JP2017216187A - Composite nanofiber and electrolyte membrane including the same - Google Patents

Composite nanofiber and electrolyte membrane including the same Download PDF

Info

Publication number
JP2017216187A
JP2017216187A JP2016110367A JP2016110367A JP2017216187A JP 2017216187 A JP2017216187 A JP 2017216187A JP 2016110367 A JP2016110367 A JP 2016110367A JP 2016110367 A JP2016110367 A JP 2016110367A JP 2017216187 A JP2017216187 A JP 2017216187A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer
group
composite
composite nanofiber
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016110367A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6767034B2 (en
Inventor
浩良 川上
Hiroyoshi Kawakami
浩良 川上
田中 学
Manabu Tanaka
学 田中
梨紗 坂口
Risa Sakaguchi
梨紗 坂口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Metropolitan Public University Corp
Original Assignee
Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Metropolitan Public University Corp filed Critical Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority to JP2016110367A priority Critical patent/JP6767034B2/en
Publication of JP2017216187A publication Critical patent/JP2017216187A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6767034B2 publication Critical patent/JP6767034B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Multicomponent Fibers (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To develop a novel nanofiber for forming a composite electrolyte membrane to provide an electrolyte membrane having enough ion conductivity (proton conductivity) and a satisfactory gas barrier property even if it is arranged in a thin form of 30 μm or smaller.SOLUTION: Disclosed are: a composite nanofiber comprising an electrolyte polymer and a basic polymer, provided that the electrolyte polymer has proton conductivity; an electrolyte membrane comprising the nanofiber; and a method for manufacturing a composite membrane. The method for manufacturing a composite membrane comprises the steps of: forming the composite nanofiber and a nonwoven fabric including the composite nanofiber; performing an after-treatment on the nonwoven fabric; filling a matrix polymer in cavities of the nonwoven fabric, thereby integrating the composite nanofiber with the matrix polymer; and performing an after-treatment on an electrolyte membrane including the composite nanofiber.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ナノファイバーおよびナノファイバー不織布にマトリクスポリマーが導入されてなる電解質膜に関し、さらに詳しくは、固体高分子形燃料電池等に有用な高分子電解質膜に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane obtained by introducing a matrix polymer into nanofibers and nanofiber nonwoven fabrics, and more particularly to a polymer electrolyte membrane useful for a polymer electrolyte fuel cell or the like.

不織布に各種物質が導入されてなる複合膜は各種分野に応用されており、近年では固体高分子形燃料電池における電解質膜として注目されている。
固体高分子形燃料電池における電解質膜として高分子電解質膜が提案されており、その例としてはNafion(登録商標)に代表されるフッ素系電解質がある。しかし、これらのフッ素系電解質膜は、低加湿条件下でプロトン伝導性が低下するため発電性能が悪い、燃料ガス透過にともなう副反応により膜および触媒劣化を誘発する、膜強度に乏しく寸法変化をともなう長期安定性に劣る、またフッ素を使用するために高コストである、などの問題がある。
Composite membranes in which various substances are introduced into a nonwoven fabric have been applied to various fields, and in recent years have attracted attention as electrolyte membranes in polymer electrolyte fuel cells.
A polymer electrolyte membrane has been proposed as an electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell, and an example thereof is a fluorine-based electrolyte typified by Nafion (registered trademark). However, these fluorine-based electrolyte membranes have poor power generation performance due to reduced proton conductivity under low humidification conditions, induce membrane and catalyst deterioration by side reactions accompanying fuel gas permeation, have poor membrane strength, and undergo dimensional changes. There are problems such as poor long-term stability and high cost due to the use of fluorine.

一方、フッ素材料を使用しない炭化水素系の高分子電解質膜についても開発が検討されている。炭化水素系高分子電解質膜では、イオン伝導性を高めるためにスルホン酸基の数を増やすことが提案されているが、この提案では、膜が水膨潤のために変形しやすく、また、機械強度が弱くなり、長期安定性に優れた膜を得ることが困難であるという問題がある。   On the other hand, development of a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane that does not use a fluorine material is also being studied. In hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes, it has been proposed to increase the number of sulfonic acid groups in order to increase ionic conductivity. However, in this proposal, the membrane is easily deformed due to water swelling, and mechanical strength is increased. However, it is difficult to obtain a film having excellent long-term stability.

そこで、種々開発が行われており、中でもスルホン化ポリイミドが、高い熱安定性と機械強度を持ち、製膜性に優れることから、高性能の電解質材料として提案されている(特許文献1〜4)。しかし、これらの提案にかかるスルホン化ポリイミドは、高温低加湿下ではイオン伝導性が低くなるという問題があったため、幅広い温度範囲で高いイオン伝導性を示し、機械強度に優れた高分子電解質膜として、リン酸ドープ型スルホン化ポリイミド/ポリベンズイミダゾールブレンド膜が提案されている(特許文献5)。
このような膜は、−20℃程度の低温から120℃程度の高温まで広い温度範囲で高いイオン伝導性を示し、膜中に水分が少ない低加湿条件下でもイオン伝導性に優れるという特徴がある。
しかし、近年、高分子電解質膜は、無加湿で高いイオン伝導性が求められ、膜抵抗を下げる目的から、膜厚が下げられる傾向にある。上記のブレンド膜は、主鎖に剛直な構造を持っていることから、高い機械強度を示すが、脆いために薄膜化すると取扱いが困難になるという問題がある。また、膜厚が薄くなることによってガスの透過性が高まり、過酸化水素が大量に発生するため、酸化安定性が悪く、長期的に安定な膜ではなかった。
Accordingly, various developments have been made, and among them, sulfonated polyimide has been proposed as a high-performance electrolyte material because it has high thermal stability and mechanical strength and is excellent in film forming properties (Patent Documents 1 to 4). ). However, the sulfonated polyimide according to these proposals has a problem that the ionic conductivity becomes low under high temperature and low humidity, so that it shows high ionic conductivity in a wide temperature range, and as a polymer electrolyte membrane excellent in mechanical strength. A phosphoric acid doped sulfonated polyimide / polybenzimidazole blend membrane has been proposed (Patent Document 5).
Such a film is characterized by high ion conductivity in a wide temperature range from a low temperature of about −20 ° C. to a high temperature of about 120 ° C., and excellent ion conductivity even under low humidification conditions with little moisture in the film. .
However, in recent years, polymer electrolyte membranes are required to have high ion conductivity without being humidified, and the thickness tends to be lowered for the purpose of reducing membrane resistance. Since the blend film has a rigid structure in the main chain, it exhibits high mechanical strength. However, since it is brittle, there is a problem that handling becomes difficult when the film is thinned. Further, since the gas permeability is increased by reducing the film thickness and hydrogen peroxide is generated in a large amount, the oxidation stability is poor and the film is not stable in the long term.

そこで、特許文献6において、幅広い温湿度範囲で高いイオン伝導性を示し、薄膜でも取り扱い性に優れ、長期安定性に優れた複合膜、及びその製造方法を提供する提案がなされている。 Therefore, in Patent Document 6, a proposal has been made to provide a composite membrane that exhibits high ion conductivity in a wide range of temperature and humidity, is excellent in handleability even in a thin film, and has excellent long-term stability, and a method for producing the same.

特開2002−358978号公報JP 2002-358978 A 特開2005−232236号公報JP-A-2005-232236 特開2005−272666号公報JP 2005-272666 A 特開2007−302741号公報JP 2007-302741 A 特開2011−68872号公報JP 2011-68872 A 特開2012−238590号公報JP 2012-238590 A

しかしながら、上述の特許文献6の提案時よりも現在ではより一層の薄膜化、具体的には膜厚を20μm以下にしようという要求がある。このような膜厚とすると、十分なイオン電導性(プロトン伝導性)が発揮できない、ガス透過性を低く抑えることが困難である、等の問題が生じていた。
要するに、従来提案されている複合膜では、現在要求されているほどに膜厚を薄くした場合に十分なイオン電導性(プロトン伝導性)とガスバリア性とを両立させることが困難であり、20μm以下に薄膜化した場合にも十分なイオン電導性(プロトン伝導性)とガスバリア性とを有する複合膜の開発が要望されているのが現状である。
However, at present, there is a demand to further reduce the film thickness, more specifically, to reduce the film thickness to 20 μm or less, compared with the proposal of Patent Document 6 described above. With such a film thickness, problems such as insufficient ion conductivity (proton conductivity) and difficulty in keeping gas permeability low have occurred.
In short, in the conventionally proposed composite membranes, it is difficult to achieve both sufficient ion conductivity (proton conductivity) and gas barrier properties when the film thickness is reduced as much as currently required, and is 20 μm or less. In the present situation, there is a demand for the development of a composite membrane having sufficient ion conductivity (proton conductivity) and gas barrier properties even when the film thickness is reduced.

したがって、本発明の目的は、複合電解質膜を構成する新たなナノファイバーを開発し、20μm以下に薄膜化した場合にも十分なイオン電導性(プロトン伝導性)とガスバリア性とを有する電解質膜を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to develop an electrolyte membrane having sufficient ion conductivity (proton conductivity) and gas barrier property even when a new nanofiber constituting the composite electrolyte membrane is developed and thinned to 20 μm or less. It is to provide.

本発明者らは、不織布を構成するナノファイバーを構成する物質およびナノファイバーの作製方法の工夫により、上記課題を解消し得るのではないかと考えた。種々の物質について検討した結果、陽イオン交換基を有する電解質ポリマーに陽イオン交換基と相互作用可能な塩基性官能基を有する塩基性ポリマーを複合させてナノファイバーを作製し、複合ナノファイバー不織布の空隙をマトリクスポリマーで充填することにより、上記目的を達成し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
1.電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーを含む複合ナノファイバーであって、
該電解質ポリマーはプロトン伝導性を有することを特徴とする
複合ナノファイバー。
2.前記電解質ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする1に記載の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは含フッ素脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記繰り返し単位は、陽イオン交換基が導入された側鎖を有する。
3.前記電解質ポリマーは、主鎖骨格がポリアリーレンエーテル骨格、ポリイミド骨格、ポリスチレン骨格、あるいはフルオロエチレン骨格からなる群より選択される構造を有し、
側鎖にスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基からなる群より選択される陽イオン交換基が導入された構造
を有することを特徴とする1〜2に記載の複合ナノファイバー。
4.前記塩基性ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする1に記載の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは/および脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記主鎖骨格、あるいは側鎖官能基に、陽イオン交換基と相互作用可能な塩基性官能基を有する。
5.前記電解質ポリマーの存在割合が、複合ナノファイバー全体中1〜99質量%であること、
前記複合ナノファイバーの繊維径が500nm以下であること、
を特徴とする1〜4に記載の複合ナノファイバー。
6.前記複合ナノファイバーの存在割合が、電解質膜全体中1〜50質量%であること、
前記複合ナノファイバーを含む電解質膜の厚さが30μm以下であること、
を特徴とする1〜5に記載の複合ナノファイバーを含む電解質膜。
7.複合ナノファイバーおよび複合ナノファイバーからなる不織布を形成する工程、
前記不織布を後処理する工程、
前記不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程、及び
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程
を具備する複合膜の製造方法。
8.1〜7に記載の複合ナノファイバー含む電解質膜を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体。
9.8に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。
The present inventors thought that the above-mentioned problems could be solved by devising a material constituting the nanofiber constituting the nonwoven fabric and a method for producing the nanofiber. As a result of examining various substances, a nanofiber was produced by combining a basic polymer having a basic functional group capable of interacting with a cation exchange group with an electrolyte polymer having a cation exchange group, It has been found that the above object can be achieved by filling the voids with a matrix polymer, and the present invention has been completed.
That is, the present invention provides the following inventions.
1. A composite nanofiber comprising an electrolyte polymer and a basic polymer,
The composite nanofiber, wherein the electrolyte polymer has proton conductivity.
2. 2. The composite nanofiber according to 1, wherein the electrolyte polymer has the following structures A) and B).
A) The main chain contains a repeating unit containing an aromatic group or a fluorine-containing aliphatic group.
B) The repeating unit has a side chain into which a cation exchange group has been introduced.
3. The electrolyte polymer has a structure in which the main chain skeleton is selected from the group consisting of a polyarylene ether skeleton, a polyimide skeleton, a polystyrene skeleton, or a fluoroethylene skeleton,
The composite nanofiber according to 1-2, wherein the side chain has a structure in which a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group is introduced.
4). 2. The composite nanofiber according to 1, wherein the basic polymer has the following structures A) and B).
A) The main chain contains a repeating unit containing an aromatic group and / or an aliphatic group.
B) The main chain skeleton or the side chain functional group has a basic functional group capable of interacting with a cation exchange group.
5. The abundance ratio of the electrolyte polymer is 1 to 99% by mass in the entire composite nanofiber,
The fiber diameter of the composite nanofiber is 500 nm or less,
The composite nanofiber according to 1 to 4, which is characterized by the following.
6). The abundance ratio of the composite nanofiber is 1 to 50% by mass in the entire electrolyte membrane,
The thickness of the electrolyte membrane containing the composite nanofiber is 30 μm or less,
An electrolyte membrane comprising the composite nanofiber according to any one of 1 to 5.
7). Forming a composite nanofiber and a nonwoven fabric comprising the composite nanofiber,
Post-processing the nonwoven fabric,
A method for producing a composite membrane, comprising: filling a void in the nonwoven fabric with a matrix polymer to integrate the composite nanofiber and the matrix polymer; and post-treating an electrolyte membrane containing the composite nanofiber.
A membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising an electrolyte membrane containing the composite nanofiber according to 8.1 to 7.
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to 9.8.

本発明の複合ナノファイバーは、従来複合膜に用いられてきたナノファイバー特性を上回るものであり、該ナノファイバーを含む電解質膜は、20μm以下に薄膜化した場合にも十分なイオン電導性(プロトン伝導性)、ガスバリア性、および膜強度を有するものである。   The composite nanofiber of the present invention exceeds the properties of nanofibers conventionally used in composite membranes, and the electrolyte membrane containing the nanofibers has sufficient ion conductivity (proton) even when thinned to 20 μm or less. Conductivity), gas barrier properties, and film strength.

図1は、本発明の複合ナノファイバーおよび該ナノファイバーを含む電解質膜を摸式的に示す概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a composite nanofiber of the present invention and an electrolyte membrane containing the nanofiber. 図2は、本発明の複合ナノファイバーおよび該ナノファイバーを含む電解質膜の製造方法における各工程を摸式的に示す概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing each step in the method for producing the composite nanofiber of the present invention and the electrolyte membrane containing the nanofiber. 図3は、実施例1で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 3 is a SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber nonwoven fabric obtained in Example 1. 図4は、実施例3で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 4 is an SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber nonwoven fabric obtained in Example 3. 図5は、実施例4で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 5 is a SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber nonwoven fabric obtained in Example 4. 図6は、実施例5で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。6 is a SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber nonwoven fabric obtained in Example 5. FIG.

1:複合ナノファイバー、2:電解質ポリマー、3:塩基性ポリマー、5:複合ナノファイバーの後処理溶液、6:マトリクスポリマー、7:電解質膜の後処理溶液 1: composite nanofiber, 2: electrolyte polymer, 3: basic polymer, 5: post-treatment solution of composite nanofiber, 6: matrix polymer, 7: post-treatment solution of electrolyte membrane

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の複合ナノファイバーは、電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーからなり、
電解質膜は、前記複合ナノファイバー、前記複合ナノファイバーと接触した状態で存在するマトリクスポリマーを具備することを特徴とする。
以下、まず構成成分から説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The composite nanofiber of the present invention comprises an electrolyte polymer and a basic polymer,
The electrolyte membrane includes the composite nanofiber and a matrix polymer that exists in contact with the composite nanofiber.
Hereinafter, the components will be described first.

