JP2016139587A - Polymer electrolyte membrane, membrane/electrode assembly and fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, membrane/electrode assembly and fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrocarbon polymer electrolyte membrane suitable for use as an electrolyte membrane for a fuel cell, which exhibits high proton conductivity, has mechanical characteristics low in moisture dependency, and accordingly has membrane strength that is not impaired even after a water-containing state and a dried state are repeated.SOLUTION: A polymer electrolyte membrane is obtained by combining a glass non-woven fabric and a polymer electrolyte including, as a main chain, a unit derived from a hydrophobic oligomer, which substantially does not have a sulfonic acid group and has a main chain mainly comprising an aromatic ring group, and a unit derived from a hydrophilic oligomer, which has a sulfonic acid group and has a main chain mainly comprising an aromatic ring group. The glass non-oven fabric includes glass fibers having an average diameter of 1 μm or less, and is treated with a silicon-based compound binder or an epoxy-based compound binder.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に好適な高分子電解質膜、それを用いた膜/電極接合体、および、これらを含む燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane suitable for a polymer electrolyte fuel cell, a membrane / electrode assembly using the membrane, and a fuel cell including these.

近年、地球温暖化等の環境問題等の観点から、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められている。その要求に対する一つの候補として燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤をそれぞれ電解質で隔てられた電極に供給し、一方で燃料の酸化を、他方で酸化剤の還元を行い、直接発電するものである。上述した燃料電池の材料のなかで、最も重要な材料の一つが電解質である。その電解質からなる燃料と酸化剤とを隔てる電解質膜としては、これまで様々なものが開発されているが、近年、特にスルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子化合物から構成される高分子電解質の開発が盛んである。こうした高分子電解質は、固体高分子形燃料電池の他にも、例えば、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。これら高分子電解質の利用法の中でも、特に、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。 In recent years, development of highly efficient and clean energy sources has been demanded from the viewpoint of environmental problems such as global warming. Fuel cells are attracting attention as one candidate for that requirement. A fuel cell directly supplies power by supplying a fuel such as hydrogen gas or methanol and an oxidant such as oxygen to electrodes separated by an electrolyte, while oxidizing the fuel on the one hand and reducing the oxidant on the other. is there. Among the fuel cell materials described above, one of the most important materials is an electrolyte. Various types of electrolyte membranes have been developed so far to separate the electrolyte fuel and oxidant, and in recent years, the electrolyte membrane is composed of a polymer compound containing a proton conductive functional group such as a sulfonic acid group. The development of polymer electrolytes is thriving. In addition to the solid polymer fuel cell, such a polymer electrolyte is used as a raw material for electrochemical elements such as a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display element. Among these polymer electrolyte utilization methods, in particular, polymer electrolyte fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. For example, a polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane made of a polymer compound having a proton-conducting functional group has features such as operation at a low temperature and reduction in size and weight. Application to consumer cogeneration systems and consumer small portable devices is under consideration.

固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、1950年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。しかしながら、ナフィオン(登録商標)は、使用原料が高く、複雑な製造工程を経るため、非常に高価であるという欠点がある。また、電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。さらに、その構造上、プロトン伝導基であるスルホン酸基の導入には限界がある。 As an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, there is a styrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s. However, the fuel cell has poor stability under a fuel cell operating environment and has a sufficient lifetime. Has not yet been manufactured. On the other hand, as an electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid membranes are said to have high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, Nafion (registered trademark) has a drawback that it is very expensive because it uses high raw materials and undergoes complicated manufacturing processes. In addition, it has been pointed out that it is deteriorated by hydrogen peroxide generated by the electrode reaction and by-product hydroxy radical. Furthermore, due to its structure, there is a limit to the introduction of sulfonic acid groups that are proton conducting groups.

このような背景から、再び炭化水素系電解質膜の開発が期待されるようになってきた。その理由としては、炭化水素系電解質膜は化学構造の多様性を持たせやすく、スルホン酸基などのプロトン伝導基の導入の範囲が広く調整できる、他の材料との複合化、架橋の導入などが比較的容易であるという特徴があるからである。 Against this background, the development of hydrocarbon electrolyte membranes has come to be expected. The reason for this is that the hydrocarbon electrolyte membrane is easy to have a variety of chemical structures, the range of introduction of proton conducting groups such as sulfonic acid groups can be adjusted widely, compounding with other materials, introduction of crosslinking, etc. This is because there is a feature that is relatively easy.

近年では、電解質膜にスルホン酸基を多く導入することでプロトン伝導性を改善する例があるが、このような膜は含水状態での膨潤が大きく、含水状態と乾燥状態を繰り返すことで膜の強度が損なわれ、燃料電池用の電解質膜として使用するには問題があった。 In recent years, there are examples in which proton conductivity is improved by introducing a large number of sulfonic acid groups into the electrolyte membrane. However, such a membrane has a large swelling in a water-containing state, and by repeating the water-containing state and the dry state, the membrane is The strength was impaired, and there was a problem in using it as an electrolyte membrane for fuel cells.

そこで、電解質膜を多孔質基材で補強することが提案されている。特許文献1には、フッ素系、炭化水素系など様々な高分子電解質を、ガラスクロスなどの無機繊維と加熱圧着によって複合化する方法が示されている。しかしながらこれで例示されている高分子電解質では、複合化によって強度の改善はできるものの低加湿でのプロトン伝導度低下が課題である。特許文献2には、ガラス繊維などの強化材を有する高分子電解質膜が示されている。しかしながらここで例示される高分子電解質は、アルカリ性ポリマー、酸性ポリマーであり、やはり複合による低加湿でのプロトン伝導度低下が課題である。 Thus, it has been proposed to reinforce the electrolyte membrane with a porous substrate. Patent Document 1 discloses a method in which various polymer electrolytes such as fluorine-based and hydrocarbon-based compounds are combined with inorganic fibers such as glass cloth by thermocompression bonding. However, in the polymer electrolyte exemplified in this, although the strength can be improved by compounding, the problem is a decrease in proton conductivity with low humidification. Patent Document 2 discloses a polymer electrolyte membrane having a reinforcing material such as glass fiber. However, the polyelectrolytes exemplified here are alkaline polymers and acidic polymers, and the problem is also a decrease in proton conductivity due to low humidity due to the composite.

特開2006−128014号公報JP 2006-128014 A 特表2009−545841号公報JP 2009-545841 A

本発明の目的は、高いプロトン伝導度を発現し、膨潤耐性が高く、従って、乾湿サイクル耐性が高く、燃料電池用の電解質膜としての使用に好適な、ガラス不織布によって補強された炭化水素系高分子電解質膜を提供することである。 The object of the present invention is to provide a hydrocarbon-based high fiber reinforced with a nonwoven glass fabric that exhibits high proton conductivity, high swelling resistance, and therefore high dry and wet cycle resistance, and is suitable for use as an electrolyte membrane for fuel cells. It is to provide a molecular electrolyte membrane.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、特定のガラス不織布を電解質樹脂とともに製膜した複合膜が、電解質樹脂単独の膜に比較して耐膨潤特性に優れ、乾湿サイクル試験等の機械的安定性を評価する試験においても、より高い耐久性を発現することを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a composite film obtained by forming a specific glass nonwoven fabric together with an electrolyte resin is superior in swelling resistance and wet and dry compared to a film made of an electrolyte resin alone. In a test for evaluating mechanical stability such as a cycle test, it was found that higher durability was developed, and the present invention was completed.

すなわち、本発明は、実質的にスルホン酸基を有さない、主鎖が主に芳香環基からなる疎水部オリゴマーに由来するユニット、および、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環基からなる親水部オリゴマーに由来するユニットとを主鎖とする高分子電解質と、ガラス不織布とが複合されてなる高分子電解質膜であって、該ガラス不織布が、平均径が1μm以下のガラス繊維を含み、かつ、シリコン系化合物バインダーまたはエポキシ系化合物バインダーで処理されていることを特徴とする高分子電解質膜に関する。 That is, the present invention includes a unit derived from a hydrophobic moiety oligomer having substantially no sulfonic acid group, the main chain mainly consisting of an aromatic ring group, and a sulfonic acid group, the main chain being mainly aromatic. A polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte having a main chain derived from a unit derived from a hydrophilic oligomer comprising a cyclic group and a glass nonwoven fabric, wherein the glass nonwoven fabric is a glass having an average diameter of 1 μm or less. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane containing fibers and treated with a silicon compound binder or an epoxy compound binder.

ガラス不織布が、さらに、平均径が1μmを超え10μm未満であるガラス繊維を含むことが好ましい。 It is preferable that the glass nonwoven fabric further includes glass fibers having an average diameter of more than 1 μm and less than 10 μm.

ガラス不織布がエポキシ系化合物バインダーで処理されていることが好ましい。 The glass nonwoven fabric is preferably treated with an epoxy compound binder.

親水部オリゴマーに由来するユニットが、下記一般式群(1)に記載の構造の少なくとも1つを繰り返し単位として含むことが好ましい。

Figure 2016139587
(式中、Arは、下記式群(2)に記載の構造のいずれかを有する2価の基を表し、当該2価の基は置換基を有していてもよい。Arは、スルホン酸基を少なくとも1つ有する2価の芳香族基を表す。ArまたはArが複数存在する場合は、それらは同一であっても異なっていてもよい。nは1〜4の整数、Xは−O−または−S−、Yは−SO−または−CO−を表す。)
Figure 2016139587
It is preferable that the unit derived from the hydrophilic part oligomer contains at least one of the structures described in the following general formula group (1) as a repeating unit.
Figure 2016139587
(In the formula, Ar 1 represents a divalent group having any of the structures described in the following formula group (2), .Ar 2 may have a substituent group of the divalent groups, A divalent aromatic group having at least one sulfonic acid group, when there are a plurality of Ar 1 or Ar 2 s , they may be the same or different, n is an integer of 1 to 4, X represents —O— or —S—, and Y represents —SO 2 — or —CO—.
Figure 2016139587

Arが、下記式群(3)に記載の構造のいずれかを有し、かつ、スルホン酸基を少なくとも1つ有する2価の芳香族基であることが好ましい。

Figure 2016139587
Ar 2 is preferably a divalent aromatic group having any one of the structures described in the following formula group (3) and having at least one sulfonic acid group.
Figure 2016139587

疎水部オリゴマーに由来するユニットが、下記一般式群(4)に記載の構造の少なくとも1つを繰り返し単位として含むことが好ましい。

Figure 2016139587
(式中、Arは、2価の芳香族基を表す。Arが複数存在する場合は、それらは同一であっても異なっていてもよい。) It is preferable that the unit derived from the hydrophobic moiety oligomer contains at least one of the structures described in the following general formula group (4) as a repeating unit.
Figure 2016139587
(In the formula, Ar represents a divalent aromatic group. When a plurality of Ar are present, they may be the same or different.)

高分子電解質膜のイオン交換容量が、1.5〜3.5meq./gであることが好ましい。 The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is 1.5 to 3.5 meq. / G is preferable.

また、本発明は、本発明の高分子電解質膜を用いた、燃料電池用膜/電極接合体に関する。 The present invention also relates to a membrane / electrode assembly for fuel cells using the polymer electrolyte membrane of the present invention.

また、本発明は、本発明の高分子電解質膜を用いた、燃料電池に関する。 The present invention also relates to a fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention.

本発明によれば、特定のガラス不織布を、特定の構造を有する高分子電解質と複合化することにより、含水時の寸法変化を抑え、機械強度に優れ、かつ、低加湿下においても高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を提供することができる。また、この高分子電解質膜を用いることによって、燃料ガスの湿度によらず高い性能および高い機械強度を実現できることから、長時間使用における信頼性の高い燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a specific glass nonwoven fabric is combined with a polymer electrolyte having a specific structure, thereby suppressing dimensional changes when containing water, excellent mechanical strength, and high proton conductivity even under low humidification. A polymer electrolyte membrane having properties can be provided. Further, by using this polymer electrolyte membrane, high performance and high mechanical strength can be realized regardless of the humidity of the fuel gas, so that a fuel cell with high reliability in long-time use can be provided.

実施例6と比較例1の乾湿サイクル耐性比較試験結果である。It is a wet-and-dry cycle resistance comparison test result of Example 6 and Comparative Example 1.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described as follows. The present invention is not limited to the following description.

<1.高分子電解質>
本発明に用いる高分子電解質、すなわちガラス不織布と複合する高分子電解質は、実質的にスルホン酸基を有さない、主鎖が主に芳香環基からなる疎水部オリゴマーに由来するユニット、および、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環基からなる親水部オリゴマーに由来するユニットとを主鎖とするものである。当該高分子電解質は、疎水部オリゴマーに由来するユニットと親水部オリゴマーに由来するユニットとからなるブロック共重合体であることが好ましい。ブロック共重合体とすることにより、高分子電解質の低加湿下でのプロトン伝導性が向上する。
<1. Polymer electrolyte>
The polyelectrolyte used in the present invention, that is, the polyelectrolyte that is combined with the glass nonwoven fabric, has substantially no sulfonic acid group, a unit derived from a hydrophobic oligomer having a main chain mainly composed of an aromatic ring group, and A unit having a sulfonic acid group and having a main chain derived from a hydrophilic oligomer mainly composed of an aromatic ring group is used as the main chain. The polymer electrolyte is preferably a block copolymer composed of a unit derived from a hydrophobic part oligomer and a unit derived from a hydrophilic part oligomer. By using a block copolymer, the proton conductivity of the polymer electrolyte under low humidity is improved.

