JP5188025B2 - POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL - Google Patents

POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池好ましくは固体高分子型直接型メタノール燃料電池に用いられる高分子電解質膜、並びに該高分子電解質膜を使用した膜−電極接合体及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, preferably a solid polymer direct methanol fuel cell, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, and a fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、イオン伝導性を有する高分子電解質膜の両側に、白金属の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるイオン伝導性バインダーとを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス(例えば空気)を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極(燃料極)に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   A polymer electrolyte fuel cell is generally configured as follows. First, catalyst layers containing carbon powder carrying a white metal catalyst and an ion conductive binder made of a polymer electrolyte are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane having ion conductivity. A gas diffusion layer, which is a porous material through which fuel gas and oxidant gas are passed, is formed outside each catalyst layer. Carbon paper, carbon cloth, or the like is used as the gas diffusion layer. A structure in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes is bonded to the electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly ( MEA (Membrane Electrode Assembly). On both sides of this membrane-electrode assembly, separators having electrical conductivity and airtightness are disposed. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas (for example, air) to the electrode surface is formed in a contact portion of the membrane-electrode assembly and the separator or in the separator. Electric power is generated by supplying a fuel gas such as hydrogen or methanol to one electrode (fuel electrode) and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode). That is, at the fuel electrode, the fuel is ionized to produce protons and electrons, the protons pass through the electrolyte membrane, the electrons travel through an external electric circuit formed by connecting both electrodes, and are sent to the oxygen electrode, Water is produced by the reaction. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

固体高分子型燃料電池、特にメタノールを改質せずに直接燃料電池の陽極に供給する直接型メタノール燃料電池では、これまで電解質膜に膜厚が約175μmのナフィオン(Nafion)117(デュポン社の登録商標。以下同様)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜が一般的に用いられており、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯機器電源としての開発が進められている。これらの電解質膜は、膜のイオン伝導度が高いという特徴を有するが、燃料であるメタノールが一方の電極側から他方の電極側へ電解質膜を透過してしまう現象(メタノールクロスオーバー)が生じやすく、そのため、発電効率が低くなることが指摘されている。   In a solid polymer fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell that directly supplies methanol to the anode of the fuel cell without reforming, Nafion 117 (DuPont's) having a thickness of about 175 μm has been used for the electrolyte membrane. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes typified by registered trademarks (the same applies hereinafter) are generally used and are being developed as power sources for portable devices such as mobile phones and laptop computers. These electrolyte membranes have a feature that the ionic conductivity of the membrane is high, but the phenomenon that methanol as a fuel permeates the electrolyte membrane from one electrode side to the other electrode side (methanol crossover) easily occurs. Therefore, it has been pointed out that the power generation efficiency is lowered.

そこで、メタノールの透過性の小さい非パーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜が検討されている(特許文献1、特許文献2、非特許文献1)。
特許文献1、特許文献2に記載されている、エンジニアリングプラスチック系高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜と異なり、イオンチャンネルを形成しにくいため、メタノール透過性を低減することが可能である。しかしながら、膜の電気抵抗が高い傾向にあるという欠点を有しており、またイオン基導入量を高くして膜の電気抵抗を小さくすると膨潤しやすくなる傾向にある。また、電極との接合不良がおきやすいという欠点も知られている。したがって、エンジニアリングプラスチック系高分子電解質膜は直接型メタノール燃料電池に使用する電解質膜として十分な性能を発現できていないのが現状である。
Therefore, non-perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes having low methanol permeability have been studied (Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1).
Unlike the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane, the engineering plastic polymer electrolyte membrane described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 is unlikely to form an ion channel, so that methanol permeability can be reduced. Is possible. However, there is a drawback that the electric resistance of the film tends to be high, and when the amount of ion group introduction is increased to reduce the electric resistance of the film, the film tends to swell. There is also a known defect that bonding failure with an electrode is likely to occur. Therefore, the present situation is that engineering plastic polymer electrolyte membranes do not exhibit sufficient performance as electrolyte membranes used in direct methanol fuel cells.

