JP5080019B2 - Solid polymer electrolyte - Google Patents

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Description

本発明は、剛直系複素環高分子およびプロトン導電性を有する高分子からなる固体高分子電解質、及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte composed of a rigid heterocyclic polymer and a polymer having proton conductivity, and a fuel cell.

固体高分子電解質は高分子鎖中に電解質基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合して、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利用されている。   A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group in a polymer chain, and has a property of selectively permeating a cation or an anion by firmly binding to a specific ion. It is formed into particles, fibers, or membranes, and is used for various applications such as electrodialysis, diffusion dialysis, and battery membranes.

燃料電池はプロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、水素ガスやメタノールなどを燃料として一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤として他方の電極(空気極)へ供給し、起電力を得るものである。また、水電解は、固体高分子電解質膜を用いて水を電気分解することにより水素と酸素を製造するものである。   A fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane, supplies hydrogen gas, methanol, or the like as a fuel to one electrode (fuel electrode), and oxygen gas or air as an oxidant. It supplies to an electrode (air electrode) and obtains an electromotive force. In water electrolysis, hydrogen and oxygen are produced by electrolyzing water using a solid polymer electrolyte membrane.

ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)の商品名で知られる高いプロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸膜に代表されるふっ素系電解質膜は化学的安定性に優れていることから燃料電池や水電解等の固体高分子電解質膜として、広く使用されている。   Perfluorosulfonic acid membrane with high proton conductivity known by the trade names Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) Fluorine-based electrolyte membranes represented by them are widely used as solid polymer electrolyte membranes for fuel cells and water electrolysis because of their excellent chemical stability.

また、食塩電解は固体高分子電解質膜を用いて塩化ナトリウム水溶液を電気分解することにより、水酸化ナトリウム、塩素と水素を製造するものである。この場合、固体高分子電解質膜は塩素と高温、高濃度の水酸化ナトリウム水溶液にさらされるので、これらに対する耐性の乏しい炭化水素系電解質膜を使用することができない。そのため、食塩電解用の固体高分子電解質膜には、一般に、塩素及び高温、高濃度の水酸化ナトリウム水溶液に対して耐性があり、さらに、発生するイオンの逆拡散を防ぐために表面に部分的にカルボン酸基を導入したパーフルオロスルホン酸膜が用いられている。   Moreover, salt electrolysis produces sodium hydroxide, chlorine, and hydrogen by electrolyzing a sodium chloride aqueous solution using a solid polymer electrolyte membrane. In this case, since the solid polymer electrolyte membrane is exposed to chlorine, high temperature, and high concentration sodium hydroxide aqueous solution, it is not possible to use a hydrocarbon electrolyte membrane having poor resistance to these. For this reason, solid polymer electrolyte membranes for salt electrolysis are generally resistant to chlorine and high-temperature, high-concentration sodium hydroxide aqueous solution, and in addition, partly on the surface to prevent back diffusion of generated ions. A perfluorosulfonic acid film into which a carboxylic acid group is introduced is used.

ところで、パーフルオロスルホン酸膜に代表されるふっ素系電解質は、C−F結合を有しているために化学的安定性が非常に大きく、上述した燃料電池用、水電解用、あるいは食塩電解用の固体高分子電解質膜の他、ハロゲン化水素酸電解用の固体高分子電解質膜としても用いられ、さらにはプロトン伝導性を利用して、湿度センサー、ガスセンサー、酸素濃縮器等にも広く応用されている。   By the way, a fluorine-based electrolyte typified by a perfluorosulfonic acid membrane has a very large chemical stability because it has a C—F bond, and is used for the fuel cell, water electrolysis, or salt electrolysis described above. In addition to these solid polymer electrolyte membranes, they are also used as solid polymer electrolyte membranes for hydrohalic acid electrolysis, and also widely applied to humidity sensors, gas sensors, oxygen concentrators, etc. using proton conductivity Has been.

しかしながら、ふっ素系電解質は製造が困難で、非常に高価であるという欠点がある。そのため、ふっ素系電解質膜は、宇宙用あるいは軍用の固体高分子型燃料電池等、限られた用途に用いられ、自動車用の低公害動力源としての固体高分子型燃料電池等、民生用への応用を困難なものとしていた。   However, the fluorine-based electrolyte has a drawback that it is difficult to manufacture and is very expensive. Therefore, fluorine-based electrolyte membranes are used in limited applications such as space or military polymer electrolyte fuel cells, and are used in consumer applications such as polymer electrolyte fuel cells as low-pollution power sources for automobiles. Application was difficult.

そこで、安価な固体高分子電解質膜として、エンジニアリングプラスチックに代表される芳香族炭化水素系高分子をスルホン酸化した電解質膜が提案された。(例えば、特許文献1、2、3、4、5参照)。これらエンジニアリングプラスチックをスルホン酸化した芳香族炭化水素系電解質膜をナフィオンに代表されるふっ素系電解質膜と比較すると、製造が容易で低コストという利点がある。しかし、耐酸化性という面で非常に弱いという欠点も有している。   Therefore, an electrolyte membrane obtained by sulfonating an aromatic hydrocarbon polymer represented by engineering plastics has been proposed as an inexpensive solid polymer electrolyte membrane. (For example, see Patent Documents 1, 2, 3, 4, and 5). An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane obtained by sulfonating these engineering plastics has an advantage of easy production and low cost when compared with a fluorine electrolyte membrane represented by Nafion. However, it has a drawback that it is very weak in terms of oxidation resistance.

非特許文献1によると、例えばスルホン酸化ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルホンはスルホン酸に隣接したエーテル部位から劣化すると報告している。このことから、スルホン酸の近傍に電子供与性基が存在すると、そこから酸化劣化が開始すると考えられる。そこで耐酸化性の向上を目的として、主鎖が電子吸引性基と芳香族環のみからなるスルホン酸化ポリフェニレンスルホンが提案され(特許文献6)、スルホン基の隣接部位にスルホン酸を導入したスルホン酸化ポリスルホンが提案された(非特許文献2)。   According to Non-Patent Document 1, it is reported that, for example, sulfonated polyether ether ketone and polyether sulfone deteriorate from an ether portion adjacent to sulfonic acid. From this, it is considered that when an electron donating group is present in the vicinity of the sulfonic acid, the oxidative degradation starts therefrom. Therefore, for the purpose of improving oxidation resistance, a sulfonated polyphenylenesulfone whose main chain is composed of only an electron-withdrawing group and an aromatic ring has been proposed (Patent Document 6), and sulfonated by introducing a sulfonic acid into a site adjacent to the sulfonate group. Polysulfone has been proposed (Non-Patent Document 2).