親水部オリゴマーに由来するユニットは、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環基からなるものである。すなわち、当該親水部オリゴマーに由来するユニットには、スルホン酸基が導入されている。親水部オリゴマーに由来するユニットがスルホン酸基を有するので、高分子電解質のプロトン伝導性が発現し、親水部オリゴマーに由来するユニットの主鎖が主に芳香環基からなるので、高分子電解質は耐熱性、化学的耐久性に優れるものになる。 The unit derived from the hydrophilic part oligomer has a sulfonic acid group, and the main chain mainly consists of an aromatic ring group. That is, a sulfonic acid group is introduced into the unit derived from the hydrophilic part oligomer. Since the unit derived from the hydrophilic part oligomer has a sulfonic acid group, the proton conductivity of the polymer electrolyte is expressed, and the main chain of the unit derived from the hydrophilic part oligomer is mainly composed of an aromatic ring group. Excellent heat resistance and chemical durability.

スルホン酸基は、例えば、ナトリウム塩、カリウム塩等の塩になっていてもよいし、ネオペンチルエステル、メチルエステル、プロピルエステル等のスルホン酸エステル基になっていてもよい。特にオリゴマー合成中や合成後は、塩やエステル等の保護基を有する状態になっているのが好ましいことが多いが、当該高分子電解質が、例えば燃料電池の電解質膜として用いられる場合は、無機酸の水溶液等に浸漬することにより、スルホン酸基に変換して使用されることが多い。よって、本発明においては、スルホン酸基としては、容易にスルホン酸基になる状態であれば、塩やエステル等の保護基を有する状態も含まれる。 The sulfonic acid group may be, for example, a salt such as sodium salt or potassium salt, or may be a sulfonic acid ester group such as neopentyl ester, methyl ester, or propyl ester. In particular, during and after the synthesis of the oligomer, it is often preferable to have a protective group such as a salt or ester. However, when the polymer electrolyte is used as an electrolyte membrane of a fuel cell, for example, it is inorganic. It is often used after being converted into a sulfonic acid group by immersing in an acid aqueous solution. Therefore, in the present invention, the sulfonic acid group includes a state having a protective group such as a salt or an ester as long as it easily becomes a sulfonic acid group.

スルホン酸基の量は、親水部オリゴマーに由来するユニットを形成する繰り返し単位当たり1〜6個が好ましく、1〜4個がより好ましい。6個より多くなると、ユニットの水溶性が高くなり、合成中の取り扱いが難しくなる傾向がある。1個より少ないと、十分なプロトン伝導性が発現しにくくなる傾向がある。 The amount of the sulfonic acid group is preferably 1 to 6 and more preferably 1 to 4 per repeating unit forming the unit derived from the hydrophilic oligomer. When the number is more than 6, the water solubility of the unit increases, and the handling during synthesis tends to be difficult. When it is less than one, sufficient proton conductivity tends to be difficult to be exhibited.

親水部オリゴマーに由来するユニットは、主鎖が主に芳香環基からなるものである。ここで「主鎖が主に芳香環基からなる」とは、ユニットにおける主鎖の連結基(エーテル基、チオエーテル基、スルホン基、ケトン基、スルフィド基等)以外の部分の分子量を100%とした場合、その70%以上が芳香環基からなるということを意味する。芳香環基としては、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ビフェニル、硫黄や窒素等を含む芳香族複素環基等が挙げられる。
主鎖が主に芳香環基からなると、化学的熱的な安定性が高い。このような主鎖構造としては、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリケトン、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリフェニレン、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール等が例示される。
The unit derived from the hydrophilic oligomer has a main chain mainly composed of an aromatic ring group. Here, “the main chain is mainly composed of an aromatic ring group” means that the molecular weight of the portion other than the main chain linking group (ether group, thioether group, sulfone group, ketone group, sulfide group, etc.) in the unit is 100%. In this case, it means that 70% or more of them consists of an aromatic ring group. Examples of the aromatic ring group include benzene, naphthalene, anthracene, biphenyl, aromatic heterocyclic groups containing sulfur, nitrogen and the like.
When the main chain is mainly composed of an aromatic ring group, chemical and thermal stability is high. Examples of such a main chain structure include polyether, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyketone, polysulfone, polysulfide, polyphenylene, polyimide, polybenzimidazole, and the like.

当該親水部オリゴマーに由来するユニットの具体的な例としては、下記一般式群(1)に記載の構造の少なくとも1つを繰り返し単位として含むものが挙げられる。

Figure 2016139587
(式中、Arは、下記式群(2)に記載の構造のいずれかを有する2価の基を表し、当該2価の基は置換基を有していてもよい。Arは、スルホン酸基を少なくとも1つ有する2価の芳香族基を表す。ArまたはArが複数存在する場合は、互いに同じであっても異なっていてもよい。nは1〜4の整数、Xは−O−または−S−、Yは−SO−または−CO−を表す。)
Figure 2016139587
Specific examples of the unit derived from the hydrophilic part oligomer include those containing at least one of the structures described in the following general formula group (1) as a repeating unit.
Figure 2016139587
(In the formula, Ar 1 represents a divalent group having any of the structures described in the following formula group (2), .Ar 2 may have a substituent group of the divalent groups, Represents a divalent aromatic group having at least one sulfonic acid group, and when there are a plurality of Ar 1 or Ar 2 s , they may be the same or different from each other, n is an integer of 1 to 4, X Represents —O— or —S—, and Y represents —SO 2 — or —CO—.
Figure 2016139587

また上記Arは、下記式群(3)に記載の構造のいずれかを有し、かつ、スルホン酸基を少なくとも1つ有する2価の芳香族基であること、すなわち、下記式群(3)に記載の構造のいずれかを有する2価の芳香族基にスルホン酸基が少なくとも1つ導入された構造であることが、合成が容易であることから好ましい。

Figure 2016139587
The Ar 2 is a divalent aromatic group having any one of the structures described in the following formula group (3) and having at least one sulfonic acid group, that is, the following formula group (3 ) Is preferably a structure in which at least one sulfonic acid group is introduced into a divalent aromatic group having any one of the structures described in (1).
Figure 2016139587

上記一般式群(1)に記載の構造において、ベンゼン環上に置換基を有していてもよい。また、上記式群(2)に記載の構造を有する2価の基は、置換基を有していてもよい。さらに、上記式群(3)に記載の構造を有する2価の芳香族基は、スルホン酸基以外に、置換基を有していてもよい。これら置換基としては、例えば、炭素数1〜6のアルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等)、炭素数1〜6のアルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基等)、フェニル基等が挙げられる。また、当該置換基を1個以上有することができる。親水部オリゴマーに由来するユニットは、その主鎖、側鎖、両者(主鎖および側鎖)のいずれにスルホン酸基を有していてもよい。 In the structure described in the general formula group (1), the benzene ring may have a substituent. The divalent group having the structure described in the above formula group (2) may have a substituent. Furthermore, the divalent aromatic group having the structure described in the above formula group (3) may have a substituent in addition to the sulfonic acid group. Examples of these substituents include alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms (methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, etc.), and alkoxy groups having 1 to 6 carbon atoms (methoxy group, ethoxy group). Group, propoxy group, butoxy group, pentyloxy group, hexyloxy group, etc.), phenyl group and the like. One or more substituents can be included. The unit derived from the hydrophilic part oligomer may have a sulfonic acid group in any of its main chain, side chain, and both (main chain and side chain).

親水部オリゴマーを構成するモノマーとしては、例えば、上記一般式群(1)に記載の構造を構成しうるモノマーが挙げられ、具体的には、下式で表されるモノマーが好ましく挙げられる。また、上記一般式群(1)においてXが−S−である場合等には、下式で表されるモノマーにおいて、−OH基の代わりに−SH基を有するモノマー等も挙げられる。さらに、後述のように、スルホン酸基を有するモノマーの重合により親水部オリゴマーを調製する場合等には、下式で表されるモノマーにおいて、そのベンゼン環上にスルホン酸基を有しているモノマー等も挙げられる。

Figure 2016139587
As a monomer which comprises a hydrophilic part oligomer, the monomer which can comprise the structure as described in the said General formula group (1) is mentioned, for example, Specifically, the monomer represented by the following Formula is mentioned preferably. In addition, in the case where X is —S— in the general formula group (1), a monomer having an —SH group instead of an —OH group in the monomer represented by the following formula may be used. Furthermore, as will be described later, when preparing a hydrophilic part oligomer by polymerization of a monomer having a sulfonic acid group, in the monomer represented by the following formula, a monomer having a sulfonic acid group on its benzene ring And so on.
Figure 2016139587

その他親水部オリゴマーを構成するモノマーとしては、特開2002−293889号公報で示されるもの等(電子求引性基および電子供与性基を有するモノマー等)も例示できる。 Other examples of the monomer constituting the hydrophilic part oligomer include those shown in JP-A-2002-238889 (monomers having an electron withdrawing group and an electron donating group).

親水部オリゴマーに由来するユニットのみのイオン交換容量(以下、イオン交換容量をIECとも表記する)は、高分子電解質膜としてのIECが高く設定でき、また低加湿下で高いプロトン伝導性を発現することができる点から、4.0meq./g以上であることが好ましい。親水部オリゴマーに由来するユニットのIECは、NMRの分析による計算や、ブロック電解質のIEC(従来公知の方法、例えば滴定等により容易に求められる)を、親水部オリゴマーに由来するユニットの重量割合で除すること等により求めることができるが、本明細書においては後者の方法により求めるものである。つまり、親水部オリゴマーに由来するユニットのIECは、実施例に記載の高分子電解質膜のIECの測定方法と同様にして求めた高分子電解質のIECを、親水部オリゴマーに由来するユニットの重量割合で除することにより求める。また、meq./gは、ミリ当量/gを意味する。 The ion exchange capacity of only the unit derived from the hydrophilic oligomer (hereinafter, the ion exchange capacity is also referred to as IEC) can be set high for IEC as a polymer electrolyte membrane, and also exhibits high proton conductivity under low humidification. 4.0 meq. / G or more is preferable. The IEC of the unit derived from the hydrophilic oligomer is calculated based on the NMR analysis and the IEC of the block electrolyte (which can be easily obtained by a conventionally known method such as titration) by the weight ratio of the unit derived from the hydrophilic oligomer. However, in this specification, it is obtained by the latter method. That is, the IEC of the unit derived from the hydrophilic part oligomer is the IEC of the polymer electrolyte obtained in the same manner as the IEC measurement method of the polymer electrolyte membrane described in the examples, and the weight ratio of the unit derived from the hydrophilic part oligomer. Calculate by dividing by. In addition, meq. / G means milliequivalent / g.

疎水部オリゴマーに由来するユニットは、実質的にスルホン酸基を有さないものである。「実質的にスルホン酸基を有さない」とは、疎水部オリゴマーに由来するユニットがスルホン酸基を全く有さないか、疎水部オリゴマーに由来するユニットにおける繰り返し単位あたりのスルホン酸基の数が、親水部オリゴマーに由来するユニットにおける繰り返し単位あたりのスルホン酸基の数の1/10以下であることを意味する。これにより、親水部との相分離を明確にして、高分子電解質の低加湿下でのプロトン伝導性を向上させ、また、高分子電解質の強度を向上させる。当該疎水部オリゴマーに由来するユニットには、スルホン酸基が全く導入されていないことが好ましい。 The unit derived from the hydrophobic part oligomer has substantially no sulfonic acid group. “Substantially has no sulfonic acid group” means that the unit derived from the hydrophobic part oligomer has no sulfonic acid group or the number of sulfonic acid groups per repeating unit in the unit derived from the hydrophobic part oligomer Means 1/10 or less of the number of sulfonic acid groups per repeating unit in the unit derived from the hydrophilic oligomer. Thereby, phase separation from the hydrophilic portion is clarified, the proton conductivity of the polymer electrolyte under low humidification is improved, and the strength of the polymer electrolyte is improved. It is preferable that no sulfonic acid group is introduced into the unit derived from the hydrophobic part oligomer.

当該疎水部オリゴマーに由来するユニットは、耐熱性を有する点から、ポリイミド系、ポリベンズイミダゾール系、ポリエーテル系等で、主鎖が主に芳香環基からなる構造が好ましく、ポリエーテル系が合成の容易さの観点からより好ましい。「主鎖が主に芳香環基からなる」とは、ユニットにおける主鎖の連結基(エーテル基、スルホン基、ケトン基、スルフィド基等)以外の部分の分子量を100%とした場合、その70%以上が芳香環基からなるということを意味する。 The unit derived from the hydrophobic part oligomer is preferably a polyimide-based, polybenzimidazole-based, polyether-based, etc. structure having a main chain mainly composed of an aromatic ring group from the viewpoint of heat resistance. From the viewpoint of easiness. “The main chain is mainly composed of an aromatic ring group” means that when the molecular weight of the unit other than the main chain linking group (ether group, sulfone group, ketone group, sulfide group, etc.) in the unit is 100%, 70 It means that more than% consists of aromatic ring groups.

