JP4949009B2 - Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell.

電解質は、通常、(水)溶液で用いられることが多い。しかし、近年、これを固体系に置き替えていく傾向が高まってきている。その第1の理由としては、例えば、電気・電子材料に応用する場合のプロセッシングの容易さであり、第2の理由としては、軽薄短小・省電力化への移行である。   The electrolyte is usually used in a (water) solution. However, in recent years, there is an increasing tendency to replace this with a solid system. The first reason is, for example, the ease of processing when applied to electric / electronic materials, and the second reason is the shift to light, thin, small and power saving.

従来、プロトン伝導性材料としては、無機物からなるものと有機物からなるものの両方が知られている。無機物としては、例えば水和化合物であるリン酸ウラニルが挙げられるが、これら無機化合物は界面での接触が十分でなく、伝導層を基板あるいは電極上に形成するには問題が多い。   Conventionally, as proton-conductive materials, both inorganic materials and organic materials are known. Examples of inorganic substances include uranyl phosphate, which is a hydrated compound, but these inorganic compounds do not have sufficient contact at the interface, and there are many problems in forming a conductive layer on a substrate or electrode.

一方、有機物としては、いわゆる陽イオン交換樹脂に属するポリマー、例えばポリスチレンスルホン酸等のビニル系ポリマーのスルホン化物、ナフィオン(商品名、デュポン社製)を代表とするパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマー、パーフルオロアルキルカルボン酸ポリマーや、ポリベンズイミダゾールやポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子にスルホン酸基やリン酸基を導入したポリマー等の有機系ポリマーが挙げられる(例えば、非特許文献1〜3参照)。   On the other hand, as organic substances, polymers belonging to so-called cation exchange resins, for example, sulfonated products of vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, perfluoroalkyl sulfonic acid polymers represented by Nafion (trade name, manufactured by DuPont), perfluoro Examples thereof include organic polymers such as alkylcarboxylic acid polymers and polymers obtained by introducing sulfonic acid groups or phosphoric acid groups into heat-resistant polymers such as polybenzimidazole and polyetheretherketone (for example, see Non-Patent Documents 1 to 3). ).

しかしながら、ポリスチレンスルホン酸等のスルホン化ビニルポリマーには、化学安定性(耐久性)が劣るという問題がある。パーフルオロスルホン酸電解質膜は製造が難しく、非常に高価である。このため、自動車や家庭用の燃料電池といった一般的な使用への適用が困難であり、限定された用途にしか適用できない。また、パーフルオロスルホン酸電解質膜は分子中に多量のフッ素原子を有するため、使用後の廃棄物処理における環境的な問題が大きい。ポリベンズイミダゾールまたはポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性ポリマーに、スルホン酸基またはリン酸基を導入することによって製造したポリマーも耐熱水性と耐久性が劣るという問題を有する。   However, sulfonated vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid have a problem of poor chemical stability (durability). Perfluorosulfonic acid electrolyte membranes are difficult to manufacture and are very expensive. For this reason, it is difficult to apply to general uses such as automobiles and household fuel cells, and it can be applied only to limited applications. In addition, since perfluorosulfonic acid electrolyte membranes have a large amount of fluorine atoms in the molecule, there are significant environmental problems in waste disposal after use. A polymer produced by introducing a sulfonic acid group or a phosphoric acid group into a heat-resistant polymer such as polybenzimidazole or polyetheretherketone also has a problem that it is inferior in hot water resistance and durability.

一方、スルホン化芳香族ポリマーは、低コストで工業的に製造することができ、優れた耐熱水性と耐久性を有するプロトン伝導材料として知られている。通常、スルホン化芳香族ポリマーは、芳香族化合物を重合することによってポリマーを調製し、ポリマーをスルホン化剤と反応させてスルホン酸基をポリマーに導入することによって製造される。   On the other hand, a sulfonated aromatic polymer can be produced industrially at a low cost, and is known as a proton conductive material having excellent hot water resistance and durability. Usually, sulfonated aromatic polymers are produced by preparing a polymer by polymerizing aromatic compounds and reacting the polymer with a sulfonating agent to introduce sulfonic acid groups into the polymer.

しかしながら、従来の方法には、スルホン酸を導入する際に濃硫酸、発煙硫酸、クロロ硫酸等のスルホン化剤を大量に使用するために製造危険性が高く、プラントの材料が制限され、ポリマーを回収する際の廃液処理の負担が大きいという問題がある。また、従来の方法には、ポリマーに導入されるスルホン酸基の量と導入位置を制御することが容易ではないという問題もある。   However, in the conventional method, a large amount of a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid and chlorosulfuric acid is used when introducing sulfonic acid. There is a problem that the burden of waste liquid treatment during collection is large. Further, the conventional method has a problem that it is not easy to control the amount and introduction position of the sulfonic acid group introduced into the polymer.

また、一般的に使用されるフルオロカーボン系膜(デュポン製Nafion(商品名)ならびに類似品)は高価であり、温度が80℃を超えると性能が悪化する。このため、燃料電池自動車の場合、複雑で巨大な冷却装置が必要となる。   In addition, generally used fluorocarbon-based membranes (Dupont Nafion (trade name) and similar products) are expensive, and performance deteriorates when the temperature exceeds 80 ° C. For this reason, in the case of a fuel cell vehicle, a complicated and huge cooling device is required.

これに対して、スルホン化芳香族ポリマーからなる膜は、フルオロカーボン系伝導膜と比較して、高温での使用が可能であるため、代替物として好適である。しかしながら、炭化水素系伝導膜は、本来プロトン伝導性が低いため、特に低湿度での出力特性に劣る。さらに、炭化水素系伝導膜の多くは、発電条件下で吸水により大きく膨潤し、最終的には機械的破壊や早期の燃料電池性能の低下につながる。   In contrast, a membrane made of a sulfonated aromatic polymer is suitable as an alternative because it can be used at a higher temperature than a fluorocarbon conductive membrane. However, since the hydrocarbon-based conductive membrane inherently has low proton conductivity, it is inferior in output characteristics particularly at low humidity. Furthermore, many of the hydrocarbon-based conductive membranes swell greatly due to water absorption under power generation conditions, eventually leading to mechanical breakdown and early deterioration of fuel cell performance.

ところで、プロトン伝導膜として使用される固体高分子電解質の性能を改善するために、従来から多くの試みがなされてきた。例えば、プロトン伝導性重合体と不活性成分とをブレンドすると、膜の機械的安定性及び化学的安定性が向上するが、通常、膜のプロトン伝導性が低下する。あるいは、高分子電解質構造に、過度の膨潤に対して耐性を有する堅固な疎水性単位を導入することや、強酸性イオン基によって高いプロトン伝導性が得られることも知られている。   Many attempts have been made to improve the performance of solid polymer electrolytes used as proton conducting membranes. For example, blending a proton conducting polymer and an inert component improves the mechanical and chemical stability of the membrane, but usually reduces the proton conductivity of the membrane. Alternatively, it is also known that a rigid hydrophobic unit having resistance to excessive swelling is introduced into the polymer electrolyte structure, and that high proton conductivity is obtained by a strong acidic ionic group.

例えば、特許文献1には、スルホニル基、ホスホリル基、及びカルボキシル基よりなる群から選ばれる少なくとも1種のペンダントイオン基によって、少なくとも部分的に官能化された疎水性主鎖を有する(m−フェニレン)共重合体からなる固体高分子電解質が開示されている。具体的には、下記一般式で表される固体高分子電解質が開示されている。

Figure 0004949009
[上記式中、R〜Rは、水素、アリール、オキシアリール、チオアリール、スルホンアリール、カルボニルアリール、オキシアリーロキシアリール、ヒドロキシ、またはイオン解離性基を示す。] For example, Patent Document 1 has a hydrophobic main chain that is at least partially functionalized with at least one pendant ion group selected from the group consisting of a sulfonyl group, a phosphoryl group, and a carboxyl group (m-phenylene). ) A solid polymer electrolyte comprising a copolymer is disclosed. Specifically, a solid polymer electrolyte represented by the following general formula is disclosed.
Figure 0004949009
[Wherein R 1 to R 8 represent hydrogen, aryl, oxyaryl, thioaryl, sulfonearyl, carbonylaryl, oxyaryloxyaryl, hydroxy, or an ion dissociable group. ]

この特許文献1によれば、メタ(フェニレン)単位にスルホン酸を有する官能性重合体が、高いプロトン伝導性を示すことが提案されている。しかしながら、上記重合体は、疎水性ポリマー前駆体を後スルホン化することで得られるものであり、後スルホン化は制御が難しく、環境的にも好ましくない。さらには、活性の高いスルホン化剤の働きにより、重合体の劣化反応や機械的物性の低下が生じることもある。
国際公開第97/11099号パンフレット Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.7,pp.2490−2492(1993) Polymer Preprints,Japan,Vol.43,No.3,pp.735−736(1994) Polymer Preprints,Japan,Vol.42,No.3,p.730(1993)
According to Patent Document 1, it is proposed that a functional polymer having a sulfonic acid in a meta (phenylene) unit exhibits high proton conductivity. However, the above polymer is obtained by post-sulfonating a hydrophobic polymer precursor, and post-sulfonation is difficult to control and is not environmentally preferable. Further, the action of a highly active sulfonating agent may cause a deterioration reaction of the polymer and a decrease in mechanical properties.
International Publication No. 97/11099 Pamphlet Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 7, pp. 2490-2492 (1993) Polymer Preprints, Japan, Vol. 43, no. 3, pp. 735-736 (1994) Polymer Preprints, Japan, Vol. 42, no. 3, p. 730 (1993)

従って、本発明の目的は、環境に悪影響を与えることなく、プロトン伝導膜として用いられる固体高分子電解質の特性を向上させることにより、特に低湿度環境下におけるプロトン伝導性に優れた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to improve the properties of the solid polymer electrolyte used as the proton conductive membrane without adversely affecting the environment, thereby improving the solid polymer type excellent in proton conductivity particularly in a low humidity environment. The object is to provide a membrane-electrode structure for a fuel cell.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、ある特定の繰り返し構造単位を含むポリアリーレンをプロトン伝導膜として用いた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体によれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。   The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, it has been found that according to the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell using a polyarylene containing a specific repeating structural unit as a proton conducting membrane, the above problems can be solved, and the present invention is completed. It came. More specifically, the present invention provides the following.

