JP4720091B2 - Ion exchange membrane - Google Patents

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Description

本発明はイオン交換膜に関係し、詳しくは、燃料電池に使用される、特に安定性に優れるイオン交換膜に関するものでる。   The present invention relates to an ion exchange membrane, and more particularly to an ion exchange membrane used in a fuel cell and particularly excellent in stability.

液体電解質のかわりに高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解槽や燃料電池を上げることができる。これらに用いられるイオン交換膜は、カチオン交換膜としてプロトン伝導性を有すると共に、化学的、熱的、電気化学的および力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長期にわたり使用できるものとしては、主に米デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」を代表例とするパーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしながら、ナフィオン膜を100℃を越える条件で運転しようとすると、膜の含水率が急激に落ちるほか、膜の軟化も顕著となる。また、ダイレクトメタノール型燃料電池を始めとする液体有機燃料を燃料とする燃料電池においては、たとえばメタノールを燃料極側に供給して使用する場合、メタノールがイオン交換膜を透過して空気極側に流れ込んでしまうクロスオーバーという問題が顕著である。このクロスオーバーが生じると、例えば、液体燃料と酸化剤が直接反応してしまい、電力が低下してしまうという問題や、液体燃料が空気極側から外部に漏れ出すといった問題が発生する。さらには、膜のコストが高すぎることが燃料電池技術の確立の障害として指摘されている。   As an example of an electrochemical device using a polymer solid electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte, a water electrolyzer and a fuel cell can be raised. The ion exchange membrane used for these must have proton conductivity as a cation exchange membrane and must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes, typically “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, have been used as long-term usable products. However, if the Nafion membrane is operated under conditions exceeding 100 ° C., the moisture content of the membrane drops rapidly and the membrane softens significantly. Further, in a fuel cell using liquid organic fuel such as a direct methanol fuel cell as a fuel, for example, when methanol is supplied to the fuel electrode side, the methanol permeates the ion exchange membrane to the air electrode side. The problem of crossover that flows in is remarkable. When this crossover occurs, for example, the problem that the liquid fuel and the oxidant directly react with each other and the power decreases, and the problem that the liquid fuel leaks from the air electrode side to the outside occurs. Furthermore, it is pointed out that the cost of the membrane is too high as an obstacle to the establishment of fuel cell technology.

このような欠点を克服するため、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入した高分子イオン交換膜が種々検討されている。ポリマー骨格としては、耐熱性や化学的安定性を考慮すると、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの、芳香族ポリアリーレンエーテル化合物を有望な構造としてとらえることができ、ポリアリールエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1参照。)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1参照。)、スルホン化ポリスチレン等が報告されている。しかしながら、これらポリマーのスルホン化反応により芳香環上に導入されたスルホン酸基は一般に脱離しやすい傾向にあり、これを改善する方法として電子吸引性芳香環上にスルホン酸基を導入したモノマーを用いて重合することで、安定性の高いスルホン化ポリアリールエーテルスルホン系化合物が報告されている(例えば、特許文献2参照。)。   In order to overcome such drawbacks, various polymer ion exchange membranes in which a sulfonic acid group is introduced into a non-fluorinated aromatic ring-containing polymer have been studied. As a polymer skeleton, considering heat resistance and chemical stability, aromatic polyarylene ether compounds such as aromatic polyarylene ether ketones and aromatic polyarylene ether sulfones can be regarded as promising structures, A sulfonated polyarylethersulfone (for example, see Non-Patent Document 1), a sulfonated polyetheretherketone (for example, see Patent Document 1), sulfonated polystyrene, and the like have been reported. However, sulfonic acid groups introduced onto aromatic rings by sulfonation reaction of these polymers generally tend to be easily removed, and as a method for improving this, monomers having sulfonic acid groups introduced onto electron-withdrawing aromatic rings are used. Thus, a highly stable sulfonated polyarylethersulfone compound has been reported (see, for example, Patent Document 2).

しかしながら、それでもイオン交換膜としての安定性は充分では無く、さらなる改良が進められており、例えば、架橋により安定性を高める方法が、特許文献3や特許文献4に記載されている。いずれの文献も2個のスルホニル基を架橋剤を介して架橋する方法であり、安定性は改善されるが、複雑な工程とその制御を伴うという問題があった。   However, the stability as an ion exchange membrane is still not sufficient, and further improvements are being made. For example, Patent Document 3 and Patent Document 4 describe a method for increasing the stability by crosslinking. Each of these documents is a method of crosslinking two sulfonyl groups via a crosslinking agent, and the stability is improved, but there is a problem that it involves a complicated process and its control.

特開平6−93114号公報(第15−17頁)JP-A-6-93114 (pages 15-17) 米国特許出願公開第2002/0091225号明細書(第1−2頁)US Patent Application Publication No. 2002/0091225 (page 1-2) 特表2001−522401Special table 2001-522401 特開平6−93114JP-A-6-93114 ジャーナル・オブ・メンブラン・サイエンス(Journal of Membrane Science)、(オランダ)1993年、83巻、P.211−220Journal of Membrane Science (Netherlands) 1993, 83, p. 211-220

本発明は、イオン交換膜の形態安定性を改良することを目的としており、例えば燃料電池における耐久性の改善や、ダイレクトメタノール型燃料電池におけるメタノールのクロスリークを低減する効果を有する。   An object of the present invention is to improve the morphological stability of an ion exchange membrane. For example, the present invention has an effect of improving durability in a fuel cell and reducing methanol cross leak in a direct methanol fuel cell.

本発明は、安定性が高く、かつイオン伝導性に優れた高分子固体イオン交換膜として使用するのに適したイオン交換膜を提供するものである。またその製造方法およびイオン交換膜を使用した燃料電池に関するものである。   The present invention provides an ion exchange membrane suitable for use as a polymer solid ion exchange membrane having high stability and excellent ion conductivity. The present invention also relates to a manufacturing method and a fuel cell using an ion exchange membrane.

すなわち本発明は、酸性官能基を有する芳香族炭化水素系イオン交換膜であって、150℃以上で熱処理をすることによって、形態安定性を高めたことを特徴とするイオン交換膜である。   That is, the present invention is an aromatic hydrocarbon ion-exchange membrane having an acidic functional group, wherein the shape stability is improved by heat treatment at 150 ° C. or higher.

また、上記のイオン交換膜であり、少なくとも分子内にシアノ基を含むことを特徴とする前記のイオン交換膜である。   Moreover, it is said ion exchange membrane, It is the said ion exchange membrane characterized by including a cyano group in a molecule | numerator at least.

また、上記のいずれかのイオン交換膜であって、酸性官能基として少なくともスルホン酸基を有することを特徴とするイオン交換膜である。   The ion exchange membrane according to any one of the above, wherein the ion exchange membrane has at least a sulfonic acid group as an acidic functional group.

