JP4910269B2 - ELECTROLYTE MATERIAL FOR SOLID POLYMER TYPE FUEL CELL, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR SOLID POLYMER FUEL CELL - Google Patents

ELECTROLYTE MATERIAL FOR SOLID POLYMER TYPE FUEL CELL, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR SOLID POLYMER FUEL CELL Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用膜電極接合体及びそのための固体高分子電解質材料に関する。   The present invention relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte material therefor.

水素・酸素燃料電池は、その反応生成物が原理的に水のみであり地球環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。固体高分子型燃料電池は、かつてジェミニ計画及びバイオサテライト計画で宇宙船に搭載されたが、当時の電池出力密度は低かった。その後、より高性能のアルカリ型燃料電池が開発され、現在のスペースシャトルに至るまで宇宙用にはアルカリ型燃料電池が採用されている。   Hydrogen / oxygen fuel cells are attracting attention as a power generation system that has almost no adverse effect on the global environment because its reaction product is in principle only water. The polymer electrolyte fuel cell was once installed in a spacecraft under the Gemini and Biosatellite programs, but the battery power density at that time was low. Later, higher performance alkaline fuel cells were developed, and alkaline fuel cells have been adopted for space use up to the current space shuttle.

ところが、近年技術の進歩により固体高分子型燃料電池が再び注目されている。その理由として次の2点が挙げられる。(1)固体高分子電解質として高導電性の膜が開発された。(2)ガス拡散電極層に用いられる触媒をカーボンに担持し、さらにこれをイオン交換樹脂で被覆することにより、きわめて大きな活性が得られるようになった。
そして、固体高分子型燃料電池の膜電極接合体(以下、単に接合体という。)の製造方法に関して多くの検討がなされている。
However, in recent years, solid polymer fuel cells have attracted attention again due to technological advances. There are two reasons for this. (1) A highly conductive membrane has been developed as a solid polymer electrolyte. (2) The catalyst used for the gas diffusion electrode layer is supported on carbon, and further coated with an ion exchange resin, an extremely large activity can be obtained.
Many studies have been made on methods for producing membrane electrode assemblies (hereinafter simply referred to as “joints”) of polymer electrolyte fuel cells.

現在検討されている固体高分子型燃料電池は、作動温度が50〜120℃と低いため、排熱が燃料電池の補機動力等に有効利用しがたい欠点がある。これを補う意味でも固体高分子型燃料電池は、特に高い出力密度が要求されている。また実用化への課題として、燃料及び空気利用率の高い運転条件下でも高エネルギ効率、高出力密度が得られる接合体の開発が要求されている。   The polymer electrolyte fuel cell currently being studied has a drawback that it is difficult to effectively use the exhaust heat for auxiliary power of the fuel cell because the operating temperature is as low as 50 to 120 ° C. In order to supplement this, the polymer electrolyte fuel cell is required to have a particularly high power density. Further, as a problem for practical use, there is a demand for the development of a joined body that can obtain high energy efficiency and high power density even under operating conditions with high fuel and air utilization rates.

低作動温度かつ高ガス利用率の運転条件では、特に電池反応により水が生成するカソードにおいて、水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞(フラッディング)が起こりやすい。したがって長期にわたり安定な特性を得るためには、フラッディングが起こらないように電極の撥水性を確保する必要がある。低温で高出力密度が得られる固体高分子型燃料電池では特に重要である。   Under operating conditions with a low operating temperature and a high gas utilization rate, the electrode porous body is likely to be clogged (flooded) due to the condensation of water vapor, particularly at the cathode where water is generated by the cell reaction. Therefore, in order to obtain stable characteristics over a long period of time, it is necessary to ensure the water repellency of the electrode so that flooding does not occur. This is particularly important for polymer electrolyte fuel cells that can obtain high power density at low temperatures.

電極の撥水性を確保するには、電極中で触媒を被覆するイオン交換樹脂のイオン交換容量を小さくする、すなわちイオン交換基の含有率が低いイオン交換樹脂の使用が有効である。しかし、この場合にはイオン交換樹脂は含水率が低いため導電性が低くなり、電池性能が低下する。さらに、イオン交換樹脂のガス透過性が低下するため、被覆したイオン交換樹脂を通して触媒表面に供給されるガスの供給が遅くなる。そのため、反応サイトにおけるガス濃度が低下して電圧損失が大きくなる、すなわち濃度過電圧が高くなって出力が低下する。   In order to ensure the water repellency of the electrode, it is effective to reduce the ion exchange capacity of the ion exchange resin covering the catalyst in the electrode, that is, to use an ion exchange resin having a low content of ion exchange groups. However, in this case, since the ion exchange resin has a low water content, the conductivity becomes low and the battery performance is lowered. Furthermore, since the gas permeability of the ion exchange resin is lowered, the supply of gas supplied to the catalyst surface through the coated ion exchange resin is delayed. For this reason, the gas concentration at the reaction site decreases and the voltage loss increases, that is, the concentration overvoltage increases and the output decreases.

このため、触媒を被覆するイオン交換樹脂にはイオン交換容量の高い樹脂を用い、これに加えて、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEという。)、テトラフルオロエチレン(以下、TFEという。)/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、TFE/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体等のフッ素樹脂等を撥水化剤として電極、特にカソード中に含有させ、フラッディングを抑制する試みがなされている(例えば特許文献1参照)。なお、本明細書でA/B共重合体とは、Aに基づく繰り返し単位とBに基づく繰り返し単位とからなる共重合体を示す。   Therefore, a resin having a high ion exchange capacity is used as the ion exchange resin for coating the catalyst. In addition, for example, polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) and tetrafluoroethylene (hereinafter referred to as TFE) are used. Attempts have been made to suppress flooding by incorporating fluororesin such as a benzene / hexafluoropropylene copolymer and TFE / perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer as a water repellent agent in an electrode, particularly a cathode (for example, Patent Document 1). In the present specification, the A / B copolymer refers to a copolymer comprising a repeating unit based on A and a repeating unit based on B.

しかし、充分に撥水化するために電極中の上記撥水化剤の量を多くすると、上記撥水化剤は絶縁体のため電極の電気抵抗が増大する。また、電極の厚さが厚くなるためガス透過性が低下し、逆に出力が低下する問題がある。電極の導電性の低下を補うためには、例えば触媒の担体であるカーボン材料の導電性や触媒を被覆するイオン交換樹脂のイオン導電性を高めることが必要である。しかし、充分な導電性と充分な撥水性を同時に満足する電極を得るのは困難であり、高出力かつ長期的に安定な固体高分子型燃料電池を得ることは容易ではなかった。   However, if the amount of the water repellent agent in the electrode is increased in order to achieve sufficient water repellency, the water repellent agent is an insulator, so that the electrical resistance of the electrode increases. Moreover, since the electrode becomes thick, gas permeability is lowered, and conversely, the output is lowered. In order to compensate for the decrease in the conductivity of the electrode, for example, it is necessary to increase the conductivity of the carbon material that is the carrier of the catalyst and the ionic conductivity of the ion exchange resin that covers the catalyst. However, it is difficult to obtain an electrode that satisfies both sufficient conductivity and sufficient water repellency, and it has not been easy to obtain a solid polymer fuel cell having high output and long-term stability.

また、フッ化ピッチを混合する方法(例えば特許文献2参照)、触媒担体をフッ素化処理する方法(例えば特許文献3参照)も提案されているが、触媒表面をイオン交換樹脂により均一に被覆できない問題がある。また、電極の厚さ方向に対して撥水性に勾配を持たせる方法(例えば特許文献4、5参照)も提案されているが、製造方法が煩雑である。   In addition, a method of mixing fluoride pitch (for example, see Patent Document 2) and a method for fluorinating a catalyst carrier (for example, see Patent Document 3) have been proposed, but the catalyst surface cannot be uniformly coated with an ion exchange resin. There's a problem. In addition, a method of providing a gradient in water repellency with respect to the thickness direction of the electrode (see, for example, Patent Documents 4 and 5) has been proposed, but the manufacturing method is complicated.

燃料電池の出力を高めるには、電極中のイオン交換樹脂が高ガス透過性かつ高導電性であることが必要であり、交換基濃度が高く含水率の高いイオン交換樹脂が好ましい。しかし、交換基濃度の高いイオン交換樹脂を用いた場合、燃料ガスの透過性及び導電性が高く燃料電池の初期の出力は高くなるが、フラッディングが起こりやすく、長期間使用すると出力の低下が起こりやすい。   In order to increase the output of the fuel cell, the ion exchange resin in the electrode needs to have high gas permeability and high conductivity, and an ion exchange resin having a high exchange group concentration and a high water content is preferable. However, when an ion exchange resin with a high exchange group concentration is used, the fuel gas permeability and conductivity are high, and the initial output of the fuel cell is high, but flooding is likely to occur, and the output decreases when used for a long time. Cheap.

これらの問題を解決するために、本発明者らは主鎖に脂肪族環構造を有するパーフルオロポリマー(炭素原子と結合する水素原子が全てフッ素原子に置換されているポリマー)を提案している(特許文献6)。しかし、通常固体高分子型燃料電池に使用されるスルホン酸基を有する鎖状のパーフルオロポリマーに比べ改善はされるものの、より過酷な条件にポリマーが曝される場合、まだ耐久性等において充分ではなかった。   In order to solve these problems, the present inventors have proposed a perfluoropolymer having an aliphatic ring structure in the main chain (a polymer in which all hydrogen atoms bonded to carbon atoms are substituted with fluorine atoms). (Patent Document 6). However, although it is improved compared to the chain perfluoropolymer having a sulfonic acid group usually used in solid polymer fuel cells, when the polymer is exposed to more severe conditions, the durability is still sufficient. It wasn't.

特開平5−36418号公報(請求項1、2)JP-A-5-36418 (Claims 1 and 2) 特開平7−211324号公報(特許請求の範囲)Japanese Patent Laid-Open No. 7-212324 (Claims) 特開平7−192738号公報(特許請求の範囲)JP-A-7-192738 (Claims) 特開平5−251086号公報(請求項1)JP-A-5-251086 (Claim 1) 特開平7−134993号公報(特許請求の範囲)JP-A-7-134993 (Claims) 特開2002−260705号公報(特許請求の範囲)JP 2002-260705 A (Claims)

そこで本発明は、導電性が高くかつ含有する電解質材料のガス透過性が高く、長期間にわたって高出力を維持できる耐久性の高い固体高分子型燃料電池を提供することを目的とし、そのための電解質材料及び膜電極接合体を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid polymer fuel cell having high conductivity and high gas permeability of an electrolyte material contained therein and capable of maintaining a high output over a long period of time. An object is to provide a material and a membrane electrode assembly.

本発明は、スルホン酸基又はスルホンイミド基を有し、かつ主鎖に脂肪族環構造を有するパーフルオロポリマーからなる電解質材料であって、3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中にポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%以下であることを特徴とする電解質材料を提供する。   The present invention relates to an electrolyte material comprising a perfluoropolymer having a sulfonic acid group or a sulfonimide group and an aliphatic ring structure in the main chain, comprising 3% hydrogen peroxide and 200 ppm divalent iron ions In a test in which 0.1 g of a polymer is immersed in 50 g of a Fenton reagent solution containing 16 hours at 40 ° C., the fluorine ion elution amount detected in the solution is 0.01% or less of the total fluorine amount in the immersed polymer. An electrolyte material is provided.

この電解質材料は、下記モノマーAに基づく繰り返し単位と下記モノマーBに基づく繰り返し単位を含む共重合体からなる。ただし、式中、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0、YはOH又はNHSOZであってZはエーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基である。)。
モノマーA:ラジカル重合により、主鎖に環構造を含む繰り返し単位を有するポリマーを与えるパーフルオロモノマー。
モノマーB:CF=CF−(OCFCFY−O−(CF−SOで表されるパーフルオロビニルエーテル。
The electrolyte material, ing a copolymer comprising repeating units based on a repeating unit Monomer B based on the lower Symbol Monomer A. In the formula, Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer from 1 to 12, p is 0 or 1, m + p> 0, Y 2 is OH or NHSO 2 Z, and Z is a C 1-6 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom. ).
Monomer A: A perfluoromonomer that gives a polymer having a repeating unit containing a ring structure in the main chain by radical polymerization.
Monomer B: CF 2 = CF- (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl ether represented by n -SO 2 Y 2.

また、本発明は、膜状固体高分子電解質と、該電解質を介して配置されるカソード及びアノードとを有する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方は、触媒と上述の電解質材料とを含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体を提供する。   The present invention also relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane solid polymer electrolyte, and a cathode and an anode disposed via the electrolyte, wherein at least one of the cathode and the anode is A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a catalyst and the above-described electrolyte material is provided.

さらに本発明は、膜状固体高分子電解質と、該電解質を介して配置されるカソード及びアノードとを有する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記膜状固体高分子電解質賀状術の電解質材料からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体を提供する。   Furthermore, the present invention provides a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane solid polymer electrolyte, and a cathode and an anode disposed via the electrolyte, wherein the membrane solid polymer electrolyte card A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising an electrolyte material is provided.

さらに本発明は、上記に記載の電解質材料の製造方法であって、−SOF基を有するパーフルオロポリマーをラジカル重合により得た後、該パーフルオロポリマーをフッ素ガスと接触させた後、−SOF基をスルホン酸基又はスルホンイミド基に変換することを特徴とする電解質材料の製造方法を提供する。 Furthermore, the present invention provides a method for producing an electrolyte material as described above, wherein after obtaining a perfluoropolymer having —SO 2 F groups by radical polymerization, the perfluoropolymer is brought into contact with a fluorine gas; Provided is a method for producing an electrolyte material, which comprises converting SO 2 F groups into sulfonic acid groups or sulfonimide groups.

本発明によれば、ガス透過性が高く、耐久性に優れる高分子電解質材料が提供できる。この電解質材料からなる電解質膜を有する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体又はこの電解質材料を電極に含む膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体は、長時間運転しても出力低下が少なく耐久性に優れる。   According to the present invention, a polymer electrolyte material having high gas permeability and excellent durability can be provided. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having an electrolyte membrane made of the electrolyte material or a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly containing the electrolyte material in an electrode is operated for a long time. Even if the output is reduced, the durability is excellent.

