JP4929569B2 - POLYMER ELECTROLYTE MATERIAL, POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, MEMBRANE ELECTRODE COMPOSITE AND POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL USING SAME - Google Patents

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Description

本発明は、高出力および高エネルギー容量を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材ならびにそれを用いた高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte material excellent in practical use capable of achieving high output and high energy capacity, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the same. .

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への気運の高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden. For this reason, it has been attracting attention again in recent years due to the growing interest in protecting the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also attracting attention. Although the DMFC has a lower output than the conventional PEFC, the fuel is liquid and does not use a reformer. Therefore, the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long. is there.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のイオン伝導体となる電解質膜とが、膜―電極複合体(MEA)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえば、高分子電解質型燃料電池のアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs and an electrolyte membrane serving as an ion conductor between the anode and the cathode constitute a membrane-electrode complex (MEA), and this MEA is separated by a separator. The sandwiched cell is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode substrate (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. ing. For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as hydrogen gas reacts with a catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons flow to the polymer electrolyte membrane. Conducted with. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is reacted with protons conducted from the polymer electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material in the catalyst layer of the cathode electrode to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity.

特に、高分子電解質型燃料電池の中でも、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFC用の高分子電解質膜に要求される性能に加えて、メタノールなどの燃料透過抑制も要求される。高分子電解質膜のメタノール透過は、メタノールクロスオーバー(MCO)、ケミカルショートとも呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率が低下するという問題を引き起こす。   In particular, among polymer electrolyte fuel cells, the polymer electrolyte membrane for DMFC using an organic solvent such as methanol as the fuel has the performance required for the conventional polymer electrolyte membrane for PEFC using hydrogen gas as the fuel. In addition, fuel permeation suppression such as methanol is also required. Methanol permeation of the polymer electrolyte membrane, also called methanol crossover (MCO) or chemical short, causes a problem that the battery output and energy efficiency are lowered.

これまで、高分子電解質型燃料電池の電解質膜においては、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーであるナフィオン(Nafion、デュポン社の登録商標。以下同様。)が用いられてきた。しかし、ナフィオンは多段階合成を経て製造されるパーフルオロ系ポリマーであるため非常に高価なものとなっており、かつ、クラスター構造を形成するために、水と親和性の高いメタノールなどの燃料が電解質膜を透過しやすい、すなわち燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、膨潤によって膜の機械強度が低下するという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。そこで、これら高分子電解質型燃料電池の実用化のためには、安価で燃料クロスオーバーの抑制された高分子電解質材が市場から望まれていた。   Until now, for example, Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been used in an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. However, Nafion is a perfluoro polymer produced through multi-step synthesis, so it is very expensive, and in order to form a cluster structure, fuel such as methanol with high affinity for water is used. There was a problem that the electrolyte membrane easily permeates, that is, the fuel crossover is large. In addition, there is a problem that the mechanical strength of the film is reduced due to swelling, a problem of disposal treatment after use, and a problem that recycling of the material is difficult. Therefore, in order to put these polymer electrolyte fuel cells into practical use, polymer electrolyte materials that are inexpensive and have suppressed fuel crossover have been desired from the market.

非パーフルオロ系ポリマーをベースとした高分子電解質材についても既にいくつかの取り組みがなされている。1950年代には、スチレン系の陽イオン交換樹脂が検討された。しかしながら、通常燃料電池に使用する際の形態である膜としての強度が十分ではなかったため、十分な電池寿命を得るには至らなかった。   Some efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoropolymers. In the 1950s, styrene-based cation exchange resins were studied. However, since the strength as a membrane, which is a form when used in a normal fuel cell, was not sufficient, a sufficient battery life could not be obtained.

スルホン化芳香族ポリエーテルエーテルケトンを高分子電解質材に用いた燃料電池の検討もなされている。例えば、有機溶媒に難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(以降、PEEKと略称することがある。)が、高度にスルホン化することにより有機溶媒に可溶となり成膜が容易になることが知られている(非特許文献1参照。)。しかしながら、これらのスルホン化PEEKは、同時に親水性も向上し、水溶性となったり、あるいは吸水時の強度低下などを引き起こす。燃料電池は、通常燃料と酸素の反応により水を副生するか、あるいはDMFCにおいては燃料自体がメタノール水溶液であることから、特にかかるスルホン化PEEKが水溶性となる場合にはそのまま燃料電池用電解質へ利用するには適さない。   A fuel cell using a sulfonated aromatic polyetheretherketone as a polymer electrolyte material has also been studied. For example, it is known that aromatic polyetheretherketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEEK), which is sparingly soluble in organic solvents, becomes soluble in organic solvents and becomes easy to form when highly sulfonated. (See Non-Patent Document 1). However, these sulfonated PEEKs simultaneously improve hydrophilicity, become water-soluble, or cause a decrease in strength during water absorption. The fuel cell usually produces water as a by-product by the reaction of fuel and oxygen, or in DMFC, the fuel itself is a methanol aqueous solution. Therefore, when such sulfonated PEEK becomes water-soluble, the electrolyte for the fuel cell is used as it is. Not suitable for use.

また、非特許文献2には芳香族ポリエーテルスルホンであるPSF(UDELP−1700)やPESのスルホン化物について記載されている(非特許文献2参照)。当該文献にはスルホン化PSFは完全に水溶性となり、電解質としての評価ができないと記載されている。また、当該文献においては、スルホン化PESは水溶性とはならないけれども、高吸水率の問題から架橋構造の導入を提案している。   Non-Patent Document 2 describes PSF (UDELP-1700), which is an aromatic polyethersulfone, and a sulfonated product of PES (see Non-Patent Document 2). This document describes that sulfonated PSF is completely water-soluble and cannot be evaluated as an electrolyte. Further, in this document, although sulfonated PES is not water-soluble, the introduction of a crosslinked structure is proposed because of the problem of high water absorption.

このように、これまで知られる高分子電解質材は、いずれも上述した高プロトン伝導性、燃料クロスオーバー抑制効果、経済性を全て同時に満たすものではなく、更に高度な要求を満たす高分子電解質材の開発が待ち望まれていた。   As described above, none of the polymer electrolyte materials known so far does not satisfy all of the above-mentioned high proton conductivity, fuel crossover suppression effect, and economic efficiency, but is a polymer electrolyte material that satisfies higher requirements. Development was awaited.

この要求を満足させるための試みとして、イオン性基を有するポリマーと他のポリマーとの複合も提案されている。分子レベルで混合された均一な高分子ブレンド物は、元の複数のポリマーのいずれとも性質の全く異なる新しい材料を生み出す可能性を有している。しかし、異なる高分子が均一に混じり合うのは大変まれである。概して、同一の溶媒を使用して調製されたとしても、高分子は均一に混合しないものである。なかでも、イオン性基を有するポリマーは通常親水性であり、一方メタノールなどの燃料水溶液中での膨潤を抑制可能なポリマーは疎水性であることから、これら異なる2種類のポリマーが均一に混じり合うといった例はこれまで公表されていない。   As an attempt to satisfy this requirement, a composite of a polymer having an ionic group and another polymer has been proposed. Uniform polymer blends mixed at the molecular level have the potential to create new materials that are completely different in nature from any of the original polymers. However, it is very rare for different polymers to mix uniformly. In general, polymers are not homogeneously mixed even if prepared using the same solvent. Among them, the polymer having an ionic group is usually hydrophilic, while the polymer capable of suppressing swelling in an aqueous fuel solution such as methanol is hydrophobic, so that these two different polymers are uniformly mixed. Such an example has not been published so far.

また、高分子が均一に混合しない場合、ブレンド物は相分離して不十分な機械強度をもたらす。たとえミクロな相分離であっても、ほとんどの場合に不十分な相互作用が相間で生じるか、あるいは元の高分子の性質が反映され、十分な燃料クロスオーバー抑制効果が得られない。   Also, if the polymers do not mix uniformly, the blend will phase separate resulting in insufficient mechanical strength. Even in the case of micro phase separation, in most cases, insufficient interaction occurs between phases, or the properties of the original polymer are reflected, and a sufficient fuel crossover suppression effect cannot be obtained.

ブレンド高分子電解質材についても、既にいくつかの取り組みがなされている。例えば、スルホン化ポリフェニレンオキシド(以降、S−PPOと略称することがある。)とポリフッ化ビニリデン(以降、PVDFと略称することがある。)を様々な混合比でブレンドした高分子電解質材が紹介されている(特許文献1)。しかし、当該文献中でこれらのブレンド電解質材は半透明あるいは白色であると記載され、メタノールクロスオーバー等についての記述はないが、このような相分離構造を有し、ヘーズの大きいブレンド電解質材では、我々の知る限り、十分なメタノールクロスオーバー抑制効果は期待できない。   Some efforts have already been made for blended polymer electrolyte materials. For example, a polymer electrolyte material in which sulfonated polyphenylene oxide (hereinafter sometimes abbreviated as S-PPO) and polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes abbreviated as PVDF) are blended at various mixing ratios is introduced. (Patent Document 1). However, in this document, these blend electrolyte materials are described as being translucent or white, and there is no description about methanol crossover, etc., but in such a blend electrolyte material having such a phase separation structure and a large haze. As far as we know, a sufficient methanol crossover suppression effect cannot be expected.

さらに、燃料電池は、通常電極層上に高分子電解質材が形成されてなるものである。従来、電極と高分子電解質材とを一体形成するには、予め水素還元触媒を担持したカーボンを調製し、その触媒ペーストをカーボンペーパーに塗布、熱処理した電極層を形成し、フィルム状の高分子電解質材を2枚の電極層で挟みホットプレスで成形して、アノード/高分子電解質膜/カソードの三層接合を行っていた。   Furthermore, a fuel cell is usually formed by forming a polymer electrolyte material on an electrode layer. Conventionally, in order to integrally form an electrode and a polymer electrolyte material, a carbon carrying a hydrogen reduction catalyst is prepared in advance, the catalyst paste is applied to carbon paper, a heat treated electrode layer is formed, and a film-like polymer is formed. The electrolyte material was sandwiched between two electrode layers and molded by hot pressing to perform three-layer joining of anode / polymer electrolyte membrane / cathode.

しかし、このような三層接合方法では、各層の密着性に劣る、三層の一体化に時間がかかる、1層ごと個別に形成するため量産化には適していないなどの技術上の問題があった。また、炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材は、該ポリマーの熱可塑性が不十分であり、電極層との界面抵抗が大きく、十分な発電特性が得られないという問題もあった。   However, in such a three-layer joining method, there are technical problems such as inferior adhesion of each layer, and it takes time to integrate the three layers, and each layer is formed individually and is not suitable for mass production. there were. In addition, the polymer electrolyte material based on a hydrocarbon-based polymer has a problem that the thermoplasticity of the polymer is insufficient, the interface resistance with the electrode layer is large, and sufficient power generation characteristics cannot be obtained.