非特許文献1に記載されているスルホン化したポリスチレン−b−ポリイソブチレン−b−ポリスチレントリブロック共重合体(スルホン化SiBuS)もパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜に比べてメタノールバリア性が高いことが記載されているが、直接型メタノール燃料電池用として満足できる性能を有する電解質膜は未だ得られていないのが現状である。
特開2003−288916号公報 特開2003−331868号公報 J. Membrane Science 217(2003)227
The sulfonated polystyrene-b-polyisobutylene-b-polystyrene triblock copolymer (sulfonated SiBuS) described in Non-Patent Document 1 also has a higher methanol barrier property than the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane. However, an electrolyte membrane having satisfactory performance for a direct methanol fuel cell has not yet been obtained.
JP 2003-288916 A JP 2003-331868 A J. Membrane Science 217 (2003) 227

本発明の目的は、高いイオン伝導度、優れたメタノールバリア性及び電極との良好な接合性を兼ね備えた高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane having high ionic conductivity, excellent methanol barrier property and good bonding property with an electrode, and a membrane-electrode assembly and a solid polymer fuel using the electrolyte membrane. To provide a battery.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特定のブロック共重合体からなるかもしくはこれを主成分として含有する電解質膜である電解質膜が上記課題を解決し得るものであることを見出し、本発明を完成した。
すなわち本発明は、α−炭素原子に結合した水素原子が非置換であるか炭素数1〜4のアルキル基で置換され、かつ、芳香環に直接結合した水素原子の少なくとも1つが炭素数1〜8のアルキル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位を繰返し単位として有する重合体ブロック(A)及び柔軟な重合体ブロック(B)を構成成分とし、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有するブロック共重合体を含有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜に関する。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention can solve the above-described problems by an electrolyte film that is an electrolyte film made of a specific block copolymer or containing this as a main component. As a result, the present invention was completed.
That is, in the present invention, the hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is unsubstituted or substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and at least one of the hydrogen atoms directly bonded to the aromatic ring is 1 to 1 carbon atom. The polymer block (A) having a vinyl aromatic compound unit substituted with 8 alkyl groups as a repeating unit and the flexible polymer block (B) are constituents, and the polymer block (A) has an ion conductive group. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a block copolymer having

上記ブロック共重合体において、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。また、重合体ブロック(B)の存在により、ブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。フレキシブルな重合体ブロック(B)はアルケン単位や共役ジエン単位などから構成される。また、イオン伝導性基はスルホン酸基及びホスホン酸基並びにそれらの塩を包含し、重合体ブロック(A)に結合している。
本発明はまた、上記電解質膜を用いた膜−電極接合体及び燃料電池に関する。
In the block copolymer, the polymer block (A) and the polymer block (B) undergo microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) are aggregated. In addition, since the polymer block (A) has an ion conductive group, an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons. Further, the presence of the polymer block (B) makes the block copolymer elastic and flexible as a whole, and formability (assembly property, bonding property) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. Performance, tightenability, etc.). The flexible polymer block (B) is composed of an alkene unit or a conjugated diene unit. The ion conductive group includes a sulfonic acid group and a phosphonic acid group and salts thereof, and is bonded to the polymer block (A).
The present invention also relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the above electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜は経済的で、環境に優しく、高イオン伝導度と優れたメタノールバリア性を兼ね備えており、固体高分子型燃料電池、特に直接型メタノール燃料電池において優れた性能を発揮する。本発明の高分子電解質膜は、また、接合性及び成形性に優れる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is economical, environmentally friendly, combines high ionic conductivity and excellent methanol barrier properties, and exhibits excellent performance in solid polymer fuel cells, particularly direct methanol fuel cells. To do. The polymer electrolyte membrane of the present invention is also excellent in bondability and moldability.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は、α−炭素原子に結合した水素原子が非置換であるか炭素数1〜4のアルキル基で置換され、かつ、芳香環に直接結合した水素原子の少なくとも1つが炭素数1〜8のアルキル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位(以下、該芳香族ビニル系化合物を芳香族ビニル系化合物(a)、該芳香族ビニル系化合物単位を芳香族ビニル系化合物(a)単位という場合がある)を繰返し単位として有し、かつ、少なくとも1つのイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)を構成成分とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention, the hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is unsubstituted or substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and is directly bonded to the aromatic ring. An aromatic vinyl compound unit in which at least one hydrogen atom is substituted with an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms (hereinafter, the aromatic vinyl compound is referred to as an aromatic vinyl compound (a), the aromatic vinyl compound). A polymer block (A) having a unit as a repeating unit (sometimes referred to as an aromatic vinyl compound (a) unit) and having at least one ion-conducting group is a constituent component.