だが、特許文献7によると、芳香族炭化水素系電解質膜の劣化は酸化劣化以外にも、芳香族環に直接結合しているプロトン伝導性置換基であるスルホン酸基が、強酸、高温下において脱離してイオン伝導率が低下することも一因として考えられ、特許文献6や非特許文献2にあるようなスルホン酸化ポリフェニレンスルホンやスルホン酸化ポリスルホンではスルホン酸の脱離による劣化が避けられない。従って、プロトン伝導性置換基がスルホン酸であることは望ましくなく、特許文献7ではスルホン酸の代わりにアルキルスルホン酸を用いることを提案している。こちらはスルホン酸の脱離によるイオン伝導率の低下の改善には有効だが、使用する芳香族高分子の主鎖に電子供与性基が含まれ、耐酸化性に劣っている。   However, according to Patent Document 7, the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane is deteriorated not only by oxidative deterioration but also by a sulfonic acid group, which is a proton-conductive substituent directly bonded to the aromatic ring, under strong acid and high temperature. It is considered that the ionic conductivity is decreased due to desorption, and sulfonated polyphenylenesulfone and sulfonated polysulfone as described in Patent Document 6 and Non-Patent Document 2 cannot avoid deterioration due to sulfonic acid desorption. Therefore, it is not desirable that the proton conductive substituent is a sulfonic acid, and Patent Document 7 proposes to use an alkylsulfonic acid instead of the sulfonic acid. This is effective in improving the decrease in ionic conductivity due to elimination of sulfonic acid, but the main chain of the aromatic polymer used contains an electron-donating group, which is inferior in oxidation resistance.

一方、アゾール系ポリマーは耐熱性、耐薬品性に優れたポリマーとして燃料電池用固体電解質膜として期待される。
プロトン導電性を有するアゾール系ポリマーとして例えばスルホン化されたアゾール系ポリマーが報告されている(特許文献8)。しかしながら、上述のとおりポリマーを原料として芳香環上に導入されたスルホン酸基は酸または熱により脱スルホン酸反応が起こりやすく、燃料電池用電解質膜として使用するには耐久性が十分であるとは言えない。
On the other hand, azole polymers are expected as solid electrolyte membranes for fuel cells as polymers having excellent heat resistance and chemical resistance.
For example, a sulfonated azole polymer has been reported as an azole polymer having proton conductivity (Patent Document 8). However, as described above, a sulfonic acid group introduced onto an aromatic ring using a polymer as a raw material is likely to undergo a desulfonic acid reaction due to acid or heat, and is sufficiently durable to be used as an electrolyte membrane for a fuel cell. I can not say.

水酸基を有するアゾール系ポリマー及びその製造方法としては例えば非特許文献3に報告されている。また水酸基を有するアゾールポリマーフィルムのイオンインプランテーション品の伝導度測定の報告例がある(非特許文献4)。
しかしながら、これらのいずれにおいても水酸基をイオン伝導させる官能基として着目しているものはなく、いずれも燃料電池と使用する条件において十分耐久性を例示するものではなかった。
また高分子固体電解質膜の補強材料、すなわちイオン交換膜の支持膜としてポリベンザゾール系ポリマーを挙げている例としては特許文献9がある。
Non-patent document 3, for example, reports an azole polymer having a hydroxyl group and a method for producing the azole polymer. There is also a report example of conductivity measurement of an ion implantation product of an azole polymer film having a hydroxyl group (Non-Patent Document 4).
However, none of these has been focused on as a functional group for ion-conducting a hydroxyl group, and none of them has sufficiently exemplified durability under the conditions for use with a fuel cell.
Further, Patent Document 9 is an example in which a polybenzazole-based polymer is cited as a reinforcing material for a solid polymer electrolyte membrane, that is, a support membrane for an ion exchange membrane.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開平9−245818号公報JP-A-9-245818 特開平11−116679号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-116679 特表平11−510198号公報Japanese National Patent Publication No. 11-510198 特表平11−515040号公報Japanese National Patent Publication No. 11-515040 特開2000−80166号公報JP 2000-80166 A 特開2002−110174号公報JP 2002-110174 A 特開2002−146018号公報JP 2002-146018 A 特開2005−68396号公報JP 2005-68396 A 高分子論文集 Vol.59、No.8、460〜473頁Polymer Papers Vol. 59, no. 8, 460-473 pages Journal of Polymer Science : Part A : Polymer Chemistry, Vol. 34, 241-2438 (1996)Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 34, 241-2438 (1996) Polymer, 35 , (1994) 3091Polymer, 35, (1994) 3091

本発明の目的はイオン伝導性および耐酸化性に優れた固体高分子電解質を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte excellent in ion conductivity and oxidation resistance.

本発明は水酸基を有する剛直系複素環高分子及びプロトン導電性を有する高分子とからなる固体高分子電解質である。具体的には下記式(A)および(B)

Figure 0005080019
で表わされる繰り返し単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位からなり、0.5g/100mlの濃度のメタンスルホン酸溶液で25℃にて測定した還元粘度が0.05〜200dl/gである剛直系複素環高分子からなる層とプロトン導電性を有する高分子からなる層の積層体からなる固体高分子電解質であって、剛直系複素環高分子からなる層について、下記式(I)、(II)
Figure 0005080019
(φは配向軸に対してX線回折面がなす角で、Fは回折強度である。)
で算出される面内方向の配向度(f)が0〜0.3であり、厚み方向の配向度(f)が0.5〜1である固体高分子電解質である。本発明によりイオン伝導性および耐酸化性に優れた固体高分子電解質が提供できる。 The present invention is a solid polymer electrolyte comprising a rigid heterocyclic polymer having a hydroxyl group and a polymer having proton conductivity. Specifically, the following formulas (A) and (B)
Figure 0005080019
The reduced viscosity measured at 25 ° C. with a methanesulfonic acid solution having a concentration of 0.5 g / 100 ml is at least 0.05 to 200 dl / g, comprising at least one repeating unit selected from the group consisting of repeating units represented by A solid polymer electrolyte composed of a laminate of a layer composed of a certain rigid heterocyclic polymer and a layer composed of a proton-conducting polymer , wherein the layer composed of a rigid heterocyclic polymer is represented by the following formula (I ), (II)
Figure 0005080019
(Φ is the angle formed by the X-ray diffraction surface with respect to the orientation axis, and F is the diffraction intensity.)
Is a solid polymer electrolyte having an in-plane orientation degree (f) of 0 to 0.3 and a thickness direction orientation degree (f) of 0.5 to 1 . According to the present invention, a solid polymer electrolyte excellent in ion conductivity and oxidation resistance can be provided.

本発明により燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に用いられる電解質膜等に好適な耐酸化性等に優れた低コスト高耐久性固体高分子電解質を得ることができる。そして該高分子電解質を用いた燃料電池を得ることができる。   Low cost, high durability solid excellent in oxidation resistance and the like suitable for electrolyte membranes used in fuel cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors, etc. A polymer electrolyte can be obtained. A fuel cell using the polymer electrolyte can be obtained.