そこで、高分子電解質膜を形成した後、触媒ペーストを高分子電解質膜上に塗布し、乾燥することが考えられる、しかしながら、前述した炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材は、触媒ペーストを塗布した際に、膜が溶解したり、あるいはクラックや変形が発生し、発電性能が十分に発現しないという不具合があった。このことから、高分子電解質型燃料電池の実用化のためには、安価で、成形加工が容易でありながら、耐溶剤性にも優れた高分子電解質材の開発も望まれていた。
「ポリマー」(Polymer), 1987, vol. 28, 1009. 「ジャーナル オブ メンブレン サイエンス」 (Journal of Membrane Science), 83 (1993) 211-220. 特開2002−294087号公報
Therefore, it is conceivable to form the polymer electrolyte membrane, and then apply the catalyst paste onto the polymer electrolyte membrane and dry it. However, the polymer electrolyte material based on the hydrocarbon polymer described above is a catalyst paste. When the film is applied, the film dissolves or cracks or deformation occurs, and the power generation performance is not sufficiently exhibited. For this reason, in order to put a polymer electrolyte fuel cell into practical use, it has been desired to develop a polymer electrolyte material that is inexpensive, easy to mold, and excellent in solvent resistance.
"Polymer", 1987, vol. 28, 1009. "Journal of Membrane Science", 83 (1993) 211-220. JP 2002-294087 A

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐溶剤性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度を達成することができる高分子電解質材、およびそれからなる高分子電解質膜、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供せんとするものである。   In view of the background of the prior art, the present invention achieves both high proton conductivity and low fuel crossover, excellent solvent resistance, and high output and high energy density when used as a polymer electrolyte fuel cell. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte material that can be achieved, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode composite comprising the polymer electrolyte material, and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明は、上記課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の高分子電解質材は、少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと下記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物とから得られる高分子電解質材であって、該イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの主鎖構造が下記一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーから選ばれた少なくとも1種からなるものであり、該架橋性化合物は下記一般式(M1)で示される基以外の架橋性基を有さず、該高分子電解質材の含水状態のヘーズが30%以下であることを特徴とするものである。また、本発明の高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池は、かかる高分子電解質材を用いて構成されていることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is, the polymer electrolyte material of the present invention is a polymer electrolyte material obtained from a hydrocarbon-based polymer having at least an ionic group and a crosslinkable compound having two or more groups represented by the following general formula (M1). The main chain structure of the hydrocarbon polymer having an ionic group is at least one selected from aromatic hydrocarbon polymers having an ionic group having a repeating unit represented by the following general formula (P1). The crosslinkable compound does not have a crosslinkable group other than the group represented by the following general formula (M1), and the water content haze of the polymer electrolyte material is 30% or less. Is. In addition, the polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are configured using such a polymer electrolyte material.

Figure 0004929569
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(ここで、R1は水素、または任意の有機基である。)

Figure 0004929569
(ここで、Z 、Z は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表してもよい。Y は電子吸引性基を表す。Y はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0〜2の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。) (Where R1 is hydrogen or any organic group.)
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(Here, Z 1 and Z 2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. Y 1 represents an electron-withdrawing group. Y 2 represents O or S.) A and b each independently represents an integer of 0 to 2, provided that a and b are not 0 at the same time.)

本発明によれば、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐溶剤性に優れた、高出力および高エネルギー容量を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材およびその製造方法、ならびにそれを用いた高性能な高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a polymer electrolyte material excellent in practicality capable of achieving a high output and a high energy capacity, which has both high proton conductivity and low fuel crossover, excellent solvent resistance, and production thereof It is possible to provide a method, and a high-performance polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the method.

本発明は、前記課題、つまり高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐溶剤性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度を達成することができる高分子電解質材について、鋭意検討し、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと下記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物とから得られる高分子電解質材において、該イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの主鎖構造が下記一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水系ポリマーから選ばれた少なくとも1種からなるものであり、該架橋性化合物は下記一般式(M1)で示される基以外の架橋性基を有さず、該高分子電解質材が、含水状態で透明に近いものである場合、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。 The present invention achieves the above-mentioned problems, that is, high proton conductivity and low fuel crossover, excellent solvent resistance, and achieves high output and high energy density when used as a polymer electrolyte fuel cell. for it polyelectrolyte material, intensive study, the hydrocarbon polymer and the group of two or more with the crosslinking compound with the polymer electrolyte material obtained from represented by the following general formula (M1) having an ionic group, the The main chain structure of the hydrocarbon polymer having an ionic group is at least one selected from aromatic hydrocarbon polymers having an ionic group having a repeating unit represented by the following general formula (P1), crosslinkable compound has no crosslinkable group other than the group represented by the following general formula (M1), when the polymer electrolyte material is transparent to near-potato hydrous state, such problems It is obtained by investigation to resolve the behavior.

Figure 0004929569
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(ここで、R1は水素、または任意の有機基である。)

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(ここで、Z 、Z は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表してもよい。Y は電子吸引性基を表す。Y はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0〜2の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
すなわち、本発明の高分子電解質材は、少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物からなり、該イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの主鎖構造が下記一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水系ポリマーから選ばれた少なくとも1種からなるものであり、該架橋性化合物は下記一般式(M1)で示される基以外の架橋性基を有さず、その高分子電解質材の含水状態におけるヘーズが30%以下であるという透明性を有することが特徴である。 (Where R1 is hydrogen or any organic group.)
Figure 0004929569
(Here, Z 1 and Z 2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. Y 1 represents an electron-withdrawing group. Y 2 represents O or S.) A and b each independently represents an integer of 0 to 2, provided that a and b are not 0 at the same time.)
That is, the polymer electrolyte material of the present invention comprises at least a hydrocarbon polymer having an ionic group and a crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1), and the carbon electrolyte having the ionic group. The main chain structure of the hydrogen-based polymer is at least one selected from aromatic hydrocarbon-based polymers having an ionic group having a repeating unit represented by the following general formula (P1). It is characterized in that it has no crosslinkable group other than the group represented by the general formula (M1) and has transparency such that the haze in the water-containing state of the polymer electrolyte material is 30% or less.

本発明者らは、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物からなることと、該イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの主鎖構造が前記一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水系ポリマーから選ばれた少なくとも1種からなるものであり、該架橋性化合物は前記一般式(M1)で示される基以外の架橋性基を有さないこと、含水状態のヘーズが30%以下であることの両方を満足する高分子電解質材が、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制の両立に有効であること、および前記高分子電解質材の膜性能が高分子電解質材の均一性や透明性、すなわち含水状態のヘーズによって左右されることを見出し、本発明に到達した。 The present inventors include a hydrocarbon polymer having an ionic group and a crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1), and a hydrocarbon polymer having the ionic group. The main chain structure is at least one selected from aromatic hydrocarbon polymers having an ionic group having a repeating unit represented by the general formula (P1), and the crosslinkable compound is represented by the general formula (M1). The polymer electrolyte material satisfying both of having no crosslinkable group other than the group represented by (2) and having a water-containing haze of 30% or less can achieve both high proton conductivity and fuel crossover suppression. The present inventors have found that it is effective, and that the membrane performance of the polymer electrolyte material depends on the uniformity and transparency of the polymer electrolyte material, that is, the haze in a water-containing state.

本発明でいう含水状態のヘーズとは、次のようにして測定した値と定義する。試料としては、含水状態、すなわち25℃で、乾燥高分子電解質膜の1000倍重量の純水中に24時間浸漬した高分子電解質膜を使用し、表面の水滴を拭き取った後、全自動直読ヘーズコンピューター(スガ試験機(株)社製:HGM−2DP)によって測定した値である。なお、膜厚は10〜500μmの範囲で任意に選択することができる。   The water-containing haze as used in the present invention is defined as a value measured as follows. As a sample, a polymer electrolyte membrane immersed in pure water having a water content, that is, 25 ° C. and 1000 times the weight of a dried polymer electrolyte membrane for 24 hours was used. After wiping off water droplets on the surface, fully automatic direct reading haze It is the value measured by the computer (Suga Test Instruments Co., Ltd. product: HGM-2DP). The film thickness can be arbitrarily selected within the range of 10 to 500 μm.

また、本発明でいうイオン性基を有する炭化水素系ポリマーとは、パーフルオロ系ポリマー以外のイオン性基を有するポリマーのことを意味している。ここで、パーフルオロ系ポリマーとは、該ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。本明細書においては、ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の85%以上がフッ素原子で置換されたポリマーを、パーフルオロ系ポリマーと定義する。本発明のイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの代表例としては、Nafion(R)(デュポン社製)、フレミオン(R)(旭硝子社製)およびアシプレックス(R)(旭化成社製)などの市販品を挙げることができる。これらのイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの構造は下記一般式(N1)で表すことができる。   Further, the hydrocarbon polymer having an ionic group in the present invention means a polymer having an ionic group other than a perfluoro polymer. Here, the perfluoro polymer means a polymer in which most or all of the hydrogen atoms of the alkyl group and / or alkylene group in the polymer are substituted with fluorine atoms. In the present specification, a polymer in which 85% or more of hydrogen of an alkyl group and / or an alkylene group in a polymer is substituted with a fluorine atom is defined as a perfluoro polymer. Representative examples of the perfluoro polymer having an ionic group of the present invention include Nafion (R) (manufactured by DuPont), Flemion (R) (manufactured by Asahi Glass) and Aciplex (R) (manufactured by Asahi Kasei). A commercial item can be mentioned. The structure of the perfluoro polymer having these ionic groups can be represented by the following general formula (N1).

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[式(N1)中、n1、n2はそれぞれ独立に自然数を表す。k1およびk2はそれぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
これらイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーは、ポリマー中の疎水性部分と親水性部分が明確な相構造を形成するために、含水状態ではポリマー中にクラスターと呼ばれる水のチャンネルが形成される。この水チャンネル中はメタノールなどの燃料の移動が容易であり、燃料クロスオーバー低減が望めない。
[In Formula (N1), n1 and n2 each independently represents a natural number. k1 and k2 each independently represents an integer of 0 to 5. ]
In the perfluoro-based polymer having these ionic groups, a hydrophobic portion and a hydrophilic portion in the polymer form a clear phase structure, so that a water channel called a cluster is formed in the polymer in a water-containing state. In such a water channel, fuel such as methanol can easily move, and a reduction in fuel crossover cannot be expected.

一方、本発明は少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物からなり、含水状態のヘーズを30%以下に抑えることにより、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立しうるものである。本発明の高分子電解質材において、メタノールなどの燃料クロスオーバー低減が達成された要因は現段階で明確ではないが、次のように推測される。 On the other hand, the present invention comprises at least a hydrocarbon-based polymer having an ionic group and a crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1), and by suppressing the haze in a water-containing state to 30% or less, It can achieve both high proton conductivity and low fuel crossover. In the polymer electrolyte material of the present invention, the cause of the fuel crossover reduction such as methanol is not clear at this stage, but is presumed as follows.

