JP2018055877A - Solid polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Solid polymer electrolyte membrane, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a solid polymer electrolyte membrane which is hard to break even in such an environment that humidification and drying are repeated and which enables the enhancement in the power generation performance of a solid polymer fuel cell; a method for manufacturing the solid polymer electrolyte membrane; and a membrane-electrode assembly for a solid polymer fuel cell and a solid polymer fuel cell which are each arranged by use of the solid polymer electrolyte membrane.SOLUTION: A solid polymer electrolyte membrane comprises a polymer (I) having a particular unit with one or two sulfone imide groups, of which the film thickness is 1-20 μm. A membrane-electrode assembly 10 comprises: an anode 13 having a catalyst layer 11 and a gas diffusion layer 12; a cathode 14 having a catalyst layer 11 and a gas diffusion layer 12; and a solid polymer electrolyte membrane 15 which is disposed between the anode 13 and the cathode 14 in the state of being in contact with the catalyst layers 11 thereof. The solid polymer electrolyte membrane 15 is the above solid polymer electrolyte membrane.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体高分子電解質膜およびその製造方法、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、ならびに固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane and a method for producing the same, a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池は、たとえば、2つのセパレータの間に固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を挟んでセルを形成し、複数のセルをスタックしたものである。固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、触媒層を有するアノードおよびカソードと、アノードとカソードとの間に配置された固体高分子電解質膜とを備えたものである。   In the polymer electrolyte fuel cell, for example, a cell is formed by sandwiching a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell between two separators, and a plurality of cells are stacked. The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell includes an anode and a cathode having a catalyst layer, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode.

固体高分子電解質膜としては、たとえば、特許文献1、2の実施例には、スルホン酸基を有する単位とテトラフルオロエチレンに由来する単位とを有するコポリマーを含む、厚さ25μmの固体高分子電解質膜が開示されている。   As the solid polymer electrolyte membrane, for example, in Examples of Patent Documents 1 and 2, a solid polymer electrolyte having a thickness of 25 μm including a copolymer having a unit having a sulfonic acid group and a unit derived from tetrafluoroethylene is used. A membrane is disclosed.

固体高分子形燃料電池においては、運転条件によって加湿と乾燥とが繰り返される。固体高分子電解質膜は、イオン交換樹脂を含むため、加湿によって膨潤し、乾燥によって収縮する。そのため、固体高分子電解質膜が加湿による膨潤と乾燥による収縮とを繰り返すことによって、固体高分子電解質膜にシワが発生しやすくなり、シワをきっかけに破断が生じやすい。また、運転中には、触媒層に配合されるカーボンファイバー等によって固体高分子電解質膜に細かい亀裂が生じやすく、膨潤と収縮の繰り返しによって該亀裂が進展することでも固体高分子電解質膜に破断が生じやすい。
固体高分子電解質膜の抵抗を減らして固体高分子形燃料電池の発電性能を向上させる点から、固体高分子電解質膜の薄肉化が求められているが、特許文献1、2の実施例のような固体高分子電解質膜を薄くすると、膨潤と収縮の繰り返しによる破断が顕著になる。
In a polymer electrolyte fuel cell, humidification and drying are repeated depending on operating conditions. Since the solid polymer electrolyte membrane contains an ion exchange resin, it swells when humidified and shrinks when dried. For this reason, the solid polymer electrolyte membrane repeats swelling due to humidification and shrinkage due to drying, so that wrinkles are likely to occur in the solid polymer electrolyte membrane, and breakage is likely to occur due to wrinkles. In addition, during operation, fine cracks are likely to be generated in the solid polymer electrolyte membrane due to carbon fibers or the like blended in the catalyst layer, and the solid polymer electrolyte membrane may be broken even if the crack progresses due to repeated swelling and shrinkage. Prone to occur.
From the viewpoint of reducing the resistance of the solid polymer electrolyte membrane and improving the power generation performance of the solid polymer fuel cell, it is required to reduce the thickness of the solid polymer electrolyte membrane. When a thin solid polymer electrolyte membrane is made thin, breakage due to repeated swelling and shrinkage becomes remarkable.

国際公開第2007/013533号International Publication No. 2007/013533 国際公開第2008/090990号International Publication No. 2008/090990

本発明は、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくく、固体高分子形燃料電池の発電性能を向上できる固体高分子電解質膜およびその製造方法;固体高分子電解質膜が破断しにくく、発電性能に優れた固体高分子形燃料電池用膜電極接合体;固体高分子電解質膜の破断が抑えられ、発電性能に優れた固体高分子形燃料電池を提供する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane that can hardly be broken even in an environment where humidification and drying are repeated, and can improve the power generation performance of a solid polymer fuel cell, and a method for producing the solid polymer electrolyte membrane; A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having excellent performance; a polymer electrolyte fuel cell having excellent power generation performance in which breakage of the polymer electrolyte membrane is suppressed;

本発明は、以下の構成を有する。
[1]下式(u1)で表される単位、および下式(u2)で表される単位のいずれか一方または両方を有するポリマー(I)を含む固体高分子電解質膜であって、膜厚が1μm以上20μm以下である、固体高分子電解質膜。
The present invention has the following configuration.
[1] A solid polymer electrolyte membrane comprising a polymer (I) having any one or both of a unit represented by the following formula (u1) and a unit represented by the following formula (u2): A solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 1 μm or more and 20 μm or less.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(u1)中、Q11は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Q12は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。
また、式(u2)中、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1であり、Rf2は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。
[2]前記ポリマー(I)における、式(u1)で表される単位および式(u2)で表される単位の合計の割合は、ポリマー(I)の全単位の合計に対して、10〜40モル%である、[1]に記載の固体高分子電解質膜。
[3]前記ポリマー(I)が、式(u1)で表される単位および式(u2)で表される単位の両方を有し、式(u1)で表される単位および式(u2)で表される単位の合計に対する式(u2)で表される単位の割合(モル比)は、0.05以上0.3以下である、[1]または[2]に記載の固体高分子電解質膜。
[4]前記ポリマー(I)が、さらにテトラフルオロエチレンに由来する単位を有する、[1]〜[3]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜。
[5]前記ポリマー(I)の破断伸度が400%以上である、[1]〜[4]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜。
[6]触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された、[1]〜[5]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜とを備えた、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
[7][6]に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を備えた、固体高分子形燃料電池。
[8][1]〜[5]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜を製造する方法であって、下記ポリマー(F)の−SOF基をスルホンイミド基に変換して前記ポリマー(I)を得て、前記ポリマー(I)を用いて固体高分子電解質膜を形成する、固体高分子電解質膜の製造方法。
ポリマー(F):下式(u’1)で表される単位、および下式(u’2)で表される単位のいずれか一方または両方を有するポリマー。
However, in formula (u1), Q 11 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 12 may have a single bond or an etheric oxygen atom. A perfluoroalkylene group, Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1, and R f1 is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom And Z + is H + , a monovalent metal ion, or an ammonium ion in which one or more hydrogen atoms may be substituted with a hydrocarbon group.
In Formula (u2), Q 2 is a single bond or a perfluoroalkylene group that may have an etheric oxygen atom, Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoroorganic group, t is 0 or 1, R f2 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, Z + is H + , a monovalent metal ion, or one or more hydrogen atoms Is an ammonium ion which may be substituted with a hydrocarbon group.
[2] In the polymer (I), the ratio of the unit represented by the formula (u1) and the unit represented by the formula (u2) is 10 to 10 times the total of all the units of the polymer (I). The solid polymer electrolyte membrane according to [1], which is 40 mol%.
[3] The polymer (I) has both a unit represented by the formula (u1) and a unit represented by the formula (u2), and the unit represented by the formula (u1) and the formula (u2) The ratio (molar ratio) of the unit represented by the formula (u2) to the total of the units represented is 0.05 to 0.3, and the solid polymer electrolyte membrane according to [1] or [2] .
[4] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [3], wherein the polymer (I) further has a unit derived from tetrafluoroethylene.
[5] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [4], wherein the elongation at break of the polymer (I) is 400% or more.
[6] An anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, and the solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [5] disposed between the anode and the cathode A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell provided.
[7] A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to [6].
[8] A method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [5], wherein the polymer (F) is converted to a sulfonimide group by converting a —SO 2 F group into a sulfonimide group. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane, comprising obtaining (I) and forming a solid polymer electrolyte membrane using the polymer (I).
Polymer (F): a polymer having one or both of a unit represented by the following formula (u′1) and a unit represented by the following formula (u′2).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(u’1)中、Q11は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Q12は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1である。
また、式(u’2)中、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1である。
[9]前記ポリマー(F)の−SOF基をスルホンアミド基に変換した後、前記スルホンアミド基をスルホンイミド基に変換して前記ポリマー(I)を得る、[8]に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。
However, in formula (u′1), Q 11 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 12 has a single bond or an etheric oxygen atom. Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and s is 0 or 1.
In formula (u′2), Q 2 is a single bond or a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoroorganic group. Yes, t is 0 or 1.
[9] after conversion to the sulfonamide group -SO 2 F groups of the polymer (F), to obtain the polymer (I) by converting the sulfonamido group sulfonimide group, as described in [8] Solid A method for producing a polymer electrolyte membrane.

本発明の固体高分子電解質膜は、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくく、固体高分子形燃料電池の発電性能を向上できる。
本発明の固体高分子電解質膜の製造方法によれば、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくく、固体高分子形燃料電池の発電性能を向上できる固体高分子電解質膜が得られる。
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子電解質膜が破断しにくく、発電性能に優れている。
本発明の固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の破断が抑えられ、発電性能に優れている。
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is not easily broken even in an environment where humidification and drying are repeated, and can improve the power generation performance of the solid polymer fuel cell.
According to the method for producing a solid polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to obtain a solid polymer electrolyte membrane that is not easily broken even in an environment in which humidification and drying are repeated and that can improve the power generation performance of the solid polymer fuel cell.
The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is excellent in power generation performance because the solid polymer electrolyte membrane is hardly broken.
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is excellent in power generation performance because the breakage of the polymer electrolyte membrane is suppressed.

本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells of this invention.

本明細書においては、式(u1)で表される単位を、単位(u1)と記す。また、式(m1)で表される化合物を、化合物(m1)と記す。他の式で表される単位や化合物も同様に記す。   In this specification, a unit represented by the formula (u1) is referred to as a unit (u1). A compound represented by the formula (m1) will be referred to as a compound (m1). The same applies to units and compounds represented by other formulas.

以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
「単位」とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。単位は、モノマーの重合反応によって直接形成された単位に加えて、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位のことも意味する。
「ペルフルオロ有機基」とは、炭素原子を1以上含み、かつ炭素原子に共有結合する水素原子がすべてフッ素原子に置換された基を意味する。
「ペルフルオロアルキル基」とは、アルキル基の炭素原子に共有結合する水素原子がすべてフッ素原子に置換された基を意味する。
「ペルフルオロアルキレン基」とは、アルキレン基の炭素原子に共有結合する水素原子がすべてフッ素原子に置換された基を意味する。
「イオン交換基」とは、該基に含まれる陽イオンの一部が、他の陽イオンに交換しうる基を意味し、H、一価の金属カチオン、アンモニウムイオン等を有する基を意味する。イオン交換基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、スルホンメチド基等が挙げられる。
「スルホン酸基」は、−SO3−および−SO3−(ただし、Mは、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。)を包含する。
「TQ値」は、ポリマーの分子量および軟化温度の指標である。TQ値が大きいほど分子量が大きいことを示す。長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件で、溶融押出しを行った際のポリマーの押出し量が100mm/秒となる温度である。
「破断伸度」は、ポリマー膜を一定の速度で引っ張り、ポリマー膜が破断したときの長さを、引っ張る前の初期長さに対する百分率として表した値である。破断伸度が大きいほどポリマー膜の伸びがよいことを示す。
The following definitions of terms apply throughout this specification and the claims.
“Unit” means a unit derived from a monomer formed by polymerization of the monomer. A unit means a unit in which a part of the unit is converted into another structure by treating the polymer in addition to the unit directly formed by the polymerization reaction of the monomer.
The “perfluoro organic group” means a group containing at least one carbon atom and all hydrogen atoms covalently bonded to the carbon atom substituted with fluorine atoms.
“Perfluoroalkyl group” means a group in which all hydrogen atoms covalently bonded to carbon atoms of an alkyl group are substituted with fluorine atoms.
The “perfluoroalkylene group” means a group in which all hydrogen atoms covalently bonded to carbon atoms of the alkylene group are substituted with fluorine atoms.
The “ion exchange group” means a group in which a part of the cation contained in the group can exchange with another cation, and means a group having H + , a monovalent metal cation, an ammonium ion, or the like. To do. Examples of the ion exchange group include a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfonemethide group.
The “sulfonic acid group” means —SO 3 —H + and —SO 3 —M + (wherein M + is a monovalent metal ion or one or more hydrogen atoms may be substituted with a hydrocarbon group) An ammonium ion).
“TQ value” is an indicator of the molecular weight and softening temperature of a polymer. It shows that molecular weight is so large that TQ value is large. This is a temperature at which the polymer extrusion rate is 100 mm 3 / sec when melt extrusion is performed under the condition of an extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm.
“Elongation at break” is a value expressed as a percentage of the initial length before stretching, when the polymer film is pulled at a constant speed and the polymer film is broken. The larger the elongation at break, the better the elongation of the polymer film.

[固体高分子電解質膜]
本発明の固体高分子電解質膜は、ポリマー(I)を含み、膜厚が1μm以上20μm以下である固体高分子電解質膜である。
[Solid polymer electrolyte membrane]
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is a solid polymer electrolyte membrane containing polymer (I) and having a thickness of 1 μm or more and 20 μm or less.