また、上記のいずれかのイオン交換膜であって、熱処理によりスルホン酸基を含む親水性部位が架橋されていることを特徴とするイオン交換膜である。   The ion exchange membrane according to any one of the above, wherein a hydrophilic portion containing a sulfonic acid group is crosslinked by heat treatment.

また、上記のいずれかのイオン交換膜であって、イオン交換膜として、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とするイオン交換膜である。

Figure 0004720091
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 0004720091
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。 Further, the ion exchange membrane according to any one of the above, wherein the ion exchange membrane includes a component represented by the following general formula (2) together with the following general formula (1).
Figure 0004720091
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.
Figure 0004720091
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

また、上記のイオン交換膜の製造方法である。   Moreover, it is a manufacturing method of said ion exchange membrane.

また、上記いずれかのイオン交換膜を使用した燃料電池に関するものである。   The present invention also relates to a fuel cell using any one of the above ion exchange membranes.

本発明は、酸性官能基を有するイオン交換膜を熱処理により、酸性官能基の一部を架橋させることで、イオン交換膜の安定性を改善することを特徴とするものであり、本発明によるイオン交換膜は、液体燃料またはガス燃料を原料として作動する燃料電池の性能や耐久性を改善する。   The present invention is characterized by improving the stability of the ion exchange membrane by crosslinking a part of the acidic functional group by heat treatment of the ion exchange membrane having an acidic functional group. The exchange membrane improves the performance and durability of a fuel cell that operates using liquid fuel or gas fuel as a raw material.

本発明は、酸性官能基を有するイオン交換膜の熱処理により、イオン交換膜の安定性を高めたことを特徴とするイオン交換膜に関するものである。具体的には、熱処理によってイオン交換膜内部に存在する、スルホン酸基のような酸性官能基を活性化し、隣接する分子と架橋させることにより、イオン交換膜の形態安定性を向上させるものである。そのため、液体燃料を使用するタイプの燃料電池においては、簡便な処理によって、例えばダイレクトメタノール型燃料電池で最大の問題となっているメタノールのクロスリークを低減することが可能である。また、水素ガスと酸素などの酸化ガスを燃料とするタイプの燃料電池においては、膜の形態安定性が高まることによって、膜の膨潤収縮などによってもたらされる、イオン交換膜の劣化を低減することが可能となる。   The present invention relates to an ion exchange membrane characterized by improving the stability of the ion exchange membrane by heat treatment of the ion exchange membrane having an acidic functional group. Specifically, the morphological stability of the ion exchange membrane is improved by activating acidic functional groups such as sulfonic acid groups existing inside the ion exchange membrane by heat treatment and crosslinking with adjacent molecules. . Therefore, in a fuel cell of a type using liquid fuel, it is possible to reduce methanol cross leak, which is the biggest problem in a direct methanol fuel cell, for example, by simple processing. In addition, in a fuel cell using hydrogen gas and an oxidizing gas such as oxygen as a fuel, the deterioration of the ion exchange membrane caused by the swelling and shrinkage of the membrane can be reduced by increasing the morphological stability of the membrane. It becomes possible.

イオン交換膜、特に燃料電池用途を考えたときのイオン交換膜として良好な性能を発現するものは、イオン伝導性とくにプロトン伝導性が高い必要がある。そのための方策として、ポリマー中のイオン性官能器量を増やすことは好ましい方法だといえる。すなわち、イオン交換膜中に存在する酸性官能基の量を増やすことで、イオン伝導またはプロトン伝導の媒体濃度を上げるという考え方である。しかしながら、酸性官能基量を増加させると、それだけイオン交換膜が水に膨潤しやすく、燃料電池の運転停止を繰り返すことにより膜が膨潤収縮を繰り返し、膜の劣化に繋がるという問題があった。また燃料電池の動作温度が高くなると、イオン交換膜が溶解するといった問題を有した。   An ion exchange membrane, particularly one that exhibits good performance as an ion exchange membrane when considering use in a fuel cell, needs to have high ion conductivity, particularly proton conductivity. As a measure for that, it is a preferable method to increase the amount of ionic functional units in the polymer. That is, the idea is to increase the concentration of the ion conductive or proton conductive medium by increasing the amount of acidic functional groups present in the ion exchange membrane. However, when the amount of the acidic functional group is increased, the ion exchange membrane is easily swelled in water, and there is a problem that the membrane is repeatedly swollen and contracted by repeatedly stopping the operation of the fuel cell, leading to deterioration of the membrane. Further, when the operating temperature of the fuel cell is increased, there is a problem that the ion exchange membrane is dissolved.

そこで本発明の方法は、150℃以上で酸性官能基を有するイオン交換膜を熱処理することによって、一部の酸性官能基を隣接する分子と架橋させることで、膜の形態安定性を改善することである。また、本発明によると、イオン交換膜中の酸性官能器量を大幅に増やしたような膜であっても、膜の形態安定性が改善されるために、水等の溶媒で濡らした際の膨潤収縮が小さく、燃料電池の運転停止による膨潤収縮でもたらされる膜の劣化を低く抑えるという効果も有する。なお、150℃よりも低い温度で熱処理を行った場合、架橋反応は進行しにくいため、形態安定性に及ぼす影響は小さい。   Therefore, the method of the present invention improves the morphological stability of the membrane by cross-linking some acidic functional groups with adjacent molecules by heat-treating the ion exchange membrane having acidic functional groups at 150 ° C. or higher. It is. In addition, according to the present invention, even when the amount of acidic functional units in the ion exchange membrane is greatly increased, the swelling when wetted with a solvent such as water is improved because the morphological stability of the membrane is improved. The shrinkage is small, and it also has the effect of suppressing the deterioration of the membrane caused by the swelling shrinkage due to the shutdown of the fuel cell. Note that when heat treatment is performed at a temperature lower than 150 ° C., the crosslinking reaction does not easily proceed, so the influence on the shape stability is small.