つまり、通常容易にメタノールなどの燃料水溶液に膨潤してしまうイオン性基を有するポリマーの分子鎖が、メタノールなどの燃料水溶液に全く膨潤しない、前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物に分子レベルで混和されることにより、分子レベルで拘束され、高分子電解質材のメタノールなどの燃料水溶液に対する膨潤が抑制されて燃料クロスオーバーが低減し、膜の強度低下も抑えられるものと推測される。 That is, the molecular chain of a polymer having an ionic group that easily swells in a fuel aqueous solution such as methanol does not swell at all in the fuel aqueous solution such as methanol, and has two or more groups represented by the general formula (M1). By being mixed with the crosslinkable compound at the molecular level, it is restrained at the molecular level, the swelling of the polymer electrolyte material to the aqueous fuel solution such as methanol is suppressed, the fuel crossover is reduced, and the strength of the membrane is also suppressed. Presumed to be.

すなわち、従来のイオン性基を有するポリマーを単独で高分子電解質材として用いた場合、プロトン伝導性を高めるためにイオン性基の含有量を増加すると、高分子電解質材が膨潤し、内部に大きな水のクラスターができ易くなり、高分子電解質材中にいわゆる自由水が多くなる。かかる自由水中には、メタノールなどの燃料の移動が容易に行なわれるため、メタノールなどの燃料クロスオーバーは抑制され難い。   That is, when a conventional polymer having an ionic group is used alone as a polymer electrolyte material, if the content of the ionic group is increased in order to increase proton conductivity, the polymer electrolyte material swells and a large amount is formed inside. It becomes easy to form a cluster of water, and so-called free water increases in the polymer electrolyte material. In such free water, the movement of fuel such as methanol is easily performed, so that the crossover of fuel such as methanol is difficult to be suppressed.

本発明のイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物からなる高分子電解質材は、これら両方のポリマーを相溶させるために、必要に応じて相溶化剤を混合してもよい。すなわち、本発明の高分子電解質材は、光学的透明性などの特性に関して均質性を示すことが期待されるので、その含水状態のヘーズを30%以下に制御する必要があり、さらに、プロトン伝導性および燃料クロスオーバー抑制効果の点から、より好ましくは、該含水状態のヘーズを20%以下に制御するのがよい。かかる含水状態のヘーズが30%を越える場合には、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと、前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物は均一に混合せず、相分離したりし、これらの相間の影響か、あるいは元のイオン性基を有するポリマーの性質が反映され、十分なプロトン伝導性、燃料クロスオーバー抑制効果、耐溶剤性が得られない。また、前記前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物の性質も反映され、十分なプロトン伝導性が得られない場合もある。また、膜電極複合体作製時の高分子電解質膜に対するアノード電極とカソード電極の位置決めの観点からも、高分子電解質膜は含水状態のヘーズが30%以下のものがより好ましく用いられる。 In order that the polymer electrolyte material composed of the hydrocarbon polymer having an ionic group of the present invention and the crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1) may be compatible with each other, You may mix a compatibilizing agent as needed. That is, since the polymer electrolyte material of the present invention is expected to exhibit homogeneity with respect to characteristics such as optical transparency, it is necessary to control the haze of its water content to 30% or less, and further, proton conduction More preferably, the water content haze is controlled to 20% or less from the viewpoint of the property and the effect of suppressing the fuel crossover. When the haze in the water-containing state exceeds 30%, the hydrocarbon polymer having an ionic group and the crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1) are not uniformly mixed, Phase separation or the influence between these phases or the nature of the polymer having the original ionic group is reflected, and sufficient proton conductivity, fuel crossover suppression effect, and solvent resistance cannot be obtained. Moreover, the properties of the crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1) are also reflected, and sufficient proton conductivity may not be obtained. Further, from the viewpoint of positioning of the anode electrode and the cathode electrode with respect to the polymer electrolyte membrane during the production of the membrane electrode composite, it is more preferable to use a polymer electrolyte membrane having a water-containing haze of 30% or less.

かかる本発明の高分子電解質材は、製造コストおよび燃料クロスオーバー抑制効果の点から、耐溶剤性に優れる、すわわち50℃のN−メチルピロリドンに5時間浸漬したときの重量減が30重量%以下であることがより好ましい。さらに好ましくは、かかる重量源が20重量%以下であるのがよい。かかる重量減が30%を越える場合は、燃料クロスオーバー抑制効果が不十分であったり、高分子電解質膜に直接、触媒ペーストを塗工して膜電極複合体を作製することが困難となり、製造コストが増大するだけでなく、触媒層との界面抵抗が大きくなり、十分な発電特性が得られない場合がある。   Such a polymer electrolyte material of the present invention has excellent solvent resistance from the viewpoint of production cost and fuel crossover suppression effect, that is, a weight loss when immersed in N-methylpyrrolidone at 50 ° C. for 5 hours is 30%. % Or less is more preferable. More preferably, the weight source is 20% by weight or less. If the weight loss exceeds 30%, the fuel crossover suppression effect is insufficient, or it becomes difficult to apply a catalyst paste directly to the polymer electrolyte membrane to produce a membrane electrode composite. In addition to an increase in cost, the interface resistance with the catalyst layer increases, and sufficient power generation characteristics may not be obtained.

かかる高分子電解質材のN−メチルピロリドンに対する重量減は、次の方法で測定する。   The weight loss of the polymer electrolyte material relative to N-methylpyrrolidone is measured by the following method.

すなわち、検体となる高分子電解質材(約0.1g)を純水で洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定する。該高分子電解質材を1000倍重量のN−メチルピロリドンに浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら50℃、5時間加熱する。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行う。濾過時に1000倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させる。残渣を40℃で24時間真空乾燥した後に、重量を測定することにより、重量減を算出する。   That is, a polymer electrolyte material (about 0.1 g) serving as a specimen is washed with pure water and then vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer electrolyte material is immersed in 1000 times weight of N-methylpyrrolidone and heated in a sealed container at 50 ° C. for 5 hours with stirring. Next, filtration is performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. At the time of filtration, the filter paper and the residue are washed with the same solvent 1000 times weight, and the eluate is sufficiently eluted in the solvent. The residue is vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and the weight loss is calculated by measuring the weight.

ところで、通常、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーは、イオン性基の耐熱性の低さから溶融製膜が困難であるため、膜の製造コストや成形加工の容易さの点から、溶液製膜で製膜することが好ましく、したがって溶剤に可溶性であることが好ましいのである。   By the way, normally, hydrocarbon polymers having ionic groups are difficult to melt and form due to the low heat resistance of the ionic groups. It is preferable to form the film with a film, and therefore it is preferable that the film is soluble in a solvent.

一方、高分子電解質膜に触媒層を設ける方法としては、高分子電解質膜に直接、触媒ペーストを塗工する方法が、界面抵抗低減の点から通常より好ましいと考えられるが、その際、耐溶剤性に劣る高分子電解質膜である場合には、膜が溶解したり、クラックあるいは変形が起き、本来の膜性能が発現できない場合が多い。さらに、高分子電解質膜を積層膜にする場合には、高分子電解質膜に直接、次のポリマー溶液を塗工する方法が広く採用されるが、同様に膜が溶解あるいは変形し、本来の膜性能が発現できないという問題があった。   On the other hand, as a method for providing a catalyst layer on the polymer electrolyte membrane, a method of directly applying a catalyst paste to the polymer electrolyte membrane is considered to be more preferable from the viewpoint of reducing interface resistance. When the polymer electrolyte membrane is inferior in properties, the membrane often dissolves, cracks or deforms, and the original membrane performance cannot be expressed in many cases. Furthermore, when the polymer electrolyte membrane is a laminated film, a method of directly applying the following polymer solution directly to the polymer electrolyte membrane is widely adopted. There was a problem that performance could not be expressed.

これに対して、本発明の耐溶剤性に優れる高分子電解質材は、N−メチルピロリドンに対してほとんど溶解しないものであり、直接塗工により触媒層との界面抵抗も低減でき、かつ製造コストを大幅に低減できる優れた高分子電解質材となると考えられる。   On the other hand, the polymer electrolyte material excellent in solvent resistance of the present invention hardly dissolves in N-methylpyrrolidone, can reduce the interface resistance with the catalyst layer by direct coating, and can be manufactured at a low cost. This is considered to be an excellent polymer electrolyte material capable of greatly reducing

本発明の高分子電解質材において、前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物の組成比率は、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物の合計量に対して、前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物を20〜80重量%含むことがより好ましい。前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物を20重量%未満しか含まない場合には、燃料クロスオーバー抑制効果や耐溶剤性が不足する場合があり、80重量%を越えて含む場合には、十分なプロトン伝導度が得られない傾向がある。 In the polymer electrolyte material of the present invention, the composition ratio of the hydrocarbon-based polymer having the ionic group and the crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1) is a carbonization having an ionic group. 20 crosslinkable compounds having two or more groups represented by the general formula (M1) with respect to the total amount of the hydrogen-based polymer and the crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1). More preferably, it is contained at 80% by weight. When the content of the crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1) is less than 20% by weight, the fuel crossover suppressing effect and the solvent resistance may be insufficient. When it is included in excess, there is a tendency that sufficient proton conductivity cannot be obtained.

次に、本発明に使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーについて説明する。なお、本発明においては、かかるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーは2種以上のポリマーを同時に使用しても構わない。   Next, the hydrocarbon polymer having an ionic group used in the present invention will be described. In the present invention, as the hydrocarbon polymer having such an ionic group, two or more kinds of polymers may be used simultaneously.

本発明に使用されるイオン性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[式中Rは任意の原子団を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。   The ionic group used in the present invention is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but is preferably one having proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group is a group represented by the following general formula (f2) [wherein R represents an arbitrary atomic group. The sulfuric acid group is represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group is represented by the following general formula (f4), and the phosphoric acid group is represented by the following general formula (f5) or (f6). And the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).

Figure 0004929569
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かかるイオン性基は前記官能基(f1)〜(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、アンモニウムカチオン等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、高分子電解質材としては、安価で、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。   Such ionic groups include cases where the functional groups (f1) to (f7) are salts. Examples of cations forming the salt include arbitrary metal cations, ammonium cations, and the like. In the case of a metal cation, the valence and the like are not particularly limited and can be used. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among these, Na and K which are inexpensive and can be easily proton-substituted are more preferably used as the polymer electrolyte material.