上記で、炭素数1〜4のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tert−ブチル基等が挙げられ、炭素数1〜8のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、tert−ブチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。α−炭素原子に結合するアルキル基としてはメチル基、エチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。芳香環に直接結合するアルキル基としては炭素数1〜6のアルキル基が好ましく、炭素数1〜4のアルキル基がより好ましい。また、上記芳香環は炭素環式芳香環であるのが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等が挙げられる。上記で置換するアルキル基の数は1〜3個であるのが好ましい。芳香族ビニル系化合物(a)の好適な具体例としてはp−メチルスチレン、4−tert−ブチルスチレン、α,p−ジメチルスチレン、o,p−ジメチルスチレン等が挙げられる。   In the above, examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, and a tert-butyl group, and examples of the alkyl group having 1 to 8 carbon atoms include methyl Group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, tert-butyl group, neopentyl group, hexyl group, heptyl group, 2-ethylhexyl group and the like. The alkyl group bonded to the α-carbon atom is preferably a methyl group or an ethyl group, and more preferably a methyl group. The alkyl group directly bonded to the aromatic ring is preferably an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and more preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. The aromatic ring is preferably a carbocyclic aromatic ring, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, and a pyrene ring. The number of alkyl groups substituted above is preferably 1 to 3. Preferable specific examples of the aromatic vinyl compound (a) include p-methylstyrene, 4-tert-butylstyrene, α, p-dimethylstyrene, o, p-dimethylstyrene and the like.

芳香族ビニル系化合物(a)は各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。
重合体ブロック(A)は芳香族ビニル系化合物単位(a)以外に他の芳香族ビニル系化合物単位を含んでいてもよい。他の芳香族ビニル系化合物としては、例えばスチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、α−メチルビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等が挙げられる。
2種以上の芳香族ビニル系化合物(a)を共重合させる場合や芳香族ビニル系化合物(a)と他の芳香族ビニル系化合物とを共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
The aromatic vinyl compound (a) may be used alone or in combination of two or more.
The polymer block (A) may contain another aromatic vinyl compound unit in addition to the aromatic vinyl compound unit (a). Examples of other aromatic vinyl compounds include styrene, α-methylstyrene, vinylnaphthalene, α-methylvinylnaphthalene, vinylanthracene, and vinylpyrene.
When copolymerizing two or more kinds of aromatic vinyl compounds (a) or when copolymerizing aromatic vinyl compounds (a) with other aromatic vinyl compounds, random copolymer or block copolymer may be used. However, it may be graft copolymerization or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で、1種もしくは複数の、芳香族ビニル系化合物単位以外の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体単位を与える単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と芳香族ビニル系化合物以外の他の単量体との共重合形態は、ミクロ相分離を起こさせるため、ランダム共重合である必要がある。   The polymer block (A) may contain one or more monomer units other than the aromatic vinyl compound unit within a range not impairing the effects of the present invention. Examples of the monomer that gives such other monomer units include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as those in the description of the polymer block (B) described later), and alkenes having 2 to 8 carbon atoms. (Specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described later), (meth) acrylate esters (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl Examples include esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The form of copolymerization of the aromatic vinyl compound and other monomers other than the aromatic vinyl compound needs to be random copolymerization in order to cause microphase separation.