なお酸性官能基を介した架橋処理を行うためには、イオン交換膜に存在するイオン性官能基は酸型であることが望ましく、かつ窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で処理することが好ましい。官能基が塩型にあるイオン交換膜を処理する場合、150℃近辺で検討したところ、反応がほとんど進行しないことが分かった。ただし、酸型の官能基と塩型の官能基を共存させることは可能である。その場合、酸型の官能基の割合としては、20%以上、より好ましくは40%以上95%以下含まれていることが望ましい。酸性官能基の割合が20%よりも低いと、架橋の効果は小さい。また、酸素が多く存在する雰囲気で処理を施すと、酸素によるイオン交換膜の酸化といった望ましくない副反応の影響で、膜の劣化に繋がるため好ましくない。酸素濃度としては、少なくとも10%、より好適には5%以下で処理することが好ましく、10%よりも高い場合は、イオン交換膜が酸化劣化されやすくなる。   In order to perform a crosslinking treatment via an acidic functional group, it is desirable that the ionic functional group present in the ion exchange membrane is an acid type, and the treatment is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon. It is preferable. In the case of treating an ion exchange membrane having a functional group in a salt form, it was found that the reaction hardly proceeded when examined at around 150 ° C. However, an acid-type functional group and a salt-type functional group can coexist. In that case, the ratio of the acid-type functional group is preferably 20% or more, more preferably 40% or more and 95% or less. When the proportion of the acidic functional group is lower than 20%, the effect of crosslinking is small. Further, if the treatment is performed in an atmosphere containing a large amount of oxygen, it is not preferable because the film deteriorates due to an undesirable side reaction such as oxidation of the ion exchange membrane by oxygen. The oxygen concentration is preferably at least 10%, more preferably 5% or less. When the oxygen concentration is higher than 10%, the ion exchange membrane is easily oxidized and deteriorated.

本発明によるイオン交換膜の材質として、より優れたものについては後述するが、特に限定するものではない。例えばポリスチレンスルホン酸、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸成分の少なくとも1種を含むアイオノマーが挙げられる。さらに、芳香族系のポリマーとして、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、およびそれらの誘導体の少なくとも1種、より好ましくは少なくともスルホン酸基が導入されているポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造に限定するものではない。   A more excellent material for the ion exchange membrane according to the present invention will be described later, but is not particularly limited. Examples thereof include ionomers containing at least one of polystyrene sulfonic acid, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, and polyvinyl sulfonic acid component. Furthermore, as aromatic polymers, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzoxazole, At least one of sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxyl groups, and derivatives thereof, more preferably at least sulfonic acid groups are introduced into a polymer containing at least one component such as polybenzthiazole and polyimide. Polymers. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in their molecular chains. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and is not limited to a specific polymer structure.

上記酸性基を含有するポリマーのうち、芳香環上にスルホン酸基を持つポリマーは、上記例のような骨格を持つポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、Solid State Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。   Among the polymers containing acidic groups, a polymer having a sulfonic acid group on an aromatic ring can be obtained by reacting a polymer having a skeleton as in the above example with a suitable sulfonating agent. Examples of such a sulfonating agent include those using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, which have been reported as an example of introducing a sulfonic acid group into an aromatic ring-containing polymer (for example, Solid State Ionics, 106, P.A. 219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J. Polym Sci., Polym.Chem., 22, P.721 (1984), J. Polym.Sci., Polym.Chem., 23, P.1231 (1985)) and the like are effective. It can carry out by selecting reaction conditions according to each polymer using these reagents. Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189.

また、上記イオン交換性官能基含有ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種にイオン交換性官能基を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基含有ジアミンを用いて酸性化含有ポリイミドとすることが出来る。芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することにより酸性基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールとすることが出来る。芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することが出来る。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られたイオン交換性官能基含有ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましいと言える。   Moreover, the said ion exchange functional group containing polymer can also be synthesize | combined using the monomer which contains an ion exchange functional group in at least 1 sort (s) in the monomer used for superposition | polymerization. For example, in a polyimide synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an acidified polyimide can be obtained by using a sulfonic acid group-containing diamine as at least one aromatic diamine. In the case of polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, and polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, at least one kind of aromatic dicarboxylic acid contains sulfonic acid group By using dicarboxylic acid or phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid, an acidic group-containing polybenzoxazole or polybenzthiazole can be obtained. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. I can do it. At this time, it is preferable to use a sulfonic acid group-containing dihalide rather than using a sulfonic acid group-containing diol because the degree of polymerization tends to be high and the thermal stability of the obtained ion-exchangeable functional group-containing polymer is high. It can be said.

なお本発明におけるイオン交換膜を形成するためのポリマーは、スルホン酸基含有ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン系ポリマーなどのポリアリーレンエーテル系化合物であることがより好ましい。   The polymer for forming the ion exchange membrane in the present invention is a polyarylene ether compound such as sulfonic acid group-containing polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, or polyether ketone polymer. Is more preferable.

さらに、これらのポリアリーレンエーテル系化合物のうち、分子内にシアノ基を有する化合物がより好ましい。詳細は不明な部分も多いが、分子内にシアノ基を有する化合物を含む場合、シアノ基の相互作用によって、シアノ基を含まない化合物から作製するよりも低膨潤性で形態安定性に優れるポリマーとなる。   Furthermore, among these polyarylene ether compounds, compounds having a cyano group in the molecule are more preferred. Many details are unknown, but when a compound having a cyano group is included in the molecule, the interaction of the cyano group is a polymer that has lower swelling and better shape stability than a compound that does not contain a cyano group. Become.

さらに、これらのポリアリーレンエーテル系化合物のうち、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。   Furthermore, among these polyarylene ether compounds, those containing the structural component represented by the general formula (2) together with the following general formula (1) are particularly preferable.

Figure 0004720091
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 0004720091
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.

Figure 0004720091
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。
Figure 0004720091
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

上記一般式(2)で示される構成成分は、下記一般式(3)で示される構成成分であることが好ましい。   The component represented by the general formula (2) is preferably a component represented by the following general formula (3).

Figure 0004720091
ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。
Figure 0004720091
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

また、本発明のイオン交換膜のポリマーにおいては上記一般式(1)および一般式(2)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記一般式(1)または一般式(2)で示される以外の構造単位は50重量%以下であることが好ましい。50質量%以下とすることにより、本発明の特性を活かした組成物とすることができる。   The polymer of the ion exchange membrane of the present invention may contain structural units other than those represented by the general formula (1) and the general formula (2). At this time, it is preferable that structural units other than those represented by the general formula (1) or the general formula (2) are 50% by weight or less. By setting it as 50 mass% or less, it can be set as the composition which utilized the characteristic of this invention.

さらに本発明のイオン交換膜を形成するためのポリマーとしては、下記一般式(4)とともに一般式(5)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。ビフェニレン構造を有していることにより高温高湿条件での寸法安定性に優れるとともに、強靱性も高いものとなる。   Furthermore, as a polymer for forming the ion exchange membrane of the present invention, a polymer containing a constituent represented by the general formula (5) together with the following general formula (4) is particularly preferable. By having a biphenylene structure, it has excellent dimensional stability under high temperature and high humidity conditions, and also has high toughness.

Figure 0004720091
Figure 0004720091
ただし、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 0004720091
Figure 0004720091
X represents H or a monovalent cation species.