(1) プロトン伝導膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を設けた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、前記プロトン伝導膜は、下記式(1’)で表される繰り返し構造単位を含む固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。

Figure 0004949009
[式(1’)中、Wは、水素原子、芳香族基、または−B−(SOH)(ここで、Bは直接結合または芳香族基を示し、mは0〜2の整数である)で表される基を示す。Aは直接結合または芳香族基を示し、kは1〜3の整数である。Aが直接結合の場合、前記プロトン伝導膜は、下記式(1’a)または(1’b)で表される。
Figure 0004949009
[式(1’a)及び(1’b)中のW、A、kは前記式(1’)と同じである。]] (1) In a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell in which an anode electrode is provided on one side of a proton conducting membrane and a cathode electrode is provided on the other side, the proton conducting membrane is represented by the following formula (1 ′). A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell comprising a repeating structural unit represented.
Figure 0004949009
[In Formula (1 ′), W represents a hydrogen atom, an aromatic group, or —B— (SO 3 H) m (where B represents a direct bond or an aromatic group, and m represents an integer of 0 to 2). Is a group represented by: A represents a direct bond or an aromatic group, and k is an integer of 1 to 3. When A is a direct bond, the proton conductive membrane is represented by the following formula (1′a) or (1′b).
Figure 0004949009
[W, A, and k in Formulas (1′a) and (1′b) are the same as those in Formula (1 ′). ]]

(2) 前記プロトン伝導膜は、前記式(1’b)または下記式(1’c)で表され、Aが直接結合の場合、前記プロトン伝導膜は、前記式(1’b)で表される(1)記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。

Figure 0004949009
[式(1’c)中のW、A、kは前記式(1’)と同じである。] (2) The proton conducting membrane is represented by the formula (1′b) or the following formula (1′c), and when A is a direct bond, the proton conducting membrane is represented by the formula (1′b). The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to (1).
Figure 0004949009
[W, A, and k in Formula (1′c) are the same as in Formula (1 ′). ]

(3) 前記式(1’)中のA及びBが、それぞれ独立に、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、またはフェナントレニル基である(1)または(2)記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。   (3) The solid polymer type according to (1) or (2), wherein A and B in the formula (1 ′) are each independently a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, or a phenanthrenyl group. A membrane-electrode structure for a fuel cell.

(4) 前記式(1’)中のAとBとが結合することにより、ナフタレニル、アントラセニル、フェナントレニル、またはこれらのベンゾ誘導体よりなる縮合環構造を形成している(1)から(3)いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。   (4) A and B in the formula (1 ′) are combined to form a condensed ring structure composed of naphthalenyl, anthracenyl, phenanthrenyl, or a benzo derivative thereof (1) to (3) A membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell as described above.

(5) 前記式(1’)で表される繰り返し構造単位を0.5モル%以上100モル%未満と、下記式(A’)で表される繰り返し構造単位を0モル%より多く99.5モル%以下と、を含有する(1)から(4)いずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。

Figure 0004949009
[上記式(A’)中、A及びDは、それぞれ独立して、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(pは1〜10の整数である)、−(CH−(pは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基である)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる2価の基である。Bは、酸素原子または硫黄原子であり、RからR16は、同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、部分的または完全にハロゲン置換されたハロゲン化アルキル基、アリール基、アリル基、ニトロ基、及びニトリル基よりなる郡から選ばれる少なくとも1種の原子または基である。s及びtはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、rは0または正の整数である。] (5) 0.5 to 100 mol% of the repeating structural unit represented by the formula (1 ′) and more than 0 mol% of the repeating structural unit represented by the following formula (A ′) The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of (1) to (4), containing 5 mol% or less.
Figure 0004949009
[In the above formula (A ′), A and D are each independently a direct bond, or —CO—, —SO—, —SO 2 —, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ). p - (p is an integer of 1 to 10), - (CH 2) p - (p is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic A divalent group selected from the group consisting of a hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-. B is an oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16 may be the same or different, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a partially or completely halogen-substituted halogenated alkyl group, an aryl It is at least one atom or group selected from the group consisting of a group, an allyl group, a nitro group, and a nitrile group. s and t are each independently an integer of 0 to 4, and r is 0 or a positive integer. ]

本発明によれば、特定の構造単位を有するポリアリーレンを用いることにより、特に低湿度環境下におけるプロトン伝導性が改善され、広範囲な加湿条件で発電性能に優れた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体が得られる。   According to the present invention, by using polyarylene having a specific structural unit, proton conductivity is improved particularly in a low humidity environment, and the membrane for a polymer electrolyte fuel cell having excellent power generation performance under a wide range of humidification conditions An electrode structure is obtained.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
<芳香族スルホン酸エステル誘導体>
本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体のプロトン伝導膜として用いられるポリアリーレンを誘導する芳香族スルホン酸エステル誘導体は、下記一般式(1)で表される。

Figure 0004949009
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
<Aromatic sulfonic acid ester derivative>
An aromatic sulfonic acid ester derivative that induces polyarylene used as a proton conducting membrane of a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is represented by the following general formula (1).
Figure 0004949009

上記式(1)中、X及びYは同一でも異なっていてもよく、それぞれフッ素原子を除くハロゲン原子、−OSOCH、及び−OSOCFよりなる群から選ばれる原子または基を示す。Aは、直接結合または芳香族基を示し、kは1〜3の整数である。Aで示される基が芳香族基である場合、この芳香族基は2価の芳香族炭化水素基であり、具体的には特に限定されないが、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基及びフェナントラセニル基が挙げられる。これらのうち、フェニル基及びナフチル基が好ましい。このような基であると、高分子量の重合体が得やすく、また得られる重合体の溶解性が優れる。なお、Aが直接結合の場合、Yは−A−(SOに対してオルト位以外となる。Rは炭素数1〜20の炭化水素基を示す。Wは水素原子、芳香族基、または−B−(SO(ここで、Bは直接結合または芳香族基を示し、Rは炭素数1〜20の炭化水素基、mは0〜2の整数である)で表される基を示し、特に−B−(SOであることが好ましい。 In the above formula (1), X and Y may be the same or different and each represents an atom or group selected from the group consisting of a halogen atom excluding a fluorine atom, —OSO 2 CH 3 , and —OSO 2 CF 3. . A represents a direct bond or an aromatic group, and k is an integer of 1 to 3. When the group represented by A is an aromatic group, this aromatic group is a divalent aromatic hydrocarbon group, and is not particularly limited, but includes a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, and A phenanthracenyl group may be mentioned. Of these, a phenyl group and a naphthyl group are preferred. With such a group, it is easy to obtain a high molecular weight polymer, and the solubility of the resulting polymer is excellent. When A is a direct bond, Y is other than the ortho position with respect to -A- (SO 3 R a ) k . Ra represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms. W represents a hydrogen atom, an aromatic group, or —B— (SO 3 R b ) m (where B represents a direct bond or an aromatic group, R b represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, and m represents Which is an integer of 0 to 2), particularly —B— (SO 3 R b ) m .

上記式(1)において、R及びRは同一でも異なっていてもよく、炭素数1〜20の炭化水素基を示し、好ましくは炭素数4〜20の炭化水素基である。具体的にはtert−ブチル基、iso−ブチル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、ネオペンチル基、シクロペンチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチル基、アダマンチルメチル基、2−エチルヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチルメチル基、テトラヒドロフルフリル基、2−メチルブチル基、3,3−ジメチル−2,4−ジオキソランメチル基等の直鎖状炭化水素基、分岐状炭化水素基、脂環式炭化水素基、または5員複素環を有する炭化水素基等が挙げられる。これらのうち、n−ブチル基、ネオペンチル基、テトラヒドロフルフリル基、シクロペンチルメチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、アダマンチルメチル基、及びビシクロ[2、2、1]ヘプチルメチル基が好ましく、ネオペンチル基が最も好ましい。 In the above formula (1), R a and R b may be the same or different and represent a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably a hydrocarbon group having 4 to 20 carbon atoms. Specifically, tert-butyl group, iso-butyl group, n-butyl group, sec-butyl group, neopentyl group, cyclopentyl group, hexyl group, cyclohexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, adamantylmethyl group 2-ethylhexyl group, bicyclo [2.2.1] heptyl group, bicyclo [2.2.1] heptylmethyl group, tetrahydrofurfuryl group, 2-methylbutyl group, 3,3-dimethyl-2,4-dioxolane Examples thereof include a linear hydrocarbon group such as a methyl group, a branched hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, or a hydrocarbon group having a 5-membered heterocyclic ring. Among these, n-butyl group, neopentyl group, tetrahydrofurfuryl group, cyclopentylmethyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclohexylmethyl group, adamantylmethyl group, and bicyclo [2,2,1] heptylmethyl group are preferable, Neopentyl groups are most preferred.

上記式(1)におけるR及びRは、上記芳香族スルホン酸エステル誘導体を合成する際に使用する第1アルコールに由来する。この第1アルコールのβ−炭素は、3級または4級炭素原子であることが好ましい。この場合、炭素原子は重合工程において優れた安定性を有し、重合を阻害したり、脱エステル化により発生したスルホン酸による架橋反応を誘発することもない。好ましい態様は、R及びRが、4級β−炭素原子を有する第1アルコールに由来するものである。 R a and R b in the above formula (1) are derived from the first alcohol used when synthesizing the aromatic sulfonate derivative. The β-carbon of the primary alcohol is preferably a tertiary or quaternary carbon atom. In this case, the carbon atom has excellent stability in the polymerization step, and does not inhibit the polymerization or induce a crosslinking reaction by the sulfonic acid generated by deesterification. A preferred embodiment is one in which R a and R b are derived from a primary alcohol having a quaternary β-carbon atom.

上述の通り、上記式(1)中のA及びBは、それぞれ独立して、直接結合または芳香族基を示すが、好ましくは、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、またはフェナントレニル基である。さらには、AとBとが結合することにより、ナフタレニル、アントラセニル、フェナントレニル、またはこれらのベンゾ誘導体よりなる縮合環構造を形成していることが好ましい。   As described above, A and B in the above formula (1) each independently represent a direct bond or an aromatic group, preferably a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, or a phenanthrenyl group. is there. Furthermore, it is preferable that A and B are combined to form a condensed ring structure composed of naphthalenyl, anthracenyl, phenanthrenyl, or a benzo derivative thereof.

