Thereby, a pellet of the polymer electrolyte (a) having a sulfonic acid group (SO 3 H) was obtained.

このペレットをエタノール水溶液(水:エタノール=66.7:33.3(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で撹拌しながら160℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、5質量%の均一なパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を作製した。   The pellet was placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 66.7: 33.3 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a 5% by mass uniform perfluorosulfonic acid resin solution.

次に、この溶液100gに化合物(b)として、タンタル(関東化学(株)社製原子吸光分析用1,000ppm標準原液使用)を15g添加し、a/b=97/3(質量比)となるように調整した。最後に、化合物(b)の効果を確認する目的で、硫酸鉄(II)(関東化学(株)社製)をパーフルオロスルホン酸樹脂に対して20ppmとなるように配合し、高分子電解質組成物を含む高分子電解質溶液を得た。なお、タンタルは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成した。スルホン酸塩の形成は、フーリエ変換赤外分光計(Fourier−Transform Infrared Spectrometer)を用いて確認することができた。すなわち、スルホン酸基の寄与が大きい1458cm−1、626cm−1付近のピーク強度の変化をみることでスルホン酸塩の形成を確認した。 Next, 15 g of tantalum (1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added as compound (b) to 100 g of this solution, and a / b = 97/3 (mass ratio) It adjusted so that it might become. Finally, for the purpose of confirming the effect of the compound (b), iron sulfate (II) (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is blended so as to be 20 ppm with respect to the perfluorosulfonic acid resin, and the polymer electrolyte composition A polymer electrolyte solution containing the product was obtained. Tantalum formed a sulfonic acid salt (SO 3 H) and a sulfonate salt of the polymer electrolyte (a). The formation of a sulfonate could be confirmed using a Fourier-Transform Infrared Spectrometer. That is, the formation of a sulfonate was confirmed by observing the change in peak intensity around 1458 cm −1 and 626 cm −1 where the contribution of the sulfonic acid group was large.

(高分子電解質膜の作製)
得られた高分子電解質溶液をスターラーを用いて充分に撹拌した後、80℃にて減圧濃縮して、キャスト溶液を得た。キャスト溶液21gを直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃で1時間及び80℃で1時間の乾燥を行い、溶媒を除去した。次に、シャーレをオーブンに入れ160℃で1時間熱処理を行った。その後、オーブンから取り出し、冷却したシャーレにイオン交換水を注いで膜を剥離させ、膜厚約30μmの高分子電解質膜を得た。次に、60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥して高分子電解質膜を得た。
(Production of polymer electrolyte membrane)
The obtained polymer electrolyte solution was sufficiently stirred using a stirrer and then concentrated under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a cast solution. 21 g of the cast solution was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm and dried on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour and at 80 ° C. for 1 hour to remove the solvent. Next, the petri dish was placed in an oven and heat treated at 160 ° C. for 1 hour. Thereafter, the membrane was removed from the oven and poured into a cooled petri dish to peel off the membrane to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm. Next, it was immersed in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 3 hours, then washed with ion-exchanged water and dried to obtain a polymer electrolyte membrane.

この高分子電解質膜を用い、上記(3)耐久性試験を実施したところ良好な結果を得た。結果を表1に示す。   When the above (3) durability test was carried out using this polymer electrolyte membrane, good results were obtained. The results are shown in Table 1.

〔実施例2〕
化合物(b)として、タンタル(関東化学(株)社製、原子吸光分析用1,000ppm標準原液使用)を0.01g用いたこと以外は実施例1と同様にして高分子電解質溶液及び高分子電解質膜を得て、(3)耐久性試験を実施したところ良好な結果を得た。結果を表1に示す。なお、タンタルは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。
[Example 2]
The polymer electrolyte solution and the polymer were the same as in Example 1 except that 0.01 g of tantalum (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., using 1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis) was used as the compound (b). When an electrolyte membrane was obtained and (3) a durability test was performed, good results were obtained. The results are shown in Table 1. Note that tantalum was confirmed in the same manner as in Example 1 that was formed a sulfonic acid group (SO 3 H) and sulfonate polyelectrolyte (a).