これらのイオン性基は前記高分子電解質材中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。   Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer electrolyte material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

高分子電解質材中のスルホン酸基の量は、スルホン酸基密度(mmol/g)の値として示すことができる。本発明における高分子電解質材のスルホン酸基密度は、プロトン伝導性および燃料クロスオーバー、さらに機械強度の点から0.1〜5.0mmol/gであることが好ましく、さらに好ましくは、0.5〜3.0mmol/g、燃料クロスオーバーの点から最も好ましくは0.8〜2.0mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.1mmol/gより低いと、プロトン伝導性が低いため十分な発電特性が得られないことがあり、5.0mmol/gより高いと燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な耐水性および含水時の機械的強度が得られないことがある。   The amount of sulfonic acid group in the polymer electrolyte material can be shown as a value of sulfonic acid group density (mmol / g). The sulfonic acid group density of the polymer electrolyte material in the present invention is preferably from 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably from the viewpoint of proton conductivity, fuel crossover, and mechanical strength. From the standpoint of fuel crossover, it is most preferably 0.8 to 2.0 mmol / g. When the sulfonic acid group density is lower than 0.1 mmol / g, sufficient proton generation characteristics may not be obtained due to low proton conductivity. When the sulfonic acid group density is higher than 5.0 mmol / g, it may be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In addition, sufficient water resistance and mechanical strength when containing water may not be obtained.

ここで、スルホン酸基密度とは、乾燥状態の高分子電解質材1グラムあたりに導入されたスルホン酸基のモル数であり、値が大きいほどスルホン酸基の量が多いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定により求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、元素分析法を用いることが好ましいが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは、中和滴定法によりスルホン酸基密度を求めることもできる。   Here, the sulfonic acid group density is the number of moles of sulfonic acid groups introduced per gram of the polymer electrolyte material in a dry state, and the larger the value, the greater the amount of sulfonic acid groups. The sulfonic acid group density can be determined by elemental analysis or neutralization titration. Among these, the elemental analysis method is preferably used from the viewpoint of easiness of measurement, but when a sulfur source other than the sulfonic acid group is included, the sulfonic acid group density can also be obtained by a neutralization titration method.

本発明に使用されるイオン性基を有するポリマーとしては、燃料クロスオーバー抑制効果および製造コストの点で、炭化水素系ポリマーがより好ましく用いられる。ナフィオン(R)(デュポン社製)のようなパーフルオロ系ポリマーを用いた場合には、前述の通り、高価な上、クラスター構造を形成するために、燃料クロスオーバー抑制効果に限界があり、高エネルギー容量を必要とされる高分子電解質型燃料電池の実用化は非常に困難となる。   As the polymer having an ionic group used in the present invention, a hydrocarbon-based polymer is more preferably used from the viewpoint of the fuel crossover suppressing effect and the production cost. When a perfluoro-based polymer such as Nafion (R) (manufactured by DuPont) is used, as described above, it is expensive and has a limit in the effect of suppressing fuel crossover because it forms a cluster structure. It becomes very difficult to put a polymer electrolyte fuel cell that requires energy capacity into practical use.

また、本発明に使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーとしては、成形加工の容易さおよび製造コストの点から、溶剤可溶性の非架橋ポリマーがより好ましく用いられる。   In addition, as the hydrocarbon-based polymer having an ionic group used in the present invention, a solvent-soluble non-crosslinked polymer is more preferably used from the viewpoint of ease of molding and production cost.

ここで、架橋ポリマーとは、熱に対しての流動性が実質的に無いポリマーか、溶剤に対して実質的に不溶のポリマーを意味し、ポリマーが溶剤に対して膨潤しても実質的に溶剤中に溶け出さない場合には不溶であるものとする。また、非架橋ポリマーとは架橋ポリマーでないことを意味する。その判定は、以下の方法で判定するものと定義する。   Here, the crosslinked polymer means a polymer that has substantially no fluidity to heat or a polymer that is substantially insoluble in a solvent. If it does not dissolve in the solvent, it is insoluble. Further, the non-crosslinked polymer means that it is not a crosslinked polymer. The determination is defined to be determined by the following method.

検体となるポリマー(約0.1g)を純水で洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定する。ポリマーを1000倍重量の溶剤に浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら70℃、40時間加熱する。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行う。濾過時に1000倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させる。濾液を乾固させ、溶出分の重量を求める。溶出重量が初期重量の10%未満の場合は、その溶剤に対して実質的に不溶であると判定する。この試験をトルエン、ヘキサン、N−メチルピロリドン、メタノールおよび水の5種類の溶剤について行い、全ての溶剤で実質的に不溶と判定された場合に、そのポリマーは架橋ポリマーであるとして判定し、前記判定で架橋ポリマーと判定されなかったものは非架橋ポリマーと判定する。   A sample polymer (about 0.1 g) is washed with pure water and then vacuum dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer is immersed in a 1000-fold weight solvent and heated in a sealed container at 70 ° C. for 40 hours with stirring. Next, filtration is performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. At the time of filtration, the filter paper and the residue are washed with the same solvent 1000 times weight, and the eluate is sufficiently eluted in the solvent. Dry the filtrate and determine the weight of the elution. When the elution weight is less than 10% of the initial weight, it is determined that the elution weight is substantially insoluble in the solvent. This test was carried out for five solvents of toluene, hexane, N-methylpyrrolidone, methanol and water, and when it was determined that all the solvents were substantially insoluble, it was determined that the polymer was a crosslinked polymer, What was not determined as a crosslinked polymer by determination is determined as a non-crosslinked polymer.

イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの例を以下(E−2)に例示する。 Exemplified below an example of a hydrocarbon polymer having an ionic group (E-2).

次に、(E−2)アニオン性基を有し主鎖に芳香環を有するポリマーとは、主鎖に芳香環を有するポリマー(以下、芳香族炭化水素系ポリマーと記載する場合がある)であって、イオン性基を有するものである。   Next, (E-2) a polymer having an anionic group and having an aromatic ring in the main chain is a polymer having an aromatic ring in the main chain (hereinafter sometimes referred to as an aromatic hydrocarbon-based polymer). And having an ionic group.

すなわち、主鎖構造としては、芳香環を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度を有するものが好ましい。例えば米国特許第5,403,675号明細書、特開2001−192531号公報および特開2002−293889号公報などに記載のあるポリフェニレン系高分子は好適な例である。   That is, the main chain structure is not particularly limited as long as it has an aromatic ring, but preferably has a sufficient mechanical strength such as that used as an engineering plastic. For example, polyphenylene polymers described in US Pat. No. 5,403,675, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-192531, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-293889 are suitable examples.

さらには、少なくとも主鎖にイオン性基とは異なる1種類以上の極性基を有する高分子が好ましい。この理由は、主鎖近傍への水の配位を促し不凍水量を増やすことによって、高プロトン伝導性を与え、燃料クロスオーバーを低減できるためであると推定される。   Furthermore, a polymer having at least one polar group different from the ionic group in the main chain is preferable. The reason for this is presumed to be that high proton conductivity can be provided and fuel crossover can be reduced by promoting the coordination of water in the vicinity of the main chain and increasing the amount of antifreeze water.

かかる極性基とは、特に限定されるものではないが、水が配位できる官能基が好ましい。この様な極性基としては下記一般式(g1)で表されるスルホニル基、一般式(g2)で表されるオキシ基、一般式(g3)で表されるチオ基、一般式(g4)で表されるカルボニル基、一般式(g5)で表されるホスフィンオキシド基(式中、R1は1価の有機基を表す。)、一般式(g6)で表されるホスホン酸エステル基(式中、R2は1価の有機基を表す。)、一般式(g7)で表されるエステル基、一般式(g8)で表されるアミド基(式中、R3は1価の有機基を表す。)、一般式(g9)で表されるイミド基および一般式(g10)で表されるホスファゼン基(式中、R4およびR5は1価の有機基を表す。)などが好適である。   Such a polar group is not particularly limited, but a functional group capable of coordinating water is preferable. Examples of such a polar group include a sulfonyl group represented by the following general formula (g1), an oxy group represented by the general formula (g2), a thio group represented by the general formula (g3), and a general formula (g4). A carbonyl group represented by formula, a phosphine oxide group represented by formula (g5) (wherein R1 represents a monovalent organic group), and a phosphonate ester group represented by formula (g6) (wherein , R2 represents a monovalent organic group.), An ester group represented by the general formula (g7), an amide group represented by the general formula (g8) (wherein R3 represents a monovalent organic group). ), An imide group represented by the general formula (g9) and a phosphazene group represented by the general formula (g10) (wherein R4 and R5 represent a monovalent organic group) and the like are preferable.

Figure 0004929569
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そのような極性基を有するポリマーの中でも、下記一般式(P1)   Among polymers having such a polar group, the following general formula (P1)

Figure 0004929569
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(ここで、Z1、Z2は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。Y1は電子吸引性基を表す。Y2はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0〜2の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水素系ポリマーが選ばれる。
(Here, Z1 and Z2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. Y1 represents an electron-withdrawing group. Y2 represents O or S. a and b. Each independently represents an integer of 0-2, provided that a and b are not 0 at the same time.)
An aromatic hydrocarbon polymer having a repeating unit represented by is selected.

Figure 0004929569
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高分子電解質材としては耐加水分解性に優れている点で主鎖構造として前記一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーであることが必要である。かかる主鎖構造として一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーの中でも、主鎖構造として一般式(P1−1)〜一般式(P1−9)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーは特に好ましい。プロトン伝導度の高さ、製造の容易さの点では主鎖構造として一般式(P1−6)〜一般式(P1−9)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーが最も好ましい。 The polymer electrolyte material is required to be an aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group having a repeating unit represented by the general formula (P1) as a main chain structure in terms of excellent hydrolysis resistance. There is . Among the aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group having a repeating unit represented as such a main chain structure in the general formula (P1), the general formula (P1-1) ~ formula as a main chain structure (P1-9) An aromatic hydrocarbon polymer having an ionic group having a repeating unit represented by is particularly preferable. Aromatic hydrocarbons having an ionic group having a repeating unit represented by general formula (P1-6) to general formula (P1-9) as the main chain structure in terms of high proton conductivity and ease of production Polymers are most preferred.

Figure 0004929569
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Z1として好ましい有機基は、フェニレン基およびナフチレン基である。これらは置換されていてもよい。   Preferred organic groups as Z1 are a phenylene group and a naphthylene group. These may be substituted.

Z2として好ましい有機基はフェニレン基、ナフチレン基ならびに下記一般式(Z2−1)〜一般式(Z2−14)で示される有機基である。これらは置換されていてもよい。これらの中でも一般式(Z2−7)〜一般式(Z2−14)で示される有機基は、燃料透過抑制効果に優れるために特に好ましく、本発明の高分子電解質はZ2として一般式(Z2−7)〜一般式(Z2−14)で示される有機基のうち少なくとも1種類を含有することが好ましい。一般式(Z2−7)〜一般式(Z2−14)で示される有機基の中でも最も好ましいのは一般式(Z2−8)で示される有機基である。   Preferred organic groups as Z2 are a phenylene group, a naphthylene group, and organic groups represented by the following general formulas (Z2-1) to (Z2-14). These may be substituted. Among these, the organic groups represented by the general formulas (Z2-7) to (Z2-14) are particularly preferable because they are excellent in fuel permeation suppressing effect, and the polymer electrolyte of the present invention is represented by the general formula (Z2−2) as Z2. It is preferable to contain at least one of organic groups represented by 7) to general formula (Z2-14). Of the organic groups represented by general formula (Z2-7) to general formula (Z2-14), the organic group represented by general formula (Z2-8) is most preferable.