<構成成分>
(電解質ポリマー)
前記電解質ポリマーは、本発明の電解質膜を固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合にプロトンを伝導して電解質膜としての主たる機能を発揮するための物質である。前記電解質ポリマーとしての特定の物質は、主鎖に芳香族基あるいは含フッ素脂肪族基を含む繰り返し単位を含み、前記繰り返し単位に陽イオン交換基が導入された側鎖を有するプロトン伝導性物質であるのが好ましい。
ここで主鎖骨格としては、下記に示すポリアリーレンエーテル(PAE)、下記に示すポリイミド(PI)、下記に示すポリスチレンおよびその共重合体(PSt)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリフェニレン(PP)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルフィド(SPPS)、ポリビニルスルホン酸およびその共重合体(PVS)等を用いることができる。
陽イオン交換基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基が挙げられ、前記主鎖骨格の任意の位置に導入して用いることができる。
また、フルオロアルキル主鎖およびフルオロアルキルスルホン酸基を有するNafion(登録商標)等を用いることができる。
使用に際しては、前記電解質ポリマー単独または前記電解質ポリマー複数の混合物として用いることができる。
これらの中でもスルホン化ポリアリーレンエテールスルホン等のスルホン化ポリアリーレンエテール(SPAE)は、プロトン伝導性、熱安定性、機械強度に優れており、さらにはナノファイバー形成能も比較的良好であるため、好適である。
なお、複合ナノファイバーを作製するための塩基性ポリマーとの混合の際は、溶液状態での両ポリマー間の相互作用による不溶化を防ぐため、陽イオン交換基に結合するカウンターカチオンはプロトンである必要はなく、イオン交換により任意のカウンターイオン種を選択することが出来る。例えば、ナトリウム、カリウム、トリエチルアンモニウム、イミダゾリウム等が挙げられる。
電解質ポリマーとしては、以下の化学式で表される化合物等を好ましく挙げることができる。
<Constituents>
(Electrolyte polymer)
The electrolyte polymer is a substance that conducts protons and exhibits the main function as an electrolyte membrane when the electrolyte membrane of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. The specific substance as the electrolyte polymer is a proton conductive substance having a repeating unit containing an aromatic group or a fluorine-containing aliphatic group in the main chain, and having a side chain in which a cation exchange group is introduced into the repeating unit. Preferably there is.
Here, the main chain skeleton includes polyarylene ether (PAE) shown below, polyimide (PI) shown below, polystyrene and copolymer (PSt) shown below, polybenzimidazole (PBI), polyphenylene (PP). Polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfide (SPPS), polyvinyl sulfonic acid and its copolymer (PVS), and the like can be used.
Examples of the cation exchange group include acid functional groups such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group, which can be used by being introduced at any position of the main chain skeleton.
Further, Nafion (registered trademark) having a fluoroalkyl main chain and a fluoroalkylsulfonic acid group can be used.
In use, the electrolyte polymer can be used alone or as a mixture of a plurality of electrolyte polymers.
Among these, sulfonated polyarylene ether (SPAE) such as sulfonated polyarylene ether sulfone is excellent in proton conductivity, thermal stability and mechanical strength, and also has a relatively good ability to form nanofibers. Therefore, it is preferable.
When mixing with a basic polymer to produce a composite nanofiber, the counter cation bonded to the cation exchange group must be a proton to prevent insolubilization due to the interaction between the two polymers in solution. No, any counter ion species can be selected by ion exchange. Examples thereof include sodium, potassium, triethylammonium, imidazolium and the like.
Preferred examples of the electrolyte polymer include compounds represented by the following chemical formulas.

ポリアリーレンエテール(PAE)

(式中、nは2〜5000の数を示し、mは2〜5000の数を示す))
Polyarylene ether (PAE)

(In the formula, n represents a number of 2 to 5000, and m represents a number of 2 to 5000))

ポリイミド(PI)
(式中、nは2〜5000の数を示す)
Polyimide (PI)
(In the formula, n represents a number of 2 to 5000)

ポリスチレンおよびその共重合体(PSt)、
(式中、Rは炭素数1〜18の直鎖状あるいは分岐状の炭化水素基、もしくは水酸基等を有する炭化水素基を示す。(式中、nは2〜5000の数を示し、mは2〜5000の数を示す))
Polystyrene and its copolymers (PSt),
(In the formula, R represents a linear or branched hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, or a hydrocarbon group having a hydroxyl group or the like. (Wherein n represents a number of 2 to 5000, m represents Indicate a number between 2 and 5000))

上記スルホン化ポリアリーレンエテール(SPAE)としては以下の重合体を挙げることができる。   Examples of the sulfonated polyarylene ether (SPAE) include the following polymers.

(式中X、Yは、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
Xおよび/あるいはYの芳香環中に少なくとも一つのスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基を有し、
nは好ましくは2〜5000、より好ましくは100〜500の整数を示す。
なお、酸官能基のカウンターカチオンは、プロトン、ナトリウム、カリウム、トリエチルアンモニウム、イミダゾリウム等、任意のカチオン種が挙げられる。)

また、酸官能基を局所的に導入可能な下記のようなブロック構造を有する重合体を用いることもできる。
(Wherein X and Y are divalent groups having at least one aromatic ring, such as a benzene ring or naphthalene ring, which may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group or a sulfonic acid group) aromatic rings, nitrogen-containing heterocyclic ring such as pyridine ring, two benzene rings is a direct bond, -O -, - CO -, - SO 2 -, - S -, - CH 2 -, - C (CH 3 ) 2- , -C (CF 3 ) 2- and the like, and a divalent group containing a benzene ring or the like linked by,
Having at least one sulfonic acid group, phosphonic acid group, carboxylic acid group, or other acid functional group in the aromatic ring of X and / or Y;
n is preferably an integer of 2 to 5000, more preferably 100 to 500.
Examples of the acid functional group counter cation include protons, sodium, potassium, triethylammonium, imidazolium, and other arbitrary cation species. )

Moreover, the polymer which has the following block structures which can introduce | transduce an acid functional group locally can also be used.

(式中aで表される繰り返し単位は親水部であり、
X1は、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
式中Y1も、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
X1および/あるいはY1の芳香環中に少なくとも一つ、望ましくは多数、例えば2〜4個ののスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基を有し、
aは好ましくは1〜500、さらに好ましくは4〜50の整数を示す。)
(式中bで表される繰り返し単位は疎水部であり、
X1は、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、アルキル基、フルオロアルキル基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
式中Y1も、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、アルキル基、フルオロアルキル基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
X1,Y1の芳香環中に酸官能基は含まず、bは好ましくは1〜500、より好ましくは4〜50の整数を示す。)
また、nは好ましくは1〜1000、より好ましくは1〜100、特に好ましくは8〜100の整数を示す。)
さらに、スルホン酸基を局所的に導入可能な下記のようなグラフト構造を有する重合体を用いることもできる。
(In the formula, the repeating unit represented by a is a hydrophilic part,
X1 is a divalent group having at least one aromatic ring, for example, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, which may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group, or a sulfonic acid group, A nitrogen-containing heterocycle such as a pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, —O—, —CO—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, — A divalent group containing a benzene ring connected by C (CF 3 ) 2- and the like,
In the formula, Y1 is also a divalent group having at least one aromatic ring, for example, an aromatic group such as a benzene ring or a naphthalene ring, which may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group, or a sulfonic acid group. A nitrogen-containing heterocycle such as a ring or a pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, —O—, —CO—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 — , A divalent group containing a benzene ring linked by —C (CF 3 ) 2 — and the like,
X1 and / or Y1 has at least one, preferably many, for example, 2 to 4 acid functional groups such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group in the aromatic ring,
a is preferably an integer of 1 to 500, more preferably 4 to 50. )
(In the formula, the repeating unit represented by b is a hydrophobic part,
X1 is a divalent group having at least one aromatic ring, for example, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, a pyridine ring, which may be substituted with a substituent such as an alkyl group or a fluoroalkyl group nitrogen-containing heterocyclic ring such as two benzene rings is a direct bond, -O -, - CO -, - SO 2 -, - S -, - CH 2 -, - C (CH 3) 2 -, - C ( A divalent group containing a benzene ring linked by CF 3 ) 2- and the like,
In the formula, Y1 is also a divalent group having at least one aromatic ring, for example, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, which may be substituted with a substituent such as an alkyl group or a fluoroalkyl group, A nitrogen-containing heterocycle such as a pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, —O—, —CO—, —SO 2 —, —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, — A divalent group containing a benzene ring connected by C (CF 3 ) 2- and the like,
The aromatic ring of X1 and Y1 does not contain an acid functional group, and b is preferably an integer of 1 to 500, more preferably 4 to 50. )
N is preferably an integer of 1 to 1000, more preferably 1 to 100, and particularly preferably 8 to 100. )
Furthermore, a polymer having the following graft structure capable of introducing a sulfonic acid group locally can also be used.

(X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3は、それぞれ同一若しくは異なる基を示し、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3の芳香環中に少なくとも一つ、望ましくは多数、例えば2〜4個のスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基を有し、
a、b、cはそれぞれ1〜500の整数を示す。
なお、a、bで表される繰り返し単位は前述のブロック構造を有しても構わない。)
さらに具体的には以下の重合体を用いることができる。
(X1, Y1, X2, Y2, X3 and Y3 are the same or different groups, each being a divalent group having at least one aromatic ring, for example, a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group or a sulfonic acid group. An aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, a nitrogen-containing heterocyclic ring such as a pyridine ring, two benzene rings directly bonded, —O—, —CO—, —SO 2 —, A divalent group containing a benzene ring connected by —S—, —CH 2 —, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 — and the like,
X1, Y1, X2, Y2, X3, and Y3 have at least one, preferably many, for example, 2 to 4 acid functional groups such as sulfonic acid group, phosphonic acid group, and carboxylic acid group,
a, b and c each represent an integer of 1 to 500.
The repeating units represented by a and b may have the above-described block structure. )
More specifically, the following polymers can be used.

(x、yは、それぞれ1〜1000の整数を示す)
上記SPAEは、たとえばスルホン化ポリ(アリーレンエーテルスルホン)(SPAES)であれば以下のようにして得ることができる。
すなわち、窒素雰囲気下、N,N-ジメチルアセトアミド等の重合溶媒と共沸剤(トルエンなど)を用い、4,4‘−ビスフルオロフェニルスルホン‐3,3‘−ジスルホン酸ナトリウム、4,4‘−ビスフルオロフェニルスルホン、4,4’−ビフェノール及び炭酸カリウムを加え、100℃以上の温度で1〜10時間攪拌し、その後さらに温度を上げて1〜10時間攪拌して得ることができる。
(x and y are each an integer of 1 to 1000)
The SPAE can be obtained as follows, for example, if it is sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES).
That is, using a polymerization solvent such as N, N-dimethylacetamide and an azeotropic agent (toluene, etc.) under a nitrogen atmosphere, 4,4′-bisfluorophenylsulfone-3,3′-sodium disulfonate, 4,4 ′ -Bisfluorophenylsulfone, 4,4'-biphenol and potassium carbonate are added, and the mixture is stirred for 1 to 10 hours at a temperature of 100 ° C or higher, and then further heated to 1 to 10 hours after raising the temperature.

なお、重量平均分子量、重合度は、以下の方法でGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)により測定、算出することができ、ポリスチレン換算値である。
<GPCによる分子量の測定方法>
微量のLiBr(10mM)を添加したジメチルホルムアミド(以下「DMF」という。)を用い、合成したポリマーの分子量をポリスチレン換算で測定する。サンプル溶液は1mg/mlの濃度でポリマーを臭化リチウム添加DMFに溶解させて作製する。
In addition, a weight average molecular weight and a polymerization degree can be measured and calculated by GPC (gel permeation chromatography) by the following methods, and are polystyrene conversion values.
<Measurement method of molecular weight by GPC>
Using dimethylformamide (hereinafter referred to as “DMF”) to which a small amount of LiBr (10 mM) is added, the molecular weight of the synthesized polymer is measured in terms of polystyrene. The sample solution is prepared by dissolving the polymer in DMF supplemented with lithium bromide at a concentration of 1 mg / ml.

<構成成分>
(塩基性ポリマー)
前記塩基性ポリマーは、前記電解質ポリマーの酸置換基と相互作用可能な官能基を有するポリマーである。ここで「相互作用」とはイオン結合や水素結合の形成だけではなく、共有結合や電荷移動錯体の形成や疎水性相互作用も含まれる。
前記電解質ポリマーの酸置換基と反応可能な官能基としては、−NH基、>NH基、>N−基、=N−基等を挙げることができる。
前記ポリマーとしては以下に構造式を示すポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチオアゾール、ポリインドール、ポリキノリン、ポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン等を挙げることができる。
これらの中でもポリベンズイミダゾールは化学的安定性、機械的特性に優れ、電解質膜の機械的強度や耐熱性を向上させることができ、電解質膜の薄膜化に寄与できるため好適である。
<Constituents>
(Basic polymer)
The basic polymer is a polymer having a functional group capable of interacting with an acid substituent of the electrolyte polymer. Here, the “interaction” includes not only the formation of ionic bonds and hydrogen bonds, but also the formation of covalent bonds, charge transfer complexes, and hydrophobic interactions.
Examples of the functional group capable of reacting with the acid substituent of the electrolyte polymer include —NH 2 group,> NH group,> N-group, and ═N-group.
Examples of the polymer include polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthioazole, polyindole, polyquinoline, polyvinylimidazole, polyallylamine, polyethyleneimine and the like having the following structural formula.
Among these, polybenzimidazole is preferable because it has excellent chemical stability and mechanical properties, can improve the mechanical strength and heat resistance of the electrolyte membrane, and can contribute to thinning of the electrolyte membrane.

(式中Xは、O、CO、SO、S、CH、C(CH、C(CF、等が挙げられ、
Yは、少なくとも1つの芳香環あるいは脂肪族炭化水素を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
nは好ましくは2〜5000、さらに好ましくは100〜500の整数を示す。)
上記PBIの具体例としては以下の化合物を挙げることができる。
(X in the formula includes O, CO, SO 2 , S, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , etc.,
Y is a divalent group having at least one aromatic ring or aliphatic hydrocarbon, such as a benzene ring or naphthalene ring, which may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group, or a sulfonic acid group. A divalent group including a nitrogen-containing heterocyclic ring such as an aromatic ring, a pyridine ring, a benzene ring in which two benzene rings are directly bonded, connected by —O—, —CO—, —SO 2 —, etc. Are mentioned,
n is preferably an integer of 2 to 5000, more preferably 100 to 500. )
Specific examples of the PBI include the following compounds.

前記PBIは、特開2012−238590号公報の0018〜0021に記載の製造方法に準じて製造することができる。 Said PBI can be manufactured according to the manufacturing method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2012-238590, 0018-0021.

また、前記ポリマーの質量平均分子量(Mw)は、5.0×10〜1.0×10であることが好ましく、数平均分子量(Mn)に対する質量平均分子量(Mw)の比Mw/Mnは、1〜5であることが好ましい。これらをこの範囲内とすることにより、SPAESとの幅広い混合比率で、より均一な複合ナノファイバーを製造することが可能となる。 Moreover, the mass average molecular weight (Mw) of the polymer is preferably 5.0 × 10 4 to 1.0 × 10 6 , and the ratio Mw / Mn of the mass average molecular weight (Mw) to the number average molecular weight (Mn). Is preferably 1-5. By setting these within this range, a more uniform composite nanofiber can be produced with a wide mixing ratio with SPAES.