本発明はイオン伝導性および耐酸化性に優れた固体高分子電解質である。より好ましくは該固体高分子電解質は厚さが10〜200μmmのフィルム形状である。さらに好ましくは剛直系複素環高分子からなる層とプロトン導電性を有する高分子からなる層との積層体からなる固体高分子電解質である。   The present invention is a solid polymer electrolyte excellent in ion conductivity and oxidation resistance. More preferably, the solid polymer electrolyte is in the form of a film having a thickness of 10 to 200 μm. More preferred is a solid polymer electrolyte comprising a laminate of a layer made of a rigid heterocyclic polymer and a layer made of a polymer having proton conductivity.

<剛直系複素環高分子>
本発明における剛直系複素環高分子は、下記式(A)および(B)

Figure 0005080019
で表わされる繰り返し単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位からなり、0.5g/100mlの濃度のメタンスルホン酸溶液で25℃にて測定した還元粘度が0.05〜200dl/gである剛直系複素環高分子からなる固体高分子電解質である。 <Rigid heterocyclic polymers>
The rigid heterocyclic polymer in the present invention has the following formulas (A) and (B):
Figure 0005080019
The reduced viscosity measured at 25 ° C. with a methanesulfonic acid solution having a concentration of 0.5 g / 100 ml is at least 0.05 to 200 dl / g, comprising at least one repeating unit selected from the group consisting of repeating units represented by It is a solid polymer electrolyte composed of a certain rigid heterocyclic polymer.

<剛直系複素環高分子の製造方法>
上記の如き剛直系複素環高分子は、Polymer, 39 , (1998) 5981に報告されるような従来公知の技術によって良好な生産性で工業的に製造することができる。
<Method for producing rigid heterocyclic polymer>
The rigid heterocyclic polymers as described above can be industrially produced with good productivity by a conventionally known technique as reported in Polymer, 39, (1998) 5981.

すなわち下記式(C)

Figure 0005080019
で表わされる芳香族アミンおよびその強酸塩及び又は水和物よりなる群より選ばれる少なくとも1種と、下記式(D)
Figure 0005080019
(LはOH、ハロゲン原子、またはORで表される基であり、Rは炭素数6〜20の芳香族基である)
で表わされる芳香族ジカルボン酸類よりなる群から選ばれる少なくとも1種とを反応させる方法が好ましく挙げられる。 That is, the following formula (C)
Figure 0005080019
And at least one selected from the group consisting of aromatic amines and strong acid salts and / or hydrates thereof, and the following formula (D)
Figure 0005080019
(L is a group represented by OH, a halogen atom, or OR, and R is an aromatic group having 6 to 20 carbon atoms)
The method of making it react with at least 1 sort (s) chosen from the group which consists of aromatic dicarboxylic acid represented by these is preferable.

ここで強酸としては塩酸、燐酸、硫酸が好ましく挙げられる。
Rの芳香族基における水素原子のうち1つまたは複数が各々独立にフッ素、塩素、臭素等のハロゲン基;メチル基、エチル基、プロピル基、ヘキシル基等の炭素数1〜6のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の炭素数5〜10のシクロアルキル基;メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等のアルコキシカルボニル基等で置換されていてもよい。
Here, preferred examples of the strong acid include hydrochloric acid, phosphoric acid and sulfuric acid.
One or more of the hydrogen atoms in the aromatic group of R are each independently a halogen group such as fluorine, chlorine or bromine; an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group or a hexyl group; It may be substituted with a C5-C10 cycloalkyl group such as a cyclopentyl group or a cyclohexyl group; an alkoxycarbonyl group such as a methoxycarbonyl group or an ethoxycarbonyl group.

各モノマー(反応成分)のモル数が上記数式(1)
下記数式(1)
0.8≦(c)/(d) ≦1.2 (1)
(上記式中cは上記式(C)で表される芳香族アミン誘導体、dは上記式(D)で表される芳香族ジカルボン酸誘導体の各仕込みモル数である)
を同時に満たすことが好ましい。(c)/(d)が0.8より小さい場合や1.2より大きい場合には、重合度の十分なポリマーを得ることが困難である場合がある。(c)/(d)の下限としては、0.9以上が適当であり、より好ましくは0.93以上、さらに好ましくは0.95以上である。また、(c)/(d)の上限としては、1.1以下が適当であり、より好ましくは1.07以下、さらに好ましくは1.05以下である。従って、本発明における(c)/(d)の最適範囲は0.95≦(c)/(d)≦1.05ということができる。
The number of moles of each monomer (reaction component) is the above formula (1)
The following mathematical formula (1)
0.8 ≦ (c) / (d) ≦ 1.2 (1)
(Wherein c is the aromatic amine derivative represented by the above formula (C), and d is the number of moles charged for the aromatic dicarboxylic acid derivative represented by the above formula (D))
Are preferably satisfied simultaneously. When (c) / (d) is smaller than 0.8 or larger than 1.2, it may be difficult to obtain a polymer having a sufficient degree of polymerization. The lower limit of (c) / (d) is suitably 0.9 or more, more preferably 0.93 or more, and even more preferably 0.95 or more. Moreover, as an upper limit of (c) / (d), 1.1 or less is suitable, More preferably, it is 1.07 or less, More preferably, it is 1.05 or less. Therefore, it can be said that the optimum range of (c) / (d) in the present invention is 0.95 ≦ (c) / (d) ≦ 1.05.

反応は、溶媒中で行う反応、無溶媒の加熱溶融反応のいずれも採用できるが、例えば、後述する反応溶媒中で攪拌下に加熱反応させるのが好ましい。反応温度は、50℃から500℃が好ましく、100℃から350℃がさらに好ましい。50℃より温度が低いと反応が進まず、あるいは500℃より温度が高いと分解等の副反応が起こりやすくなるためである。反応時間は温度条件にもよるが、通常は1時間から数十時間である。反応は加圧下から減圧下で行うことができる。   For the reaction, either a reaction performed in a solvent or a solvent-free heating and melting reaction can be employed. For example, it is preferable to carry out a heating reaction in a reaction solvent described later with stirring. The reaction temperature is preferably 50 ° C to 500 ° C, more preferably 100 ° C to 350 ° C. This is because if the temperature is lower than 50 ° C., the reaction does not proceed, or if the temperature is higher than 500 ° C., side reactions such as decomposition tend to occur. Although the reaction time depends on temperature conditions, it is usually 1 hour to several tens of hours. The reaction can be carried out from under pressure to under reduced pressure.