Figure 0004929569
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一般式(P1−4)および一般式(P1−9)におけるR1で示される有機基の好ましい例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点ではR1として最も好ましいのはフェニル基である。   Preferred examples of the organic group represented by R1 in the general formula (P1-4) and general formula (P1-9) include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, and vinyl. Group, allyl group, benzyl group, phenyl group, naphthyl group, phenylphenyl group and the like. In view of industrial availability, R1 is most preferably a phenyl group.

これら芳香族炭化水素系ポリマーに対してイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。   Examples of a method for introducing an ionic group into these aromatic hydrocarbon polymers include a method of polymerizing using a monomer having an ionic group and a method of introducing an ionic group by a polymer reaction.

イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。かかる方法は例えば Journal of Membrane Science, 197(2002) 231-242 に記載がある。   As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used, and if necessary, an appropriate protecting group may be introduced to perform a deprotecting group after polymerization. . Such a method is described in, for example, Journal of Membrane Science, 197 (2002) 231-242.

高分子反応でイオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族系高分子へのホスホン酸基の導入は、例えばPolymer Preprints, Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。芳香族系高分子へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族系高分子への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子の硫酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の公知の方法を使用することができる。具体的には、例えば、芳香族系高分子をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系高分子をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。   The method for introducing an ionic group in a polymer reaction will be described with an example. The introduction of a phosphonic acid group into an aromatic polymer is described in, for example, Polymer Preprints, Japan, 51, 750 (2002) Is possible. Introduction of a phosphate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, phosphoric esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into an aromatic polymer can be performed by oxidizing an aromatic polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group, for example. Introduction of a sulfate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, sulfate esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. As a method for sulfonating an aromatic polymer, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a known method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 may be used. it can. Specifically, for example, an aromatic polymer can be sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform, or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. . The sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic polymer, and sulfur trioxide or the like can be used in addition to the above. When the aromatic polymer is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.

次に、下記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物について説明を加える。なお、本発明においては、かかる架橋性化合物は2種以上のものを同時に使用しても構わない。 Next, description is added about the crosslinkable compound which has two or more groups shown by the following general formula (M1). In the present invention, two or more kinds of such crosslinkable compounds may be used at the same time.

Figure 0004929569
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(ここで、R1は水素、または任意の有機基である。)
本発明の高分子電解質材の好ましい態様は、本発明の高分子電解質材を前記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物で架橋せしめた高分子電解質膜である。前記架橋性化合物で架橋せしめることにより、燃料クロスオーバーおよび燃料に対する膨潤を抑制する効果が期待でき、機械的強度が向上し、より好ましくなる。
(Where R1 is hydrogen or any organic group.)
A preferred embodiment of the polymer electrolyte material of the present invention is a polymer electrolyte membrane obtained by crosslinking the polymer electrolyte material of the present invention with a crosslinkable compound having two or more groups represented by the general formula (M1). By crosslinking with the crosslinkable compound, an effect of suppressing fuel crossover and swelling with respect to fuel can be expected, and mechanical strength is improved, which is more preferable.

芳香族炭化水素系ポリマーを高分子電解質材に用いる場合は、一般的にポリマーがラジカル耐性に優れるため、電子線やγ線といった放射線架橋では十分に内部まで架橋性しめることは難しい。しかし、本発明の前記式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物で架橋せしめた場合は、十分な架橋が進行し、比較的容易に燃料クロスオーバー抑制や耐溶剤性に優れた高分子電解質材を得ることができる。 When an aromatic hydrocarbon polymer is used for a polymer electrolyte material, since the polymer is generally excellent in radical resistance, it is difficult to sufficiently crosslink the inside by radiation crosslinking such as electron beam or γ-ray. However, when cross-linking is performed with a cross-linkable compound having two or more groups represented by the formula (M1) of the present invention, sufficient cross-linking proceeds, and it is relatively easy to suppress fuel crossover and solvent resistance. A polymer electrolyte material can be obtained.

なかでも、工業的入手の容易さおよび反応効率の点から、前記R1としては炭素数1〜20までのアルキル基、またはR2CO基(R2は炭素数1〜20までのアルキル基を表す)がより好ましい。   Among these, from the viewpoint of industrial availability and reaction efficiency, R1 is more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an R2CO group (R2 represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms). preferable.

本発明で使用される前記式(M1)で表される基を2つ以上含有する架橋性化合物としては、たとえば、前記有機基(M1)を2つ有するものとしてDM−BI25X−F、46DMOC、46DMOIPP、46DMOEP(商品名、旭有機材工業(株)製)、DML−MBPC、DML−MBOC、DML−OCHP、DML−PC、DML−PCHP、DML−PTBP、DML−34X、DML−EP、DML−POP、DML−OC、ジメチロール−Bis−C、ジメチロール−BisOC−P、DML−BisOC−Z、DML−BisOCHP−Z、DML−PFP、DML−PSBP、DML−MB25、DML−MTrisPC、DML−Bis25X−34XL、DML−Bis25X−PCHP(商品名、本州化学工業(株)製)、”ニカラック”(R)MX−290(商品名、(株)三和ケミカル製)、2,6−ジメトキシメチル−4−t−ブチルフェノール、2,6−ジメトキシメチル−p−クレゾール、2,6−ジアセトキシメチル−p−クレゾール等、3つ有するものとしてTriML−P、TriML−35XL、TriML−TrisCR−HAP(商品名、本州化学工業(株)製)等、4つ有するものとしてTM−BIP−A(商品名、旭有機材工業(株)製)、TML−BP、TML−HQ、TML−pp−BPF、TML−BPA、TMOM−BP(商品名、本州化学工業(株)製)、”ニカラック”MX−280、”ニカラック”MX−270(商品名、(株)三和ケミカル製)等、6つ有するものとしてHML−TPPHBA、HML−TPHAP(商品名、本州化学工業(株)製)が挙げられる。本発明では架橋の点から、前記式(M1)で表される基を少なくとも2つ含有するものであるExamples of the crosslinkable compound containing two or more groups represented by the formula (M1) used in the present invention include those having two organic groups (M1) as DM-BI25X-F, 46DMOC, 46DMOIPP, 46DMOEP (trade name, manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), DML-MBPC, DML-MBOC, DML-OCHP, DML-PC, DML-PCHP, DML-PTBP, DML-34X, DML-EP, DML -POP, DML-OC, dimethylol-Bis-C, dimethylol-BisOC-P, DML-BisOC-Z, DML-BisOCHP-Z, DML-PFP, DML-PSBP, DML-MB25, DML-MTrisPC, DML-Bis25X -34XL, DML-Bis25X-PCHP (trade name, Honshu Chemical Industries Manufactured by), “Nicarak” (R) MX-290 (trade name, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.), 2,6-dimethoxymethyl-4-t-butylphenol, 2,6-dimethoxymethyl-p- There are three such as TriML-P, TriML-35XL, TriML-TrisCR-HAP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), etc. as having three such as cresol and 2,6-diacetoxymethyl-p-cresol TM-BIP-A (trade name, manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), TML-BP, TML-HQ, TML-pp-BPF, TML-BPA, TMOM-BP (trade name, Honshu Chemical Industry ( Co., Ltd.), “Nicarac” MX-280, “Nicarac” MX-270 (trade name, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.), etc., and HML-TPPHBA, HM -TPHAP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) and the like. From the viewpoint of crosslinking in the present invention, a group represented by the formula (M1) are those which contain at least two.

これらの架橋性化合物を添加することで、得られる高分子電解質材は、燃料水溶液に対する膨潤が抑制され、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制が両立され、耐溶剤性も大きく向上する。   By adding these crosslinkable compounds, swelling of the resulting polymer electrolyte material with respect to the aqueous fuel solution is suppressed, high proton conductivity and fuel crossover suppression are compatible, and solvent resistance is greatly improved.

これら架橋性化合物は、以下のようなベンゼン環に直接付加する反応機構によってポリマーが架橋されると推定される。   These crosslinkable compounds are presumed that the polymer is crosslinked by a reaction mechanism that directly adds to the benzene ring as described below.

Figure 0004929569
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中でも、工業的入手の容易さ、燃料クロスオーバー抑制効果、イオン性基を有するポリマーとの相溶性の点から、下記に本発明で使用するのに特に好ましい架橋性化合物の構造を下記に示す。   Among these, from the viewpoint of industrial availability, fuel crossover suppression effect, and compatibility with a polymer having an ionic group, the structures of crosslinkable compounds particularly preferred for use in the present invention are shown below.

Figure 0004929569
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このような架橋性化合物の添加量としては、ポリマー100重量部に対して、好ましくは1〜50重量部であり、さらに好ましくは3〜40重量部の範囲である。添加量が1重量部未満であれば、架橋の効果が不十分となる場合があり、50重量部を越えるとプロトン伝導性あるいは機械強度が不十分となる場合がある。高分子電解質中に含まれる架橋性化合物の種類および添加量は、各種核磁気共鳴スペクトル(NMR)、赤外吸収スペクトル(IR)、熱分解ガスクロマトグラフ等により分析することができる。   The addition amount of such a crosslinkable compound is preferably 1 to 50 parts by weight, more preferably 3 to 40 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer. If the addition amount is less than 1 part by weight, the effect of crosslinking may be insufficient, and if it exceeds 50 parts by weight, proton conductivity or mechanical strength may be insufficient. The type and amount of the crosslinkable compound contained in the polymer electrolyte can be analyzed by various nuclear magnetic resonance spectra (NMR), infrared absorption spectra (IR), pyrolysis gas chromatographs and the like.

ここで、好ましい高分子電解質材の作製方法の一例を挙げれば、ナトリウムなどのアルカリ金属で置換されたイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記一般式(M1)で示される基を有する架橋性化合物を溶液状態で混ぜ、支持体上に流延して溶媒を蒸発させながら前記架橋性化合物を熱架橋させ、自己支持性の複合高分子電解質材を得た後、さらにイオン性基をプロトン置換することによって製造することができる。かかる方法により作製した高分子電解質材は、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制を両立することができるだけでなく、溶液製膜が可能であることから、製造コストが極めて安く、さらに前記架橋性化合物による架橋の効果により、耐溶剤性も付与することができるので、高分子電解質膜に対して触媒ペーストの直接塗工が可能で、膜電極複合体の製造コストも大幅に低減可能であるため、最も好ましく利用することができる。   Here, as an example of a preferable method for producing a polymer electrolyte material, a hydrocarbon polymer having an ionic group substituted with an alkali metal such as sodium and a crosslinkability having a group represented by the general formula (M1) The compound is mixed in a solution state, cast onto a support, and the crosslinkable compound is thermally cross-linked while evaporating the solvent to obtain a self-supporting composite polymer electrolyte material. Can be manufactured. The polymer electrolyte material produced by such a method not only can achieve both high proton conductivity and suppression of fuel crossover, but also enables solution film formation, so the production cost is extremely low, and the crosslinkable compound Due to the crosslinking effect, it is possible to impart solvent resistance, so the catalyst paste can be directly applied to the polymer electrolyte membrane, and the production cost of the membrane electrode assembly can be greatly reduced. Most preferably, it can be used.