〔実施例3〕
化合物(b)として、ニオブ(関東化学(株)社製、原子吸光分析用1,000ppm標準原液使用)を15g用いたこと以外は実施例1と同様にして高分子電解質溶液及び高分子電解質膜を得て、(3)耐久性試験を実施したところ良好な結果を得た。結果を表1に示す。なお、ニオブは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。
Example 3
The polymer electrolyte solution and the polymer electrolyte membrane were the same as in Example 1 except that 15 g of niobium (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., using 1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis) was used as the compound (b). (3) When a durability test was conducted, good results were obtained. The results are shown in Table 1. It was confirmed by the same method as in Example 1 that niobium formed sulfonic acid groups (SO 3 H) and sulfonates of the polymer electrolyte (a).

〔実施例4〕
ラジカル捕捉剤(c)としてポリベンゾイミダゾール(シグマアルドリッチジャパン(株)社製)を用いたこと以外は実施例1と同様にして高分子電解質溶液及び高分子電解質膜を得て、(3)耐久性試験を実施したところ良好な結果を得た。結果を表1に示す。なお、タンタルは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。
Example 4
A polymer electrolyte solution and a polymer electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 1 except that polybenzimidazole (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) was used as the radical scavenger (c). (3) Durability When the property test was carried out, good results were obtained. The results are shown in Table 1. Note that tantalum was confirmed in the same manner as in Example 1 that was formed a sulfonic acid group (SO 3 H) and sulfonate polyelectrolyte (a).

〔実施例5〕
(高分子電解質溶液の調製)
高分子電解質(a)の前駆体である、テトラフルオロエチレン、及びCF2=CFO(CF22−SO2Fから得られたパーフルオロスルホン酸樹脂前駆体(加水分解・酸処理後のEW:740)ペレットに、チオエーテル化合物(d)としてポリフェニレンスルフィド(シグマアルドリッチジャパン(株)社製)を二軸コンパウンディングテスター(製品名 ULT15TW nano−15MG−NH(−700) テクノベル社製)を用い混練し、パーフルオロスルホン酸樹脂前駆体/ポリフェニレンスルフィドの質量比が94/6であるペレットを得た。
Example 5
(Preparation of polymer electrolyte solution)
Perfluorosulfonic acid resin precursor obtained from tetrafluoroethylene, which is a precursor of the polymer electrolyte (a), and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F (EW after hydrolysis and acid treatment) : 740) Kneading polyphenylene sulfide (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) as a thioether compound (d) into a pellet using a biaxial compounding tester (product name: ULT15TW nano-15MG-NH (-700) manufactured by Technobel) As a result, pellets having a mass ratio of perfluorosulfonic acid resin precursor / polyphenylene sulfide of 94/6 were obtained.

このペレットを、水酸化カリウム(15質量%)とメタノール(50質量%)を溶解した水溶液中に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に5時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回新しい塩酸水溶液を用いて5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、スルホン酸基(SO3H)を有する高分子電解質(a)のペレットを得た。 The pellet was contacted in an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methanol (50% by mass) were dissolved at 80 ° C. for 20 hours for hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 5 hours. Next, the treatment of immersing in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times each time using a new aqueous hydrochloric acid solution, then washed with ion-exchanged water and dried. Thereby, a pellet of the polymer electrolyte (a) having a sulfonic acid group (SO 3 H) was obtained.

このペレットをエタノール水溶液(水:エタノール=66.7:33.3(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で撹拌しながら160℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、5質量%の均一なパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を作製した。   The pellet was placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 66.7: 33.3 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a 5% by mass uniform perfluorosulfonic acid resin solution.