このような疎水部オリゴマーに由来するユニットとしては、下記一般式群(4)に記載の構造の少なくとも1つを繰り返し単位として含むことが好ましい。

Figure 2016139587
(式中、Arは、2価の芳香族基を表す。Arが複数存在する場合は、それらは同一であっても異なっていてもよい。) As a unit derived from such a hydrophobic part oligomer, it is preferable that at least one of the structures described in the following general formula group (4) is included as a repeating unit.
Figure 2016139587
(In the formula, Ar represents a divalent aromatic group. When a plurality of Ar are present, they may be the same or different.)

Arの2価の芳香族基としては、例えば、下式群(5)で表される基等が好ましく挙げられる。

Figure 2016139587
Preferred examples of the divalent aromatic group for Ar include a group represented by the following formula group (5).
Figure 2016139587

また、Arの2価の芳香族基は、置換基を有していてもよい。当該置換基としては、例えば、炭素数1〜6のアルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等)、炭素数1〜6のアルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基等)、フェニル基、シアノ基等が挙げられる。また、当該置換基を1個以上有することができる。 Moreover, the divalent aromatic group of Ar may have a substituent. Examples of the substituent include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms (methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, etc.), and an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms (methoxy group, ethoxy group). Group, propoxy group, butoxy group, pentyloxy group, hexyloxy group, etc.), phenyl group, cyano group and the like. One or more substituents can be included.

疎水部オリゴマーを構成するモノマーとしては、例えば、上記一般式群(4)の構造を構成しうるモノマーが挙げられ、具体的には、下式で表されるモノマーが好ましく挙げられる。

Figure 2016139587
As a monomer which comprises a hydrophobic part oligomer, the monomer which can comprise the structure of the said General formula group (4) is mentioned, for example, Specifically, the monomer represented by the following Formula is mentioned preferably.
Figure 2016139587

親水部オリゴマーに由来するユニット、および、疎水部オリゴマーに由来するユニットの分子量は、その化学構造や合成のしやすさ等により異なるが、数平均分子量でそれぞれ700〜30,000[g/mol]が好ましく、2,000〜10,000[g/mol]がより好ましい。700[g/mol]より小さいと、ブロック共重合体型高分子電解質としての特性が現れにくくなる傾向があり、30,000[g/mol]より大きいと、溶解性等の問題で合成が困難になりやすい傾向がある。 The molecular weight of the unit derived from the hydrophilic part oligomer and the unit derived from the hydrophobic part oligomer vary depending on the chemical structure, ease of synthesis, etc., but each has a number average molecular weight of 700 to 30,000 [g / mol]. Is preferable, and 2,000 to 10,000 [g / mol] is more preferable. If it is smaller than 700 [g / mol], the properties as a block copolymer type polymer electrolyte tend to hardly appear, and if it is larger than 30,000 [g / mol], synthesis becomes difficult due to problems such as solubility. There is a tendency to become.

高分子電解質の分子量は、数平均分子量で10,000〜300,000[g/mol]が好ましく、合成の容易さと溶媒への溶解度のバランスから、30,000〜150,000[g/mol]がより好ましい。上記各オリゴマー及び高分子電解質の分子量は、実施例に記載の測定方法により求めることができる。 The molecular weight of the polyelectrolyte is preferably 10,000 to 300,000 [g / mol] in terms of number average molecular weight, and 30,000 to 150,000 [g / mol] from the balance of ease of synthesis and solubility in a solvent. Is more preferable. The molecular weight of each oligomer and polymer electrolyte can be determined by the measurement method described in the examples.

また、高分子電解質のIECは、1.5〜3.5meq./gであると、電解質としての性能を発現し易いために好ましく、1.6〜3.0meq./gであると、低加湿下におけるプロトン伝導性と機械強度のバランスに優れるため、より好ましい。当該高分子電解質のイオン交換容量は、実施例に記載の測定方法と同様にして求めることができる。 The IEC of the polymer electrolyte is 1.5 to 3.5 meq. / G because it is easy to express the performance as an electrolyte, and is preferably 1.6 to 3.0 meq. / G is more preferable because it provides an excellent balance between proton conductivity and mechanical strength under low humidification. The ion exchange capacity of the polymer electrolyte can be determined in the same manner as the measurement method described in the examples.

また、機械強度をより向上させたり、水分に対する膨潤を抑制するために、高分子電解質に架橋の導入等の化学的変性を行うことも、本発明の範疇である。 In addition, it is also within the scope of the present invention to perform chemical modification such as introduction of cross-linking to the polymer electrolyte in order to further improve the mechanical strength or suppress swelling with respect to moisture.

高分子電解質は、従来公知の方法により作製することができる。例えば、親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーを調製後、これと疎水部オリゴマーをブロック共重合体化し、ブロック共重合体の親水部となりうるユニットのみをスルホン酸化して、親水部−疎水部ブロック共重合体とする方法(方法(a));親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーを調製後、スルホン酸基を導入して親水部オリゴマーを調製し、これと疎水部オリゴマーをブロック共重合体化する方法(方法(b));スルホン酸基を有するモノマーの重合により親水部オリゴマーを調製し、これと疎水部オリゴマーをブロック共重合体化する方法(方法(c));疎水部オリゴマーとスルホン酸基を有する多量のモノマーを重合することにより、結果的に親水部オリゴマーに由来するユニットと疎水部オリゴマーに由来するユニットとからなるブロック共重合体とする方法(方法(d))等が例示できる。 The polymer electrolyte can be produced by a conventionally known method. For example, after preparing an oligomer that can become a hydrophilic part oligomer, this and a hydrophobic part oligomer are converted into a block copolymer, and only the unit that can become the hydrophilic part of the block copolymer is sulfonated to produce a hydrophilic part-hydrophobic part block copolymer. (Method (a)): After preparing an oligomer that can be a hydrophilic part oligomer, a sulfonic acid group is introduced to prepare a hydrophilic part oligomer, and this is a block copolymer of the hydrophobic part oligomer (method ( b)); a method in which a hydrophilic oligomer is prepared by polymerization of a monomer having a sulfonic acid group, and a hydrophobic copolymer is made into a block copolymer (method (c)); a large amount having a hydrophobic oligomer and a sulfonic acid group As a result, the unit derived from the hydrophilic part oligomer and the unit derived from the hydrophobic part oligomer How to block copolymer consisting of (method (d)) and the like.

以下に、上記方法(a)について説明する。なお、高分子電解質の製造方法は、以下に限定されるものではない。
まず、前述の親水部オリゴマーを構成するモノマー、および、疎水部オリゴマーを構成するモノマーを用いて、親水部オリゴマーとなりうるオリゴマー(スルホン酸化可能な部位を含むオリゴマー)と、疎水部オリゴマーを調製する。これらのオリゴマーを得る方法としては、末端に水酸基等の求核性の置換基を有するモノマーと、末端にハロゲン含有基等の脱離基を有するモノマーを縮合する方法や、脱離基を有するモノマー中に触媒を加えて縮合させる方法等が挙げられる。
The method (a) will be described below. In addition, the manufacturing method of a polymer electrolyte is not limited to the following.
First, an oligomer (an oligomer including a site capable of being sulfonated) and a hydrophobic part oligomer are prepared using the monomer constituting the hydrophilic part oligomer and the monomer constituting the hydrophobic part oligomer. Methods for obtaining these oligomers include a method of condensing a monomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group at the terminal and a monomer having a leaving group such as a halogen-containing group at the terminal, or a monomer having a leaving group. Examples thereof include a method in which a catalyst is added and condensed.

重合反応(縮合反応)は、溶媒を用いない溶融状態でも行うことは可能であるが、適当な溶媒中で行うことが好ましい。溶媒としては、芳香族炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、スルホン系溶媒、スルホキシド系溶媒等が挙げられる。芳香族炭化水素系溶媒としては、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、1,3,5−トリメチルベンゼン等が挙げられる。ハロゲン系溶媒としては、例えばジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等が挙げられる。エーテル系溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、ジオキサン、シクロペンチルメチルエーテル等が挙げられる。ケトン系溶媒としては、例えばメチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノン等が挙げられる。アミド系溶媒としては、例えばN,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。スルホン系溶媒としては、例えばスルホラン、3−メチルスルホラン、2,4−ジメチルスルホラン等が挙げられる。スルホキシド系溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等が挙げられる。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。 The polymerization reaction (condensation reaction) can be performed in a molten state without using a solvent, but is preferably performed in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aromatic hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents, ketone solvents, amide solvents, sulfone solvents, sulfoxide solvents and the like. Examples of the aromatic hydrocarbon solvent include benzene, toluene, xylene, 1,3,5-trimethylbenzene and the like. Examples of the halogen solvent include dichlorobenzene and trichlorobenzene. Examples of ether solvents include tetrahydrofuran, dioxane, cyclopentyl methyl ether, and the like. Examples of the ketone solvent include methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, diisobutyl ketone, and cyclohexanone. Examples of the amide solvent include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone and the like. Examples of the sulfone solvent include sulfolane, 3-methylsulfolane, 2,4-dimethylsulfolane, and the like. Examples of the sulfoxide solvent include dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide. These may be used alone or in combination of two or more.

反応を促進するために、通常は触媒として塩基性化合物が用いられる。塩基性化合物としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等が好適に用いられ、例示するならば、LiOH、NaOH、KOH、LiCO、NaCO、KCO、LiHCO、NaHCO、KHCO等である。 In order to accelerate the reaction, a basic compound is usually used as a catalyst. As the basic compound, an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, or the like is preferably used. For example, LiOH, NaOH, KOH, Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , LiHCO 3 , NaHCO 3 , KHCO 3 and the like.

重合反応工程の反応温度は、重合反応に応じて適宜設定すればよい。具体的には、最適使用範囲の20℃〜250℃に設定すればよく、より好ましくは40℃〜200℃である。20℃よりも低温であれば反応が遅くなる傾向があり、250℃よりも高温であれば主鎖が切れやすくなる傾向がある。重合反応工程の反応時間は、特に限定されないが、好ましくは0.1〜500時間、より好ましくは0.5〜300時間である。 What is necessary is just to set the reaction temperature of a polymerization reaction process suitably according to a polymerization reaction. Specifically, it may be set to 20 ° C. to 250 ° C. of the optimum use range, and more preferably 40 ° C. to 200 ° C. If the temperature is lower than 20 ° C, the reaction tends to be slow, and if the temperature is higher than 250 ° C, the main chain tends to be easily broken. Although the reaction time of a polymerization reaction process is not specifically limited, Preferably it is 0.1-500 hours, More preferably, it is 0.5-300 hours.

上記のようにして、親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーと、疎水部オリゴマーを得た後、これらを化学結合させてブロック共重合体化させる。これらオリゴマーを化学結合させてブロック共重合体化させる方法としては、特に制限は無く、重合するオリゴマーの反応性によって適宜定める事ができる。重合法の詳細は、一般的な方法(「高分子の合成と反応(2)」p.249−255、1991年、共立出版株式会社)を適用することができる。具体的には、例えば、末端に水酸基等の求核性の置換基を有するオリゴマーと、末端にハロゲン含有基等の脱離基を有するオリゴマーを塩基性化合物存在下に縮合させることにより、ブロック共重合体化させる。あるいは、末端にハロゲン含有基を有する各オリゴマーどうしを遷移金属存在下に縮合させることにより、ブロック共重合体化させることもできる。 After obtaining the oligomer which can become a hydrophilic part oligomer and the hydrophobic part oligomer as mentioned above, these are chemically bonded to form a block copolymer. The method of chemically bonding these oligomers to form a block copolymer is not particularly limited and can be appropriately determined depending on the reactivity of the oligomer to be polymerized. For the details of the polymerization method, a general method (“Synthesis and Reaction of Polymer (2)” p.249-255, 1991, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd.) can be applied. Specifically, for example, an oligomer having a nucleophilic substituent such as a hydroxyl group at the terminal and an oligomer having a leaving group such as a halogen-containing group at the terminal are condensed in the presence of a basic compound to form a block copolymer. Polymerize. Alternatively, each oligomer having a halogen-containing group at the terminal can be condensed in the presence of a transition metal to form a block copolymer.

次いで、上記のようにして得られたブロック共重合体において、親水部となりうるユニットのみをスルホン酸化する。この場合、ベンゼン環の電子密度が比較的高い部分がスルホン酸化される。すなわち、当該ブロック共重合体(親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーと、疎水部オリゴマーとから得られる)と、スルホン酸化剤を反応させることにより、親水部オリゴマーに由来するユニットと疎水部オリゴマーに由来するユニットからなるブロック共重合体(高分子電解質)を合成することができる。 Next, in the block copolymer obtained as described above, only the unit that can be a hydrophilic portion is sulfonated. In this case, a portion having a relatively high electron density of the benzene ring is sulfonated. That is, a unit derived from a hydrophilic part oligomer and a unit derived from a hydrophobic part oligomer by reacting the block copolymer (obtained from an oligomer that can be a hydrophilic part oligomer and a hydrophobic part oligomer) and a sulfonated agent. A block copolymer (polymer electrolyte) made of can be synthesized.