従来より燃料電池用用途に用いられているスルホン酸基を有する鎖状のパーフルオロポリマーでは、その一部の分子鎖末端に−COOH基、−CF=CF基、−COF基、CFH基等の不安定な官能基を有するため、固体高分子型燃料電池の電解質材料に使用すると長期間の運転で次第にポリマーが分解し、発電電圧が低下したり、膜強度が低下して局部的にピンホールや割れ、剥離等が起こると本発明者らは考え、このポリマー又はその前駆体である−SOF基を有するポリマーに対しフッ素化処理(フッ素ガスとの接触)を行うことにより、分子末端をパーフルオロ化して安定させることができ、耐久性を大幅に改良できることを提案している。しかし、過酷な運転条件にポリマーが曝される場合、それでも耐久性は充分でなかったため、さらなる耐久性の向上を目的として検討した。そして主鎖に脂肪族環構造を有しスルホン酸基を有するパーフルオロポリマーは、不安定な官能基の量を制御すると、上記従来ポリマーの官能基の量の制御による耐久性向上に比べ、著しい耐久性の向上が見受けられることがわかった。 In a chain perfluoropolymer having a sulfonic acid group conventionally used for fuel cell applications, a —COOH group, a —CF═CF 2 group, a —COF group, a CF 2 H group at the end of a part of the molecular chain. When used as an electrolyte material for polymer electrolyte fuel cells, the polymer gradually decomposes over a long period of operation, resulting in a decrease in power generation voltage or a decrease in membrane strength. The present inventors consider that pinholes, cracks, peeling, etc. occur in the film, and by performing fluorination treatment (contact with fluorine gas) on this polymer or a polymer having a —SO 2 F group as a precursor thereof. It is proposed that the molecular ends can be perfluorinated and stabilized, and the durability can be greatly improved. However, when the polymer was exposed to harsh operating conditions, the durability was still insufficient. The perfluoropolymer having an alicyclic structure in the main chain and having a sulfonic acid group, when the amount of the unstable functional group is controlled, is significantly higher than the durability improvement by controlling the amount of the functional group of the conventional polymer. It was found that the durability was improved.

そこで、燃料電池運転におけるポリマーの分解に対する耐性の指標としてフェントン試薬浸漬試験を用いたところ、その結果が燃料電池の耐久性とよい相関関係があることがわかり、本発明に至った。この試験は過酸化水素水と2価の鉄イオンを含む水溶液にポリマーを浸漬し、浸漬前後のポリマーの変化をみるものである。通常、過酸化水素水濃度1〜30%、2価鉄イオン濃度10〜500ppm、浸漬温度25〜90℃、浸漬時間0.5〜24時間で実施されるもので、本発明では3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中にポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬するという条件を採用している。この試験では、フェントン試薬中で発生するヒドロキシラジカル又はヒドロパーオキシラジカルによってポリマー分解が起こり、ポリマーは微量重量減少するので、通常重量減少を測定する。しかし、イオン交換基を有するポリマーの場合は、吸湿性が高いため乾燥しても精度良く重量測定することが難しく、分解時にフェントン試薬溶液中に溶出するフッ素イオンを検出する方が感度の点で好ましいため、本発明ではフッ素イオン溶出量で評価している。   Thus, when the Fenton reagent immersion test was used as an index of the resistance to polymer degradation during fuel cell operation, the results were found to have a good correlation with the durability of the fuel cell, leading to the present invention. In this test, a polymer is immersed in an aqueous solution containing hydrogen peroxide and divalent iron ions, and changes in the polymer before and after immersion are observed. Usually, the hydrogen peroxide solution concentration is 1 to 30%, the divalent iron ion concentration is 10 to 500 ppm, the immersion temperature is 25 to 90 ° C., and the immersion time is 0.5 to 24 hours. A condition is adopted in which 0.1 g of polymer is immersed in 50 g of Fenton reagent solution containing hydrogen oxide water and 200 ppm of divalent iron ions at 40 ° C. for 16 hours. In this test, the polymer degradation is caused by hydroxy radicals or hydroperoxy radicals generated in the Fenton reagent, and the weight loss of the polymer is usually measured because the polymer loses a small weight. However, in the case of a polymer having an ion exchange group, since it is highly hygroscopic, it is difficult to accurately measure the weight even after drying, and it is more sensitive to detect fluorine ions eluted in the Fenton reagent solution during decomposition. Since it is preferable, in this invention, it evaluates by the fluorine ion elution amount.

本発明の電解質材料となるポリマー(以下、本ポリマーという。)は、この試験において溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%以下である。0.01%より大きいと不安定末端基の量が多く、長時間の燃料電池運転で電圧低下が起こりやすい。より好ましくは0.005%以下である。   The polymer (hereinafter referred to as the present polymer) serving as the electrolyte material of the present invention has a fluorine ion elution amount detected in the solution in this test of 0.01% or less of the total fluorine amount in the immersed polymer. If it is more than 0.01%, the amount of unstable terminal groups is large, and a voltage drop tends to occur during long-time fuel cell operation. More preferably, it is 0.005% or less.

また、不安定末端基の量の指標として、赤外分光スペクトルによる測定も用いることができる。この場合、測定するポリマーからなる50〜150um程度のフィルムを調製し、その赤外分光スペクトルを測定することにより行う。この測定は、スルホン酸基又はスルホンイミド基のカリウム塩で測定することができ、フィルムの吸着水による赤外スペクトルへの影響を小さくするために、真空乾燥機等を用いて乾燥したカリウム塩型のフィルムを用いて乾燥窒素中で測定することが好ましい。この場合、測定波数1690±10cm−1の帯域の最大吸光度I1690と2350±10cm−1の吸光度I2350との比I1690/I2350が0.15以下であることが、不安定末端基が少ないポリマーであり好ましく、より好ましくは0.1以下であり、さらに好ましくは0.05以下である。この比の数値は低いほど不安定末端基が少ないことを示すので、低いほど好ましい。 Moreover, the measurement by an infrared spectrum can also be used as a parameter | index of the quantity of an unstable terminal group. In this case, a film of about 50 to 150 μm made of the polymer to be measured is prepared, and the infrared spectrum is measured. This measurement can be performed with a potassium salt of a sulfonic acid group or a sulfonimide group, and in order to reduce the influence on the infrared spectrum by the adsorbed water of the film, the potassium salt type dried using a vacuum dryer or the like. It is preferable to measure in dry nitrogen using the film. In this case, the ratio I 1690 / I 2350 of the absorbance I 2350 of maximum absorbance I 1690 and 2350 ± 10 cm -1 in the band of the measurement wavenumber 1690 ± 10 cm -1 is 0.15 or less, the unstable terminal groups Less polymer is preferable, more preferably 0.1 or less, and still more preferably 0.05 or less. The lower the numerical value, the lower the number of unstable end groups.

なお、測定波数2350±10cm−1にピークを有する吸収は広域にわたる吸収であるため、本明細書における吸光度I2350は、2740±20cm−1と2070±20cm−1とを結んだ直線をベースラインとし、2350±10cm−1にあるピーク位置の吸光度をベースラインから計測した値とした。また、測定波数1690±10cm−1のピークの吸光度I1690は、吸収ピークの高波数側、低波数側それぞれに近接する谷を結んだ直線をベースラインとし、1690±10cm−1にあるピーク位置の吸光度をベースラインから計測した値とした。 In addition, since the absorption having a peak at the measurement wavenumber of 2350 ± 10 cm −1 is absorption over a wide area, the absorbance I 2350 in this specification is a baseline obtained by connecting a straight line connecting 2740 ± 20 cm −1 and 2070 ± 20 cm −1. The absorbance at the peak position at 2350 ± 10 cm −1 was a value measured from the baseline. Further, the absorbance I 1690 of the peak of the measurement wavenumber 1690 ± 10 cm -1 is higher wavenumber of the absorption peak, the straight line connecting the valleys adjacent to each lower wavenumber as a baseline, the peak position in the 1690 ± 10 cm -1 Was the value measured from the baseline.

図1はテトラフルオロエチレンとパーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)とパーフルオロ(3,6−ジオキサ−4−メチル−7−オクテン)スルホン酸カリウムの共重合体の赤外線スペクトルを示す図であるが、この図を用いて具体的に上記各測定波数の吸光度について説明する。図1において、2350±10cm−1にあるピークについては、2740cm−1付近と2070cm−1付近とを、スペクトルに対して接線が引けるように直線で結んでおり、これがベースライン1である。そしてピークからベースライン1までの距離を吸光度I2350としている。また、1690±10cm−1にあるピークについては、吸収ピークの高波数側、低波数側それぞれに近接する谷を結んだ直線をベースライン1’とし、ピークからベースライン1’までの距離を吸光度I1690としている。 FIG. 1 shows an infrared spectrum of a copolymer of tetrafluoroethylene, perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) and potassium perfluoro (3,6-dioxa-4-methyl-7-octene) sulfonate. However, the absorbance of each of the measured wave numbers will be specifically described with reference to FIG. In Figure 1, for the peaks at 2350 ± 10 cm -1, and around 2740cm -1 and around 2070cm -1, and with straight lines as can be subtracted tangent to the spectrum, which is the base line 1. The distance from the peak to the baseline 1 is the absorbance I 2350 . For the peak at 1690 ± 10 cm −1 , a straight line connecting valleys close to the high wave number side and the low wave number side of the absorption peak is defined as the baseline 1 ′, and the distance from the peak to the baseline 1 ′ is the absorbance. I 1690 .

通常、本ポリマーの製造方法としては、主鎖に脂肪族環構造を有し−SOF基を有するパーフルオロポリマーを合成した後、加水分解、酸型化等の方法又は他の公知の基の変換方法により−SOF基をスルホン酸基又はスルホンイミド基に変換する工程を経て製造し、その途中の工程でフッ素ガスと接触させることが好ましい。フッ素ガスとの接触により末端の不安定部位を安定化させ、ポリマーの分解を制御できる。 Usually, as a production method of the present polymer, after synthesizing a perfluoropolymer having an aliphatic ring structure in the main chain and having a —SO 2 F group, a method such as hydrolysis, acidification, or other known groups It is preferable to produce it through a step of converting a —SO 2 F group into a sulfonic acid group or a sulfonimide group by the conversion method, and to contact with fluorine gas in the middle step. Contact with fluorine gas stabilizes the unstable portion at the end, and can control the degradation of the polymer.

上記のフッ素化する工程は、−SOF基をスルホン酸基又はスルホンイミド基に変換した後に行ってもよいが、−SOF基を有するポリマーの段階で行うのがプロセス上容易で好ましく、置換した官能基の安定性の点でも好ましい。しかしこの方法に限定されない。ただし、スルホンイミド基を有するポリマーをフッ素化する場合は、スルホンイミド基中のNH結合がNF結合に変換されるため再度NH結合に戻す操作が必要となる。この操作としては、例えばマロン酸エステルや芳香族化合物等を用いる公知の方法が採用できる。 The above fluorination step may be performed after converting the —SO 2 F group into a sulfonic acid group or a sulfonimide group, but it is preferable in terms of the process to be performed at the stage of the polymer having the —SO 2 F group. Also preferred is the stability of the substituted functional group. However, it is not limited to this method. However, when a polymer having a sulfonimide group is fluorinated, the NH bond in the sulfonimide group is converted into an NF bond, and therefore an operation for returning to the NH bond is necessary. As this operation, for example, a known method using a malonic acid ester or an aromatic compound can be employed.

フッ素化に用いるフッ素ガスは、通常、0.1%以上100%未満の濃度として窒素、ヘリウム、二酸化炭素などの不活性ガスで希釈されたものを用いるが、希釈せずに用いてもよい。ポリマーはバルクの状態で、又は含フッ素溶媒に分散又は溶解した状態で、フッ素ガスと接触させることができる。   As the fluorine gas used for fluorination, a gas diluted with an inert gas such as nitrogen, helium or carbon dioxide is usually used at a concentration of 0.1% or more and less than 100%, but it may be used without being diluted. The polymer can be contacted with fluorine gas in a bulk state or in a state dispersed or dissolved in a fluorine-containing solvent.

フッ素ガスと接触させてポリマーをフッ素化する際の温度は、通常室温〜300℃であり、50〜250℃、特には100〜220℃、さらには150〜200℃が好適である。温度が低すぎると、フッ素ガスとポリマー末端の反応が遅くなり、温度が高すぎると−SOF基の脱離を伴う場合がある。上記温度範囲における接触時間は1分〜1週間が好ましく、特に好ましくは1〜50時間である。 The temperature at which the polymer is fluorinated by contacting with fluorine gas is usually room temperature to 300 ° C, preferably 50 to 250 ° C, particularly 100 to 220 ° C, and more preferably 150 to 200 ° C. If the temperature is too low, the reaction between the fluorine gas and the polymer ends becomes slow, and if the temperature is too high, the —SO 2 F group may be eliminated. The contact time in the above temperature range is preferably 1 minute to 1 week, particularly preferably 1 to 50 hours.

フッ素化の工程においてポリマーを含フッ素溶媒に溶解又は分散させてフッ素化する場合には、当該含フッ素溶媒としては例えば以下の溶媒を使用できる。
パーフルオロトリブチルアミン、パーフルオロトリプロピルアミン等のポリフルオロトリアルキルアミン化合物。
In the fluorination step, when the polymer is dissolved or dispersed in a fluorinated solvent and fluorinated, for example, the following solvents can be used as the fluorinated solvent.
Polyfluorotrialkylamine compounds such as perfluorotributylamine and perfluorotripropylamine.

パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、パーフルオロデカン、パーフルオロドデカン、パーフルオロ(2,7−ジメチルオクタン)、2H,3H−パーフルオロペンタン、1H−パーフルオロヘキサン、1H−パーフルオロオクタン、1H−パーフルオロデカン、1H,4H−パーフルオロブタン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロヘキサン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロオクタン、1H,1H,1H,2H,2H−パーフルオロデカン、3H,4H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)、2H,3H−パーフルオロ(2−メチルペンタン)等のフルオロアルカン。
3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン、1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン等のクロロフルオロアルカン。
Perfluorohexane, perfluorooctane, perfluorodecane, perfluorododecane, perfluoro (2,7-dimethyloctane), 2H, 3H-perfluoropentane, 1H-perfluorohexane, 1H-perfluorooctane, 1H-per Fluorodecane, 1H, 4H-perfluorobutane, 1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorohexane, 1H, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctane, 1H, 1H, 1H, 2H, 2H-per Fluoroalkanes such as fluorodecane, 3H, 4H-perfluoro (2-methylpentane), 2H, 3H-perfluoro (2-methylpentane) and the like.
3,3-dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane, 1,1-dichloro-1-fluoroethane Such as chlorofluoroalkane.