次に、この溶液100gに化合物(b)としてタンタル(関東化学(株)社製、原子吸光分析用1,000ppm標準原液使用)を15g、ラジカル捕捉剤(c)としてポリベンゾイミダゾール(シグマアルドリッチジャパン(株)社製)を0.15g配合し、a/b/c/d=89/3/3/5(質量比)となるように調製した。最後に、化合物(b)の効果を確認する目的で、硫酸鉄(II)(関東化学(株)社製)をパーフルオロスルホン酸樹脂に対して20ppmとなるように配合し、高分子電解質溶液を得た。なお、タンタルは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。 Next, 15 g of tantalum (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., using 1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis) as a compound (b) was added to 100 g of this solution, and polybenzimidazole (Sigma Aldrich Japan) as a radical scavenger (c). 0.15 g) was prepared so that a / b / c / d = 89/3/3/5 (mass ratio). Finally, for the purpose of confirming the effect of the compound (b), iron sulfate (II) (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is blended so as to be 20 ppm with respect to the perfluorosulfonic acid resin, and a polymer electrolyte solution Got. Note that tantalum was confirmed in the same manner as in Example 1 that was formed a sulfonic acid group (SO 3 H) and sulfonate polyelectrolyte (a).

(高分子電解質膜の作製)
得られた高分子電解質溶液を、スターラーを用いて充分に撹拌した後、80℃にて減圧濃縮して、キャスト溶液を得た。上記キャスト液21gを直径15.4cmのシャーレに流し込み、ホットプレート上にて60℃で1時間及び80℃で1時間の乾燥を行い、溶媒を除去した。次に、シャーレをオーブンに入れ160℃で1時間熱処理を行った。その後、オーブンから取り出し、冷却したシャーレにイオン交換水を注いで膜を剥離させ、膜厚約30μmの高分子電解質膜を得た。次に、60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥して高分子電解質膜を得た。この高分子電解質膜を用い、上記(3)耐久性試験を実施したところ良好な結果を得た。結果を表1に示す。
(Production of polymer electrolyte membrane)
The obtained polymer electrolyte solution was sufficiently stirred using a stirrer and then concentrated under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a cast solution. 21 g of the cast solution was poured into a petri dish having a diameter of 15.4 cm, and dried on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour and at 80 ° C. for 1 hour to remove the solvent. Next, the petri dish was placed in an oven and heat treated at 160 ° C. for 1 hour. Thereafter, the membrane was removed from the oven and poured into a cooled petri dish to peel off the membrane to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm. Next, it was immersed in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 3 hours, then washed with ion-exchanged water and dried to obtain a polymer electrolyte membrane. When the above (3) durability test was carried out using this polymer electrolyte membrane, good results were obtained. The results are shown in Table 1.

〔比較例1〕
実施例1で化合物(b)を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にして高分子電解質溶液及び高分子電解質膜を得て、(3)耐久性試験を実施したところ200時間で水素のリーク電流が10mA/cm2を超えたため、破膜と判断し試験を終了させた。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
Except that the compound (b) was not added in Example 1, a polymer electrolyte solution and a polymer electrolyte membrane were obtained in the same manner as in Example 1, and (3) a durability test was performed in 200 hours. Since the leakage current of hydrogen exceeded 10 mA / cm 2 , it was determined that the film was broken and the test was terminated. The results are shown in Table 1.

〔実施例6〕
(高分子電解質組成物の調製)
高分子電解質(a)の前駆体である、テトラフルオロエチレン、及びCF2=CFO(CF22−SO2Fから得られたパーフルオロスルホン酸樹脂前駆体(加水分解・酸処理後のEW:740)ペレットを、水酸化カリウム(15質量%)とメタノール(50質量%)を溶解した水溶液中に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に5時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回新しい塩酸水溶液を用いて5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、スルホン酸基(SO3H)を有する高分子電解質(a)のペレットを得た。
Example 6
(Preparation of polymer electrolyte composition)
Perfluorosulfonic acid resin precursor obtained from tetrafluoroethylene, which is a precursor of the polymer electrolyte (a), and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F (EW after hydrolysis and acid treatment) : 740) The pellet was brought into contact with an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methanol (50% by mass) were dissolved at 80 ° C. for 20 hours for hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 5 hours. Next, the treatment of immersing in a 2N hydrochloric acid aqueous solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times each time using a new aqueous hydrochloric acid solution, then washed with ion-exchanged water and dried. Thereby, a pellet of the polymer electrolyte (a) having a sulfonic acid group (SO 3 H) was obtained.