ポリマー(I)は、単位(u1)および単位(u2)のいずれか一方または両方を有するポリマーである。ポリマー(I)としては、本発明の効果が充分に発揮されやすい点から、単位(u1)を有するものが好ましく、単位(u1)および単位(u2)の両方を有するものがより好ましい。機械的強度および化学的耐久性に優れる点から、テトラフルオロエチレン(以下、TFEとも記す。)に由来する単位(以下、TFE単位とも記す。)をさらに有するものが好ましい。
ポリマー(I)としては、機械的強度の点から、単位(u1)およびTFE単位を含むものが好ましく、単位(u1)、単位(u2)およびTFE単位を含むものがより好ましく、単位(u1)、単位(u2)およびTFE単位からなるものがさらに好ましい。必要に応じて、単位(u1)、単位(u2)およびTFE単位以外の第4のモノマーに由来する単位(以下、第4のモノマー単位とも記す。)を1種以上含んでもよい。
The polymer (I) is a polymer having one or both of the unit (u1) and the unit (u2). As the polymer (I), those having the unit (u1) are preferable, and those having both the unit (u1) and the unit (u2) are more preferable from the viewpoint that the effects of the present invention are sufficiently exhibited. From the viewpoint of excellent mechanical strength and chemical durability, those further having units derived from tetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as TFE) (hereinafter also referred to as TFE units) are preferable.
From the viewpoint of mechanical strength, the polymer (I) preferably contains units (u1) and TFE units, more preferably contains units (u1), units (u2) and TFE units, and units (u1) More preferably, the unit consists of units (u2) and TFE units. One or more units derived from a fourth monomer other than the unit (u1), the unit (u2), and the TFE unit (hereinafter also referred to as a fourth monomer unit) may be included as necessary.

単位(u1)は、下式(u1)で表される単位である。   The unit (u1) is a unit represented by the following formula (u1).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(u1)中、Q11は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Q12は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。単結合は、CYの炭素原子とSOの硫黄原子とが直接結合していることを意味する。 However, in formula (u1), Q 11 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 12 may have a single bond or an etheric oxygen atom. A perfluoroalkylene group, Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1, and R f1 is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom And Z + is H + , a monovalent metal ion, or an ammonium ion in which one or more hydrogen atoms may be substituted with a hydrocarbon group. A single bond means that the carbon atom of CY 1 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded.

11、Q12のペルフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよいが、硫黄原子と直接結合する末端には挿入されない。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、原料のモノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、ポリマー(I)のイオン交換容量の低下が抑えられ、伝導性の低下が抑えられる。
When the perfluoroalkylene group of Q 11 and Q 12 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bond of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal, but is not inserted at the terminal directly bonded to the sulfur atom. .
The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. If the number of carbon atoms is 6 or less, the boiling point of the raw material monomer becomes low, and distillation purification becomes easy. Moreover, if carbon number is 6 or less, the fall of the ion exchange capacity of polymer (I) will be suppressed, and the fall of conductivity will be suppressed.

12は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。Q12がエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であれば、Q12が単結合である場合に比べ、長期にわたって固体高分子形燃料電池を運転した際に、発電性能の安定性に優れる。
11、Q12の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のペルフルオロアルキレン基を有するモノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。
Q 12 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom. When Q 12 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom, the polymer electrolyte fuel cell was operated for a long period of time as compared with the case where Q 12 is a single bond. In particular, the stability of the power generation performance is excellent.
At least one of Q 11 and Q 12 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom. A monomer having a C1-C6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, so that the yield is good and the production is easy.

f1のペルフルオロアルキル基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよいが、炭素原子結合末端には挿入されない。
f1のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、ペルフルオロメチル基、ペルフルオロエチル基等が好ましい。
単位(u1)の2つのRf1は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。
When the perfluoroalkyl group of R f1 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or may be two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkyl group, but is not inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group and the like are preferable.
The two R f1 units in the unit (u1) may be the same group or different groups.

としては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖のペルフルオロアルキル基が好ましく、フッ素原子がより好ましい。 Y 1 is preferably a fluorine atom or a linear C 1-6 perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, and more preferably a fluorine atom.

単位(u1)としては、ポリマー(I)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u1−1)〜(u1−3)が好ましい。   As the unit (u1), units (u1-1) to (u1-3) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (I) and easy industrial implementation.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

単位(u2)は、下式(u2)で表される単位である。   The unit (u2) is a unit represented by the following formula (u2).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(u2)中、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1であり、Rf2は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。単結合は、CYの炭素原子とSOの硫黄原子とが直接結合していることを意味する。 However, in formula (u2), Q 2 is a single bond or a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, t is 0 or 1, R f2 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, Z + is H + , a monovalent metal ion, or one or more hydrogen atoms Is an ammonium ion which may be substituted with a hydrocarbon group. The single bond means that the carbon atom of CY 2 and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded.

のペルフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよいが、硫黄原子と直接結合する末端には挿入されない。
ペルフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。
ペルフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、ポリマー(I)のイオン交換容量の低下が抑えられ、伝導性の低下が抑えられる。
When the perfluoroalkylene group of Q 2 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or may be two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bond of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal, but is not inserted at the terminal directly bonded to the sulfur atom. .
The perfluoroalkylene group may be linear or branched.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. If carbon number is 6 or less, the fall of the ion exchange capacity of polymer (I) will be suppressed, and the fall of conductivity will be suppressed.

f2のペルフルオロアルキル基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、ペルフルオロアルキル基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよいが、炭素原子結合末端には挿入されない。
f2のペルフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。
ペルフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。ペルフルオロアルキル基としては、ペルフルオロメチル基、ペルフルオロエチル基等が好ましい。
としては、フッ素原子またはペルフルオロアルキル基が好ましく、フッ素原子またはトリフルオロメチル基がより好ましい。
When the perfluoroalkyl group of R f2 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or may be two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkyl group, but is not inserted at the carbon atom bond terminal.
The perfluoroalkyl group for R f2 may be linear or branched, and is preferably linear.
1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group and the like are preferable.
Y 2 is preferably a fluorine atom or a perfluoroalkyl group, more preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group.

単位(u2)としては、ポリマー(I)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u2−1)〜(u2−4)が好ましい。   As the unit (u2), units (u2-1) to (u2-4) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (I) and easy industrial implementation.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ポリマー(I)は、本発明の効果を損なわない範囲内において、第4のモノマー単位をさらに有していてもよい。
第4のモノマーとしては、たとえば、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレンン、ペルフルオロα−オレフィン(ヘキサフルオロプロピレン等)、(ペルフルオロアルキル)エチレン(ペルフルオロブチル)エチレン等)、(ペルフルオロアルキル)プロペン(3−ペルフルオロオクチル−1−プロペン等)、ペルフルオロビニルエーテル(以下、PFVEとも記す。)等が挙げられる。
PFVEとしては、ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エーテル性酸素原子含有アルキルビニルエーテル)等が挙げられる。
The polymer (I) may further have a fourth monomer unit as long as the effects of the present invention are not impaired.
Examples of the fourth monomer include chlorotrifluoroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride, vinyl fluoride, ethylene, propylene, perfluoro α-olefin (such as hexafluoropropylene), and (perfluoroalkyl) ethylene (perfluorobutyl). ) Ethylene), (perfluoroalkyl) propene (3-perfluorooctyl-1-propene, etc.), perfluorovinyl ether (hereinafter also referred to as PFVE), and the like.
Examples of PFVE include perfluoro (alkyl vinyl ether), perfluoro (etheric oxygen atom-containing alkyl vinyl ether), and the like.

ポリマー(I)における単位(u1)および単位(u2)の合計の割合は、ポリマー(I)の全単位の合計に対して、10〜40モル%が好ましく、15〜30モル%がより好ましい。単位(u1)および単位(u2)の合計の割合が前記範囲内であれば、ポリマー(I)のイオン交換容量を好ましい範囲に調整しやすく、また破断伸度がより高くなり、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくい固体高分子電解質膜が得られやすい。   10-40 mol% is preferable with respect to the sum total of all the units of polymer (I), and, as for the ratio of the sum total of the unit (u1) and unit (u2) in polymer (I), 15-30 mol% is more preferable. If the total ratio of the unit (u1) and the unit (u2) is within the above range, it is easy to adjust the ion exchange capacity of the polymer (I) to a preferable range, and the elongation at break becomes higher, and humidification and drying. It is easy to obtain a solid polymer electrolyte membrane that is not easily broken even in an environment where is repeated.

ポリマー(I)が単位(u1)および単位(u2)の両方を有する場合、単位(u1)および単位(u2)の合計に対する単位(u2)の割合(モル比)は、0.05以上0.3以下が好ましく、0.05以上0.2未満がより好ましい。前記単位(u2)の割合が高いほど、破断伸度がより高くなり、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくい固体高分子電解質膜が得られやすい。前記単位(u2)の割合が低いほど、ポリマー(I)のイオン交換容量を高めることができ、抵抗の低い固体高分子電解質膜が得られやすい。   When the polymer (I) has both the unit (u1) and the unit (u2), the ratio (molar ratio) of the unit (u2) to the sum of the unit (u1) and the unit (u2) is 0.05 or more and 0.00. 3 or less is preferable, and 0.05 or more and less than 0.2 is more preferable. The higher the ratio of the unit (u2), the higher the elongation at break, and it is easier to obtain a solid polymer electrolyte membrane that is less likely to break even in an environment where humidification and drying are repeated. The lower the proportion of the unit (u2), the higher the ion exchange capacity of the polymer (I), and the easier it is to obtain a solid polymer electrolyte membrane with low resistance.

ポリマー(I)におけるTFE単位の割合は、ポリマー(I)の全単位の合計に対して、20〜90モル%が好ましく、20〜85モル%がより好ましい。TFE単位の割合が前記範囲の下限値以上であれば、ポリマー(I)の機械的強度および化学的耐久性がさらに優れる。TFE単位の割合が前記範囲の上限値以下であれば、単位(u1)および単位(u2)による効果を損ないにくい。   20-90 mol% is preferable with respect to the sum total of all the units of polymer (I), and, as for the ratio of the TFE unit in polymer (I), 20-85 mol% is more preferable. When the proportion of TFE units is at least the lower limit of the above range, the mechanical strength and chemical durability of the polymer (I) are further improved. If the ratio of TFE units is less than or equal to the upper limit of the above range, the effects of units (u1) and units (u2) are unlikely to be impaired.

ポリマー(I)における第4のモノマー単位の割合は、ポリマー(I)の全単位の合計に対して、0〜70モル%が好ましく、0〜65モル%がより好ましい。第4のモノマー単位の割合が前記範囲内であれば、単位(u1)、単位(u2)、TFE単位による効果を損ないにくい。
ポリマー(I)は、単位(u1)、単位(u2)および第4のモノマー単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。
The proportion of the fourth monomer unit in the polymer (I) is preferably from 0 to 70 mol%, more preferably from 0 to 65 mol%, based on the total of all units of the polymer (I). When the ratio of the fourth monomer unit is within the above range, the effects of the unit (u1), the unit (u2), and the TFE unit are hardly impaired.
The polymer (I) may have one each of the unit (u1), the unit (u2), and the fourth monomer unit, or may have two or more of each.

ポリマー(I)のイオン交換容量は、0.5〜4.0ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、0.7〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂がより好ましく、0.8〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂がさらに好ましい。ポリマー(I)のイオン交換容量が前記範囲の下限値以上であれば、伝導度が高くなるため、発電性能がさらに優れる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体が得られる。ポリマー(I)のイオン交換容量が前記範囲の上限値以下であれば、分子量の高いポリマーの合成が容易である。また、ポリマー(I)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持しやすい。   The ion exchange capacity of the polymer (I) is preferably 0.5 to 4.0 meq / g dry resin, more preferably 0.7 to 2.5 meq / g dry resin, and 0.8 to 2.0. More preferred are milliequivalents / g dry resin. If the ion exchange capacity of the polymer (I) is not less than the lower limit of the above range, the conductivity will be high, so that a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell with further excellent power generation performance can be obtained. When the ion exchange capacity of the polymer (I) is not more than the upper limit of the above range, the synthesis of a polymer having a high molecular weight is easy. Further, since the polymer (I) does not swell excessively with water, it is easy to maintain the mechanical strength.

ポリマー(I)の破断伸度は、400%以上が好ましく、500〜1500%がより好ましく、550〜1000%がさらに好ましい。ポリマー(I)の破断伸度が前記範囲の下限値以上であれば、固体高分子電解質膜が加湿による膨潤や乾燥による収縮に追従しやすくなり、固体高分子電解質膜に生じた細かい亀裂の進展や、シワに起因する固体高分子電解質膜の破断が起こりにくい。ポリマー(I)の破断伸度が前記範囲の上限値以下であれば、加湿と乾燥とが繰り返される環境での変形量が小さくなり、固体高分子電解質膜に接する触媒層のクラック発生を抑制できる。   The elongation at break of the polymer (I) is preferably 400% or more, more preferably 500 to 1500%, further preferably 550 to 1000%. If the breaking elongation of the polymer (I) is not less than the lower limit of the above range, the solid polymer electrolyte membrane can easily follow the swelling due to humidification and the shrinkage due to drying, and the progress of fine cracks generated in the solid polymer electrolyte membrane In addition, the solid polymer electrolyte membrane is not easily broken due to wrinkles. If the breaking elongation of the polymer (I) is less than or equal to the upper limit of the above range, the amount of deformation in an environment where humidification and drying are repeated is reduced, and cracking of the catalyst layer in contact with the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed. .

ポリマー(I)を厚さ25μmの膜としたときのWF値は、大きいほど固体高分子電解質膜の破断が起こりにくい。該WF値は、0.5以上が好ましく、0.7以上がより好ましい。WF値が前記の値以上であれば、固体高分子電解質膜に生じた細かい亀裂が進展しにくく、固体高分子電解質膜の破断が起こりにくい。   The larger the WF value when the polymer (I) is a film having a thickness of 25 μm, the less the solid polymer electrolyte membrane breaks. The WF value is preferably 0.5 or more, and more preferably 0.7 or more. If the WF value is equal to or greater than the above value, fine cracks generated in the solid polymer electrolyte membrane are unlikely to progress, and the solid polymer electrolyte membrane is not easily broken.

ポリマー(I)の伝導度は、80℃、50%相対湿度の条件下で、0.01S/cm以上が好ましく、0.02S/cm以上がより好ましく、0.03S/cm以上がさらに好ましい。ポリマー(I)の伝導度の伝導度が前記範囲の下限値以上であれば、発電性能がさらに優れる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体が得られる。ポリマー(I)の伝導度の上限値は、特に限定されないが、現実的には10S/cmである。   The conductivity of the polymer (I) is preferably 0.01 S / cm or more, more preferably 0.02 S / cm or more, and further preferably 0.03 S / cm or more under the conditions of 80 ° C. and 50% relative humidity. When the conductivity of the conductivity of the polymer (I) is at least the lower limit of the above range, a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell with further excellent power generation performance can be obtained. The upper limit value of the conductivity of the polymer (I) is not particularly limited, but is practically 10 S / cm.