パーフルオロデカリン、パーフルオロシクロヘキサン、パーフルオロ(1,2−ジメチルシクロヘキサン)、パーフルオロ(1,3−ジメチルシクロヘキサン)、パーフルオロ(1,3,5−トリメチルシクロヘキサン)、パーフルオロジメチルシクロブタン(構造異性を問わない)等のポリフルオロシクロアルカン。
パーフルオロ(2−ブチルテトラヒドロフラン)等のポリフルオロ環状エーテル化合物。
Perfluorodecalin, perfluorocyclohexane, perfluoro (1,2-dimethylcyclohexane), perfluoro (1,3-dimethylcyclohexane), perfluoro (1,3,5-trimethylcyclohexane), perfluorodimethylcyclobutane (structural isomerism) Polyfluorocycloalkanes, etc.).
Polyfluorocyclic ether compounds such as perfluoro (2-butyltetrahydrofuran).

n−COCH、n−COCHCF、n−COCHFCF、n−COC、n−COCH、iso−COCH、n−COC、iso−COC、n−COCHCF、n−C11OCH、n−C13OCH、n−C11OC、CFOCF(CF)CFOCH、CFOCHFCHOCH、CFOCHFCHOC、n−COCFCF(CF)OCHFCF等のヒドロフルオロエーテル類、フッ素含有低分子量ポリエーテル、クロロトリフルオロエチレンのオリゴマー等。 n-C 3 F 7 OCH 3 , n-C 3 F 7 OCH 2 CF 3, n-C 3 F 7 OCHFCF 3, n-C 3 F 7 OC 2 H 5, n-C 4 F 9 OCH 3, iso -C 4 F 9 OCH 3, n -C 4 F 9 OC 2 H 5, iso-C 4 F 9 OC 2 H 5, n-C 4 F 9 OCH 2 CF 3, n-C 5 F 11 OCH 3, n-C 6 F 13 OCH 3 , n-C 5 F 11 OC 2 H 5, CF 3 OCF (CF 3) CF 2 OCH 3, CF 3 OCHFCH 2 OCH 3, CF 3 OCHFCH 2 OC 2 H 5, n- Hydrofluoroethers such as C 3 F 7 OCF 2 CF (CF 3 ) OCHFCF 3 , fluorine-containing low molecular weight polyethers, chlorotrifluoroethylene oligomers, and the like.

ヘキサフルオロベンゼン、トリフルオロメチルベンゼン、1,4−ビストリフルオロメチルベンゼン等の含フッ素芳香族化合物。
これらは、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
Fluorine-containing aromatic compounds such as hexafluorobenzene, trifluoromethylbenzene and 1,4-bistrifluoromethylbenzene.
These may be used alone or in combination of two or more.

これらの他にも広範な化合物を使用できる。1,1,2−トリクロロ−1,2,2−トリフルオロエタン、1,1,1−トリクロロ−2,2,2−トリフルオロエタン、1,1,1,3−テトラクロロ−2,2,3,3−テトラフルオロプロパン、1,1,3,4−テトラクロロ−1,2,2,3,4,4−ヘキサフルオロブタン等のクロロフルオロカーボン溶媒類は、技術的には使用できるが、地球環境保護の観点から好ましくない。この他に、液体又は超臨界の二酸化炭素を用いて反応を行うこともできる。
上述の溶媒の中で水素原子を含有する溶媒は、フッ素ガスと反応するので、水素原子を含有しない溶媒を用いるほうが好ましい。
In addition to these, a wide range of compounds can be used. 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane, 1,1,1-trichloro-2,2,2-trifluoroethane, 1,1,1,3-tetrachloro-2,2 Chlorofluorocarbon solvents such as 1,3,3-tetrafluoropropane and 1,1,3,4-tetrachloro-1,2,2,3,4,4-hexafluorobutane can be used technically. From the viewpoint of protecting the global environment, it is not preferable. In addition, the reaction can be performed using liquid or supercritical carbon dioxide.
Among the above-mentioned solvents, a solvent containing a hydrogen atom reacts with fluorine gas, so that it is preferable to use a solvent that does not contain a hydrogen atom.

上述のようにしてフッ素化させたポリマーは、例えばNaOHやKOH等のアルカリ水溶液中、又はメタノールやエタノール等のアルコール類やジメチルスルホキシド等の極性溶媒と水との混合溶媒中でその−SOF基が加水分解された後、塩酸や硫酸等の水溶液により酸型化されスルホン酸基に変換される。例えばKOH水溶液により加水分解される場合は、−SOF基が−SOK基に変換され、その後Kイオンがプロトンに置換される。加水分解及び酸型化は通常0℃〜120℃の間で行われる。 The polymer fluorinated as described above is, for example, its —SO 2 F in an alkaline aqueous solution such as NaOH or KOH, or in a mixed solvent of an alcohol such as methanol or ethanol, or a polar solvent such as dimethyl sulfoxide and water. After the group is hydrolyzed, it is acidified with an aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid and converted to a sulfonic acid group. For example, when hydrolyzed with an aqueous KOH solution, the —SO 2 F group is converted to an —SO 3 K group, and then the K ion is replaced with a proton. Hydrolysis and acidification are usually performed between 0 ° C and 120 ° C.

また、上述のようにしてフッ素化させたポリマーのスルホンイミド基への変換方法としては、公知の方法が使用できる。例えば、米国特許5463005号明細書や、Inorg.Chem.32(23)5007頁(1993年)に記載の方法等が挙げられる。すなわち、ポリマーをトリフルオロメタンスルホンアミド、ヘプタフルオロエタンスルホンアミド、ノナフルオロブタンスルホンアミド等のパーフルオロスルホンアミドをアルカリ金属フッ化物や有機アミン等の塩基性化合物存在下に接触させる方法や、該スルホンアミドのアルカリ金属塩をさらにシリル化した化合物と接触させる方法により、ポリマー中の−SOF基を反応させ、塩基由来の塩型のスルホンイミド基に変換した後、さらに塩酸や硫酸等の水溶液で酸型化することでスルホンイミド基に変換できる。 Moreover, a well-known method can be used as the conversion method to the sulfonimide group of the polymer fluorinated as mentioned above. For example, US Pat. No. 5,463,005 and Inorg. Chem. 32 (23), page 5007 (1993). That is, a method in which a polymer is contacted with a perfluorosulfonamide such as trifluoromethanesulfonamide, heptafluoroethanesulfonamide, or nonafluorobutanesulfonamide in the presence of a basic compound such as an alkali metal fluoride or an organic amine, or the sulfonamide by the method of contacting an alkali metal salt of the further compound silylated by reacting -SO 2 F groups in the polymer, after conversion to sulfonimide groups base from a salt form, further hydrochloric acid and an aqueous solution such as sulfuric acid It can be converted into a sulfonimide group by acidification.

また、フッ素化させたポリマーを、固体状態で、溶媒で膨潤させた状態で、又は溶媒に溶解した状態で、アンモニアと接触させてポリマー中の−SOF基をスルホンアミド基に変換した後、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、ヘプタフルオロエタンスルホニルフルオライド、ノナフルオロブタンスルホニルフルオライド、ウンデカフルオロシクロヘキサンスルホニルフルオライド等の−SOF基含有化合物と接触させることでも変換できる。 In addition, after the fluorinated polymer is contacted with ammonia in a solid state, swollen with a solvent, or dissolved in a solvent, the —SO 2 F group in the polymer is converted into a sulfonamide group. -SO 2 F such as trifluoromethanesulfonyl fluoride, heptafluoroethanesulfonyl fluoride, nonafluorobutanesulfonyl fluoride, undecafluorocyclohexanesulfonyl fluoride in the presence of basic compounds such as alkali metal fluorides and organic amines It can also be converted by contacting with a group-containing compound.

このようなスルホンイミド基への変換反応を行う場合、フッ素化させたポリマーを、溶媒で膨潤させた状態で、又は溶媒に溶解した状態で反応させることが、スルホンイミド化反応を円滑に進めるために好ましい方法といえる。このような溶媒としては、例えば、ポリマーを含フッ素溶媒に溶解又は分散させてフッ素ガスと接触させる場合に使用できる溶媒として上記に例示した溶媒が使用できる。   In the case of performing such a conversion reaction to a sulfonimide group, a reaction in which the fluorinated polymer is swollen with a solvent or dissolved in a solvent facilitates the sulfonimide reaction. This is a preferable method. As such a solvent, the solvent illustrated above as a solvent which can be used when, for example, a polymer is dissolved or dispersed in a fluorine-containing solvent and brought into contact with fluorine gas can be used.

なお、生成するスルホンイミド基に変換されたポリマーが、上記の溶媒に対し溶解しなくなる場合、反応の進行に伴い反応場が不均一になり該イミド化反応が円滑に進行しなくなる場合がある。このような場合、生成してくるスルホンイミド基に変換されたポリマーが溶解もしくは膨潤するような溶媒を併用することも好ましい方法といえる。   In addition, when the polymer converted into the sulfonimide group to be generated does not dissolve in the above solvent, the reaction field becomes non-uniform as the reaction proceeds, and the imidation reaction may not proceed smoothly. In such a case, it can be said that it is also preferable to use a solvent in which the polymer converted into the generated sulfonimide group dissolves or swells.

スルホンイミド基に変換されたポリマーを膨潤させる又は溶解しうる溶媒としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、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、N,N−ジメチルアセトアミド,N−メチル−2−ピロリドン等の極性溶媒が使用できる。   Solvents that can swell or dissolve the polymer converted to sulfonimide groups include acetonitrile, propionitrile, methanol, ethanol, 2-propanol, dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, A polar solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.

また、CFCHOH、CFCFCHOH、H(CFCFCHOH、CF(CF(CHOH、(CFCHOH等の含フッ素アルコールも、フッ素化させたポリマー及びスルホンイミド基に変換されたポリマーのいずれもを膨潤させ又は溶解しうる溶媒として好ましい。ただし、式中aは1〜5の整数であり、bは1〜10の整数であり、cは1〜6の整数である。反応の際には上述してきたこれらの溶媒を単独で用いても2種以上を混合して用いることもできる。 Further, CF 3 CH 2 OH, CF 3 CF 2 CH 2 OH, H (CF 2 CF 2 ) a CH 2 OH, CF 3 (CF 2 ) b (CH 2 ) c OH, (CF 3 ) 2 CHOH, etc. Fluorinated alcohols are also preferred as solvents that can swell or dissolve both fluorinated polymers and polymers converted to sulfonimide groups. However, in formula, a is an integer of 1-5, b is an integer of 1-10, c is an integer of 1-6. In the reaction, these solvents described above can be used alone or in admixture of two or more.

フッ素ガスと反応させるスルホン酸基、スルホンイミド基又はそれらの前駆体基である−SOF基を有するポリマーは、環構造を有するモノマー又は環化重合性モノマーとスルホン酸基又はスルホン酸基の前駆体基を有するモノマーとの共重合の工程を経て合成できる。上記ポリマーは、燃料電池の電解質材料としての耐久性やフッ素化工程の容易性を考慮すると、パーフルオロモノマーのみを共重合して得られるパーフルオロポリマーであることが好ましい。パーフルオロポリマーであっても、連鎖移動反応等により、ポリマー主鎖末端に−COF基、−COOH基、−CF=CF基等が存在し、重合開始剤に水素原子を含むものを使用した場合には、ポリマー主鎖末端に重合開始剤に基づく非パーフルオロの基が生成するため、フッ素化工程を経ることによりフッ素化の効果が得られる。 A polymer having a —SO 2 F group which is a sulfonic acid group, a sulfonimide group or a precursor group thereof to be reacted with fluorine gas is a monomer having a ring structure or a cyclopolymerizable monomer and a sulfonic acid group or a sulfonic acid group. It can be synthesized through a copolymerization step with a monomer having a precursor group. The polymer is preferably a perfluoropolymer obtained by copolymerizing only a perfluoromonomer in consideration of durability as an electrolyte material for a fuel cell and ease of fluorination process. Even a perfluoropolymer having a —COF group, —COOH group, —CF═CF 2 group, etc. at the end of the polymer main chain and containing a hydrogen atom as a polymerization initiator was used due to a chain transfer reaction or the like. In some cases, a non-perfluoro group based on the polymerization initiator is generated at the polymer main chain terminal, and thus the fluorination effect can be obtained through the fluorination step.

上記重合開始剤として、パーフルオロブタノイルパーオキサイドに代表されるパーフルオロジアシルパーオキサイド等のパーフルオロ化合物を使用する場合、末端に安定なパーフルオロ基が導入され、重合後の不安定末端基が少なくなる場合がある。このような方法で得られたポリマーは、フッ素化工程を経なくても本ポリマーとして使用できるが、このような不安定末端基の少ないポリマーをさらにフッ素ガスによる処理を行うと、より容易に不安定末端基が非常に少ないポリマーが得られ好ましい。   When a perfluoro compound such as perfluorodiacyl peroxide typified by perfluorobutanoyl peroxide is used as the polymerization initiator, a stable perfluoro group is introduced at the end, and unstable end groups after polymerization are introduced. May decrease. The polymer obtained by such a method can be used as the present polymer without passing through the fluorination step. However, if such a polymer having few unstable end groups is further treated with fluorine gas, it is more easily inactivated. Polymers with very few stable end groups are obtained and preferred.

本ポリマーにおける環構造は特に限定されないが、例えば下式で表わされる環構造が好ましい。式中nは1〜4の整数であり、Rは炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基又はパーフルオロアルコキシ基であり、X、Xはそれぞれ独立にフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。また、(CXにおいてnが2以上である場合は、炭素ごとにXとXの組合せは異なっていてもよい。いずれの環構造の場合にも4〜7員環であることが好ましく、環の安定性を考慮すると5員環又は6員環であることが特に好ましい。 Although the ring structure in this polymer is not particularly limited, for example, a ring structure represented by the following formula is preferable. In the formula, n is an integer of 1 to 4, R f is a C 1-8 perfluoroalkyl group or a perfluoroalkoxy group, and X 1 and X 2 are each independently a fluorine atom or a trifluoromethyl group. is there. In addition, when n is 2 or more in (CX 1 X 2 ) n , the combination of X 1 and X 2 may be different for each carbon. In any ring structure, a 4- to 7-membered ring is preferable, and a 5-membered or 6-membered ring is particularly preferable in consideration of the stability of the ring.