Yが、Xに対してメタ位もしくはパラ位であることが好ましい。この位(即ち、オルト位以外)に置換基を有する芳香族スルホン酸エステル誘導体を用いて固体高分子電解質を作製すると、高分子量の重合体が得やすく、このような固体高分子電解質を含有するプロトン伝導膜は優れた機械的強度を示す。上記芳香族スルホン酸エステル誘導体の具体例としては、以下に示される新規な重合性化合物が挙げられる。

Figure 0004949009
Y is preferably meta or para to X. When a solid polymer electrolyte is prepared using an aromatic sulfonic acid ester derivative having a substituent at this position (that is, other than the ortho position), a polymer having a high molecular weight can be easily obtained and contains such a solid polymer electrolyte. The proton conducting membrane exhibits excellent mechanical strength. Specific examples of the aromatic sulfonic acid ester derivative include the following novel polymerizable compounds.
Figure 0004949009

上記の各式中のX及びYは、前記した通りである。また、RはRであり、炭素数1〜20の炭化水素基を示す。 X and Y in the above formulas are as described above. Further, R is R a, represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms.

本発明で用いられる芳香族スルホン酸エステル誘導体は、従来公知の方法で合成することができる。例えば、所望の骨格を有するスルホネルクロライド化合物をエステル交換することによって、合成することができる。また、特開平2004−137444号公報に開示された方法で合成することができる。具体的には、下記の化学反応式に示されるように、(I)スルホン化、(II)スルホン酸クロライド化、(III)スルホン酸エステル化を経ることにより合成できる。

Figure 0004949009
The aromatic sulfonic acid ester derivative used in the present invention can be synthesized by a conventionally known method. For example, it can be synthesized by transesterifying a sulfone chloride compound having a desired skeleton. Moreover, it is compoundable by the method disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-137444. Specifically, as shown in the chemical reaction formula below, the compound can be synthesized through (I) sulfonation, (II) sulfonic acid chloride formation, and (III) sulfonic acid esterification.
Figure 0004949009

(I)スルホン化
例えば、2,5−ジクロロビフェニルを硫酸に滴下して反応させた後、苛性ソーダを加えて、必要に応じて水洗、乾燥させることにより、微粉のスルホン酸ナトリウム塩が得られる。
(I) Sulfonation For example, after 2,5-dichlorobiphenyl is dropped and reacted with sulfuric acid, caustic soda is added, and if necessary, washed with water and dried to obtain a finely powdered sodium sulfonate salt.

(II)スルホン酸クロライド化
上記スルホン酸ナトリウムを、溶媒(スルホラン/アセトニトリル混合溶媒)中に溶解ないし懸濁させ、70℃に加温し、塩化ホスホリルを反応させる。反応後、大過剰の冷水で希釈した後、溶媒抽出して硫酸マグネシウムで脱水し、次いで溶媒を除去することにより精製物が得られる。なお、クロロスルホン酸を用いれば、一挙にスルホン化クロリドに転換できる。
(II) Sulfonic Acid Chloride The above sodium sulfonate is dissolved or suspended in a solvent (sulfolane / acetonitrile mixed solvent), heated to 70 ° C., and phosphoryl chloride is reacted. After the reaction, the reaction product is diluted with a large excess of cold water, extracted with a solvent, dehydrated with magnesium sulfate, and then the solvent is removed to obtain a purified product. If chlorosulfonic acid is used, it can be converted to sulfonated chloride at once.

(III)スルホン酸エステル化
上記スルホン酸クロライドに対して等量以上(通常1〜3倍モル)のi−ブチルアルコールとピリジンとを冷却した混合溶液に、上記スルホン酸クロライドを滴下して反応させる。反応は〜20℃までに抑える。反応時間は反応スケールにもよるが10分〜5時間程度である。反応混合液を希塩酸処理、水洗した後、酢酸エチルで目的物を抽出する。抽出液を濃縮分離後、メタノールで再結晶することにより、本発明で用いられる芳香族スルホン酸エステル誘導体が得られる。
(III) Sulfonic acid esterification The above sulfonic acid chloride is dropped and reacted in a mixed solution in which equal amount or more (usually 1 to 3 moles) of i-butyl alcohol and pyridine are cooled with respect to the sulfonic acid chloride. . The reaction is limited to ~ 20 ° C. The reaction time is about 10 minutes to 5 hours depending on the reaction scale. The reaction mixture is treated with dilute hydrochloric acid, washed with water, and the desired product is extracted with ethyl acetate. The extract is concentrated and separated, and then recrystallized with methanol to obtain the aromatic sulfonic acid ester derivative used in the present invention.

<ポリアリーレン>
本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体のプロトン伝導膜として用いられるポリアリーレンは、芳香族化合物に由来する繰り返し構造単位からなるポリアリーレンであって、下記式(1’)で表される繰り返し構造単位を有する。

Figure 0004949009
[上記式(1’)中、W、A、kは、上記式(1)と同様である。] <Polyarylene>
The polyarylene used as the proton conducting membrane of the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a polyarylene composed of repeating structural units derived from an aromatic compound, and is represented by the following formula (1 ′) It has the repeating structural unit represented by these.
Figure 0004949009
[W, A, k in the above formula (1 ′) are the same as in the above formula (1). ]

上記式(1’)中のAが直接結合の場合、ポリアリーレンは、下記式(1’a)または(1’b)で表される。

Figure 0004949009
[式(1’a)及び(1’b)中のW、A、kは上記式(1’)と同じである。] When A in the formula (1 ′) is a direct bond, the polyarylene is represented by the following formula (1′a) or (1′b).
Figure 0004949009
[W, A, and k in Formulas (1′a) and (1′b) are the same as those in Formula (1 ′) above. ]

また、ポリアリーレンは、上記式(1’b)または下記式(1’c)で表され、Aが直接結合の場合、上記式(1’b)で表されることが好ましい。

Figure 0004949009
[式(1’c)中のW、A、kは上記式(1’)と同じである。] The polyarylene is represented by the above formula (1′b) or the following formula (1′c), and when A is a direct bond, it is preferably represented by the above formula (1′b).
Figure 0004949009
[W, A, and k in Formula (1′c) are the same as in Formula (1 ′) above. ]

本発明で用いられるポリアリーレンは、上記式(1’)で表される繰り返し構造単位とともに、下記式(A’)で表される繰り返し構造単位を含むことが望ましい。このような重合体成分を含んでいると、電解質の強度、耐薬品性を向上させることができる。

Figure 0004949009
The polyarylene used in the present invention preferably contains a repeating structural unit represented by the following formula (A ′) together with a repeating structural unit represented by the above formula (1 ′). When such a polymer component is contained, the strength and chemical resistance of the electrolyte can be improved.
Figure 0004949009

上記式(A’)において、A及びDは、それぞれ独立して、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(pは1〜10の整数である)、−(CH−(pは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基である)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる2価の基である。ここで、−CR’−で表される構造の具体的な例として、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、プロピル基、オクチル基、デシル基、オクタデシル基、フェニル基、トリフルオロメチル基等が挙げられる。これらのうち、直接結合、−CO−、−SO−、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、及び−O−が好ましい。 In the above formula (A ′), A and D are each independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) p. - (p is an integer of 1 to 10), - (CH 2) p - (p is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon A divalent group selected from the group consisting of a hydrogen group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-. Here, specific examples of the structure represented by —CR ′ 2 — include methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, propyl group, octyl group, decyl group. Group, octadecyl group, phenyl group, trifluoromethyl group and the like. Among these, a direct bond, —CO—, —SO 2 —, —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene Group, fluorenylidene group, and -O- are preferred.

Bは、酸素原子または硫黄原子であり、好ましくは酸素原子である。R〜R16は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、一部または全てがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、及びニトリル基よりなる群から選ばれる少なくとも1種の原子または基を示す。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基等が挙げられる。ハロゲン化アルキル基としては、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基等が挙げられる。アリル基としては、プロペニル基等が挙げられ、アリール基としては、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基等が挙げられる。 B is an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom. R 1 to R 16 may be the same as or different from each other, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile. At least one atom or group selected from the group consisting of groups is shown. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, an amyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, and an octyl group. Examples of the halogenated alkyl group include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a perfluoropropyl group, a perfluorobutyl group, a perfluoropentyl group, and a perfluorohexyl group. Examples of the allyl group include a propenyl group, and examples of the aryl group include a phenyl group and a pentafluorophenyl group.

s及びtは、それぞれ独立して0〜4の整数を示す。rは0または1以上の整数を示し、上限は通常100である。好ましいrは、1〜80である。s、tの値と、A、B、D、R〜R16の構造についての好ましい組み合わせとしては、(i)s=1、t=1であり、Aが−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、またはフルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−、または−SO−であり、R〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、(ii)s=1、t=0であり、Bが酸素原子であり、Dが−CO−、または−SO−であり、R〜R16が水素原子またはフッ素原子である構造、(iii)s=0、t=1であり、Aが−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、またはフルオレニリデン基であり、Bが酸素原子であり、R〜R16が水素原子、フッ素原子、またはニトリル基である構造が挙げられる。 s and t each independently represent an integer of 0 to 4. r represents 0 or an integer of 1 or more, and the upper limit is usually 100. Preferred r is 1-80. Preferred combinations of the values of s and t and the structures of A, B, D and R 1 to R 16 include (i) s = 1 and t = 1, and A is —CR ′ 2 — (R ′ Represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, or a fluorenylidene group, B is an oxygen atom, D is -CO-, or -SO 2- , a structure in which R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom, (ii) s = 1, t = 0, B is an oxygen atom, D is —CO—, or —SO 2 A structure in which R 1 to R 16 are a hydrogen atom or a fluorine atom, (iii) s = 0, t = 1, A is —CR ′ 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, aromatic Group hydrocarbon group or halogenated hydrocarbon group), cyclohexylidene group, A fluorenylidene group, B is an oxygen atom, R 1 to R 16 is a hydrogen atom, a fluorine atom or a structure like a nitrile group.

このようなポリアリーレンとしては、下記式(I)で表される共重合体が挙げられる。

Figure 0004949009
[上記式(I)中、W、A、R、k、D、B、R〜R16、s、t、rは、上記と同様である。] Examples of such polyarylene include a copolymer represented by the following formula (I).
Figure 0004949009
[W, A, R a , k, D, B, R 1 to R 16 , s, t, and r in the above formula (I) are the same as above. ]

上記共重合体は、上記式(1’)で表される繰り返し構造単位(即ち、yのユニット)を0.5モル%以上100モル%未満、上記式(A’)で表される繰り返し構造単位(即ち、xのユニット)を0モル%より多く99.5モル%以下の比率で含有することが好ましい。より好ましくは、上記式(1’)で表される繰り返し構造単位を10モル%〜99.999モル%、上記式(A’)で表される繰り返し構造単位を0.001〜90モル%の割合で含有することが望ましい。   In the copolymer, the repeating structural unit represented by the above formula (1 ′) (that is, the y unit) is 0.5 mol% or more and less than 100 mol%, and the repeating structure represented by the above formula (A ′). It is preferable to contain a unit (that is, a unit of x) in a ratio of more than 0 mol% and not more than 99.5 mol%. More preferably, the repeating structural unit represented by the formula (1 ′) is 10 mol% to 99.999 mol%, and the repeating structural unit represented by the formula (A ′) is 0.001 to 90 mol%. It is desirable to contain it in a proportion.