ポリマー(I)の含水率は、10〜500%が好ましく、15〜300%がより好ましい。ポリマー(I)の含水率が前記範囲の下限値以上であれば、伝導度が高くなるため、発電性能がさらに優れる膜電極接合体が得られる。ポリマー(I)の含水率が前記範囲の上限値以下であれば、ポリマー(I)が過度に水で膨潤しないため、機械的強度を保持できる。   The water content of the polymer (I) is preferably 10 to 500%, more preferably 15 to 300%. If the water content of the polymer (I) is not less than the lower limit of the above range, the conductivity will be high, so that a membrane electrode assembly with further improved power generation performance can be obtained. If the water content of the polymer (I) is not more than the upper limit of the above range, the polymer (I) does not swell excessively with water, so that the mechanical strength can be maintained.

(ポリマー(I)の製造方法)
ポリマー(I)は、−SOF基を有するポリマー(F)の−SOF基をスルホンイミド基に変換することで製造できる。
ポリマー(F)は、ポリマー(I)の前駆体であり、単位(u’1)および単位(u’2)のいずれか一方または両方を有するポリマーである。ポリマー(F)は、機械的強度および化学的耐久性に優れるポリマー(I)が得られやすい点から、TFE単位をさらに有することが好ましい。
(Production method of polymer (I))
Polymer (I) can be prepared by converting the -SO 2 F groups of the polymer (F) having -SO 2 F groups to sulfonimide groups.
The polymer (F) is a polymer (I) precursor and has one or both of the unit (u′1) and the unit (u′2). The polymer (F) preferably further has a TFE unit from the viewpoint of easily obtaining the polymer (I) having excellent mechanical strength and chemical durability.

単位(u’1)は、下式(u’1)で表される単位である。   The unit (u′1) is a unit represented by the following formula (u′1).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(u’1)中のQ11、Q12、Y、sは、単位(u1)におけるQ11、Q12、Y、sと同様であり、好ましい形態も同様である。
単位(u’1)としては、ポリマー(F)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u’1−1)〜(u’1−3)が好ましい。
However, Q 11, Q 12, Y 1 , s in formula (u'1) is the same as Q 11, Q 12, Y 1 , s in the unit (u1), a preferred form same.
As the unit (u′1), units (u′1-1) to (u′1-3) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (F) and easy industrial implementation.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

単位(u’2)は、下式(u’2)で表される単位である。   The unit (u′2) is a unit represented by the following formula (u′2).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(u’2)中のQ、Y、tは、単位(u2)におけるQ、Y、tと同様であり、好ましい形態も同様である。
単位(u’2)としては、ポリマー(F)の製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(u’2−1)〜(u’2−4)が好ましい。
However, Q 2, Y 2, t in formula (u'2) is the same as Q 2, Y 2, t in the unit (u2), which is the preferred form as well.
As the unit (u′2), units (u′2-1) to (u′2-4) are preferable from the viewpoint of easy production of the polymer (F) and easy industrial implementation.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ポリマー(F)は、本発明の効果を損なわない範囲内において、ポリマー(I)で挙げた第4のモノマー単位をさらに有していてもよい。   The polymer (F) may further have the fourth monomer unit mentioned in the polymer (I) within a range not impairing the effects of the present invention.

ポリマー(F)の各単位の割合は、ポリマー(I)の各単位の割合が上述した好ましい範囲となるように適宜調整すればよい。
ポリマー(F)は、単位(u’1)および単位(u’2)のいずれか一方または両方を有してよい。本発明の効果が充分に発揮されやすい点から、単位(u’1)を有するものが好ましく、単位(u’1)および単位(u’2)を両方有するものがより好ましい。機械的強度および科学的耐久性に優れる点から、TFE単位をさらに有するものが好ましい。
ポリマー(F)としては、機械的強度の点から、単位(u’1)およびTFE単位を含むものが好ましく、単位(u’1)、単位(u’2)およびTFE単位を含むものがより好ましく、単位(u’1)、単位(u’2)およびTFE単位からなるものがさらに好ましい。必要に応じて、第4のモノマー単位を含んでもよい。
What is necessary is just to adjust suitably the ratio of each unit of a polymer (F) so that the ratio of each unit of a polymer (I) may become the preferable range mentioned above.
The polymer (F) may have one or both of the unit (u′1) and the unit (u′2). In view of sufficiently exerting the effects of the present invention, those having units (u′1) are preferred, and those having both units (u′1) and units (u′2) are more preferred. From the viewpoint of excellent mechanical strength and scientific durability, those further having TFE units are preferred.
From the viewpoint of mechanical strength, the polymer (F) preferably includes units (u′1) and TFE units, and more preferably includes units (u′1), units (u′2) and TFE units. Preferably, those composed of the unit (u′1), the unit (u′2) and the TFE unit are more preferable. If necessary, a fourth monomer unit may be included.

ポリマー(F)のTQ値は、150℃以上が好ましく、170℃〜340℃がより好ましく、170℃〜300℃がさらに好ましい。ポリマー(F)のTQ値が前記範囲の下限値以上であれば、固体高分子電解質膜の破断伸度が向上する。ポリマー(F)のTQ値が前記範囲の上限値以下であれば、ポリマー(F)の成形性がさらに優れる。   The TQ value of the polymer (F) is preferably 150 ° C or higher, more preferably 170 ° C to 340 ° C, and further preferably 170 ° C to 300 ° C. When the TQ value of the polymer (F) is not less than the lower limit of the above range, the breaking elongation of the solid polymer electrolyte membrane is improved. When the TQ value of the polymer (F) is not more than the upper limit of the above range, the moldability of the polymer (F) is further improved.

ポリマー(F)の製造方法としては、公知の方法を採用でき、たとえば、化合物(m1)および化合物(m2)のいずれか一方または両方と、必要に応じてTFEおよび第4のモノマーのいずれか一方または両方とを含むモノマー成分を重合する方法が挙げられる。   As a method for producing the polymer (F), a known method can be employed. For example, either or both of the compound (m1) and the compound (m2), and, if necessary, either TFE or the fourth monomer Or the method of superposing | polymerizing the monomer component containing both is mentioned.

化合物(m1)は、下式(m1)で表される化合物である。   The compound (m1) is a compound represented by the following formula (m1).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(m1)中のQ11、Q12、Y、sは、単位(u1)におけるQ11、Q12、Y、sと同様であり、好ましい形態も同様である。
化合物(m1)としては、化合物(m1−1)〜(m1−3)が好ましい。
However, Q 11, Q 12, Y 1 , s in the formula (m1) is the same as Q 11, Q 12, Y 1 , s in the unit (u1), a preferred form same.
As the compound (m1), compounds (m1-1) to (m1-3) are preferable.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

化合物(m1)は、公知の合成方法によって製造できる。   Compound (m1) can be produced by a known synthesis method.

化合物(m2)は、下式(m2)で表される化合物である。   The compound (m2) is a compound represented by the following formula (m2).

Figure 2018055877
Figure 2018055877

ただし、式(m2)中のQ、Y、tは、単位(u2)におけるQ、Y、tと同様であり、好ましい形態も同様である。
化合物(m2)としては、化合物(m2−1)〜(m2−4)が好ましい。
However, Q 2, Y 2, t in the formula (m2) is the same as Q 2, Y 2, t in the unit (u2), which is the preferred form as well.
As the compound (m2), compounds (m2-1) to (m2-4) are preferable.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

化合物(m2)は、たとえば、D.J.Vaugham著,”Du Pont Inovation”,第43巻、第3号,1973年、p.10に記載の方法、米国特許第4358412号明細書の実施例に記載の方法等、公知の合成方法によって製造できる。   Compound (m2) is, for example, D.I. J. et al. Vauham, “Du Pont Innovation”, Vol. 43, No. 3, 1973, p. 10 and the method described in the examples of US Pat. No. 4,358,412 can be used for the production by known synthetic methods.

重合方法としては、特に制限なく、公知の重合方法で重合できる。   The polymerization method is not particularly limited, and the polymerization can be performed by a known polymerization method.

ポリマー(F)の−SOF基をスルホンイミド基に変換する方法としては、ポリマー(F)の−SOF基をスルホンアミド基に変換してポリマー(A)とした後に、前記ポリマー(A)のスルホンアミド基をスルホンイミド基に変換する方法が好ましい。ポリマー(F)の−SOF基を一旦スルホンアミド基に変換することで、スルホンイミド化においてポリマー(F)の−SOF基の一部が加水分解されてスルホン酸基となることを抑制できるため、高効率で−SOF基のスルホンイミド化が行える。 As a method of converting -SO 2 F groups of the polymer (F) to sulfonimide groups, -SO 2 F groups of the polymer (F) is converted to a sulfonamide group after the polymer (A), the polymer ( A method of converting the sulfonamide group of A) into a sulfonimide group is preferred. By converting once sulfonamide group -SO 2 F groups of the polymer (F), that part of the -SO 2 F groups of the polymer (F) is hydrolyzed to sulfonic acid groups in the sulfonated imidization can be suppressed, sulfonimide of -SO 2 F group can be performed with high efficiency.

ポリマー(F)の−SOF基をスルホンアミド基に変換してポリマー(A)を得る方法としては、たとえば、ポリマー(F)にアンモニアを接触させる方法が挙げられる。
ポリマー(A)のスルホンアミド基をスルホンイミド基に変換する方法としては、たとえば、アルカリ金属フッ化物や有機アミン等の塩基性化合物の存在下に、トリフルオロメタンスルホニルフルオライド、ペンタフルオロエタンスルホニルフルオライド等の−SOF基を有する化合物をポリマー(A)と接触させる方法が挙げられる。−SOF基を有する化合物を、ポリマー(A)のスルホンアミド基に対して過剰に使用することで、該化合物の一部の−SOF基が加水分解されても、残りの化合物が反応することでスルホンイミド化が充分に進行する。
Examples of the method for obtaining the polymer (A) by converting the —SO 2 F group of the polymer (F) into a sulfonamide group include a method of contacting the polymer (F) with ammonia.
Examples of a method for converting the sulfonamide group of the polymer (A) into a sulfonimide group include trifluoromethanesulfonyl fluoride and pentafluoroethanesulfonyl fluoride in the presence of a basic compound such as an alkali metal fluoride or an organic amine. a compound having a -SO 2 F group etc. the method of contacting the polymer (a). By using a compound having —SO 2 F group in excess relative to the sulfonamide group of the polymer (A), even if some of the —SO 2 F group is hydrolyzed, Sulfonimidization proceeds sufficiently by the reaction.

スルホンイミド化に用いるポリマー(F)およびポリマー(A)は、固体状態であってもよく、溶媒で膨潤させた状態であってもよく、溶媒に溶解した状態であってもよい。スルホンイミド化を円滑に進める点から、ポリマー(F)およびポリマー(A)は、溶媒で膨潤させた状態または溶媒に溶解させた状態が好ましい。
溶媒としては、たとえば、ポリフルオロトリアルキルアミン化合物(パーフルオロトリブチルアミン等。)、フルオロアルカン(パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、1H−パーフルオロヘキサン、1H−パーフルオロオクタン等)等の含フッ素溶媒;アセトニトリル、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、N,N−ジメチルホルムアミド、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン等の非フッ素系溶媒等が挙げられる。
The polymer (F) and the polymer (A) used for sulfonimide formation may be in a solid state, in a state swollen with a solvent, or in a state dissolved in a solvent. The polymer (F) and the polymer (A) are preferably swollen with a solvent or dissolved in a solvent from the viewpoint of smoothly proceeding with sulfonimide formation.
Examples of the solvent include fluorine-containing solvents such as polyfluorotrialkylamine compounds (perfluorotributylamine, etc.) and fluoroalkanes (perfluorohexane, perfluorooctane, 1H-perfluorohexane, 1H-perfluorooctane, etc.). Non-fluorinated solvents such as acetonitrile, methanol, ethanol, 2-propanol, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, etc. Can be mentioned.

本発明の固体高分子電解質膜の膜厚は、1μm以上20μm以下であり、2μm以上15μm以下が好ましく、3μm以上12μm以下がより好ましい。固体高分子電解質膜の厚さが前記範囲の下限値より小さければ、固体高分子電解質膜にシワが発生しやすくなり、より破断しやすくなる。固体高分子電解質膜の厚さが前記範囲の上限値より大きければ、膜の抵抗が大きくなり、発電性能に劣る膜電極接合体となりやすい。   The film thickness of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is from 1 μm to 20 μm, preferably from 2 μm to 15 μm, and more preferably from 3 μm to 12 μm. If the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is smaller than the lower limit of the above range, the solid polymer electrolyte membrane is likely to be wrinkled and more easily broken. If the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is larger than the upper limit of the above range, the membrane resistance increases, and a membrane / electrode assembly inferior in power generation performance tends to be obtained.

固体高分子電解質膜は、補強材で補強されていてもよい。補強材としては、多孔体、繊維、織布、不織布等が挙げられる。補強材の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、TFE−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、TFE−ペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)コポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等が挙げられる。   The solid polymer electrolyte membrane may be reinforced with a reinforcing material. Examples of the reinforcing material include porous bodies, fibers, woven fabrics, and nonwoven fabrics. Examples of the reinforcing material include polytetrafluoroethylene, TFE-hexafluoropropylene copolymer, TFE-perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, polyethylene, polypropylene, and polyphenylene sulfide.

固体高分子電解質膜は、耐久性をさらに向上させるために、セリウムおよびマンガンからなる群から選ばれる1種以上の原子を含んでいてもよい。セリウム、マンガンは、固体高分子電解質膜の劣化を引き起こす原因物質である過酸化水素を分解する。セリウム、マンガンは、イオンとして固体高分子電解質膜中に存在することが好ましく、イオンとして存在すれば固体高分子電解質膜中でどのような状態で存在してもかまわない。   The solid polymer electrolyte membrane may contain one or more atoms selected from the group consisting of cerium and manganese in order to further improve the durability. Cerium and manganese decompose hydrogen peroxide, which is a causative substance that causes deterioration of the solid polymer electrolyte membrane. Cerium and manganese are preferably present as ions in the solid polymer electrolyte membrane, and as long as they are present as ions, they may be present in any state in the solid polymer electrolyte membrane.