スルホン酸化剤としては、例えばクロロスルホン酸、無水硫酸、発煙硫酸、硫酸、アセチル硫酸等が挙げられ、クロロスルホン酸、発煙硫酸が適度な反応性を有しているために好ましい。
スルホン酸化反応において、溶媒は用いても用いなくてもよい。溶媒を用いる場合、溶媒としては、スルホン酸化剤に対して不活性なものであればよく、例えば、炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒等が挙げられる。炭化水素系溶媒としては、飽和脂肪族炭化水素が挙げられ、特に炭素数5〜15の直鎖状または分岐状の炭化水素が好ましく、溶解度の点から、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカンがより好ましい。ハロゲン化炭化水素系溶媒としては、ハロゲン化飽和脂肪族炭化水素、ハロゲン化芳香族炭化水素等が挙げられる。ハロゲン化飽和脂肪族炭化水素としては、例えば、モノクロロメタン、ジクロロメタン、トリクロロメタン、テトラクロロメタン、モノクロロエタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン等が挙げられ、取り扱いの容易さからジクロロメタンが好ましい。ハロゲン化芳香族炭化水素としては、例えば、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等が挙げられ、取り扱いの容易さからクロロベンゼンが好ましい。
Examples of the sulfonating agent include chlorosulfonic acid, sulfuric anhydride, fuming sulfuric acid, sulfuric acid, acetyl sulfuric acid and the like. Chlorosulfonic acid and fuming sulfuric acid are preferable because they have appropriate reactivity.
In the sulfonation reaction, a solvent may or may not be used. In the case of using a solvent, the solvent is not particularly limited as long as it is inert to the sulfonated agent, and examples thereof include hydrocarbon solvents and halogenated hydrocarbon solvents. Examples of the hydrocarbon solvent include saturated aliphatic hydrocarbons, and linear or branched hydrocarbons having 5 to 15 carbon atoms are particularly preferable. From the viewpoint of solubility, pentane, hexane, heptane, octane and decane are preferable. More preferred. Examples of the halogenated hydrocarbon solvent include a halogenated saturated aliphatic hydrocarbon and a halogenated aromatic hydrocarbon. Examples of the halogenated saturated aliphatic hydrocarbon include monochloromethane, dichloromethane, trichloromethane, tetrachloromethane, monochloroethane, dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, and the like. Dichloromethane is preferable because of easy handling. Examples of the halogenated aromatic hydrocarbon include chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, and the like, and chlorobenzene is preferable because of easy handling.

スルホン酸化工程の反応温度は、反応に応じて適宜設定すればよく、具体的にはスルホン酸化剤の最適使用範囲である−80℃〜200℃に設定すればよく、より好ましくは−50℃〜150℃であり、さらに好ましくは−20℃〜130℃である。−80℃よりも低温であれば反応が遅くなり、目的とするスルホン酸化が100%まで進行しない傾向があり、200℃よりも高温であれば副反応が起こる傾向がある。 The reaction temperature of the sulfonation process may be set as appropriate according to the reaction, specifically, it may be set to −80 ° C. to 200 ° C. which is the optimum use range of the sulfonation agent, more preferably −50 ° C. to It is 150 degreeC, More preferably, it is -20 degreeC-130 degreeC. If the temperature is lower than −80 ° C., the reaction is slow, and the intended sulfonation tends not to proceed to 100%, and if the temperature is higher than 200 ° C., side reaction tends to occur.

スルホン酸化工程の反応時間は、親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーの構造により適宜選択され得るが、通常1分間〜50時間程度の範囲内であればよい。1分間より短いと均一なスルホン酸化が進行しない傾向があり、50時間より長いと副反応が起こる傾向がある。 The reaction time of the sulfonating step can be appropriately selected depending on the structure of the oligomer that can be a hydrophilic part oligomer, but it may usually be in the range of about 1 minute to 50 hours. When it is shorter than 1 minute, uniform sulfonation tends not to proceed, and when it is longer than 50 hours, side reaction tends to occur.

スルホン酸化工程におけるスルホン酸化剤の添加量は、親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーに含まれるスルホン酸化される部位の全量(モル)を1当量とした場合、1当量〜50当量であることが好ましい。1当量より少ないと、スルホン酸化されない部位が生じる傾向があり、一方、50当量より多いと親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーの主鎖が切断されやすい傾向がある。 The addition amount of the sulfonating agent in the sulfonating step is preferably 1 to 50 equivalents when the total amount (mole) of the sites to be sulfonated contained in the oligomer that can be a hydrophilic oligomer is 1 equivalent. When the amount is less than 1 equivalent, there is a tendency that a portion that is not sulfonated is generated. On the other hand, when the amount is more than 50 equivalents, the main chain of the oligomer that can be a hydrophilic oligomer tends to be cleaved.

スルホン酸化工程における親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーの濃度は、スルホン酸化剤と接触させた場合に均一に反応が進行すれば特に限定されないが、親水部オリゴマーとなりうるオリゴマーが低分子量化等の副反応を起こさないことと、溶媒量抑制によるコスト優位性の観点から、スルホン酸化反応に用いた化合物全体の重量に対して1〜30重量%であることが好ましい。 The concentration of the oligomer capable of becoming a hydrophilic oligomer in the sulfonating step is not particularly limited as long as the reaction proceeds uniformly when brought into contact with the sulfonating agent, but the oligomer capable of becoming the hydrophilic oligomer undergoes side reactions such as lower molecular weight. From the viewpoint of not causing it and cost superiority by suppressing the amount of solvent, the content is preferably 1 to 30% by weight with respect to the total weight of the compound used in the sulfonation reaction.

上記方法(b)〜(d)において、疎水部オリゴマーと親水部オリゴマーまたはスルホン酸基を有する親水モノマーの末端を、いずれもハロゲンとしておき、特開2012−229418号公報に記載されている方法に従い、遷移金属化合物を用いて重縮合する方法を用いることもできる。このような遷移金属化合物としては、ニッケル系化合物、パラジウム系化合物、銅化合物が好ましく用いられ、好ましくは、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル、テトラキストリフェニルホスフィンニッケル等の0価ニッケル錯体が用いられる。また、ジクロロビストリフェニルホスフィンニッケル等の2価のニッケル錯体を、亜鉛等の還元剤の存在下に使用してもよい。 In the above methods (b) to (d), the ends of the hydrophobic oligomer and the hydrophilic oligomer or the hydrophilic monomer having a sulfonic acid group are all halogenated, and the method described in JP 2012-229418 A is followed. Alternatively, a polycondensation method using a transition metal compound can also be used. As such a transition metal compound, a nickel-based compound, a palladium-based compound, or a copper compound is preferably used, and preferably a zero-valent nickel complex such as bis (1,5-cyclooctadiene) nickel or tetrakistriphenylphosphine nickel. Is used. Further, a divalent nickel complex such as dichlorobistriphenylphosphine nickel may be used in the presence of a reducing agent such as zinc.

<2.ガラス不織布>
ガラス不織布とは、ガラス繊維を不規則に絡み合わせ、シート状に加工したものである。本発明におけるガラス不織布は、平均径が1μm以下のガラス繊維を含み、かつ、シリコン系化合物バインダーまたはエポキシ系化合物バインダーで処理されていることを特徴とする。ガラス不織布がこのような特徴を有することにより、高い機械強度を有し、含水時の寸法変化を抑え、乾湿サイクル耐性に優れた高分子電解質膜が得られる。
<2. Glass nonwoven fabric>
The glass nonwoven fabric is a glass fiber that is irregularly entangled and processed into a sheet shape. The glass nonwoven fabric in the present invention includes glass fibers having an average diameter of 1 μm or less and is treated with a silicon compound binder or an epoxy compound binder. When the glass nonwoven fabric has such characteristics, it is possible to obtain a polymer electrolyte membrane having high mechanical strength, suppressing dimensional changes when containing water, and having excellent dry and wet cycle resistance.

ガラス繊維の平均径が1μmを超えると、高分子電解質膜の乾湿サイクル耐性が低下する傾向がある。また、ガラス繊維の平均径は0.8μm以下であることが好ましい。 If the average diameter of the glass fibers exceeds 1 μm, the wet / dry cycle resistance of the polymer electrolyte membrane tends to be lowered. Moreover, it is preferable that the average diameter of glass fiber is 0.8 micrometer or less.

ガラス不織布は、さらに、平均径が1μmを超え10μm未満であるガラス繊維を含んでいてもよい。ガラス繊維の平均径が1μm以下のものに、平均径が1μmを超え10μm未満のものを混合すると、ガラス不織布の剛性が向上し、さらに高い乾湿サイクル耐性を発現するため、より好ましい。平均径が1μmを超え10μm未満のガラス繊維の含有率は、ガラス繊維の合計100重量%に対し、10〜70重量%であることが好ましい。10重量%未満であると、剛性向上の効果が小さく、70重量%を超えると、太いガラス繊維の間が広がってしまい、引張強度が低下する傾向があり、微小領域で高分子電解質が均一に保持できなくなる可能性がある。 The glass nonwoven fabric may further contain glass fibers having an average diameter of more than 1 μm and less than 10 μm. It is more preferable to mix glass fibers having an average diameter of 1 μm or less with those having an average diameter of more than 1 μm and less than 10 μm because the rigidity of the glass nonwoven fabric is improved and higher wet / dry cycle resistance is exhibited. It is preferable that the content rate of the glass fiber whose average diameter exceeds 1 micrometer and is less than 10 micrometers is 10 to 70 weight% with respect to the total 100 weight% of glass fiber. If it is less than 10% by weight, the effect of improving the rigidity is small, and if it exceeds 70% by weight, the gap between the thick glass fibers spreads and the tensile strength tends to decrease, and the polymer electrolyte is uniformly distributed in a minute region. There is a possibility that it cannot be held.

ガラス繊維の繊維径は、通常ある程度ばらつきがあるため、平均値を用いる。より具体的には、ガラス不織布中の任意の約10本の繊維径を光学顕微鏡により観察して測定し、その平均値をガラス繊維の平均径とする。 Since the fiber diameter of glass fiber usually varies to some extent, an average value is used. More specifically, about 10 arbitrary fiber diameters in a glass nonwoven fabric are observed and measured with an optical microscope, and the average value is taken as the average diameter of the glass fibers.

不織布を構成するガラス繊維の平均繊維長は、0.5mm〜20mmの範囲が好ましく、2mm〜15mmの範囲にあることがより好ましい。平均繊維長が0.5mm未満であると、不織布の機械的強度が低下するため、電解質膜の補強効果が減少する傾向がある。一方、平均繊維長が20mmを超えると、不織布成形時におけるガラス繊維の分散性が低下し、厚さの均一性や、目付量の均一性が低下する傾向がある。その結果、電解質膜の補強に適した不織布が得られなくなるおそれがある。 The average fiber length of the glass fibers constituting the nonwoven fabric is preferably in the range of 0.5 mm to 20 mm, and more preferably in the range of 2 mm to 15 mm. If the average fiber length is less than 0.5 mm, the mechanical strength of the nonwoven fabric decreases, and the reinforcing effect of the electrolyte membrane tends to decrease. On the other hand, when the average fiber length exceeds 20 mm, the dispersibility of the glass fibers at the time of forming the nonwoven fabric tends to decrease, and the uniformity of thickness and the uniformity of basis weight tend to decrease. As a result, there is a possibility that a nonwoven fabric suitable for reinforcing the electrolyte membrane cannot be obtained.

複合対象の高分子電解質がスルホン酸基を有することから、当該ガラス繊維は、耐酸性ガラス、いわゆるCガラスや含アルカリガラスといわれる耐酸性を持ったガラスからなることが耐久性の観点でより好ましい。ここで、Cガラスや含アルカリガラスといわれるガラスは、一般にアルカリ含有量が0.8〜20重量%である組成を有するガラスであり、耐酸性に優れる。 Since the polymer electrolyte to be combined has a sulfonic acid group, it is more preferable from the viewpoint of durability that the glass fiber is made of acid-resistant glass, so-called C glass or alkali-containing glass. . Here, glass called C glass or alkali-containing glass is a glass having a composition having an alkali content of 0.8 to 20% by weight, and is excellent in acid resistance.

バインダーとしては種々の化合物が知られているが、本発明に用いられるガラス不織布は、シリコン系化合物バインダー、またはエポキシ系化合物バインダーを用いて処理されていることにより、ガラス繊維どうしを強固に拘束し、不織布の寸法安定性と強度を高めることができる。また、補強された高分子電解質膜の耐膨潤性および乾湿サイクル耐性が改善される。ガラス繊維のみで不織布を形成した場合、不織布の寸法安定性および引張強度は、繊維どうしの絡み合いのみに依存する。そのため、繊維どうしの結びつきが弱く、高分子電解質の変形に伴って、高分子電解質に密着しているガラス繊維も移動してしまう。すなわち、ガラス繊維どうしの拘束力が非常に弱く、燃料電池の電解質膜に必要とされる寸法安定性が得られない。 Various compounds are known as binders, but the glass nonwoven fabric used in the present invention is treated with a silicon compound binder or an epoxy compound binder, thereby firmly restraining the glass fibers. The dimensional stability and strength of the nonwoven fabric can be increased. Further, the swelling resistance and the wet and dry cycle resistance of the reinforced polymer electrolyte membrane are improved. When a nonwoven fabric is formed only with glass fibers, the dimensional stability and tensile strength of the nonwoven fabric depend only on the entanglement of the fibers. Therefore, the connection between the fibers is weak, and the glass fiber that is in close contact with the polymer electrolyte also moves with the deformation of the polymer electrolyte. That is, the binding force between the glass fibers is very weak, and the dimensional stability required for the electrolyte membrane of the fuel cell cannot be obtained.