このペレットをエタノール水溶液(水:エタノール=66.7:33.3(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で撹拌しながら160℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、5質量%の均一なパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を調製した。   The pellet was placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 66.7: 33.3 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a 5% by mass uniform perfluorosulfonic acid resin solution.

次に、この溶液100gに化合物(b)としてタンタル(関東化学(株)社製、原子吸光分析用1,000ppm標準原液使用)を15g添加し、a/b=97/3(質量比)となるように調製した。最後に、化合物(b)の効果を検証する目的で、硫酸鉄(II)(関東化学(株)社製)をパーフルオロスルホン酸樹脂に対して20ppmとなるように配合し、さらに固形分率が20質量%になるまで減圧下、濃縮を行い、高分子電解質組成物を含む高分子電解質溶液を得た。なお、タンタルは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。 Next, 15 g of tantalum (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., using 1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis) is added to 100 g of this solution as a compound (b), and a / b = 97/3 (mass ratio) It was prepared as follows. Finally, for the purpose of verifying the effect of the compound (b), iron sulfate (II) (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is blended so as to be 20 ppm with respect to the perfluorosulfonic acid resin, and the solid content rate is further increased. The solution was concentrated under reduced pressure until the content became 20% by mass to obtain a polymer electrolyte solution containing the polymer electrolyte composition. Note that tantalum was confirmed in the same manner as in Example 1 that was formed a sulfonic acid group (SO 3 H) and sulfonate polyelectrolyte (a).

(電極触媒層の作製)
得られた高分子電解質溶液に電極触媒(TEC10E40E、田中貴金属販売社製、白金担持量36.7wt%)を白金/パーフルオロスルホン酸ポリマーが1/1.15(重量)となるように配合した。
(Production of electrode catalyst layer)
An electrode catalyst (TEC10E40E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Seiyaku Co., Ltd., platinum support amount 36.7 wt%) was blended with the obtained polymer electrolyte solution so that the platinum / perfluorosulfonic acid polymer was 1 / 1.15 (weight). .

次いで固形分率(電極触媒、パーフルオロスルホン酸ポリマー、タンタルの総重量)が11wt%となるようにエタノールを加え、ホモジナイザー(アズワン社製)により回転数が3,000rpmで10分間、撹拌することで電極触媒インクを得た。得られた電極インクを自動スクリーン印刷機(製品名:LS−150、ニューロング精密工業株式会社製)を用い、高分子電解質膜(ナフィオン211CS(25μm)、デュポン社製)の両面に、白金担持量がアノード側0.2mg/cm2、カソード側0.3mg/cm2となるように塗布し、140℃、5分の条件で乾燥・固化させることで電極触媒層を有する膜電極接合体(MEA)を得た。 Next, ethanol is added so that the solid content (total weight of the electrode catalyst, perfluorosulfonic acid polymer, and tantalum) is 11 wt%, and the mixture is stirred for 10 minutes with a homogenizer (manufactured by ASONE) at a rotation speed of 3,000 rpm. The electrode catalyst ink was obtained. The obtained electrode ink was supported on platinum on both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion 211CS (25 μm), manufactured by DuPont) using an automatic screen printer (product name: LS-150, manufactured by Neurong Precision Industry Co., Ltd.). anode 0.2 mg / cm 2 amounts, was coated such that the cathode side 0.3mg / cm 2, 140 ℃, membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer by drying and solidifying at 5 minutes conditions ( MEA) was obtained.

得られたMEAの両極にガス拡散層(製品名:GDL35BC、MFCテクノロジー社製)を重ね、次いでガスケット、バイポーラプレート、バッキングプレートを重ねることで燃料電池単セルを得た。得られた燃料電池単セルを用い、上記(3)耐久性試験を行ったところ良好な結果を得た。結果を表2に示す。   A gas diffusion layer (product name: GDL35BC, manufactured by MFC Technology) was stacked on both electrodes of the obtained MEA, and then a gasket, a bipolar plate, and a backing plate were stacked to obtain a fuel cell single cell. When the obtained fuel cell single cell was used to perform the above (3) durability test, good results were obtained. The results are shown in Table 2.