Figure 0004910269
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本ポリマーを得るためのコモノマーの環構造を有するモノマーとしては、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(以下、PDDという。)、パーフルオロ(1,3−ジオキソール)、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)(以下MMDという)、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール等を例示できる。   Monomers having a comonomer ring structure for obtaining this polymer include perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) (hereinafter referred to as PDD), perfluoro (1,3-dioxole), Examples include fluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) (hereinafter referred to as MMD), 2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole, and the like.

本ポリマーを得るためのコモノマーの環化重合性モノマーとしては、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)(以下、BVEという。)、パーフルオロ[(1−メチル−3−ブテニル)ビニルエーテル]、パーフルオロ(アリルビニルエーテル)、1,1’−[(ジフルオロメチレン)ビス(オキシ)]ビス[1,2,2−トリフルオロエテン]等を例示できる。   The comonomer cyclopolymerizable monomer for obtaining this polymer includes perfluoro (3-butenyl vinyl ether) (hereinafter referred to as BVE), perfluoro [(1-methyl-3-butenyl) vinyl ether], perfluoro. (Allyl vinyl ether), 1,1 ′-[(difluoromethylene) bis (oxy)] bis [1,2,2-trifluoroethene] and the like can be exemplified.

上述の環構造を有するモノマー又は環化重合性モノマーに基づく繰り返し単位を具体的に示すと、例えばPDDに基づく繰り返し単位は式5、BVEに基づく繰り返し単位は式6、MMDに基づく繰り返し単位は式7で示される。本明細書において「脂肪族環構造を有するパーフルオロポリマー」とは、このように不飽和結合を含まない環構造を有する繰り返し単位を含む含パーフルオロポリマーを示すものとする。   Specific examples of the repeating unit based on the monomer having a cyclic structure or the cyclopolymerizable monomer described above include, for example, a repeating unit based on PDD is represented by formula 5, a repeating unit based on BVE is represented by formula 6, and a repeating unit based on MMD is represented by formula 7. As used herein, the term “perfluoropolymer having an aliphatic ring structure” refers to a perfluoropolymer containing a repeating unit having a ring structure that does not contain an unsaturated bond.

Figure 0004910269
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環構造を有するモノマー又は環化重合性モノマーと反応させるスルホン酸基、スルホンイミド基又はそれらの基の前駆体基を有するモノマーとしては、−SOF基を有するパーフルオロビニルエーテルが好ましく挙げられる。具体的には、CF=CF−(OCFCFY−O−(CF−SOFで表されるパーフルオロビニルエーテル(式中、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0である。)が好ましい。上記パーフルオロビニルエーテルのなかでも、式8〜10の化合物が好ましく挙げられる。ただし、式8〜10中、qは1〜8の整数であり、rは1〜8の整数であり、sは2又は3である。−SOF基を有するモノマーを用いて重合した場合、通常加水分解、酸型化処理又は公知の反応を用いて−SOH基又はスルホンイミド基に変換して電解質材料とされる。すなわち、電解質材料となる本ポリマー中にはCF=CF−(OCFCFY−O−(CF−Zに基づく繰り返し単位(Zはスルホン酸基又はスルホンイミド基)が含まれることが好ましい。 As the monomer having a sulfonic acid group, a sulfonimide group or a precursor group of these groups to be reacted with a monomer having a ring structure or a cyclopolymerizable monomer, perfluorovinyl ether having a —SO 2 F group is preferably exemplified. Specifically, CF 2 = CF- (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) n perfluorovinylether (wherein represented by -SO 2 F, Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl And m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and m + p> 0. Of the perfluorovinyl ethers, compounds of formulas 8 to 10 are preferred. However, in Formula 8-10, q is an integer of 1-8, r is an integer of 1-8, s is 2 or 3. When polymerized using a monomer having —SO 2 F group, it is converted into —SO 3 H group or sulfonimide group by usually hydrolysis, acidification treatment or known reaction to obtain an electrolyte material. That, CF 2 = CF- in the polymer as a electrolyte material (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) repeating units based on n -Z (Z is a sulfonic acid group or a sulfonimide group) It is preferably included.

Figure 0004910269
Figure 0004910269

また、上記モノマー以外に下記式11〜13で表わされるモノマーも使用できる。ただし、式中Y、Yはそれぞれフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、t、xは0〜2の整数であり、u、v、wは1〜12の整数である。さらに具体的に示すと式14〜17で表わされるモノマーが挙げられる。 Moreover, the monomer represented by following formula 11-13 other than the said monomer can also be used. In the formula, Y 2 and Y 3 are each a fluorine atom or a trifluoromethyl group, t and x are integers of 0 to 2, and u, v, and w are integers of 1 to 12. More specifically, monomers represented by formulas 14 to 17 are listed.

Figure 0004910269
Figure 0004910269

Figure 0004910269
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特に本ポリマーとしては、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)、パーフルオロ(1,3−ジオキソール)、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール及びパーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)からなる群から選択されるモノマーに基づく繰り返し単位と、パーフルオロ(3,6−ジオキサ−4−メチル−7−オクテン)スルホン酸(CF=CFOCFCF(CF)O(CFSOH)又はパーフルオロ(3−オキサ−4−ペンテン)スルホン酸(CF=CFO(CFSOH)に基づく繰り返し単位とを含むポリマーであることが好ましい。 In particular, as this polymer, perfluoro (3-butenyl vinyl ether), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), perfluoro (1,3-dioxole), 2,2,4-trifluoro Repeating units based on monomers selected from the group consisting of -5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole and perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane); and perfluoro (3,6 - dioxa-4-methyl-7-octene) sulfonic acid (CF 2 = CFOCF 2 CF ( CF 3) O (CF 2) 2 SO 3 H) or perfluoro (3-oxa-4-pentene) sulfonic acid (CF 2 = CFO (CF 2) is preferably a polymer comprising a repeating unit based on 2 SO 3 H).

本ポリマーは、上述の環状モノマー又は環化重合性モノマーと、例えば式8〜10で表わされるような−SOF基を有するモノマーとの共重合の工程を経て合成されるが、強度の調整などのため、さらにテトラフルオロエチレン等の他のラジカル重合可能なモノマーを共重合させてもよい。本ポリマーは、環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位とスルホン酸基又はスルホンイミド基を有するモノマーに基づく繰り返し単位のみから構成される場合、その骨格は剛直になりやすく、燃料電池の膜や触媒層に用いると膜や触媒層が脆くなりやすい場合もあるためである。 This polymer is synthesized through a copolymerization step of the above-mentioned cyclic monomer or cyclopolymerizable monomer and a monomer having a —SO 2 F group as represented by, for example, formulas 8 to 10, but the strength is adjusted. For example, other radically polymerizable monomers such as tetrafluoroethylene may be copolymerized. When this polymer is composed only of a repeating unit based on a monomer having a ring structure and a repeating unit based on a monomer having a sulfonic acid group or a sulfonimide group, the skeleton tends to be rigid, and the fuel cell membrane or catalyst layer This is because the film and the catalyst layer may be fragile.

ただし本ポリマーは、重合後、フッ素化の工程を経ることにより撥水性に優れ、燃料電池のカソードの電解質として使用する場合、燃料電池の出力を向上させ、長期にわたり安定した特性を示すが、他のモノマーを共重合する場合は、その優れた出力特性を損なわないように、本ポリマー中での当該他のモノマーに基づく繰り返し単位の含有量が質量比で35%以下、特に20%以下になるようにするのが好ましい。   However, this polymer is excellent in water repellency by passing through a fluorination step after polymerization, and when used as an electrolyte for a cathode of a fuel cell, improves the output of the fuel cell and shows stable characteristics over a long period. When the monomer is copolymerized, the content of the repeating unit based on the other monomer in the polymer is 35% or less, particularly 20% or less, so as not to impair its excellent output characteristics. It is preferable to do so.

上述の共重合可能なモノマーとしては、例えばTFE、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニル、エチレン等が挙げられる。また、CF=CFORf1、CH=CHRf2、CH=CHCHf2で表わされる化合物も使用できる。ただし、Rf1は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基であり、枝分かれ構造であってもよく、エーテル結合性の酸素原子を含有してもよい。Rf2は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基である。これらのなかでも、パーフルオロモノマーを用いるほうがフッ素ガスとの反応が容易であり、耐久性の観点から好ましい。なかでもTFEは入手が容易で重合反応性が高いので好ましい。 Examples of the copolymerizable monomer include TFE, chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, and ethylene. Further, the compound represented by CF 2 = CFOR f1, CH 2 = CHR f2, CH 2 = CHCH 2 R f2 may be used. However, R f1 is a C 1-12 perfluoroalkyl group, may have a branched structure, and may contain an etheric oxygen atom. R f2 is a C 1-12 perfluoroalkyl group. Among these, the use of perfluoromonomer is preferable from the viewpoint of durability because the reaction with fluorine gas is easy. Of these, TFE is preferred because it is readily available and has high polymerization reactivity.

上記モノマーにおいてCF=CFORf1で表される化合物としては、CF=CF−(OCFCFX)−O−Rf4で表されるパーフルオロビニルエーテル化合物が好ましい。ただし、式中、yは0〜3の整数であり、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、Rf4は直鎖又は分岐鎖の炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基(以下、本明細書において、Rf4は同じ意味で用いる。)である。なかでも、式18〜20で表わされる化合物が好ましく挙げられる。ただし、式中、aは1〜8の整数であり、bは1〜8の整数であり、cは2又は3である。 As the compound represented by CF 2 ═CFOR f1 in the monomer, a perfluorovinyl ether compound represented by CF 2 ═CF— (OCF 2 CFX) y —O—R f4 is preferable. However, in the formula, y is an integer of 0 to 3, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and R f4 is a linear or branched perfluoroalkyl group having 1 to 12 carbon atoms (hereinafter referred to as the present invention). In the specification, R f4 is used in the same meaning.). Especially, the compound represented by Formula 18-20 is mentioned preferably. However, in formula, a is an integer of 1-8, b is an integer of 1-8, c is 2 or 3.

Figure 0004910269
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本ポリマーを用いた膜や触媒層の強度を高めるためには、本ポリマーの数平均分子量は5000以上が好ましく、10000以上、さらには20000以上であるとより好ましい。また、分子量が大きすぎると成形性や後述する溶媒への溶解性が低下することがあるので、分子量は5000000以下が好ましく、2000000以下であることがより好ましい。   In order to increase the strength of the membrane or catalyst layer using the present polymer, the number average molecular weight of the present polymer is preferably 5,000 or more, more preferably 10,000 or more, and even more preferably 20,000 or more. Moreover, since a moldability and the solubility to the solvent mentioned later may fall when molecular weight is too large, molecular weight is preferable 5000000 or less, and it is more preferable that it is 2000000 or less.

本ポリマーにおける環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位の含有量は、0.5〜80モル%が好ましく、1〜80モル%、さらには4〜70モル%、さらには10〜70モル%であるとより好ましい。環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位は少量含まれるだけでも耐久性向上効果があるが、0.5%未満では当該効果が現れにくい場合がある。また、環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位が多いほど、本ポリマーは厳しい環境下(例えば高温下)での耐久性に優れる。一方、環構造を有する繰り返し単位が多すぎると、ポリマー中のスルホン酸基が少なくなり、イオン交換容量が小さくなって導電性が低くなるおそれがある。   The content of the repeating unit based on the monomer having a ring structure in the present polymer is preferably 0.5 to 80 mol%, 1 to 80 mol%, further 4 to 70 mol%, and further 10 to 70 mol%. And more preferred. Even if a small amount of a repeating unit based on a monomer having a ring structure is contained, there is an effect of improving the durability, but if it is less than 0.5%, the effect may not easily appear. In addition, the more repeating units based on a monomer having a ring structure, the more excellent the durability of the present polymer in a severe environment (for example, at a high temperature). On the other hand, when there are too many repeating units having a ring structure, the number of sulfonic acid groups in the polymer is decreased, and the ion exchange capacity is decreased, which may lower the conductivity.

また、本ポリマーを電解質膜として使用する場合、特にその使用温度が100℃以上の高温になる場合がある。そのため電解質膜の軟化温度は100℃以上、さらには110℃以上、特には120℃以上であること好ましい。軟化温度は、動的粘弾性測定法により測定することができる。本明細書では、酸型化した膜について動的粘弾性測定を1Hz、昇温速度2℃/minの条件で貯蔵弾性率を測定し、50℃における接線と、貯蔵弾性率5×10Paにおける接線との交点を軟化温度としている。また、一部のポリマーについては、動的粘弾性測定が難しいものがあるため、このようなポリマーについては、TMA法により測定を行い、軟化温度とすることができる。
この場合、環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位の含有量は、20モル%以上、さらには30モル%以上、特に40モル%以上であることが好ましい。
Moreover, when using this polymer as an electrolyte membrane, the use temperature may become a high temperature of 100 degreeC or more especially. Therefore, the softening temperature of the electrolyte membrane is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, and particularly preferably 120 ° C. or higher. The softening temperature can be measured by a dynamic viscoelasticity measuring method. In this specification, the storage elastic modulus of the acidified film is measured under the conditions of dynamic viscoelasticity measurement at 1 Hz and a temperature increase rate of 2 ° C./min, a tangent at 50 ° C., and a storage elastic modulus of 5 × 10 7 Pa. The intersection with the tangent at is the softening temperature. In addition, since some polymers are difficult to measure dynamic viscoelasticity, such polymers can be measured by the TMA method to obtain a softening temperature.
In this case, the content of the repeating unit based on the monomer having a ring structure is preferably 20 mol% or more, more preferably 30 mol% or more, and particularly preferably 40 mol% or more.

さらに本ポリマーがTFEなどの共重合可能なモノマーに基づく繰り返し単位を含む場合は、当該繰り返し単位は5〜85モル%含まれることが好ましい。5モル%より少ないと、例えば電解質膜として使用する場合に、膜の靭性が充分でなくなる場合がある。85モル%より多いと、環構造を有する繰り返し単位及びポリマー中のスルホン酸基が少なくなり、本発明で期待される効果が発揮できないおそれがある。より好ましくは10〜80モル%、さらに好ましくは10〜70モル%である。また、ポリマーの軟化温度の高いものを得るには、10〜70モル%、さらには10〜60モル%、特に10〜50モル%であることが好ましい。   Furthermore, when this polymer contains a repeating unit based on a copolymerizable monomer such as TFE, the repeating unit is preferably contained in an amount of 5 to 85 mol%. When it is less than 5 mol%, for example, when used as an electrolyte membrane, the toughness of the membrane may not be sufficient. When it is more than 85 mol%, the repeating unit having a ring structure and the sulfonic acid group in the polymer are decreased, and the effect expected in the present invention may not be exhibited. More preferably, it is 10-80 mol%, More preferably, it is 10-70 mol%. Further, in order to obtain a polymer having a high softening temperature, it is preferably 10 to 70 mol%, more preferably 10 to 60 mol%, and particularly preferably 10 to 50 mol%.