本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーは、下記一般式(6)および一般式(7)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(6)で表される化合物の具体例としては、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルケトン、3,3'−ジスルホ−4,4'−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。一般式(7)で表される化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。   The polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing compounds represented by the following general formulas (6) and (7) as monomers. Specific examples of the compound represented by the general formula (6) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3, 3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those whose sulfonic acid groups are converted to salts with monovalent cation species Can be mentioned. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the general formula (7) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. it can.

Figure 0004720091
Figure 0004720091
ただし、Yはスルホン基またはケトン基、Xは1価のカチオン種、Zは塩素またはフッ素を示す。本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリルおよび2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なイオン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。
Figure 0004720091
Figure 0004720091
Y represents a sulfone group or a ketone group, X represents a monovalent cation species, and Z represents chlorine or fluorine. In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used, good ion conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.

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

また、上述の一般式(1)で表される構成成分中のArおよび上述の一般式(2)で表される構成成分中のAr'は、一般には芳香族求核置換重合において上述の一般式(6)、(7)で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4'−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。   In addition, Ar in the structural component represented by the general formula (1) and Ar ′ in the structural component represented by the general formula (2) are generally the same as those described above in the aromatic nucleophilic substitution polymerization. It is a structure introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compounds represented by formulas (6) and (7). Examples of such aromatic diol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3) , 5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis ( 4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bi (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, etc. Various aromatic diols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used. These aromatic diols can be used alone, but a plurality of aromatic diols can be used in combination.

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

また、本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーは、ポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、イオン交換膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。還元比粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、還元比粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   The polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention preferably has a polymer log viscosity of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane tends to become brittle when molded as an ion exchange membrane. The reduced specific viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, if the reduced specific viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

なお、必要に応じて、本発明のイオン交換膜を形成するためのポリマーは、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、ラジカル防止剤などの各種添加剤や、イオン交換膜の特性をコントロールするための無機化合物や無機―有機のハイブリッド化合物、イオン性液体などを含んでいても良い。   In addition, if necessary, the polymer for forming the ion exchange membrane of the present invention is, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a cross-linking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, Contains various additives such as antibacterial agents, antifoaming agents, dispersants, polymerization inhibitors, radical inhibitors, inorganic compounds to control the properties of ion exchange membranes, inorganic-organic hybrid compounds, ionic liquids, etc. You can leave.

以上に示したポリマーを、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法でイオン交換膜とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1重量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50重量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。イオン交換膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン交換膜を得ることができる。溶媒の除去は、乾燥による方法がイオン交換膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン交換膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な高分子イオン交換膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。本発明のイオン交換膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜300μmであることが好ましく、25〜250μmであることがさらに好ましい。イオン交換膜の厚みが5μmより薄いとイオン交換膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、300μmよりも厚いとイオン交換膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。また本発明においては、イオン交換膜として記載したが、中空糸状に加工することも好ましい形であり、加工に際しては公知の処方を利用できる。   The polymer shown above can be made into an ion exchange membrane by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If the concentration of the compound in the solution is less than 0.1% by weight, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by weight, the workability tends to deteriorate. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. The most preferable method for forming the ion exchange membrane is a cast from a solution, and the ion exchange membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. For the removal of the solvent, a method by drying is preferable in view of the uniformity of the ion exchange membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as an ion exchange membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2000 μm, a non-uniform polymer ion exchange membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The ion exchange membrane of the present invention can have any thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 5 to 300 μm, and more preferably 25 to 250 μm. If the thickness of the ion exchange membrane is less than 5 μm, handling of the ion exchange membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 300 μm, the electric resistance value of the ion exchange membrane increases and the fuel cell increases. The power generation performance tends to decrease. In the present invention, it is described as an ion exchange membrane, but it is also preferable to process it into a hollow fiber shape, and a known formulation can be used for processing.

このような手法で作製したイオン交換膜の中で官能基が塩型にある場合、熱処理を行う前に酸型に変換する必要がある。酸変換の手法としては、特に規定されるものではないが、塩型のイオン交換膜を、硫酸水溶液や塩酸水溶液やリン酸水溶液といった酸性溶液に浸漬することで酸型のイオン交換膜へ変換した後、余分な酸成分を水洗除去することが好ましい。酸型への変換に使用する酸性溶液の濃度や温度も特に規定されるものでは無く、目的に応じて調整できる。なお、より高濃度の酸や高温の溶液を使用する程、酸型への変換速度や変換効率は高くなる傾向にある。また水洗に使用する水として、プロトン以外のカチオンを含むものは、酸型になったイオン交換膜を再び塩型に戻す可能性があるため、管理する必要があり、こちらも目的に応じて決めることが可能である。あえて塩型の官能基を任意の割合で残すことも可能である。   When the functional group is in the salt form in the ion exchange membrane produced by such a method, it is necessary to convert it to the acid form before heat treatment. The acid conversion method is not particularly defined, but the salt type ion exchange membrane was converted into an acid type ion exchange membrane by immersing it in an acidic solution such as sulfuric acid aqueous solution, hydrochloric acid aqueous solution or phosphoric acid aqueous solution. Thereafter, it is preferable to remove the excess acid component by washing with water. The concentration and temperature of the acidic solution used for conversion to the acid form are not particularly specified and can be adjusted according to the purpose. In addition, there exists a tendency for the conversion rate and conversion efficiency to an acid type to become high, so that a higher concentration acid and a high temperature solution are used. In addition, water that contains cations other than protons must be managed as water used for washing, because it may be returned to salt form again. This is also determined according to the purpose. It is possible. It is also possible to leave a salt-type functional group at an arbitrary ratio.

以上のようにして得たイオン交換膜に対して、前述した熱処理法を施すことによって膜の特性を改良し、より優れたイオン交換膜を提供することが可能となる。   By subjecting the ion exchange membrane obtained as described above to the heat treatment described above, the characteristics of the membrane can be improved and a more excellent ion exchange membrane can be provided.

本発明のイオン交換膜においては、酸性官能基量が0.5〜4.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.5meq/gよりも少ない場合には、イオン交換膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、4.5meq/gよりも大きい場合には本発明のイオン交換膜においても、高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。より好ましくは1.0〜3.5meq/gである。酸性官能器量は、後述のイオン交換容量の測定から実験的に求めることができる。   In the ion exchange membrane of the present invention, the amount of acidic functional groups is preferably in the range of 0.5 to 4.5 meq / g. When the amount is less than 0.5 meq / g, there is a tendency that sufficient ion conductivity is not exhibited when used as an ion exchange membrane, and when the amount is more than 4.5 meq / g, in the ion exchange membrane of the present invention. However, the film swells excessively under high temperature and high humidity conditions and tends to be unsuitable for use. More preferably, it is 1.0-3.5 meq / g. The amount of acidic functional vessel can be experimentally determined from the measurement of ion exchange capacity described later.