以上説明した本発明の固体高分子電解質膜においては、スルホンイミド基を含む単位(u1)および単位(u2)のいずれか一方または両方を有するポリマー(I)を含むため、伸度が高く膨潤および収縮に追従しやすいため、薄膜化しても機械的耐性に優れ、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくい。また、本発明の固体高分子電解質膜は薄膜化されているため、膜抵抗が低く、固体高分子形燃料電池において優れた発電性能を発現させることができる。   In the solid polymer electrolyte membrane of the present invention described above, since it contains the polymer (I) having either one or both of the unit (u1) and the unit (u2) containing a sulfonimide group, Since it easily follows shrinkage, it has excellent mechanical resistance even when it is thinned, and it is difficult to break even in an environment where humidification and drying are repeated. Further, since the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is thinned, the membrane resistance is low, and excellent power generation performance can be expressed in the polymer electrolyte fuel cell.

ポリマー(I)を用いることで破断しにくくなる要因は、必ずしも明らかではないが、以下のように考えられる。スルホン酸基を有するポリマーを用いた固体高分子電解質膜では、スルホン酸基がイオン化しやすいため、スルホン酸基を含む側鎖での水分子を介した分子間相互作用が大きく、ポリマーの主鎖の動きが制限され、膜が伸びにくく、硬く脆くなる。これに対して、ポリマー(I)が有するスルホンイミド基は、スルホン酸基に比べて共鳴構造が多く、電荷の分散性が大きい。そのため、ポリマー(I)を用いた固体高分子電解質膜では、側鎖での分子間相互作用がより小さく、ポリマー(I)の主鎖の動きが制限されにくいため、膜が伸びやすく、靭性が向上すると考えられる。   The factor that makes it difficult to break by using the polymer (I) is not necessarily clear, but is considered as follows. In a solid polymer electrolyte membrane using a polymer having a sulfonic acid group, since the sulfonic acid group is easily ionized, the intermolecular interaction through water molecules in the side chain containing the sulfonic acid group is large, and the main chain of the polymer Movement is limited, the film is difficult to stretch, hard and brittle. On the other hand, the sulfonimide group of the polymer (I) has more resonance structure and higher charge dispersibility than the sulfonic acid group. Therefore, in the polymer electrolyte membrane using the polymer (I), the intermolecular interaction in the side chain is smaller and the movement of the main chain of the polymer (I) is difficult to be restricted. It is thought to improve.

[固体高分子電解質膜の製造方法]
固体高分子電解質膜の製造方法としては、前述のようにポリマー(F)の−SOF基をスルホンイミド基に変換してポリマー(I)を得た後、ポリマー(I)を用いて固体高分子電解質膜を形成する方法が好ましい。
ポリマー(F)の−SOF基のスルホンイミド化は、スルホンイミド化の効率の点から、ポリマー(F)の−SOF基をスルホンアミド基に変換した後に、該スルホンアミド基をスルホンイミド基に変換する方法が好ましい。
[Method for producing solid polymer electrolyte membrane]
As a method for producing a solid polymer electrolyte membrane, a polymer (I) is obtained by converting a —SO 2 F group of a polymer (F) into a sulfonimide group as described above, and then a solid is formed using the polymer (I). A method of forming a polymer electrolyte membrane is preferred.
The sulfonidation of the —SO 2 F group of the polymer (F) is performed by converting the —SO 2 F group of the polymer (F) to a sulfonamide group and then converting the sulfonamide group to a sulfonamide group from the viewpoint of the efficiency of sulfonimidation. A method of converting to an imide group is preferred.

ポリマー(I)を用いて固体高分子電解質膜を形成する方法としては、たとえば、ポリマー(I)と液状媒体とを含み、液状媒体中にポリマー(I)が分散した液状組成物を基材フィルムまたは触媒層上に塗工し、乾燥させる方法(キャスト法)が挙げられる。   As a method for forming a solid polymer electrolyte membrane using the polymer (I), for example, a base film is formed from a liquid composition containing the polymer (I) and a liquid medium, and the polymer (I) is dispersed in the liquid medium. Alternatively, a method of coating on the catalyst layer and drying (casting method) can be mentioned.

液状媒体としては、ポリマー(I)の分散性が良好である点から、炭化水素アルコールを含むものが好ましく、炭化水素アルコールと水の混合溶媒がより好ましい。炭化水素アルコールとしては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール等が挙げられる。炭化水素アルコールは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。   As a liquid medium, the thing containing hydrocarbon alcohol is preferable from the point that the dispersibility of polymer (I) is favorable, and the mixed solvent of hydrocarbon alcohol and water is more preferable. Examples of the hydrocarbon alcohol include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol and the like. A hydrocarbon alcohol may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.

液状媒体中の炭化水素アルコールの割合は、5〜95質量%が好ましく、15〜85質量%がより好ましい。
液状媒体中のポリマー(I)の割合は、1〜50質量%が好ましく、3〜30質量%がより好ましい。
液状組成物の調製方法としては、たとえば、大気圧下、またはオートクレーブ等で密閉した状態下において、液状媒体中のポリマー(I)に撹拌等のせん断を加える方法が挙げられる。必要に応じて、超音波等のせん断を付与してもよい。液状組成物の調製の際の温度は、50〜180℃が好ましく、80〜130℃がより好ましい。時間は、1〜48時間が好ましく、2〜24時間がより好ましい。
The ratio of the hydrocarbon alcohol in the liquid medium is preferably 5 to 95% by mass, and more preferably 15 to 85% by mass.
The ratio of the polymer (I) in the liquid medium is preferably 1 to 50% by mass, and more preferably 3 to 30% by mass.
Examples of the method for preparing the liquid composition include a method in which shearing such as stirring is applied to the polymer (I) in the liquid medium under atmospheric pressure or a state sealed with an autoclave or the like. You may provide shearing, such as an ultrasonic wave, as needed. The temperature during the preparation of the liquid composition is preferably 50 to 180 ° C, more preferably 80 to 130 ° C. The time is preferably 1 to 48 hours, more preferably 2 to 24 hours.

固体高分子電解質膜を安定化させるために、液状組成物を基材フィルムなどの上に塗工し乾燥させた後、さらにアニール処理を行うことが好ましい。アニール処理の温度は、120〜200℃が好ましい。アニール処理の温度が120℃以上であれば、本発明のペルフルオロブロックポリマーが過度に含水しなくなる。アニール処理の温度が200℃以下であれば、イオン交換基の熱分解が抑えられる。   In order to stabilize the solid polymer electrolyte membrane, it is preferable to perform an annealing treatment after the liquid composition is applied on a substrate film and dried. The annealing temperature is preferably 120 to 200 ° C. When the annealing temperature is 120 ° C. or higher, the perfluoroblock polymer of the present invention does not contain excessive water. If the temperature of annealing treatment is 200 degrees C or less, the thermal decomposition of an ion exchange group will be suppressed.

以上説明した本発明の固体高分子電解質膜の製造方法によれば、ポリマー(I)を用いて薄膜化するため、高い機械的耐性を持ち、加湿と乾燥とが繰り返される環境でも破断しにくく、また固体高分子形燃料電池の発電性能を向上できる固体高分子電解質膜が得られる。   According to the method for producing a solid polymer electrolyte membrane of the present invention described above, since it is thinned using the polymer (I), it has high mechanical resistance and is difficult to break even in an environment where humidification and drying are repeated, In addition, a solid polymer electrolyte membrane that can improve the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell can be obtained.

[固体高分子形燃料電池用膜電極接合体]
本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体(以下、単に「膜電極接合体」とも記す。)は、触媒層を有するアノードと、触媒層を有するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された本発明の固体高分子電解質膜とを備える膜電極接合体である。
図1は、本発明の膜電極接合体の一例を示す断面図である。膜電極接合体10は、触媒層11およびガス拡散層12を有するアノード13と、触媒層11およびガス拡散層12を有するカソード14と、アノード13とカソード14との間に、触媒層11に接した状態で配置される固体高分子電解質膜15とを具備する。
[Membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells]
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter also simply referred to as “membrane electrode assembly”) includes an anode having a catalyst layer, a cathode having a catalyst layer, the anode, and the cathode. It is a membrane electrode assembly provided with the solid polymer electrolyte membrane of this invention arrange | positioned between.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the membrane electrode assembly of the present invention. The membrane electrode assembly 10 is in contact with the catalyst layer 11 between the anode 13 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, the cathode 14 having the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12, and the anode 13 and the cathode 14. And a solid polymer electrolyte membrane 15 arranged in the above state.

触媒層は、触媒と、イオン交換樹脂とを含む層である。
触媒としては、カーボン担体に白金または白金合金を担持した担持触媒が挙げられる。
カーボン担体としては、カーボンブラック粉末、ブラファイト化カーボン、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
イオン交換樹脂としては、触媒層に用いられる公知のイオン交換樹脂が挙げられ、クラックが入りにくい触媒層を形成できる点から、ポリマー(I)、またはポリマー(F)の−SOF基を−SOH基などのスルホンイミド基以外のイオン交換基に変換したポリマーが好ましい。
The catalyst layer is a layer containing a catalyst and an ion exchange resin.
Examples of the catalyst include a supported catalyst in which platinum or a platinum alloy is supported on a carbon support.
Examples of the carbon carrier include carbon black powder, bluffed carbon, carbon fiber, and carbon nanotube.
Examples of the ion exchange resin include known ion exchange resins used for the catalyst layer. From the viewpoint of forming a catalyst layer that is difficult to crack, the polymer (I) or the —SO 2 F group of the polymer (F) is — Polymers converted to ion exchange groups other than sulfonimide groups such as SO 3 H groups are preferred.

ガス拡散層は、触媒層に均一にガスを拡散させる機能および集電体としての機能を有する。
ガス拡散層としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等が挙げられる。
ガス拡散層は、ポリテトラフルオロエチレン等によって撥水化処理されていることが好ましい。
The gas diffusion layer has a function of uniformly diffusing gas in the catalyst layer and a function as a current collector.
Examples of the gas diffusion layer include carbon paper, carbon cloth, carbon felt and the like.
The gas diffusion layer is preferably subjected to water repellent treatment with polytetrafluoroethylene or the like.

図2に示すように、膜電極接合体10は、触媒層11とガス拡散層12との間にカーボン層16を有してもよい。
カーボン層を配置することにより、触媒層の表面のガス拡散性が向上し、固体高分子形燃料電池の発電性能が大きく向上する。
カーボン層は、カーボンと非イオン性含フッ素ポリマーとを含む層である。
カーボンとしては、カーボン粒子、カーボンファイバー等が挙げられ、繊維径1〜1000nm、繊維長1000μm以下のカーボンナノファイバーが好ましい。
非イオン性含フッ素ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。
As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 10 may have a carbon layer 16 between the catalyst layer 11 and the gas diffusion layer 12.
By disposing the carbon layer, the gas diffusibility on the surface of the catalyst layer is improved, and the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell is greatly improved.
The carbon layer is a layer containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer.
Examples of carbon include carbon particles and carbon fibers, and carbon nanofibers having a fiber diameter of 1 to 1000 nm and a fiber length of 1000 μm or less are preferable.
Examples of the nonionic fluorine-containing polymer include polytetrafluoroethylene.

固体高分子電解質膜は、本発明の固体高分子電解質膜である。   The solid polymer electrolyte membrane is the solid polymer electrolyte membrane of the present invention.

膜電極接合体がカーボン層を有しない場合、膜電極接合体は、たとえば、下記の方法にて製造される。
・固体高分子電解質膜上に触媒層を形成して膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み込む方法。
・ガス拡散層上に触媒層を形成して電極(アノード、カソード)とし、固体高分子電解質膜を該電極で挟み込む方法。
When the membrane / electrode assembly does not have a carbon layer, the membrane / electrode assembly is produced, for example, by the following method.
A method in which a catalyst layer is formed on a solid polymer electrolyte membrane to form a membrane catalyst layer assembly, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between gas diffusion layers.
A method in which a catalyst layer is formed on a gas diffusion layer to form electrodes (anode, cathode), and a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the electrodes.

膜電極接合体がカーボン層を有する場合、膜電極接合体は、たとえば、下記の方法にて製造される。
・基材フィルム上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗工し、乾燥させてカーボン層を形成し、カーボン層上に触媒層を形成し、触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせ、基材フィルムを剥離して、カーボン層を有する膜触媒層接合体とし、該膜触媒層接合体をガス拡散層で挟み込む方法。
・ガス拡散層上に、カーボンおよび非イオン性含フッ素ポリマーを含む分散液を塗工し、乾燥させてカーボン層を形成し、固体高分子電解質膜上に触媒層を形成した膜触媒層接合体を、カーボン層を有するガス拡散層で挟み込む方法。
When the membrane / electrode assembly has a carbon layer, the membrane / electrode assembly is produced, for example, by the following method.
-A dispersion containing carbon and a nonionic fluorine-containing polymer is coated on a base film, dried to form a carbon layer, a catalyst layer is formed on the carbon layer, and the catalyst layer and solid polymer electrolyte A method in which a membrane is bonded, a base film is peeled off to form a membrane catalyst layer assembly having a carbon layer, and the membrane catalyst layer assembly is sandwiched between gas diffusion layers.
A membrane-catalyst layer assembly in which a dispersion containing carbon and a nonionic fluoropolymer is applied on the gas diffusion layer and dried to form a carbon layer, and a catalyst layer is formed on the solid polymer electrolyte membrane Is sandwiched between gas diffusion layers having a carbon layer.

触媒層の形成方法としては、下記の方法が挙げられる。
・触媒層形成用塗工液を、固体高分子電解質膜、ガス拡散層、またはカーボン層上に塗工し、乾燥させる方法。
・触媒層形成用塗工液を基材フィルム上に塗工し、乾燥させて触媒層を形成し、該触媒層を固体高分子電解質膜上に転写する方法。
Examples of the method for forming the catalyst layer include the following methods.
A method in which a coating liquid for forming a catalyst layer is applied onto a solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer, or a carbon layer and dried.
A method in which a catalyst layer forming coating solution is applied onto a substrate film, dried to form a catalyst layer, and the catalyst layer is transferred onto a solid polymer electrolyte membrane.