本発明の高分子電解質材において、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記一般式(M1)で示される基を有する架橋性化合物とは、均一に混じり合っていることが燃料クロスオーバー抑制およびプロトン伝導性のために好ましい。イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記架橋性化合物が均一に混じり合っている状態とは、前記架橋性化合物がブリードアウトしたりせずに、また、前記ポリマーと前記架橋性化合物から得られた高分子電解質材が含水状態においても実質的に相分離構造を取らずに混じり合っている状態である。前記ポリマーと前記架橋性化合物から得られた高分子電解質材が実質的に均一に混じり合っていることの確認は、高分子電解質材の含水状態のヘーズを測定することによって可能である。   In the polymer electrolyte material of the present invention, it is possible to suppress the fuel crossover and that the hydrocarbon polymer having an ionic group and the crosslinkable compound having the group represented by the general formula (M1) are uniformly mixed. Preferred for proton conductivity. The state in which the hydrocarbon-based polymer having an ionic group and the crosslinkable compound are uniformly mixed is obtained from the polymer and the crosslinkable compound without causing the crosslinkable compound to bleed out. The polymer electrolyte material is in a state of being mixed without substantially taking a phase separation structure even in a water-containing state. Confirmation that the polymer electrolyte material obtained from the polymer and the crosslinkable compound is substantially uniformly mixed can be confirmed by measuring the water-containing haze of the polymer electrolyte material.

高分子電解質材の含水状態のヘーズを測定し、ヘーズが30%を越える場合には、該高分子電解質材の例えば、親水部分と疎水部分による相分離のドメインサイズが、可視光波長サイズ以上となっており、前記ポリマーと前記架橋性化合物から得られた高分子電解質材が実質的に均一に混じり合っていないと判断する。これに対して、ヘーズが30%以下である場合は、前記ポリマーと前記架橋性化合物から得られた高分子電解質材が実質的に、分子レベルで均一に混和し、前記架橋性化合物による架橋によってイオン性基を有する炭化水素系ポリマーの分子鎖の運動が制限された状態、すなわちイオン性基を有する炭化水素系ポリマーの分子鎖が拘束された状態にある。イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記架橋性化合物が実質的に均一に混じり合った状態では、互いの高分子鎖どうしが十分に架橋している状態にあり、互いの動きを拘束し、燃料透過を妨げたり、溶剤に対する溶解を妨げる効果を奏するものである。   When the haze of the polymer electrolyte material in a water-containing state is measured and the haze exceeds 30%, for example, the domain size of the phase separation between the hydrophilic portion and the hydrophobic portion of the polymer electrolyte material is not less than the visible light wavelength size. It is determined that the polymer electrolyte material obtained from the polymer and the crosslinkable compound is not substantially uniformly mixed. On the other hand, when the haze is 30% or less, the polymer electrolyte material obtained from the polymer and the crosslinkable compound is substantially uniformly mixed at the molecular level, and is crosslinked by the crosslinkable compound. The movement of the molecular chain of the hydrocarbon polymer having an ionic group is limited, that is, the molecular chain of the hydrocarbon polymer having an ionic group is constrained. In a state where the hydrocarbon-based polymer having an ionic group and the crosslinkable compound are substantially uniformly mixed, the polymer chains are sufficiently cross-linked with each other, restraining each other's movement, It has the effect of hindering fuel permeation or hindering dissolution in a solvent.

イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記架橋性化合物が実質的に均一に混じり合った状態を実現するための方法としては、相溶性の観点からイオン性基を有する炭化水素系ポリマーに、前記架橋性化合物を溶液状態で混ぜ合わせ、その後、流延後、前記架橋性化合物を架橋させる工程を経ることにより、高分子電解質材を作製する方法が最も好ましい。   As a method for realizing a state in which the hydrocarbon polymer having an ionic group and the crosslinkable compound are substantially uniformly mixed, the hydrocarbon polymer having an ionic group from the viewpoint of compatibility, The most preferable method is to prepare a polymer electrolyte material by mixing the crosslinkable compound in a solution state, and then performing a step of crosslinking the crosslinkable compound after casting.

本発明においては、相溶性が不十分であるならば必要に応じて相溶化剤を用いることができる。使用される相溶化剤としては、使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記架橋性化合物を相溶させるものであれば、特に限定されるものではなく、たとえば直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩やアルキル硫酸エステル塩などの界面活性剤、水酸基、エステル基、アミド基、イミド基、ケトン基、スルホン基、エーテル基、スルホン酸基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などの極性基を有する有機化合物およびポリマーが挙げられる。   In the present invention, if the compatibility is insufficient, a compatibilizing agent can be used as necessary. The compatibilizer to be used is not particularly limited as long as it compatibilizes the hydrocarbon polymer having an ionic group to be used and the crosslinkable compound. For example, a linear alkylbenzene sulfonate And surfactants such as alkyl sulfate salts, hydroxyl groups, ester groups, amide groups, imide groups, ketone groups, sulfone groups, ether groups, sulfonic acid groups, sulfuric acid groups, phosphonic acid groups, phosphoric acid groups, carboxylic acid groups, etc. And organic compounds and polymers having the following polar groups.

本発明の高分子電解質材を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用される。しかしながら、本発明の高分子電解質材は、膜状に限定されるものではなく、その形状としては、前述の膜状の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状など、使用用途によって様々な形態をとりうる。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state. However, the polymer electrolyte material of the present invention is not limited to a film shape, and the shape is not limited to the above-mentioned film shape, but is used for plate, fiber, hollow fiber, particle, lump, etc. Can take various forms.

次に、前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記架橋性化合物を混じり合わせて本発明の高分子電解質膜を得る方法の例を説明する。   Next, an example of a method for obtaining the polymer electrolyte membrane of the present invention by mixing the hydrocarbon-based polymer having the ionic group and the crosslinkable compound will be described.

本発明の高分子電解質を触媒層に適用する場合も同様の手法が適用できる。これらは例示であって他の方法を採用しても問題はない。   The same technique can be applied when the polymer electrolyte of the present invention is applied to the catalyst layer. These are examples, and there is no problem even if other methods are adopted.

第1の方法は、溶液状態または溶融状態のイオン性基を有する炭化水素系ポリマーまたはその前駆体と、溶液状態または溶融状態の前記架橋性化合物とを混合してから製膜する方法である。   The first method is a method of forming a film after mixing a hydrocarbon polymer having an ionic group in a solution state or a molten state or a precursor thereof and the crosslinkable compound in a solution state or a molten state.

第2の方法は、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーからなる膜に、溶液状態または溶融状態の前記架橋性化合物を接触、含浸させて製膜する方法である。   The second method is a method in which a film made of a hydrocarbon polymer having an ionic group is brought into contact with and impregnated with the crosslinkable compound in a solution state or a molten state to form a film.

前者の方法では、たとえば、溶液状態のイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと、溶液状態の前記架橋性化合物を混ぜ合わせ、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、前記架橋性化合物を架橋しながら溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。   In the former method, for example, a hydrocarbon polymer having an ionic group in a solution state and the crosslinkable compound in a solution state are mixed, the solution is cast on a glass plate or the like, and the crosslinkable compound is mixed. An example is a method of forming a film by removing the solvent while crosslinking.

かかる製膜に用いる溶媒は、高分子を溶解し、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、あるいはエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これらの溶媒と併用しても良い溶媒としては、メタノール、エタノールに代表されるアルコール類、アセトン、2−ブタノンに代表されるケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルに代表されるエステル類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンに代表されるエーテル類、トリエチルアミン、エチレンジアミンに代表されるアミン類などが挙げられ使用される。膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。溶融状態より製膜する場合は、溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等が可能である。   The solvent used for the film formation is not particularly limited as long as it dissolves the polymer and can be removed thereafter. N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF), N -Aprotic polar solvents such as methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), hexamethylphosphontriamide, or ethylene glycol monomethyl ether An alkylene glycol monoalkyl ether such as ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, or propylene glycol monoethyl ether is preferably used. Solvents that may be used in combination with these solvents include methanol, ethanol typified by ethanol, acetone, ketones typified by 2-butanone, ethyl acetate, esters typified by butyl acetate, diethyl ether, Examples include tetrahydrofuran, ethers typified by dioxane, triethylamine, amines typified by ethylenediamine, and the like. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. In the case of forming a film from a molten state, a melt press method or a melt extrusion method can be used.

高分子電解質膜の厚みは、特に制限はないが、1〜500μmのものが好ましく使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減、つまり発電性能の向上のためには500μmより薄い方が好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm. A thickness of more than 1 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 500 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, to improve power generation performance.

また、本発明の高分子電解質材には、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で含んでいても構わない。   In addition, the polymer electrolyte material of the present invention may contain additives such as plasticizers, stabilizers, mold release agents, etc. used in ordinary polymers within a range not contrary to the object of the present invention. I do not care.

かかる高分子電解質材を燃料電池として用いる際の高分子電解質材と電極の接合法については特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。しかしながら、本発明中の膜には、耐溶剤性に優れるをことを特徴としており、そういった場合には高分子電解質膜に触媒ペーストを直接塗工する方法が好ましく利用することができる。   There are no particular limitations on the method of joining the polymer electrolyte material and the electrode when such a polymer electrolyte material is used as a fuel cell, and known methods (for example, the chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, 269. Electrochem. Soc .: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209. can be applied. However, the film in the present invention is characterized by excellent solvent resistance. In such a case, a method of directly applying a catalyst paste to the polymer electrolyte film can be preferably used.

本発明の高分子電解質材は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。   The polymer electrolyte material of the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications.

電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。さらに燃料電池のなかでも高分子電解質型燃料電池に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあり、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。   Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable. Further, among fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as a fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from a mixture of water and water as fuel.

かかる炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。   As this C1-C6 organic compound, C1-C3 alcohols, such as methanol, ethanol, and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is used most preferably.

さらに、本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDAなどの携帯機器、掃除機等の家電、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is preferable. In particular, it is preferably used as a power supply source for mobile devices such as mobile devices such as mobile phones, personal computers and PDAs, household appliances such as vacuum cleaners, automobiles such as passenger cars, buses and trucks, ships, and railways.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.

(1)スルホン酸基密度
検体となる膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬し、40℃で24時間真空乾燥した後、元素分析により測定した。炭素、水素、窒素の分析は全自動元素分析装置varioEL、硫黄の分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定で実施した。ポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Sulfonic Acid Group Density A film-like sample serving as a specimen was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and measured by elemental analysis. Carbon, hydrogen, and nitrogen were analyzed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, and sulfur was analyzed by a flask combustion method and barium acetate titration. The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of the polymer.