最終的に得られたイオン交換膜を使用する場合、膜中のイオン性官能基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーの酸型に変換した形が好ましい。この際、イオン交換膜のイオン伝導率は1.0x10−3S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が1.0x10−3S/cm以上である場合には、そのイオン交換膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0x10−3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。   When the ion exchange membrane finally obtained is used, the ionic functional group in the membrane may contain a metal salt, but it is converted into a free acid form by appropriate acid treatment. Is preferred. At this time, the ion conductivity of the ion exchange membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the ionic conductivity is 1.0 × 10 −3 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the ion exchange membrane, and when the ion conductivity is less than 1.0 × 10 −3 S / cm. Tends to cause a decrease in the output of the fuel cell.

安定性が改善された効果として、膨潤性や液体燃料の透過性が抑制される。すなわち、本発明のイオン交換膜においては、同程度の酸性基量の膜を比較した場合に、10%以上膨潤性を下げることが可能となり、安定性が向上する。また液体燃料として代表的なメタノールが透過する速度、すなわちメタノール透過係数を同等膜厚のサンプルで比較した場合、熱処理を施さない場合に比べて、10%以上透過係数を下げることが可能となる。場合により30%以上低下させることも可能となる。なお、メタノール透過速度として、液体燃料のクロスリークを防ぐ意味では、メタノール透過速度は、0.1〜5.0mmol/m2/sの範囲にあることが好ましく、より好適には、4.0mmol/m2/sよりも小さいことが望ましい。本発明のイオン交換膜においては、より良好な形で膜の膨潤を抑えることが可能であるため、高いイオン伝導性と液体燃料透過抑止性能を両立できる。   As an effect of improved stability, swelling and liquid fuel permeability are suppressed. That is, in the ion exchange membrane of the present invention, when comparing membranes having the same amount of acidic groups, the swelling property can be lowered by 10% or more, and the stability is improved. Further, when the rate at which methanol as a typical liquid fuel permeates, that is, the methanol permeation coefficient, is compared with samples having the same film thickness, the permeation coefficient can be reduced by 10% or more compared to the case where heat treatment is not performed. In some cases, it can be reduced by 30% or more. As the methanol permeation rate, the methanol permeation rate is preferably in the range of 0.1 to 5.0 mmol / m 2 / s, and more preferably 4.0 mmol / m in terms of preventing cross leak of the liquid fuel. It is desirable to be smaller than m2 / s. In the ion exchange membrane of the present invention, it is possible to suppress the swelling of the membrane in a better form, so that both high ion conductivity and liquid fuel permeation inhibiting performance can be achieved.

また、上述した本発明のイオン交換膜に電極を設置することによって、本発明のイオン交換膜と電極との接合体を得ることができる。触媒の種類や電極の構成や電極に使用されるガス拡散層の種類や接合方法などは特に限定されるものではなく、公知のものが使用でき、また公知の技術を組み合わせたものも使用できる。電極に使用する触媒としては耐酸性と触媒活性の観点から適宜選出できるが、白金族系金属およびこれらの合金や酸化物が特に好ましい。例えばカソードに白金または白金系合金,アノードに白金または白金系合金や白金とルテニウムの合金を使用すると高効率発電に適している。複数の種類の触媒を使用していても良く、分布があっても良い。電極中の空孔率や、電極中に触媒と一緒に混在させるイオン伝導性樹脂の種類・量なども特に制限されるものではない。また疎水性化合物の含浸などに代表されるガス拡散性をコントロールするための手法なども好適に利用できる。電極を膜に接合する技術としては、膜―電極間に大きな抵抗が生じないようにすることが重要であり、また膜の膨潤収縮や、ガス発生の機械的な力によって剥離や電極触媒の剥落が生じないようにすることも重要である。この接合体の作製方法としては、従来から燃料電池または、水電解における電極−膜接合方法の公知技術として知られている手法、例えば触媒担持カーボンとイオン交換樹脂およびポリテトラフルオロエチレン等の撥水性を有する材料を混合してあらかじめ電極を作製し、これを膜に熱圧着する手法や、前記混合物を膜にスプレーやインクジェット等で直接析出させる方法などが好適に用いられる。また、化学めっきによる、例えば白金族のアンミン錯イオンのように金属イオンをカチオン型にした溶液に膜を浸漬してイオン交換(吸着)させてから、膜を還元剤溶液に接触させて、膜表面近傍の金属イオンを還元させると同時に膜内部の金属イオンを表面に拡散させ、強固な金属析出層を膜表面に形成させる方法などが上げられる。後者については、さらに化学めっき浴を用いて活性な金属析出層の上に所定の金属種および量をめっき成長させる方法もある。   Moreover, the joined body of the ion exchange membrane of this invention and an electrode can be obtained by installing an electrode in the ion exchange membrane of this invention mentioned above. The type of catalyst, the configuration of the electrode, the type of gas diffusion layer used for the electrode, the joining method, and the like are not particularly limited, and known ones can be used, and a combination of known techniques can also be used. The catalyst used for the electrode can be appropriately selected from the viewpoints of acid resistance and catalytic activity, but platinum group metals and alloys and oxides thereof are particularly preferable. For example, platinum or a platinum-based alloy for the cathode and platinum or a platinum-based alloy or an alloy of platinum and ruthenium for the anode are suitable for high-efficiency power generation. Multiple types of catalysts may be used and may be distributed. There are no particular restrictions on the porosity in the electrode or the type / amount of the ion conductive resin mixed with the catalyst in the electrode. In addition, a method for controlling gas diffusivity represented by impregnation with a hydrophobic compound can be suitably used. In order to join the electrode to the membrane, it is important not to generate a large resistance between the membrane and the electrode. In addition, the membrane is swollen and shrunk, and the mechanical force of gas generation causes peeling and electrode catalyst peeling. It is also important to prevent this from occurring. As a method for producing this joined body, there are conventionally known methods as a known technique for fuel cell or electrode-membrane joining methods in water electrolysis, for example, water-repellent properties such as catalyst-carrying carbon, ion exchange resin and polytetrafluoroethylene. A method in which an electrode is prepared in advance by mixing a material having the above and thermocompression-bonded to a film, or a method in which the mixture is directly deposited on the film by spraying, ink jet, or the like is preferably used. In addition, the membrane is immersed in a solution in which metal ions are cationized, such as platinum group ammine complex ions, by chemical plating, and ion exchange (adsorption) is performed, and then the membrane is brought into contact with the reducing agent solution to form a membrane. A method of reducing the metal ions in the vicinity of the surface and simultaneously diffusing the metal ions inside the film to the surface to form a strong metal deposition layer on the film surface, and the like. Regarding the latter, there is also a method in which a predetermined metal species and amount are plated and grown on an active metal deposition layer using a chemical plating bath.