触媒層形成用塗工液は、イオン交換樹脂および触媒を液状媒体に分散させた液である。触媒層形成用塗工液は、たとえば、本発明の液状組成物と、触媒の分散液とを混合することにより調製できる。   The coating liquid for forming a catalyst layer is a liquid in which an ion exchange resin and a catalyst are dispersed in a liquid medium. The coating liquid for forming a catalyst layer can be prepared, for example, by mixing the liquid composition of the present invention and a catalyst dispersion.

以上説明した本発明の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、本発明の固体高分子電解質膜を備えるため、固体高分子電解質膜が破断しにくく、発電性能に優れる。   Since the membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention described above includes the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polymer electrolyte membrane is hardly broken and has excellent power generation performance.

[固体高分子形燃料電池]
本発明の固体高分子形燃料電池は、本発明の膜電極接合体を備えるものである。膜電極接合体の両面に、ガスの流路となる溝が形成されたセパレータを配置することにより、固体高分子形燃料電池が得られる。
セパレータとしては、金属製セパレータ、カーボン製セパレータ、黒鉛と樹脂を混合した材料からなるセパレータ等、各種導電性材料からなるセパレータが挙げられる。
[Polymer fuel cell]
The solid polymer fuel cell of the present invention comprises the membrane electrode assembly of the present invention. A polymer electrolyte fuel cell can be obtained by disposing separators in which grooves serving as gas flow paths are formed on both surfaces of the membrane electrode assembly.
Examples of the separator include a separator made of various conductive materials such as a metal separator, a carbon separator, and a separator made of a material in which graphite and a resin are mixed.

固体高分子形燃料電池においては、カソードに酸素を含むガス、アノードに水素を含むガスを供給することにより、発電が行われる。また、アノードにメタノールを供給して発電を行うメタノール燃料電池にも、膜電極接合体を適用できる。   In a polymer electrolyte fuel cell, power generation is performed by supplying a gas containing oxygen to the cathode and a gas containing hydrogen to the anode. The membrane electrode assembly can also be applied to a methanol fuel cell that generates power by supplying methanol to the anode.

以上説明した本発明の固体高分子形燃料電池は、本発明の膜電極接合体を備えるため、固体高分子電解質膜の破断が抑えられ、発電性能に優れている。   Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention described above includes the membrane electrode assembly of the present invention, breakage of the solid polymer electrolyte membrane is suppressed, and the power generation performance is excellent.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
例1〜6は実験例であり、例7は実施例であり、例8〜10は比較例である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited by the following description.
Examples 1 to 6 are experimental examples, Example 7 is an example, and Examples 8 to 10 are comparative examples.

(各単位の割合)
ポリマー(F)における各単位の割合については、19F−NMRの測定結果から求めた。
(Percentage of each unit)
About the ratio of each unit in a polymer (F), it calculated | required from the measurement result of 19 F-NMR.

(TQ値)
長さ1mm、内径1mmのノズルを備えたフローテスタCFT−500A(島津製作所製)を用い、2.94MPaの押出し圧力の条件で温度を変えてポリマーの押出し量が100mm/秒となる温度(TQ値)を求めた。TQが高いほどポリマーの分子量は大きい。
(TQ value)
Using a flow tester CFT-500A (manufactured by Shimadzu Corporation) equipped with a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm, the temperature is changed under the condition of an extrusion pressure of 2.94 MPa, and the polymer extrusion rate becomes 100 mm 3 / second ( TQ value) was obtained. The higher the TQ, the higher the molecular weight of the polymer.

(引張試験)
各例で得た厚さ25μmのポリマー膜をJIS K 6251にて規定の7号形ダンベルの形状に打ち抜き、試験片を温度80℃、湿度3%RHの環境下で60mm/分の引張速度で引張り、破断伸度を測定した。破断伸度は初期長さに対する破断時の長さの百分率として規格化した。引張試験機には、RTE−1210(製品名:万能試験機(テンシロン)、オリエンテック社製)を用いた。
(Tensile test)
The polymer film having a thickness of 25 μm obtained in each example was punched into the shape of a No. 7 type dumbbell defined in JIS K 6251, and the test piece was pulled at a tensile rate of 60 mm / min in an environment of temperature 80 ° C. and humidity 3% RH. Tensile and elongation at break were measured. The elongation at break was normalized as a percentage of the length at break relative to the initial length. As the tensile tester, RTE-1210 (product name: universal tester (Tensilon), manufactured by Orientec Corp.) was used.

(WF値)
各例で得た厚さ25μmのポリマー膜をJIS K 6251にて規定の7号形ダンベルの形状に打ち抜き、試験片の引張方向の中央部における両端部に、引張方向と垂直な方向に長さ0.5mmの直線状の亀裂(ノッチ)をそれぞれ形成した。試験片を温度80℃、湿度3%RHの環境下で100mm/分の引張速度で引張り、亀裂同士が合一化して試験片が破断するまでの引張距離に応じた力を測定した。引張距離(単位:mm)をX軸にとり、引張距離に応じた力(単位:N)をY軸にとってグラフをプロットし、プロットしたグラフとX軸とで囲まれた部分の面積を算出してWF値とした。引張試験機には、RTE−1210(製品名:万能試験機(テンシロン)、オリエンテック社製)を用いた。WF値は試験片が破断するまでに要する仕事(エネルギー)に相当する値であり、膜の亀裂進展耐性を反映する値である。WF値が高いほど、亀裂が進展しにくい。
(WF value)
The polymer film with a thickness of 25 μm obtained in each example was punched into the shape of a No. 7 dumbbell specified by JIS K 6251, and the length in the direction perpendicular to the tensile direction at both ends in the center of the tensile direction of the test piece. 0.5 mm straight cracks (notches) were formed. The test piece was pulled at a tensile speed of 100 mm / min in an environment of a temperature of 80 ° C. and a humidity of 3% RH, and the force corresponding to the tensile distance until the cracks were united and the test piece broke was measured. Plot the graph with the tensile distance (unit: mm) on the X axis and the force (unit: N) corresponding to the tensile distance on the Y axis, and calculate the area of the part surrounded by the plotted graph and the X axis The WF value was used. As the tensile tester, RTE-1210 (product name: universal tester (Tensilon), manufactured by Orientec Corp.) was used. The WF value is a value corresponding to the work (energy) required until the test piece breaks, and is a value reflecting the resistance to crack growth of the film. The higher the WF value, the harder the cracks to progress.

(イオン交換容量)
各例で得た厚さ25μmのポリマー膜を120℃で12時間真空乾燥した。ポリマー膜を0.85モル/gの水酸化ナトリウム溶液(溶媒:水/メタノール=10/90(質量比))に浸漬して、イオン交換基を中和した。イオン交換基を中和した後の水酸化ナトリウム溶液を0.1モル/Lの塩酸で逆滴定してポリマー膜のイオン交換容量(ミリ当量/g乾燥樹脂)を求めた。
(Ion exchange capacity)
The polymer film having a thickness of 25 μm obtained in each example was vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours. The polymer membrane was immersed in a 0.85 mol / g sodium hydroxide solution (solvent: water / methanol = 10/90 (mass ratio)) to neutralize the ion exchange groups. The sodium hydroxide solution after neutralizing the ion exchange groups was back titrated with 0.1 mol / L hydrochloric acid to determine the ion exchange capacity (milli equivalent / g dry resin) of the polymer membrane.

(発電性能)
各例で得た膜電極接合体を発電用セルに組み込み、膜電極接合体の温度を95℃に維持し、アノードに水素(利用率70%)、カソードに酸素(利用率50%)をそれぞれ151kPa(絶対圧力)に加圧して供給した。ガスの加湿度は水素、酸素ともに相対湿度20%RHとし、発電性能としてセル電圧が0.6Vのときの電流密度を記録した。電流密度が高いほど、燃料電池における出力密度を上げることができるため好ましい。
(Power generation performance)
The membrane electrode assembly obtained in each example was incorporated into a power generation cell, the temperature of the membrane electrode assembly was maintained at 95 ° C., hydrogen (utilization rate 70%) at the anode, and oxygen (utilization rate 50%) at the cathode, respectively. The pressure was supplied to 151 kPa (absolute pressure). The humidity of the gas was 20% RH for both hydrogen and oxygen, and the current density when the cell voltage was 0.6 V was recorded as the power generation performance. A higher current density is preferable because an output density in the fuel cell can be increased.

(略号)
TFE:テトラフルオロエチレン(CF=CF)、
P2SVE:化合物(m1−2)、
PSVE:化合物(m2−1)、
HFC−52−13p:CF(CFH、
HCFC−141b:CClFCH
HCFC−225cb:CClFCFCHClF、
DMAc:N,N−ジメチルアセトアミド。
(Abbreviation)
TFE: tetrafluoroethylene (CF 2 = CF 2 ),
P2SVE: Compound (m1-2),
PSVE: Compound (m2-1),
HFC-52-13p: CF 3 (CF 2 ) 5 H,
HCFC-141b: CCl 2 FCH 3 ,
HCFC-225cb: CClF 2 CF 2 CHClF,
DMAc: N, N-dimethylacetamide.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

(製造例1:ポリマー(F−1)の製造)
オートクレーブ(内容積1L、ステンレス製)に、P2SVEの800.0gを入れ、氷冷下でオートクレーブ内を蒸気圧まで脱気した。内温を57℃に昇温し、オートクレーブにTFEを導入し、圧力を0.9MPaG(ゲージ圧)とした。HFC−52−13pの8.0gに予めジメチル2、2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)の0.323gを溶解させた溶液を加えて重合を開始し、温度と圧力を維持したままTFEを連続添加して重合を行った。6時間後、TFEの添加量が45.8gとなったところでオートクレーブを冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。
重合後の後処理として、反応液をHFC−52−13pで希釈後、HCFC−141bとノルマルヘキサンの混合液を添加し、ポリマーを凝集してろ過した。その後、HFC−52−13p中でポリマーを撹拌して、HCFC−141bとノルマルヘキサンの混合液で再凝集する操作を2回繰り返した。120℃で一晩減圧乾燥して、TFE/P2SVEコポリマーからなるポリマー(F−1)の109.7gを得た。
ポリマー(F−1)の組成は、TFE単位/P2SVE単位=82.7/17.3(モル比)であった。ポリマー(F−1)のTQ値は、264℃であった。
(Production Example 1: Production of polymer (F-1))
In an autoclave (internal volume: 1 L, made of stainless steel), 800.0 g of P2SVE was put, and the inside of the autoclave was deaerated to the vapor pressure under ice cooling. The internal temperature was raised to 57 ° C., TFE was introduced into the autoclave, and the pressure was set to 0.9 MPaG (gauge pressure). Polymerization was started by adding a solution prepared by dissolving 0.323 g of dimethyl 2,2′-azobis (2-methylpropionate) in 8.0 g of HFC-52-13p, and maintaining the temperature and pressure. Polymerization was carried out by continuously adding TFE. After 6 hours, when the amount of TFE added reached 45.8 g, the autoclave was cooled to stop the polymerization, and the gas in the system was purged.
As a post-treatment after the polymerization, the reaction solution was diluted with HFC-52-13p, a mixed solution of HCFC-141b and normal hexane was added, and the polymer was aggregated and filtered. Thereafter, the operation of stirring the polymer in HFC-52-13p and reaggregating with a mixed solution of HCFC-141b and normal hexane was repeated twice. It dried under reduced pressure at 120 degreeC overnight, and 109.7g of the polymer (F-1) which consists of a TFE / P2SVE copolymer was obtained.
The composition of the polymer (F-1) was TFE units / P2SVE units = 82.7 / 17.3 (molar ratio). The TQ value of the polymer (F-1) was 264 ° C.

(製造例2:ポリマー(F−2)の製造)
オートクレーブ(内容積2.5L、ステンレス製)に、PSVEの123.8g、P2SVEの1550.6g、HCFC−225cbの108.6g、およびジメチル2、2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)の0.179gを入れ、氷冷下でオートクレーブ内を蒸気圧まで脱気した。内温を66℃に昇温し、オートクレーブにTFEを導入し、圧力を1.14MPaGとした。温度と圧力を維持したままTFEを連続添加して重合を行った。6.4時間後、TFEの添加量が124.7gとなったところでオートクレーブを冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。
製造例1と同様の後処理を行い、TFE/PSVE/P2SVEコポリマーからなるポリマー(F−2)の276gを得た。
ポリマー(F−2)の組成は、TFE単位/PSVE単位/P2SVE単位=83.0/1.7/15.3(モル比)であった。ポリマー(F−2)のTQ値は、230℃であった。
(Production Example 2: Production of polymer (F-2))
In an autoclave (inner volume 2.5 L, made of stainless steel), 123.8 g of PSVE, 1550.6 g of P2SVE, 108.6 g of HCFC-225cb, and dimethyl 2,2′-azobis (2-methylpropionate) 0.179 g was added, and the inside of the autoclave was deaerated to the vapor pressure under ice cooling. The internal temperature was raised to 66 ° C., TFE was introduced into the autoclave, and the pressure was adjusted to 1.14 MPaG. While maintaining the temperature and pressure, TFE was continuously added for polymerization. After 6.4 hours, when the amount of TFE added reached 124.7 g, the autoclave was cooled to stop the polymerization, and the gas in the system was purged.
The post-process similar to manufacture example 1 was performed, and 276g of the polymer (F-2) which consists of a TFE / PSVE / P2SVE copolymer was obtained.
The composition of the polymer (F-2) was TFE unit / PSVE unit / P2SVE unit = 83.0 / 1.7 / 15.3 (molar ratio). The TQ value of the polymer (F-2) was 230 ° C.