(2)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
(2) Proton conductivity After immersing the membrane-like sample in a 30 wt% methanol aqueous solution at 25 ° C for 24 hours, the membrane sample is taken out in an atmosphere of 25 ° C and relative humidity of 50-80%, and protons are obtained as quickly as possible by the constant potential AC impedance method. Conductivity was measured.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用した。サンプルは、φ2mmおよびφ10mmの2枚の円形電極(ステンレス製)間に加重1kgをかけて挟持した。有効電極面積は0.0314cmである。サンプルと電極の界面には、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の15%水溶液を塗布した。25℃において、交流振幅50mVの定電位インピーダンス測定を行い、膜厚方向のプロトン伝導度を求めた。 As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. The sample was sandwiched between two circular electrodes (made of stainless steel) of φ2 mm and φ10 mm with a weight of 1 kg. The effective electrode area is 0.0314 cm 2 . A 15% aqueous solution of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) was applied to the interface between the sample and the electrode. At 25 ° C., a constant potential impedance measurement with an AC amplitude of 50 mV was performed to determine proton conductivity in the film thickness direction.

(3)メタノール透過量
膜状の試料を30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬した後、20℃において30重量%メタノール水溶液を用いて測定した。
(3) Methanol Permeation A film-like sample was immersed in a 30% by weight methanol aqueous solution for 24 hours and then measured at 20 ° C. using a 30% by weight methanol aqueous solution.

H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水(60mL)を入れ、他方のセルには30重量%メタノール水溶液(60mL)を入れた。セルの容量は各80mLであった。また、セル間の開口部面積は1.77cmであった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間、2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間あたりのメタノール透過量を求めた。 A sample membrane was sandwiched between the H-type cells, pure water (60 mL) was placed in one cell, and 30 wt% aqueous methanol solution (60 mL) was placed in the other cell. The cell capacity was 80 mL each. Moreover, the opening area between cells was 1.77 cm < 2 >. Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time was determined from the slope of the graph.

(4)高分子電解質膜のヘーズ測定法
試料としては、含水状態、すなわち25℃で、乾燥高分子電解質膜の1000倍重量の純水中に24時間浸漬した高分子電解質膜を使用し、表面の水滴を拭き取った後、全自動直読ヘーズコンピューター(スガ試験機(株)社製:HGM−2DP)を使用し、曇価(Hz%)を測定した。
(4) Method for measuring haze of polymer electrolyte membrane As a sample, a polymer electrolyte membrane immersed in pure water with a weight of 1000 times that of a dry polymer electrolyte membrane in a water-containing state, that is, at 25 ° C., was used for the surface. After wiping off the water droplets, the haze value (Hz%) was measured using a fully automatic direct reading haze computer (manufactured by Suga Test Instruments Co., Ltd .: HGM-2DP).

(5)N−メチルピロリドンに対する重量減
検体となる高分子電解質材(約0.1g)を純水で十分に洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定した。高分子電解質材を1000倍重量のN−メチルピロリドンに浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら50℃、5時間加熱した。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行った。濾過時に1000倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させた。残渣を40℃で24時間真空乾燥して重量を測定することにより、重量減を算出した。
(5) Weight reduction with respect to N-methylpyrrolidone A polymer electrolyte material (about 0.1 g) as a specimen was sufficiently washed with pure water, and then vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer electrolyte material was immersed in 1000 times weight of N-methylpyrrolidone and heated in a sealed container at 50 ° C. for 5 hours with stirring. Next, filtration was performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. During filtration, the filter paper and the residue were washed with the same solvent 1000 times weight, and the eluate was sufficiently eluted in the solvent. The residue was vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours and the weight was measured to calculate the weight loss.

(6)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(6) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.

合成例1
下記式(G1)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
Synthesis example 1
Synthesis of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following formula (G1)

Figure 0004929569
Figure 0004929569

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1gを発煙硫酸(50%SO3)150mL中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記式(G1)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。   109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 150 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The obtained precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the above formula (G1).

合成例2
下記式(G2)で表されるポリマーの合成
Synthesis example 2
Synthesis of a polymer represented by the following formula (G2)

Figure 0004929569
Figure 0004929569

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
炭酸カリウム6.9g、4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール14.1g、および4,4'−ジフルオロベンゾフェノン4.4g、および上記合成例1で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.4gを用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、上記式(G2)で示されるポリマーを得た。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.7mmol/g、重量平均分子量は22万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
6.9 g of potassium carbonate, 14.1 g of 4,4 ′-(9H-fluorene-9-ylidene) bisphenol, and 4.4 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and disodium 3,3 ′ obtained in Synthesis Example 1 above Polymerization was performed at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP) using 8.4 g of disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer represented by the above formula (G2). The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.7 mmol / g and a weight average molecular weight of 220,000.

実施例1
イオン性基を有する炭化水素系ポリマーとして合成例2で得た前記式(G2)のポリマーを溶解させた25重量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液16gと、架橋性化合物としてHMOM−TPPHBA(本州化学工業社製)1gを混合し、1時間室温で攪拌した。混合溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて2時間乾燥後、窒素下325℃で10分間熱処理し、高分子電解質膜を得た。1N塩酸に24時間浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄した。
Example 1
As a hydrocarbon polymer having an ionic group, 16 g of a 25 wt% N-methylpyrrolidone (NMP) solution obtained by dissolving the polymer of the formula (G2) obtained in Synthesis Example 2, and HMOM-TPPHBA (Honshu) as a crosslinkable compound 1 g of Chemical Industries, Ltd.) was mixed and stirred at room temperature for 1 hour. The mixed solution was cast-coated on a glass substrate, dried at 100 ° C. for 2 hours, and then heat-treated at 325 ° C. for 10 minutes under nitrogen to obtain a polymer electrolyte membrane. After immersing in 1N hydrochloric acid for 24 hours for proton substitution, it was immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours and thoroughly washed.

得られた膜は赤色透明であり、ヘーズは14%、NMPに対する重量減は4%、スルホン酸基密度は1.4mmol/gであった。プロトン伝導度、メタノール透過量の評価結果は表1にまとめた。ヘーズは小さく、耐溶剤性に優れていた。また、高イオン伝導度を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。   The obtained film was red and transparent, haze was 14%, weight loss with respect to NMP was 4%, and sulfonic acid group density was 1.4 mmol / g. The evaluation results of proton conductivity and methanol permeation amount are summarized in Table 1. The haze was small and the solvent resistance was excellent. Moreover, the effect of suppressing methanol crossover was large while maintaining high ionic conductivity.

実施例2
架橋性化合物のHMOM−TPPHBA(本州化学工業社製)1gをTML−BPA(本州化学工業社製)1gに変えた以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。
Example 2
A film was prepared by the method described in Example 1 except that 1 g of the crosslinkable compound HMOM-TPPHBA (Honshu Chemical Co., Ltd.) was changed to 1 g of TML-BPA (Honshu Chemical Co., Ltd.).

得られた膜は赤色透明であり、ヘーズは16%、NMPに対する重量減は5%、スルホン酸基密度は1.4mmol/gであった。プロトン伝導度、メタノール透過量の評価結果は表1にまとめた。ヘーズは小さく、耐溶剤性に優れていた。また、高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。   The obtained film was red and transparent, having a haze of 16%, a weight loss with respect to NMP of 5%, and a sulfonic acid group density of 1.4 mmol / g. The evaluation results of proton conductivity and methanol permeation amount are summarized in Table 1. The haze was small and the solvent resistance was excellent. Moreover, the effect of suppressing methanol crossover was large while maintaining high proton conductivity.

比較例1
イオン性基を有するポリマーとしてパーフルオロ系である市販のナフィオン(R)117膜(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、MCOおよびヘーズ、N−メチルピロリドンに対する重量減を評価した。ナフィオン117膜は100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。ナフィオン(R)117膜のヘーズは5%、NMPに対する重量減は2%であった。プロトン伝導度、メタノール透過量の評価結果は表1にまとめた。ヘーズは小さく、耐溶剤性に優れていた。プロトン伝導性は比較的高いが、メタノールクロスオーバーが極めて大きかった。
Comparative Example 1
A perfluoro-based commercially available Nafion (R) 117 membrane (manufactured by DuPont) was used as the polymer having an ionic group, and ionic conductivity, MCO and haze, and weight loss relative to N-methylpyrrolidone were evaluated. The Nafion 117 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes, then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. The haze of the Nafion (R) 117 membrane was 5%, and the weight loss with respect to NMP was 2%. The evaluation results of proton conductivity and methanol permeation amount are summarized in Table 1. The haze was small and the solvent resistance was excellent. Proton conductivity was relatively high, but methanol crossover was very large.

比較例2
イオン性基を有する炭化水素系ポリマーであるスルホン化PPO(S−PPO)の合成はPPOとして三菱ガス化学社製YPX−100Lを用い、J. Appl. Polym. Sci., 29, 4017 (1984).記載の方法で、スルホン化PPO/PVDFのブレンド高分子電解質材を作製した。
Comparative Example 2
For the synthesis of sulfonated PPO (S-PPO), which is a hydrocarbon polymer having an ionic group, YPX-100L manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd. was used as PPO. J. Appl. Polym. Sci., 29, 4017 (1984) A sulfonated PPO / PVDF blend polymer electrolyte material was prepared by the method described.

このスルホン化PPOのスルホン酸基密度は3.0mmol/gであった。N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解させたS−PPOと、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解させたPVDF(呉羽化学社製W#1100))をS−PPO/PVDF=8/2(重量比)で混合し、1時間室温で攪拌した。架橋性化合物は添加せず、混合溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて3時間乾燥し、溶媒を除去した。   The sulfonate group density of the sulfonated PPO was 3.0 mmol / g. S-PPO / PVDF = 8/2 containing S-PPO dissolved in N, N-dimethylacetamide (DMAc) and PVDF dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) (W # 1100 manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd.) (Weight ratio) and stirred for 1 hour at room temperature. Without adding the crosslinkable compound, the mixed solution was cast-coated on a glass substrate and dried at 100 ° C. for 3 hours to remove the solvent.

得られた膜は、膜厚200μmであり、白濁した柔軟な膜であった。この高分子電解質膜のヘーズは92%、NMPに対する重量減は100%、スルホン酸基密度は2.4mmol/gであった。プロトン伝導度、メタノール透過量の評価結果は表1にまとめた。ヘーズは大きく、耐溶剤性に劣っていた。プロトン伝導度は優れるものの、メタノールクロスオーバー抑制効果はなかった。   The obtained film had a film thickness of 200 μm and was a soft film with white turbidity. This polymer electrolyte membrane had a haze of 92%, a weight loss with respect to NMP of 100%, and a sulfonic acid group density of 2.4 mmol / g. The evaluation results of proton conductivity and methanol permeation amount are summarized in Table 1. The haze was large and the solvent resistance was poor. Although proton conductivity was excellent, there was no methanol crossover suppression effect.