反応は、通常、無触媒でも進行するが、必要に応じてエステル交換触媒を用いてもよい。本発明で用いるエステル交換触媒としては三酸化アンチモンといったアンチモン化合物、酢酸第一錫、塩化錫、オクチル酸錫、ジブチル錫オキシド、ジブチル錫ジアセテートといった錫化合物、酢酸カルシウムのようなアルカリ土類金属塩、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムのようなアルカリ金属塩等、亜リン酸ジフェニル、亜リン酸トリフェニル等の亜リン酸を例示することができる。   The reaction usually proceeds even without a catalyst, but a transesterification catalyst may be used if necessary. Examples of transesterification catalysts used in the present invention include antimony compounds such as antimony trioxide, stannous acetate, tin chloride, tin octylate, tin compounds such as dibutyltin oxide and dibutyltin diacetate, and alkaline earth metal salts such as calcium acetate. And phosphorous acid such as alkali metal salts such as sodium carbonate and potassium carbonate, diphenyl phosphite and triphenyl phosphite.

反応に際しては、必要に応じて溶媒を用いることが出来る。好ましい溶媒としては1―メチル―2−ピロリドン、1―シクロヘキシル−2―ピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルエーテル、ジフェニルスルホン、ジクロロメタン、クロロロホルム、テトラヒドロフラン、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、りん酸、ポリりん酸等を挙げることが出来るがこれに限定されるものではない。
剛直系複素環高分子の分解及び着色を防ぐため、反応は乾燥した不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましい。
In the reaction, a solvent can be used as necessary. Preferred solvents include 1-methyl-2-pyrrolidone, 1-cyclohexyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl ether, diphenyl sulfone, dichloromethane, chloroform, tetrahydrofuran, o-cresol, m-cresol, p-cresol, Although phosphoric acid, polyphosphoric acid, etc. can be mentioned, it is not limited to this.
In order to prevent decomposition and coloring of the rigid heterocyclic polymer, the reaction is desirably performed in a dry inert gas atmosphere.

このようにして製造される剛直系複素環高分子の還元粘度は、0.5g/100mlの濃度のメタンスルホン酸溶液で25℃にて測定した値が0.05〜200dl/gの範囲のものである。剛直系複素環高分子の還元粘度の好ましい範囲は1.0〜100dl/g、さらに好ましくは10〜80dl/g以下である。   The reduced viscosity of the rigid heterocyclic polymer thus produced has a value measured in a methanesulfonic acid solution having a concentration of 0.5 g / 100 ml at 25 ° C. in the range of 0.05 to 200 dl / g. It is. The preferable range of the reduced viscosity of the rigid heterocyclic polymer is 1.0 to 100 dl / g, more preferably 10 to 80 dl / g or less.

<プロトン導電性を有する高分子>
本発明で用いられるプロトン導電性を有する高分子は、たとえば、−SOHのようなイオン交換基を有しているモノマーの単重合体、ブロック共重合体、ランダム共重合体、−SOH基等イオン交換基を後処理を施し導入したもののような、プロトン導電性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸樹脂等が挙げられる。なかでもプロトン導電性を有する高分子がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂であることが好ましい。
<Polymer having proton conductivity>
The polymer having proton conductivity used in the present invention is, for example, a monomer homopolymer, block copolymer, random copolymer, or —SO 3 having an ion exchange group such as —SO 3 H. Examples thereof include perfluorocarbon sulfonic acid resins and polyether ether ketone sulfonic acid resins having proton conductivity such as those obtained by introducing an ion exchange group such as H group after post-treatment. In particular, the polymer having proton conductivity is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid resin.

<電解質膜>
本発明の固体高分子電解質は厚さが10〜200μmmのフィルム形状であることが好ましい。電解質膜の厚みは、より好ましくは30〜100μmである。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには200μmより薄い方が好ましい。厚みは、溶液キャスト法の場合、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御でき、プレス法の場合、溶液濃度あるいはプレスの圧力で制御できる。
<Electrolyte membrane>
The solid polymer electrolyte of the present invention preferably has a film shape with a thickness of 10 to 200 μm. The thickness of the electrolyte membrane is more preferably 30 to 100 μm. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 200 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance. The thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate in the case of the solution casting method, and can be controlled by the solution concentration or the pressure of the press in the case of the pressing method.

<複合体、積層体>
本発明の固体高分子電解質は、剛直系複素環高分子とプロトン導電性を有する高分子からなる。剛直系複素環高分子とプロトン導電性を有する高分子との組成物からなる固体高分子電解質であっても、剛直系複素環高分子からなる層とプロトン導電性を有する高分子からなる層との積層体であってもよい。組成物の場合は剛直系複素環高分子100重量部に対しプロトン導電性を有する高分子1〜800重量部、好ましくは3〜300重量部、さらには5〜100重量部であることが好ましい。積層体の場合は剛直系複素環高分子からなる層の片側、あるいは両側にプロトン導電性を有する高分子からなる層を設ければ良い。積層方法としては例えば公知のプレス法、ホットプレス法、キャスト法、スピンコーティング法、ラミネート法などが挙げられるがこれに限定されるものではない。
<Composite and laminate>
The solid polymer electrolyte of the present invention comprises a rigid heterocyclic polymer and a polymer having proton conductivity. Even a solid polymer electrolyte comprising a composition of a rigid heterocyclic polymer and a polymer having proton conductivity, a layer comprising a rigid heterocyclic polymer and a layer comprising a proton conducting polymer The laminated body may be sufficient. In the case of the composition, it is preferably 1 to 800 parts by weight, preferably 3 to 300 parts by weight, and more preferably 5 to 100 parts by weight of the polymer having proton conductivity with respect to 100 parts by weight of the rigid heterocyclic polymer. In the case of a laminate, a layer made of a polymer having proton conductivity may be provided on one side or both sides of a layer made of a rigid heterocyclic polymer. Examples of the lamination method include, but are not limited to, a known press method, hot press method, cast method, spin coating method, and laminate method.

<剛直系複素環高分子層>
電解質が積層体の場合、剛直系複素環高分子からなる層について、剛直系複素環高分子からなる層は、下記式(I)、(II)

Figure 0005080019
(φは配向軸に対してX線回折面がなす角で、Fは回折強度である。)
で算出される面内方向の配向度(f)が、好ましくは0〜0.3、より好ましくは0〜0.1である。また上記式(I)、(II)で同様に算出される厚み方向の配向度(f)が好ましくは0.5〜1、より好ましくは0.6〜1.0である。 <Rigid heterocyclic polymer layer>
When the electrolyte is a laminate, the layer made of a rigid heterocyclic polymer has the following formulas (I) and (II):
Figure 0005080019
(Φ is the angle formed by the X-ray diffraction surface with respect to the orientation axis, and F is the diffraction intensity.)
The degree of orientation (f) in the in-plane direction calculated by is preferably 0 to 0.3, more preferably 0 to 0.1. Further, the degree of orientation (f) in the thickness direction calculated in the same manner by the above formulas (I) and (II) is preferably 0.5 to 1, more preferably 0.6 to 1.0.