(製造例3:ポリマー(F−3)の製造)
オートクレーブ(内容積230mL、ハステロイ製)に、PSVEの170.0g、溶媒としてHCFC−225cbの3.3g、開始剤として2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)の52.00mg、を仕込み、液体窒素で冷却して脱気した。その後、65℃に昇温して、TFEを系内に導入し圧力を1.07MPaGに保持した。圧力が1.07MPaGで一定になるように、TFEを連続的に添加して重合を行った。8.0時間経過後、TFEの添加量が9.1gとなったところでオートクレーブを冷却して、系内のガスをパージして重合を停止した。
得られたポリマー溶液をHCFC−225cbで希釈してから、HCFC−141bを添加して、凝集した。HCFC−225cbおよびHCFC−141bを用いて洗浄を行った後、乾燥して、TFE/PSVEコポリマーからなるポリマー(F−3)の17.8gを得た。ポリマー(F−3)の組成は、TFE単位/PSVE単位=78.1/21.9(モル比)であった。ポリマー(F−3)のTQ値は234℃であった。
(Production Example 3: Production of polymer (F-3))
In an autoclave (internal volume 230 mL, manufactured by Hastelloy), 170.0 g of PSVE, 3.3 g of HCFC-225cb as a solvent, 52.00 mg of 2,2′-azobis (isobutyronitrile) as an initiator, It was degassed by cooling with liquid nitrogen. Thereafter, the temperature was raised to 65 ° C., TFE was introduced into the system, and the pressure was maintained at 1.07 MPaG. Polymerization was performed by continuously adding TFE so that the pressure was constant at 1.07 MPaG. After the elapse of 8.0 hours, when the amount of TFE added was 9.1 g, the autoclave was cooled and the gas in the system was purged to stop the polymerization.
The obtained polymer solution was diluted with HCFC-225cb, and then HCFC-141b was added to cause aggregation. After washing with HCFC-225cb and HCFC-141b, it was dried to obtain 17.8 g of a polymer (F-3) comprising a TFE / PSVE copolymer. The composition of the polymer (F-3) was TFE unit / PSVE unit = 78.1 / 21.9 (molar ratio). The TQ value of the polymer (F-3) was 234 ° C.

(製造例4:ポリマー(F−4)の製造)
オートクレーブ(内容積230mL、ハステロイ製)に、PSVEの123.8g、溶媒としてHCFC−225cbの35.2g、開始剤として2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)の63.62mg、を仕込み、液体窒素で冷却して脱気した。その後、70℃に昇温して、TFEを系内に導入し圧力を1.14MPaGに保持した。圧力が1.14MPaGで一定になるように、TFEを連続的に添加して重合を行った。7.9時間経過後、TFEの添加量が12.4gとなったところでオートクレーブを冷却して、系内のガスをパージして重合を停止した。
製造例3と同様の後処理を行い、TFE/PSVEコポリマーからなるポリマー(F−4)の25.1gを得た。ポリマー(F−4)の組成は、TFE単位/PSVE単位=82.3/17.7(モル比)であった。ポリマー(F−4)のTQ値は225℃であった。
(Production Example 4: Production of polymer (F-4))
An autoclave (internal volume: 230 mL, manufactured by Hastelloy) was charged with 123.8 g of PSVE, 35.2 g of HCFC-225cb as a solvent, and 63.62 mg of 2,2′-azobis (isobutyronitrile) as an initiator, It was degassed by cooling with liquid nitrogen. Thereafter, the temperature was raised to 70 ° C., TFE was introduced into the system, and the pressure was maintained at 1.14 MPaG. Polymerization was performed by continuously adding TFE so that the pressure was constant at 1.14 MPaG. After 7.9 hours, when the amount of TFE added was 12.4 g, the autoclave was cooled and the gas in the system was purged to stop the polymerization.
The post-process similar to manufacture example 3 was performed, and 25.1g of the polymer (F-4) which consists of a TFE / PSVE copolymer was obtained. The composition of the polymer (F-4) was TFE unit / PSVE unit = 82.3 / 17.7 (molar ratio). The TQ value of the polymer (F-4) was 225 ° C.

(製造例5:ポリマー(F−5)の製造)
オートクレーブ(内容積1L、ステンレス製)に、P2SVEの495.0g、HCFC−225cbの76.0g、および2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)の0.343gを入れ、氷冷下でオートクレーブ内を蒸気圧まで脱気した。内温を65℃に昇温し、オートクレーブにTFEを導入し、圧力を1.15MPaGとした。温度と圧力を維持したままTFEを連続添加して重合を行った。11.5時間後、TFEの添加量が39.8gとなったところでオートクレーブを冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。
製造例1と同様の後処理を行い、TFE/P2SVEコポリマーからなるポリマー(F−5)の98.5gを得た。
ポリマー(F−5)の組成は、TFE単位/P2SVE単位=85.6/14.4(モル比)であった。ポリマー(F−5)のTQ値は、245℃であった。
(Production Example 5: Production of polymer (F-5))
In an autoclave (internal volume: 1 L, made of stainless steel), 495.0 g of P2SVE, 76.0 g of HCFC-225cb, and 0.343 g of 2,2′-azobis (isobutyronitrile) were placed, and the autoclave was cooled with ice. The inside was deaerated to the vapor pressure. The internal temperature was raised to 65 ° C., TFE was introduced into the autoclave, and the pressure was adjusted to 1.15 MPaG. While maintaining the temperature and pressure, TFE was continuously added for polymerization. After 11.5 hours, when the amount of TFE added reached 39.8 g, the autoclave was cooled to stop the polymerization, and the gas in the system was purged.
The post-process similar to manufacture example 1 was performed, and 98.5g of the polymer (F-5) which consists of a TFE / P2SVE copolymer was obtained.
The composition of the polymer (F-5) was TFE unit / P2SVE unit = 85.6 / 14.4 (molar ratio). The TQ value of the polymer (F-5) was 245 ° C.

(製造例6:ポリマー(F−6)の製造)
オートクレーブ(内容積230mL、ハステロイ製)に、PSVEの49.4g、P2SVEの84.2g、HCFC−225cbの9.9g、およびジメチル2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)の0.029gを入れ、氷冷下でオートクレーブ内を蒸気圧まで脱気した。内温を65℃に昇温し、オートクレーブにTFEを導入し、圧力を1.14MPaGとした。温度と圧力を維持したままTFEを連続添加して重合を行った。7.0時間後、TFEの添加量が7.5gとなったところでオートクレーブを冷却して重合を停止し、系内のガスをパージした。
製造例1と同様の後処理を行い、TFE/PSVE/P2SVEコポリマーからなるポリマー(F−6)の16.0gを得た。
ポリマー(F−6)の組成は、TFE単位/PSVE単位/P2SVE単位=82.8/7.7/9.5(モル比)であった。ポリマー(F−6)のTQ値は、242℃であった。
(Production Example 6: Production of polymer (F-6))
In an autoclave (internal volume 230 mL, manufactured by Hastelloy), 49.4 g of PSVE, 84.2 g of P2SVE, 9.9 g of HCFC-225cb, and 0.029 g of dimethyl 2,2′-azobis (isobutyronitrile) were added. The autoclave was deaerated to the vapor pressure under ice cooling. The internal temperature was raised to 65 ° C., TFE was introduced into the autoclave, and the pressure was adjusted to 1.14 MPaG. While maintaining the temperature and pressure, TFE was continuously added for polymerization. After 7.0 hours, when the amount of TFE added reached 7.5 g, the autoclave was cooled to stop the polymerization, and the gas in the system was purged.
The post-process similar to manufacture example 1 was performed, and 16.0g of the polymer (F-6) which consists of a TFE / PSVE / P2SVE copolymer was obtained.
The composition of the polymer (F-6) was TFE unit / PSVE unit / P2SVE unit = 82.8 / 7.7 / 9.5 (molar ratio). The TQ value of the polymer (F-6) was 242 ° C.

(例1)
製造例1で得たポリマー(F−1)の40gを、HFC−52−13pの3000gとともに温度計、撹拌機を備えた2.5Lのオートクレーブに入れ、125℃に加熱撹拌して溶液を調製した。該溶液を冷却した後、オートクレーブを開蓋してポリマー(F−1)の溶解を確認した。溶液は白味を帯びた透明の液体であった。再びオートクレーブを閉じ、気相部を窒素で置換した後、オートクレーブをドライアイス/エタノール浴に浸し、200rpmの速度で撹拌しながら冷却した。内温が−20℃まで低下した後、気相部よりアンモニアガスの35.6gを導入した。アンモニアガスの導入は内温が−15℃を上回らないよう速度を調節しながら行い、この間、内温を−21℃〜−17℃となるように制御した。この時の内圧は0.1MPaであった。導入終了後、オートクレーブの冷却を終了した。−12℃まで温度が上がったところで気相部に窒素を導入して内圧を0.5MPaまで加圧した。6時間かけて徐々に室温まで昇温させ、その後48時間室温にて反応を継続させた。アンモニアガスをパージし、容器の内圧を常圧まで戻した。パージ完了後、耐圧容器を開蓋したところ、溶液中に白色から淡黄色のポリマーが析出しているのを確認した。析出したポリマーを吸引ろ過にて溶媒から分離し、HFC−52−13pでポリマーを洗浄した。ポリマーを3Nの塩酸にて6回洗浄し、さらに超純水にて5回洗浄した後乾燥し、白色固体の40.5gを得た。
得られた白色固体を赤外分光分析法により分析したところ、ポリマー(F−1)が有する1468cm−1付近の−SOF基由来のピークは完全に消失し、代わって1386cm−1付近のスルホンアミド基(−SONH基)由来のピークが現れていること、すなわち−SOF基が−SONH基へと変換されたスルホンアミド型ポリマー(A−1)が生成していることを確認した。
(Example 1)
40 g of the polymer (F-1) obtained in Production Example 1 was put in a 2.5 L autoclave equipped with a thermometer and a stirrer together with 3000 g of HFC-52-13p, and heated to 125 ° C. to prepare a solution. did. After the solution was cooled, the autoclave was opened and dissolution of the polymer (F-1) was confirmed. The solution was a whitish clear liquid. The autoclave was closed again and the gas phase portion was replaced with nitrogen, and then the autoclave was immersed in a dry ice / ethanol bath and cooled with stirring at a speed of 200 rpm. After the internal temperature decreased to −20 ° C., 35.6 g of ammonia gas was introduced from the gas phase. Ammonia gas was introduced while adjusting the speed so that the internal temperature did not exceed -15 ° C. During this time, the internal temperature was controlled to be -21 ° C to -17 ° C. The internal pressure at this time was 0.1 MPa. After the introduction, cooling of the autoclave was finished. When the temperature rose to −12 ° C., nitrogen was introduced into the gas phase and the internal pressure was increased to 0.5 MPa. The temperature was gradually raised to room temperature over 6 hours, and then the reaction was continued at room temperature for 48 hours. Ammonia gas was purged and the internal pressure of the container was returned to normal pressure. When the pressure vessel was opened after the purge was completed, it was confirmed that a white to light yellow polymer was precipitated in the solution. The precipitated polymer was separated from the solvent by suction filtration, and the polymer was washed with HFC-52-13p. The polymer was washed 6 times with 3N hydrochloric acid, further washed 5 times with ultrapure water and then dried to obtain 40.5 g of a white solid.
When the obtained white solid was analyzed by infrared spectroscopy, the peak derived from the —SO 2 F group in the vicinity of 1468 cm −1 of the polymer (F-1) completely disappeared, and instead of the vicinity of 1386 cm −1 . A peak derived from a sulfonamide group (—SO 2 NH 2 group) appears, that is, a sulfonamide type polymer (A-1) in which —SO 2 F group is converted to —SO 2 NH 2 group is formed. Confirmed that.

ポリマー(A−1)の17gと、モレキュラーシーブス4Aを用いて脱水したDMAcの904.6gを、温度計、撹拌機を備えた1.5Lのオートクレーブに入れ、気相部を窒素で置換した後120℃に加熱してスルホンアミド型ポリマーを溶解した。溶解後のポリマー溶液は薄い黄色を呈した透明液体であった。オートクレーブを氷冷下で冷却した後、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンの14.9gを一括にて仕込み、次いでCFSOFガスの17.0gを気相部より徐々にフィードした。なおフィードに伴い反応系の発熱が見られたが、反応液の温度が5〜15℃に保たれるよう、フィード速度を調節した。その後、オートクレーブを加温し、反応液の温度を58〜62℃に保ったまま20時間反応させた。反応の進行に伴い、反応溶液の粘度は徐々に上昇した。反応終了後、反応溶液をガラスシャーレ上にキャストし、80℃に設定されたホットプレート上で4時間乾燥し、次いで80℃の真空乾燥機内で2時間減圧乾燥し、厚さ150μm前後の膜を得た。
前記膜をアルカリ水溶液(水酸化カリウム:15質量%、ジメチルスルホキシド:30質量%、水:55質量%)中に80℃で60時間浸漬した後、洗浄水のpHが7になるまで水洗した。次いで、10質量%過酸化水素水に浸漬し、80℃で20時間処理した。この操作により薄茶色であった膜の色が無色透明になった。さらに80℃の3Nの塩酸水溶液に30分間浸漬し、次いで80℃の超純水に15分間浸漬した。塩酸水溶液への浸漬と超純水への浸漬のサイクルを合計5回実施し、その後、膜を浸漬している超純水のpHが7となるまで超純水洗浄を繰り返した。
膜を赤外分光分析法により分析したところ、ポリマー(A−1)が有する1386cm−1付近の−SONH基に由来するピークが消失し、1065cm−1、1320cm−1および1340cm−1付近の−SO(H)SOCF基に由来するピークが現れていることを確認した。すなわち−SONH基が−CF−SO(H)SOCF基へと変換されたスルホンイミドポリマー(I−1)が生成していることを確認した。ポリマー(F−1)が有する−SOF基が全てスルホンイミド基に変換されたと仮定すると、ポリマー(I−1)のイオン交換容量は1.51ミリ当量/g乾燥樹脂となる。
After 17 g of polymer (A-1) and 904.6 g of DMAc dehydrated using molecular sieves 4A were placed in a 1.5 L autoclave equipped with a thermometer and a stirrer, the gas phase was replaced with nitrogen. The sulfonamide type polymer was dissolved by heating to 120 ° C. The polymer solution after dissolution was a transparent liquid having a light yellow color. After cooling the autoclave under ice cooling, 14.9 g of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine was charged all at once, and then 17.0 g of CF 3 SO 2 F gas was gradually added from the gas phase portion. To feed. Although the reaction system exothermed with the feed, the feed rate was adjusted so that the temperature of the reaction solution was maintained at 5-15 ° C. Thereafter, the autoclave was heated and reacted for 20 hours while maintaining the temperature of the reaction solution at 58 to 62 ° C. As the reaction progressed, the viscosity of the reaction solution gradually increased. After completion of the reaction, the reaction solution is cast on a glass petri dish, dried on a hot plate set at 80 ° C. for 4 hours, and then dried under reduced pressure for 2 hours in a vacuum dryer at 80 ° C. to form a film having a thickness of about 150 μm. Obtained.
The membrane was immersed in an aqueous alkaline solution (potassium hydroxide: 15% by mass, dimethyl sulfoxide: 30% by mass, water: 55% by mass) at 80 ° C. for 60 hours, and then washed with water until the pH of the washing water reached 7. Subsequently, it was immersed in a 10% by mass hydrogen peroxide solution and treated at 80 ° C. for 20 hours. By this operation, the color of the film which was light brown became colorless and transparent. Further, it was immersed in an aqueous 3N hydrochloric acid solution at 80 ° C. for 30 minutes, and then immersed in ultrapure water at 80 ° C. for 15 minutes. A total of five cycles of immersion in an aqueous hydrochloric acid solution and immersion in ultrapure water were performed, and then the ultrapure water cleaning was repeated until the pH of the ultrapure water in which the membrane was immersed was 7.
When the film was analyzed by infrared spectroscopy, the peaks derived from the —SO 2 NH 2 group around 1386 cm −1 of the polymer (A-1) disappeared, and 1065 cm −1 , 1320 cm −1 and 1340 cm −1. It was confirmed that a peak derived from a nearby —SO 2 N + (H + ) SO 2 CF 3 group appeared. That is, it was confirmed that a sulfonimide polymer (I-1) in which —SO 2 NH 2 groups were converted to —CF 2 —SO 2 N + (H + ) SO 2 CF 3 groups was produced. Assuming that all —SO 2 F groups of the polymer (F-1) are converted to sulfonimide groups, the ion exchange capacity of the polymer (I-1) is 1.51 meq / g dry resin.