重合体ブロック(A)中の芳香族ビニル系化合物(a)単位は、イオンチャンネルを形成させるため及びメタノールクロスオーバーを抑制するために、重合体ブロック(A)の10質量%以上を占めることが好ましく、15質量%以上を占めることがより好ましく、20質量%以上を占めることがより一層好ましい。また、重合体ブロック(A)中の芳香族ビニル系化合物単位以外の他の単量体単位の含有量は50質量%以下であるのが好ましく、30質量%以下であるのがより好ましく、10質量%以下であるのがより一層好ましい。   The aromatic vinyl compound (a) unit in the polymer block (A) may occupy 10% by mass or more of the polymer block (A) in order to form an ion channel and suppress methanol crossover. Preferably, it occupies 15% by mass or more, and more preferably occupies 20% by mass or more. Further, the content of other monomer units other than the aromatic vinyl compound unit in the polymer block (A) is preferably 50% by mass or less, more preferably 30% by mass or less. It is still more preferable that it is below mass%.

重合体ブロック(A)の分子量は、高分子電解質膜の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、高分子電解質膜の引張強度等の力学特性が高くなる傾向にあり、分子量が小さい場合、高分子電解質膜の電気抵抗が小さくなる傾向にあり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、100〜1,000,000の間から選択されるのが好ましく、1,000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A) is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte membrane, the required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties such as the tensile strength of the polymer electrolyte membrane tend to be high, and when the molecular weight is small, the electric resistance of the polymer electrolyte membrane tends to be small, and the molecular weight is appropriately adjusted according to the required performance. It is important to choose. The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually preferably selected from 100 to 1,000,000, more preferably from 1,000 to 100,000.

本発明の高分子電解質膜で使用するブロック共重合体は、重合体ブロック(A)以外にフレキシブルな重合体ブロック(B)を有する。重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。かかる重合体ブロック(B)を有することによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)等が改善される。ここでいうフレキシブルな重合体ブロック(B)はガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下のいわゆるゴム状重合体ブロックである。   The block copolymer used in the polymer electrolyte membrane of the present invention has a flexible polymer block (B) in addition to the polymer block (A). The polymer block (A) and the polymer block (B) undergo a microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) have a property of gathering together, and the polymer block (A ) Has an ion conductive group, so that an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons. By having such a polymer block (B), the block copolymer becomes elastic and flexible as a whole, and formability (assembly property, bondability) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. , Tightenability, etc.) are improved. The flexible polymer block (B) here is a so-called rubber-like polymer block having a glass transition point or softening point of 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or lower.

フレキシブルな重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位を構成することかできる単量体としては炭素数2〜8のアルケン、炭素数5〜8のシクロアルケン、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素数4〜8の共役ジエン及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル類(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル類(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられ、これらは単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。2種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、(共)重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を2つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、共役ジエンの場合には1,2−結合であっても1,4−結合であってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下であれば、1,2−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。   Monomers that can constitute the repeating unit constituting the flexible polymer block (B) include alkenes having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkenes having 5 to 8 carbon atoms, and vinylcycloalkenes having 7 to 10 carbon atoms. A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms and a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms in which one of the carbon-carbon double bonds is hydrogenated, and a carbon-carbon double bond A hydrogenated conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms, a hydrogenated conjugated cycloalkadiene having one hydrogenated carbon-carbon double bond, (meth) acrylic acid ester ((meth)) Methyl acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl Ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. These may be used alone or in combination. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization. Further, when the monomer to be used for (co) polymerization has two carbon-carbon double bonds, any of them may be used for the polymerization, and in the case of a conjugated diene, it is a 1,2-bond. 1,4-bonds may be used, and the ratio of 1,2-bonds to 1,4-bonds is not particularly limited as long as the glass transition point or softening point is 50 ° C. or lower.

重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、ビニルシクロアルケン単位や共役ジエン単位や共役シクロアルカジエン単位である場合のように炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその30モル%以上が水素添加されているのが好ましく、50モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、80モル%以上が水素添加されているのがより一層好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、H−NMR測定等によって算出することができる。 When the repeating unit constituting the polymer block (B) has a carbon-carbon double bond as in the case of a vinylcycloalkene unit, a conjugated diene unit, or a conjugated cycloalkadiene unit, the present invention From the standpoints of improving the power generation performance of the membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane, improvement in heat deterioration resistance, etc., it is preferable that 30 mol% or more of such carbon-carbon double bonds are hydrogenated, More preferably, 50 mol% or more is hydrogenated, and more preferably 80 mol% or more is hydrogenated. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method, for example, iodine value measurement method, 1 H-NMR measurement or the like.