上記式(I)、(II)において、配向度(f)は、広角X線回折(WAX)測定より求めることができる。WAX測定は入射X線がMD(キャスト方向)軸に垂直で、かつフィルム表面に垂直な条件(Thru view)と、入射X線がMD軸に垂直で、かつフィルム表面に平行な条件(Edge view)について実施し、配向度fの見積りについてはHermansの取り扱いを採用する。   In the above formulas (I) and (II), the degree of orientation (f) can be determined by wide-angle X-ray diffraction (WAX) measurement. WAX measurement is performed under conditions where the incident X-ray is perpendicular to the MD (cast direction) axis and perpendicular to the film surface (Thru view), and the incident X-ray is perpendicular to the MD axis and parallel to the film surface (Edge view). ) And Hermans' handling is adopted for the estimation of the orientation degree f.

面内方向の配向度fはThru viewにおいて(110)回折面についてMDに対する方向余弦の2乗平均を式(I)に従って求め、これより配向度f(式(II))を算出することができる。また厚み方向の配向度fはEdge view において(200)回折面についてフィルム表面の法線方向に対する方向余弦の2乗平均を式(I)に従って求め、これより配向度f(式(II))を算出することができる。   The orientation degree f in the in-plane direction can be obtained by calculating the root mean square of the direction cosine with respect to the MD for the (110) diffraction surface in the Thru view according to the formula (I), and calculating the orientation degree f (formula (II)). . Also, the orientation degree f in the thickness direction is obtained by calculating the root mean square of the direction cosine with respect to the normal direction of the film surface with respect to the (200) diffraction plane in the edge view according to the formula (I). Can be calculated.

<膜の製造方法>
剛直系複素環高分子からなる層を製膜するには、(i) キャスト法若しくは(ii)プレス法で行うことが好ましい。
<Method for producing membrane>
In order to form a layer composed of a rigid heterocyclic polymer, it is preferable to carry out (i) a casting method or (ii) a pressing method.

(キャスト法)
キャスト法とは、剛直系複素環高分子および溶媒を含有するポリマー溶液(ドープ)をガラス板などの基板上に流延し、溶媒を除去することにより製膜する方法である。
溶媒は、剛直系複素環高分子を溶解し、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、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなど非プロトン極性溶媒や、ポリリン酸、メタンスルホン酸、硫酸、トリフルオロ酢酸などの強酸を用いることができる。
(Cast method)
The casting method is a method of forming a film by casting a polymer solution (dope) containing a rigid heterocyclic polymer and a solvent on a substrate such as a glass plate and removing the solvent.
The solvent is not particularly limited as long as it dissolves the rigid heterocyclic polymer and can be removed thereafter. N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2- Aprotic polar solvents such as pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and strong acids such as polyphosphoric acid, methanesulfonic acid, sulfuric acid, and trifluoroacetic acid can be used.

これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。また、溶解性を向上させる手段として、臭化リチウム、塩化リチウム、塩化アルミニウムなどのルイス酸を有機溶媒に添加したものを溶媒としてもよい。ドープ中の剛直系複素環高分子の濃度は、好ましくは0.1〜8重量%である。低すぎると成形性が悪化し、高すぎると加工性が悪化する。溶液キャスト法において、ドープ中の剛直系複素環高分子の濃度を所定の範囲にすることにより、面内方向の配向度の低い膜が得られる。   A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. As a means for improving the solubility, a solvent obtained by adding a Lewis acid such as lithium bromide, lithium chloride, or aluminum chloride to an organic solvent may be used. The concentration of the rigid heterocyclic polymer in the dope is preferably 0.1 to 8% by weight. If it is too low, the moldability will deteriorate, and if it is too high, the workability will deteriorate. In the solution casting method, by setting the concentration of the rigid heterocyclic polymer in the dope within a predetermined range, a film having a low degree of orientation in the in-plane direction can be obtained.

キャスト法として、ドクターブレード、バーコーター、アプリケーター等を用いドープを支持体にキャストし、溶媒を洗浄した後、フィルムを乾燥する方法を採用することが好ましい。乾燥温度としては、0℃〜200℃、好ましくは20℃〜150℃、さらには50℃〜80℃が利用できる。   As a casting method, it is preferable to employ a method in which a dope is cast on a support using a doctor blade, a bar coater, an applicator, etc., the solvent is washed, and then the film is dried. As drying temperature, 0 degreeC-200 degreeC, Preferably 20 degreeC-150 degreeC, Furthermore, 50 degreeC-80 degreeC can be utilized.

(プレス法)
剛直系複素環高分子は結晶性が高く、通常の押出製膜では、面内方向に等方性の膜が得られない。そのため、剛直系複素環高分子および溶媒を含有するドープを基板に挟み圧力をかけながら製膜することにより、面内方向に等方性の膜を得ることができる。溶媒はキャスト法と同じである。ドープ中の剛直系複素環高分子の濃度は、好ましくは0.1〜30重量%、より好ましくは0.5〜8重量%である。圧力は、好ましくは0.01〜1000MPa、より好ましくは1〜10MPaである。製膜時には加熱することが好ましい。加熱温度は好ましくは100〜300℃、好ましくは130〜250℃である。
(Pressing method)
Rigid heterocyclic polymers have high crystallinity, and ordinary extrusion film formation cannot provide an isotropic film in the in-plane direction. Therefore, an isotropic film can be obtained in the in-plane direction by sandwiching a dope containing a rigid heterocyclic polymer and a solvent between the substrates and applying pressure. The solvent is the same as in the casting method. The concentration of the rigid heterocyclic polymer in the dope is preferably 0.1 to 30% by weight, more preferably 0.5 to 8% by weight. The pressure is preferably 0.01 to 1000 MPa, more preferably 1 to 10 MPa. It is preferable to heat at the time of film formation. The heating temperature is preferably 100 to 300 ° C, preferably 130 to 250 ° C.

<ペレット>
固体高分子電解質は上述のフィルム形状の他、ペレットのような形状が挙げられる。ペレットの場合の製造方法としては例えば圧縮ロール方式、ブリケッテング方式、打錠方式等が挙げられる。より具体的には錠剤成形機や圧縮成形機を用いて造粒するのが好ましい。
<Pellets>
In addition to the above-mentioned film shape, the solid polymer electrolyte may have a pellet-like shape. Examples of the manufacturing method in the case of pellets include a compression roll method, a briquetting method, and a tableting method. More specifically, it is preferable to perform granulation using a tablet molding machine or a compression molding machine.