本発明で用いられるポリアリーレンは、下記式(II)で表されるように、SOの一部または全部が加水分解されてスルホン酸となっていても良い。

Figure 0004949009
[上記式(II)中、W、A、k、D、B、R〜R16、s、t、rは上記と同様である。] Polyarylene used in the present invention, as represented by the following formula (II), SO 3 part of R a or all may be a hydrolyzed to sulfonic acid.
Figure 0004949009
[W, A, k, D, B, R 1 to R 16 , s, t, and r in the above formula (II) are the same as above. ]

<ポリアリーレンの製造方法>
本発明で用いられるポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法を用いることができる。
<Method for producing polyarylene>
For production of the polyarylene used in the present invention, for example, Method A shown below can be used.

[A法]
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記式(1’)で表される繰り返し構造単位となり得るスルホン酸エステル基を有するモノマー(即ち、上記式(1)の芳香族スルホン酸エステル誘導体)と、上記式(A’)で表される繰り返し構造単位となり得るモノマーまたはオリゴマーと、を共重合させることにより、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを合成することができる。また、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより、スルホン酸基を有するポリアリーレンを合成することができる。
[Method A]
For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a repeating structural unit represented by the above formula (1 ′) (that is, an aromatic sulfonic acid of the above formula (1) The polyarylene having a sulfonate group can be synthesized by copolymerizing an ester derivative) and a monomer or oligomer that can be a repeating structural unit represented by the above formula (A ′). Also, polyarylene having a sulfonic acid group can be synthesized by deesterifying the sulfonic acid ester group to convert the sulfonic acid ester group into a sulfonic acid group.

[B法]
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記式(1’)で表される骨格を有し、スルホン酸基やスルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記式(A’)で表される構造単位となり得るモノマーまたはオリゴマーと、を共重合させ、この共重合体をスルホン化剤を用いてスルホン化することにより合成することもできる。
[Method B]
For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the above formula (1 ′) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and the above formula (A ′) It is also possible to synthesize by copolymerizing a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the formula (I) and sulfonating the copolymer using a sulfonating agent.

上記式(A’)で表される構造単位となり得るモノマーまたはオリゴマーの具体例は次の通りである。
[r=0の場合]
例えば、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンズアニリド、2,2−ビス(4−クロロフェニル)ジフルオロメタン、2,2−ビス(4−クロロフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン、4−クロロ安息香酸−4−クロロフェニルエステル、ビス(4−クロロフェニル)スルホキシド、ビス(4−クロロフェニル)スルホン、2,6−ジクロロベンゾニトリルが挙げられる。また、これらの化合物における塩素原子が、臭素原子またはヨウ素原子に置換された化合物等が挙げられる。
Specific examples of the monomer or oligomer that can be the structural unit represented by the above formula (A ′) are as follows.
[When r = 0]
For example, 4,4′-dichlorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzanilide, 2,2-bis (4-chlorophenyl) difluoromethane, 2,2-bis (4-chlorophenyl) -1,1,1,3 , 3,3-hexafluoropropane, 4-chlorobenzoic acid-4-chlorophenyl ester, bis (4-chlorophenyl) sulfoxide, bis (4-chlorophenyl) sulfone, and 2,6-dichlorobenzonitrile. Moreover, the compound etc. with which the chlorine atom in these compounds was substituted by the bromine atom or the iodine atom are mentioned.

[r=1の場合]
例えば、特開2003−113136号公報に記載の化合物が挙げられる。
[When r = 1]
For example, the compounds described in JP2003-113136A can be mentioned.

[r≧2の場合]
例えば、特開2004−137444号公報、特開2004−244517号公報、特開2004−346146号公報、特開2005−112985号公報、特願2003−348524、特願2004−211739、及び特願2004−211740に記載の化合物が挙げられる。
[When r ≧ 2]
For example, JP 2004-137444 A, JP 2004-244517 A, JP 2004-346146 A, JP 2005-112985 A, Japanese Patent Application 2003-348524, Japanese Patent Application 2004-211739, and Japanese Patent Application 2004. The compounds described in -211740.

本発明で用いられるポリアリーレンを得るためには、先ず、上記式(1’)で表される構造単位となり得るモノマーと、上記式(A’)で表される構造単位となり得るモノマーまたはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系である。この触媒系としては、遷移金属塩及び配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)と、還元剤と、を必須成分とし、さらに重合速度を上げるために「塩」が添加されたものであってもよい。   In order to obtain polyarylene used in the present invention, first, a monomer that can be a structural unit represented by the above formula (1 ′), and a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the above formula (A ′) To obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used here is a catalyst system containing a transition metal compound. The catalyst system includes a transition metal salt and a compound that becomes a ligand (hereinafter referred to as “ligand component”), a transition metal complex in which a ligand is coordinated (including a copper salt), and a reducing agent. And an essential component, and a salt added to increase the polymerization rate.

これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載された重合条件が挙げられる。   Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the reaction solvent, concentration, temperature, time, and other polymerization conditions include the polymerization conditions described in JP-A-2001-342241.

本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記前駆体のポリアリーレンをスルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法が挙げられる。
(A法)前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(B法)前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(C法)前駆体のポリアリーレンに、特開2005−60625号公報に記載の方法でアルキルスルホン酸基を導入する方法。
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention can be obtained by converting the precursor polyarylene to a polyarylene having a sulfonic acid group. Examples of this method include the following three methods.
(Method A) A method of deesterifying a polyarylene having a sulfonic acid ester group as a precursor by the method described in JP-A-2004-137444.
(Method B) A method of sulfonating a precursor polyarylene by the method described in JP-A-2001-342241.
(Method C) A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene by the method described in JP-A-2005-60625.

上記のような方法により製造されるスルホン酸基を有するポリアリーレンのイオン交換容量は、通常、0.3〜5meq/gであり、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く、発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがある。   The ion exchange capacity of the polyarylene having a sulfonic acid group produced by the method as described above is usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably 0.8. ~ 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered.

上記スルホン酸基を有するポリアリーレンを誘導するのに用いられる芳香族スルホン酸誘導体の量は、上記モノマーの量、種類、及び組み合わせを変えることにより、あるいは、繰り返し構造単位を形成するポリアリーレンの量、種類、及び組み合わせを変えることにより調整することができる。   The amount of the aromatic sulfonic acid derivative used to derive the polyarylene having the sulfonic acid group is changed by changing the amount, type, and combination of the monomers, or the amount of the polyarylene forming the repeating structural unit. It can be adjusted by changing the type and combination.

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算の質量平均分子量で、1万〜100万であり、好ましくは2万〜80万である。   The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-reduced mass average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC). is there.

なお、上記スルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記芳香族スルホン酸エステル誘導体をポリアリーレン中に導入した後、対応するスルホン酸エステルを加水分解してスルホン酸基とすることによっても得られる。   The polyarylene having the sulfonic acid group can also be obtained by introducing the aromatic sulfonic acid ester derivative into the polyarylene and then hydrolyzing the corresponding sulfonic acid ester to form a sulfonic acid group.

<固体高分子電解質>
本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体のプロトン伝導膜の調製に用いられる固体高分子電解質は、上記のポリアリーレンを含有する。本発明で用いられる固体高分子電解質は、プロトン伝導性を損なわない範囲で、フェノール性水酸基含有化合物、アミン系化合物、有機リン化合物、有機イオウ化合物等の酸化防止剤等を含んでもよい。本発明で用いられる固体高分子電解質は、用途に応じて、粒状、繊維状、膜状等の種々の形状で用いることができるが、直接、固体高分子型燃料電池に用いる場合には、その形状を膜状(プロトン伝導膜)とすることが望ましい。
<Solid polymer electrolyte>
The solid polymer electrolyte used for the preparation of the proton conducting membrane of the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention contains the above polyarylene. The solid polymer electrolyte used in the present invention may contain an antioxidant such as a phenolic hydroxyl group-containing compound, an amine compound, an organic phosphorus compound, or an organic sulfur compound as long as proton conductivity is not impaired. The solid polymer electrolyte used in the present invention can be used in various shapes such as a granular shape, a fiber shape, and a membrane shape depending on the application, but when used directly in a solid polymer fuel cell, The shape is preferably a membrane (proton conducting membrane).

<プロトン伝導膜>
本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体に備えられるプロトン伝導膜は、上記固体高分子電解質を溶媒に溶解して溶液とした後、基材上にキャスティングして膜を形成するか、または流延法により製造することができる。ここで使用する基材は、特に制限されず、通常の溶媒キャスティング法に用いられる基材から選択することができる。基材の例としては、プラスチック製基材及び金属製基材が挙げられる。ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の熱可塑性樹脂からなる基材が好ましく使用される。
<Proton conducting membrane>
The proton conducting membrane included in the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is formed by dissolving the solid polymer electrolyte in a solvent to form a solution, and then casting on the substrate. Or can be produced by casting. The base material used here is not particularly limited, and can be selected from base materials used in ordinary solvent casting methods. Examples of the substrate include a plastic substrate and a metal substrate. A substrate made of a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film is preferably used.

プロトン伝導膜の製造において、上記ポリアリーレンとともに、硫酸及びリン酸等の無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水等も併用することができる。   In the production of the proton conductive membrane, an inorganic acid such as sulfuric acid and phosphoric acid, an organic acid containing a carboxylic acid, an appropriate amount of water, and the like can be used in combination with the polyarylene.

上記ポリアリーレンを溶解させる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルウレア、及びジメチルイミダゾリジノン(DMI)等の非プロトン性極性溶媒が挙げられる。特に、溶解性及び溶液粘度の点から、N−メチル−2−ピロリドンが好ましい。これら非プロトン性極性溶媒は、単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせで用いてもよい。   Solvents for dissolving the polyarylene include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dimethylurea, and dimethylimidazolidinone (DMI). And aprotic polar solvents such as In particular, N-methyl-2-pyrrolidone is preferable from the viewpoint of solubility and solution viscosity. These aprotic polar solvents may be used alone or in combination of two or more.