前記複合ナノファイバーの繊維径は500nm以下であることが、複合膜の膜厚を薄くし、且つプロトン伝導性も向上させる観点で好ましく、50〜300nmであるのがさらに好ましい。
このようなファイバーの製造方法については後述する。
The fiber diameter of the composite nanofiber is preferably 500 nm or less from the viewpoint of reducing the thickness of the composite membrane and improving proton conductivity, and more preferably 50 to 300 nm.
A method for producing such a fiber will be described later.

<構成成分>
(プロトン伝導物質)
複合ナノファイバーの後処理により、複合ナノファイバーにプロトン伝導物質をドープすることも可能である。
前記プロトン伝達物質は、本発明の複合膜を高分子電解質膜として使用した場合にプロトンを伝導して電解質膜としての主たる機能を発揮するための物質である。
前記プロトン伝導物質としては、複合ナノファイバーに含まれる塩基性ポリマーと相互作用することが可能であり、かつ酸官能基としてプロトン伝導に寄与することができる物質が好ましく、プロトン伝達物質としての特定の物質は、酸置換基を2個以上有する酸性物質である。ここで酸置換基としては、リン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、硝酸基、ビニル性カルボン酸基、ルイス酸基等を挙げることができる。
前記酸性物質としては、ポリリン酸、フィチン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルスルホン酸、ナフタレンジスルホン酸、シュウ酸、スクアリン酸等が挙げられる。これらの中でもフィチン酸は分子量が大きく、また、後述の複合ナノファイバーとの酸塩基相互作用によって拡散しにくく、更には、比較的水への溶解性が低く、水の存在下において、溶出しにくいため、好適である。
その他複合ナノファイバー後処理工程において用いることができる物質として、上述の本発明の複合膜において用いることができる酸性基を2つ以上有するプロトン伝達物質の他に、酸性基を1つしか有さない酸性物質を用いることもできる。たとえば、上述した本発明の複合膜に用いることができる酸性物質の他に、具体的には、リン酸、メタンホスホン酸、硫酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、スルフィン酸、ギ酸、酢酸、硝酸、塩酸、アスコルビン酸、クロム酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸等を挙げることができる。
<Constituents>
(Proton conducting material)
It is also possible to dope the composite nanofibers with a proton conducting material by post-treatment of the composite nanofibers.
The proton-transmitting substance is a substance that conducts protons and exhibits the main function as an electrolyte membrane when the composite membrane of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane.
The proton conductive material is preferably a material that can interact with the basic polymer contained in the composite nanofiber and can contribute to proton conduction as an acid functional group. The substance is an acidic substance having two or more acid substituents. Here, examples of the acid substituent include a phosphoric acid group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a nitric acid group, a vinylic carboxylic acid group, and a Lewis acid group.
Examples of the acidic substance include polyphosphoric acid, phytic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl sulfonic acid, naphthalene disulfonic acid, oxalic acid, squaric acid, and the like. Among these, phytic acid has a large molecular weight, is difficult to diffuse due to the acid-base interaction with the composite nanofiber described later, and has a relatively low solubility in water and is difficult to elute in the presence of water. Therefore, it is preferable.
Other materials that can be used in the composite nanofiber post-treatment step include only one acidic group in addition to the proton transfer material having two or more acidic groups that can be used in the composite membrane of the present invention described above. An acidic substance can also be used. For example, in addition to the acidic substance that can be used for the composite membrane of the present invention described above, specifically, phosphoric acid, methanephosphonic acid, sulfuric acid, methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, sulfinic acid, Formic acid, acetic acid, nitric acid, hydrochloric acid, ascorbic acid, chromic acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid and the like can be mentioned.

<構成成分>
(マトリクスポリマー)
前記マトリクスポリマーとしては、複合膜を形成した場合に膜強度を向上させることができ、プロトン伝導性にも優れたポリマーが好ましく、スルホン化ポリアリーレンエーテル(SPAE)、下記に示すNafion(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸ポリマー、下記に示すスルホン化ポリイミド(SPI)、下記に示すスルホン化ポリベンズイミダゾール(SPBI)、下記に示すスルホン化ポリフェニレン(SPP)、下記に示すスルホン化ポリフェニレンオキシド(SPPO)、下記に示すポリフェニレンスルフィド(SPPS)、下記に示すスルホン化ポリスチレンおよびその共重合体(SPSt)、下記に示すポリビニルスルホン酸およびその共重合体(PVS)等を用いることができる。また、使用に際しては単独または混合物として用いることができる。
<Constituents>
(Matrix polymer)
The matrix polymer is preferably a polymer that can improve the membrane strength when a composite membrane is formed, and is excellent in proton conductivity, such as sulfonated polyarylene ether (SPAE), Nafion (registered trademark) shown below. Perfluorosulfonic acid polymers such as sulfonated polyimide (SPI) shown below, sulfonated polybenzimidazole (SPBI) shown below, sulfonated polyphenylene (SPP) shown below, and sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) shown below. Polyphenylene sulfide (SPPS) shown below, sulfonated polystyrene shown below and a copolymer thereof (SPSt), polyvinyl sulfonic acid shown below and a copolymer thereof (PVS), and the like can be used. In use, they can be used alone or as a mixture.

代表的なパーフルオロスルホン酸ポリマーの一例として、Nafion(登録商標)の構造を以下示す。
式中、xは、5〜13.5を、yは、1000を示す。
mは、2以上の整数を、nは、2を示す。
As an example of a typical perfluorosulfonic acid polymer, the structure of Nafion (registered trademark) is shown below.
In the formula, x represents 5 to 13.5, and y represents 1000.
m represents an integer of 2 or more, and n represents 2.

上記スルホン化ポリイミド(SPI)としては、従来高分子電解質膜を構成するために提案されたスルホン化ポリイミドを含め、任意のスルホン化ポリイミドを用いることができる。本発明において好ましく用いられるスルホン化ポリイミドとしては、例えば、下記式(2)で示されるスルホン化ポリイミドが挙げられる。 As the sulfonated polyimide (SPI), any sulfonated polyimide can be used, including sulfonated polyimides conventionally proposed for constituting polymer electrolyte membranes. Examples of the sulfonated polyimide preferably used in the present invention include a sulfonated polyimide represented by the following formula (2).

前記式(2)中、Rは、少なくとも1つの芳香環を有する4価の基を表し、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族の4価の残基、ベンゼン環、ナフタレン環などの2個の芳香環が直接連結された化合物の4価の芳香族残基、2個のベンゼン環が−C(CF−、−SO−、−CO−などの基により連結された化合物の4価の残基などが好ましいものとして挙げられ、より好ましくは2個の芳香環を有する化合物の4価の残基である。 In the formula (2), R 3 represents a tetravalent group having at least one aromatic ring, such as an aromatic tetravalent residue such as a benzene ring or a naphthalene ring, a benzene ring, a naphthalene ring or the like. tetravalent aromatic residue of a compound in which two aromatic rings are linked directly, two benzene rings -C (CF 3) 2 -, - SO 2 -, - CO 2 - is linked by a group such as Preferred examples of the compound include tetravalent residues and the like, and more preferred are tetravalent residues of compounds having two aromatic rings.

また、式(2)中、Rは、スルホン酸基を有し、且つ、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基を表し、例えば、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、>CR(Rは、炭素原子とともにフルオレン環構造を形成)などの基により連結され、ベンゼン環にあるいはベンゼン環の置換基にスルホン酸基を有するスルホン化芳香族化合物の2価の残基などが好ましいものとして挙げられる。ベンゼン環の置換基としては、アルキル基、アルキルオキシ基、フェニル基などが好ましく挙げられる。 In Formula (2), R 4 represents a divalent group having a sulfonic acid group and having at least one aromatic ring. For example, two benzene rings are directly bonded, —O—, > CR 6 (R 6 forms a fluorene ring structure with a carbon atom) and the like, and is a divalent residue of a sulfonated aromatic compound having a sulfonic acid group as a benzene ring or a substituent of the benzene ring And the like are preferable. Preferred examples of the substituent on the benzene ring include an alkyl group, an alkyloxy group, and a phenyl group.

更に、式(2)中、Rは、少なくとも1つの芳香環を有する、スルホン酸基を有しない2価の基を表し、例えば、ベンゼン環あるいは含窒素複素環などの複素環を構造中に有する非スルホン化化合物の2価の残基などが好ましいものとして挙げられる。また、式(2)中、nは1以上、好ましくは50以上の整数、例えば50〜2000であり、mは0または1以上、好ましくは30以上の整数、例えば30〜1000である。より具体的には、R、R、Rとしては例えば次のような基が挙げられる。 Further, in the formula (2), R 5 represents a divalent group having at least one aromatic ring and having no sulfonic acid group. For example, a heterocyclic ring such as a benzene ring or a nitrogen-containing heterocyclic ring is included in the structure. Preferred examples include divalent residues of non-sulfonated compounds. In formula (2), n is 1 or more, preferably an integer of 50 or more, for example 50 to 2000, and m is 0 or 1 or more, preferably 30 or more, for example, 30 to 1000. More specifically, examples of R 3 , R 4 , and R 5 include the following groups.

本発明において用いられる、前記式(2)で表されるスルホン化ポリイミドは、例えば、下記反応式に示すような、芳香族カルボン酸二無水物とスルホン化芳香族ジアミンと任意成分である非スルホン化芳香族ジアミンのモノマーから合成することができる。 The sulfonated polyimide represented by the formula (2) used in the present invention is, for example, an aromatic carboxylic dianhydride, a sulfonated aromatic diamine, and an optional non-sulfone as shown in the following reaction formula: It can be synthesized from a monomer of an aromatic diamine.

式中、R、R、R、n、mは、上記で定義したものである。
前記の芳香族カルボン酸二無水物としては、例えば、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−ビスフチル−1,1’,8,8’−テトラカルボン酸二無水物が好ましいものとして挙げられる。前記のスルホン化芳香族ジアミンとしては、主鎖がスルホン酸基により修飾された主鎖型モノマーと、側鎖にスルホン酸基が修飾した側鎖型のモノマーとが挙げられる。スルホン化芳香族ジアミンの好ましい例としては、例えば、2,2−ベンジジンジスルホン酸、4,4’−ジアミノフェニルエーテルジスルホン酸、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン−2,7−ジスルホン酸、2,2’−ビス(4−スルホフェニル)ベンジジンなどが挙げられる。前記の非スルホン化芳香族ジアミンの好ましい例としては、例えば、4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンビス(p−フェニレンオキシ)ジアミン、2,2−ジアミノジフェニルヘキサフルオロプロパン、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、2,5−ジアミノピリジンが挙げられる。非スルホン化芳香族ジアミンモノマーを用いることで、膜安定性や酸保持能を付与することができる。
スルホン化芳香族ジアミンモノマー及び非スルホン化芳香族ジアミンモノマーを組み合わせて用いることで、スルホン化共重合ポリイミドが得られるが、共重合体はランダム共重合体でもブロック共重合体であってもよい。
共重合の際のスルホン化ジアミンモノマー(n)と非スルホン化芳香族ジアミンモノマー(m)との比率n/mは、30/70〜100/0であることが好ましい。n/mが30/70未満では複合膜のプロトン伝導性が低く、好適な複合膜を得ることが難しくなる。高いプロトン伝導性を得るためには、n/mが70/30〜100/0であることが望ましい。
スルホン化ポリイミドの質量平均分子量(Mw)は、1.0×10〜1.0×10であることが製膜性の観点から好ましく、数平均分子量(Mn)に対する質量平均分子量(Mw)の比Mw/Mnは、1〜5であることが強度の点で好ましい。
In the formula, R 3 , R 4 , R 5 , n and m are as defined above.
Examples of the aromatic carboxylic dianhydride include 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,2′-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane, 4 , 4′-bisphthyl-1,1 ′, 8,8′-tetracarboxylic dianhydride is preferred. Examples of the sulfonated aromatic diamine include a main chain type monomer whose main chain is modified with a sulfonic acid group, and a side chain type monomer whose side chain is modified with a sulfonic acid group. Preferable examples of the sulfonated aromatic diamine include, for example, 2,2-benzidine disulfonic acid, 4,4′-diaminophenyl ether disulfonic acid, 3,3′-bis (3-sulfopropoxy) benzidine, 9,9 ′. -Bis (4-aminophenyl) fluorene-2,7-disulfonic acid, 2,2'-bis (4-sulfophenyl) benzidine and the like. Preferred examples of the non-sulfonated aromatic diamine include 4,4′-hexafluoroisopropylidenebis (p-phenyleneoxy) diamine, 2,2-diaminodiphenylhexafluoropropane, and 9,9′-bis. (4-aminophenyl) fluorene and 2,5-diaminopyridine are mentioned. By using a non-sulfonated aromatic diamine monomer, film stability and acid retention ability can be imparted.
A sulfonated copolymerized polyimide is obtained by using a combination of a sulfonated aromatic diamine monomer and a non-sulfonated aromatic diamine monomer, and the copolymer may be a random copolymer or a block copolymer.
The ratio n / m of the sulfonated diamine monomer (n) to the non-sulfonated aromatic diamine monomer (m) during the copolymerization is preferably 30/70 to 100/0. When n / m is less than 30/70, the proton conductivity of the composite membrane is low, and it becomes difficult to obtain a suitable composite membrane. In order to obtain high proton conductivity, it is desirable that n / m is 70/30 to 100/0.
The mass average molecular weight (Mw) of the sulfonated polyimide is preferably 1.0 × 10 4 to 1.0 × 10 6 from the viewpoint of film forming properties, and the mass average molecular weight (Mw) relative to the number average molecular weight (Mn). The ratio Mw / Mn is preferably 1 to 5 in terms of strength.

(SPI)
また、上記SPIとしては、以下に示すブロック構造を有するものを用いることもできる。
(SPI)
Further, as the SPI, those having the block structure shown below can be used.

(式中、Aはスルホン酸基を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、Bはスルホン酸基を有するポリイミド側鎖を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、Cは置換基を有していてもよい炭素数6〜30の芳香族基を表し、mおよびnは1以上の整数であり、rは0または1以上の整数であり、Yは1以上の数である。また、m/(n+r)が90/10〜10/90の範囲にあり、ブロック重合体である。)
上記基Aにおけるスルホン酸基は、芳香族基に直接置換されたものでもよいし、例えば−O(CH2)−基、−C6H4−(フェニル)基、−O−C6H4−基等を介して側鎖に導入されたものでもよい。芳香族基は、ベンゼン環、ナフタレン環などが単独で用いられてもよいが、2個以上の環が直接結合あるいは−O−、−SO2−、−C(CF3)2−基などを介して結合されたものでもよい。
基Aの例としては、例えば、下記の基が好ましいものとして挙げられる。
(In the formula, A represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a sulfonic acid group, B represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a polyimide side chain having a sulfonic acid group, and C represents a substituted group. Represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms which may have a group, m and n are integers of 1 or more, r is 0 or an integer of 1 or more, and Y is a number of 1 or more. Also, m / (n + r) is in the range of 90/10 to 10/90, and is a block polymer.)
The sulfonic acid group in the above group A may be directly substituted with an aromatic group, for example, via an —O (CH 2) — group, —C 6 H 4 (phenyl) group, —O—C 6 H 4 — group, etc. It may be introduced into the chain. As the aromatic group, a benzene ring, a naphthalene ring or the like may be used alone, but two or more rings may be directly bonded or via an —O—, —SO 2 —, —C (CF 3) 2 — group or the like. It may be combined.
Examples of the group A include the following groups as preferable examples.