重合体ブロック(B)は、得られるブロック共重合体に、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数2〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより一層好ましい。上記で、アルケン単位として最も好ましいのは、イソブテン単位であり、共役ジエン単位として最も好ましいのは1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。   The polymer block (B) is an alkene having 2 to 8 carbon atoms from the viewpoint of giving the resulting block copolymer elasticity and, in turn, good moldability in the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell. Unit, cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, carbon-carbon double 7 to 10 carbon cycloalkene units having some or all of the hydrogenated hydrogen atoms, 4 to 8 carbon conjugated diene units having some or all of the carbon-carbon double bonds hydrogenated, and carbon -A polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon double bonds are hydrogenated. Preferably, the alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated are selected. More preferably, the polymer block is composed of at least one repeating unit, and the alkene unit having 2 to 6 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a part or all of the carbon-carbon double bonds are included. It is even more preferable that the polymer block comprises at least one repeating unit selected from hydrogenated conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms. In the above, the most preferable alkene unit is an isobutene unit, and the most preferable conjugated diene unit is a 1,3-butadiene unit and / or an isoprene unit.

上記で炭素数2〜8のアルケンとしてはエチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等が挙げられ、炭素数5〜8のシクロアルケンとしてはシクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテンが挙げられ、炭素数7〜10のビニルシクロアルケンとしてはビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテンなどが挙げられ、炭素数4〜8の共役ジエンとしては1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等が挙げられ、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエンとしてはシクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等が挙げられる。   As the alkene having 2 to 8 carbon atoms, ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1 -Octene, 2-octene and the like, and cyclopentene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene and cyclooctene, and vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms as vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, Examples thereof include vinylcycloheptene and vinylcyclooctene. Examples of the conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms include 1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2 , 3-Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butyl Diene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene and the like, cyclopentadiene, 1,3-cyclohexadiene, and the like as a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms.

また、重合体ブロック(B)は、上記単量体以外に、ブロック共重合体に弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で他の単量体、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル系化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物等を含んでいてもよい。この場合上記単量体と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、上記単量体と他の単量体との合計に対して、50質量%未満であるのが好ましく、30質量%未満であるのがより好ましく、10質量%未満であるのがより一層好ましい。   In addition to the above monomers, the polymer block (B) may contain other monomers such as styrene and vinyl as long as the purpose of the polymer block (B) that gives elasticity to the block copolymer is not impaired. Aromatic vinyl compounds such as naphthalene; halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride may be included. In this case, the copolymerization form of the monomer and other monomer needs to be random copolymerization. The amount of such other monomer used is preferably less than 50% by weight, more preferably less than 30% by weight, based on the total of the above monomers and other monomers. It is still more preferable that it is less than mass%.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とするブロック共重合体の構造は特に限定されないが、例としてA−B−A型トリブロック共重合体、B−A−B型トリブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体あるいはB−A−B型トリブロック共重合体とA−B型ジブロック共重合体との混合物、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)、(B−A)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。   Although the structure of the block copolymer which has a polymer block (A) and a polymer block (B) as a structural component is not specifically limited, ABA type | mold triblock copolymer, BAB, as an example Type triblock copolymer, ABA type triblock copolymer, or a mixture of BAB type triblock copolymer and AB type diblock copolymer, ABA type B-type tetrablock copolymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (AB) nX-type star copolymer Examples thereof include a polymer (X represents a coupling agent residue), (BA) nX type star copolymer (X represents a coupling agent residue), and the like. These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は95:5〜5:95であるのが好ましく、90:10〜10:90であるのがより好ましく、50:50〜10:90であるのがより一層好ましい。この質量比が95:5〜5:95である場合には、ミクロ相分離により重合体ブロック(A)の形成するイオンチャンネルがシリンダー状ないし連続相となるのに有利であって、実用上十分なイオン伝導性が発現し、また疎水性である重合体ブロック(B)の割合が適切となって優れた耐水性が発現する。   The mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) is preferably 95: 5 to 5:95, more preferably 90:10 to 10:90, and 50:50 to 10 : 90 is even more preferable. When this mass ratio is 95: 5 to 5:95, it is advantageous for the ion channel formed by the polymer block (A) to become a cylindrical or continuous phase by microphase separation, which is practically sufficient. Excellent ionic conductivity is exhibited, and the ratio of the polymer block (B) that is hydrophobic is appropriate, and excellent water resistance is exhibited.