また、スルホン酸基又はスルホンイミド基を有する繰り返し単位は、本ポリマーのイオン交換容量が0.7〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂となるように含まれることが好ましく、0.9〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂となるように含まれるとさらに好ましい。イオン交換容量が低すぎると電解質材料としてのポリマーの導電性が低くなり、高すぎると撥水性が悪く燃料電池に使用した場合耐久性が悪くなるおそれがあり、ポリマー強度も不充分になるおそれがある。   Moreover, it is preferable that the repeating unit which has a sulfonic acid group or a sulfonimide group is contained so that the ion exchange capacity of this polymer may be 0.7-2.5 meq / g dry resin, 0.9-1 More preferably, it is contained so as to be 5 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is too low, the conductivity of the polymer as the electrolyte material will be low. If it is too high, the water repellency will be poor and the durability will be poor when used in a fuel cell, and the polymer strength may be insufficient. is there.

本ポリマーを得るための重合はバルク重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など、従来公知の方法を採用できる。重合は、ラジカルが生起する条件で行われ、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、通常のラジカル重合で用いられるラジカル開始剤を添加する方法が一般的である。重合温度は通常は20〜150℃程度である。ラジカル開始剤としては、例えばビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられる。   For the polymerization for obtaining this polymer, conventionally known methods such as bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization and emulsion polymerization can be employed. Polymerization is performed under conditions where radicals are generated, and a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, electron beams, etc., and a method of adding a radical initiator used in normal radical polymerization are common. The polymerization temperature is usually about 20 to 150 ° C. Examples of radical initiators include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, azo compounds, and persulfates. Can be mentioned.

溶液重合では、使用する溶媒の沸点は、取扱い性の観点から、通常は20〜350℃、好ましくは40〜150℃である。使用可能な溶媒としては、上述の、本ポリマーのフッ素化を含フッ素溶媒中で行う際に含フッ素溶媒の好適なものとして例示した含フッ素溶媒と同じ溶媒が挙げられる。すなわち、ポリフルオロトリアルキルアミン化合物、パーフルオロアルカン、ハイドロフルオロアルカン、クロロフルオロアルカン、分子鎖末端に二重結合を有しないフルオロオレフィン、ポリフルオロシクロアルカン、ポリフルオロ環状エーテル化合物、ヒドロフルオロエーテル類、フッ素含有低分子量ポリエーテル、t−ブタノール等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。また、この他にも液体又は超臨界の二酸化炭素を用いて重合することもできる。   In the solution polymerization, the boiling point of the solvent used is usually 20 to 350 ° C., preferably 40 to 150 ° C., from the viewpoint of handleability. Examples of the solvent that can be used include the same solvents as the fluorine-containing solvents exemplified as suitable fluorine-containing solvents when the fluorination of the polymer is performed in a fluorine-containing solvent. That is, a polyfluorotrialkylamine compound, a perfluoroalkane, a hydrofluoroalkane, a chlorofluoroalkane, a fluoroolefin having no double bond at the molecular chain end, a polyfluorocycloalkane, a polyfluorocyclic ether compound, a hydrofluoroether, Fluorine-containing low molecular weight polyether, t-butanol and the like can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, polymerization can also be performed using liquid or supercritical carbon dioxide.

本ポリマーは、−OH基を有する有機溶媒に溶解又は良好に分散できる。該溶媒としては、アルコール性の−OH基を有する有機溶媒が好ましい。具体的には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2,2,2−トリフルオロエタノール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール、2,2,3,3−テトラフルオロ−1−プロパノール、4,4,5,5,5−ペンタフルオロ−1−ペンタノール、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール、3,3,3−トリフルオロ−1−プロパノール、3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロ−1−ヘキサノール、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−トリデカフルオロ−1−オクタノール等が例示される。また、アルコール以外に酢酸等のカルボキシル基を有する有機溶媒も使用できるが、これらに限定されない。   The present polymer can be dissolved or well dispersed in an organic solvent having —OH groups. The solvent is preferably an organic solvent having an alcoholic —OH group. Specifically, methanol, ethanol, 1-propanol, 2,2,2-trifluoroethanol, 2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol, 2,2,3,3-tetrafluoro -1-propanol, 4,4,5,5,5-pentafluoro-1-pentanol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol, 3,3,3-trifluoro -1-propanol, 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluoro-1-hexanol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8 , 8,8-tridecafluoro-1-octanol and the like. In addition to alcohol, an organic solvent having a carboxyl group such as acetic acid can also be used, but is not limited thereto.

−OH基を有する有機溶媒は、複数の溶媒を混合して用いてもよく、水又は他の含フッ素溶媒と混合して用いてもよい。他の含フッ素溶媒としては、上述の、本ポリマーのフッ素化を含フッ素溶媒中で行う際に含フッ素溶媒の好適なものとして例示した含フッ素溶媒と同じ溶媒が例示される。混合溶媒を使用する場合、−OH基を有する有機溶媒は、溶媒全質量の10%以上、特に20%以上含まれることが好ましい。
混合溶媒を用いる場合、最初から本ポリマーを混合溶媒中に溶解又は分散させてもよいが、−OH基を有する有機溶媒に溶解又は分散した後、他の溶媒を混合してもよい。
The organic solvent having an —OH group may be used by mixing a plurality of solvents, or may be used by mixing with water or another fluorine-containing solvent. Examples of the other fluorine-containing solvent include the same solvents as the fluorine-containing solvent exemplified as a preferable fluorine-containing solvent when the fluorination of the polymer is performed in the fluorine-containing solvent. When a mixed solvent is used, the organic solvent having an —OH group is preferably contained in an amount of 10% or more, particularly 20% or more of the total mass of the solvent.
When a mixed solvent is used, the present polymer may be dissolved or dispersed in the mixed solvent from the beginning, but after dissolving or dispersing in the organic solvent having an —OH group, another solvent may be mixed.

溶解又は分散する温度は0℃〜250℃の範囲が好ましく、特に20〜150℃にて大気圧下又はオートクレーブ等の密閉加圧した条件下で行うことが好ましい。
また、水よりも沸点の低いアルコール溶媒に本ポリマーを溶解又は分散した後、水を添加してアルコールを留去することにより、実質的に有機溶媒を含有しない水分散液を調製することもできる。
The temperature for dissolving or dispersing is preferably in the range of 0 ° C. to 250 ° C., and particularly preferably 20 to 150 ° C. under atmospheric pressure or under conditions of hermetically pressurized such as an autoclave.
Further, an aqueous dispersion substantially free of an organic solvent can be prepared by dissolving or dispersing the present polymer in an alcohol solvent having a boiling point lower than that of water and then adding water to distill off the alcohol. .

上記のようにして本ポリマーを溶解又は分散させて得られる液状組成物を使用して固体高分子型燃料電池のカソードを作製すると、ガス拡散性と撥水性に優れるカソードが得られる。該液状組成物中の本ポリマーの濃度は、液状組成物全質量の1〜50%、特に3〜30%であることが好ましい。濃度が低すぎると例えばカソード作製時に多量の有機溶媒が必要とされ、濃度が高すぎると液の粘度が高すぎて取扱い性が悪くなる。   When a cathode of a polymer electrolyte fuel cell is produced using the liquid composition obtained by dissolving or dispersing the present polymer as described above, a cathode excellent in gas diffusibility and water repellency can be obtained. The concentration of the present polymer in the liquid composition is preferably 1 to 50%, particularly 3 to 30% of the total mass of the liquid composition. If the concentration is too low, for example, a large amount of an organic solvent is required at the time of producing the cathode, and if the concentration is too high, the viscosity of the solution is too high and the handleability is deteriorated.

本発明においては、例えば本ポリマーを含む液状組成物に対し、白金触媒微粒子を担持させた導電性のカーボンブラック粉末を混合して分散させ、得られた均一の分散液を用いて、以下の2つのいずれかの方法で固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体を得ることができる。第1の方法は、膜状固体高分子電解質となるカチオン交換膜の両面に上述の分散液を塗布し乾燥した後、カーボンクロス又はカーボンペーパーで密着する方法である。第2の方法は前記分散液をカーボンクロス上又はカーボンペーパー上に塗布乾燥後、カチオン交換膜に密着させる方法である。   In the present invention, for example, a conductive carbon black powder carrying platinum catalyst fine particles is mixed and dispersed in a liquid composition containing the present polymer. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell can be obtained by any one of the two methods. The first method is a method in which the above dispersion is applied to both surfaces of a cation exchange membrane to be a membranous solid polymer electrolyte, dried, and then adhered with carbon cloth or carbon paper. The second method is a method in which the dispersion is applied and dried on carbon cloth or carbon paper, and is then adhered to the cation exchange membrane.

本発明の固体高分子型燃料電池において、カソードに含まれる触媒と電解質材料であるイオン交換樹脂とは、質量比で触媒:イオン交換樹脂=40:60〜95:5であることが、電極の導電性と水の排出性の観点から好ましい。なお、ここでいう触媒の質量は、カーボン等の担体に担持された担持触媒の場合は該担体の質量も含む。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the catalyst contained in the cathode and the ion exchange resin as the electrolyte material have a mass ratio of catalyst: ion exchange resin = 40: 60 to 95: 5. It is preferable from the viewpoint of conductivity and water discharge. In addition, the mass of the catalyst here includes the mass of the carrier in the case of a supported catalyst supported on a carrier such as carbon.

また、カソード中のイオン交換樹脂は、本ポリマー単独の樹脂からなってもよいが、従来公知のスルホン酸基を有するパーフルオロポリマーと本ポリマーとの混合物としてもよい。該従来公知のポリマーとしては、テトラフルオロエチレンとCF=CF−(OCFCFY)−O−(CF−SOHで表されるパーフルオロビニルエーテル(式中、Yはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0である。)の共重合体が例示される。特に、テトラフルオロエチレンと上述の式1〜3で表わされるモノマーとの共重合体を得てこれを加水分解、酸型化したスルホン酸基を有するポリマーが好ましく挙げられる。 Further, the ion exchange resin in the cathode may be made of a resin of the present polymer alone, but may be a mixture of a perfluoropolymer having a sulfonic acid group known in the art and the present polymer. Examples of the conventionally known polymers, tetrafluoroethylene and CF 2 = CF- (OCF 2 CFY ) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl ether (wherein represented by n -SO 3 H, Y is fluorine An atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and m + p> 0). Is done. Particularly preferred is a polymer having a sulfonic acid group obtained by obtaining a copolymer of tetrafluoroethylene and a monomer represented by the above formulas 1 to 3, and hydrolyzing and copolymerizing it.

カソードに従来公知のポリマーを混合して用いる場合は、本ポリマーの割合はカソード中のイオン交換樹脂全質量の20%以上、特に50%以上あることが好ましい。   When a conventionally known polymer is mixed and used for the cathode, the proportion of this polymer is preferably 20% or more, particularly 50% or more of the total mass of the ion exchange resin in the cathode.

本発明におけるアノードは、カソードと同じであってもよいが、従来より使用されているガス拡散電極等からなってもよい。アノードはカソードと同様の工程で形成され、膜の片面にアノード、もう一方の面にカソードが配置された膜−電極接合体が得られる。本ポリマーは固体高分子型燃料電池用電解質材料であるが、カソードではなくアノードに含有されてもよいし、膜状固体高分子電解質であるイオン交換膜の材料として用いてもよい。また、イオン交換膜のみを本ポリマーで構成し、カソード及びアノードには従来公知の電解質材料等の別の樹脂を使用することも可能である。   The anode in the present invention may be the same as the cathode, but may be composed of a conventionally used gas diffusion electrode or the like. The anode is formed in the same process as the cathode, and a membrane-electrode assembly is obtained in which the anode is disposed on one side of the membrane and the cathode is disposed on the other side. The polymer is an electrolyte material for a polymer electrolyte fuel cell, but may be contained in the anode instead of the cathode, or may be used as a material for an ion exchange membrane that is a membrane-like solid polymer electrolyte. Alternatively, only the ion exchange membrane may be composed of the present polymer, and another resin such as a conventionally known electrolyte material may be used for the cathode and the anode.

得られた膜−電極接合体は、例えば燃料ガス又は酸素を含む酸化剤ガス(空気、酸素等)の通路となる溝が形成され導電性カーボン板等からなるセパレータの間に挟まれ、セルに組み込まれることにより本発明の固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の電解質材料が適用される固体高分子型燃料電池は、水素/酸素型燃料電池に限定されない。直接メタノール型燃料電池(DMFC)等への適用も可能である。   The obtained membrane-electrode assembly is sandwiched between separators made of a conductive carbon plate or the like in which a groove serving as a passage for an oxidant gas (air, oxygen, etc.) containing fuel gas or oxygen is formed. By being incorporated, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be obtained. The polymer electrolyte fuel cell to which the electrolyte material of the present invention is applied is not limited to a hydrogen / oxygen fuel cell. Application to a direct methanol fuel cell (DMFC) or the like is also possible.

以下に、本発明を実施例(例1〜10、13)及び比較例(例11、12)により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
なお、以下の例において、下記の略号を用いる。
PSVE:CF=CFOCFCF(CF)OCFCFSOF、
PSVE2:CF=CFOCFCFOCFCFSOF、
IPP:(CHCHOC(=O)OOC(=O)OCH(CH
PFB:CFCFCFC(=O)OOC(=O)CFCFCF
HCFC141b:CHCClF(旭硝子社製)、
HCFC225cb:CClFCFCHClF(旭硝子社製)、
DMSO:ジメチルスルホキシド。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples (Examples 1 to 10, 13) and Comparative Examples (Examples 11 and 12), but the present invention is not limited to these.
In the following examples, the following abbreviations are used.
PSVE: CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 2 F,
PSVE2: CF 2 = CFOCF 2 CF 2 OCF 2 CF 2 SO 2 F,
IPP: (CH 3) 2 CHOC (= O) OOC (= O) OCH (CH 3) 2,
PFB: CF 3 CF 2 CF 2 C (═O) OOC (═O) CF 2 CF 2 CF 3
HCFC141b: CH 3 CCl 2 F (Asahi Glass Co., Ltd.)
HCFC225cb: CClF 2 CF 2 CHClF (Asahi Glass Co., Ltd.)
DMSO: dimethyl sulfoxide.