上記溶媒は、上記の非プロトン性極性溶媒とアルコールとの混合物であってもよい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、及びtert−ブチルアルコールが挙げられる。特に、広い共重合体組成にわたって適度な低溶液粘度が得られる点で、メタノールが好ましい。これらアルコールは、単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせで用いてもよい。   The solvent may be a mixture of the above aprotic polar solvent and alcohol. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propyl alcohol, isopropyl alcohol, sec-butyl alcohol, and tert-butyl alcohol. In particular, methanol is preferable in that an appropriate low solution viscosity can be obtained over a wide copolymer composition. These alcohols may be used alone or in combination of two or more.

上記混合溶媒は、非プロトン性極性溶媒を25〜95質量%、好ましくは25〜90質量%の量で含有し、アルコールを5〜75質量%、好ましくは10〜75質量%の量で含有する。この割合でアルコールを含有することにより、適度な低溶液粘度が得られる。   The mixed solvent contains an aprotic polar solvent in an amount of 25 to 95% by mass, preferably 25 to 90% by mass, and an alcohol in an amount of 5 to 75% by mass, preferably 10 to 75% by mass. . By containing alcohol at this ratio, an appropriate low solution viscosity can be obtained.

溶液中のポリアリーレンの濃度(即ち、ポリマー濃度)は、ポリアリーレンの分子量にもよるが、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。ポリマー濃度が5質量%未満の場合、厚膜の製造が困難であり、また、ピンホールが発生しやすい。一方、ポリマー濃度が40質量%を超えると、溶液粘度が高過ぎて膜の製造が困難になり、また、得られる膜の表面平滑性が低下する場合がある。   The concentration of polyarylene in the solution (that is, the polymer concentration) is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass, although it depends on the molecular weight of the polyarylene. When the polymer concentration is less than 5% by mass, it is difficult to produce a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if the polymer concentration exceeds 40% by mass, the solution viscosity is too high, making it difficult to produce a film, and the surface smoothness of the resulting film may be reduced.

なお、溶液粘度は、ポリアリーレンの分子量やポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。溶液粘度が2,000mPa・s未満では、溶液の滞留性が悪く、成膜中に基体から流れてしまうことがある。一方、溶液粘度が100,000mPa・sを超えると、粘度が高過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。   The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight and polymer concentration of polyarylene. When the solution viscosity is less than 2,000 mPa · s, the solution stays poorly and may flow from the substrate during film formation. On the other hand, when the solution viscosity exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die, and it may be difficult to form a film by the casting method.

上記のようにして得られた未乾燥フィルムを水に浸漬することにより、未乾燥フィルム中の有機溶剤が水と置換され、得られるプロトン伝導膜の残留溶媒量を低減することができる。なお、未乾燥フィルムを水へ浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。   By immersing the undried film obtained as described above in water, the organic solvent in the undried film is replaced with water, and the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane can be reduced. In addition, you may predry an undried film before immersing an undried film in water. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、例えば、各枚葉を水に浸漬するバッチ方式が採用される。あるいは、PETフィルム等の基板フィルム上に成膜された状態で、この積層フィルムごと水に浸漬させるか、または基板から分離した膜を水に浸漬させて巻き取っていく連続方式が採用される。バッチ方式の場合には、処理フィルムを枠に嵌める方式が、処理されたフィルムの表面における皺形成が抑制される点で好ましい。   When the undried film is immersed in water, for example, a batch method in which each sheet is immersed in water is employed. Alternatively, a continuous system in which the laminated film is immersed in water in a state where the film is formed on a substrate film such as a PET film, or a film separated from the substrate is immersed in water and wound is adopted. In the case of the batch method, a method of fitting the treated film to the frame is preferable in that wrinkle formation on the surface of the treated film is suppressed.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際には、未乾燥フィルム1質量部に対し、水が10質量部以上、好ましくは30質量部以上の接触比となるようにすることが好ましい。また、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量をできるだけ少なくするためには、できるだけ大きな接触比を維持するのが好ましい。さらに、浸漬に使用する水を交換したり、オーバーフローさせたりして、常に水中の有機溶媒濃度を一定濃度以下に維持しておくことも、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量の低減に有効である。プロトン伝導膜中に残存する有機溶媒量の面内分布を小さく抑えるためには、水中の有機溶媒濃度を撹拌等によって均質化させることが好ましい。   When immersing an undried film in water, it is preferable that water has a contact ratio of 10 parts by mass or more, preferably 30 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the undried film. In order to minimize the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane, it is preferable to maintain a contact ratio as large as possible. In addition, it is effective in reducing the amount of residual solvent in the resulting proton conducting membrane by changing the water used for immersion or allowing it to overflow so that the organic solvent concentration in the water is always kept below a certain level. is there. In order to suppress the in-plane distribution of the amount of the organic solvent remaining in the proton conductive membrane, it is preferable to homogenize the concentration of the organic solvent in water by stirring or the like.

未乾燥フィルムを水に浸漬する際の水の温度は、好ましくは5〜80℃である。水温が高いほど、有機溶媒と水との置換速度は速くなるが、フィルムの吸水量も大きくなるので、乾燥後に得られるプロトン伝導膜の表面が荒れる場合がある。置換速度と取り扱い易さを考慮すると、10〜60℃の温度範囲がより好ましい。浸漬時間は、初期の残存溶媒量、接触比、及び水温によって異なるが、通常、10分〜240時間、好ましくは30分〜100時間の範囲である。   The temperature of water when the undried film is immersed in water is preferably 5 to 80 ° C. The higher the water temperature, the faster the replacement rate of the organic solvent and water, but the greater the amount of water absorbed by the film, so the surface of the proton conducting membrane obtained after drying may become rough. Considering the replacement speed and ease of handling, a temperature range of 10 to 60 ° C. is more preferable. The immersion time varies depending on the initial residual solvent amount, contact ratio, and water temperature, but is usually in the range of 10 minutes to 240 hours, preferably 30 minutes to 100 hours.

このように、未乾燥フィルムを水に浸漬してから乾燥すると、残存溶媒量が低減されたプロトン伝導膜が得られ、プロトン伝導膜中における残存溶媒量は、通常5質量%以下である。また、例えば、未乾燥フィルムと水との接触比を、未乾燥フィルム1質量部に対して水を50質量部以上とし、浸漬する際の水の温度を10〜60℃、浸漬時間を10分〜10時間とすることによって、得られるプロトン伝導膜の残存溶媒量を1質量%以下とすることができる。   Thus, when an undried film is immersed in water and then dried, a proton conductive membrane with a reduced amount of residual solvent is obtained, and the residual solvent amount in the proton conductive membrane is usually 5% by mass or less. Also, for example, the contact ratio between the undried film and water is 50 parts by mass or more of water with respect to 1 part by mass of the undried film, the temperature of the water when dipping is 10 to 60 ° C., and the dipping time is 10 minutes By setting it to 10 hours, the residual solvent amount of the proton conductive membrane obtained can be made 1 mass% or less.

以上説明したように、未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥させる。引き続き、フィルムを50〜150℃で、0.5〜24時間、好ましくは500〜0.1mmHgの減圧下で乾燥させることによって、本発明のプロトン伝導膜が得られる。こうして得られるプロトン伝導膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μmであり、好ましくは20〜80μmである。   As described above, after the undried film is immersed in water, the film is dried at 30 to 100 ° C., preferably 50 to 80 ° C., for 10 to 180 minutes, preferably 15 to 60 minutes. Subsequently, the film is dried at 50 to 150 ° C. under a reduced pressure of 0.5 to 24 hours, preferably 500 to 0.1 mmHg to obtain the proton conducting membrane of the present invention. The proton conductive membrane thus obtained has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.

本発明で用いられるプロトン伝導膜は、老化防止剤、好ましくは分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物を含有してもよい。老化防止剤を含有することでプロトン伝導膜の耐久性をより向上させることができる。このような分子量500以上のヒンダードフェノール系化合物としては、具体的には、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX245)、1,6−ヘキサンジオール−ビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX259)、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−3,5−トリアジン(商品名:IRGANOX565)、ペンタエリスリチル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX1010)、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート](商品名:IRGANOX1035)、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(商品名:IRGANOX1076)、N,N−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)(商品名:IRGANOX1098)、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン(商品名:IRGANOX1330)、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレイト(商品名:IRGANOX3114)および3,9−ビス[2−〔3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ〕−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(商品名:Sumilizer GA−80)等が挙げられる。これらのヒンダードフェノール系化合物は、ポリアリーレン100質量部に対して、0.01〜10質量部の量で使用することが好ましい。   The proton conductive membrane used in the present invention may contain an antiaging agent, preferably a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more. By containing an anti-aging agent, the durability of the proton conducting membrane can be further improved. As such a hindered phenol compound having a molecular weight of 500 or more, specifically, triethylene glycol-bis [3- (3-t-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 245), 1,6-hexanediol-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX259), 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -3,5-triazine (trade name: IRGANOX565), pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl- 4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1010), 2,2-thio-diethylenebis [3 (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] (trade name: IRGANOX 1035), octadecyl-3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate) (trade name) : IRGANOX1076), N, N-hexamethylenebis (3,5-di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide) (trade name: IRGANOX1098), 1,3,5-trimethyl-2,4 6-tris (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene (trade name: IRGANOX 1330), tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate ( Product name: IRGANOX 3114) and 3,9-bis [2- [3- (3-t-butyl-4-hydroxy-5-methyl) ) Propionyloxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-spiro [5.5] undecane (trade name: Sumilizer GA-80), and the like. These hindered phenol compounds are preferably used in an amount of 0.01 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of polyarylene.

本発明で用いられるプロトン伝導膜は、高いプロトン伝導性を保持しつつ、優れた耐熱水性、耐溶剤性、耐熱性、耐酸化性、靭性、電極接着性、及び加工性を示す。このため、家庭用電源向け燃料電池、燃料電池自動車、携帯電話用燃料電池、パソコン用燃料電池、携帯端末用燃料電池、デジタルカメラ用燃料電池、ポータブルCD、MDプレーヤー用燃料電池、ヘッドホンステレオ用燃料電池、ペットロボット用燃料電池、電動アシスト自転車用燃料電池、電動スクーター用燃料電池、直接メタノール型燃料電池等の用途に好適に用いられる。特に、固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体のプロトン伝導膜として好適に使用することができる。   The proton conductive membrane used in the present invention exhibits excellent hot water resistance, solvent resistance, heat resistance, oxidation resistance, toughness, electrode adhesion, and workability while maintaining high proton conductivity. For this reason, fuel cells for household power supplies, fuel cell vehicles, fuel cells for mobile phones, fuel cells for personal computers, fuel cells for mobile terminals, fuel cells for digital cameras, portable CDs, fuel cells for MD players, and fuel for headphone stereos It is suitably used for applications such as batteries, fuel cells for pet robots, fuel cells for electric assist bicycles, fuel cells for electric scooters, and direct methanol fuel cells. In particular, it can be suitably used as a proton conducting membrane of a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell.