また上記のイオン交換膜・電極接合体を燃料電池に組み込むことによって良好な性能を有する燃料電池を提供できる。燃料電池に使用されるセパレータの種類や、燃料や酸化ガスの流速・供給方法・流路の構造などや、運転方法、運転条件、温度分布、燃料電池の制御方法などは特に限定されるものではない。   In addition, a fuel cell having good performance can be provided by incorporating the ion exchange membrane / electrode assembly into the fuel cell. The type of separator used in the fuel cell, the flow rate of fuel and oxidizing gas, the supply method, the structure of the flow path, etc., the operating method, operating conditions, temperature distribution, fuel cell control method, etc. are not particularly limited. Absent.

本発明のイオン交換膜は高いイオン伝導性を有しながら、安定性や液体燃料透過抑止能に優れる。その特性を生かして、ダイレクトメタノール型燃料電池や固体高分子形燃料電池の高分子固体イオン交換膜として利用することができ、そうして作製した燃料電池は優れた性能を示す。   The ion exchange membrane of the present invention is excellent in stability and liquid fuel permeation inhibiting ability while having high ion conductivity. Taking advantage of this characteristic, it can be used as a polymer solid ion exchange membrane of a direct methanol fuel cell or a polymer electrolyte fuel cell, and the fuel cell thus produced exhibits excellent performance.

以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to these Examples.

評価法・測定法   Evaluation and measurement methods

<イオン交換膜の厚み>
イオン交換膜の厚みは、マイクロメーター(Mitutoyo 標準マイクロメーター 0−25mm 0.01mm)を用いて測定することにより求めた。なお厚みを正確に測ることを目的とし、室温が20℃で湿度が30±5RH%にコントロールされた測定室内で評価を行った。測定に際してサンプルは、24時間以上、測定室内で静置したものを使用した。測定は5×5cmの大きさのサンプルに対して20箇所測定し、その平均値を厚みとした。
<Ion exchange membrane thickness>
The thickness of the ion exchange membrane was determined by measurement using a micrometer (Mitutoyo standard micrometer 0-25 mm 0.01 mm). For the purpose of accurately measuring the thickness, the evaluation was performed in a measurement chamber in which the room temperature was 20 ° C. and the humidity was controlled to 30 ± 5 RH%. In the measurement, the sample used was left in the measurement chamber for 24 hours or more. The measurement was performed at 20 points on a 5 × 5 cm sample, and the average value was taken as the thickness.

<イオン交換容量(酸型)>
イオン交換容量(IEC)としては、イオン交換膜に存在する酸型の官能基量を測定した。まずサンプル調整として、サンプル片(5×5cm)を80℃のオーブンで窒素気流下2時間乾燥し、さらにシリカゲルを充填したデシケータ中で30分間放置冷却した後、乾燥重量を測定した(Ws)。次いで、200mlの密閉型のガラス瓶に、200mlの1mol/l塩化ナトリウム-超純水溶液と秤量済みの前記サンプルを入れ、密閉状態で、室温で24時間攪拌した。次いで、その溶液30mlを10mMの水酸化ナトリウム水溶液(市販の標準溶液)で中和滴定し、滴定量(T)より下記式を用いて、IEC(酸型)を求めた。
IEC(meq/g)=10T/(30Ws)×0.2
(Tの単位:ml Wsの単位:g)
なお、サンプル中のイオン性官能基量の目安となる全イオン交換容量は、サンプルを2mol/lの硫酸水溶液に一晩浸漬した後、超純水で洗浄を繰り返した後乾燥することで作製した酸型サンプルについて、上述のイオン交換容量を求めることで行った。
<Ion exchange capacity (acid type)>
As the ion exchange capacity (IEC), the amount of acid type functional groups present in the ion exchange membrane was measured. First, as a sample preparation, a sample piece (5 × 5 cm) was dried in an oven at 80 ° C. under a nitrogen stream for 2 hours, further allowed to cool in a desiccator filled with silica gel for 30 minutes, and then the dry weight was measured (Ws). Next, 200 ml of a 1 mol / l sodium chloride-ultra pure aqueous solution and the weighed sample were placed in a 200 ml sealed glass bottle, and stirred in a sealed state at room temperature for 24 hours. Subsequently, 30 ml of the solution was neutralized and titrated with a 10 mM aqueous sodium hydroxide solution (commercial standard solution), and IEC (acid type) was determined from the titration amount (T) using the following formula.
IEC (meq / g) = 10 T / (30 Ws) × 0.2
(Unit of T: ml Unit of Ws: g)
The total ion exchange capacity, which is a measure of the amount of ionic functional groups in the sample, was prepared by immersing the sample in a 2 mol / l sulfuric acid aqueous solution overnight, repeatedly washing with ultrapure water, and drying. It carried out by calculating | requiring the above-mentioned ion exchange capacity about an acid type sample.

<膨潤率>
膨潤率は、サンプル(5×5cm)の正確な乾燥重量(Ws)と、サンプルを70℃の超純水に2時間浸漬した後取り出し、サンプル表面に存在する余分な水滴をキムワイプ(商品名)を用いてふき取り、直ぐに測定した重量(Wl)から、下記式を用いて求めた。膨潤率が小さいほど、形態安定性に優れる。
膨潤率(%)=(Wl−Ws)/Ws×100(%)
<Swelling rate>
The swelling rate is the exact dry weight (Ws) of the sample (5 × 5 cm) and the sample is immersed in ultrapure water at 70 ° C. for 2 hours and then removed, and extra water droplets present on the sample surface are removed by Kimwipe (trade name) Was obtained using the following formula from the weight (Wl) measured immediately. The smaller the swelling rate, the better the shape stability.
Swelling rate (%) = (Wl−Ws) / Ws × 100 (%)

<イオン伝導率>
イオン伝導率σは次のようにして測定した。自作測定用プローブ(ポリテトラフルロエチレン製)上で幅10mmの短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度95%の恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間の10kHzにおける交流インピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を10mmから40mmまで10mm間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Dr[Ω/cm]から下記の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ[S/cm]=1/(膜幅×膜厚[cm]×Dr)
<Ionic conductivity>
The ionic conductivity σ was measured as follows. A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped film sample having a width of 10 mm on a self-made measurement probe (made of polytetrafluoroethylene) in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C. and a relative humidity of 95%. The AC impedance at 10 kHz between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The contact distance between the membrane and the platinum wire is measured by the following formula from the slope Dr [Ω / cm] of the straight line in which the distance between the electrodes is changed from 10 mm to 40 mm at intervals of 10 mm and the distance between the electrodes and the measured resistance value are plotted. Canceled and calculated.
σ [S / cm] = 1 / (film width × film thickness [cm] × Dr)