[例1]
PDD/PSVE共重合体の合成
内容積200mlのオートクレーブに、26.0gのPDD、127.8gのPSVE、及び0.46gのIPPをいれ、脱気後、窒素で0.3MPaまで圧張りし、40℃に加熱、撹拌することで重合を開始した。10時間後、冷却、パージして重合を止め、HCFC225cbで希釈後、ヘキサンに投入することで沈殿させ、ヘキサンで2回、さらにHCFC141bで1回洗浄した。ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥することにより、41.6gの白色のポリマーを得た。元素分析で硫黄の含有量を求め、PDD/PSVEの比とイオン交換容量を求めたところ、それぞれ56.5/43.5(モル比)、1.31ミリ当量/g乾燥樹脂であった。またGPCにより分子量を測定したところポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は3.3万であった。
[Example 1]
Synthesis of PDD / PSVE copolymer 26.0 g of PDD, 127.8 g of PSVE, and 0.46 g of IPP were placed in an autoclave with an internal volume of 200 ml. After degassing, the mixture was compressed to 0.3 MPa with nitrogen. Polymerization was started by heating and stirring at 40 ° C. After 10 hours, the polymerization was stopped by cooling and purging, and after dilution with HCFC225cb, precipitation was performed by adding it to hexane, followed by washing twice with hexane and once with HCFC141b. After filtration, it was vacuum-dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 41.6 g of a white polymer. The sulfur content was determined by elemental analysis, and the ratio of PDD / PSVE and the ion exchange capacity were determined to be 56.5 / 43.5 (molar ratio) and 1.31 meq / g dry resin, respectively. Moreover, when the molecular weight was measured by GPC, the number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate was 33,000.

上記ポリマー10gを2000mlのハステロイ製オートクレーブに入れ、脱気した後、ゲージ圧で0.3MPaまで窒素ガスで希釈されたフッ素ガス(20体積%)を導入し、180℃で4時間保持した。次に、これをKOH/HO/DMSO=11/59/30(質量比)の溶液に浸漬し、90℃で17時間保持して加水分解した。次いで室温に戻して水洗を3回行い、さらに3Nの塩酸に室温で2時間浸漬しさらに水洗した。この塩酸浸漬と水洗をそれぞれ合計3回行い、最後に3回水洗した。これを80℃で真空乾燥して酸型化、乾燥した後、エタノールに溶解して透明な10%溶液を得た。この溶液から厚さ200μmのキャスト膜を作製し、160℃で30分間加熱した。キャスト膜をTMA(マックサイエンス社製)にセットした。1mmφの石英プローブを用いてキャスト膜に3.5gの加重をかけて5℃/分で昇温した。キャスト膜に対するプローブのめり込みにより膜の厚みが急激に減少しはじめる温度を軟化点として計測したところ、このポリマーの軟化温度は150℃であった。 10 g of the polymer was placed in a 2000 ml Hastelloy autoclave and degassed, and then fluorine gas (20% by volume) diluted with nitrogen gas to a gauge pressure of 0.3 MPa was introduced and maintained at 180 ° C. for 4 hours. Next, it was immersed in a solution of KOH / H 2 O / DMSO = 11/59/30 (mass ratio) and hydrolyzed by maintaining at 90 ° C. for 17 hours. Next, the temperature was returned to room temperature, followed by washing with water three times, and further immersed in 3N hydrochloric acid at room temperature for 2 hours and further washed with water. This hydrochloric acid immersion and water washing were performed three times in total, and finally three times. This was vacuum dried at 80 ° C. to form an acid form, dried, and then dissolved in ethanol to obtain a transparent 10% solution. A cast film having a thickness of 200 μm was prepared from this solution and heated at 160 ° C. for 30 minutes. The cast film was set in TMA (manufactured by Mac Science). Using a 1 mmφ quartz probe, the cast film was loaded with a weight of 3.5 g and heated at 5 ° C./min. When the temperature at which the thickness of the film began to rapidly decrease due to penetration of the probe into the cast film was measured as the softening point, the softening temperature of this polymer was 150 ° C.

また、フッ素ガスで処理した酸型化する前のPDD/PSVE共重合体を熱プレスして厚さ100μmのフィルムを作製し、これをKOH/HO/DMSO=11/59/30(質量比)の溶液に浸漬し、90℃で17時間保持して加水分解した。次いで室温に戻して水洗を3回行い、さらに3Nの塩酸に室温で2時間浸漬しさらに水洗した。この塩酸浸漬と水洗をそれぞれ合計3回行い、最後にさらに3回水洗を行った。これを80℃で真空乾燥して酸型の乾燥フィルムを得た。このフィルム0.1gを切り出し、3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中に40℃で16時間浸漬する試験を行い、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量の浸漬したポリマー中の全フッ素量に対する割合を測定した。フッ素イオンの溶出割合は0.004%であった。 Further, the PDD / PSVE copolymer before acidification treated with fluorine gas was hot-pressed to produce a film having a thickness of 100 μm, which was KOH / H 2 O / DMSO = 11/59/30 (mass Ratio) and kept at 90 ° C. for 17 hours for hydrolysis. Next, the temperature was returned to room temperature, followed by washing with water three times, and further immersed in 3N hydrochloric acid at room temperature for 2 hours and further washed with water. This hydrochloric acid immersion and water washing were performed three times in total, and finally three times of water washing were performed. This was vacuum-dried at 80 ° C. to obtain an acid-type dry film. 0.1 g of this film was cut out and tested by immersing in 50 g of Fenton reagent solution containing 3% aqueous hydrogen peroxide and 200 ppm of divalent iron ions at 40 ° C. for 16 hours, and elution of fluorine ions detected in the solution The proportion of the total amount of fluorine in the soaked polymer was measured. The elution ratio of fluorine ions was 0.004%.

また、上記の酸型フィルムを切り出し、0.1MKOH水溶液に室温で30分浸漬し水洗後、110℃で真空乾することでK塩型のフィルムを得た。このフィルムの赤外分光スペクトルを測定したところ、吸光度比I1690/I2350は0.06であった。 The acid type film was cut out, immersed in a 0.1 M KOH aqueous solution at room temperature for 30 minutes, washed with water, and then vacuum dried at 110 ° C. to obtain a K salt type film. When the infrared spectrum of this film was measured, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.06.

[例2]
BVE/PSVE共重合体の合成
300mlのフラスコに、窒素雰囲気下、120.0gのBVE、128.5gのPSVE、及び0.76gのIPPを入れ、40℃に加熱、撹拌することで重合を開始した。16.7時間後、重合を止め、ヘキサンに投入することで沈殿させ、さらにヘキサンで3回洗浄した。ろ過後、80℃で16時間、真空乾燥する事により、47.8gの白色のポリマーを得た。
[Example 2]
Synthesis of BVE / PSVE copolymer In a 300 ml flask, under a nitrogen atmosphere, 120.0 g of BVE, 128.5 g of PSVE, and 0.76 g of IPP were placed, and polymerization was started by heating to 40 ° C and stirring. did. After 16.7 hours, the polymerization was stopped, the mixture was poured into hexane to precipitate, and further washed with hexane three times. After filtration, it was vacuum dried at 80 ° C. for 16 hours to obtain 47.8 g of a white polymer.

元素分析で硫黄の含有量を求め、BVE/PSVEの比とイオン交換容量を求めたところ、それぞれBVE/PSVE=67.0/33.0(モル比)、0.99ミリ当量/g乾燥樹脂であった。またGPCにより分子量を測定したところポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は2.9万であった。上記ポリマー10gを2000mlのハステロイ製オートクレーブに入れ、脱気した後、ゲージ圧で0.3MPaまで窒素ガスで希釈されたフッ素ガス(20体積%)を導入し、180℃で4時間保持した。アルカリで加水分解、酸型化、乾燥した後、エタノールに溶解して透明な10%溶液を得た。例1と同様にして求めたこのポリマーの軟化温度は110℃であった。   The sulfur content was determined by elemental analysis, and the BVE / PSVE ratio and the ion exchange capacity were determined. BVE / PSVE = 67.0 / 33.0 (molar ratio) and 0.99 meq / g dry resin, respectively. Met. Moreover, when the molecular weight was measured by GPC, the number average molecular weight in terms of polymethyl methacrylate was 29,000. 10 g of the polymer was placed in a 2000 ml Hastelloy autoclave and degassed, and then fluorine gas (20% by volume) diluted with nitrogen gas to a gauge pressure of 0.3 MPa was introduced and maintained at 180 ° C. for 4 hours. It was hydrolyzed with alkali, acidified and dried, and then dissolved in ethanol to obtain a transparent 10% solution. The softening temperature of this polymer determined in the same manner as in Example 1 was 110 ° C.

得られたポリマーについて例1と同様にフェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.004%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.05であった。 When the Fenton test was conducted on the obtained polymer in the same manner as in Example 1, the fluorine ion elution ratio was 0.004%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.05.

[例3]
TFE/PDD/PSVE共重合体の合成
内容積200mlのオートクレーブに14.30gのPDD、52.64gのPSVE、76.94gのHCFC225cb、及び0.36gのIPPを入れ、凍結脱気した。TFEを5.9g導入後、40℃に昇温して重合を開始した。このとき圧力は0.26MPa(ゲージ圧)であった。40℃で10時間反応させ、圧力が0.07MPa(ゲージ圧)になったところで、反応を止めた。重合溶液をHCFC225cbで希釈後ヘキサンにより凝集し、さらにヘキサンで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量25.03g(収率34.4%)。
[Example 3]
Synthesis of TFE / PDD / PSVE Copolymer An autoclave having an internal volume of 200 ml was charged with 14.30 g of PDD, 52.64 g of PSVE, 76.94 g of HCFC225cb, and 0.36 g of IPP and freeze-deaerated. After introducing 5.9 g of TFE, the temperature was raised to 40 ° C. to initiate polymerization. At this time, the pressure was 0.26 MPa (gauge pressure). The reaction was carried out at 40 ° C. for 10 hours, and the reaction was stopped when the pressure reached 0.07 MPa (gauge pressure). The polymerization solution was diluted with HCFC225cb, aggregated with hexane, and further washed with hexane three times. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 25.03 g (Yield 34.4%).

19F−NMRでポリマー組成を求めたところ、TFE/PDD/PSVE=42/35/22(モル比)であり、イオン交換容量が0.98ミリ当量/g乾燥樹脂であった。また、GPCによるポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は5.3万、重量平均分子量は8.3万であった。このポリマー10gを2000mlのハステロイ製オートクレーブに入れ、脱気した後、ゲージ圧で0.3MPaまで窒素ガスで希釈されたフッ素ガス(20体積%)を導入し、180℃で4時間保持した。次に、アルカリで加水分解、酸型化、乾燥した後、エタノールに溶解して透明な12%溶液を得た。 When the polymer composition was determined by 19 F-NMR, it was TFE / PDD / PSVE = 42/35/22 (molar ratio), and the ion exchange capacity was 0.98 meq / g dry resin. Moreover, the number average molecular weight of polymethyl methacrylate conversion by GPC was 53,000, and the weight average molecular weight was 83,000. 10 g of this polymer was put into a 2000 ml Hastelloy autoclave, degassed, and then fluorine gas (20% by volume) diluted with nitrogen gas to a gauge pressure of 0.3 MPa was introduced and maintained at 180 ° C. for 4 hours. Next, it was hydrolyzed with alkali, acidified and dried, and then dissolved in ethanol to obtain a transparent 12% solution.

また、フッ素ガスによる処理を行って得られたポリマーを用い、熱プレスで厚さ100μmのフィルムを作製した。これをKOH/HO/DMSO=11/59/30(質量比)の溶液に浸漬し、90℃で17時間保持して加水分解した。室温に戻して水洗を3回行った。さらに2Nの硫酸に室温で2時間浸漬して水洗した。この硫酸浸漬と水洗をそれぞれ合計3回行い、最後にさらに3回水洗を行った。80℃で16時間風乾し、さらに80℃で真空乾燥し、酸型の乾燥フィルムを得た。動的粘弾性の測定を行い、軟化温度を求めたところ、このポリマーの軟化温度は120℃であった。 Further, a film having a thickness of 100 μm was produced by hot pressing using a polymer obtained by treatment with fluorine gas. This was immersed in a solution of KOH / H 2 O / DMSO = 11/59/30 (mass ratio) and kept at 90 ° C. for 17 hours for hydrolysis. It returned to room temperature and washed with water 3 times. Further, it was immersed in 2N sulfuric acid at room temperature for 2 hours and washed with water. This sulfuric acid immersion and water washing were each performed a total of 3 times, and finally water washing was further performed 3 times. It was air-dried at 80 ° C. for 16 hours and further vacuum-dried at 80 ° C. to obtain an acid-type dry film. When the dynamic viscoelasticity was measured and the softening temperature was determined, the softening temperature of this polymer was 120 ° C.

得られたポリマーについて例1と同様にフェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.004%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.07であった。 When the Fenton test was conducted on the obtained polymer in the same manner as in Example 1, the fluorine ion elution ratio was 0.004%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.07.

[例4]
TFE/PDD/PSVE共重合体その2の合成
TFEを9g、PDDを24.4g、PSVEを102.6gとし、IPPを0.08g使用し、HCFC225cbは使用しなかった以外は例3と同様の方法で重合を行った。重合は40℃12時間行い反応を終了した。重合溶液をHCFC225cbで希釈後ヘキサンにより凝集し、さらにヘキサンで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量37.8g(収率27.7%)。
[Example 4]
Synthesis of TFE / PDD / PSVE copolymer part 2 The same as Example 3 except that 9 g of TFE, 24.4 g of PDD, 102.6 g of PSVE, 0.08 g of IPP were used, and HCFC225cb was not used. Polymerization was carried out by the method. Polymerization was carried out at 40 ° C. for 12 hours to complete the reaction. The polymerization solution was diluted with HCFC225cb, aggregated with hexane, and further washed with hexane three times. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 37.8 g (Yield 27.7%).