本発明の高分子電解質膜で使用するブロック共重合体は、重合体ブロック(A)や重合体ブロック(B)と異なる他の重合体ブロック(C)を含んでいてもよい。   The block copolymer used in the polymer electrolyte membrane of the present invention may contain another polymer block (C) different from the polymer block (A) and the polymer block (B).

重合体ブロック(C)は、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離する成分であれば特に限定されない。重合体ブロック(C)を構成する単量体単位としては、例えば芳香族ビニル系化合物[芳香環に結合した水素原子が1〜3個の炭素数1〜4アルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基等)で置換されていてもよいスチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等]単位、炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は既述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)単位、炭素数2〜8のアルケン(具体例は既述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)単位、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)単位、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)単位、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)単位等が挙げられる。重合体ブロック(C)を構成する単量体単位は1種であっても複数であってもよい。   The polymer block (C) is not particularly limited as long as it is a component that undergoes microphase separation from the polymer block (A) and the polymer block (B). As the monomer unit constituting the polymer block (C), for example, an aromatic vinyl compound [1 to 3 alkyl groups having 1 to 3 hydrogen atoms bonded to an aromatic ring (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, etc.)) unit, carbon number 4 -8 conjugated dienes (specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described above) units, alkenes having 2 to 8 carbon atoms (specific examples are in the description of the polymer block (B) described above) Similarly) units, (meth) acrylic acid esters (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.) units, vinyl esters (acetic acid Alkenyl, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.) units, vinyl ether (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether) units, and the like. The monomer block constituting the polymer block (C) may be one kind or plural.

重合体ブロック(C)に、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離し、実質的にイオン伝導性基を含有せず、拘束相として働く機能を持たせる場合には、かかる重合体ブロック(C)を有する本発明の電解質膜は、形態安定性、耐久性、湿潤下での力学特性が優れる傾向にある。この場合の重合体ブロック(C)を構成する単量体単位の好ましい例としては、上記した芳香族ビニル系化合物単位が挙げられる。また、重合体ブロック(C)を結晶性にすることによっても上記した機能を持たせることができる。 When the polymer block (C) is microphase-separated from the polymer block (A) and the polymer block (B), does not substantially contain an ion conductive group, and has a function of acting as a constrained phase. The electrolyte membrane of the present invention having such a polymer block (C) tends to be excellent in form stability, durability and mechanical properties under wet conditions. Preferable examples of the monomer unit constituting the polymer block (C) in this case include the aromatic vinyl compound unit described above. Moreover, the above-mentioned function can be imparted by making the polymer block (C) crystalline.

上記した機能を芳香族ビニル系化合物単位に依存する場合、重合体ブロック(C)中の芳香族ビニル系化合物単位は、重合体ブロック(C)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。また、上記と同じ観点から、重合体ブロック(C)中に含まれ得る芳香族ビニル系化合物単位以外の単位はランダム共重合していることが好ましい。   When the above-mentioned function depends on the aromatic vinyl compound unit, the aromatic vinyl compound unit in the polymer block (C) preferably occupies 50% by mass or more of the polymer block (C), and 70% by mass. %, More preferably 90% by mass or more. Further, from the same viewpoint as described above, units other than the aromatic vinyl compound unit that can be included in the polymer block (C) are preferably randomly copolymerized.