<電極>
本発明に係る固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体の電極は、触媒金属粒子または触媒金属粒子を導電性担体に担持してなる電極触媒と、電極電解質とからなり、必要に応じて炭素繊維、分散剤、撥水剤等の他の成分を含んでいてもよい。
<Electrode>
The electrode of the membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a catalyst metal particle or an electrode catalyst in which the catalyst metal particle is supported on a conductive support, and an electrode electrolyte. Other components such as carbon fiber, a dispersant, a water repellent may be included.

触媒金属粒子としては、触媒活性を有するものであれば特に限定されないが、白金ブラック等の貴金属微粒子そのものからなるメタルブラックを使用することができる。触媒金属粒子を担持させる導電性担体としては、導電性と適度な耐食性を備えていれば特に限定されないが、触媒金属粒子を高分散させるための十分な比表面積を有し、かつ十分な電子伝導性を有することから、カーボン(炭素)を主成分とするものを使用することが望ましい。電極を構成する触媒担体は、触媒金属粒子を担持するだけではなく、電子を外部回路に取り出す、あるいは外部回路から取り入れるための集電体としての機能を果たさなければならない。触媒担体の電気抵抗が高いと電池の内部抵抗が高くなり、結果として電池の性能を低下させることになる。このため、電極に含まれる触媒担体の電子導電率は十分に高くなければならない。つまり、電極触媒担体として十分な電子導電性を持っていれば利用可能で、好適には細孔の発達したカーボン材料が用いられる。細孔の発達したカーボン材料としては、カーボンブラックや活性炭等が好ましく使用できる。カーボンブラックとしては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理して得られる。また、電子導電性を有する金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物や高分子化合物を含むことも可能である。なお、ここで言う主成分とは、60%以上の炭素質を含有することを意味する。   The catalyst metal particles are not particularly limited as long as they have catalytic activity, but metal black made of noble metal fine particles such as platinum black can be used. The conductive carrier for supporting the catalyst metal particles is not particularly limited as long as it has conductivity and appropriate corrosion resistance, but has a sufficient specific surface area for highly dispersing the catalyst metal particles and sufficient electron conduction. Therefore, it is desirable to use carbon (carbon) as a main component. The catalyst carrier that constitutes the electrode not only supports the catalyst metal particles, but also must function as a current collector for taking out electrons to the external circuit or taking them in from the external circuit. When the electric resistance of the catalyst carrier is high, the internal resistance of the battery is increased, and as a result, the performance of the battery is lowered. For this reason, the electronic conductivity of the catalyst carrier contained in the electrode must be sufficiently high. That is, it can be used as long as it has sufficient electronic conductivity as an electrode catalyst carrier, and preferably a carbon material with fine pores is used. As the carbon material having developed pores, carbon black, activated carbon or the like can be preferably used. Examples of carbon black include channel black, furnace black, thermal black, and acetylene black. Activated carbon is obtained by carbonizing and activating materials containing various carbon atoms. It is also possible to include metal oxides, metal carbides, metal nitrides and polymer compounds having electronic conductivity. In addition, the main component said here means containing 60% or more of carbonaceous matter.

また、導電性担体に担持させる触媒金属粒子としては、白金または白金合金が用いられるが、白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、コバルト、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛、及びスズからなる群より選ばれる1種以上と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。   Further, platinum or a platinum alloy is used as the catalytic metal particles supported on the conductive carrier. However, when a platinum alloy is used, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), cobalt, iron, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium, zinc, Further, an alloy of platinum and one or more selected from the group consisting of tin and platinum is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of a metal alloyed with platinum.

白金または白金合金の担持率(担持触媒全質量に対する白金または白金合金の質量の割合)は、20〜80質量%、特に30〜55質量%が好ましい。この範囲であれば、高い出力を得られる。担持率が20質量%未満では、充分な出力を得られないおそれがあり、80質量%を超えると、白金または白金合金の粒子を分散性よく担体となるカーボン材料に担持できないおそれがある。   The supported rate of platinum or platinum alloy (ratio of the mass of platinum or platinum alloy to the total mass of the supported catalyst) is preferably 20 to 80% by mass, particularly preferably 30 to 55% by mass. Within this range, high output can be obtained. If the loading rate is less than 20% by mass, sufficient output may not be obtained. If the loading rate exceeds 80% by mass, platinum or platinum alloy particles may not be supported on the carbon material serving as a carrier with good dispersibility.

また、白金または白金合金の一次粒子径は、高活性なガス拡散電極を得るためには1〜20nmであることが好ましく、特に、反応活性の点で白金または白金合金の表面積を大きく確保できる2〜5nmであることが好ましい。   The primary particle diameter of platinum or platinum alloy is preferably 1 to 20 nm in order to obtain a highly active gas diffusion electrode. In particular, a large surface area of platinum or platinum alloy can be secured in terms of reaction activity. It is preferably ˜5 nm.

電極電解質としては、スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質(イオン伝導性バインダー)が好適に用いられる。通常、担持触媒は当該電解質により被覆されており、この電解質の繋がっている経路を通ってプロトン(H)が移動する。 As the electrode electrolyte, an ion conductive polymer electrolyte (ion conductive binder) having a sulfonic acid group is suitably used. Usually, the supported catalyst is covered with the electrolyte, and protons (H + ) move through a path where the electrolyte is connected.

スルホン酸基を有するイオン伝導性高分子電解質としては、特に、Nafion(登録商標)やFlemion(登録商標)、Aciplex(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボン重合体が好適に用いられる。なお、パーフルオロカーボン重合体だけでなく、ポリスチレンスルホン酸等のビニル系モノマーのスルホン化物、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン等の耐熱性高分子に、スルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマーや、本明細書で記載されているスルホン化ポリアリーレン等の芳香族系炭化水素化合物を主とするイオン伝導性高分子電解質を用いてもよい。   As the ion conductive polymer electrolyte having a sulfonic acid group, a perfluorocarbon polymer represented by Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark) is particularly preferably used. In addition to perfluorocarbon polymers, sulfonated products of vinyl monomers such as polystyrene sulfonic acid, polymers having sulfonic acid groups or phosphoric acid groups introduced into heat-resistant polymers such as polybenzimidazole and polyether ether ketone, Alternatively, an ion conductive polymer electrolyte mainly composed of an aromatic hydrocarbon compound such as a sulfonated polyarylene described in the present specification may be used.

また、上記イオン伝導性バインダーは、触媒粒子に対し、質量比で0.1〜3.0の割合で含有することが好ましく、特に0.3〜2.0の割合で含有することが好ましい。イオン伝導性バインダー比が0.1未満であると、プロトンを電解質膜に伝達することができず、充分な出力が得られないおそれがあり、また、3.0を超えると、イオン伝導性バインダーが触媒粒子を完全に被覆してしまい、ガスが白金に到達できず、充分な出力が得られないおそれがある。   Moreover, it is preferable to contain the said ion conductive binder in the ratio of 0.1-3.0 by mass ratio with respect to catalyst particles, and it is preferable to contain especially in the ratio of 0.3-2.0. When the ion conductive binder ratio is less than 0.1, protons cannot be transmitted to the electrolyte membrane, and there is a fear that sufficient output cannot be obtained. When the ion conductive binder ratio exceeds 3.0, the ion conductive binder is not sufficient. May completely cover the catalyst particles, the gas cannot reach platinum, and there is a possibility that sufficient output cannot be obtained.

必要に応じて添加することのできる炭素繊維としては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊維、リグニンポバール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等を用いることができ、これらの中では気相成長炭素繊維が好ましい。炭素繊維を含んでいると、電極触媒層中の細孔容積が増加するため、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディング等を改善でき、発電性能が向上する。なお、炭素繊維は、アノード側、カソード側の電極触媒層のいずれか一方または双方に含まれていてもよい。   As carbon fibers that can be added as necessary, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin poval-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used. Then, vapor growth carbon fiber is preferable. When carbon fiber is included, the pore volume in the electrode catalyst layer increases, so that the diffusibility of fuel gas and oxygen gas is improved, and flooding due to the generated water can be improved, and the power generation performance is improved. . The carbon fiber may be contained in one or both of the anode-side and cathode-side electrode catalyst layers.

分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤等を挙げることができる。上記分散剤は、1種単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、好ましくは塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性またはカチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは分子量5000〜30000の界面活性剤である。電極触媒層を形成する際に使用される電極用ペースト組成物に上記分散剤を添加すると、保存安定性及び流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。   Examples of the dispersant include an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a nonionic surfactant. The said dispersing agent may be used individually by 1 type, or may be used in combination of 2 or more type. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. When the above dispersant is added to the electrode paste composition used for forming the electrode catalyst layer, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.

本発明における膜−電極構造体は、アノードの触媒層、プロトン伝導膜、及びカソードの触媒層のみからなってもよいが、アノード、カソードともに触媒層の外側にカーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質基材からなるガス拡散層が配置されるとさらに好ましい。ガス拡散層は集電体としても機能するので、本明細書ではガス拡散層を有する場合はガス拡散層と触媒層とを合わせて電極というものとする。   The membrane-electrode structure in the present invention may consist of only the anode catalyst layer, the proton conducting membrane, and the cathode catalyst layer. However, both the anode and cathode are electrically conductive such as carbon paper or carbon cloth outside the catalyst layer. More preferably, a gas diffusion layer made of a porous porous substrate is disposed. Since the gas diffusion layer also functions as a current collector, in this specification, when the gas diffusion layer is provided, the gas diffusion layer and the catalyst layer are collectively referred to as an electrode.

本発明の膜−電極構造体を備える固体高分子型燃料電池では、カソードには酸素を含むガス、アノードには水素を含むガスが供給される。具体的には、例えばガスの流路となる溝が形成されたセパレータを膜−電極構造体の両方の電極の外側に配置し、ガスの流路にガスを流すことにより膜−電極構造体に燃料となるガスを供給する。   In the polymer electrolyte fuel cell having the membrane-electrode structure of the present invention, a gas containing oxygen is supplied to the cathode, and a gas containing hydrogen is supplied to the anode. Specifically, for example, a separator in which a groove to be a gas flow path is formed is disposed outside both electrodes of the membrane-electrode structure, and the gas is flowed through the gas flow path to thereby form the membrane-electrode structure. Supply fuel gas.