なお、バインダーは単独でも、または2種類以上を混合して用いてもよい。上記バインダーの中でも、ガラス繊維の拘束力が強く、高分子電解質との親和性が高いため、高分子電解質膜の乾湿サイクル耐性がより向上するという観点から、エポキシ系化合物バインダーが好ましい。 In addition, you may use a binder individually or in mixture of 2 or more types. Among the above binders, epoxy compound binders are preferable from the viewpoint that the binding force of glass fibers is strong and the affinity with the polymer electrolyte is high, so that the wet and dry cycle resistance of the polymer electrolyte membrane is further improved.

シリコン系化合物バインダーの例としては、まず、一般的にシランカップリング剤と称されるものが挙げられる。具体例としては、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)シラン、ビニルトリクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン等のビニルシラン、γ−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン等のアクリルシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のエポキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン等のウレイドシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン等のクロロシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン、γ−イソシアナートプロピルトリメトキシシラン等のイソシアナートシラン等が挙げられる。また、上記アミノシランとエポキシシランの反応物、アミノシランとイソシアナートシランの反応物等も用いることができる。 As an example of a silicon-type compound binder, what is generally called a silane coupling agent is mentioned first. Specific examples include vinyl silanes such as vinyltris (β-methoxyethoxy) silane, vinyltrichlorosilane, vinyltrimethoxysilane, acrylic silanes such as γ-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, N-β. Aminosilanes such as-(aminoethyl) -γ-aminopropyltrimethoxysilane, epoxysilanes such as γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, β- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, and γ-ureidopropyl Ureidosilane such as triethoxysilane, chlorosilane such as γ-chloropropyltrimethoxysilane, mercaptosilane such as γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, isocyanate such as γ-isocyanatopropyltrimethoxysilane And tosilane. Further, the reaction product of aminosilane and epoxysilane, the reaction product of aminosilane and isocyanate silane, or the like can also be used.

シランカップリング剤以外のシリコン系化合物バインダーとしては、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、n−ヘキシルトリメトキシシラン、n−オクチルトリメトキシシラン、n−デシルトリメトキシシラン、n−ドデシルトリメトキシシラン等のアルキルシリケートや、ポリジメチルシロキサン、ポリジエチルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン等のポリシロキサン等が挙げられる。 Silicon compound binders other than silane coupling agents include tetramethoxysilane, methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, tetraethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, n- Alkyl silicates such as butyltrimethoxysilane, n-hexyltrimethoxysilane, n-octyltrimethoxysilane, n-decyltrimethoxysilane, n-dodecyltrimethoxysilane, polydimethylsiloxane, polydiethylsiloxane, polymethylphenylsiloxane And the like.

エポキシ系化合物バインダーとしては、特に限定はなく、公知のものを使用することができる。例示するならば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールAプロプレンオキシド付加物のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂等が挙げられる。 There is no limitation in particular as an epoxy-type compound binder, A well-known thing can be used. Illustrative examples include bisphenol A type epoxy resins, bisphenol F type epoxy resins, novolac type epoxy resins, glycidyl ether type epoxy resins of bisphenol A propylene oxide adducts, and hydrogenated bisphenol A type epoxy resins.

エポキシ系化合物バインダーを使用する場合は、エポキシ樹脂の硬化剤を併用する。硬化剤としては公知のものを使用することができ、例示するならば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジエチルアミノプロピルアミン、N−アミノエチルピペラジン、ベンジルジメチルアミン、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジシアンジアミド、メンタンジアミン、キシレンジアミン等のアミン系化合物、エチルメチルイミダゾール、各種ポリアミド樹脂、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水ドデシルコハク酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水メチルナジック酸、無水ビロメリット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸、無水ジクロロコハク酸等の酸無水物等が挙げられる。 When using an epoxy compound binder, an epoxy resin curing agent is used in combination. As the curing agent, known ones can be used. For example, diethylenetriamine, triethylenetetramine, diethylaminopropylamine, N-aminoethylpiperazine, benzyldimethylamine, tris (dimethylaminomethyl) phenol, metaphenylenediamine , Amine compounds such as diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, dicyandiamide, menthanediamine, xylenediamine, ethylmethylimidazole, various polyamide resins, phthalic anhydride, maleic anhydride, dodecyl succinic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, methyl anhydride Examples thereof include acid anhydrides such as nadic acid, pyromellitic anhydride, benzophenone tetracarboxylic anhydride, and dichlorosuccinic anhydride.

シリコン系化合物バインダーおよびエポキシ系化合物バインダー以外のバインダーとしては、例えば、アクリル樹脂ディスパージョン、アクリル樹脂エマルション、フッ素樹脂ディスパージョン、フッ素樹脂エマルション、ポリウレタンディスパージョン、ポリウレタンエマルション、シリコーン樹脂ディスパージョン、シリコーン樹脂エマルション、ポリイミドワニス、ポリビニルアルコール水溶液、コロイダルシリカディスパージョン、アルキルシリケート、ケイ素またはチタンのアルコキシド、チタニアゾル等の種々の液状バインダーが知られている。 Examples of binders other than silicon compound binders and epoxy compound binders include acrylic resin dispersions, acrylic resin emulsions, fluororesin dispersions, fluororesin emulsions, polyurethane dispersions, polyurethane emulsions, silicone resin dispersions, and silicone resin emulsions. Various liquid binders such as polyimide varnish, aqueous polyvinyl alcohol solution, colloidal silica dispersion, alkyl silicate, silicon or titanium alkoxide, and titania sol are known.

バインダーとして一般的に用いられる上記のバインダーで処理した後に、さらに上記のシランカップリング剤による処理を施してもよい。上記一般的なバインダーとシランカップリング剤は、それぞれ独立した機構で補強の効果を発揮するため、それらは併用することができ、その効果は相乗される。 After the treatment with the binder generally used as a binder, the treatment with the silane coupling agent may be further performed. Since the general binder and the silane coupling agent exhibit a reinforcing effect by an independent mechanism, they can be used together, and the effects are synergistic.

上記の、シリコン系化合物バインダー、または、エポキシ系化合物バインダーは、無機バインダーを含んでいてもよい。無機バインダーとしては、シリカゾル、アルミナゾル、チタニアゾルのような合成無機系ゾル(微粒子として水に分散しており、乾燥固化後にゲルとなり硬化するもの)、カオリン、クレー、セピオライト、アタパルジャイト、ベントナイトのような天然系鉱物紛体(水に分散後、乾燥時に固化するもの)、マイカ、スメクタイトのような鉱物系鱗片状物、シリカフレーク、シリカ−チタニアフレーク、アルミナフレークのような合成鱗片状物(水に分散しており、乾燥時に固結して自己膜を形成するもの)、シリカ微粒子等の無機バインダーが用いられる。中でも、不純物の少ない合成物の無機バインダーが好ましい。また、平均粒径0.01〜2μm、好ましくは0.1〜1μm、より好ましくは0.2〜0.6μmのものが用いられる。 The above silicon compound binder or epoxy compound binder may contain an inorganic binder. As inorganic binders, synthetic inorganic sols such as silica sol, alumina sol, and titania sol (dispersed in water as fine particles and hardened as gel after drying and solidification), natural such as kaolin, clay, sepiolite, attapulgite, bentonite Mineral mineral powder (which disperses in water and then solidifies upon drying), mineral flakes such as mica and smectite, synthetic flakes such as silica flakes, silica-titania flakes and alumina flakes (dispersed in water) Inorganic binders such as silica fine particles are used. Among them, a synthetic inorganic binder with few impurities is preferable. Further, those having an average particle diameter of 0.01 to 2 μm, preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.2 to 0.6 μm are used.

シリコン系化合物バインダー、または、エポキシ系化合物バインダーの使用量については、ガラス不織布におけるバインダーの固形分の付着量が、ガラス繊維の質量の0.5〜10%(より好ましくは2〜9%)の範囲となるよう調節されることが好ましい。 About the usage-amount of a silicon-type compound binder or an epoxy-type compound binder, the adhesion amount of the solid content of the binder in a glass nonwoven fabric is 0.5-10% (more preferably 2-9%) of the mass of glass fiber. It is preferable to adjust the range.

本発明で使用されるガラス不織布は、例えば以下の方法で製造できる。 The glass nonwoven fabric used by this invention can be manufactured with the following method, for example.

第一の方法では、まず、ガラス繊維と、ガラス繊維どうしの結び付きを強めるバインダー成分とを含む混合液を調製する(工程(i))。ガラス繊維には、上述の通り、平均径が1μm以下のもの、あるいは、平均径が1μm以下のものと平均径が1μmを超え10μm未満のものとの混合物を用いる。バインダー成分には、上記のシリコン系化合物、またはエポキシ系化合物を用いる。工程(i)の混合液は、分散剤、界面活性剤、pH調整剤、凝集剤等を含んでいてもよい。次にその混合液から、ガラス繊維とバインダーを含む不織布を形成する(工程(ii))。不織布は、たとえば、一般的な湿式抄造の方法で形成できる。不織布を形成した後、必要に応じて熱処理等を行ってもよい。工程(ii)によって、ガラス繊維どうしがバインダーで拘束された不織布が得られる。 In the first method, first, a mixed solution containing glass fibers and a binder component that strengthens the bonding between the glass fibers is prepared (step (i)). As described above, a glass fiber having an average diameter of 1 μm or less or a mixture of an average diameter of 1 μm or less and an average diameter of more than 1 μm and less than 10 μm is used. As the binder component, the above silicon compound or epoxy compound is used. The mixed solution in step (i) may contain a dispersant, a surfactant, a pH adjuster, a flocculant and the like. Next, a nonwoven fabric containing glass fibers and a binder is formed from the mixed solution (step (ii)). The nonwoven fabric can be formed by, for example, a general wet papermaking method. After forming a nonwoven fabric, you may heat-process etc. as needed. By the step (ii), a nonwoven fabric in which glass fibers are bound with a binder is obtained.

第二の方法では、まず、ガラス繊維を用いて、たとえば一般的な湿式抄造の方法で、不織布を形成する(工程(I))。次にバインダー成分を含む液体を不織布に塗布した後、乾燥させることによって、ガラス繊維どうしの結びつきを強める(工程(II))。乾燥時に熱処理を行ってもよい。バインダーの塗布は、バインダーに不織布を浸漬することによって行ってもよいし、不織布にバインダーを含浸させることによって行ってもよい。工程(II)では、ガラス繊維間に膜が形成されることを抑制するため、バインダーを塗布した後、余分なバインダーを除去することが好ましい。 In the second method, first, a nonwoven fabric is formed using glass fibers, for example, by a general wet papermaking method (step (I)). Next, the liquid containing the binder component is applied to the nonwoven fabric and then dried, thereby strengthening the connection between the glass fibers (step (II)). You may heat-process at the time of drying. The application of the binder may be performed by immersing the nonwoven fabric in the binder, or may be performed by impregnating the nonwoven fabric with the binder. In step (II), in order to suppress the formation of a film between the glass fibers, it is preferable to remove the excess binder after applying the binder.

第一の方法は、製造工程が簡単であるという利点がある。一方、第二の方法は、ガラス繊維の交点にバインダーを集中させることが可能であり、少ないバインダーの量で高い効果が得られるという利点がある。 The first method has an advantage that the manufacturing process is simple. On the other hand, the second method has an advantage that the binder can be concentrated at the intersection of the glass fibers and a high effect can be obtained with a small amount of the binder.

本発明の高分子電解質膜の厚さは、後述するように300μm以下であることが好ましいため、これと複合するガラス不織布も、機械強度向上の効果を奏する範囲内で薄いことが好ましく、具体的には、厚さ(圧力20kPにての測定値)が50μm以下であることが好ましく、30μm以下がより好ましい。また、当該ガラス不織布の厚さは、強度向上の点から、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましい。上記ガラス不織布の厚さは、ガラス不織布全体に均等な圧力(20kPa)を加え、ダイヤルゲージを用いてガラス不織布の任意の約10箇所の厚さを測定し、平均した値である。 Since the thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 300 μm or less as described later, the glass nonwoven fabric combined therewith is also preferably thin within the range that exhibits the effect of improving the mechanical strength. The thickness (measured value at a pressure of 20 kP) is preferably 50 μm or less, and more preferably 30 μm or less. Further, the thickness of the glass nonwoven fabric is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, from the viewpoint of strength improvement. The thickness of the glass nonwoven fabric is an average value obtained by applying a uniform pressure (20 kPa) to the entire glass nonwoven fabric, measuring the thickness of about 10 arbitrary locations of the glass nonwoven fabric using a dial gauge.