一方、上述のように、基Bはスルホン酸基を有するポリイミド側鎖を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、基Cは置換基を有していてもよい炭素数6〜30の芳香族基を表す。スルホン酸基を有するポリイミド側鎖は,炭素数6〜30の芳香族基に直接または−O−、−CO−、−NH−基などを介して連結される。また、基Cの置換基としては、−OH、−COOH、−NH2のような基が挙げられる。前記直接結合部、あるいは−O−、−CO−、−NH−基などを含む炭素数6〜30の芳香族基である基Bとしては、例えば、下記の基が好ましいものとして挙げられ、置換基を有してもよい炭素数6〜30の芳香族基である基Cとしては、下記の基において、基−D−が、−H、−D−Hあるいは−D−OHとなっているような基が好ましいものとして挙げられる。   On the other hand, as described above, the group B represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a polyimide side chain having a sulfonic acid group, and the group C has 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent. Represents an aromatic group. The polyimide side chain having a sulfonic acid group is linked to an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms directly or via —O—, —CO—, —NH— group or the like. Examples of the substituent of the group C include groups such as —OH, —COOH, and —NH 2. Examples of the group B which is an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms including the direct bond portion or a —O—, —CO—, —NH— group include the following groups as preferred ones. As the group C which is an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms which may have a group, in the following group, the group -D- is -H, -D-H or -D-OH. Such groups are preferred.

(式中、Dは、−O−、−CO−、−NH−、−CO−NH−、−CO(=O)−あるいは直接結合を表す。) (In the formula, D represents —O—, —CO—, —NH—, —CO—NH—, —CO (═O) — or a direct bond.)

また、上記SPIとしては、上記(1)式で表される重合体に下記(2)で表される基を導入してなるグラフト重合体を用いることもできる。この場合、上記(1)で表される重合体は、ランダム重合体及びブロック重合体のいずれをも採用可能であり、ランダム重合体の場合はグラフト重合体となり、ブロック重合体の場合はブロックグラフト重合体となる。   Moreover, as said SPI, the graft polymer formed by introduce | transducing group represented by following (2) to the polymer represented by said Formula (1) can also be used. In this case, the polymer represented by (1) can employ either a random polymer or a block polymer. In the case of a random polymer, the polymer becomes a graft polymer, and in the case of a block polymer, a block graft. It becomes a polymer.

(式中、Rは、スルホン酸基を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、xは1以上の整数を示す。)
上記式(2)の基Rとしては、上記式(1)の基Aと同様の基が好ましいものとして挙げられる。基Aと基Rとは同じであっても、異なるものであってもよい。具体的には以下の基が好ましい。
(In the formula, R represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a sulfonic acid group, and x represents an integer of 1 or more.)
Preferred examples of the group R in the above formula (2) include the same groups as the group A in the above formula (1). The group A and the group R may be the same or different. Specifically, the following groups are preferable.

また、mおよびn+rは、好ましくは1〜100の整数であり、m/(n+r)は好ましくは90/10から10/90の範囲内であり、Yは好ましくは1〜150の数を示す。主鎖を構成するポリイミド樹脂の重量平均分子量(Mw)は、5万〜50万が好ましい。また、側鎖を構成するポリイミド樹脂の重量平均分子量(Mw)は、5,000〜50万が好ましい。 M and n + r are preferably integers of 1 to 100, m / (n + r) is preferably in the range of 90/10 to 10/90, and Y is preferably a number of 1 to 150. The weight average molecular weight (Mw) of the polyimide resin constituting the main chain is preferably 50,000 to 500,000. Moreover, as for the weight average molecular weight (Mw) of the polyimide resin which comprises a side chain, 5,000-500,000 are preferable.

さらに、グラフト側鎖の重量平均分子量と、主鎖の重量平均分子量の比が、0.01<Mw(グラフト側鎖)/Mw(主鎖)<20であること、主鎖ポリマーに対する側鎖ポリマーのグラフト率が、1<グラフト率<100であること好ましい。   Further, the ratio of the weight average molecular weight of the graft side chain to the weight average molecular weight of the main chain is 0.01 <Mw (graft side chain) / Mw (main chain) <20, and the side chain polymer relative to the main chain polymer The graft ratio is preferably 1 <graft ratio <100.

ここでグラフト率とは、主鎖中の側鎖導入部位すべてに側鎖が導入された場合を100%として計算した割合であり、〔n/(n+r)〕×100である。例えば後述する実施例3、4において、合成例1または2で用いたDABAのカルボン酸基すべてに合成例3で作製された側鎖部分末端のアミノ基が反応しアミド結合を形成した場合100%である。具体的には以下の式で算出される。
IEC(イオン交換容量)=スルホン酸基当量×グラフト率/(主鎖単位分子量−(側鎖分子量×グラフト率)より
グラフト率(%)={(主鎖単位分子量×IEC)/[スルホン酸基当量−(側鎖分子量×IEC)]}×100
Here, the graft ratio is a ratio calculated with 100% as the side chain introduced into all side chain introduction sites in the main chain, and is [n / (n + r)] × 100. For example, in Examples 3 and 4 to be described later, 100% when the amino group at the side chain partial terminal prepared in Synthesis Example 3 reacts with all the carboxylic acid groups of DABA used in Synthesis Example 1 or 2 to form an amide bond. It is. Specifically, it is calculated by the following formula.
IEC (ion exchange capacity) = sulfonic acid group equivalent × graft rate / (main chain unit molecular weight− (side chain molecular weight × graft rate)) Graft rate (%) = {(main chain unit molecular weight × IEC) / [sulfonic acid group Equivalent- (Side chain molecular weight × IEC)]} × 100

上記スルホン化ポリベンズイミダゾール(SPBI)としては下記の構造を有する重合体等を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polybenzimidazole (SPBI) include polymers having the following structures.

(式中Xは、O、CO、SO、S、CH、C(CH、C(CF、等が挙げられ、
Yは、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、スルホン酸基を少なくとも一つ置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
nは好ましくは2〜5000、さらに好ましくは100〜500の整数を示す。)
(X in the formula includes O, CO, SO 2 , S, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , etc.,
Y is a divalent group having at least one aromatic ring, substituted with at least one sulfonic acid group, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, a nitrogen-containing heterocyclic ring such as a pyridine ring, 2 A divalent group including a benzene ring in which the benzene ring is directly bonded, -O-, -CO-, -SO 2- and the like,
n is preferably an integer of 2 to 5000, more preferably 100 to 500. )

具体的には以下に示す重合体等を用いることができる。
上記SPBIは、たとえばジスルホン化ポリ(ベンズイミダゾール)であれば以下のようにして得ることができる。
すなわち、窒素雰囲気下、ポリリン酸を溶媒および縮合剤として用い、3,3‘−ジアミノベンジジン、4,8−ジスルホニル−2,6−ナフタレンジカルボン酸を加え、80℃以上の温度で1〜2時間攪拌、その後さらに温度を上げて200℃で8〜10時間攪拌し、水中に滴下後、沈殿物を10重量%の水酸化カリウム水溶液で洗浄、回収することで得ることができる。
Specifically, the following polymers can be used.
The SPBI can be obtained as follows if it is disulfonated poly (benzimidazole), for example.
That is, in a nitrogen atmosphere, using polyphosphoric acid as a solvent and a condensing agent, 3,3′-diaminobenzidine and 4,8-disulfonyl-2,6-naphthalenedicarboxylic acid are added, and the temperature is 1 to 2 at a temperature of 80 ° C. or higher. The mixture can be obtained by stirring for a period of time, further raising the temperature, stirring at 200 ° C. for 8 to 10 hours, dropping into water, and washing and collecting the precipitate with a 10% by weight aqueous potassium hydroxide solution.

上記スルホン化ポリフェニレン(SPP)としては以下に示す重合体等を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polyphenylene (SPP) include the following polymers.

(nは上述のとおりである) (N is as described above)

(式中R1、R2,R3,R4は、水素基、アルキル基、水酸基、スルホン酸基、あるいは芳香環を有する1価あるいは複数の芳香環が連結した2価の基であり、スルホン酸基などが置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む1価あるいは2価の基が挙げられ、nは1〜5000の整数を示す。) (Wherein R1, R2, R3 and R4 are a hydrogen group, an alkyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, or a divalent group in which a monovalent or plural aromatic rings having an aromatic ring are linked, such as a sulfonic acid group, etc. Substituted, aromatic rings such as benzene ring and naphthalene ring, nitrogen-containing heterocycles such as pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, connected by —O—, —CO—, —SO 2 —, etc. And monovalent or divalent groups containing a benzene ring or the like, and n represents an integer of 1 to 5000.)

具体的には以下に示す重合体を用いることができる。
(nは上述のとおりである)
Specifically, the following polymers can be used.
(N is as described above)

上記スルホン化ポリフェニレンオキシド(SPPOとしては以下の重合体などを挙げることができる。   Examples of the sulfonated polyphenylene oxide (SPPO include the following polymers).

(式中R1、R2,R3,R4は、水素基、アルキル基、水酸基、スルホン酸基、あるいは芳香環を有する1価あるいは複数の芳香環が連結した2価の基であり、スルホン酸基などが置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む1価あるいは2価の基が挙げられ、nは1〜5000の整数を示す。) (Wherein R1, R2, R3 and R4 are a hydrogen group, an alkyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, or a divalent group in which a monovalent or plural aromatic rings having an aromatic ring are linked, such as a sulfonic acid group, etc. Substituted, aromatic rings such as benzene ring and naphthalene ring, nitrogen-containing heterocycles such as pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, connected by —O—, —CO—, —SO 2 —, etc. And monovalent or divalent groups containing a benzene ring or the like, and n represents an integer of 1 to 5000.)

具体的には以下の重合体を用いることができる。
(nは上述のとおりである)
Specifically, the following polymers can be used.
(N is as described above)

(SPPS)
上記ポリフェニレンスルフィド(SPPSとしては以下に示す重合体等を挙げることができる。
(SPPS)
Examples of the polyphenylene sulfide (SPPS) include the polymers shown below.

(式中R1、R2,R3,R4は、水素基、アルキル基、水酸基、スルホン酸基、あるいは芳香環を有する1価あるいは複数の芳香環が連結した2価の基であり、スルホン酸基などが置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む1価あるいは2価の基が挙げられ、
nは1〜5000の整数を示す。)
具体的には以下の重合体を挙げることができる。
(Wherein R1, R2, R3 and R4 are a hydrogen group, an alkyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, or a divalent group in which a monovalent or plural aromatic rings having an aromatic ring are linked, such as a sulfonic acid group, etc. Substituted, aromatic rings such as benzene ring and naphthalene ring, nitrogen-containing heterocycles such as pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, connected by —O—, —CO—, —SO 2 —, etc. A monovalent or divalent group containing a benzene ring or the like,
n represents an integer of 1 to 5000. )
Specifically, the following polymers can be mentioned.

(nは上述のとおりである) (N is as described above)

上記スルホン化ポリスチレンおよびその共重合体(SPSt)としては以下の重合体等を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polystyrene and its copolymer (SPSt) include the following polymers.

(Rはアルキル、アルキルエステル、ベンゼンなどの芳香環などであり、スチレン、スルホン化スチレン、あるいはスルホン化エステル置換スチレンと共重合できるビニルモノマー全般を含む、m、nはそれぞれ1〜10000の整数を示す。) (R is an aromatic ring such as alkyl, alkyl ester, and benzene, and includes all vinyl monomers copolymerizable with styrene, sulfonated styrene, or sulfonated ester-substituted styrene, and m and n each represent an integer of 1 to 10,000. Show.)

上記ポリビニルスルホン酸およびその共重合体(PVS)としては以下の重合体等を挙げることができる。 Examples of the polyvinyl sulfonic acid and its copolymer (PVS) include the following polymers.

(Rはアルキル、アルキルエステル、ベンゼンなどの芳香環などであり、ビニルスルホン酸あるいはビニルスルホン酸エステルと共重合できるビニルモノマー全般を含む、m、nはそれぞれ1〜10000の整数を示す。) (R is an aromatic ring such as alkyl, alkyl ester, and benzene, and includes all vinyl monomers copolymerizable with vinyl sulfonic acid or vinyl sulfonic acid ester, and m and n each represent an integer of 1 to 10,000.)

(他の成分)
本発明の複合膜には、上述の各成分の他に本発明の趣旨を損なわない範囲で種々添加剤を添加することができる。例えば複合膜の機械特性を向上させるためにシリカ粒子などの無機粒子を含んでいてもよい。無機粒子の粒子径は1nm〜1μmであるのが膜の均一性を保つために好ましく、100nm以下であるのがより好ましく、20nm以下であるのが更に好ましい。
(Other ingredients)
In addition to the components described above, various additives can be added to the composite membrane of the present invention as long as the spirit of the present invention is not impaired. For example, inorganic particles such as silica particles may be included in order to improve the mechanical properties of the composite film. The particle diameter of the inorganic particles is preferably 1 nm to 1 μm in order to maintain film uniformity, more preferably 100 nm or less, and still more preferably 20 nm or less.

<複合膜形態>
(全体構成)
本発明の複合膜の厚さは2〜40μmであるのが、近年要求されている厚さを満足する点で好ましく、より好ましくは2〜30μmであり、最も好ましくは2〜10μmである。
本発明の複合膜について図1を参照して説明すると、本発明の複合膜においては、電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーから構成された複合ナノファイバー1が、各ナノファイバーが絡合された不織布形態で存在している。そして複合ナノファイバー1の間隔を埋めると共に複合膜の外形を形成するようにマトリクスポリマーが設けられており、本実施形態においては複合ナノファイバー1からなる不織布の表裏両面外方にマトリクスポリマーのみからなるポリマー層6が形成されている。
さらに、複合ナノファイバー後処理溶液により、プロトン伝導物質を複合ナノファイバーにドープすることか可能である。本発明の複合膜においては、上述のようにプロトン伝達物質が2つ以上の酸官能基を有し、複合ナノファイバー1中の塩基性ポリマーが該酸官能基と反応可能な置換基を有しているので、プロトン伝達物質は塩基性ポリマーと反応して複合ナノファイバー1に結合した状態となるだけではなく、複合ナノファイバー1と2箇所以上で結合して一種の橋懸け構造を形成する。
このような橋懸け構造を形成することにより、従来のものよりも膜厚を薄くしても強固な不織布構造を形成することができ、しかも複合ナノファイバーとプロトン伝達物質が結合した状態であるためプロトンの伝達性能の面でも有利である。
前記複合ナノファイバーが形成している不織布形態において前記マトリクスポリマーと接触する前における空隙率が50〜90%であるのが、プロトン伝導性と複合膜とした際の膜強度やガスバリア性の点で好ましい。特に上述した繊維径の複合ナノファイバーをこの範囲の空隙率で不織布化したものを用いることが、本発明の所望の効果を発揮する点で好ましい。空隙率の測定については後述する。
ここで、前記マトリクスポリマーと接触する前における空隙率とは、後述する製造方法において説明するように、まず複合ナノファイバーにより不織布を製造し、その後得られた不織布にマトリクスポリマーを投入して不織布をマトリクスポリマーの溶液に浸漬させると共に所望の形状に成形するが、この溶液に浸漬する前の不織布の状態における各複合ナノファイバー間に存在する空間の割合である。すなわち、空隙率は不織布に外接する仮想立体の体積に対する、前記空間の割合であり、(前記空間の合計体積/仮想立体の体積)×100で表される。
<Composite membrane form>
(overall structure)
The thickness of the composite film of the present invention is preferably 2 to 40 μm from the viewpoint of satisfying a recently required thickness, more preferably 2 to 30 μm, and most preferably 2 to 10 μm.
The composite membrane of the present invention will be described with reference to FIG. 1. In the composite membrane of the present invention, a composite nanofiber 1 composed of an electrolyte polymer and a basic polymer is in a nonwoven fabric form in which each nanofiber is entangled. Existing. And the matrix polymer is provided so that the space | interval of the composite nanofiber 1 may be filled and the external shape of a composite film may be formed, and in this embodiment, it consists only of a matrix polymer in the front and back both sides of the nonwoven fabric consisting of the composite nanofiber 1. A polymer layer 6 is formed.
Furthermore, it is possible to dope the nanofibers with a proton conducting material by means of a composite nanofiber post-treatment solution. In the composite membrane of the present invention, as described above, the proton transfer material has two or more acid functional groups, and the basic polymer in the composite nanofiber 1 has a substituent capable of reacting with the acid functional groups. Therefore, the proton-transmitting substance not only reacts with the basic polymer to be bonded to the composite nanofiber 1 but also bonds to the composite nanofiber 1 at two or more places to form a kind of bridge structure.
By forming such a bridging structure, it is possible to form a strong nonwoven structure even if the film thickness is thinner than the conventional one, and because the composite nanofiber and the proton transfer substance are in a combined state. It is also advantageous in terms of proton transmission performance.
The non-woven fabric formed by the composite nanofibers has a porosity of 50 to 90% before contacting with the matrix polymer in terms of proton conductivity and membrane strength and gas barrier properties when used as a composite membrane. preferable. In particular, it is preferable to use a composite nanofiber having the above-described fiber diameter that is made into a non-woven fabric with a porosity in this range in order to exhibit the desired effect of the present invention. The measurement of the porosity will be described later.
Here, the porosity before contacting with the matrix polymer means that the nonwoven fabric is first produced with composite nanofibers, and then the matrix polymer is added to the obtained nonwoven fabric, as described in the production method described later. It is the ratio of the space which exists between each composite nanofiber in the state of the nonwoven fabric before being immersed in the solution of a matrix polymer, and shape | molding in a desired shape before being immersed in this solution. That is, the porosity is the ratio of the space to the volume of the virtual solid circumscribing the nonwoven fabric, and is represented by (total volume of the space / volume of the virtual solid) × 100.