重合体ブロック(C)を重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離させ、かつ拘束相として機能させる観点から特に好適な重合体ブロック(C)の例としては、ポリp−メチルスチレンブロック、ポリp−(tert−ブチル)スチレンブロック等のポリスチレン系ブロック;任意の相互割合の、スチレン、p−メチルスチレン及びポリp−(tert−ブチル)スチレンの2種以上からなる共重合体ブロック;結晶性水添1,4−ポリブタジエンブロック;結晶性ポリエチレンブロック;結晶性ポリプロピレンブロック等が挙げられる。   Examples of the polymer block (C) that is particularly suitable from the viewpoint of causing the polymer block (C) to microphase-separate from the polymer block (A) and the polymer block (B) and to function as a constraining phase include poly p -A polystyrene block such as a methyl styrene block or a poly p- (tert-butyl) styrene block; a co-polymer comprising two or more of styrene, p-methyl styrene and poly p- (tert-butyl) styrene in any mutual proportion. Polymer block; crystalline hydrogenated 1,4-polybutadiene block; crystalline polyethylene block; crystalline polypropylene block and the like.

本発明で用いるブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合の形態としては、A−B−C型トリブロック共重合体、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、B−A−B−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−B型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−C−B型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−B型ペンタブロック共重合体等が挙げられる。  As a form in case the block copolymer used by this invention contains a polymer block (C), an ABC type triblock copolymer, an ABCA type tetrablock copolymer, A -B-A-C type tetrablock copolymer, B-A-B-C type tetrablock copolymer, A-B-C-B type tetrablock copolymer, C-A-B-A-C Type pentablock copolymer, CBACBBC type pentablock copolymer, ACCBCA type pentablock copolymer, ACCBAA type pentablock copolymer Block copolymer, A-B-C-A-B type pentablock copolymer, A-B-C-A-C type pentablock copolymer, A-B-C-B-C type pentablock copolymer Polymer, ABACBBC type pentablock copolymer, ABBACB type pentablock copolymer B-A-B-A-C type pentablock copolymer, B-A-B-C-A type pentablock copolymer, B-A-B-C-B type pentablock copolymer, etc. are mentioned. It is done.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合、ブロック共重合体に占める重合体ブロック(C)の割合は40質量%以下であるのが好ましく、35質量%以下であるのがより好ましく、30質量%以下であるのがより一層好ましい。   When the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention contains a polymer block (C), the proportion of the polymer block (C) in the block copolymer is preferably 40% by mass or less, It is more preferably 35% by mass or less, and further preferably 30% by mass or less.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体のイオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜2,000,000が好ましく、15,000〜1,000,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。   The number average molecular weight of the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention in a state where the ion conductive group is not introduced is not particularly limited, but the number average molecular weight in terms of polystyrene is usually 10,000 to 2,000,000 is preferable, 15,000 to 1,000,000 is more preferable, and 20,000 to 500,000 is even more preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有することが必要である。本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトンなどが挙げられる。イオン伝導性基としては、該高分子電解質膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、中でも−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基としては、また、カルボキシル基又はその塩も用いることができる。イオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック(A)にするのは、イオン伝導性基の導入が容易なため及びイオンチャンネル形成を容易にするためである。 The block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention needs to have an ion conductive group in the polymer block (A). Examples of ions in the present invention when referring to ionic conductivity include protons. The ion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the polymer electrolyte membrane can express sufficient ionic conductivity. Among them, -SO 3 M or- A sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a salt thereof represented by PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) is preferably used. As the ion conductive group, a carboxyl group or a salt thereof can also be used. The introduction position of the ion conductive group is set to the polymer block (A) because the introduction of the ion conductive group is easy and the formation of the ion channel is facilitated.

イオン伝導性基の重合体ブロック(A)中への導入位置については特に制限はなく、芳香族ビニル系化合物単位(a)に導入しても、その他の芳香族ビニル系化合物単位に導入しても、芳香族ビニル系化合物単位以外の他の単量体単位に導入してもよい。しかし、イオンチャンネル形成を容易にする観点やメタノールクロスオーバーの抑制の観点から、芳香族ビニル系化合物単位(a)の芳香環や、他の芳香族ビニル系化合物単位、例えばスチレン単位、α−メチルスチレン単位、ビニルナフタレン単位もしくはα−メチルビニルナフタレン単位の芳香環に導入するのが好ましい。   The introduction position of the ion conductive group into the polymer block (A) is not particularly limited, and even if it is introduced into the aromatic vinyl compound unit (a), it may be introduced into other aromatic vinyl compound units. Alternatively, it may be introduced into other monomer units other than the aromatic vinyl compound unit. However, from the viewpoint of facilitating ion channel formation and suppression of methanol crossover, the aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit (a), other aromatic vinyl compound units such as styrene units, α-methyl, etc. It is preferable to introduce into an aromatic ring of a styrene unit, a vinyl naphthalene unit or an α-methyl vinyl naphthalene unit.