不織布の目付量(単位面積当たりの質量)は、2〜50g/mであることが好ましく、3〜25g/mの範囲であることがより好ましい。目付量が2g/m未満であると、ガラス繊維どうしの絡み合いが少なくなり、引張強度が低下する傾向がある。一方、目付量が50g/mを超えると、電解質膜の補強材としては厚くなりすぎるおそれがあり、また、これを薄くするためにプレス等によって密度を高くすれば、ガラス繊維がその交接点で折れて短くなり、引張強度が低下する場合がある。 The basis weight (mass per unit area) of the nonwoven fabric is preferably 2 to 50 g / m 2 , and more preferably 3 to 25 g / m 2 . When the basis weight is less than 2 g / m 2 , the entanglement between the glass fibers decreases, and the tensile strength tends to decrease. On the other hand, if the weight per unit area exceeds 50 g / m 2 , the reinforcing material for the electrolyte membrane may become too thick. If the density is increased by a press or the like in order to reduce the thickness, the glass fiber may have its intersection. May break and shorten, and the tensile strength may decrease.

当該ガラス不織布は、機械強度の向上と複合化によるプロトン伝導性低下を最小限に抑えるという点から、空隙率が80%以上であることが好ましく、85〜95%の範囲であることがより好ましい。ガラス不織布の空隙率は、ガラス不織布の体積と重量から比重を算出し、これをガラスの真比重で除することにより算出することができる。 The glass nonwoven fabric preferably has a porosity of 80% or more, more preferably in the range of 85 to 95%, from the viewpoint of improving mechanical strength and minimizing a decrease in proton conductivity due to complexation. . The porosity of the glass nonwoven fabric can be calculated by calculating the specific gravity from the volume and weight of the glass nonwoven fabric and dividing this by the true specific gravity of the glass.

<3.高分子電解質膜>
本発明の高分子電解質膜は、上記高分子電解質と上記ガラス不織布が複合されてなるものである。すなわち、本発明の高分子電解質膜は、実質的にスルホン酸基を有さない、主鎖が主に芳香環基からなる疎水部オリゴマーに由来するユニット、および、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環基からなる親水部オリゴマーに由来するユニットとを主鎖とする高分子電解質と、ガラス不織布とが複合されてなる高分子電解質膜であって、該ガラス不織布が、平均径が1μm以下のガラス繊維を含み、かつ、シリコン系化合物バインダーまたはエポキシ系化合物バインダーで処理されていることを特徴とする。
<3. Polymer electrolyte membrane>
The polymer electrolyte membrane of the present invention is a composite of the polymer electrolyte and the glass nonwoven fabric. That is, the polymer electrolyte membrane of the present invention has substantially no sulfonic acid group, a unit derived from a hydrophobic oligomer whose main chain is mainly composed of an aromatic ring group, and a sulfonic acid group. A polymer electrolyte membrane in which a polymer electrolyte having a main chain consisting of a unit derived from a hydrophilic oligomer whose chain is mainly composed of an aromatic ring group and a glass nonwoven fabric, wherein the glass nonwoven fabric has an average diameter Includes glass fibers of 1 μm or less and is treated with a silicon compound binder or an epoxy compound binder.

高分子電解質とガラス不織布とを複合するとは、両者を一体化すること、すなわち、高分子電解質にガラス不織布を包埋させることを意味する。複合の方法は、従来公知の方法を適用しうる。簡易な方法としては、ガラス等の基板上にガラス不織布を固定し、この上に高分子電解質の溶液をキャストし、溶媒を除去する方法;ガラス等の基板上にまず高分子電解質の溶液をキャストし、その上にガラス不織布を載せ、さらに高分子電解質の溶液をキャストした後に、溶媒を除去する方法;高分子電解質の溶液にガラス不織布をディップすることにより、ガラス不織布の空隙中に高分子電解質を含浸させた後、溶液を含んだガラス不織布を例えば垂直状態で広げた状態で溶媒を除去する方法等が例示される。このような手法は、不織布と樹脂の複合材料を作製する際に用いられる方法で一般的である。その他、高分子電解質とガラス不織布を加熱圧着する方法;溶媒を含んだ半凝固状態の高分子電解質2枚でガラス不織布を挟み込み、プレス、乾燥させる方法等も適用しうる。 The composite of the polymer electrolyte and the glass nonwoven fabric means that both are integrated, that is, the glass nonwoven fabric is embedded in the polymer electrolyte. A conventionally known method can be applied to the composite method. As a simple method, a glass nonwoven fabric is fixed on a substrate such as glass, a polymer electrolyte solution is cast thereon, and the solvent is removed; first, the polymer electrolyte solution is cast on a glass substrate. A method of removing a solvent after placing a glass nonwoven fabric thereon and further casting a polymer electrolyte solution; by dipping the glass nonwoven fabric into the polymer electrolyte solution, the polymer electrolyte in the voids of the glass nonwoven fabric After the impregnation, a method of removing the solvent in a state where the glass nonwoven fabric containing the solution is spread in a vertical state is exemplified. Such a technique is generally a method used when producing a composite material of a nonwoven fabric and a resin. In addition, a method of thermocompression bonding a polymer electrolyte and a glass nonwoven fabric; a method of sandwiching a glass nonwoven fabric between two semi-solid polymer electrolytes containing a solvent, pressing, drying, and the like can also be applied.

溶媒の除去は、好ましくは10〜200℃、より好ましくは40〜150℃の温度で乾燥させることにより行うことができる。溶液を含んだガラス不織布を枚葉で乾燥する場合は、乾燥温度を45〜130℃程度に設定し、1時間〜20時間乾燥させることが好ましい。なお、高分子電解質の溶液の調製に用いられる溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルピロリドン等が挙げられる。上記のようにして、高分子電解質とガラス不織布が複合されてなる、本発明の高分子電解質膜を得ることができる。 The solvent can be removed by drying at a temperature of preferably 10 to 200 ° C, more preferably 40 to 150 ° C. When drying the glass nonwoven fabric containing the solution with a single sheet, it is preferable to set the drying temperature to about 45 to 130 ° C. and to dry for 1 to 20 hours. Examples of the solvent used for preparing the polymer electrolyte solution include dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and N-methyl. Examples include pyrrolidone and the like. As described above, the polymer electrolyte membrane of the present invention in which the polymer electrolyte and the glass nonwoven fabric are combined can be obtained.

高分子電解質としては、前述の高分子電解質を単独で用いてもよいし、その他の高分子電解質を混合して用いてもよい。また、本発明の高分子電解質膜は、上記高分子電解質とガラス不織布以外の添加物を含んでいてもよい。例えば、樹脂劣化防止のための酸化防止剤、フィルムとしての成形加工における取扱を向上させるための帯電防止剤や滑剤等の各種添加剤を挙げることができ、電解質膜としての加工や性能に影響を及ぼさない範囲で適宜用いることができる。プロトン伝導性の点から、本発明の高分子電解質膜においては、前述の高分子電解質が、高分子電解質膜全体の70重量%以上を占める主成分であることが好ましい。 As the polymer electrolyte, the aforementioned polymer electrolyte may be used alone, or other polymer electrolytes may be mixed and used. The polymer electrolyte membrane of the present invention may contain additives other than the polymer electrolyte and the glass nonwoven fabric. Examples include antioxidants for preventing resin degradation, and various additives such as antistatic agents and lubricants for improving handling in film forming processes, which affect the processing and performance of electrolyte membranes. It can be used as appropriate within the range not affected. From the viewpoint of proton conductivity, in the polymer electrolyte membrane of the present invention, the aforementioned polymer electrolyte is preferably a main component that accounts for 70% by weight or more of the entire polymer electrolyte membrane.

また、電解質膜を得た後に、分子配向等を制御するために二軸延伸等の処理を施したり、結晶化度や残存応力を制御するための熱処理を施しても構わない。さらに、製膜時に適当な化学的処理を施してもよい。化学的処理とは、例えば、電解質膜の強度を上げるための架橋、伝導度を上げるためのプロトン性化合物の添加、耐久性向上やイオン架橋のための微量の多価金属イオンの添加等が挙げられる。いずれにしても、前述の高分子電解質を用いて、従来公知の技術と組み合わせて製造される高分子電解質膜も、本発明の範疇である。 In addition, after obtaining the electrolyte membrane, a treatment such as biaxial stretching may be performed to control molecular orientation or the like, or a heat treatment may be performed to control crystallinity or residual stress. Furthermore, an appropriate chemical treatment may be performed during film formation. The chemical treatment includes, for example, crosslinking for increasing the strength of the electrolyte membrane, addition of a protic compound for increasing conductivity, addition of a trace amount of polyvalent metal ions for improving durability and ionic crosslinking, and the like. It is done. In any case, a polymer electrolyte membrane produced using the above-described polymer electrolyte in combination with a conventionally known technique is also included in the scope of the present invention.

高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、燃料電池として用いる際の高分子電解質膜の抵抗を低減することを考慮した場合、高分子電解質膜の厚さは薄いほどよい。一方、高分子電解質膜のガス遮断性、ハンドリング性、電極との接合時の耐破れ性等を考慮すると、高分子電解質膜の厚さは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚さは、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましく、また、300μm以下が好ましく、100μm以下がより好ましい。燃料電池として出力を重視する場合等は10μ以上50μm以下が特に好ましい。高分子電解質膜の厚さが5μm以上300μm以下であれば、製造が容易であり、膜抵抗と機械物性のバランスが取れており、燃料電池材料として加工する際のハンドリング性にも優れる。当該高分子電解質膜の厚さは、実施例に記載の測定方法により求めることができる。 As the thickness of the polymer electrolyte membrane, any thickness can be selected according to the application. For example, when considering reducing the resistance of the polymer electrolyte membrane when used as a fuel cell, the thinner the polymer electrolyte membrane, the better. On the other hand, considering the gas barrier properties, handling properties, and resistance to tearing when bonded to the electrode, the polymer electrolyte membrane may be undesirably too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and preferably 300 μm or less, more preferably 100 μm or less. In the case where importance is attached to the output as a fuel cell, 10 μm or more and 50 μm or less are particularly preferable. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is 5 μm or more and 300 μm or less, the production is easy, the membrane resistance and mechanical properties are balanced, and the handling property when processing as a fuel cell material is excellent. The thickness of the polymer electrolyte membrane can be determined by the measurement method described in the examples.

高分子電解質膜のイオン交換容量(IEC)は、高分子電解質のIECにより調整することができる。例えば、高分子電解質膜が高分子電解質とガラス不織布以外の材料を含む場合は、それによって高分子電解質膜としてのIECは低下するので、高分子電解質膜のIECを高めに設定する等、適宜調整しうる。 The ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte membrane can be adjusted by the IEC of the polymer electrolyte. For example, when the polymer electrolyte membrane contains a material other than the polymer electrolyte and the glass nonwoven fabric, the IEC as the polymer electrolyte membrane is thereby lowered, so that the IEC of the polymer electrolyte membrane is set to a higher value, etc. Yes.

高分子電解質膜のIECは、1.0meq./g以上であることが好ましく、1.5meq./g以上であることがより好ましく、また、3.5meq./g以下であることが好ましく、3.0meq./g以下であることがより好ましい。IECが1.0eq./gより小さいと、高いプロトン伝導性が発現しにくくなる傾向があり、3.5meq./gより大きいと、水による膨潤で機械的強度が低下し、十分な強度を有しにくくなる傾向がある。当該高分子電解質膜のIECは実施例に記載の測定方法により求めることができる。 The IEC of the polymer electrolyte membrane is 1.0 meq. / G or more, preferably 1.5 meq. / G or more, and 3.5 meq. / G or less, preferably 3.0 meq. / G or less is more preferable. IEC is 1.0 eq. If it is smaller than / g, high proton conductivity tends to be difficult to develop, and 3.5 meq. When it is larger than / g, mechanical strength decreases due to swelling with water, and it tends to be difficult to have sufficient strength. The IEC of the polymer electrolyte membrane can be determined by the measurement method described in the examples.

<4.膜/電極接合体、燃料電池>
本発明にかかる燃料電池用膜/電極接合体(以下、膜/電極接合体を「MEA」と表記する)は、本発明の高分子電解質膜上に電極触媒層を形成したものである。
<4. Membrane / electrode assembly, fuel cell>
The membrane / electrode assembly for a fuel cell according to the present invention (hereinafter, the membrane / electrode assembly is referred to as “MEA”) is obtained by forming an electrode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane of the present invention.

本発明で使用される電極触媒とは、文字通り、当業者にとって従来公知の電極触媒であればよく、導電性触媒担体と当該導電性触媒担体に担持された触媒活性物質を含むものであればよく、その他の具体的な構成については特に限定されない。具体的には、燃料電池の電極反応に対して活性な触媒が使用される。アノード側では、燃料(水素やメタノールなど)の酸化能を有する触媒が使用される。 The electrode catalyst used in the present invention may literally be a conventionally known electrode catalyst for those skilled in the art, as long as it contains a conductive catalyst carrier and a catalytically active substance supported on the conductive catalyst carrier. Other specific configurations are not particularly limited. Specifically, a catalyst active for the electrode reaction of the fuel cell is used. On the anode side, a catalyst having the ability to oxidize fuel (hydrogen, methanol, etc.) is used.