<膜/電極接合体>
本発明の膜/電極接合体は、本発明の電解質膜の両表面上に触媒電極を有する。触媒電極は、触媒金属の微粒子を導電材に担持したものである。触媒金属としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよい。例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、あるいはそれらの合金が挙げられる。特に白金が多くの場合、用いられる。触媒金属の粒径は、通常は10〜300オングストロームである。
<Membrane / electrode assembly>
The membrane / electrode assembly of the present invention has catalyst electrodes on both surfaces of the electrolyte membrane of the present invention. The catalyst electrode is one in which fine particles of catalyst metal are supported on a conductive material. The catalyst metal may be any metal as long as it promotes a hydrogen oxidation reaction and an oxygen reduction reaction. For example, platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, or an alloy thereof can be given. In particular, platinum is often used. The particle size of the catalytic metal is usually 10 to 300 angstroms.

導電材は電子伝導性物質であれば良い。導電材として、各種金属や炭素材料などが挙げられる。炭素材料としては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられる。これらは単独あるいは混合して使用される。触媒金属の担持量は電極が成形された状態で0.01〜10mg/cmが好ましい。 The conductive material may be an electron conductive material. Examples of the conductive material include various metals and carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, and graphite. These may be used alone or in combination. The amount of catalyst metal supported is preferably 0.01 to 10 mg / cm 2 in a state where the electrode is molded.

これら導電材に触媒金属を担持させる方法としては、触媒金属を還元法により導電材の表面に析出させる方法や、溶剤に触媒金属を懸濁させ、これを導電材表面に塗布する方法などがある。   As a method of supporting the catalyst metal on these conductive materials, there are a method of depositing the catalyst metal on the surface of the conductive material by a reduction method, a method of suspending the catalyst metal in a solvent, and applying this to the surface of the conductive material. .

(燃料電池)
本発明の固体高分子電解質は燃料電池に好ましく用いられる。本発明の燃料電池は、膜/電極接合体の外側にセパレータと呼ばれる燃料流路もしくは酸化剤流路を形成する溝付きの集電体を配したものを単セルとし、この様な単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより構成される。
(Fuel cell)
The solid polymer electrolyte of the present invention is preferably used for a fuel cell. In the fuel cell of the present invention, a single cell is formed by arranging a current collector with a groove forming a fuel channel or an oxidant channel called a separator on the outside of the membrane / electrode assembly. It is configured by laminating a plurality via a cooling plate or the like.

燃料電池は、膜/電極接合体の外側にセパレータと呼ばれる燃料流路もしくは酸化剤流路を形成する溝付きの集電体を配したものを単セルとし、この様な単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより構成される。燃料電池は高い温度で作動させる方が電極の触媒活性が上がり電極過電圧が減少するため望ましいが、電解質膜は水分がないと機能しないため、水分管理が可能な温度で作動させる必要がある。燃料電池の作動温度の好ましい範囲は室温〜100℃である。   A fuel cell has a single cell in which a grooved current collector that forms a fuel flow path or an oxidant flow path called a separator is disposed on the outside of a membrane / electrode assembly, and a plurality of such single cells, It is configured by stacking via a cooling plate or the like. It is desirable to operate the fuel cell at a high temperature because the catalytic activity of the electrode increases and the electrode overvoltage decreases. However, since the electrolyte membrane does not function without moisture, it needs to be operated at a temperature at which moisture management is possible. The preferable range of the operating temperature of the fuel cell is from room temperature to 100 ° C.

膜/電極接合体は、電解質膜の両側に触媒電極を有する。触媒電極は、触媒金属の微粒子を導電材に担持することで作成できる。触媒電極に使用される触媒金属としては、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、あるいはそれらの合金が挙げられる。特に白金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は10〜300オングストロームである。これらの触媒はカーボン等の担体に付着させた方が触媒の使用量が少なくコスト的に有利である。触媒の担持量は電極が成形された状態で0.01〜10mg/cm2が好ましい。 The membrane / electrode assembly has catalyst electrodes on both sides of the electrolyte membrane. The catalyst electrode can be prepared by supporting catalyst metal fine particles on a conductive material. The catalyst metal used for the catalyst electrode may be any metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. For example, platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron , Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, or alloys thereof. In particular, platinum is often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are attached to a carrier such as carbon, the amount of the catalyst used is small and advantageous in terms of cost. The amount of the catalyst supported is preferably 0.01 to 10 mg / cm 2 with the electrode formed.

導電材としては、電子伝導性物質であればいずれのものでも良く、例えば各種金属や炭素材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられ、これらが単独あるいは混合して使用される。   As the conductive material, any material can be used as long as it is an electron conductive material, and examples thereof include various metals and carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like, and these are used alone or in combination.

これら導電材に触媒金属を担持させる方法としては、触媒金属を還元法により導電材(主に炭素材料の場合に使用)の表面に析出させる方法や、溶剤に触媒金属を懸濁させ、これを導電材表面に塗布する方法などがある。   As a method for supporting the catalyst metal on these conductive materials, the catalyst metal is deposited on the surface of the conductive material (mainly used in the case of carbon materials) by a reduction method, or the catalyst metal is suspended in a solvent. There is a method of applying to the surface of a conductive material.

膜/電極接合体は、スペーサー構造を挟んだスルホン酸もしくはスペーサー構造を挟んだスルホンアミド化スルホン酸を導入したPPSO系高分子を電解質膜作成に使用した溶媒に溶解させた溶液を触媒電極層に塗布し、電解質膜と接合させることで作成する。   In the membrane / electrode assembly, a solution obtained by dissolving a PPSO polymer into which a sulfonic acid sandwiching a spacer structure or a sulfonamidated sulfonic acid sandwiching a spacer structure is dissolved in a solvent used for forming an electrolyte membrane is used as a catalyst electrode layer. It is created by applying and bonding to the electrolyte membrane.

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらによっていささかも限定されるものではない。なお、以下の実施例における各測定値は次の方法により求めた値である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these. In addition, each measured value in the following examples is a value obtained by the following method.

[還元粘度]
0.5g/100mlの濃度のメタンスルホン酸溶液で25℃にて測定した値である。
[Reduced viscosity]
It is a value measured at 25 ° C. with a methanesulfonic acid solution having a concentration of 0.5 g / 100 ml.