例3と同様の方法により分子量・組成測定を行った。得られたポリマーの組成はTFE/PDD/PSVE=36/41/23であり、イオン交換容量は0.97ミリ当量/g乾燥樹脂であった。また、数平均分子量16万、重量平均分子量28万であった。得られたポリマーを240℃で4時間減圧下で熱処理した後、例3と同様の方法によりフッ素ガス処理を行った。   The molecular weight and composition were measured in the same manner as in Example 3. The composition of the obtained polymer was TFE / PDD / PSVE = 36/41/23, and the ion exchange capacity was 0.97 meq / g dry resin. The number average molecular weight was 160,000 and the weight average molecular weight was 280,000. The obtained polymer was heat-treated at 240 ° C. under reduced pressure for 4 hours, and then treated with fluorine gas in the same manner as in Example 3.

得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.004%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.06であった。 The polymer obtained was subjected to hydrolysis and acidification treatment in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test. As a result, the fluorine ion elution ratio was 0.004%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.06.

[例5]
TFE/PDD/PSVE2共重合体の合成
TFEを6g、PDDを16.5g、PSVE2を68.3g、IPPを0.05g使用し、実施例4と同様の方法で重合を行った。重合は40℃20時間行った。重合溶液をHCFC225cbで希釈後ヘキサンにより凝集し、さらにヘキサンで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量27.3g(収率30.1%)。
[Example 5]
Synthesis of TFE / PDD / PSVE2 Copolymer Polymerization was conducted in the same manner as in Example 4 using 6 g of TFE, 16.5 g of PDD, 68.3 g of PSVE2, and 0.05 g of IPP. The polymerization was carried out at 40 ° C. for 20 hours. The polymerization solution was diluted with HCFC225cb, aggregated with hexane, and further washed with hexane three times. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 27.3 g (Yield 30.1%).

例3と同様の方法により分子量・組成測定、及びフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーの組成はTFE/PDD/PSVE2=36/39/26であり、イオン交換容量は1.11ミリ当量/g乾燥樹脂であった。また、数平均分子量16.7万、重量平均分子量87万であった。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.007%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.1であった。 In the same manner as in Example 3, molecular weight / composition measurement and fluorine gas treatment were performed. The composition of the obtained polymer was TFE / PDD / PSVE2 = 36/39/26, and the ion exchange capacity was 1.11 meq / g dry resin. The number average molecular weight was 167,000 and the weight average molecular weight was 870,000. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test, the fluorine ion elution ratio was 0.007%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.1.

[例6]
TFE/MMD/PSVE共重合体の合成
内容積200mlのオートクレーブに14.1gのMMD、78.0gのPSVE、及びPFBを3質量%含むHCFC225cb溶液0.3gを入れ、凍結脱気した。TFEを14.1g導入後、20℃で22時間重合を行った。重合溶液をHCFC225cbで希釈後ヘキサンにより凝集し、さらにヘキサンで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量2.2g。
[Example 6]
Synthesis of TFE / MMD / PSVE Copolymer An autoclave having an internal volume of 200 ml was charged with 14.1 g of MMD, 78.0 g of PSVE, and 0.3 g of an HCFC225cb solution containing 3% by mass of PFB, followed by freeze degassing. After introducing 14.1 g of TFE, polymerization was carried out at 20 ° C. for 22 hours. The polymerization solution was diluted with HCFC225cb, aggregated with hexane, and further washed with hexane three times. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 2.2g.

得られたポリマーについて、例3と同様の方法により分子量・組成測定、及びフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーの組成は、TFE/MMD/PSVE=30/47/23(モル比)であり、イオン交換容量が0.93ミリ当量/g乾燥樹脂であった。また、GPCによるポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量は15.5万、重量平均分子量は23.9万であった。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.001%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.015であった。 The obtained polymer was subjected to molecular weight / composition measurement and fluorine gas treatment in the same manner as in Example 3. The composition of the obtained polymer was TFE / MMD / PSVE = 30/47/23 (molar ratio), and the ion exchange capacity was 0.93 meq / g dry resin. Moreover, the number average molecular weight of polymethyl methacrylate conversion by GPC was 155,000, and the weight average molecular weight was 239,000. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test, the fluorine ion elution ratio was 0.001%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.015.

[例7]
TFE/MMD/PSVE共重合体その2の合成
内容積200mlのオートクレーブに0.7gのMMD、92.6gのPSVE、50.8gのHCFC225cb、及びPFBを3質量%含むHCFC−225cb溶液2.57gを入れ、凍結脱気した。40℃に昇温してTFEを0.5MPaになるまで導入し、その後この圧力を保持したままTFEを導入しつつ、40℃で7時間重合を行った。重合溶液をHCFC141bにより凝集し、HCFC141bで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量19.9g。
[Example 7]
Synthesis of TFE / MMD / PSVE Copolymer No. 2 0.77 MMD, 92.6 g PSVE, 50.8 g HCFC225cb, and 2.57 g HCFC-225cb solution containing 3% by mass of PFB in an autoclave with an internal volume of 200 ml And freeze degassed. The temperature was raised to 40 ° C. and TFE was introduced until the pressure reached 0.5 MPa, and then polymerization was carried out at 40 ° C. for 7 hours while introducing TFE while maintaining this pressure. The polymerization solution was aggregated with HCFC141b and washed three times with HCFC141b. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 19.9 g.

得られたポリマーをKOH水溶液にて加水分解後、塩酸水にて滴定することで求めたイオン交換容量は1.06ミリ当量/g乾燥樹脂であった。さらに19F−NMRでポリマー組成を求めたところ、TFE/MMD/PSVE=77/5/18(モル比)であった。このポリマーを例3と同様の方法によりフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.001%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.02であった。 The obtained polymer was hydrolyzed with an aqueous KOH solution and titrated with aqueous hydrochloric acid to obtain an ion exchange capacity of 1.06 meq / g dry resin. Furthermore, when the polymer composition was determined by 19 F-NMR, it was TFE / MMD / PSVE = 77/5/18 (molar ratio). This polymer was treated with fluorine gas in the same manner as in Example 3. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test, the fluorine ion elution ratio was 0.001%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.02.

[例8]
TFE/MMD/PSVE共重合体その3の合成
内容積200mlのオートクレーブに0.4gのMMD、93.0gのPSVE、53.3gのHCFC225cb、及びPFBを3質量%含むHCFC−225cb溶液2.62gを入れ、凍結脱気した。40℃に昇温してTFEを0.45MPaになるまで導入し、その後この圧力を保持したままTFEを導入しつつ、40℃で7時間重合を行った。重合溶液をHCFC141bにより凝集し、HCFC141bで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量16.7g。
[Example 8]
Synthesis of TFE / MMD / PSVE Copolymer No. 3 2.62 g of HCFC-225cb solution containing 0.4 g of MMD, 93.0 g of PSVE, 53.3 g of HCFC225cb, and 3% by mass of PFB in an autoclave having an internal volume of 200 ml And freeze degassed. The temperature was raised to 40 ° C. and TFE was introduced until the pressure reached 0.45 MPa, and then polymerization was carried out at 40 ° C. for 7 hours while introducing TFE while maintaining this pressure. The polymerization solution was aggregated with HCFC141b and washed three times with HCFC141b. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 16.7g.

得られたポリマーをKOH水溶液にて加水分解後、塩酸水にて滴定することで求めたイオン交換容量は1.04ミリ当量/g乾燥樹脂であった。さらに19F−NMRでポリマー組成を求めたところ、TFE/MMD/PSVE=74/8/18(モル比)であった。このポリマーを例3と同様の方法によりフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.001%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.01であった。 The obtained polymer was hydrolyzed with an aqueous KOH solution and titrated with aqueous hydrochloric acid to obtain an ion exchange capacity of 1.04 meq / g dry resin. Furthermore, when the polymer composition was determined by 19 F-NMR, it was TFE / MMD / PSVE = 74/8/18 (molar ratio). This polymer was treated with fluorine gas in the same manner as in Example 3. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test, the fluorine ion elution ratio was 0.001%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.01.

[例9]
TFE/MMD/PSVEその4
内容積200mlのオートクレーブに2.4gのMMD、91.8gのPSVE、55.2gのHCFC−225cb、及びPFBを3質量%含むHCFC225cb溶液2.66gを入れ、凍結脱気した。40℃に昇温してTFEを0.40MPaになるまで導入し、その後この圧力を保持したままTFEを導入しつつ、重合を行った。重合時間は40℃7時間おこなった。重合溶液をHCFC141bにより凝集し、HCFC141bで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量14.9g。
[Example 9]
TFE / MMD / PSVE part 4
An autoclave having an internal volume of 200 ml was charged with 2.4 g of MMD, 91.8 g of PSVE, 55.2 g of HCFC-225cb, and 2.66 g of an HCFC225cb solution containing 3% by mass of PFB, followed by freeze degassing. The temperature was raised to 40 ° C. and TFE was introduced until the pressure reached 0.40 MPa, and then polymerization was carried out while introducing TFE while maintaining this pressure. The polymerization time was 7 hours at 40 ° C. The polymerization solution was aggregated with HCFC141b and washed three times with HCFC141b. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 14.9g.

得られたポリマーをKOH水溶液にて加水分解後、塩酸水にて滴定することで求めたイオン交換容量は1.13ミリ当量/g乾燥樹脂であった。さらに19F−NMRでポリマー組成を求めたところ、TFE/MMD/PSVE=61/16/23(モル比)であった。このポリマーを例3と同様の方法によりフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.003%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.04であった。 The obtained polymer was hydrolyzed with a KOH aqueous solution and titrated with hydrochloric acid water to obtain an ion exchange capacity of 1.13 meq / g dry resin. Furthermore, when the polymer composition was determined by 19 F-NMR, it was TFE / MMD / PSVE = 61/16/23 (molar ratio). This polymer was treated with fluorine gas in the same manner as in Example 3. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test, the fluorine ion elution ratio was 0.003%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.04.

[例10]
TFE/BVE/PSVE共重合体
内容積200mlのオートクレーブに48.6gのBVE、86.4gのPSVE、86.2gの1,1,2−トリクロロトリフルオロエタン、及びPFBを3質量%含むHCFC−225cb溶液0.75gを入れ、凍結脱気した。30℃に昇温してTFEを0.15MPaになるまで導入し、その後この圧力を保持したままTFEを導入しつつ、重合を行った。重合時間は30℃16時間行った。重合溶液をヘキサンにより凝集し、ヘキサンで3回洗浄した。80℃で一晩真空乾燥を行った。収量8.3g。
[Example 10]
TFE / BVE / PSVE copolymer HCFC- containing 38.6% by weight of 48.6 g BVE, 86.4 g PSVE, 86.2 g 1,1,2-trichlorotrifluoroethane, and PFB in an autoclave with an internal volume of 200 ml 0.75 g of 225cb solution was added and freeze degassed. The temperature was raised to 30 ° C. and TFE was introduced until the pressure reached 0.15 MPa, and then polymerization was carried out while introducing TFE while maintaining this pressure. The polymerization time was 30 ° C. for 16 hours. The polymerization solution was aggregated with hexane and washed three times with hexane. Vacuum drying was performed overnight at 80 ° C. Yield 8.3g.

得られたポリマーをKOH水溶液にて加水分解後、塩酸水にて滴定することで求めたイオン交換容量は0.95ミリ当量/g乾燥樹脂であった。さらに19F−NMRでポリマー組成を求めたところ、TFE/BVE/PSVE=61/20/19(モル比)であった。このポリマーを例3と同様の方法によりフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.001%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.01であった。 The obtained polymer was hydrolyzed with an aqueous KOH solution and titrated with aqueous hydrochloric acid to obtain an ion exchange capacity of 0.95 meq / g dry resin. Furthermore, when the polymer composition was determined by 19 F-NMR, it was TFE / BVE / PSVE = 61/20/19 (molar ratio). This polymer was treated with fluorine gas in the same manner as in Example 3. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test, the fluorine ion elution ratio was 0.001%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.01.

[例11]
例4で重合したポリマーをフッ素ガスで処理せずに回収した。組成、分子量は同じであった。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.043%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.61であった。
[Example 11]
The polymer polymerized in Example 4 was recovered without treatment with fluorine gas. The composition and molecular weight were the same. When the obtained polymer was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to the Fenton test, the elution ratio of fluorine ions was 0.043%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.61.

[例12]
TFEとPSVEとからなる共重合体粉末(酸型に変換して測定したときのイオン交換容量1.1ミリ当量/グラム乾燥樹脂、以下共重合体Aという。)10gを減圧オーブンで圧力10Pa、250℃にて4時間熱処理を行った。その後例3と同様の方法でフッ素ガス処理を行った。得られたポリマーについて例1と同様に加水分解、酸型化処理を行い、フェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.002%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.03であった。
[Example 12]
10 g of copolymer powder consisting of TFE and PSVE (ion exchange capacity 1.1 meq / g dry resin when converted to acid form and measured, hereinafter referred to as copolymer A) in a vacuum oven at a pressure of 10 Pa, Heat treatment was performed at 250 ° C. for 4 hours. Thereafter, fluorine gas treatment was performed in the same manner as in Example 3. The polymer obtained was hydrolyzed and acidified in the same manner as in Example 1 and subjected to a Fenton test. As a result, the fluorine ion elution ratio was 0.002%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.03.

また、共重合体Aについても同様にフェントン試験を行ったところ、フッ素イオン溶出割合は0.04%であった。また、例1と同様に赤外線スペクトルを測定したところ吸光度比I1690/I2350は0.57であった。 Moreover, when the Fenton test was done similarly about the copolymer A, the fluorine ion elution ratio was 0.04%. Further, when the infrared spectrum was measured in the same manner as in Example 1, the absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.57.

[例13]
例4で得られたフッ素ガス処理を行ったポリマー0.16gを、1,3−ビストリフルオロメチルベンゼン2.7gに溶解した後、ジメチルスルホキシド2.7gを徐々に添加しポリマーの懸濁液を得た。これにトリフルオロメタンスルホンアミド0.24g、トリエチルアミン0.15gを加え100℃で48時間撹拌した。得られた反応液は均一透明だった。この溶液を基板上に塗布乾燥した後3N塩酸で3回洗浄し、さらに水で3回処理し、再度20%KOH水溶液に浸漬し、水洗、乾燥を行った。得られた膜の赤外線スペクトル測定を行った結果、ポリマー中のSOF基の50%がSOK、50%が−SONKSOCF(スルホンイミドのカリウム塩)に変換されたポリマーが得られていることが確認された。吸光度比I1690/I2350は0.06であった。
[Example 13]
After 0.16 g of the polymer treated with fluorine gas obtained in Example 4 was dissolved in 2.7 g of 1,3-bistrifluoromethylbenzene, 2.7 g of dimethyl sulfoxide was gradually added to obtain a suspension of the polymer. Obtained. To this were added 0.24 g of trifluoromethanesulfonamide and 0.15 g of triethylamine, and the mixture was stirred at 100 ° C. for 48 hours. The obtained reaction liquid was uniformly transparent. This solution was applied onto a substrate and dried, then washed with 3N hydrochloric acid three times, further treated with water three times, again immersed in a 20% aqueous KOH solution, washed with water and dried. As a result of infrared spectrum measurement of the obtained film, 50% of SO 2 F groups in the polymer were converted to SO 3 K, and 50% was converted to —SO 2 NKSO 2 CF 3 (a potassium salt of sulfonimide). It was confirmed that The absorbance ratio I 1690 / I 2350 was 0.06.