導電性触媒担体としては、触媒担持能や電子伝導性、電気化学的安定性等の観点から、カーボンブラック、ケッチェンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブなどの高表面積のカーボン担体等が好ましい。 As the conductive catalyst carrier, a carbon carrier having a high surface area such as carbon black, ketjen black, activated carbon, carbon nanohorn, and carbon nanotube is preferable from the viewpoint of catalyst supporting ability, electronic conductivity, electrochemical stability, and the like.

触媒活性物質としては、具体的には、白金、コバルト、ルテニウム等が例示でき、これらを単独で、あるいはこれらの少なくとも一種を含んだ合金、さらには任意の混合物として使用しても構わない。特に燃料の酸化能、酸化剤の還元能、耐久性を考慮すると、白金または白金を含む合金であることが好ましい。これらは必要に応じて、安定化や長寿命化のために、鉄、錫、希土類元素等を用い、3成分以上で構成してもよい。 Specific examples of the catalytically active substance include platinum, cobalt, ruthenium, and the like, and these may be used alone or as an alloy containing at least one of them or as an arbitrary mixture. In particular, when considering the oxidizing ability of the fuel, the reducing ability of the oxidizing agent, and durability, platinum or an alloy containing platinum is preferable. If necessary, these may be composed of three or more components using iron, tin, rare earth elements, etc. for stabilization and long life.

電極触媒層は、まず高分子電解質、電極触媒および溶媒を含む触媒インクを調製し、当該触媒インクを支持体上に塗布し、溶媒を除去することによって調製することができる。触媒インクに使用される高分子電解質としては、従来から用いられているパーフルオロカーボンスルホン酸系電解質や、炭化水素系高分子電解質(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイド)を挙げることができる。溶媒としては、高分子電解質を溶解でき、燃料電池用触媒を被毒しないものであれば何ら制限なく使用可能である。 The electrode catalyst layer can be prepared by first preparing a catalyst ink containing a polymer electrolyte, an electrode catalyst, and a solvent, applying the catalyst ink on a support, and removing the solvent. Examples of the polymer electrolyte used in the catalyst ink include perfluorocarbon sulfonic acid electrolytes used conventionally and hydrocarbon polymer electrolytes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, and sulfonated). Polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide). The solvent can be used without any limitation as long as it can dissolve the polymer electrolyte and does not poison the fuel cell catalyst.

当該触媒インクは、必要に応じて非電解質バインダー、撥水剤、分散剤、増粘剤、造孔剤などの添加剤を含んでいても構わない。また、これらの添加剤は、当業者にとって従来公知のものが使用可能であり、その他の具体的な構成については特に限定されない。 The catalyst ink may contain additives such as a non-electrolyte binder, a water repellent, a dispersant, a thickener, and a pore former as necessary. In addition, those additives conventionally known to those skilled in the art can be used, and other specific configurations are not particularly limited.

前記組成および方法で調製された触媒インクには、粘度や基材の種類に応じて、下記に示す塗布方法が利用できる。塗布方法としては、当業者にとって従来公知の塗布方法であればよく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷などを利用する方法が列挙できるが、これらに限定されるものではない。その他の具体的な構成については特に限定されない。基材として高分子フィルムを使用した場合には、燃料電池用触媒層転写シートが、基材として導電性多孔質シートを使用した場合には、燃料電池用ガス拡散電極が、それぞれ製造できる。 For the catalyst ink prepared by the above composition and method, the following coating methods can be used depending on the viscosity and the type of substrate. The coating method may be any coating method known to those skilled in the art. For example, a method using a knife coater, bar coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, screen printing or the like. However, it is not limited to these. Other specific configurations are not particularly limited. When a polymer film is used as the substrate, a fuel cell catalyst layer transfer sheet can be produced, and when a conductive porous sheet is used as the substrate, a fuel cell gas diffusion electrode can be produced.

本発明の高分子電解質膜に、上記の方法により触媒インクを塗布する、あるいは、触媒層転写シートを圧着した後に高分子フィルムを剥離する、等の方法により、MEAを作製することができる。また、導電性多孔質シートを本発明の高分子電解質膜に貼りあわせることによっても、MEAを作製することができる。 The MEA can be produced by a method such as applying the catalyst ink to the polymer electrolyte membrane of the present invention by the above method, or peeling the polymer film after the catalyst layer transfer sheet is pressure-bonded. The MEA can also be produced by attaching a conductive porous sheet to the polymer electrolyte membrane of the present invention.

かかるMEAは、例えば、燃料電池、特に、固体高分子形燃料電池に用いることができる。本発明の高分子電解質膜を使用した燃料電池も本発明の範囲に含まれる。 Such an MEA can be used, for example, in a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte fuel cell. A fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention is also included in the scope of the present invention.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、開示された各技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means also apply to the embodiments of the present invention. Included in the technical scope.

以下実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。 Hereinafter, examples will be shown, and the embodiment of the present invention will be described in more detail. The present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various modes are possible for details.

各測定は以下のように行った。
(分子量の測定)
GPC法により分子量を測定した。条件は以下の通り。
GPC測定装置:HLC−8220(東ソー株式会社製)
カラム:SuperAW4000およびSuperAW2500(昭和電工株式会社製)の2本を直列に接続
カラム温度:40℃
移動相溶媒:NMP(N−メチルピロリドン、LiBrを10mmol/dmになるように添加)
溶媒流量:0.3mL/min
標準物質:TSK標準ポリスチレン(東ソー株式会社製)
以下、標準ポリスチレンで換算した数平均分子量をMnと表記し、標準ポリスチレンで換算した重量平均分子量をMwと表記する。
Each measurement was performed as follows.
(Measurement of molecular weight)
The molecular weight was measured by GPC method. The conditions are as follows.
GPC measuring device: HLC-8220 (manufactured by Tosoh Corporation)
Column: Super AW 4000 and Super AW 2500 (made by Showa Denko KK) are connected in series. Column temperature: 40 ° C
Mobile phase solvent: NMP (N-methylpyrrolidone, LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
Solvent flow rate: 0.3 mL / min
Standard material: TSK standard polystyrene (manufactured by Tosoh Corporation)
Hereinafter, the number average molecular weight converted with standard polystyrene is expressed as Mn, and the weight average molecular weight converted with standard polystyrene is expressed as Mw.

(高分子電解質膜の厚さの測定)
Peacock社製デジタル厚み計(PDN−20)を用いて、高分子電解質膜の9か所の厚みを測定し、その平均値を厚さとした。
(Measurement of polymer electrolyte membrane thickness)
Using a digital thickness meter (PDN-20) manufactured by Peacock, the thickness of 9 positions of the polymer electrolyte membrane was measured, and the average value was defined as the thickness.

(イオン交換容量の測定)
測定サンプルとして、酸処理後の膜を10〜20mg切り出し、80℃で減圧乾燥し、乾燥重量(Wdry)を測定した。この膜を、飽和NaCl水溶液(30mL)に室温で24時間浸漬させることで、イオン基をH型からNa型へ変換した。その後得られた溶液に含まれるHClを、電位差自動滴定装置AT−510(京都電子工業株式会社製)を用いて0.01M NaOH水溶液により定量し、以下の式を用いてイオン交換容量IEC値を算出した。同一の膜について2サンプル作成し、2回の測定の平均値を滴定による算出IEC値とした。

Figure 2016139587
(Measurement of ion exchange capacity)
As a measurement sample, 10 to 20 mg of the membrane after acid treatment was cut out and dried under reduced pressure at 80 ° C., and the dry weight (W dry ) was measured. The membrane was immersed in a saturated aqueous NaCl solution (30 mL) at room temperature for 24 hours to convert the ionic group from H + type to Na + type. Thereafter, HCl contained in the obtained solution was quantified with a 0.01 M NaOH aqueous solution using an automatic potentiometric titrator AT-510 (manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.), and the ion exchange capacity IEC value was calculated using the following equation. Calculated. Two samples were prepared for the same membrane, and the average value of the two measurements was taken as the calculated IEC value by titration.
Figure 2016139587

(膨潤率の測定)
約2cm×3cmにカットした高分子電解質膜のサンプルを準備し、これを純水に室温で6時間浸漬した。浸漬直後のサンプル、およびそれを100℃で2時間真空乾燥を行って絶乾状態としたサンプルの平面方向、垂直方向の寸法変化、および重量を測定し、変化率を計算した。平面方向については、4辺の寸法変化を測定し、その平均値を結果とした。垂直方向(膜厚方向)については、面内の3点の寸法変化を測定し、その平均値を結果とした。
(Measurement of swelling rate)
A sample of a polymer electrolyte membrane cut to about 2 cm × 3 cm was prepared and immersed in pure water at room temperature for 6 hours. The sample immediately after the immersion and the sample that was vacuum dried at 100 ° C. for 2 hours to be completely dried were measured for the dimensional change and weight in the plane direction and the vertical direction, and the rate of change was calculated. Regarding the planar direction, the dimensional change of the four sides was measured, and the average value was taken as the result. In the vertical direction (film thickness direction), the dimensional change at three points in the plane was measured, and the average value was taken as the result.

(乾湿サイクル耐性の評価)
約6.5cm×6.5cmにカットした高分子電解質膜のサンプルを準備し、これの両面にシリコンパッキンおよびガス拡散層(SGLカーボン社製)を載せて試料を作製した。この試料を市販の日本自動車研究所(JARI)標準燃料電池セルに組み込み、8本のねじを使用して4N・mの締め付け圧で固定した。このセルに窒素ガスで0.2MPaの圧力をかけ、15分間圧力が低下しないことにより漏れがないことを確認した。特性評価では、セルの片側に水素、反対側にアルゴンを30ml/minの流量で流した。それぞれの気体は80℃で乾燥状態(0%RH)および湿潤状態(100%RH)を2分間ずつ保持しながら交換し、乾湿サイクル試験を行った。3サイクル毎にガスクロマトグラフにより高分子電解質膜を通してアルゴン側に透過した水素量を定量した。破膜により水素透過係数の急激な上昇が始まるまでのサイクル数を結果とした。
(Evaluation of wet and dry cycle resistance)
A sample of a polymer electrolyte membrane cut to about 6.5 cm × 6.5 cm was prepared, and a sample was prepared by placing a silicon packing and a gas diffusion layer (manufactured by SGL Carbon) on both sides. This sample was incorporated into a commercially available Japan Automobile Research Institute (JARI) standard fuel cell, and fixed with a fastening pressure of 4 N · m using 8 screws. A pressure of 0.2 MPa was applied to this cell with nitrogen gas, and it was confirmed that there was no leakage because the pressure did not decrease for 15 minutes. In the characteristic evaluation, hydrogen was supplied to one side of the cell and argon was supplied to the other side at a flow rate of 30 ml / min. Each gas was exchanged at 80 ° C. while maintaining a dry state (0% RH) and a wet state (100% RH) for 2 minutes, and a dry and wet cycle test was performed. The amount of hydrogen permeated to the argon side through the polymer electrolyte membrane was quantified by gas chromatography every three cycles. As a result, the number of cycles until the hydrogen permeation coefficient suddenly increased due to the membrane breakage was obtained.

(使用したガラス不織布)
表1に示す特性を有するガラス不織布を調製し、使用した。
(Used glass nonwoven fabric)
A glass nonwoven fabric having the characteristics shown in Table 1 was prepared and used.