本発明の膜−電極構造体を製造する方法としては、イオン交換膜の上に触媒層を直接形成し必要に応じガス拡散層で挟み込む方法、カーボンペーパー等のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成しこれをイオン交換膜と接合する方法、及び平板上に触媒層を形成しこれをイオン交換膜に転写した後平板を剥離し、さらに必要に応じガス拡散層で挟み込む方法等の各種の方法が採用できる。   As a method for producing the membrane-electrode structure of the present invention, a method in which a catalyst layer is directly formed on an ion exchange membrane and sandwiched between gas diffusion layers as necessary, on a base material to be a gas diffusion layer such as carbon paper A method of forming a catalyst layer and bonding it to an ion exchange membrane, a method of forming a catalyst layer on a flat plate and transferring it to the ion exchange membrane, then peeling the flat plate and further sandwiching it with a gas diffusion layer if necessary Various methods can be employed.

触媒層の形成方法としては、担持触媒とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体とを分散媒に分散させた分散液を用いて(必要に応じて撥水剤、造孔剤、増粘剤、希釈溶媒等を加え)、イオン交換膜、ガス拡散層、または平板上に形成させる公知の方法が採用できる。   As a method for forming the catalyst layer, a dispersion obtained by dispersing a supported catalyst and a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group in a dispersion medium (if necessary, a water repellent, a pore former, a thickener, A known method of adding a diluting solvent or the like to the ion exchange membrane, gas diffusion layer, or flat plate can be employed.

上記電極ペースト組成物の形成方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布等が挙げられる。   Examples of the method for forming the electrode paste composition include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.

触媒層をイオン交換膜上に直接形成しない場合は、触媒層とイオン交換膜とは、ホットプレス法、接着法(特開平7−220741参照)等により接合することが好ましい。   When the catalyst layer is not directly formed on the ion exchange membrane, the catalyst layer and the ion exchange membrane are preferably joined by a hot press method, an adhesion method (see JP-A-7-220741) or the like.

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、実施例において、分子量、イオン交換容量、プロトン導伝度、及び発電特性の評価は以下のようにして行った。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these Examples at all. In the examples, the molecular weight, ion exchange capacity, proton conductivity, and power generation characteristics were evaluated as follows.

<分子量の測定>
スルホン酸基を有しない重合体については、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の重量平均分子量を求めた。また、スルホン酸基を有する重合体については、臭化リチウム7.83g、リン酸3.3ml、及びN−メチル−2−ピロリドン(NMP)2Lからなる混合溶液を溶離液として用い、GPCによってポリスチレン換算の重量平均分子量を求めた。
<Measurement of molecular weight>
For the polymer having no sulfonic acid group, tetrahydrofuran (THF) was used as an eluent as a solvent, and the weight average molecular weight in terms of polystyrene was determined by GPC. For the polymer having a sulfonic acid group, a mixed solution of 7.83 g of lithium bromide, 3.3 ml of phosphoric acid, and 2 L of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used as an eluent, and polystyrene was obtained by GPC. The converted weight average molecular weight was determined.

<イオン交換容量の測定>
得られた芳香族スルホンイミド含有ポリアリーレンの水洗水が中性になるまで蒸留水で洗浄し、フリーの残存している酸を除いて充分に水洗した後、乾燥させた。この後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解させ、フェノールフタレインを指示薬としてNaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点からスルホン酸基の当量(イオン交換容量)(meq/g)を求めた。
<Measurement of ion exchange capacity>
The obtained aromatic sulfonimide-containing polyarylene was washed with distilled water until the water was neutralized, sufficiently washed with water except for the remaining free acid, and then dried. Thereafter, a predetermined amount is weighed and dissolved in a THF / water mixed solvent, titrated with a standard solution of NaOH using phenolphthalein as an indicator, and an equivalent amount of sulfonic acid groups (ion exchange capacity) from the neutralization point. (Meq / g) was determined.

<プロトン伝導度の測定>
交流抵抗は、プロトン伝導膜試料を5mm幅の短冊状とし、この膜試料の表面に白金線(φ=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中にこの膜試料を保持して、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。85℃、相対湿度90%及び50%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、Solartron社製SI1260インピーダンスアナライザを用い、恒温恒湿装置には、エスペック社製小型環境試験機SH−241を使用した。白金線は5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5mm〜20mmに変化させて、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、下記の数式(1)に従って、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスからプロトン伝導度を求めた。

Figure 0004949009
<Measurement of proton conductivity>
For AC resistance, a proton conductive membrane sample is formed into a strip shape having a width of 5 mm, a platinum wire (φ = 0.5 mm) is pressed against the surface of the membrane sample, the membrane sample is held in a constant temperature and humidity apparatus, and platinum It was obtained from AC impedance measurement between lines. The impedance at AC 10 kHz was measured in an environment of 85 ° C., relative humidity 90% and 50%. As a resistance measuring device, a Solartron SI1260 impedance analyzer was used, and as a constant temperature and humidity device, a small environmental tester SH-241 manufactured by Espec was used. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed from 5 mm to 20 mm, and the AC resistance was measured. From the distance between lines and the gradient of resistance, the specific resistance of the membrane was calculated according to the following formula (1), the alternating current impedance was calculated from the reciprocal of the specific resistance, and the proton conductivity was determined from this impedance.
Figure 0004949009

<発電特性の評価>
本発明の膜−電極構造体を用いて、温度85℃、燃料極側/酸素極側の相対湿度を100%/100%、及び50%/50%、電流密度を1A/cmとした発電条件により、発電性能を評価した。燃料極側には純水素を、酸素極側には空気をそれぞれ供給した。
<Evaluation of power generation characteristics>
Using the membrane-electrode structure of the present invention, power generation at a temperature of 85 ° C., fuel electrode / oxygen electrode relative humidity of 100% / 100% and 50% / 50%, and current density of 1 A / cm 2 The power generation performance was evaluated according to the conditions. Pure hydrogen was supplied to the fuel electrode side, and air was supplied to the oxygen electrode side.

<実施例1>
(1)3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ネオペンチルの調製
下記の化学反応式に従って、3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ネオペンチルの調製を行った。

Figure 0004949009
<Example 1>
(1) Preparation of neopentyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate Neopentyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate was prepared according to the following chemical reaction formula.
Figure 0004949009

具体的には、3、5−ジクロロベンゼンスルホニルクロライド(114.65g、467mmol)を、ネオペンチルアルコール(45.30g、514mmol)のピリジン(300mL)溶液に、少量ずつ攪拌しながら15分かけて添加した。この間、反応温度は18〜20℃に保った。反応混合物を、冷却しながらさらに30分攪拌した後、氷冷した10%HCl(1600mL)を添加した。水に不溶の成分を700mLの酢酸エチルで抽出し、1NのHClで2回(各700mL)洗浄し、5%のNaHCOで2回(各700mL)洗浄し、MgSOで乾燥させた。回転乾燥機を用いて溶媒を除去し、残渣を500mLのメタノールから再結晶させた。その結果、純粋な(1H NMRで99%を超える純度)3、5−ジクロロベンゼンスルホン酸ネオペンチルを、光沢のある無色の結晶として得た。収量は105.98g、収率は76%であった。また、得られた結晶の融点は、62.5〜63.5℃であった。 Specifically, 3,5-dichlorobenzenesulfonyl chloride (114.65 g, 467 mmol) was added to a pyridine (300 mL) solution of neopentyl alcohol (45.30 g, 514 mmol) over 15 minutes while stirring little by little. did. During this time, the reaction temperature was kept at 18-20 ° C. The reaction mixture was stirred for an additional 30 minutes with cooling before ice-cold 10% HCl (1600 mL) was added. Insoluble components in water were extracted with 700 mL ethyl acetate, washed twice with 1N HCl (700 mL each), washed twice with 5% NaHCO 3 (700 mL each) and dried over MgSO 4 . The solvent was removed using a rotary dryer and the residue was recrystallized from 500 mL methanol. As a result, pure (more than 99% purity by 1H NMR) neopentyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate was obtained as glossy colorless crystals. The yield was 105.98 g, and the yield was 76%. Moreover, melting | fusing point of the obtained crystal | crystallization was 62.5-63.5 degreeC.

(2)ネオペンチルスルホン酸エステルを保護基として有するポリアリーレンの合成
上記(1)の化合物(9.66g、32.50mmol)、2−クロロベンゾニトリル末端ポリ(エーテルニトリル)オリゴマー(Mn=8200、7.27g、0.89mmol)、Ni(PPhCl(0.66g、1.00mmol)、PPh(3.50g、13.35mmol)、NaI(0.15g、1.00mmol)、及びZn粉末(5.46g、83.46mmol)の混合物に、乾燥DMAc(35mL)を乾燥窒素気流下にて添加した。反応混合物を80℃で3時間、機械的に攪拌した。得られた高粘度懸濁液を、DMAc(100mL)で希釈し、セライトパッドを用いて濾過して余分なZnを除去した。得られた透明溶液を、6倍体積のメタノール中で凝固させた。その結果、灰色がかった粉末状ポリマーが14.8gの量で得られた。このポリマー内には若干量のDMAcが捕捉されていた。GPCによる分子量測定の結果、ポリスチレン換算の数平均分子量が28,000、質量平均分子量が57,700であった。
(2) Synthesis of polyarylene having neopentylsulfonic acid ester as a protecting group Compound (9.66 g, 32.50 mmol) of the above (1), 2-chlorobenzonitrile-terminated poly (ether nitrile) oligomer (Mn = 8200, 7.27 g, 0.89 mmol), Ni (PPh 3 ) 2 Cl 2 (0.66 g, 1.00 mmol), PPh 3 (3.50 g, 13.35 mmol), NaI (0.15 g, 1.00 mmol), To a mixture of Zn powder (5.46 g, 83.46 mmol), dry DMAc (35 mL) was added under a stream of dry nitrogen. The reaction mixture was mechanically stirred at 80 ° C. for 3 hours. The resulting high viscosity suspension was diluted with DMAc (100 mL) and filtered using a celite pad to remove excess Zn. The resulting clear solution was coagulated in 6 volumes of methanol. As a result, a grayish powdery polymer was obtained in an amount of 14.8 g. Some amount of DMAc was trapped in the polymer. As a result of measuring the molecular weight by GPC, the number average molecular weight in terms of polystyrene was 28,000, and the mass average molecular weight was 57,700.