<メタノール透過速度およびメタノール透過係数>
イオン交換膜の液体燃料透過速度はメタノール透過速度およびメタノール透過係数として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5モル/リットルのメタノール水溶液(メタノール水溶液の調整には、市販の試薬特級グレードのメタノールと超純水(18MΩ・cm)を使用。)に24時間浸漬したイオン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5モル/リットルのメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm2)。なお具体的には、超純水を入れたセルのメタノール濃度変化速度[Ct](mmol/L/s)より以下の式を用いて算出した。
メタノール透過速度[mmol/m2/s]=(Ct[mmol/L/s]× 0.1[L])/2×10−4[m2]
メタノール透過係数[mmol/m/s]=メタノール透過速度[mmol/m2/s]×膜厚[m]
<Methanol permeation rate and methanol permeation coefficient>
The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as a methanol permeation rate and a methanol permeation coefficient by the following method. An ion exchange membrane immersed in a 5 mol / liter aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. (for the preparation of the aqueous methanol solution, use commercially available reagent-grade methanol and ultrapure water (18 MΩ · cm)) for 24 hours. Sandwiched in a cell, 100 ml of 5 mol / liter aqueous methanol solution was poured into one side of the cell, 100 ml of ultrapure water was poured into the other cell, and the cells on both sides were stirred at 25 ° C. It was calculated by measuring the amount of methanol diffusing into ultrapure water using a gas chromatograph (the area of the ion exchange membrane was 2.0 cm 2). Specifically, it was calculated using the following formula from the methanol concentration change rate [Ct] (mmol / L / s) of the cell containing ultrapure water.
Methanol permeation rate [mmol / m2 / s] = (Ct [mmol / L / s] × 0.1 [L]) / 2 × 10 −4 [m2]
Methanol permeability coefficient [mmol / m / s] = Methanol permeation rate [mmol / m2 / s] × film thickness [m]

<発電特性>
下記2種類の方法により発電特性を評価した。
<発電評価1>
デュポン社製20%ナフィオン(商品名)溶液に、市販の54%白金/ルテニウム触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社)と、少量の超純水およびイソプロパノールを混合してから、均一になるまで撹拌することで、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cm2になるように均一に塗布・乾燥して、アノード用の電極触媒層付きガス拡散層を作製した。また、同様の手法で、白金/ルテニウム触媒担持カーボンに替えて市販の40%白金触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社)を用いて、疎水化したカーボンペーパー上に電極触媒層を形成することで、カソード用の電極触媒層付きガス拡散層を作製した(1mg−白金/cm2)。上記2種類の電極触媒層付きガス拡散層の間に、イオン交換膜を、電極触媒層がイオン交換膜に接するように挟み、ホットプレス法により135℃、2MPaにて5分間加圧、加熱することにより、イオン交換膜・電極接合体を作製した。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度40℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ40℃の2mol/lのメタノール水溶液と空気を供給し、電流密度0.1A/cm2で放電試験を行った。
<発電評価2>
上記の発電評価1で示したカソード用の電極触媒層付きガス拡散層を、アノード用としても使用し、同様の手法によりイオン交換膜・電極接合体を作製した。セル温度80℃で、アノードおよびカソードに、それぞれ、60℃で加湿した水素ガス及び酸素ガスを供給しながら電流密度1A/cm2で放電試験を行い、電圧(V)を測定した。また同条件で長期間運転しながら2時間に一度、開回路電圧を観察し、開回路電圧が初期に比べて50mV低下した時間を耐久時間として、耐久性も評価した。
<Power generation characteristics>
The power generation characteristics were evaluated by the following two methods.
<Power generation evaluation 1>
A commercially available 54% platinum / ruthenium catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), a small amount of ultrapure water and isopropanol are mixed in a DuPont 20% Nafion (trade name) solution and stirred until uniform. Thus, a catalyst paste was prepared. The catalyst paste was uniformly applied to Toray carbon paper TGPH-060 so that the amount of platinum deposited was 2 mg / cm 2 and dried to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer for the anode. In addition, by using a commercially available 40% platinum catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) instead of platinum / ruthenium catalyst-supporting carbon in the same manner, an electrode catalyst layer is formed on hydrophobic carbon paper. A gas diffusion layer with an electrode catalyst layer for the cathode was prepared (1 mg-platinum / cm 2). An ion exchange membrane is sandwiched between the two types of gas diffusion layers with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the ion exchange membrane, and is pressurized and heated at 135 ° C. and 2 MPa for 5 minutes by a hot press method. Thus, an ion exchange membrane / electrode assembly was produced. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a 2 mol / l aqueous methanol solution and air of 40 ° C. were supplied to the anode and cathode at a cell temperature of 40 ° C., respectively, and the current density was 0.1 A. A discharge test was conducted at / cm2.
<Power generation evaluation 2>
The gas diffusion layer with the electrode catalyst layer for the cathode shown in the power generation evaluation 1 was also used for the anode, and an ion exchange membrane / electrode assembly was produced by the same method. A discharge test was conducted at a current density of 1 A / cm 2 while supplying hydrogen gas and oxygen gas humidified at 60 ° C. to the anode and the cathode, respectively, at a cell temperature of 80 ° C., and voltage (V) was measured. In addition, the open circuit voltage was observed once every 2 hours while operating for a long time under the same conditions, and the durability was also evaluated with the time when the open circuit voltage was reduced by 50 mV compared to the initial time as the durability time.

実施例1
モル比で1.00:1.02:2.02:2.25となるように、3,3'−ジスルホ
−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩、2,6−ジクロロベンゾニト
リル、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウムを混合し、その15gとモリキュラーシーブ2.71gを溶媒であるNMPとともに100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。148℃で一時間撹拌した後、反応温度を180−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約6.5時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰させた超純水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの28%NMP溶液を調整した。流延法によってポリマー溶液を薄く引き延ばし、100℃次いで145℃で4時間乾燥した。次いで2mol/lの硫酸水溶液中に2時間浸漬し、水洗5回後、枠に固定した状態で室温で乾燥することによりグリーンフィルムを作製した。このグリーンフィルムを160℃の窒素オーブン中で1時間加熱することによって熱処理を施したフィルムを作製した。80℃以下の温度となるまで窒素オーブン中で放置した後、フィルムを取り出した。次いで水洗処理を3回実施し、枠に固定した状態から室温で乾燥することにより、実施例1のイオン交換膜を作製した。
Example 1
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 2,6-dichlorobenzonitrile such that the molar ratio is 1.00: 1.02: 2.02: 2.25, 4,4′-biphenol and potassium carbonate were mixed, 15 g of the mixture and 2.71 g of molecular sieve were weighed into a 100 ml four-necked flask together with NMP as a solvent, and nitrogen was allowed to flow. After stirring at 148 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 180-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 6.5 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling ultrapure water for 1 hour and then dried. A 28% NMP solution of polymer was prepared. The polymer solution was thinly drawn by a casting method and dried at 100 ° C. and then 145 ° C. for 4 hours. Subsequently, it was immersed in a 2 mol / l sulfuric acid aqueous solution for 2 hours, washed 5 times with water, and then dried at room temperature while being fixed to a frame, thereby producing a green film. The green film was heated in a nitrogen oven at 160 ° C. for 1 hour to produce a heat-treated film. After being left in a nitrogen oven until the temperature reached 80 ° C. or lower, the film was taken out. Subsequently, the water-washing process was implemented 3 times, and the ion exchange membrane of Example 1 was produced by drying at room temperature from the state fixed to the frame.