(量比関係)
前記プロトン伝達物質の存在割合は、プロトン伝達物質と複合ナノファイバーとは両者が上述のような構造をとることから前記プロトン伝達物質の存在量を多くしなくても十分なプロトン伝達性能が出るため、本発明の複合膜全体中0.1〜20質量%であるのが好ましく、1〜10質量%であるのがさらに好ましい。1質量%未満であるとイオン伝導度が不十分となる場合があり、10質量%を超えるとプロトン伝達物質が経時的に溶出する場合があるので、上記範囲内とするのが好ましい。
このように、プロトン伝達物質の存在量が少ないと、複合膜表面への染み出しも非常に少ない。そのため、例えば、燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合には、触媒の被毒が生じにくく、この点でも有利である。
また、前記マトリクスポリマーの存在割合は、前記空隙率で存在する複合ナノファイバー間に存在する空隙を埋めて複合膜の外形を形成する程度の量あれば十分であるが、好ましくは前記複合ナノファイバーとの合計量を100とした場合、50〜90質量%である。
(Quantity ratio relationship)
Since the proton transfer material and the composite nanofiber both have the above-described structure, sufficient proton transfer performance can be obtained without increasing the amount of the proton transfer material. The content of the composite membrane of the present invention is preferably 0.1 to 20% by mass, and more preferably 1 to 10% by mass. If it is less than 1% by mass, the ionic conductivity may be insufficient, and if it exceeds 10% by mass, the proton-transmitting substance may be eluted over time, so it is preferably within the above range.
Thus, when the amount of proton-transmitting substance is small, there is very little seepage to the composite membrane surface. Therefore, for example, when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the catalyst is hardly poisoned, which is advantageous in this respect.
The matrix polymer may be present in an amount sufficient to fill the voids existing between the composite nanofibers existing at the porosity and form the outer shape of the composite film, but preferably the composite nanofibers. And the total amount is 100 to 50% by mass.

<製造方法>
次に本発明の複合膜の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、好ましくは上記の本発明の複合膜を製造する方法であって、図2に示すように、
前記複合ナノファイバーおよび複合ナノファイバーからなる不織布を形成する工程(図2のA)、
前記不織布を後処理する工程(図2のB)、
前記不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程(図2のC)、及び
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程(図示せず)
を行うことにより実施できる。
更に説明する。
<Manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the composite film of this invention is demonstrated.
The production method of the present invention is preferably a method of producing the composite membrane of the present invention, as shown in FIG.
A step of forming a nonwoven fabric comprising the composite nanofiber and the composite nanofiber (A in FIG. 2);
A step of post-processing the nonwoven fabric (FIG. 2B),
The step of filling the voids of the nonwoven fabric with a matrix polymer to integrate the composite nanofiber and the matrix polymer (C in FIG. 2), and the step of post-treating the electrolyte membrane containing the composite nanofiber (not shown)
It can be implemented by performing.
Further explanation will be given.

(不織布を形成する工程、図2A)
不織布を形成する工程は、上記複合ナノファイバーの原料である電解質ポリマーと塩基性ポリマーを溶媒に溶解してなる紡糸液を吐出機10を用いて捕集体30上に吐出する等して形成することができる。
原料ポリマー全体における電解質ポリマーの比率は、1〜99質量%であることが好ましく、20〜80質量%であることがさらに好ましい。
吐出機を用いた微細ファイバーの不織布の製造については、例えば、特開2003−73964号公報、特開2004−238749号公報、特開2005−194675号公報に開示されている。以下、特開2005−194675号公報に開示の製造装置を用いた例示に準じて説明する。
(Process for forming a nonwoven fabric, FIG. 2A)
The step of forming the nonwoven fabric is formed by discharging a spinning solution obtained by dissolving an electrolyte polymer and a basic polymer, which are raw materials of the composite nanofiber, in a solvent onto the collector 30 using the discharger 10. Can do.
The ratio of the electrolyte polymer in the whole raw material polymer is preferably 1 to 99% by mass, and more preferably 20 to 80% by mass.
The production of non-woven fabric of fine fibers using a discharger is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2003-73964, 2004-238749, and 2005-194675. Hereinafter, description will be made according to an example using the manufacturing apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-194675.

図2に示す吐出機10は、紡糸液を吐出するノズル11と紡糸液を貯蔵するタンク12とを有する。また、ノズル11に対向して位置する、アースされた捕集体30を有する。そのため、図示しない電圧印加装置によって印加し、ノズル11と捕集体30との間に電界を形成すると、ノズル11から吐出され、電界によって延伸されて形成した繊維は、捕集体30へ向かって飛翔し、捕集体30上に堆積して、複合ナノファイバーからなる不織布20を形成する。
前記溶媒としては例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられ、原料ポリマー濃度は、1〜30質量%であることが好ましく、5〜20質量%であることがより好ましい。紡糸液の粘度は、100〜10000mPa・sであることが好ましく、500〜5000mPa・sであることがより好ましい。
前記の装置を用いると、紡糸液はノズル11から捕集体30に向けて押し出されるとともに、アースされた捕集体30と電圧印加装置によって印加されたノズル11との間の電界による延伸作用を受け、繊維化しながら捕集体30へ向かって飛翔する(いわゆる静電紡糸法である)。そして、この飛翔した繊維は直接、捕集体30上に集積し、不織布を形成する。なお、紡糸液は、例えば、シリンジポンプ、チューブポンプ、ディスペンサ等によりタンク12からノズル11に供給される。この他、紡糸に際して用いられる装置の詳細については特開2012−238590号公報0047〜0056の記載が適宜適用される。
ここで得られる不織布の厚みは25μm以下であるのが複合膜全体の厚さを低減する観点から好ましく、5μm以下であるのがさらに好ましい。
A discharger 10 shown in FIG. 2 includes a nozzle 11 that discharges the spinning solution and a tank 12 that stores the spinning solution. It also has a grounded collector 30 located opposite the nozzle 11. For this reason, when an electric field is formed between the nozzle 11 and the collector 30 by being applied by a voltage application device (not shown), the fibers discharged from the nozzle 11 and stretched by the electric field fly toward the collector 30. The nonwoven fabric 20 made of composite nanofibers is deposited on the collector 30.
Examples of the solvent include dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). 1 to 30% by mass, more preferably 5 to 20% by mass. The viscosity of the spinning solution is preferably 100 to 10000 mPa · s, and more preferably 500 to 5000 mPa · s.
When the above apparatus is used, the spinning solution is pushed out from the nozzle 11 toward the collecting body 30 and is subjected to a stretching action by an electric field between the grounded collecting body 30 and the nozzle 11 applied by the voltage application device, While flying into fiber, it flies toward the collecting body 30 (so-called electrostatic spinning method). The flying fibers are directly accumulated on the collecting body 30 to form a nonwoven fabric. The spinning solution is supplied from the tank 12 to the nozzle 11 by, for example, a syringe pump, a tube pump, a dispenser, or the like. In addition, the details of the apparatus used for spinning are appropriately described in JP 2012-238590 A.
The thickness of the nonwoven fabric obtained here is preferably 25 μm or less from the viewpoint of reducing the thickness of the entire composite membrane, and more preferably 5 μm or less.

(不織布を後処理する工程、図2B)
ついで得られた不織布を後処理する。本発明においてはこの複合ナノファイバーを後処理する工程をマトリクスと接触させる工程の前に行うことが特徴である。これにより必要なプロトン伝達物質は前記複合ナノファイバーに吸着(反応による吸着を含む)させつつ、余分なプロトン伝達物質は除去することができ、薄膜化とガスバリア性および高伝導度(とくにガスバリア性)との両立を達成することができる。
後処理は、図2のBに示すように、得られた不織布を任意の容器40に入れ、容器40に別の注入容器50からプロトン伝達物質含有溶液を注入し、プロトン伝達物質含有溶液に浸漬することにより行うことができる。
プロトン伝達物質含有溶液のプロトン伝達物質の濃度は5〜95質量%、好ましくは10〜85質量%とするのが好ましい。浸漬条件は、温度15〜80℃、0.5〜3時間とするのが好ましい。
そして、浸漬終了後、余分なプロトン伝達物質を除去するために洗浄を行うのが好ましい。特に上述の本発明の電解質膜においては、上述のようにプロトン伝達物質が複合ナノファイバーに結合するので結合していない余分なプロトン伝達物質は除去した方が膜強度やガスバリア性の観点、更には、フリーなプロトン伝達物質が極めて少ないため、水分存在下においてもプロトン伝達物質の溶出が生じにくく、例えば、燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合には、触媒の被毒が生じないという観点から好ましく、また、除去しても結合していることにより十分なプロトン伝達性を発揮するので問題がない。洗浄は水などの洗浄液を用いて15〜80℃で5〜20時間行うのが好ましい。
洗浄後、50〜150℃の条件で、5〜15時間真空乾燥を行うなどして十分に乾燥させるのが好ましい。
プロトン伝達物質のドープ量(複合ナノファイバーへの吸着量)は、後処理前後の不織布の質量変化あるいはイオン交換容量を測定することで算出することができる。
本工程において用いることができるプロトン伝達物質は、上述の酸官能基を2つ以上有するプロトン伝達物質の他に、酸官能基を一つしか有さない酸性物質を用いることもできる。たとえば、酸官能基を一つ有する硝酸などを使用した場合、酸性物質は電解質ポリマーの酸官能基のカウンターイオンをプロトンフォームにイオン交換するのに使用される。塩基性ポリマーと相互作用していない酸官能基を一つしか有さない酸性物質の多くは洗浄操作により除去することが可能である。
(Step of post-processing the nonwoven fabric, FIG. 2B)
The resulting nonwoven fabric is then post-treated. The present invention is characterized in that the step of post-treating the composite nanofiber is performed before the step of contacting with the matrix. This makes it possible to remove the excess proton transfer material while adsorbing the necessary proton transfer material to the composite nanofiber (including adsorption by reaction), reducing the film thickness, gas barrier properties and high conductivity (especially gas barrier properties). Can be achieved.
As shown in FIG. 2B, the post-treatment is performed by putting the obtained non-woven fabric into an arbitrary container 40, injecting a proton transfer substance-containing solution from another injection container 50 into the container 40, and immersing in the proton transfer substance-containing solution. This can be done.
The concentration of the proton transfer substance in the proton transfer substance-containing solution is 5 to 95% by mass, preferably 10 to 85% by mass. The dipping conditions are preferably 15 to 80 ° C. and 0.5 to 3 hours.
And after completion | finish of immersion, it is preferable to wash | clean in order to remove an excess proton-transmitting substance. In particular, in the above-described electrolyte membrane of the present invention, since the proton transfer substance is bonded to the composite nanofiber as described above, it is better to remove the unbonded proton transfer substance from the viewpoint of film strength and gas barrier properties, Because there are very few free proton mediators, elution of proton mediators is unlikely to occur even in the presence of moisture. For example, when used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells, catalyst poisoning does not occur. It is preferable from the viewpoint, and even if it is removed, there is no problem because it exhibits sufficient proton transferability by being bonded. Washing is preferably performed at 15 to 80 ° C. for 5 to 20 hours using a washing liquid such as water.
After washing, it is preferable to dry the film sufficiently by vacuum drying for 5 to 15 hours at 50 to 150 ° C.
The dope amount of proton-transmitting substance (adsorption amount to the composite nanofiber) can be calculated by measuring the mass change or ion exchange capacity of the nonwoven fabric before and after the post-treatment.
As the proton transfer substance that can be used in this step, an acidic substance having only one acid functional group can be used in addition to the proton transfer substance having two or more acid functional groups described above. For example, when nitric acid or the like having one acid functional group is used, the acidic substance is used to ion-exchange counter ions of the acid functional group of the electrolyte polymer to proton form. Many of the acidic substances having only one acid functional group that does not interact with the basic polymer can be removed by a washing operation.

(不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程、図2C)
この工程では前工程で得られた前記後処理後の不織布を容器40’に入れ、容器40’に別の注入容器50’からマトリクスポリマーの溶液を投入し、この溶液に前記不織布を浸漬することにより行う。
前記マトリクスポリマー溶液に用いられる溶剤としては、用いるマトリクスポリマーにより任意であるが、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられ、その他溶媒と併用してもよい。また、前記溶液におけるマトリクスポリマーの濃度は、2〜20質量%とするのが好ましい。
浸漬させた状態とした後、溶媒を蒸発させることにより本発明の複合膜を得ることができる。溶媒の蒸発は、例えば、15〜150℃における自然乾燥、真空乾燥または熱風式オーブンにより1〜48時間処理することにより実施することができる。
また、ポリマーを安定化させるためにマトリクスポリマーをいったん塩とした後上記溶液として処理することもできるがこの場合には上記の蒸発処理終了後に得られた複合膜を酸処理することが好ましい。
(Process of filling the non-woven fabric with a matrix polymer and integrating the composite nanofiber and the matrix polymer, FIG. 2C)
In this step, the non-woven fabric after the post-treatment obtained in the previous step is put in a container 40 ′, a solution of a matrix polymer is put into the container 40 ′ from another injection container 50 ′, and the non-woven fabric is immersed in this solution. To do.
The solvent used in the matrix polymer solution is arbitrary depending on the matrix polymer to be used, but water, methanol, ethanol, 2-propanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), N, N- Examples include dimethylacetamide (DMAc) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which may be used in combination with other solvents. Moreover, it is preferable that the density | concentration of the matrix polymer in the said solution shall be 2-20 mass%.
The composite film of the present invention can be obtained by evaporating the solvent after being immersed. The solvent can be evaporated by, for example, natural drying at 15 to 150 ° C., vacuum drying, or treatment in a hot air oven for 1 to 48 hours.
Further, in order to stabilize the polymer, the matrix polymer can be once converted into a salt and then treated as the above solution. In this case, it is preferable to acid-treat the composite film obtained after completion of the above evaporation treatment.