[イオン伝導度測定]
(フィルム、積層体)
サンプル膜を、電気化学インピーダンス測定装置(ソーラトロン製、SI1287)を用いて周波数0.1Hz〜65kHzの領域で4端子インピーダンス測定をし、イオン伝導度を測定した。測定は1.5cm×3cmの短冊状のサンプルを湿度90%の雰囲気下、75℃に保持して行った。
(ペレット)
得られたペレットの両面を電極ではさみ電気化学インピーダンス測定装置(ソーラトロン製、SI1287)を用いて周波数0.1Hz〜65kHzの領域で湿度90%の雰囲気下、75℃に保持して行った。
[Ion conductivity measurement]
(Film, laminate)
The sample membrane was subjected to a four-terminal impedance measurement in an area of a frequency of 0.1 Hz to 65 kHz using an electrochemical impedance measuring device (manufactured by Solartron, SI1287), and ion conductivity was measured. The measurement was performed by holding a 1.5 cm × 3 cm strip sample at 75 ° C. in an atmosphere of 90% humidity.
(pellet)
Both sides of the obtained pellet were sandwiched between electrodes, and an electrochemical impedance measuring device (manufactured by Solartron, SI1287) was used to hold at 75 ° C. in an atmosphere of 90% humidity in a frequency range of 0.1 Hz to 65 kHz.

[耐酸化性試験]
0.5mgのサンプル膜を、60℃に加熱したフェントン試薬(鉄40ppmを含む)に浸漬させ、サンプルがフェントン試薬に溶解するに至る時間を求めた。フェントン試薬は、30重量%過酸化水素水20gに硫酸鉄7水和物1.9mgを添加し調製した。
[Oxidation resistance test]
A 0.5 mg sample film was immersed in a Fenton reagent (containing 40 ppm of iron) heated to 60 ° C., and the time required for the sample to dissolve in the Fenton reagent was determined. The Fenton reagent was prepared by adding 1.9 mg of iron sulfate heptahydrate to 20 g of 30 wt% aqueous hydrogen peroxide.

[配向度]
広角X線回折(WAX)測定には理学電気製ROTA FLEX RU200BよりConfocal Mirrorで単色化したCuKαを用い、透過法による回折X線をカメラ長95mmでイメージングプレートに記録した。WAX測定サンプルとして、フィルムをMD(キャスト方向)軸が揃うように長さ(//MD)6.5mm×幅2mmの短冊状にカットし、これらを積層することにより厚み1.5mmの積層サンプルを準備した。WAX測定における、この積層サンプルの配置条件は、入射X線がMD軸に垂直で、かつフィルム表面に垂直な条件(Thru view)と、入射X線がMD軸に垂直で、かつフィルム表面に平行な条件(Edge view)について実施し、配向度fの見積りについては、Hermansの取り扱いを採用した。面内方向の配向度fはThru viewにおいて(110)回折面についてMDに対する方向余弦の2乗平均を式(I)に従って求め、これより配向度f(式(II))を算出した。また厚み方向の配向度fはEdge view において(200)回折面についてフィルム表面の法線方向に対する方向余弦の2乗平均を式(I)に従って求め、これより配向度f(式(II))を算出した。

Figure 0005080019
(φは配向軸に対してX線回折面がなす角で、Fは回折強度である。) [Orientation]
For wide-angle X-ray diffraction (WAX) measurement, CuKα monochromatized with Confocal Mirror from ROTA FLEX RU200B manufactured by Rigaku Denki was used, and diffraction X-rays by transmission method were recorded on an imaging plate with a camera length of 95 mm. As a WAX measurement sample, the film is cut into strips of length (// MD) 6.5 mm × width 2 mm so that the MD (cast direction) axes are aligned, and a laminated sample having a thickness of 1.5 mm is formed by laminating them. Prepared. In the WAX measurement, the laminated sample is arranged under the conditions that the incident X-ray is perpendicular to the MD axis and perpendicular to the film surface (Thru view), and the incident X-ray is perpendicular to the MD axis and parallel to the film surface. This was carried out under various conditions (Edge view), and Hermans' handling was adopted for estimating the orientation degree f. The orientation degree f in the in-plane direction was obtained by calculating the root mean square of the direction cosine with respect to the MD for the (110) diffraction plane in Thru view according to the formula (I), and calculating the orientation degree f (formula (II)). Also, the orientation degree f in the thickness direction is obtained by calculating the root mean square of the direction cosine with respect to the normal direction of the film surface with respect to the (200) diffraction plane in the edge view according to the formula (I). Calculated.
Figure 0005080019
(Φ is the angle formed by the X-ray diffraction surface with respect to the orientation axis, and F is the diffraction intensity.)

[燃料電池単セル性能評価]
膜/電極接合体を評価セルに組み込み、燃料電池出力性能を評価した。反応ガスには、水素/酸素を用い、共に1気圧の圧力にて、70℃の水バブラーを通して加湿した後、評価セルに供給した。ガス流量は水素60ml/分、酸素40ml/分、セル温度は75℃とした。電池出力性能は、H201B充放電装置(北斗電工製)により評価した。
[Fuel cell single cell performance evaluation]
The membrane / electrode assembly was incorporated into an evaluation cell, and the fuel cell output performance was evaluated. Hydrogen / oxygen was used as a reaction gas, and both were humidified through a water bubbler at 70 ° C. at a pressure of 1 atm, and then supplied to the evaluation cell. The gas flow rate was 60 ml / min for hydrogen, 40 ml / min for oxygen, and the cell temperature was 75 ° C. The battery output performance was evaluated by an H201B charge / discharge device (made by Hokuto Denko).

[参考例1](モノマー合成1)
2,3,5,6−テトラアミノピリジン三塩酸塩1水和物17.772重量部を、窒素で脱気した水100重量部に溶解した。2,5−ジヒドロキシテレフタル酸13.208重量部を、1M水酸化ナトリウム水溶液137重量部に溶解し窒素で脱気した。2,3,5,6−テトラアミノピリジン三塩酸塩1水和物溶液を、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸二ナトリウム塩水溶液に10分間かけて滴下し、24.3重量部のポリりん酸と35重量部の窒素で脱気した水を加え1重量部の酢酸を加え得られた塩を、ろ過し、窒素で脱気した水3000重量部に分散混合し、再度ろ過を行った。この分散混合、ろ過操作を3回繰り返し行い2,3,5,6−テトラアミノピリジン/2,5−ジヒドロキシテレフタル酸塩を得た。
[Reference Example 1] (Monomer Synthesis 1)
17.772 parts by weight of 2,3,5,6-tetraaminopyridine trihydrochloride monohydrate was dissolved in 100 parts by weight of water deaerated with nitrogen. 13.208 parts by weight of 2,5-dihydroxyterephthalic acid was dissolved in 137 parts by weight of 1M aqueous sodium hydroxide solution and degassed with nitrogen. 2,3,5,6-tetraaminopyridine trihydrochloride monohydrate solution was dropped into 2,5-dihydroxyterephthalic acid disodium salt aqueous solution over 10 minutes, and 24.3 parts by weight of polyphosphoric acid and The salt obtained by adding water degassed with 35 parts by weight of nitrogen and adding 1 part by weight of acetic acid was filtered, dispersed and mixed in 3000 parts by weight of water degassed with nitrogen, and filtered again. This dispersion mixing and filtration operation was repeated three times to obtain 2,3,5,6-tetraaminopyridine / 2,5-dihydroxyterephthalate.