〔実施例7〕
化合物(b)としてニオブ(関東化学(株)社製、原子吸光分析用1,000ppm標準原液)を15g用いたこと以外は実施例6と同様にして燃料電池単セルを得て、上記(3)耐久性試験を行ったところ良好な結果を得た。結果を表2に示す。なお、ニオブは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。
Example 7
A fuel cell single cell was obtained in the same manner as in Example 6 except that 15 g of niobium (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., 1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis) was used as the compound (b). ) When a durability test was performed, good results were obtained. The results are shown in Table 2. It was confirmed by the same method as in Example 1 that niobium formed sulfonic acid groups (SO 3 H) and sulfonates of the polymer electrolyte (a).

〔実施例8〕
(パーフルオロスルホン酸樹脂/ポリベンゾイミダゾール溶液の調製)
ラジカル捕捉剤(c)としてポリベンゾイミダゾール(シグマアルドリッチジャパン(株)社製)0.32gを、16質量%の水酸化ナトリウム水溶液(和光純薬工業社製)1.39gとエタノール100gの混合溶液に配合し、80℃、1時間の条件で撹拌した。ポリベンゾイミダゾールが完全に溶解した後、エタノール53.50gを配合し、赤褐色のポリベンゾイミダゾール溶液を得た。
Example 8
(Preparation of perfluorosulfonic acid resin / polybenzimidazole solution)
0.32 g of polybenzimidazole (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) as a radical scavenger (c), a mixed solution of 1.39 g of a 16% by mass sodium hydroxide aqueous solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 100 g of ethanol And stirred at 80 ° C. for 1 hour. After the polybenzimidazole was completely dissolved, 53.50 g of ethanol was blended to obtain a reddish brown polybenzimidazole solution.

次いで前記ポリベンゾイミダゾール溶液に、実施例6で得られた、5質量%の均一なパーフルオロスルホン酸樹脂溶液123.12gを配合し、室温、1時間の条件で撹拌し、淡黄色のパーフルオロスルホン酸樹脂/ポリベンゾイミダゾール溶液−1を得た。   Next, 123.12 g of the 5% by mass uniform perfluorosulfonic acid resin solution obtained in Example 6 was blended with the polybenzimidazole solution, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. A sulfonic acid resin / polybenzimidazole solution-1 was obtained.

次いで前記パーフルオロスルホン酸樹脂/ポリベンゾイミダゾール溶液100gにイオン交換樹脂(製品名:ダイヤイオンSK1B−H 三菱化学(株)社製)10gを配合し、室温、30分間の条件の下、撹拌を行い、その後、イオン交換樹脂を取り除くことで淡黄色のパーフルオロスルホン酸樹脂/ポリベンゾイミダゾール溶液−2を得た。   Next, 100 g of the perfluorosulfonic acid resin / polybenzimidazole solution is mixed with 10 g of an ion exchange resin (product name: Diaion SK1B-H manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and stirred under conditions of room temperature for 30 minutes. Then, a light yellow perfluorosulfonic acid resin / polybenzimidazole solution-2 was obtained by removing the ion exchange resin.

(高分子電解質溶液の調製)
実施例6で得られた、5質量%の均一なパーフルオロスルホン酸樹脂溶液100gに、化合物(b)としてタンタル(関東化学(株)社製、原子吸光分析用1,000ppm標準原液使用)、前記パーフルオロスルホン酸樹脂/ポリベンゾイミダゾール溶液−2を a/b/c=94/3/3(質量比)となるように調製した。
(Preparation of polymer electrolyte solution)
To 100 g of the 5% by mass uniform perfluorosulfonic acid resin solution obtained in Example 6, tantalum (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., using 1,000 ppm standard stock solution for atomic absorption analysis) as a compound (b), The perfluorosulfonic acid resin / polybenzimidazole solution-2 was prepared so that a / b / c = 94/3/3 (mass ratio).