(複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程)
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理することで、残存する溶媒や低分子を除去する、酸官能基のカウンターイオンをプロトンに交換する、膜を緻密化させ安定性やガスバリア性を向上させるといった効果が期待できる。
後処理として主に溶液処理および加熱処理がある。溶液処理に用いられる物質としては、過酸化水素水溶液、塩酸水溶液、エタノール/塩酸混合溶液、エタノール/硝酸混合溶液等が挙げられる。溶液処理の終了後、50〜150℃で1〜48時間真空乾燥処理を行うなどして加熱処理を行うことができる。
(Process to post-process electrolyte membrane containing composite nanofiber)
Post-treatment of electrolyte membranes containing composite nanofibers removes residual solvents and small molecules, exchanges acid functional group counter ions for protons, densifies membranes and improves stability and gas barrier properties, etc. The effect can be expected.
As post-treatment, there are mainly solution treatment and heat treatment. Examples of the substance used for the solution treatment include an aqueous hydrogen peroxide solution, an aqueous hydrochloric acid solution, an ethanol / hydrochloric acid mixed solution, and an ethanol / nitric acid mixed solution. After completion of the solution treatment, the heat treatment can be performed by performing a vacuum drying treatment at 50 to 150 ° C. for 1 to 48 hours.

<使用態様及び利点>
本発明の電解質膜は、正極と負極との間に挟持させて用いられる、固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜として使用することができ、上述のように薄膜であり、且つ負極で発生したプロトンを正極に安定的に伝導させることができる。
このような高分子電解質には低膜抵抗性(膜抵抗(Ω・cm)=膜厚(cm)/プロトン伝導度(s/cm):s=1/Ω)が要求されるが、本発明の電解質膜は要求値(高温度域低加湿下において<0.025Ω・cm2)に近い優れた低膜抵抗性を示す。特に高温低湿度条件下(80℃、30%RH)において優れた膜抵抗性(例えば0.22Ω・cm)程度を示す。
また、ガスバリア性が高いこと、すなわち低ガス透過流量(O:80℃95%RH下で<1.3×10―9(cm/(cm sec kPa))であることも要求される。この他、膜安定性(化学的、機械的、熱的)が高いことも要求されるところ本発明のナノファイバー複合膜はその膜厚を従来の膜よりも薄膜としてもこれらの性能を満足するものである。
本発明の電解質膜が、従来の複合膜に比して、より薄膜としても高い低膜抵抗性を有し、しかもガスバリア性も高い、バランスのとれた複合膜であることの理由は定かではないが、以下のような理由が考えられる。
ナノファイバーを構成する電解質ポリマーに塩基性ポリマーを複合することで、電解質中の酸官能基が塩基性ポリマーと相互作用し、プロトンの解離を促進する。特に従来プロトン解離が困難となりプロトン伝導性の低下する低湿度条件においてその効果は顕著になる。
また、2つ以上の酸官能基を有する酸性物質を複合ナノファイバーにドープすることで、プロトン伝導に寄与する物質を増大させることが可能である。大部分の酸性物質は複合ナノファイバーの表面に多く存在し、複合ナノファイバー同士を連結するように存在する。そのため、マトリクスポリマーと一体化した際に、複合ナノファイバー間が広がりにくくなる。
さらに、塩基性ポリマーを含む複合ナノファイバーの存在により、電解質膜作製時にマトリクスポリマーの酸官能基がナノファイバー表面近傍に自発的に集まり、一種の酸凝縮層を形成することが示唆される。プロトンが分散することなくナノファイバーを伝って移動できるため、膜厚方向にも、プロトン伝達性能が向上していると考えられる。更に、内部で相互作用を形成しガ力学強度やスバリア性に優れる複合ナノファイバーが電解質膜中に存在することによって、電解質膜の強度やガスバリア性が向上されると考えられる。
このように構成された本発明の電解質膜は、上述の各性能バランスに優れるという効果を奏するのみではなく、フリーな酸性物質が存在せず、燃料電池セルにおける酸性物質による白金触媒への被毒がないため特性低下を大幅に抑制できる。なお、不織布をホットプレスなどにより加圧して、微細ファイバーの密度を高めることができ、より一層の薄膜化も可能である。
<Use modes and advantages>
The electrolyte membrane of the present invention can be used as a polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell used by being sandwiched between a positive electrode and a negative electrode, and is a thin film as described above, and is generated at the negative electrode. The protons thus conducted can be stably conducted to the positive electrode.
Such a polymer electrolyte is required to have low membrane resistance (membrane resistance (Ω · cm 2 ) = film thickness (cm) / proton conductivity (s / cm): s = 1 / Ω). The electrolyte membrane of the invention exhibits excellent low membrane resistance close to the required value (<0.025 Ω · cm 2 under high temperature and low humidification). In particular, it exhibits excellent film resistance (for example, 0.22 Ω · cm 2 ) under high temperature and low humidity conditions (80 ° C., 30% RH).
In addition, it is required to have a high gas barrier property, that is, a low gas permeation flow rate (O 2 : <1.3 × 10 −9 (cm 3 / (cm 2 sec kPa)) at 80 ° C. and 95% RH). In addition, it is also required that the film stability (chemical, mechanical, thermal) is high. The nanofiber composite film of the present invention satisfies these performances even when the film thickness is thinner than the conventional film. To do.
It is not clear why the electrolyte membrane of the present invention is a well-balanced composite membrane that has a low membrane resistance and a high gas barrier property as compared with conventional composite membranes. However, the following reasons can be considered.
By combining the basic polymer with the electrolyte polymer constituting the nanofiber, the acid functional group in the electrolyte interacts with the basic polymer to promote proton dissociation. In particular, the effect becomes conspicuous under low humidity conditions where proton dissociation is difficult and proton conductivity is lowered.
Moreover, it is possible to increase the substance which contributes to proton conduction by doping the composite nanofiber with an acidic substance having two or more acid functional groups. Most of the acidic substances are present on the surface of the composite nanofiber and exist so as to connect the composite nanofibers. Therefore, it becomes difficult for the composite nanofibers to spread when integrated with the matrix polymer.
Furthermore, the presence of the composite nanofiber containing the basic polymer suggests that the acid functional groups of the matrix polymer spontaneously gather in the vicinity of the nanofiber surface when forming the electrolyte membrane to form a kind of acid condensed layer. Since protons can move through nanofibers without being dispersed, it is considered that proton transfer performance is improved also in the film thickness direction. Furthermore, it is considered that the strength and gas barrier properties of the electrolyte membrane are improved by the presence of composite nanofibers in the electrolyte membrane that form an interaction inside and are excellent in the ga dynamic strength and the barrier properties.
The electrolyte membrane of the present invention thus configured not only has the effect of being excellent in each of the above performance balances, but also has no free acidic substance, and poisoning of the platinum catalyst by the acidic substance in the fuel cell. Therefore, it is possible to greatly suppress deterioration of characteristics. Note that the density of the fine fibers can be increased by pressing the nonwoven fabric with a hot press or the like, and further thinning can be achieved.

以下、実施例及び比較例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not restrict | limited at all by these.

《合成例1:3,3‘−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−ナトリウム塩(SDFB)の合成》
窒素雰囲気下、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.36g(20.0mmol)に発煙硫酸16mlを加え、110℃で6時間攪拌した。放冷後、100mlの蒸留水に注ぎ、攪拌しながら水酸化ナトリウムを用いてpHを10に調整した。その溶液を1Lエタノール中にゆっくり注ぎ、析出物を吸引ろ過によりろ別した。ろ液をエバポレーションにより濃縮し、2−プロパノールを加え、析出物を吸引ろ過により回収した。回収したSDFBを80℃で18時間乾燥し、溶媒を完全に除去した。
<< Synthesis Example 1: Synthesis of 3,3'-disulfo-4,4'-difluorobenzophenone-sodium salt (SDFB) >>
Under a nitrogen atmosphere, 16 ml of fuming sulfuric acid was added to 4.36 g (20.0 mmol) of 4,4′-difluorobenzophenone, and the mixture was stirred at 110 ° C. for 6 hours. After standing to cool, the solution was poured into 100 ml of distilled water, and the pH was adjusted to 10 with sodium hydroxide while stirring. The solution was slowly poured into 1 L ethanol, and the precipitate was separated by suction filtration. The filtrate was concentrated by evaporation, 2-propanol was added, and the precipitate was collected by suction filtration. The collected SDFB was dried at 80 ° C. for 18 hours to completely remove the solvent.

《合成例2:スルホン化ポリアリーレンエーテル(SPAES)の合成》
窒素雰囲気下、重合溶媒にN,N−ジメチルアセトアミド(脱水)30mlを用い、ディーンスターク管を有する三口フラスコに合成例1で得た3,3‘−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−ナトリウム塩(SDFB)2.28g(5.4mmol)、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン(FPS)1.68g(6.6mmol)、4,4’−ビフェノール(BP)2.23g(12.0)、2.2倍等量の炭酸カリウム、トルエン(脱水)15mlを加え、140℃で4時間攪拌し、ディーンスターク管内の水およびトルエンを除去後、170℃でさらに15時間攪拌し、スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン(SPAES)ナトリウム塩を合成した。なお、合成したSPAESは熱水に注ぎ沈殿精製した後、蒸留水で繰り返し洗浄して回収した。回収したSPAES(ナトリウム塩)は、60℃で15時間真空乾燥し、溶媒を完全に除去した。
<< Synthesis Example 2: Synthesis of sulfonated polyarylene ether (SPAES) >>
3,3′-Disulfo-4,4′-difluorobenzophenone-sodium obtained in Synthesis Example 1 in a three-necked flask having a Dean-Stark tube using 30 ml of N, N-dimethylacetamide (dehydrated) as a polymerization solvent under a nitrogen atmosphere 2.28 g (5.4 mmol) of salt (SDFB), 1.68 g (6.6 mmol) of bis (4-fluorophenyl) sulfone (FPS), 2.23 g (12.0) of 4,4′-biphenol (BP) , 2.2 times equivalent potassium carbonate and toluene (dehydrated) 15 ml were added and stirred at 140 ° C. for 4 hours. After removing water and toluene in the Dean-Stark tube, the mixture was further stirred at 170 ° C. for 15 hours. Arylene ether sulfone (SPAES) sodium salt was synthesized. The synthesized SPAES was poured into hot water, precipitated and purified, and then washed repeatedly with distilled water and recovered. The recovered SPAES (sodium salt) was vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours to completely remove the solvent.

NMR装置Burker AVANCEIII500(ブルカー・バイオスピン社製)を用いて、スルホン化ポリアレーレンエーテル(ナトリウム塩)のH−NMRスペクトルを測定した。H−NMRスペクトル目的ポリマーが得られたことが確認できた。
ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC、日本分光社製HPLCポンプPU−2080PLUS)を用いて、スルホン化ポリアリーレンエーテル塩の分子量を測定した。なお、GPC溶媒として微量の臭化リチウム(10mmol/L)を添加したDMFを用い、キャリアを用いて調整した1mg/mLのスルホン化ポリアリーレンエーテル塩溶液よりポリスチレン換算の分子量を測定した。その結果、Mwが6.0×10であり、Mw/Mnは1.7であった。
The 1 H-NMR spectrum of the sulfonated polyarylene ether (sodium salt) was measured using an NMR apparatus Burker AVANCE III500 (manufactured by Bruker Biospin). 1 H-NMR spectrum It was confirmed that the target polymer was obtained.
The molecular weight of the sulfonated polyarylene ether salt was measured using gel permeation chromatography (GPC, HPLC pump PU-2080PLUS manufactured by JASCO Corporation). In addition, the molecular weight of polystyrene conversion was measured from the 1 mg / mL sulfonated polyarylene ether salt solution prepared using the carrier using DMF to which a small amount of lithium bromide (10 mmol / L) was added as a GPC solvent. As a result, Mw was 6.0 × 10 5 and Mw / Mn was 1.7.

《合成例3:ポリベンズイミダゾール(PBI)の合成》
窒素雰囲気下、重合溶媒にポリリン酸(PPA)を用い、3,3’−ジアミノベンジジン(DAB)2.27g(10.6mmol)、4,4’−オキシビス安息香酸(OBBA)2.73g(10.6mmol)を量り取り、3質量%溶液となるようにポリリン酸(PPA)を加えて、攪拌しながら徐々に温度を上げていき、140℃で12時間攪拌し、ポリベンズイミダゾールを合成した。得られたポリマー溶液をイオン交換水に注ぎ再沈した後、水酸化ナトリウム溶液で中和し、洗浄した。吸引ろ過によりポリベンズイミダゾールを回収し、24時間自然乾燥させた後、100℃で真空乾燥した。
<< Synthesis Example 3: Synthesis of polybenzimidazole (PBI) >>
Under a nitrogen atmosphere, polyphosphoric acid (PPA) was used as a polymerization solvent, and 3,3′-diaminobenzidine (DAB) 2.27 g (10.6 mmol), 4,4′-oxybisbenzoic acid (OBBA) 2.73 g (10 .6 mmol) was weighed and polyphosphoric acid (PPA) was added to give a 3% by mass solution, the temperature was gradually raised while stirring, and the mixture was stirred at 140 ° C. for 12 hours to synthesize polybenzimidazole. The obtained polymer solution was poured into ion exchange water and reprecipitated, then neutralized with a sodium hydroxide solution and washed. Polybenzimidazole was collected by suction filtration, naturally dried for 24 hours, and then vacuum dried at 100 ° C.

ポリベンズイミダゾールのH−NMRスペクトルを測定し、その構造を確認した。
ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定より、ポリベンズイミダゾールのMwが1.6×10であり、Mw/Mnは2.1であった。
The 1 H-NMR spectrum of polybenzimidazole was measured and the structure was confirmed.
From the gel permeation chromatography (GPC) measurement, Mw of polybenzimidazole was 1.6 × 10 5 and Mw / Mn was 2.1.