(3)スルホン酸基を有するポリアリーレンの合成
上記(2)の粗重合体(14.8g)と無水臭化リチウム(5.65g、65mmol、SOに対して2倍過剰)との混合物を、DMAc(100mL)に溶解させた。得られた透明な黄色溶液を135℃に加熱して30分間攪拌したところ、ゲルが得られた。反応生成物を上記温度でさらに1時間保持し、10倍体積のアセトンを用いて、均一な懸濁液が形成されるまで激しく攪拌した。ナイロン製メッシュを使用して濾過し、固形分を分離した。分離した固形分をアセトンで洗浄し、乾燥させた後、1リットルの2N塩酸を用いて1時間攪拌した。重合体を濾過で分離し、再度酸処理を行った。脱イオン水で洗浄を繰り返すことによって、残存する酸を全て除去し(pH上昇)、固体残渣を恒量になるまで90℃で乾燥させた。その結果、酸状態のポリアリーレンをクリーム色の粉末として得た。収量は9.12gであり、収率は74%であった。また、GPC測定によるポリスチレン換算の数平均分子量は39,500、質量平均分子量は85,700であった。
(3) Synthesis of polyarylene having a sulfonic acid group A mixture of the crude polymer (14.8 g) of (2) above and anhydrous lithium bromide (5.65 g, 65 mmol, 2 times excess with respect to SO 3 ), Dissolved in DMAc (100 mL). When the obtained transparent yellow solution was heated to 135 ° C. and stirred for 30 minutes, a gel was obtained. The reaction product was held at the above temperature for an additional hour and stirred vigorously with 10 volumes of acetone until a uniform suspension was formed. Filter using a nylon mesh to separate the solids. The separated solid was washed with acetone and dried, and then stirred with 1 liter of 2N hydrochloric acid for 1 hour. The polymer was separated by filtration and acid-treated again. By repeating washing with deionized water, all remaining acid was removed (pH increase) and the solid residue was dried at 90 ° C. until constant weight. As a result, acid-state polyarylene was obtained as a cream-colored powder. The yield was 9.12 g, and the yield was 74%. Moreover, the number average molecular weight of polystyrene conversion by GPC measurement was 39,500, and the mass average molecular weight was 85,700.

得られたポリアリーレンの10質量%N−メチルピロリドン(NMP)溶液を、ガラス板上にキャストして製膜し、膜厚50μmのプロトン伝導膜を得た。   A 10% by mass N-methylpyrrolidone (NMP) solution of the obtained polyarylene was cast on a glass plate to form a proton conductive membrane having a thickness of 50 μm.

(4)膜−電極構造体の作製
平均径50nmのカーボンブラック(ファーネスブラック)に白金粒子を、カーボンブラック:白金=1:1の質量比で担持させ、触媒粒子を作製した。次に、イオン伝導性バインダーとしてのパーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物(DuPont社製Nafion(登録商標))溶液に、上記触媒粒子を、イオン伝導性バインダー:触媒粒子=8:5の質量比で均一に分散させ、触媒ペーストを調製した。本実施例で得られたプロトン伝導膜の両面に、上記触媒ペーストを、白金含有量が0.5mg/cmとなるようにバーコーター塗布し、乾燥させることにより電極塗布膜(Catalyst Coated Membrane)CCMを得た。乾燥は、100℃で15分間の乾燥を行なった後、140℃で10分間の二次乾燥を行なった。カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子とを、カーボンブラック:PTFE粒子=4:6の質量比で混合し、得られた混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーをカーボンペーパーの片面に塗布、乾燥させて下地層とし、この下地層とカーボンペーパーとからなるガス拡散層を2つ作製した。
(4) Production of membrane-electrode structure Platinum particles were supported on carbon black (furnace black) having an average diameter of 50 nm at a mass ratio of carbon black: platinum = 1: 1 to produce catalyst particles. Next, in a perfluoroalkylenesulfonic acid polymer compound (DuPont Nafion (registered trademark)) solution as an ion conductive binder, the above catalyst particles are added at a mass ratio of ion conductive binder: catalyst particles = 8: 5. A catalyst paste was prepared by uniformly dispersing. The catalyst paste was applied to both sides of the proton conducting membrane obtained in this example with a bar coater so that the platinum content was 0.5 mg / cm 2 and dried to dry the electrode coating membrane (Catalyst Coated Membrane). CCM was obtained. Drying was performed at 100 ° C. for 15 minutes and then at 140 ° C. for 10 minutes. Carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) particles are mixed at a mass ratio of carbon black: PTFE particles = 4: 6, and a slurry in which the resulting mixture is uniformly dispersed in ethylene glycol is mixed on one side of carbon paper. The base layer was coated and dried to prepare two gas diffusion layers composed of the base layer and carbon paper.

上記CCMを上記ガス拡散層の下地層側で狭持し、ホットプレスを行なって膜−電極構造体を得た。ホットプレスは、160℃、3MPaで5分間の条件で実施した。また、本実施例で得られた膜−電極構造体は、ガス拡散層の上にさらにガス通路を兼ねるセパレーターを積層することにより、固体高分子型燃料電池を構成することができる。   The CCM was sandwiched between the gas diffusion layer and the base layer side, and hot pressing was performed to obtain a membrane-electrode structure. Hot pressing was performed at 160 ° C. and 3 MPa for 5 minutes. Further, the membrane-electrode structure obtained in this example can constitute a solid polymer fuel cell by further laminating a separator that also serves as a gas passage on the gas diffusion layer.

<比較例1>
プロトン伝導膜としてDuPont社製のNafion112(登録商標)を用いた以外は、実施例1と同様にして膜−電極構造体を得た。
<Comparative Example 1>
A membrane-electrode structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that Nafion 112 (registered trademark) manufactured by DuPont was used as the proton conductive membrane.

<評価>
上記実施例及び比較例で得られた膜−電極構造体について、評価を行った結果を表1に示す。
<Evaluation>
Table 1 shows the results of evaluating the membrane-electrode structures obtained in the above Examples and Comparative Examples.

Figure 0004949009
Figure 0004949009

表1に示される通り、本実施例によれば、特定の構造単位を有するポリアリーレンを用いることにより、特に低湿度環境下におけるプロトン伝導性が改善され、広範囲な加湿条件で発電性能に優れた膜−電極構造体が得られる。
As shown in Table 1, according to this example, by using polyarylene having a specific structural unit, proton conductivity was improved particularly in a low humidity environment, and power generation performance was excellent under a wide range of humidification conditions. A membrane-electrode structure is obtained.

Claims (4)

プロトン伝導膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を設けた固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体において、
前記プロトン伝導膜は、下記式(1’b)または下記式(1’c)で表される繰り返し構造単位を含み、
下記Aが直接結合の場合、前記プロトン伝導膜は、下記式(1’b)で表される繰り返し構造単位を含む固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
Figure 0004949009
[式(1’b)及び式(1’c)中、Wは、水素原子、芳香族基、または−B−(SOH)(ここで、Bは直接結合または芳香族基を示し、mは0〜2の整数である)で表される基を示す。Aは直接結合または芳香族基を示し、kは1〜3の整数である。
In a membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell in which an anode electrode is provided on one side of a proton conducting membrane and a cathode electrode is provided on the other side,
The proton conductive membrane is seen containing a repeating structural unit represented by the following formula (1'b) or the following formula (1'c),
If the following A is a direct bond, the proton conducting membrane, the repeating structural units including a solid polymer electrolyte fuel cell membrane which is represented by the following formula (1'b) - electrode assembly.
Figure 0004949009
[In Formula (1′b) and Formula (1′c) , W represents a hydrogen atom, an aromatic group, or —B— (SO 3 H) m (wherein B represents a direct bond or an aromatic group) , M is an integer of 0 to 2). A represents a direct bond or an aromatic group, and k is an integer of 1 to 3. ]
前記式(1’b)及び前記式(1’c)中のWが、−B−(SO H) であり、
前記式(1’b)及び前記式(1’c)中のA及びBが、それぞれ独立に、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、またはフェナントレニル基である請求項記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
W in the formula (1′b) and the formula (1′c) is —B— (SO 3 H) m ,
Formula (1'b) and A and B in the formula (1'c) are each independently a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, or claim 1 wherein the solid high phenanthrenyl group, Membrane-electrode structure for molecular fuel cell.
前記式(1’b)及び前記式(1’c)中のWが、−B−(SO H) であり、
前記式(1’b)及び前記式(1’c)では、それぞれ、式中のAとBとが結合して共通の芳香族基を形成することにより、ナフタレニル、アントラセニル、フェナントレニル、またはこれらのベンゾ誘導体よりなる縮合環構造を形成している請求項記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
W in the formula (1′b) and the formula (1′c) is —B— (SO 3 H) m ,
In the formula (1′b) and the formula (1′c), each of A and B in the formula is bonded to form a common aromatic group, whereby naphthalenyl, anthracenyl, phenanthrenyl, or these polymer electrolyte fuel cell membrane of claim 1 wherein forming a condensed ring structure composed of benzo derivatives - electrode assembly.
前記式(1’b)または前記式(1’c)で表される繰り返し構造単位を0.5モル%以上100モル%未満と、下記式(A’)で表される繰り返し構造単位を0モル%より多く99.5モル%以下と、を含有する請求項1からいずれか記載の固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体。
Figure 0004949009
[上記式(A’)中、A及びDは、それぞれ独立して、直接結合、または、−CO−、−SO−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF−(pは1〜10の整数である)、−(CH−(pは1〜10の整数である)、−CR’−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基、またはハロゲン化炭化水素基である)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、及び−S−よりなる群から選ばれる2価の基である。Bは、酸素原子または硫黄原子であり、RからR16は、同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル基、部分的または完全にハロゲン置換されたハロゲン化アルキル基、アリール基、アリル基、ニトロ基、及びニトリル基よりなる郡から選ばれる少なくとも1種の原子または基である。s及びtはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、rは0または正の整数である。]
The repeating structural unit represented by the formula (1′b) or the formula (1′c) is 0.5 mol% or more and less than 100 mol%, and the repeating structural unit represented by the following formula (A ′) is 0. The membrane-electrode structure for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , comprising more than mol% and not more than 99.5 mol%.
Figure 0004949009
[In the above formula (A ′), A and D are each independently a direct bond, or —CO—, —SO—, —SO 2 —, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ). p - (p is an integer of 1 to 10), - (CH 2) p - (p is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic A divalent group selected from the group consisting of a hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-. B is an oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16 may be the same or different, and are a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a partially or completely halogen-substituted halogenated alkyl group, an aryl It is at least one atom or group selected from the group consisting of a group, an allyl group, a nitro group, and a nitrile group. s and t are each independently an integer of 0 to 4, and r is 0 or a positive integer. ]
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