最後に、化合物(b)の効果を検証する目的で、硫酸鉄(II)(関東化学(株)社製)をパーフルオロスルホン酸樹脂に対して20ppmとなるように配合し、さらに固形分率が20質量%になるまで減圧下、濃縮を行い、高分子電解質組成物を含む高分子電解質溶液を得た。なお、タンタルは高分子電解質(a)のスルホン酸基(SO3H)とスルホン酸塩を形成したことを実施例1と同様の方法により確認した。 Finally, for the purpose of verifying the effect of the compound (b), iron sulfate (II) (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is blended so as to be 20 ppm with respect to the perfluorosulfonic acid resin, and the solid content rate is further increased. The solution was concentrated under reduced pressure until the content became 20% by mass to obtain a polymer electrolyte solution containing the polymer electrolyte composition. Note that tantalum was confirmed in the same manner as in Example 1 that was formed a sulfonic acid group (SO 3 H) and sulfonate polyelectrolyte (a).

(電極触媒層の作製)
得られた高分子電解質溶液に電極触媒(TEC10E40E、田中貴金属販売社製、白金担持量36.7wt%)を白金/パーフルオロスルホン酸ポリマーが1/1.15(重量)となるように配合した。
(Production of electrode catalyst layer)
An electrode catalyst (TEC10E40E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Seiyaku Co., Ltd., platinum support amount 36.7 wt%) was blended with the obtained polymer electrolyte solution so that the platinum / perfluorosulfonic acid polymer was 1 / 1.15 (weight). .

次いで固形分率(電極触媒、パーフルオロスルホン酸ポリマー、タンタルの総重量)が11wt%となるようにエタノールを加え、ホモジナイザー(アズワン社製)により回転数が3,000rpmで10分間、撹拌することで電極触媒インクを得た。得られた電極インクを自動スクリーン印刷機(製品名:LS−150、ニューロング精密工業株式会社製)を用い、高分子電解質膜(ナフィオン211CS(25μm)、デュポン社製)の両面に、白金担持量がアノード側0.2mg/cm2、カソード側0.3mg/cm2となるように塗布し、140℃、5分の条件で乾燥・固化させることで電極触媒層を有する膜電極接合体(MEA)を得た。 Next, ethanol is added so that the solid content (total weight of the electrode catalyst, perfluorosulfonic acid polymer, and tantalum) is 11 wt%, and the mixture is stirred for 10 minutes with a homogenizer (manufactured by ASONE) at a rotation speed of 3,000 rpm. The electrode catalyst ink was obtained. The obtained electrode ink was supported on platinum on both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion 211CS (25 μm), manufactured by DuPont) using an automatic screen printer (product name: LS-150, manufactured by Neurong Precision Industry Co., Ltd.). anode 0.2 mg / cm 2 amounts, was coated such that the cathode side 0.3mg / cm 2, 140 ℃, membrane electrode assembly having an electrode catalyst layer by drying and solidifying at 5 minutes conditions ( MEA) was obtained.

得られたMEAの両極にガス拡散層(製品名:GDL35BC、MFCテクノロジー社製)を重ね、次いでガスケット、バイポーラプレート、バッキングプレートを重ねることで燃料電池単セルを得た。得られた燃料電池単セルを用い、上記(3)の耐久性試験を行ったところ良好な結果を得た。結果を表2に示す。   A gas diffusion layer (product name: GDL35BC, manufactured by MFC Technology) was stacked on both electrodes of the obtained MEA, and then a gasket, a bipolar plate, and a backing plate were stacked to obtain a fuel cell single cell. When the durability test of the above (3) was performed using the obtained fuel cell single cell, good results were obtained. The results are shown in Table 2.

〔比較例2〕
化合物(b)を配合しなかったこと以外は実施例6と同様にして燃料電池単セルを得て、上記(3)耐久性試験を行ったところ100時間にて水素のリーク電流が10mA/cm2を超えた為、破膜と判断し試験を終了した。結果を表2に示す。
[Comparative Example 2]
A fuel cell single cell was obtained in the same manner as in Example 6 except that the compound (b) was not blended, and the above (3) durability test was conducted. As a result, the hydrogen leakage current was 10 mA / cm in 100 hours. Since it exceeded 2 , it was judged as a ruptured film and the test was terminated. The results are shown in Table 2.