オートクレーブ(内容積200mL、ガラス製)に、細かく切断したポリマー(I−1)の10.5g、1−プロパノール/水の混合溶媒(25/75(質量比))の60.0gを加え、撹拌しながらオートクレーブを加熱した。115℃で20時間撹拌した後、水の30.5gを加えた。1時間撹拌した後、放冷し、加圧ろ過機(ろ紙:アドバンテック東洋社製、PF040)を用いてろ過することによって、ポリマー(I−1)が混合溶媒に9.9質量%で分散した液状組成物の98.3gを得た。   To an autoclave (internal volume 200 mL, glass), 10.5 g of finely cut polymer (I-1) and 60.0 g of 1-propanol / water mixed solvent (25/75 (mass ratio)) were added and stirred. The autoclave was heated while. After stirring at 115 ° C. for 20 hours, 30.5 g of water was added. After stirring for 1 hour, the mixture was allowed to cool and filtered using a pressure filter (filter paper: PF040, manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.), whereby the polymer (I-1) was dispersed in 9.9% by mass in the mixed solvent. 98.3 g of a liquid composition was obtained.

液状組成物を、ダイコーターを用いて基材フィルム上に塗工し、110℃の乾燥炉中で30分乾燥させた。その後、130℃の乾燥炉中で30分熱処理を行い、ポリマー(I−1)からなる厚さが25μmのポリマー膜を得た。   The liquid composition was coated on a base film using a die coater and dried in a drying furnace at 110 ° C. for 30 minutes. Thereafter, heat treatment was performed in a drying furnace at 130 ° C. for 30 minutes to obtain a polymer film made of polymer (I-1) having a thickness of 25 μm.

(例2)
ポリマー(F−1)をポリマー(F−2)に変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(A−2)得た。
ポリマー(A−1)の17gをポリマー(A−2)の20gに、また使用した試薬量をそれぞれDMAcの380.0g、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンの16.2g、CFSOFガスの21.2gへと変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(I−2)得た。ポリマー(F−2)が有するSOF基が全てスルホンイミド基に変換されたと仮定すると、ポリマー(I−2)のイオン交換容量は1.42ミリ当量/g乾燥樹脂となる。
(Example 2)
A polymer (A-2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer (F-1) was changed to the polymer (F-2).
17 g of polymer (A-1) to 20 g of polymer (A-2), and amounts of reagents used were 380.0 g of DMAc, 16.2 g of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, A polymer (I-2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the gas was changed to 21.2 g of CF 3 SO 2 F gas. Assuming that all SO 2 F groups of the polymer (F-2) are converted into sulfonimide groups, the ion exchange capacity of the polymer (I-2) is 1.42 meq / g dry resin.

オートクレーブ(内容積1L、ガラス製)に、細かく切断したポリマー(I−2)の28.0g、1−プロパノール/水の混合溶媒(25/75(質量比))の158.6gを加え、撹拌しながらオートクレーブを加熱した。次いで、加える水の量を20.8gとした以外は、例1と同様にしてポリマー(I−2)が混合溶媒に13.5質量%で分散した液状組成物の207.0gを得た。
ポリマー(I−2)が分散した液状組成物を用いる以外は、例1と同様にして、厚さが25μmのポリマー膜を得た。
To an autoclave (internal volume: 1 L, glass), 28.0 g of finely cut polymer (I-2) and 158.6 g of 1-propanol / water mixed solvent (25/75 (mass ratio)) were added and stirred. The autoclave was heated while. Next, 207.0 g of a liquid composition in which the polymer (I-2) was dispersed in the mixed solvent at 13.5% by mass was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of water added was 20.8 g.
A polymer film having a thickness of 25 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the liquid composition in which the polymer (I-2) was dispersed was used.

(例3)
ポリマー(F−1)をポリマー(F−3)に変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(A−3)得た。
ポリマー(A−1)の17gをポリマー(A−3)の20gに、また使用した試薬量をそれぞれDMAcの380.0g、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンの11.6g、CFSOFガスの15.2gへと変更した以外は、例1と同様にしてポリマー(I−3)得た。ポリマー(F−3)が有するSOF基が全てスルホンイミド基に変換されたと仮定すると、ポリマー(I−3)のイオン交換容量は1.05ミリ当量/g乾燥樹脂となる。
(Example 3)
A polymer (A-3) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer (F-1) was changed to the polymer (F-3).
17 g of polymer (A-1) was added to 20 g of polymer (A-3), and the amount of reagents used was 380.0 g of DMAc, 11.6 g of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, A polymer (I-3) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the CF 3 SO 2 F gas was changed to 15.2 g. Assuming that all SO 2 F groups of the polymer (F-3) are converted to sulfonimide groups, the ion exchange capacity of the polymer (I-3) is 1.05 meq / g dry resin.

オートクレーブ(内容積200mL、ガラス製)に、細かく切断したポリマー(I−3)の18.9g、エタノール/水の混合溶媒(60/40(質量比))の86.3gを加え、撹拌しながらオートクレーブを加熱した。次いで、加える水の量を17.4gとした以外は、例1と同様にしてポリマー(I−3)が混合溶媒に16.3質量%で分散した液状組成物の102.7gを得た。
ポリマー(I−3)が分散した液状組成物を用いる以外は、例1と同様にして、厚さが25μmのポリマー膜を得た。
To an autoclave (internal volume 200 mL, glass), 18.9 g of finely cut polymer (I-3) and 86.3 g of ethanol / water mixed solvent (60/40 (mass ratio)) were added and stirred. The autoclave was heated. Next, 102.7 g of a liquid composition in which the polymer (I-3) was dispersed in a mixed solvent at 16.3% by mass was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of water added was changed to 17.4 g.
A polymer film having a thickness of 25 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the liquid composition in which the polymer (I-3) was dispersed was used.

(例4)
ポリマー(F−4)を加圧プレス成形(240℃、4MPa)して厚さ200μmの膜を得た。ポリマー(F−4)の膜を、アルカリ水溶液(水酸化カリウム:15質量%、ジメチルスルホキシド:30質量%、水:55質量%)中に80℃で16時間浸漬させることによって、ポリマー(F−4)中の−SOF基を加水分解し、−SOK基に変換した。さらに該膜を、3モル/Lの塩酸水溶液に80℃で30分浸漬した後、80℃の超純水に15分間浸漬した。塩酸水溶液への浸漬と超純水への浸漬のサイクルを合計5回実施し、−SOK基をスルホン酸基(−SOH)に変換した。その後、膜を浸漬している水のpHが7となるまで超純水による洗浄を繰り返した後、膜を風乾し、ポリマー(S−1)の膜を得た。
(Example 4)
The polymer (F-4) was press-molded (240 ° C., 4 MPa) to obtain a 200 μm thick film. The polymer (F−) film was immersed in an aqueous alkali solution (potassium hydroxide: 15% by mass, dimethyl sulfoxide: 30% by mass, water: 55% by mass) at 80 ° C. for 16 hours. 4) The —SO 2 F group in 4) was hydrolyzed and converted to the —SO 3 K group. Further, the membrane was immersed in an aqueous 3 mol / L hydrochloric acid solution at 80 ° C. for 30 minutes, and then immersed in ultrapure water at 80 ° C. for 15 minutes. A total of five cycles of immersion in an aqueous hydrochloric acid solution and immersion in ultrapure water were performed to convert —SO 3 K groups into sulfonic acid groups (—SO 3 H). Thereafter, washing with ultrapure water was repeated until the pH of the water in which the membrane was immersed was 7, and then the membrane was air-dried to obtain a polymer (S-1) membrane.

オートクレーブ(内容積200mL、ガラス製)に、細かく切断したポリマー(S−1)の膜の20g、エタノール/水の混合溶媒(60/40(質量比))の56.9gを加え、撹拌しながらオートクレーブを加熱した。115℃で16時間撹拌した後に放冷し、加圧ろ過機(ろ紙:アドバンテック東洋社製、PF040)を用いてろ過することで、ポリマー(S−1)が混合溶媒に26.0質量%で分散した液状組成物の76.5gを得た。
ポリマー(S−1)が分散した液状組成物を用いる以外は、例1と同様にして、厚さが25μmのポリマー膜を得た。
To an autoclave (internal volume 200 mL, made of glass), 20 g of a finely cut polymer (S-1) membrane and 56.9 g of a mixed solvent of ethanol / water (60/40 (mass ratio)) were added and stirred. The autoclave was heated. After stirring at 115 ° C. for 16 hours, the mixture is allowed to cool, and filtered using a pressure filter (filter paper: PF040, manufactured by Advantech Toyo Co., Ltd.), so that the polymer (S-1) is 26.0% by mass in the mixed solvent. 76.5 g of the dispersed liquid composition was obtained.
A polymer film having a thickness of 25 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the liquid composition in which the polymer (S-1) was dispersed was used.

(例5)
ポリマー(F−4)の代わりにポリマー(F−5)を用いた以外は、例4と同様にしてポリマー(S−2)の膜を得た。
オートクレーブ(内容積200mL、ガラス製)に、細かく切断したポリマー(S−2)の8.4g、1−ブタノール/エタノール/水の混合溶媒(35/15/50(質量比))の68.0gを加え、撹拌しながらオートクレーブを加熱した。110℃で60時間撹拌した後、エタノールの13.8gと水の77.8gを加えた。24時間撹拌した後、放冷し、加圧ろ過機(ろ紙:アドバンテック東洋社製、PF040)を用いてろ過することによって、ポリマー(S−2)が混合溶媒に4.7質量%で分散した液状組成物の152.2gを得た。
ポリマー(S−2)が分散した液状組成物を用い、185℃の乾燥炉中で30分熱処理を行った以外は、例1と同様にして、厚さが25μmのポリマー膜を得た。
(Example 5)
A film of polymer (S-2) was obtained in the same manner as in Example 4 except that polymer (F-5) was used instead of polymer (F-4).
In an autoclave (internal volume 200 mL, glass), 8.4 g of finely cut polymer (S-2), 68.0 g of 1-butanol / ethanol / water mixed solvent (35/15/50 (mass ratio)) And the autoclave was heated with stirring. After stirring at 110 ° C. for 60 hours, 13.8 g of ethanol and 77.8 g of water were added. After stirring for 24 hours, the mixture was allowed to cool and filtered using a pressure filter (filter paper: Advantech Toyo Co., Ltd., PF040), whereby the polymer (S-2) was dispersed in a mixed solvent at 4.7% by mass. 152.2 g of a liquid composition was obtained.
A polymer film having a thickness of 25 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the liquid composition in which the polymer (S-2) was dispersed was heat-treated in a drying furnace at 185 ° C. for 30 minutes.

(例6)
ポリマー(F−3)の代わりにポリマー(F−6)を用いた以外は、例4と同様にしてポリマー(S−3)の膜を得た。
細かく切断したポリマー(S−3)の14.2g、エタノール/水の混合溶媒(60/40(質量比))の81.2gを加え、撹拌しながらオートクレーブを加熱した。次いで、加える水の量を12.4gとした以外は、例3と同様にしてポリマー(S−3)が混合溶媒に13.2質量%で分散した液状組成物の107.0gを得た。
ポリマー(S−3)が分散した液状組成物を用い、185℃の乾燥炉中で30分熱処理を行った以外は、例1と同様にして、厚さが25μmのポリマー膜を得た。
(Example 6)
A film of polymer (S-3) was obtained in the same manner as in Example 4 except that polymer (F-6) was used instead of polymer (F-3).
14.2 g of finely cut polymer (S-3) and 81.2 g of a mixed solvent of ethanol / water (60/40 (mass ratio)) were added, and the autoclave was heated with stirring. Next, 107.0 g of a liquid composition in which polymer (S-3) was dispersed in a mixed solvent at 13.2% by mass was obtained in the same manner as in Example 3 except that the amount of water added was changed to 12.4 g.
A polymer film having a thickness of 25 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the liquid composition in which the polymer (S-3) was dispersed was heat-treated in a drying furnace at 185 ° C. for 30 minutes.

各例のポリマー物性の評価結果および固体高分子電解質膜の評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of the polymer physical properties and the evaluation results of the solid polymer electrolyte membrane in each example.