《実施例1:SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン塩と合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で50/50になるように加え、ポリマー重量が全重量の16質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。得られた複合ナノファイバーは60℃で15時間真空乾燥させた。
得られた複合ナノファイバーの酸処理および酸ドープのため、後処理を行った。複合ナノファイバーを塩酸(0.1M)に室温で15時間浸漬し、純水で繰り返し洗浄した。続いて、フィチン酸水溶液(50wt%)に室温で1時間浸漬させ、その後80℃の純水中で繰り返しのべ24時間洗浄し、ドープされなかったフィチン酸を除去した。酸ドープした複合ナノファイバーは60℃で15時間真空乾燥させた。上記後処理により、SPAESナトリウム塩をプロトンフォームに置換するとともに、塩基性ポリマーにフィチン酸をドープすることができる。
ナノファイバーの一部を用い、オスミウムコーティングした後、走査型電子顕微鏡(SEM、JEOL製JSM−6100)によって観察、得られたSEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径を算出した。図3に、実施例1のナノファイバー(放出時間60秒)のSEM像を示す。SEM画像の結果から均一なナノファイバーが作製できたことを確認し、そのファイバー径は326±27nmであった。
空隙率は、ファイバーマットを3cm角に切り出し、乾燥質量(W)と膜厚計により測定した膜厚から算出した見かけの体積(V)、SPAES/PBI(50/50)の比重(1.5g/cm)を用いて、下記の式より算出した。
空隙率(%)=(1−(W/(V×1.5))×100
算出された空隙率は、89%程度であった。
<< Example 1: Preparation of SPAES / PBI (50/50) composite nanofiber nonwoven fabric >>
Add the sulfonated polyarylene ether sulfone salt of Synthesis Example 2 and the polybenzimidazole of Synthesis Example 3 to the vial so that the weight ratio is 50/50, and dehydrated so that the polymer weight is 16% by mass of the total weight. N, N-dimethylformamide (DMF) was added. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil is installed in the collector part of the electrospinning apparatus ES-2000S (manufactured by Fuence), a syringe filled with the polymer solution is set in the electrospinning apparatus, and the release amount of the polymer solution is 0.12 mL / hour. Electrospinning was performed. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. Thereby, SPAES / PBI (50/50) composite nanofiber nonwoven fabric was laminated on the aluminum foil. The obtained composite nanofiber was vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours.
The resulting composite nanofiber was post-treated for acid treatment and acid doping. The composite nanofiber was immersed in hydrochloric acid (0.1M) at room temperature for 15 hours and repeatedly washed with pure water. Subsequently, it was immersed in an aqueous phytic acid solution (50 wt%) at room temperature for 1 hour, and then washed in pure water at 80 ° C. for a total of 24 hours to remove undoped phytic acid. The acid-doped composite nanofiber was vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours. By the post-treatment, the SPAES sodium salt can be replaced with proton form, and the basic polymer can be doped with phytic acid.
After a part of the nanofiber was coated with osmium, it was observed with a scanning electron microscope (SEM, JSM-6100 manufactured by JEOL), and the fiber diameter of the nanofiber produced from the obtained SEM image was calculated. FIG. 3 shows an SEM image of the nanofiber of Example 1 (release time 60 seconds). From the SEM image results, it was confirmed that uniform nanofibers could be produced, and the fiber diameter was 326 ± 27 nm.
The porosity is determined by cutting the fiber mat into 3 cm square, the apparent volume (V) calculated from the dry mass (W) and the film thickness measured by the film thickness meter, the specific gravity of SPAES / PBI (50/50) (1.5 g / Cm 3 ) and calculated from the following formula.
Porosity (%) = (1− (W / (V × 1.5)) × 100
The calculated porosity was about 89%.

《実施例2:一軸配列SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
ナノファイバー単体のプロトン伝導度を測定するために、一軸配列ナノファイバーを作製した。実施例1と同様、16質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに17kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。1軸配列ナノファイバーに塩酸(0.1M)を滴下し、室温で1時間静置後、純水で繰り返し洗浄した。続いて、フィチン酸水溶液(50wt%)を滴下し、室温で1時間静置し、室温で純水により繰り返し洗浄し、ドープされなかったフィチン酸を除去した。60℃で15時間真空乾燥を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
<< Example 2: Production of uniaxially arranged SPAES / PBI (50/50) composite nanofiber and measurement of proton conductivity >>
In order to measure the proton conductivity of a single nanofiber, a uniaxially aligned nanofiber was fabricated. As in Example 1, the polymer solution was adjusted to 16% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Fusion). In addition, the collector used the glass substrate in which the two aluminum electrodes were installed in the both ends. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour, and a voltage of 17 kv was applied to the syringe. Thereby, the uniaxially oriented nanofiber assembly was produced on the glass substrate. The collector was removed when the polymer solution release time was 60 seconds. Hydrochloric acid (0.1M) was added dropwise to the uniaxially arranged nanofibers, allowed to stand at room temperature for 1 hour, and then repeatedly washed with pure water. Subsequently, an aqueous phytic acid solution (50 wt%) was added dropwise, allowed to stand at room temperature for 1 hour, and washed repeatedly with pure water at room temperature to remove undoped phytic acid. Vacuum drying was performed at 60 ° C. for 15 hours to obtain acid-doped uniaxially aligned nanofibers.

[一軸配列SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定]
インピーダンスアナライザー3532−50(日置社製)を用いて、50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定して、ナノファイバー集積体の抵抗(電極間距離0.5cm)を測定した。なお、抵抗測定時の温度及び湿度は、恒温恒湿器SH−221(ESPEC社製)を用いて、それぞれ90℃及び95%RHに保持した。
さらに、インピーダンス測定後の1軸配列ナノファイバーに金コートを行い、SEMにより観察した。SEM画像から電極間に存在する一軸配列ナノファイバーの平均直径及び本数を求め、式 電極間距離[cm]/(ファイバー1本の断面積[cm]×ナノファイバー本数×抵抗[Ω])から、プロトン伝導度[S/cm]を算出した。この結果を表1に示す。
[Measurement of proton conductivity of uniaxially arranged SPAES / PBI (50/50) composite nanofiber]
Using an impedance analyzer 3532-50 (manufactured by Hioki), the frequency response from 50 kHz to 5 MHz was measured, and the resistance of the nanofiber integrated body (distance between electrodes 0.5 cm) was measured. In addition, the temperature and humidity at the time of resistance measurement were kept at 90 ° C. and 95% RH, respectively, using a thermo-hygrostat SH-221 (manufactured by ESPEC).
Furthermore, the uniaxially aligned nanofibers after impedance measurement were coated with gold and observed with an SEM. The average diameter and the number of uniaxially arranged nanofibers existing between the electrodes are obtained from the SEM image, and the expression is based on the distance between electrodes [cm] / (cross-sectional area of one fiber [cm 2 ] × number of nanofibers × resistance [Ω]). The proton conductivity [S / cm] was calculated. The results are shown in Table 1.

《比較例1:SPAES/PBI(50/50)ブレンド膜の作製とプロトン伝導度測定》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルナトリウム塩と合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で50/50になるように加え、さらにN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えて一晩攪拌し、ブレンドポリマー溶液を調製した。ブレンドポリマー溶液をガラスシャーレに流し込み、60℃で自然乾燥後、60℃15時間真空乾燥することでSPAES/PBI(50/50)ブレンド膜を得た。膜厚は64μmであった。得られたブレンド膜を塩酸(0.1M)に室温で15時間浸漬し、純水で繰り返し洗浄した。続いて、フィチン酸水溶液(50wt%)に室温で1時間浸漬させ、その後80℃の純水中で繰り返しのべ24時間洗浄し、ドープされなかったフィチン酸を除去した。酸ドープしたブレンド膜は60℃で15時間真空乾燥させた。
<< Comparative Example 1: Preparation of SPAES / PBI (50/50) blend membrane and measurement of proton conductivity >>
To the vial, add the sulfonated polyarylene ether sodium salt of Synthesis Example 2 and the polybenzimidazole of Synthesis Example 3 to a weight ratio of 50/50, and then add N, N-dimethylformamide (DMF). Stir overnight to prepare a blend polymer solution. The blend polymer solution was poured into a glass petri dish, naturally dried at 60 ° C., and then vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain a SPAES / PBI (50/50) blend film. The film thickness was 64 μm. The obtained blend film was immersed in hydrochloric acid (0.1 M) at room temperature for 15 hours and repeatedly washed with pure water. Subsequently, it was immersed in an aqueous phytic acid solution (50 wt%) at room temperature for 1 hour, and then washed in pure water at 80 ° C. for a total of 24 hours to remove undoped phytic acid. The acid-doped blend film was vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours.

[SPAES/PBI(50/50)ブレンド膜のプロトン伝導度測定]
インピーダンスアナライザー3532−50(日置社製)を用いて、50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定して、ナノファイバー集積体の抵抗(電極間距離1.0cm)を測定した。なお、抵抗測定時の温度及び湿度は、恒温恒湿器SH−221(ESPEC社製)を用いて、それぞれ90℃及び95%RHに保持した。インピーダンス測定により得られた抵抗[Ω]、電極間距離[cm]、膜断面積[cm]を用い、式 電極間距離[cm]/(膜断面積[cm]×抵抗[Ω])から、プロトン伝導度[S/cm]を算出した。この結果を表1に示す。
実施例2の同一組成からなるナノファイバーと比べ、ブレンド膜の伝導度は非常に低い値であった。これは、膜内で電解質ポリマーであるSPAES中のスルホン酸基が塩基性ポリマーであるPBIと酸-塩基相互作用し、プロトン伝導可能な酸官能基濃度が低下したためであると考えられる。また、ドープ酸であるフィチン酸は比較的分子サイズが大きく、膜表面近傍に存在するPBIにはドープされたものの、内部にはドープが行われなかったと推測される。一方ナノファイバーの場合、直径が数百nmと細く十分内部までフィチン酸がドープされたこと、およびナノファイバー特有の効率的なプロトン伝導チャネルが形成されたことが高い伝導性に繋がったと考察される。
[Measurement of proton conductivity of SPAES / PBI (50/50) blend membrane]
Using an impedance analyzer 3532-50 (manufactured by Hioki Co., Ltd.), the frequency response from 50 kHz to 5 MHz was measured, and the resistance of the nanofiber integrated body (distance between electrodes: 1.0 cm) was measured. In addition, the temperature and humidity at the time of resistance measurement were kept at 90 ° C. and 95% RH, respectively, using a thermo-hygrostat SH-221 (manufactured by ESPEC). Using the resistance [Ω] obtained by impedance measurement, the distance between electrodes [cm], and the membrane cross-sectional area [cm 2 ], the formula Inter-electrode distance [cm] / (membrane cross-sectional area [cm 2 ] × resistance [Ω]) From the above, proton conductivity [S / cm] was calculated. The results are shown in Table 1.
Compared with the nanofibers having the same composition as in Example 2, the conductivity of the blend film was very low. This is presumably because the sulfonic acid group in SPAES, which is an electrolyte polymer, interacted with PBI, which is a basic polymer, in the membrane, and the concentration of acid functional groups capable of proton conduction decreased. Further, it is presumed that phytic acid, which is a dope acid, has a relatively large molecular size and was doped in PBI existing in the vicinity of the film surface, but was not doped inside. On the other hand, in the case of nanofibers, it is considered that the diameter was as thin as several hundreds of nanometers, and phytic acid was sufficiently doped into the inside, and the formation of an efficient proton conduction channel unique to nanofibers led to high conductivity. .

《実施例3:SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホンと合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で20/80になるように加え、ポリマー重量が全重量の14.3質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM観察結果を図4に示す。SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は323±20nmであった。空隙率は、86%程度であった。
<< Example 3: Production of SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric >>
To the vial, the sulfonated polyarylene ether sulfone of Synthesis Example 2 and the polybenzimidazole of Synthesis Example 3 are added in a weight ratio of 20/80 so that the polymer weight is 14.3% by mass of the total weight. Dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) was added. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil is installed in the collector part of the electrospinning apparatus ES-2000S (manufactured by Fuence), a syringe filled with the polymer solution is set in the electrospinning apparatus, and the release amount of the polymer solution is 0.12 mL / hour. Electrospinning was performed. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The SEM observation results are shown in FIG. The fiber diameter of the nanofiber produced from the SEM image was 323 ± 20 nm. The porosity was about 86%.

《実施例4:一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
実施例3と同様、14.3質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに20kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。実施例2と同様の後処理を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
実施例2と同様に、一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定を行った。結果を表1に示す。
また、SEM観察結果を図5に示す。
Example 4: Production of uniaxially arranged SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber and measurement of proton conductivity
Similarly to Example 3, the polymer solution was adjusted to 14.3% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (Fuence). In addition, the collector used the glass substrate in which the two aluminum electrodes were installed in the both ends. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour, and a voltage of 20 kv was applied to the syringe. Thereby, the uniaxially oriented nanofiber assembly was produced on the glass substrate. The collector was removed when the polymer solution release time was 60 seconds. The post-process similar to Example 2 was performed, and the acid-doped uniaxially arranged nanofiber was obtained.
In the same manner as in Example 2, proton conductivity of the uniaxially arranged SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber was measured. The results are shown in Table 1.
The SEM observation results are shown in FIG.

《実施例5:SPAES/PBI(80/20)複合ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホンと合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で80/20になるように加え、ポリマー重量が全重量の15.5質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM観察結果を図6に示す。SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は274±25nmであった。空隙率は、85%程度であった。
<< Example 5: Production of SPAES / PBI (80/20) composite nanofiber nonwoven fabric >>
To the vial, the sulfonated polyarylene ether sulfone of Synthesis Example 2 and the polybenzimidazole of Synthesis Example 3 are added so that the weight ratio is 80/20, and the polymer weight is 15.5% by mass of the total weight. Dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) was added. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil is installed in the collector part of the electrospinning apparatus ES-2000S (manufactured by Fuence), a syringe filled with the polymer solution is set in the electrospinning apparatus, and the release amount of the polymer solution is 0.12 mL / hour. Electrospinning was performed. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The SEM observation result is shown in FIG. The fiber diameter of the nanofiber produced from the SEM image was 274 ± 25 nm. The porosity was about 85%.

《実施例6:一軸配列SPAES/PBI(80/20)複合ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
実施例5と同様、15.5質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに20kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。実施例2と同様の後処理を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
実施例2と同様に、一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定を行った。結果を表1に示す。
<< Example 6: Preparation of uniaxially arranged SPAES / PBI (80/20) composite nanofiber and measurement of proton conductivity >>
Similarly to Example 5, the polymer solution was adjusted to 15.5% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (Fuence). In addition, the collector used the glass substrate in which the two aluminum electrodes were installed in the both ends. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour, and a voltage of 20 kv was applied to the syringe. Thereby, the uniaxially oriented nanofiber assembly was produced on the glass substrate. The collector was removed when the polymer solution release time was 60 seconds. The post-process similar to Example 2 was performed, and the acid-doped uniaxially arranged nanofiber was obtained.
In the same manner as in Example 2, proton conductivity of the uniaxially arranged SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber was measured. The results are shown in Table 1.

《比較例2:SPAES単独ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホンを、ポリマー重量が14質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES単独ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は124±29nmであった。空隙率は、82%程度であった。
<< Comparative Example 2: Production of SPAES single nanofiber nonwoven fabric >>
To the vial, the sulfonated polyarylene ether sulfone of Synthesis Example 2 was added with dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) so that the polymer weight was 14% by mass. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil is installed in the collector part of the electrospinning apparatus ES-2000S (manufactured by Fuence), a syringe filled with the polymer solution is set in the electrospinning apparatus, and the release amount of the polymer solution is 0.12 mL / hour. Electrospinning was performed. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. Thereby, the SPAES single nanofiber nonwoven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The fiber diameter of the nanofiber prepared from the SEM image was 124 ± 29 nm. The porosity was about 82%.

《比較例3:一軸配列SPAES単独ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
比較例2と同様、14質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに17kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。実施例2と同様の後処理を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
実施例2と同様に、一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定を行った。結果を表1に示す。
<< Comparative Example 3: Preparation of uniaxially arranged SPAES single nanofiber and measurement of proton conductivity >>
As in Comparative Example 2, the polymer solution was adjusted to 14 mass%, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Fusion). In addition, the collector used the glass substrate in which the two aluminum electrodes were installed in the both ends. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour, and a voltage of 17 kv was applied to the syringe. Thereby, the uniaxially oriented nanofiber assembly was produced on the glass substrate. The collector was removed when the polymer solution release time was 60 seconds. The post-process similar to Example 2 was performed, and the acid-doped uniaxially arranged nanofiber was obtained.
In the same manner as in Example 2, proton conductivity of the uniaxially arranged SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber was measured. The results are shown in Table 1.

《比較例4:PBI単独ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例3のポリベンズイミダゾールと、ポリマー重量が8質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、PBI単独ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は113±16nmであった。空隙率は、75%程度であった。
<< Comparative Example 4: Production of PBI single nanofiber nonwoven fabric >>
To the vial, polybenzimidazole of Synthesis Example 3 and dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) were added so that the polymer weight was 8% by mass. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil is installed in the collector part of the electrospinning apparatus ES-2000S (manufactured by Fuence), a syringe filled with the polymer solution is set in the electrospinning apparatus, and the release amount of the polymer solution is 0.12 mL / hour. Electrospinning was performed. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. Thereby, the PBI single nanofiber nonwoven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The fiber diameter of the nanofiber prepared from the SEM image was 113 ± 16 nm. The porosity was about 75%.