Figure 2014234445
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂:テトラフルオロエチレン、CF2=CF−O−(CF22−SO3Hの共重合体。EW740
PBI:ポリベンゾイミダゾール
PPS:ポリフェニレンスルフィド
Figure 2014234445
Perfluorocarbon sulfonic acid resin: tetrafluoroethylene, CF 2 ═CF—O— (CF 2 ) 2 —SO 3 H copolymer. EW740
PBI: Polybenzimidazole PPS: Polyphenylene sulfide

Figure 2014234445
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂:テトラフルオロエチレン、CF2=CF−O−(CF22−SO3Hの共重合体。EW740
Figure 2014234445
Perfluorocarbon sulfonic acid resin: tetrafluoroethylene, CF 2 ═CF—O— (CF 2 ) 2 —SO 3 H copolymer. EW740

本発明に係る高分子電解質組成物は、高分子電解質膜、電極触媒層、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池の分野において産業上の利用可能性を有する。   The polymer electrolyte composition according to the present invention has industrial applicability in the fields of polymer electrolyte membranes, electrode catalyst layers, membrane electrode assemblies, and solid polymer fuel cells.

Claims (8)

高分子電解質(a)と、
タンタル及びニオブからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する化合物(b)と、を含有する、
高分子電解質組成物。
A polymer electrolyte (a);
A compound (b) containing at least one metal element selected from the group consisting of tantalum and niobium,
Polymer electrolyte composition.
前記化合物(b)が、硫酸塩、炭酸塩、リン酸塩、及びカルボン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1つである、請求項1に記載の高分子電解質組成物。   The polymer electrolyte composition according to claim 1, wherein the compound (b) is at least one selected from the group consisting of sulfates, carbonates, phosphates, and carboxylates. ラジカル捕捉剤(c)をさらに含有する、請求項1又は2に記載の高分子電解質組成物。   The polymer electrolyte composition according to claim 1 or 2, further comprising a radical scavenger (c). 前記高分子電解質(a)が、下記式[1]で示される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質組成物。
−[CF2CX12a−[CF2−CF(−O−(CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− [1]
(式[1]中、X1、X2及びX3は、互いに独立して、ハロゲン元素又は炭素数1以上3以下のパーフルオロアルキル基であり、
a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1であり、
bは、0以上8以下の整数である。cは0又は1であり、
d及びeは、互いに独立して、0以上6以下の整数であり
fは、0以上10以下の整数であり、
ただし、d+e+fは0に等しくなく、
1及びR2は、互いに独立して、ハロゲン元素、炭素数1以上10以下のパーフルオロアルキル基又はフルオロクロロアルキル基であり、
4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZであり、ここで、Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子又はアミン類(NH4、NH33、NH234、NHR345、NR3456)であり、またR3、R4、R5及びR6はアルキル基又はアレーン基である。)
The polymer electrolyte composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer electrolyte (a) is represented by the following formula [1].
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2) f -X 4)] g - [1]
(In the formula [1], X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms,
a and g are 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1,
b is an integer of 0 or more and 8 or less. c is 0 or 1,
d and e are each independently an integer of 0 or more and 6 or less, and f is an integer of 0 or more and 10 or less,
However, d + e + f is not equal to 0,
R 1 and R 2 are each independently a halogen element, a perfluoroalkyl group or a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
X 4 is COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom or an amine (NH 4 , NH 3 R 3 , NH 2 R 3 R 4 , NHR 3 R 4 R 5 , NR 3 R 4 R 5 R 6 ), and R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are alkyl groups or arene groups. )
請求項1〜4のいずれか1項に記載の高分子電解質組成物を含む、高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane containing the polymer electrolyte composition of any one of Claims 1-4. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の高分子電解質組成物を含む、電極触媒層。   The electrode catalyst layer containing the polymer electrolyte composition of any one of Claims 1-4. 請求項5に記載の高分子電解質膜、及び/又は、請求項6に記載の電極触媒層を有する、膜電極接合体。   A membrane / electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 5 and / or the electrode catalyst layer according to claim 6. 請求項7に記載の膜電極接合体を有する、固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 7.
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