(例7)
カーボン粉末に白金を46質量%担持した担持触媒(田中貴金属工業社製)の44gに、水の221.76g、エタノールの174.24gを加え、超音波ホモジナイザーを用いて混合粉砕し、触媒分散液を得た。該触媒分散液に、例4と同様の方法で得た液状組成物の80.16g、エタノールの44.4gおよびゼオローラ−H(日本ゼオン製)の25.32gを予め混合・混練した混合液の102.06gを加え、さらに水の26.77g、エタノールの12gを加えて超音波ホモジナイザーを用いて混合し、固形分濃度を10質量%とした触媒層形成用塗工液を得た。該触媒層形成用塗工液をETFEシート上にダイコーターで塗工した後、80℃で乾燥し、さらに160℃で30分の熱処理を施して、白金量が0.4mg/cmである触媒層を形成した。
(Example 7)
To 44 g of a supported catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) in which 46% by mass of platinum is supported on carbon powder, 221.76 g of water and 174.24 g of ethanol are added and mixed and pulverized using an ultrasonic homogenizer. Got. A liquid mixture prepared by mixing and kneading 80.16 g of the liquid composition obtained in the same manner as in Example 4, 44.4 g of ethanol and 25.32 g of ZEOLORA-H (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) in advance in the catalyst dispersion. 102.06 g of water was further added, 26.77 g of water and 12 g of ethanol were added and mixed using an ultrasonic homogenizer to obtain a coating solution for forming a catalyst layer with a solid content concentration of 10% by mass. The catalyst layer forming coating solution is coated on an ETFE sheet with a die coater, dried at 80 ° C., and further subjected to heat treatment at 160 ° C. for 30 minutes, so that the platinum amount is 0.4 mg / cm 2 . A catalyst layer was formed.

気相成長炭素繊維(昭和電工社製、商品名:VGCF−H、繊維径約150nm、繊維長10〜20μm)の50gにエタノールの77.3gおよび蒸留水の151.5gを添加し、よく撹拌した。これに、例4と同様の方法で得た液状組成物の96.2gを添加してよく撹拌し、さらに超音波ホモジナイザーを用いて混合、粉砕して中間層形成用塗工液を調製した。ガス拡散基材(NOK社製、商品名:X0086 T10X13)の表面に該中間層形成用塗工液を、ダイコーターを用いて固形分量が3mg/cmとなるように塗工した後、80℃で乾燥し、カーボン不織布の表面に中間層が形成された中間層付きガス拡散基材を作製した。 Add 77.3 g of ethanol and 151.5 g of distilled water to 50 g of vapor-grown carbon fiber (manufactured by Showa Denko KK, trade name: VGCF-H, fiber diameter: about 150 nm, fiber length: 10 to 20 μm), and stir well. did. To this, 96.2 g of the liquid composition obtained by the same method as in Example 4 was added and stirred well, and further mixed and pulverized using an ultrasonic homogenizer to prepare a coating solution for forming an intermediate layer. After coating the intermediate layer-forming coating solution on the surface of a gas diffusion substrate (manufactured by NOK, trade name: X0086 T10X13) using a die coater so that the solid content is 3 mg / cm 2 , 80 A gas diffusion base material with an intermediate layer in which an intermediate layer was formed on the surface of the carbon nonwoven fabric was dried at 0 ° C.

例1と同様の方法で、ポリマー(I−2)で形成された厚さ10μmの固体高分子電解質膜を得た。固体高分子電解質膜の厚さの制御は液状組成物の塗膜の厚さを調節することにより行った。
前記固体高分子電解質膜を触媒層でそれぞれ両側から挟み、プレス温度160℃、プレス時間2分、圧力3MPaの条件にて加熱プレスし、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合し、触媒層からETFEフィルムを剥離して、電極面積25cmの膜触媒層接合体を得た。
前記膜触媒層接合体のアノード側の触媒層側に、カーボン層付きガス拡散基材(NOK社製、商品名:X0086 IX92 CX320)をカーボン層が触媒層と接するように配置し、カソード側の触媒層に、前記中間層付きガス拡散基材を中間層が触媒層に接するように配置した後、160℃、3MPaの条件下で2分間プレスして、膜電極接合体を得た。
In the same manner as in Example 1, a 10 μm-thick solid polymer electrolyte membrane formed of polymer (I-2) was obtained. The thickness of the solid polymer electrolyte membrane was controlled by adjusting the thickness of the coating film of the liquid composition.
The solid polymer electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a catalyst layer, heated and pressed under the conditions of a press temperature of 160 ° C., a press time of 2 minutes, and a pressure of 3 MPa, and the catalyst layer is bonded to both sides of the solid polymer electrolyte membrane, The ETFE film was peeled from the layer to obtain a membrane / catalyst layer assembly having an electrode area of 25 cm 2 .
A gas diffusion substrate with a carbon layer (manufactured by NOK, trade name: X0086 IX92 CX320) is arranged on the catalyst layer side on the anode side of the membrane-catalyst layer assembly so that the carbon layer is in contact with the catalyst layer. The gas diffusion base material with an intermediate layer was placed on the catalyst layer so that the intermediate layer was in contact with the catalyst layer, and then pressed under conditions of 160 ° C. and 3 MPa for 2 minutes to obtain a membrane electrode assembly.

(例8)
固体高分子電解質膜の代わりに、例2のポリマー膜を用いた以外は、例7と同様にして膜電極接合体を得た。
(Example 8)
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 7 except that the polymer membrane of Example 2 was used instead of the solid polymer electrolyte membrane.

(例9)
例4と同様の方法で、ポリマー(S−1)で形成された厚さ10μmのポリマー膜を得た。ポリマー膜の厚さの制御は液状組成物の塗膜の厚さを調節することにより行った。固体高分子電解質膜の代わりに、厚さ10μmのポリマー膜を用いた以外は、例7と同様にして膜電極接合体を得た。
(Example 9)
In the same manner as in Example 4, a polymer film having a thickness of 10 μm formed of the polymer (S-1) was obtained. The thickness of the polymer film was controlled by adjusting the thickness of the coating film of the liquid composition. A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 7 except that a polymer membrane having a thickness of 10 μm was used instead of the solid polymer electrolyte membrane.

(例10)
固体高分子電解質膜の代わりに、例4のポリマー膜を用いた以外は、例7と同様にして膜電極接合体を得た。
(Example 10)
A membrane / electrode assembly was obtained in the same manner as in Example 7 except that the polymer membrane of Example 4 was used instead of the solid polymer electrolyte membrane.

各例の膜電極接合体を組み込んだ発電用セルの発電性能の評価結果を表2に示す。   Table 2 shows the evaluation results of the power generation performance of the power generation cell incorporating the membrane electrode assembly of each example.

Figure 2018055877
Figure 2018055877

Figure 2018055877
Figure 2018055877

表1に示すように、例1〜3のスルホンイミド基を有するポリマー(I−1)〜(I−3)のポリマー膜は、例4〜6のスルホン酸基を有するポリマー(S−1)〜(S−3)のポリマー膜に比べて、破断伸度が高く、WF値が大きかった。このことから、薄膜化した場合においても、ポリマー(I−1)〜(I−3)の膜は、ポリマー(S−1)〜(S−3)と比べて破断伸度が高く、WF値が大きいため、破断が生じにくいと考えられる。また、例1〜3の膜は、充分なイオン交換容量を有していた。
表2に示すように、ポリマー(I−2)を用いた膜厚10μmの固体高分子電解質膜を備える例7の膜電極接合体では、膜厚が25μmの固体高分子電解質膜を備える例8の膜電極接合体に比べて、電流密度が高く、発電性能に優れていた。
ポリマー(S−1)を用いた例9、例10においては、膜厚を薄くすることで発電性能が向上する傾向があったが、ポリマー(S−1)は、破断伸度が引く、WF値が小さいため、破断が生じやすい。
本発明の固体高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池の加湿、乾燥が繰り返される運転条件において、固体高分子電解質膜の破断を抑制できるポリマー物性を持ち、実際に、本発明の固体高分子電解質膜を10μmの薄膜として、固体高分子形燃料電池とした場合においても、優れた発電性能を備えていた。
As shown in Table 1, the polymer membranes of the polymers (I-1) to (I-3) having sulfonimide groups of Examples 1 to 3 are the polymers (S-1) having sulfonic acid groups of Examples 4 to 6. Compared with the polymer film of (S-3), the elongation at break was high and the WF value was large. From this, even when the film is thinned, the films of the polymers (I-1) to (I-3) have a higher elongation at break than the polymers (S-1) to (S-3), and have a WF value. Is considered to be difficult to break. Moreover, the membranes of Examples 1 to 3 had a sufficient ion exchange capacity.
As shown in Table 2, in the membrane / electrode assembly of Example 7 provided with a polymer electrolyte membrane having a film thickness of 10 μm using the polymer (I-2), Example 8 provided with a polymer electrolyte membrane having a film thickness of 25 μm Compared to the membrane electrode assembly, the current density was high and the power generation performance was excellent.
In Examples 9 and 10 using the polymer (S-1), there was a tendency that the power generation performance was improved by reducing the film thickness. However, the polymer (S-1) has a lower elongation at break, WF. Since the value is small, breakage tends to occur.
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has polymer properties capable of suppressing breakage of the solid polymer electrolyte membrane under operating conditions in which humidification and drying of the polymer electrolyte fuel cell are repeated. Even when the molecular electrolyte membrane was a thin film of 10 μm to form a polymer electrolyte fuel cell, excellent power generation performance was provided.

10 膜電極接合体、11 触媒層、12 ガス拡散層、13 アノード、14 カソード、15 固体高分子電解質膜、16 カーボン層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane electrode assembly, 11 Catalyst layer, 12 Gas diffusion layer, 13 Anode, 14 Cathode, 15 Solid polymer electrolyte membrane, 16 Carbon layer

Claims (9)

下式(u1)で表される単位、および下式(u2)で表される単位のいずれか一方または両方を有するポリマー(I)を含む固体高分子電解質膜であって、
膜厚が1μm以上20μm以下である、固体高分子電解質膜。
Figure 2018055877
ただし、式(u1)中、Q11は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Q12は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。
また、式(u2)中、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1であり、Rf2は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキル基であり、Zは、H、一価の金属イオン、または1以上の水素原子が炭化水素基と置換されていてもよいアンモニウムイオンである。
A solid polymer electrolyte membrane comprising a polymer (I) having one or both of a unit represented by the following formula (u1) and a unit represented by the following formula (u2):
A solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 1 μm to 20 μm.
Figure 2018055877
However, in formula (u1), Q 11 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 12 may have a single bond or an etheric oxygen atom. A perfluoroalkylene group, Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1, and R f1 is a perfluoroalkyl group optionally having an etheric oxygen atom And Z + is H + , a monovalent metal ion, or an ammonium ion in which one or more hydrogen atoms may be substituted with a hydrocarbon group.
In Formula (u2), Q 2 is a single bond or a perfluoroalkylene group that may have an etheric oxygen atom, Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoroorganic group, t is 0 or 1, R f2 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, Z + is H + , a monovalent metal ion, or one or more hydrogen atoms Is an ammonium ion which may be substituted with a hydrocarbon group.
前記ポリマー(I)における、式(u1)で表される単位および式(u2)で表される単位の合計の割合は、ポリマー(I)の全単位の合計に対して、10〜40モル%である、請求項1に記載の固体高分子電解質膜。   In the polymer (I), the proportion of the unit represented by the formula (u1) and the unit represented by the formula (u2) is 10 to 40 mol% with respect to the total of all the units of the polymer (I). The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein 前記ポリマー(I)が、式(u1)で表される単位および式(u2)で表される単位の両方を有し、式(u1)で表される単位および式(u2)で表される単位の合計に対する式(u2)で表される単位の割合(モル比)は、0.05以上0.3以下である、請求項1または2に記載の固体高分子電解質膜。   The polymer (I) has both a unit represented by the formula (u1) and a unit represented by the formula (u2), and is represented by the unit represented by the formula (u1) and the formula (u2). The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein a ratio (molar ratio) of the unit represented by the formula (u2) to the total of the units is 0.05 or more and 0.3 or less. 前記ポリマー(I)が、さらにテトラフルオロエチレンに由来する単位を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer (I) further has a unit derived from tetrafluoroethylene. 前記ポリマー(I)の破断伸度が400%以上である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the breaking elongation of the polymer (I) is 400% or more. 触媒層を有するアノードと、
触媒層を有するカソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された、請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜と
を備えた、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体。
An anode having a catalyst layer;
A cathode having a catalyst layer;
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5 disposed between the anode and the cathode.
請求項6に記載の固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を備えた、固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜を製造する方法であって、
下記ポリマー(F)の−SOF基をスルホンイミド基に変換して前記ポリマー(I)を得て、前記ポリマー(I)を用いて固体高分子電解質膜を形成する、固体高分子電解質膜の製造方法。
ポリマー(F):下式(u’1)で表される単位、および下式(u’2)で表される単位のいずれか一方または両方を有するポリマー。
Figure 2018055877
ただし、式(u’1)中、Q11は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Q12は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、sは、0または1である。
また、式(u’2)中、Qは、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいペルフルオロアルキレン基であり、Yは、フッ素原子または1価のペルフルオロ有機基であり、tは、0または1である。
A method for producing the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5,
-SO 2 F groups of the following polymer (F) to obtain the polymer is converted to sulfonimide groups (I), to form a solid polymer electrolyte membrane using the polymer (I), the solid polymer electrolyte membrane Manufacturing method.
Polymer (F): a polymer having one or both of a unit represented by the following formula (u′1) and a unit represented by the following formula (u′2).
Figure 2018055877
However, in formula (u′1), Q 11 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 12 has a single bond or an etheric oxygen atom. Y 1 is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and s is 0 or 1.
In formula (u′2), Q 2 is a single bond or a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Y 2 is a fluorine atom or a monovalent perfluoroorganic group. Yes, t is 0 or 1.
前記ポリマー(F)の−SOF基をスルホンアミド基に変換した後、前記スルホンアミド基をスルホンイミド基に変換して前記ポリマー(I)を得る、請求項8に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。 The solid polymer electrolyte according to claim 8, wherein the polymer (I) is obtained by converting the —SO 2 F group of the polymer (F) into a sulfonamide group and then converting the sulfonamide group into a sulfonimide group. A method for producing a membrane.
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