《比較例5:一軸配列PBI単独ナノファイバーの作製》
比較例4と同様、8質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに17kvの電圧を印加した。これにより、ガラス基板上に1軸配向ナノファイバー集積体の作製を試みた。しかしながら、条件を各種検討したがPBI単独では1軸配列ナノファイバーは得られなかった。
<< Comparative Example 5: Production of uniaxially arranged PBI single nanofiber >>
As in Comparative Example 4, the polymer solution was adjusted to 8% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (Fuence). In addition, the collector used the glass substrate in which the two aluminum electrodes were installed in the both ends. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour, and a voltage of 17 kv was applied to the syringe. As a result, an attempt was made to produce a monoaxially oriented nanofiber assembly on a glass substrate. However, although various conditions were examined, uniaxially aligned nanofibers could not be obtained with PBI alone.

《実施例7:SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布/Nafion電解質膜の作製とプロトン伝導度測定》
SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布とNafionの質量比は、空隙率、比重を考慮し、10/100とした。
実施例3で得られた膜厚25μm程度のSPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布をガラスシャーレ内に設置し、市販のNafion分散液をキャストし、室温大気下でゆっくり溶媒を蒸発させた。その後、60℃で15時間真空乾燥させることで電解質膜を得た。なお、不織布の膜厚は実質的に複合膜の膜厚とほぼ同じとなるので、複合膜の膜厚をもって不織布の膜厚とした。
得られた電解質膜を3%過酸化水素水に80℃で1時間浸漬させ、純水洗浄後、硝酸(1M)に80℃1時間浸漬させ、純水で繰り返し洗浄した。60℃で15時間真空乾燥して、図1に示す形態のSPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布/Nafion電解質膜を得た。
作製した電解質膜の膜厚は25μm程度であり、図1に示すように不織布の表裏両面にNafionマトリクス層が形成されてなる複合膜であると考えられる。
<< Example 7: Preparation of SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric / Nafion electrolyte membrane and measurement of proton conductivity >>
The mass ratio of the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric and Nafion was set to 10/100 in consideration of the porosity and specific gravity.
The SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric with a film thickness of about 25 μm obtained in Example 3 is placed in a glass petri dish, a commercially available Nafion dispersion is cast, and the solvent is slowly evaporated at room temperature in the atmosphere. It was. Then, the electrolyte membrane was obtained by making it vacuum-dry at 60 degreeC for 15 hours. In addition, since the film thickness of a nonwoven fabric becomes substantially the same as the film thickness of a composite film, the film thickness of the composite film was made into the film thickness of a nonwoven fabric.
The obtained electrolyte membrane was immersed in 3% aqueous hydrogen peroxide at 80 ° C. for 1 hour, washed with pure water, then immersed in nitric acid (1M) at 80 ° C. for 1 hour, and repeatedly washed with pure water. Vacuum drying was performed at 60 ° C. for 15 hours to obtain a SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric / Nafion electrolyte membrane having the form shown in FIG.
The film thickness of the produced electrolyte membrane is about 25 μm, and it is considered to be a composite membrane in which a Nafion matrix layer is formed on both the front and back surfaces of the nonwoven fabric as shown in FIG.

プロトン伝導度測定は恒温恒湿器SH−221(ESPEC社製)を用いて温度と湿度を一定に保ち、インピーダンスアナライザー3532−50(日置社製)を用いて、50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定し、SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布/Nafion電解質膜の抵抗からプロトン伝導度を算出した。80℃−30%RH、90℃−95%RHにおけるプロトン伝導度を算出したところ、それぞれ5.5×10−4、3.8×10−2 Scm−1であった。結果を表1に示す。特に低湿度条件では優れたプロトン伝導性を示した。 Proton conductivity measurement is performed using a thermo-hygrostat SH-221 (manufactured by ESPEC), keeping the temperature and humidity constant, and using an impedance analyzer 3532-50 (manufactured by Hioki), frequency response from 50 kHz to 5 MHz. The proton conductivity was calculated from the resistance of the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber nonwoven fabric / Nafion electrolyte membrane. The proton conductivities at 80 ° C.-30% RH and 90 ° C.-95% RH were calculated to be 5.5 × 10 −4 and 3.8 × 10 −2 Scm −1 , respectively. The results are shown in Table 1. In particular, the proton conductivity was excellent under low humidity conditions.

《比較例6:ナノファイバー非含有Nafion(登録商標)単独膜の作製とプロトン伝導度測定》
ナノファイバーマットは用いず、市販のNafion(登録商標)分散液のみを用いて、実施例7と同様に製膜し、得られたNafion単独膜のプロトン伝導度測定を行った。その結果を表1に示す。80℃−30%RH、90℃−95%RHにおけるプロトン伝導度は、それぞれ2.8×10−4、7.4×10−2 Scm−1であった。


<< Comparative Example 6: Production of nanofiber-free Nafion (registered trademark) single membrane and measurement of proton conductivity >>
A nanofiber mat was not used, and only a commercially available Nafion (registered trademark) dispersion was used to form a film in the same manner as in Example 7. The proton conductivity of the obtained Nafion single membrane was measured. The results are shown in Table 1. The proton conductivities at 80 ° C.-30% RH and 90 ° C.-95% RH were 2.8 × 10 −4 and 7.4 × 10 −2 Scm −1 , respectively.


Claims (9)

電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーを含む複合ナノファイバーであって、
該電解質ポリマーはプロトン伝導性を有することを特徴とする
複合ナノファイバー。
A composite nanofiber comprising an electrolyte polymer and a basic polymer,
The composite nanofiber, wherein the electrolyte polymer has proton conductivity.
前記電解質ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする請求項1に記載の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは含フッ素脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記繰り返し単位は、陽イオン交換基が導入された側鎖を有する。
The composite electrolyte nanofiber according to claim 1, wherein the electrolyte polymer has the following structures A) and B).
A) The main chain contains a repeating unit containing an aromatic group or a fluorine-containing aliphatic group.
B) The repeating unit has a side chain into which a cation exchange group has been introduced.
前記電解質ポリマーは、主鎖骨格がポリアリーレンエーテル骨格、ポリイミド骨格、ポリスチレン骨格、あるいはフルオロエチレン骨格からなる群より選択される構造を有し、
側鎖にスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基からなる群より選択される陽イオン交換基が導入された構造
を有することを特徴とする請求項1〜2に記載の複合ナノファイバー。
The electrolyte polymer has a structure in which the main chain skeleton is selected from the group consisting of a polyarylene ether skeleton, a polyimide skeleton, a polystyrene skeleton, or a fluoroethylene skeleton,
3. The composite nanofiber according to claim 1, which has a structure in which a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group is introduced into a side chain.
前記塩基性ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする請求項1に記載の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは/および脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記主鎖骨格、あるいは側鎖官能基に、陽イオン交換基と相互作用可能な塩基性官能基を有する。
The composite nanofiber according to claim 1, wherein the basic polymer has the following structures A) and B).
A) The main chain contains a repeating unit containing an aromatic group and / or an aliphatic group.
B) The main chain skeleton or the side chain functional group has a basic functional group capable of interacting with a cation exchange group.
前記電解質ポリマーの存在割合が、複合ナノファイバー全体中1〜99質量%であること、
前記複合ナノファイバーの繊維径が500nm以下であること、
を特徴とする請求項1〜4に記載の複合ナノファイバー。
The abundance ratio of the electrolyte polymer is 1 to 99% by mass in the entire composite nanofiber,
The fiber diameter of the composite nanofiber is 500 nm or less,
The composite nanofiber according to claim 1, wherein:
前記複合ナノファイバーの存在割合が、電解質膜全体中1〜50質量%であること、
前記複合ナノファイバーを含む電解質膜の厚さが30μm以下であること、
を特徴とする請求項1〜5に記載の複合ナノファイバーを含む電解質膜。
The abundance ratio of the composite nanofiber is 1 to 50% by mass in the entire electrolyte membrane,
The thickness of the electrolyte membrane containing the composite nanofiber is 30 μm or less,
An electrolyte membrane comprising the composite nanofiber according to claim 1.
複合ナノファイバーおよび複合ナノファイバーからなる不織布を形成する工程、
前記不織布を後処理する工程、
前記不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程、及び
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程
を具備する複合膜の製造方法。
Forming a composite nanofiber and a nonwoven fabric comprising the composite nanofiber,
Post-processing the nonwoven fabric,
A method for producing a composite membrane, comprising: filling a void in the nonwoven fabric with a matrix polymer to integrate the composite nanofiber and the matrix polymer; and post-treating an electrolyte membrane containing the composite nanofiber.
請求項1〜7に記載の複合ナノファイバー含む電解質膜を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体。 A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising an electrolyte membrane containing the composite nanofiber according to claim 1. 請求項8に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 8.
JP2016110367A 2016-06-01 2016-06-01 Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers Active JP6767034B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016110367A JP6767034B2 (en) 2016-06-01 2016-06-01 Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016110367A JP6767034B2 (en) 2016-06-01 2016-06-01 Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017216187A true JP2017216187A (en) 2017-12-07
JP6767034B2 JP6767034B2 (en) 2020-10-14

Family

ID=60577226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016110367A Active JP6767034B2 (en) 2016-06-01 2016-06-01 Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6767034B2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020070533A (en) * 2018-10-31 2020-05-07 日本バイリーン株式会社 Fiber sheet and composite film
CN111454432A (en) * 2019-01-19 2020-07-28 国立大学山梨大学 Anion exchange resin, electrolyte membrane, binder for forming electrode catalyst layer, cell electrode catalyst layer, and fuel cell
CN111566844A (en) * 2018-02-02 2020-08-21 罗地亚经营管理公司 Composite electrolyte
JP2020181701A (en) * 2019-04-25 2020-11-05 東京都公立大学法人 Nanofiber, electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell
CN112376275A (en) * 2020-11-17 2021-02-19 天津工业大学 Application of dendritic nanofiber non-woven fabric and preparation method of dendritic nanofiber/Nafion composite membrane
WO2022075462A1 (en) * 2020-10-09 2022-04-14 Agc株式会社 Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010021126A (en) * 2008-06-13 2010-01-28 Toyobo Co Ltd Ion-conductive composite polymeric membrane, and process for producing the same
JP2011068872A (en) * 2009-08-26 2011-04-07 Tokyo Metropolitan Univ Phosphoric acid-doped electrolyte membrane, method for producing the same, and fuel cell including the same
JP2012238590A (en) * 2011-04-28 2012-12-06 Japan Vilene Co Ltd Composite membrane, and method for manufacturing the same
WO2013051189A1 (en) * 2011-10-07 2013-04-11 パナソニック株式会社 Electrolyte membrane for solid polymer-type fuel cell, method for producing same, and solid polymer-type fuel cell
JP2014010971A (en) * 2012-06-28 2014-01-20 Panasonic Corp Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, polymer electrolyte type fuel cell, and polymer electrolyte membrane manufacturing method
JP2015028850A (en) * 2013-07-30 2015-02-12 公立大学法人首都大学東京 Composite membrane and method for producing the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010021126A (en) * 2008-06-13 2010-01-28 Toyobo Co Ltd Ion-conductive composite polymeric membrane, and process for producing the same
JP2011068872A (en) * 2009-08-26 2011-04-07 Tokyo Metropolitan Univ Phosphoric acid-doped electrolyte membrane, method for producing the same, and fuel cell including the same
JP2012238590A (en) * 2011-04-28 2012-12-06 Japan Vilene Co Ltd Composite membrane, and method for manufacturing the same
WO2013051189A1 (en) * 2011-10-07 2013-04-11 パナソニック株式会社 Electrolyte membrane for solid polymer-type fuel cell, method for producing same, and solid polymer-type fuel cell
JP2014010971A (en) * 2012-06-28 2014-01-20 Panasonic Corp Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, polymer electrolyte type fuel cell, and polymer electrolyte membrane manufacturing method
JP2015028850A (en) * 2013-07-30 2015-02-12 公立大学法人首都大学東京 Composite membrane and method for producing the same

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111566844A (en) * 2018-02-02 2020-08-21 罗地亚经营管理公司 Composite electrolyte
JP2020070533A (en) * 2018-10-31 2020-05-07 日本バイリーン株式会社 Fiber sheet and composite film
JP7179647B2 (en) 2018-10-31 2022-11-29 日本バイリーン株式会社 fiber sheets and composite membranes
CN111454432A (en) * 2019-01-19 2020-07-28 国立大学山梨大学 Anion exchange resin, electrolyte membrane, binder for forming electrode catalyst layer, cell electrode catalyst layer, and fuel cell
JP2020181701A (en) * 2019-04-25 2020-11-05 東京都公立大学法人 Nanofiber, electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell
JP7292711B2 (en) 2019-04-25 2023-06-19 東京都公立大学法人 Nanofibers, electrolyte membranes, and polymer electrolyte fuel cells
WO2022075462A1 (en) * 2020-10-09 2022-04-14 Agc株式会社 Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
CN112376275A (en) * 2020-11-17 2021-02-19 天津工业大学 Application of dendritic nanofiber non-woven fabric and preparation method of dendritic nanofiber/Nafion composite membrane

Also Published As

Publication number Publication date
JP6767034B2 (en) 2020-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5867828B2 (en) Composite membrane and manufacturing method thereof
JP6767034B2 (en) Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers
JP6150228B2 (en) Composite membrane and manufacturing method thereof
JP5791732B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
WO2017141878A1 (en) Composite polymer electrolytic membrane, and membrane electrode composite and solid polymer fuel cell using same
Gao et al. Novel proton conducting membranes based on cross-linked sulfonated polyphosphazenes and poly (ether ether ketone)
EP3125349B1 (en) Polymer electrolyte membrane, and membrane-electrode assembly and fuel cell containing same
JP2013503436A (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
CN109755613B (en) Three-dimensional framework and sulfonated aromatic polymer composite proton exchange membrane and preparation method thereof
WO2006107115A1 (en) Crosslinked polymer electrolyte and method for producing same
Ito et al. Sulfonated polyimide nanofiber framework: Evaluation of intrinsic proton conductivity and application to composite membranes for fuel cells
KR102295383B1 (en) Polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP5300061B2 (en) Nanofiber, electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and fuel cell
Ibaraki et al. Fast surface proton conduction on acid-doped polymer nanofibers in polymer electrolyte composite membranes
Xu et al. Facile strategy for preparing a novel reinforced blend membrane with high cycling stability for vanadium redox flow batteries
WO2018038049A1 (en) Surface-modified nanofibers, electrolyte membrane, method for producing electrolyte membrane, membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
WO2009096574A1 (en) Polyelectrolyte composition, method of production of same, and fuel cell
Wang et al. Side chain sulfonic acid polymers with intrinsic pores in the main chain as proton exchange membranes for fuel cells and redox flow battery
Zhang et al. Finely adjusted intrinsically microporous copolyimide electrolyte membranes for fuel cells operating in a wide temperature range
TW200810209A (en) Polymer electrolyte emulsion and use thereof
JP7292711B2 (en) Nanofibers, electrolyte membranes, and polymer electrolyte fuel cells
Wang et al. Pyridinium functionalized poly (phthalazinone ether ketone) with pendant phenyl groups porous membranes for vanadium flow battery application by vapor induced phase separation
JP2010108692A (en) Ion conductive polymer membrane
JP4543616B2 (en) Manufacturing method of laminated film for fuel cell and manufacturing method of fuel cell
Tanaka et al. Electrospun sulfonated polyimide nanofibers for polymer electrolyte composite membranes

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190531

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200219

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200324

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200513

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20200513

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200908

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200914

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6767034

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250