[燃料電池の作製及び電解質材料の耐久性評価試験]
燃料電池セルは以下のようにして組み立てた。CF=CFに基づく繰り返し単位とCF=CF−OCFCF(CF)O(CFSOHに基づく繰り返し単位とからなる共重合体(イオン交換容量1.1ミリ当量/グラム乾燥樹脂)と白金担持カーボンとを1:3の質量比で混合し、さらにエタノールと混合して塗工液を作製した。この塗工液を、エチレン−テトラフルオロエチレンフィルム基材上にダイコート法で塗工、乾燥して厚さ10μm、白金担持量0.5mg/cmの電極層を得た。
[Fuel cell fabrication and electrolyte material durability evaluation test]
The fuel cell was assembled as follows. CF 2 = CF 2 to based repeating units CF 2 = CF-OCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) 2 SO 3 consisting of repeating units based on H copolymer (ion exchange capacity: 1.1 meq / Gram dry resin) and platinum-supported carbon were mixed at a mass ratio of 1: 3, and further mixed with ethanol to prepare a coating solution. This coating solution was applied onto an ethylene-tetrafluoroethylene film substrate by a die coating method and dried to obtain an electrode layer having a thickness of 10 μm and a platinum carrying amount of 0.5 mg / cm 2 .

次に、例4〜12で得られたポリマーそれぞれについて、熱プレスを行って厚さ50μmのフィルムをそれぞれ作製した。これをKOH/HO/DMSO=15/55/30(質量比)の溶液に浸漬し、80℃で17時間保持して加水分解した。これを室温に戻して水洗を3回行い、さらに3mol/Lの塩酸に室温で2時間浸漬して水洗した。この塩酸浸漬と水洗をそれぞれ合計3回行い、最後にさらに3回水洗を行った。60℃で16時間風乾し、電解質膜を得た。また、例12の共重合体A(フッ素化処理なし)についても同様の方法で、電解質膜を得た。 Next, about each polymer obtained in Examples 4-12, it hot-pressed and produced the film of thickness 50 micrometers, respectively. This was immersed in a solution of KOH / H 2 O / DMSO = 15/55/30 (mass ratio) and kept at 80 ° C. for 17 hours for hydrolysis. This was returned to room temperature, washed with water three times, and further immersed in 3 mol / L hydrochloric acid at room temperature for 2 hours for washing with water. This hydrochloric acid immersion and water washing were performed three times in total, and finally three times of water washing were performed. The electrolyte membrane was obtained by air drying at 60 ° C. for 16 hours. Further, an electrolyte membrane was obtained in the same manner for the copolymer A of Example 12 (without fluorination treatment).

次に、上記のようにして得られた2枚の電極層を、電極層同士が対向するようにして間に上記電解質膜をそれぞれ挟み込んだ状態でプレスを行い、電極層を膜に転写したものを、各実施例ごとに作製した。さらにその両外側にカーボンクロスをガス拡散層として配置して膜電極接合体を作製した。   Next, the two electrode layers obtained as described above were pressed with the electrolyte membrane sandwiched between them so that the electrode layers face each other, and the electrode layer was transferred to the membrane Was prepared for each example. Further, a carbon cloth was disposed on both outer sides as a gas diffusion layer to produce a membrane electrode assembly.

この膜電極接合体の両外側にガス通路用の細溝をジグザグ状に切削加工したカーボン板製のセパレータ、さらにその外側にヒータを配置し、有効膜面積25cmの固体高分子型燃料電池を組み立てた。 A solid polymer fuel cell having an effective membrane area of 25 cm 2 is disposed on both outer sides of the membrane electrode assembly by a carbon plate separator in which gas channel narrow grooves are cut into a zigzag shape, and further on the outer side of the heater. Assembled.

耐久性の評価は以下の方法で行った。回路を開放した状態で燃料電池の温度を90℃に保ち、カソードに露点50℃で水蒸気を含有する空気、アノードに露点50℃で水蒸気を含有する水素をそれぞれ50ml/分で供給した。この状態で表に示す時間運転を続けた後、燃料電池を分解し、電解質膜の劣化状態を質量測定により測定した。その結果を表に示す。ここで質量減少速度とは、質量減少(%)を運転時間(h)で除した値である。なお、例13について同様の評価をした場合、例4と同等の結果が見込まれる。   The durability was evaluated by the following method. With the circuit open, the temperature of the fuel cell was maintained at 90 ° C., and air containing water vapor at a dew point of 50 ° C. was supplied to the cathode and hydrogen containing water vapor at a dew point of 50 ° C. was supplied at 50 ml / min. After continuing the operation for the time shown in the table in this state, the fuel cell was disassembled, and the deterioration state of the electrolyte membrane was measured by mass measurement. The results are shown in the table. Here, the mass reduction rate is a value obtained by dividing mass reduction (%) by operating time (h). In addition, when the same evaluation is performed on Example 13, a result equivalent to Example 4 is expected.

Figure 0004910269
Figure 0004910269

本発明の電解質材料は、主鎖に脂肪族環構造を有していてガス拡散性に優れ、かつ高度にフッ素化されているため撥水性に優れており、また末端が安定化されているため、この電解質材料を有する燃料電池は、長期間作動させても耐久性に優れる。   The electrolyte material of the present invention has an aliphatic ring structure in the main chain, is excellent in gas diffusibility, is highly fluorinated, has excellent water repellency, and has a stabilized terminal. The fuel cell having this electrolyte material is excellent in durability even when operated for a long period of time.

また、本発明は、従来用いられているテトラフルオロエチレン/CF=CFCFCF(CF)O(CFSOH共重合体の軟化温度が高いスルホン酸ポリマーが提供できる。従来のポリマーは80℃付近から急激に弾性率が低下しはじめ、その軟化温度が燃料電池セルの運転温度に近いため燃料電池の電解質として使用すると経時的に膨潤度などの物性が変化しやすいという点で耐久性に問題が生じやすく、また、80℃以上の温度での運転は困難である。一方、軟化温度が高い本発明の電解質材料を燃料電池の電解質膜や電極に含まれる電解質のポリマーとして用いた場合、経時的な物性の変化がないので、高い耐久性が得られる。また、80℃より高い温度でのセルを運転することも可能となる。 Further, the present invention is used conventionally tetrafluoroethylene / CF 2 = CFCF 2 CF ( CF 3) O (CF 2) 2 SO 3 softening temperature of the H copolymer is high acid polymer can be provided. Conventional polymers begin to have a sudden drop in elastic modulus from around 80 ° C., and their softening temperature is close to the operating temperature of the fuel cell, so that when used as an electrolyte for a fuel cell, physical properties such as swelling tend to change over time. In terms of durability, problems are likely to occur, and operation at a temperature of 80 ° C. or higher is difficult. On the other hand, when the electrolyte material of the present invention having a high softening temperature is used as an electrolyte polymer contained in an electrolyte membrane or electrode of a fuel cell, there is no change in physical properties over time, so that high durability is obtained. It is also possible to operate the cell at a temperature higher than 80 ° C.

テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)とパーフルオロ(3,6−ジオキサ−4−メチル−7−オクテン)スルホン酸カリウムの共重合体の赤外線スペクトルを示す図。The figure which shows the infrared spectrum of the copolymer of tetrafluoroethylene, perfluoro (2,2- dimethyl- 1, 3-dioxole), and potassium perfluoro (3, 6- dioxa-4-methyl-7-octene) sulfonate. .

符号の説明Explanation of symbols

1,1':ベースライン
1,1 ': Baseline

Claims (10)

スルホン酸基又はスルホンイミド基を有し、かつ主鎖に脂肪族環構造を有するパーフルオロポリマーからなる電解質材料であって、3%の過酸化水素水と200ppmの2価鉄イオンを含むフェントン試薬溶液50g中にポリマー0.1gを40℃で16時間浸漬する試験において、溶液中に検出されるフッ素イオン溶出量が、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.01%以下であり、
前記パーフルオロポリマーが、下記モノマーAに基づく繰り返し単位と下記モノマーBに基づく繰り返し単位を含む共重合体からなることを特徴とする電解質材料(ただし、式中、Y はフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0、Y はOH又はNHSO ZであってZはエーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基である。)
モノマーA:ラジカル重合により、主鎖に環構造を含む繰り返し単位を有するポリマーを与えるパーフルオロモノマー。
モノマーB:CF =CF−(OCF CFY −O −(CF −SO で表されるパーフルオロビニルエーテル。
An Fenton reagent comprising a perfluoropolymer having a sulfonic acid group or a sulfonimide group and having an aliphatic ring structure in the main chain, comprising 3% hydrogen peroxide and 200 ppm divalent iron ions in a study in solution 50g immersed 16 hours polymer 0.1g at 40 ° C., fluoride ion-elution amount detected in the solution state, and are 0.01% or less of the total amount of fluorine in the soaked polymer,
The perfluoropolymer electrolyte material characterized Rukoto such a copolymer comprising repeating units based on a repeating unit Monomer B based on the following monomer A (In the formula, Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl A methyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, m + p> 0, Y 2 is OH or NHSO 2 Z, and Z is C1-C6 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom.) .
Monomer A: A perfluoromonomer that gives a polymer having a repeating unit containing a ring structure in the main chain by radical polymerization.
Monomer B: CF 2 = CF- (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl ether represented by n -SO 2 Y 2.
前記パーフルオロポリマーは、赤外分光スペクトルにおける、1690±10cm−1の帯域の最大吸光度I1690と2350±10cm−1の吸光度I2350との比I1690/I2350が0.15以下である請求項1に記載の電解質材料。 The perfluoropolymer has a ratio I 1690 / I 2350 of a maximum absorbance I 1690 in a band of 1690 ± 10 cm −1 and an absorbance I 2350 in a band of 2350 ± 10 cm −1 in an infrared spectrum of 0.15 or less. Item 12. The electrolyte material according to Item 1. 前記モノマーAに基づく繰り返し単位が、下記式(1)〜(4)のいずれかで表わされる請求項1または2に記載の電解質材料(ただし、式中nは1〜4の整数であり、Rは炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基又はパーフルオロアルコキシ基であり、X、Xはそれぞれ独立にフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。また、(CXにおいてnが2以上である場合は、炭素ごとにXとXの組合せは異なっていてもよい。)。
Figure 0004910269
The electrolyte material according to claim 1 or 2 , wherein the repeating unit based on the monomer A is represented by any one of the following formulas (1) to (4), wherein n is an integer of 1 to 4, f is a C 1-8 perfluoroalkyl group or perfluoroalkoxy group, and X 1 and X 2 are each independently a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and (CX 1 X 2 ) n is n Is 2 or more, the combination of X 1 and X 2 may be different for each carbon).
Figure 0004910269
前記モノマーAに基づく繰り返し単位が、下記式(5)〜(7)のいずれかで表わされる請求項1または2に記載の電解質材料。
Figure 0004910269
The electrolyte material according to claim 1 or 2 , wherein the repeating unit based on the monomer A is represented by any one of the following formulas (5) to (7).
Figure 0004910269
前記モノマーAに基づく繰り返し単位を0.5〜80モル%、及び前記モノマーBに基づく繰り返し単位を5〜40モル%含み、イオン交換容量が0.7〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である請求項のいずれかに記載の電解質材料。 0.5 to 80 mol% of repeating units based on the monomer A, 5 to 40 mol% of repeating units based on the monomer B, and an ion exchange capacity of 0.7 to 2.5 meq / g dry resin The electrolyte material according to any one of claims 1 to 4 . 前記モノマーAに基づく繰り返し単位を0.5〜70モル%、前記モノマーBに基づく繰り返し単位を5〜40モル%、及びテトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位を5〜90モル%含み、イオン交換容量が0.7〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂である請求項のいずれかに記載の電解質材料。 0.5 to 70 mol% of repeating units based on the monomer A, 5 to 40 mol% of repeating units based on the monomer B, and 5 to 90 mol% of repeating units based on tetrafluoroethylene, and having an ion exchange capacity the electrolyte material according to any one of claims 1 to 4, which is 0.7 to 2.5 meq / g dry resin. 数平均分子量が20000〜2000000である請求項1〜に記載の電解質材料。 The electrolyte material according to claim 1-6 a number average molecular weight of 20,000 to 2,000,000. 膜状固体高分子電解質と、該電解質を介して配置されるカソード及びアノードとを有する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方は、触媒と請求項1〜のいずれかに記載の電解質材料とを含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。 2. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a membrane-like solid polymer electrolyte, and a cathode and an anode disposed via the electrolyte, wherein at least one of the cathode and the anode is a catalyst. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the electrolyte material according to any one of 7 to 7 . 膜状固体高分子電解質と、該電解質を介して配置されるカソード及びアノードとを有する固体高分子型燃料電池用膜電極接合体において、前記膜状固体高分子電解質は、請求項1〜のいずれかに記載の電解質材料からなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用膜電極接合体。 A film-like solid polymer electrolyte, the polymer electrolyte fuel cell membrane electrode assembly comprising a cathode and an anode are disposed through the electrolyte, the film-like solid polymer electrolyte according to claim 1 to 7 A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the electrolyte material according to any one of the above. 請求項1〜のいずれかに記載の電解質材料の製造方法であって、−SOF基を有するパーフルオロポリマーをラジカル重合により得た後、該パーフルオロポリマーをフッ素ガスと接触させ、次いで−SOF基をスルホン酸基又はスルホンイミド基に変換することを特徴とする電解質材料の製造方法。 A manufacturing method of the electrolyte material according to any one of claims 1 to 7 perfluoropolymer having -SO 2 F groups after obtaining by radical polymerization, by contacting the perfluoropolymer with fluorine gas, then A method for producing an electrolyte material, wherein the —SO 2 F group is converted into a sulfonic acid group or a sulfonimide group.
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