Figure 2016139587
Figure 2016139587

(製造例1)
温度計および攪拌子を備え付けた500mLの3つ口フラスコに、4,4−ジクロロベンゾフェノン(75g,300mmol)、30%発煙硫酸(400g,1.5mol)を加えた。130℃に加熱し、6時間攪拌を続けた。室温まで冷却した後、反応液を氷水に少しずつ加えた。NaOH水溶液を加えて中和した後、析出した白色固体を濾過により回収した。減圧下、105℃で乾燥することにより、下式に示すスルホン酸基含有モノマーを112g得た。

Figure 2016139587
(Production Example 1)
To a 500 mL three-necked flask equipped with a thermometer and a stir bar, 4,4-dichlorobenzophenone (75 g, 300 mmol) and 30% fuming sulfuric acid (400 g, 1.5 mol) were added. The mixture was heated to 130 ° C. and stirring was continued for 6 hours. After cooling to room temperature, the reaction solution was added to ice water little by little. After neutralizing with an aqueous NaOH solution, the precipitated white solid was collected by filtration. By drying at 105 ° C. under reduced pressure, 112 g of a sulfonic acid group-containing monomer represented by the following formula was obtained.
Figure 2016139587

(製造例2)
還流管とDeanStark管を取り付けた500mLの4つ口フラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(31.6g,110mmol)、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(21.4g,100mmol)、炭酸カリウム(20.7g,150mmol)、ジメチルアセトアミド(200mL)、およびトルエン(50mL)を加えた。混合物を170℃に加熱し、生成した水を除去しながら35時間、攪拌を続けた。4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(0.5g)を追加し、さらに5時間攪拌した。混合物を、濾紙を用いて濾過し、過剰の炭酸カリウムを除去した後、濾液を500mLのメタノールに注いで、生成物を再沈殿させた。生成物を減圧下、70℃で4時間乾燥させた後、500mLの純水で、60℃で2回洗浄、さらに500mLのメタノールで60℃で1回洗浄し、減圧下、70℃で一晩乾燥させ、下式の疎水部オリゴマーを41.5g得た。GPCによる分子量はMn=5,400、Mw=13,900であった。

Figure 2016139587
(Production Example 2)
To a 500 mL four-necked flask equipped with a reflux tube and a DeanStark tube, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (31.6 g, 110 mmol), 4,4′-dihydroxybenzophenone (21.4 g, 100 mmol), potassium carbonate ( 20.7 g, 150 mmol), dimethylacetamide (200 mL), and toluene (50 mL) were added. The mixture was heated to 170 ° C. and stirring was continued for 35 hours while removing generated water. 4,4′-Dichlorodiphenylsulfone (0.5 g) was added, and the mixture was further stirred for 5 hours. The mixture was filtered using filter paper to remove excess potassium carbonate, and then the filtrate was poured into 500 mL of methanol to reprecipitate the product. The product was dried under reduced pressure at 70 ° C. for 4 hours, then washed with 500 mL of pure water twice at 60 ° C., then once with 500 mL of methanol at 60 ° C., and overnight under reduced pressure at 70 ° C. It dried and obtained 41.5g of hydrophobic part oligomers of the following Formula. The molecular weight by GPC was Mn = 5,400 and Mw = 13,900.
Figure 2016139587

(製造例3)
メカニカルスターラー、還流管、DeanStark管を取り付けた1Lの4つ口フラスコに、製造例1で得られたスルホン酸基含有モノマー(24g,52.7mmol)、製造例2で得られた疎水部オリゴマー(16g)、ジメチルスルホキシド(480mL)、およびトルエン(120mL)を窒素雰囲気化に加え、170℃に3時間加熱して、共沸脱水した。170℃でトルエンを留去した後、80℃まで冷却し、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(20g)を添加し、そのままの温度で2時間攪拌した。反応液を700mLのメタノールに注いで再沈殿させた後、固形分を6N塩酸(600mL)で2回洗浄し、さらに純水で、洗浄液のpHが7になるまで繰り返し洗浄した。固形分を減圧下、105℃で一晩乾燥し、下式の高分子電解質(33.2g)を得た。当該高分子電解質を、粉砕機を用いて微粉とした後、塩化メチレンおよびメタノールで洗浄し、ジメチルスルホキシドに溶解して、固形分濃度が約12%の高分子電解質溶液を得た。得られた高分子電解質は、比較例1に示すように、単独で製膜し、その分子量をGPCで測定したところ、Mn=85,100、Mw=177,000であった。また、イオン交換容量は、2.06meq./gであった。

Figure 2016139587
(Production Example 3)
Into a 1 L four-necked flask equipped with a mechanical stirrer, reflux tube, and DeanStark tube, the sulfonic acid group-containing monomer obtained in Production Example 1 (24 g, 52.7 mmol) and the hydrophobic part oligomer obtained in Production Example 2 ( 16 g), dimethyl sulfoxide (480 mL), and toluene (120 mL) were added to a nitrogen atmosphere and heated to 170 ° C. for 3 hours for azeotropic dehydration. After toluene was distilled off at 170 ° C., the mixture was cooled to 80 ° C., bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (20 g) was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 2 hours. The reaction solution was poured into 700 mL of methanol and reprecipitated, and the solid content was washed twice with 6N hydrochloric acid (600 mL), and further repeatedly washed with pure water until the pH of the washing solution became 7. The solid content was dried overnight at 105 ° C. under reduced pressure to obtain a polymer electrolyte of the following formula (33.2 g). The polymer electrolyte was pulverized using a pulverizer, washed with methylene chloride and methanol, and dissolved in dimethyl sulfoxide to obtain a polymer electrolyte solution having a solid concentration of about 12%. As shown in Comparative Example 1, the obtained polymer electrolyte was formed into a single film and its molecular weight was measured by GPC. As a result, Mn = 85,100 and Mw = 177,000. The ion exchange capacity is 2.06 meq. / G.
Figure 2016139587

(実施例1)
ガラス板上に、製造例3で調製した高分子電解質溶液をバーコーターにて塗布した。塗布膜の上に、表1のガラス不織布A(11cm×10cm)を、泡が混入しないように静かに置いた後、再度、製造例3の高分子電解質溶液をバーコーターにて塗布した。得られた複合膜を、ガラス基板に塗布したまま、ホットプレートを用いて120℃で12時間乾燥した。膜をガラス板から取り外し、6N塩酸、続いて蒸留水で洗浄し、表面の水をふき取り、60℃で30分乾燥することにより、高分子電解質膜Aを得た。高分子電解質膜Aの厚さ、イオン交換容量、膨潤率を、上述の方法により測定した。結果を表2にまとめた。
Example 1
On the glass plate, the polymer electrolyte solution prepared in Production Example 3 was applied with a bar coater. On the coating film, glass nonwoven fabric A (11 cm × 10 cm) in Table 1 was gently placed so that bubbles were not mixed, and then the polymer electrolyte solution of Production Example 3 was applied again with a bar coater. The obtained composite film was dried at 120 ° C. for 12 hours using a hot plate while being applied to a glass substrate. The membrane was removed from the glass plate, washed with 6N hydrochloric acid and then with distilled water, wiped off with water on the surface, and dried at 60 ° C. for 30 minutes to obtain a polymer electrolyte membrane A. The thickness, ion exchange capacity, and swelling rate of the polymer electrolyte membrane A were measured by the methods described above. The results are summarized in Table 2.

(実施例2〜7)
ガラス不織布B〜Gを用いる以外は、実施例1と同様にして、高分子電解質膜B〜Gをそれぞれ得た。高分子電解質膜の厚さ、イオン交換容量、膨潤率、および乾湿サイクル耐性を、上述の方法により測定した。結果を表2にまとめた。また、高分子電解質膜Fの乾湿サイクル耐性試験の結果を図1に示す。
(Examples 2 to 7)
Polymer electrolyte membranes B to G were obtained in the same manner as in Example 1 except that the glass nonwoven fabrics B to G were used. The thickness, ion exchange capacity, swelling rate, and wet / dry cycle resistance of the polymer electrolyte membrane were measured by the methods described above. The results are summarized in Table 2. Moreover, the result of the wet and dry cycle resistance test of the polymer electrolyte membrane F is shown in FIG.

(比較例1)
製造例3の高分子電解質溶液を用い、ガラス不織布を使用せずに、電解質膜を作製した。厚さ、イオン交換容量、膨潤率、および乾湿サイクル耐性を、上述の方法により測定した。結果を表2にまとめた。また、乾湿サイクル耐性試験の結果を、高分子電解質膜Fと比較して図1に示した。
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane was produced using the polymer electrolyte solution of Production Example 3 without using a glass nonwoven fabric. Thickness, ion exchange capacity, swelling rate, and wet / dry cycle resistance were measured by the methods described above. The results are summarized in Table 2. Further, the results of the wet and dry cycle resistance test are shown in FIG. 1 in comparison with the polymer electrolyte membrane F.

(比較例2)
ガラス不織布Hを用いる以外は実施例1と同様にして、高分子電解質膜Hを得た。高分子電解質膜の厚さ、イオン交換容量、膨潤率、および乾湿サイクル耐性を、上述の方法により測定した。結果を表2にまとめた。
(Comparative Example 2)
A polymer electrolyte membrane H was obtained in the same manner as in Example 1 except that the glass nonwoven fabric H was used. The thickness, ion exchange capacity, swelling rate, and wet / dry cycle resistance of the polymer electrolyte membrane were measured by the methods described above. The results are summarized in Table 2.

Figure 2016139587
Figure 2016139587

各実施例においては、ガラス繊維の平均径が1μm以下のもの、または、平均径が1μm以下のものと、平均径が1μmを超え10μm未満のものとを混合したものであり、かつバインダーで処理されているガラス不織布を使用している。比較例1は、ガラス不織布を用いない非補強膜である。比較例2では、ガラス繊維の平均径は1μm以下のものを使用しているが、バインダーによる表面処理がされていないガラス不織布を使用している。各実施例の高分子電解質膜は、各比較例に比べ、改良された耐膨潤性、および乾湿サイクル耐性を有することがわかる。 In each example, the glass fiber has an average diameter of 1 μm or less, or a mixture of an average diameter of 1 μm or less and an average diameter of more than 1 μm and less than 10 μm, and is treated with a binder. The glass nonwoven fabric which is being used is used. Comparative Example 1 is a non-reinforced film that does not use a glass nonwoven fabric. In Comparative Example 2, a glass fiber having an average diameter of 1 μm or less is used, but a glass nonwoven fabric that is not surface-treated with a binder is used. It can be seen that the polymer electrolyte membrane of each example has improved swelling resistance and wet / dry cycle resistance compared to each comparative example.

Claims (9)

実質的にスルホン酸基を有さない、主鎖が主に芳香環基からなる疎水部オリゴマーに由来するユニット、および、スルホン酸基を有し、主鎖が主に芳香環基からなる親水部オリゴマーに由来するユニットとを主鎖とする高分子電解質と、ガラス不織布とが複合されてなる高分子電解質膜であって、
該ガラス不織布が、平均径が1μm以下のガラス繊維を含み、かつ、シリコン系化合物バインダーまたはエポキシ系化合物バインダーで処理されていることを特徴とする高分子電解質膜。
A unit derived from a hydrophobic part oligomer having a main chain mainly composed of an aromatic ring group and having substantially no sulfonic acid group, and a hydrophilic part having a sulfonic acid group and the main chain mainly composed of an aromatic ring group A polymer electrolyte membrane comprising a polymer electrolyte having a unit derived from an oligomer as a main chain and a glass nonwoven fabric,
A polymer electrolyte membrane, wherein the glass nonwoven fabric includes glass fibers having an average diameter of 1 μm or less and is treated with a silicon compound binder or an epoxy compound binder.
ガラス不織布が、さらに、平均径が1μmを超え10μm未満であるガラス繊維を含むことを特徴とする請求項1記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the glass nonwoven fabric further comprises glass fibers having an average diameter of more than 1 µm and less than 10 µm. ガラス不織布がエポキシ系化合物バインダーで処理されていることを特徴とする請求項1または2記載の高分子電解質膜。 3. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the glass nonwoven fabric is treated with an epoxy compound binder. 親水部オリゴマーに由来するユニットが、下記一般式群(1)に記載の構造の少なくとも1つを繰り返し単位として含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質膜。
Figure 2016139587
(式中、Arは、下記式群(2)に記載の構造のいずれかを有する2価の基を表し、当該2価の基は置換基を有していてもよい。Arは、スルホン酸基を少なくとも1つ有する2価の芳香族基を表す。ArまたはArが複数存在する場合は、それらは同一であっても異なっていてもよい。nは1〜4の整数、Xは−O−または−S−、Yは−SO−または−CO−を表す。)
Figure 2016139587
The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the unit derived from the hydrophilic part oligomer contains at least one of the structures described in the following general formula group (1) as a repeating unit. .
Figure 2016139587
(In the formula, Ar 1 represents a divalent group having any of the structures described in the following formula group (2), .Ar 2 may have a substituent group of the divalent groups, A divalent aromatic group having at least one sulfonic acid group, when there are a plurality of Ar 1 or Ar 2 s , they may be the same or different, n is an integer of 1 to 4, X represents —O— or —S—, and Y represents —SO 2 — or —CO—.
Figure 2016139587
Arが、下記式群(3)に記載の構造のいずれかを有し、かつ、スルホン酸基を少なくとも1つ有する2価の芳香族基であることを特徴とする、請求項4に記載の高分子電解質膜。
Figure 2016139587
The Ar 2 is a divalent aromatic group having any one of the structures described in the following formula group (3) and having at least one sulfonic acid group. Polymer electrolyte membrane.
Figure 2016139587
疎水部オリゴマーに由来するユニットが、下記一般式群(4)に記載の構造の少なくとも1つを繰り返し単位として含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子電解質膜。
Figure 2016139587
(式中、Arは、2価の芳香族基を表す。Arが複数存在する場合は、それらは同一であっても異なっていてもよい。)
6. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the unit derived from the hydrophobic moiety oligomer includes at least one of the structures described in the following general formula group (4) as a repeating unit. .
Figure 2016139587
(In the formula, Ar represents a divalent aromatic group. When a plurality of Ar are present, they may be the same or different.)
イオン交換容量が、1.5〜3.5meq./gであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The ion exchange capacity is 1.5 to 3.5 meq. It is / g, The polymer electrolyte membrane in any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. 請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質膜を用いた、燃料電池用膜/電極接合体。 A membrane / electrode assembly for a fuel cell using the polymer electrolyte membrane according to claim 1. 請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質膜を用いた、燃料電池。 A fuel cell using the polymer electrolyte membrane according to claim 1.
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