実施例2
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩、2,6−ジクロロベンゾニトリル、4,4'−ビフェノール、炭酸カリウムのモル比を、1.00:0.25:1.25:1.46で仕込んだことを除いて、実施例1の手法で処理することによって、実施例2のイオン交換膜を作製した。
Example 2
The molar ratio of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt, 2,6-dichlorobenzonitrile, 4,4′-biphenol, potassium carbonate was 1.00: 0.25: 1. The ion exchange membrane of Example 2 was produced by processing by the method of Example 1 except that it was charged at .25: 1.46.

実施例3
グリーンフィルムの熱処理温度を200℃で行ったことを除いて、実施例2の手法で処理することにより実施例3のイオン交換膜を作製した。
Example 3
The ion exchange membrane of Example 3 was produced by processing by the method of Example 2 except that the heat treatment temperature of the green film was 200 ° C.

実施例4
厚みの異なるグリーンフィルムを用いたことを除いて、実施例1の手法で処理することによって、実施例4のイオン交換膜を作製した。
Example 4
The ion exchange membrane of Example 4 was produced by processing by the method of Example 1 except that green films having different thicknesses were used.

比較例1
グリーンフィルムの熱処理をしなかったことを除いて実施例1の手法で比較例1のイオン交換膜を作製した。
Comparative Example 1
An ion exchange membrane of Comparative Example 1 was produced by the method of Example 1 except that the green film was not heat-treated.

比較例2
グリーンフィルムの熱処理を120℃で行ったことを除いて実施例2の手法により比較例2のイオン交換膜を作製した。発電評価2の方法で発電試験を行った際、膜の抵抗が低く、電流密度増加に伴う電圧の低下は小さく抑えることが可能であったが、開回路電圧が実施例に比べて低く、初期段階でも幾分ガスリークしているような挙動を示し、不安定なものであった。
Comparative Example 2
An ion exchange membrane of Comparative Example 2 was produced by the method of Example 2 except that the green film was heat-treated at 120 ° C. When the power generation test was performed by the method of power generation evaluation 2, the resistance of the film was low, and it was possible to suppress a decrease in voltage due to an increase in current density. Even at the stage, the gas leaked and showed unstable behavior.

比較例3
酸変換処理を施さず、塩型の状態のグリーンフィルムを用いたことを除いて、実施例1の手法により比較例3のイオン交換膜を作製した。
Comparative Example 3
An ion exchange membrane of Comparative Example 3 was prepared by the method of Example 1 except that the acid conversion treatment was not performed and a salt-type green film was used.

実施例1、2、3、4、比較例1、2、3、の物性評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the physical property evaluation results of Examples 1, 2, 3, and 4 and Comparative Examples 1, 2, and 3.

Figure 0004720091
Figure 0004720091

実施例のイオン交換膜は、グリーンフィルムに比べてIECが減少している。これはスルホン酸基由来の架橋反応が進行したためと考えられる。一方、比較例のイオン交換膜は、グリーンフィルムとほぼ同じIECを有しており、架橋反応は進行していないことが分かる。実施例と比較例のイオン交換膜の特性を比べた場合、実施例の方が低膨潤率であり、形態安定性が向上している。その結果、IECが高くともメタノール透過係数を低く抑えることが可能であり、より良い性能を有していることが分かる。発電性能は、発電評価1の方法の場合、実施例の膜はメタノール透過性が低いので良好な性能が得られている。一方、発電評価2の方法による場合、実施例の膜も比較例の膜も、初期性能は良好であったが(ただし、比較例2の膜を使用した場合、開回路電圧が低いという問題はある。)、耐久性を評価した結果、明らかに実施例の膜の方が優れていた。膨潤性や形態安定性が改善された結果だと考えられる。   The IEC of the ion exchange membrane of an Example has decreased compared with the green film. This is presumably because the crosslinking reaction derived from the sulfonic acid group has progressed. On the other hand, the ion exchange membrane of the comparative example has almost the same IEC as the green film, and it can be seen that the crosslinking reaction does not proceed. When the characteristics of the ion exchange membranes of the example and the comparative example are compared, the example has a lower swelling rate, and the form stability is improved. As a result, it can be seen that even if IEC is high, the methanol permeability coefficient can be kept low, and the performance is better. In the case of the method of power generation evaluation 1, the power generation performance is good because the membranes of the examples have low methanol permeability. On the other hand, when the method of power generation evaluation 2 was used, the initial performance of both the example film and the comparative example film was good (however, when the film of Comparative Example 2 was used, the problem that the open circuit voltage was low) As a result of evaluating the durability, the film of the example was clearly superior. This is thought to be the result of improved swelling and form stability.

イオン伝導性と安定性が両立される、優れたイオン交換膜を提供することができ、信頼性に優れ、高性能な燃料電池を供給することが可能となる。   An excellent ion exchange membrane having both ion conductivity and stability can be provided, and a high-performance fuel cell with excellent reliability can be supplied.

Claims (3)

イオン交換膜として、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含んだポリマーにより形成され、150℃以上で熱処理をすることによって架橋され、形態安定性を高めたことを特徴とする、 芳香族炭化水素系イオン交換膜。
Figure 0004720091

ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
Figure 0004720091

ただし、Ar'は2価の芳香族基を示す。
As an ion exchange membrane, it is formed of a polymer containing the structural component represented by the following general formula (1) together with the following general formula (1), and is cross-linked by heat treatment at 150 ° C. or higher, thereby improving morphological stability. Features Aromatic hydrocarbon ion exchange membrane.
Figure 0004720091

Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.
Figure 0004720091

However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
請求項1 の範囲のイオン交換膜の製造方法。 Claim 1 A method for producing an ion exchange membrane in the range. 請求項1 の範囲のイオン交換膜を使用した燃料電池。
Claim 1 A fuel cell using an ion exchange membrane in the range.
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