比較例3
イオン性基を有する炭化水素系ポリマーである合成例2で得たポリマー(Na型)をN−メチルピロリドンを溶媒とする25重量%溶液とし、架橋製化合物は添加せずに、当該溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4時間乾燥して溶媒を除去した。さらに、窒素ガス雰囲気下、200〜325℃まで1時間かけて昇温し、325℃で10分間加熱する条件で熱処理した後、放冷した。1N塩酸に1日間以上浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に1日間以上浸漬して充分洗浄した。
Comparative Example 3
The polymer (Na type) obtained in Synthesis Example 2, which is a hydrocarbon polymer having an ionic group, is made into a 25 wt% solution using N-methylpyrrolidone as a solvent, and the solution is made of glass without adding a crosslinking compound. The solvent was removed by casting on a substrate and drying at 100 ° C. for 4 hours. Furthermore, it heated up on 200-325 degreeC over 1 hour in nitrogen gas atmosphere, and heat-processed on the conditions heated at 325 degreeC for 10 minutes, Then, it stood to cool. After immersing in 1N hydrochloric acid for 1 day or longer to perform proton substitution, it was immersed in a large excess of pure water for 1 day or longer and washed thoroughly.

得られた膜は膜厚70μmであり、淡黄色透明の柔軟な膜であった。この高分子電解質膜のヘーズは14%、NMPに対する重量減は100%、スルホン酸基密度は1.7mmol/gであった。プロトン伝導度、メタノール透過量の評価結果は表1にまとめた。ヘーズは小さいが、耐溶剤性に劣っていた。比較例1の“ナフィオン”117(R)に比べ、プロトン伝導性および燃料遮断性に優れていたが、実施例1および2には燃料遮断性で劣っていた。   The obtained film had a thickness of 70 μm and was a light yellow transparent flexible film. This polymer electrolyte membrane had a haze of 14%, a weight loss with respect to NMP of 100%, and a sulfonic acid group density of 1.7 mmol / g. The evaluation results of proton conductivity and methanol permeation amount are summarized in Table 1. Although the haze was small, the solvent resistance was poor. Compared with “Nafion” 117 (R) of Comparative Example 1, the proton conductivity and the fuel blocking property were excellent, but Examples 1 and 2 were inferior in the fuel blocking property.

実施例3および比較例4
実施例1の高分子電解質膜を用いて、次の方法により高分子電解質型燃料電池を作製し評価した。また、比較例1の市販のナフィオン117(R)膜も同様に高分子電解質型燃料電池を作製し評価した。
Example 3 and Comparative Example 4
Using the polymer electrolyte membrane of Example 1, a polymer electrolyte fuel cell was prepared and evaluated by the following method. In addition, a commercially available Nafion 117 (R) membrane of Comparative Example 1 was similarly produced and evaluated as a polymer electrolyte fuel cell.

2枚の炭素繊維クロス基材に20%PTFE水への浸漬による撥水処理を行ったのち、焼成して電極基材を作製した。1枚の電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンと市販のナフィオン(Nafion)溶液(R)(デュポン社製)からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、もう1枚の電極基材上に、Pt担持カーボンとナフィオン溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。   The two carbon fiber cloth base materials were subjected to a water repellent treatment by immersion in 20% PTFE water, and then fired to prepare an electrode base material. On one electrode base material, an anode electrode catalyst coating solution made of Pt-Ru-supported carbon and a commercially available Nafion solution (R) (manufactured by DuPont) was applied and dried to obtain another anode electrode. A cathode electrode catalyst coating solution composed of Pt-supported carbon and a Nafion solution was applied onto a piece of electrode base material and dried to prepare a cathode electrode.

実施例1の高分子電解質膜を、先に作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることで膜−電極複合体(MEA)を作製した。このMEAをエレクトロケム社製セルにセットしアノード側に30%メタノール水溶液、カソード側に空気を流してMEA評価を行った。評価はMEAに定電流を流し、その時の電圧を測定した。電流を順次増加させ電圧が10mV以下になるまで測定を行った。各測定点での電流と電圧の積が出力となる。   The polymer electrolyte membrane of Example 1 was sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode prepared earlier and heated and pressed to prepare a membrane-electrode assembly (MEA). This MEA was set in a cell manufactured by Electrochem, and the MEA was evaluated by flowing a 30% aqueous methanol solution on the anode side and air on the cathode side. In the evaluation, a constant current was passed through the MEA, and the voltage at that time was measured. The measurement was performed until the current was increased successively until the voltage became 10 mV or less. The product of the current and voltage at each measurement point is the output.

実施例1の高分子電解質膜を使用したMEAは、比較例1の“ナフィオン”117(R)膜を使用したMEAより出力(mW/cm)で2.0倍、エネルギー容量(Wh)で2.9倍の値を示し、優れた特性を有していた。 The MEA using the polymer electrolyte membrane of Example 1 is 2.0 times the output (mW / cm 2 ) and the energy capacity (Wh) than the MEA using the “Nafion” 117 (R) membrane of Comparative Example 1. It showed a value of 2.9 times and had excellent characteristics.

実施例1〜2、比較例1〜3の各評価結果を表1に示す。   Each evaluation result of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 is shown in Table 1.

Figure 0004929569
Figure 0004929569

表1からも明らかなように、少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと架橋性化合物からなる本発明の実施例1および2の電解質膜は、含水状態のヘーズが30%以下であり、高プロトン伝導性を有しながら、燃料遮断性に優れていた。さらに、架橋性化合物で架橋されているため、耐溶剤性にも優れていた。   As is clear from Table 1, the electrolyte membranes of Examples 1 and 2 of the present invention comprising at least a hydrocarbon polymer having an ionic group and a crosslinkable compound have a water-containing haze of 30% or less, While having proton conductivity, it was excellent in fuel cutoff. Furthermore, since it was crosslinked with a crosslinkable compound, it was excellent in solvent resistance.

Claims (14)

少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと下記一般式(M1)で示される基を2つ以上有する架橋性化合物とから得られる高分子電解質材であって、該イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの主鎖構造が下記一般式(P1)で示される繰返し単位を有するイオン性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーから選ばれた少なくとも1種からなるものであり、該架橋性化合物は下記一般式(M1)で示される基以外の架橋性基を有さず、該高分子電解質材の含水状態のヘーズが30%以下であることを特徴とする高分子電解質材。
Figure 0004929569
(ここで、R1は水素、または任意の有機基である。)
Figure 0004929569
(ここで、Z 、Z は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表してもよい。Y は電子吸引性基を表す。Y はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0〜2の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
A polymer electrolyte material obtained from a hydrocarbon polymer having at least an ionic group and a crosslinkable compound having two or more groups represented by the following general formula (M1), the hydrocarbon system having the ionic group The main chain structure of the polymer is at least one selected from aromatic hydrocarbon polymers having an ionic group having a repeating unit represented by the following general formula (P1). A polymer electrolyte material having no crosslinkable group other than the group represented by the formula (M1) and having a water-containing haze of 30% or less.
Figure 0004929569
(Where R1 is hydrogen or any organic group.)
Figure 0004929569
(Here, Z 1 and Z 2 each represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. Y 1 represents an electron-withdrawing group. Y 2 represents O or S.) A and b each independently represents an integer of 0 to 2, provided that a and b are not 0 at the same time.)
該高分子電解質材が、50℃のN−メチルピロリドンに5時間浸漬した時の重量減が30重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質材。 2. The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the polymer electrolyte material has a weight loss of 30% by weight or less when immersed in N-methylpyrrolidone at 50 ° C. for 5 hours. 該高分子電解質材が、イオン性基を有する炭化水素系ポリマー100重量部に対し、該架橋性化合物を1〜50重量部含むものであることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質材。 The polymer electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the polymer electrolyte material contains 1 to 50 parts by weight of the crosslinkable compound with respect to 100 parts by weight of a hydrocarbon polymer having an ionic group. Wood. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基およびカルボン酸基から選ばれた少なくとも1種のイオン性基を有するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質材。 The hydrocarbon polymer having an ionic group has at least one ionic group selected from a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group. The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 3. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、少なくともスルホン酸基を有するものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質材。 The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrocarbon-based polymer having an ionic group has at least a sulfonic acid group. 該高分子電解質材のスルホン酸基密度が0.5〜3.0mmol/gであることを特徴とする請求項5に記載の高分子電解質材。 6. The polymer electrolyte material according to claim 5, wherein the polymer electrolyte material has a sulfonic acid group density of 0.5 to 3.0 mmol / g. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、非架橋ポリマーであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質材。 The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 6, wherein the hydrocarbon-based polymer having an ionic group is a non-crosslinked polymer. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、スルホニル基、オキシ基、チオ基、カルボニル基、ホスフィンオキシド基、ホスホン酸エステル基、エステル基、アミド基、イミド基およびホスファゼン基から選ばれた少なくとも1種の基を含むものであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質材。 The hydrocarbon polymer having the ionic group is at least one selected from sulfonyl group, oxy group, thio group, carbonyl group, phosphine oxide group, phosphonic acid ester group, ester group, amide group, imide group and phosphazene group. The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer electrolyte material contains a seed group. 前記一般式(M1)のRが、炭素数1〜20までのアルキル基、またはRCO基(Rは炭素数1〜20までのアルキル基を表す)であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質材。 R 1 in the general formula (M1) is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an R 2 CO group (R 2 represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms). Item 9. The polymer electrolyte material according to any one of Items 1 to 8 . 請求項1〜のいずれかに記載の高分子電解質材を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 9 . 少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと、前記一般式(M1)で示される基を有する架橋性化合物との混合物で構成される塗液を、流延後、架橋せしめる工程を経ることにより、請求項10に記載の高分子電解質膜を製造することを特徴とする高分子電解質膜の製造法。 By passing a coating liquid composed of a mixture of a hydrocarbon polymer having at least an ionic group and a crosslinkable compound having a group represented by the general formula (M1), followed by crosslinking, A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising producing the polymer electrolyte membrane according to claim 10 . 請求項1〜10のいずれかに記載の高分子電解質材あるいは高分子電解質膜を用いて構成されているものであることを特徴とする膜電極複合体。 A membrane electrode composite comprising the polymer electrolyte material or polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 . 請求項1〜10のいずれかに記載の高分子電解質材あるいは高分子電解質膜を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte material or polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 . 該高分子電解質型燃料電池が、炭素数1〜6の有機化合物、およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池であることを特徴とする請求項13に記載の高分子電解質型燃料電池。 Polymer electrolyte fuel cell, an organic compound having 1 to 6 carbon atoms, and that in claim 13, wherein at least one selected from a mixture thereof with water is a direct-type fuel cell to the fuel The polymer electrolyte fuel cell as described.
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