[参考例2](ポリマーの重合)
参考例1にて得られた2,3,5,6−テトラアミノピリジン/2,5−ジヒドロキシテレフタル酸塩22.88重量部にポリりん酸62.54重量部、5酸化りん14.76重量部を加え100℃にて1時間攪拌混合した。その後2時間かけ140℃に昇温し140℃にて1時間攪拌を行った。その後1時間かけて180℃に昇温し180℃にて5時間反応を行い、ポリマードープを得た。偏光顕微鏡による測定の結果このポリマードープは液晶性を示した。このドープを水にて再沈殿し洗浄する事によってポリマーを得た。得られたポリマーの還元粘度は15dl/gであった。
[Reference Example 2] (Polymer polymerization)
22.88 parts by weight of 2,3,5,6-tetraaminopyridine / 2,5-dihydroxyterephthalate obtained in Reference Example 1, 62.54 parts by weight of polyphosphoric acid, 14.76 parts by weight of phosphorus pentoxide The mixture was added and stirred at 100 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised to 140 ° C. over 2 hours and stirred at 140 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature was raised to 180 ° C. over 1 hour, and the reaction was carried out at 180 ° C. for 5 hours to obtain a polymer dope. As a result of measurement with a polarizing microscope, this polymer dope exhibited liquid crystallinity. The dope was reprecipitated with water and washed to obtain a polymer. The polymer obtained had a reduced viscosity of 15 dl / g.

[実施例1](キャストフィルムの作成)
参考例2にて再沈殿して得られたポリマー1重量部をメタンスルホン酸100重量部に溶解させポリマードープを得た。得られたポリマードープをドクターナイフにて流延し膜厚15μmのキャストフィルムを得た。このフィルムを膜厚170μmのDu Pont社製Nafionフィルムにて両面を挟みイオン伝導度及び耐酸化性を測定した。
[Example 1] (Creation of cast film)
1 part by weight of the polymer obtained by reprecipitation in Reference Example 2 was dissolved in 100 parts by weight of methanesulfonic acid to obtain a polymer dope. The obtained polymer dope was cast with a doctor knife to obtain a cast film having a film thickness of 15 μm. The film was sandwiched on both sides by a Du Pont Nafion film having a film thickness of 170 μm, and the ionic conductivity and oxidation resistance were measured.

[実施例2](ペレットの作成)
参考例2のポリマーをIR錠剤機にて500kgf/cmの圧力を1分間印加してペレットに成型した。このペレットをAldrich社製Nafion perfluorinated solution に1分間浸漬し、8時間120℃で乾燥させ、フィルムを得た。このペレットのイオン伝導度及び耐酸化性を測定した。
[Example 2] (Preparation of pellets)
The polymer of Reference Example 2 was molded into pellets by applying a pressure of 500 kgf / cm 2 for 1 minute with an IR tablet machine. The pellets were immersed in Nadion perfluorinated solution manufactured by Aldrich for 1 minute and dried at 120 ° C. for 8 hours to obtain a film. The ionic conductivity and oxidation resistance of this pellet were measured.

Figure 0005080019
Figure 0005080019

[実施例3](触媒電極層、膜/電極接合体、燃料電池の作製)
40重量%の白金担持カーボンに、上述の実施例1で用いたメタンスルホン酸溶液を、白金担持カーボンと高分子電解質との重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極触媒被覆用溶液)を調整した。この電極触媒被覆用溶液を実施例1で得られた電解質膜の両側に塗布した後、水洗乾燥して白金担持量0.25mg/cmの膜/電極接合体を作製した。これを用いて、燃料電池単セル性能評価をしたところ40mWの出力を示した。
[Example 3] (Production of catalyst electrode layer, membrane / electrode assembly, fuel cell)
The methanesulfonic acid solution used in Example 1 described above was added to 40% by weight of platinum-supported carbon so that the weight ratio of platinum-supported carbon and polymer electrolyte was 2: 1 and dispersed uniformly. A paste (electrocatalyst coating solution) was prepared. This electrode catalyst coating solution was applied to both sides of the electrolyte membrane obtained in Example 1, then washed with water and dried to prepare a membrane / electrode assembly having a platinum loading of 0.25 mg / cm 2 . When this was used to evaluate the performance of a single fuel cell, an output of 40 mW was shown.

本発明の電解質膜は、燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に用いることができる。   The electrolyte membrane of the present invention can be used in fuel cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors, and the like.

Claims (6)

下記式(A)および(B)
Figure 0005080019
で表わされる繰り返し単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位からなり、0.5g/100mlの濃度のメタンスルホン酸溶液で25℃にて測定した還元粘度が0.05〜200dl/gである剛直系複素環高分子からなる層とプロトン導電性を有する高分子からなる層の積層体からなる固体高分子電解質であって、剛直系複素環高分子からなる層について、下記式(I)、(II)
Figure 0005080019
(φは配向軸に対してX線回折面がなす角で、Fは回折強度である。)
で算出される面内方向の配向度(f)が0〜0.3であり、厚み方向の配向度(f)が0.5〜1である固体高分子電解質。
The following formulas (A) and (B)
Figure 0005080019
The reduced viscosity measured at 25 ° C. with a methanesulfonic acid solution having a concentration of 0.5 g / 100 ml is at least 0.05 to 200 dl / g, comprising at least one repeating unit selected from the group consisting of repeating units represented by A solid polymer electrolyte composed of a laminate of a layer composed of a certain rigid heterocyclic polymer and a layer composed of a proton-conducting polymer , wherein the layer composed of a rigid heterocyclic polymer is represented by the following formula (I ), (II)
Figure 0005080019
(Φ is the angle formed by the X-ray diffraction surface with respect to the orientation axis, and F is the diffraction intensity.)
A solid polymer electrolyte having an in-plane orientation degree (f) of 0 to 0.3 and a thickness direction orientation degree (f) of 0.5 to 1 calculated in (1).
厚さが10〜200μmmのフィルム形状である請求項1に記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1, which has a film shape with a thickness of 10 to 200 μm. プロトン導電性を有する高分子がパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂である請求項1または2に記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the polymer having proton conductivity is a perfluorocarbon sulfonic acid resin. 燃料電池用である請求項1〜のいずれかに記載の固体高分子電解質。 The solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3 , which is used for a fuel cell. 請求項2〜のいずれかに記載の固体高分子電解質およびその両表面に配置された触媒電極からなる膜/電極接合体。 A membrane / electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte according to any one of claims 2 to 4 and a catalyst electrode disposed on both surfaces thereof. 請求項記載の膜/電極接合体を有する燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane / electrode assembly according to claim 5 .
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