イオン伝導性基の導入量は、高いイオン伝導度と優れたメタノールバリア性を兼ね備えた高分子電解質膜の性能を決める上で重要である。固体高分子型燃料電池、特に直接メタノール型燃料電池用の高分子電解質膜として使用するのに十分なイオン伝導性を発現するためには、本発明の高分子電解質膜のイオン交換容量は0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.40meq/g以上であることがより好ましい。イオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり、水と共に燃料であるメタノールも透過しやすい傾向となるので、2.0meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of ion-conducting group introduced is important in determining the performance of a polymer electrolyte membrane having both high ionic conductivity and excellent methanol barrier properties. In order to exhibit sufficient ionic conductivity for use as a polymer electrolyte membrane for a solid polymer fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane of the present invention is 0. The amount is preferably 30 meq / g or more, more preferably 0.40 meq / g or more. The upper limit of the ion exchange capacity is preferably 2.0 meq / g or less, because if the ion exchange capacity becomes too large, the hydrophilicity increases and methanol as a fuel tends to permeate with water.

また、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体の構成成分であるイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で架橋させてもよい。架橋を導入することにより、膜の形態安定性が増し、更にメタノールクロスオーバーも抑制できる傾向にある。架橋させる手段としては、熱架橋法等が挙げられる。熱架橋法としては、熱架橋部位を有するモノマーを重合体ブロック(A)中に共重合させることにより熱架橋が可能となる。好適なモノマーとしては、p−メチルスチレン等が例示できる。   Further, the polymer block (A) having an ion conductive group which is a constituent component of the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention may be crosslinked within a range not impairing the effects of the present invention. Good. By introducing cross-linking, the form stability of the membrane increases, and methanol crossover tends to be suppressed. Examples of means for crosslinking include a thermal crosslinking method. As the thermal crosslinking method, thermal crosslinking is possible by copolymerizing a monomer having a thermal crosslinking site in the polymer block (A). Examples of suitable monomers include p-methylstyrene.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体の製造法に関しては主に次の2つの方法に大別される。すなわち、(1)まずイオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、イオン伝導性基を結合させる方法、(2)イオン伝導性基を有する単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。   The method for producing the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is roughly classified into the following two methods. That is, (1) First, a method of producing a block copolymer having no ion conductive group and then binding the ion conductive group, (2) block copolymerization using a monomer having an ion conductive group This is a method for producing a coalescence.

まず第1の製造法について述べる。
重合体ブロック(A)又は(B)を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック(A)又は(B)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法、アニオン重合あるいはカチオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、フレキシブルな成分からなる重合体ブロック(B)又は(A)との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法あるいはリビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法が好ましい。
First, the first manufacturing method will be described.
Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, Although it is appropriately selected from coordination polymerization method and the like, radical polymerization method, anion polymerization method or cation polymerization method are preferably selected from industrial ease. In particular, the so-called living polymerization method is preferred from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding with the polymer block (B) or (A) comprising a flexible component, and specifically, a living radical polymerization method. Or a living anionic polymerization method and a living cation polymerization method are preferable.

製造法の具体例として、p−メチルスチレン単位等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びブタジエン単位等の共役ジエン単位からなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法;p−メチルスチレン単位等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びイソブテン単位等のアルケン単位からなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法;α,p−ジメチルスチレン単位等のα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びブタジエン単位等の共役ジエン単位からなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法;及びα,p−ジメチルスチレン単位等のα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びイソブテン単位等のアルケン単位からなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との結合の容易さ等からリビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法で製造するのが好ましく、次のような具体的な合成例が示される。   As specific examples of the production method, polymer block (A) having an aromatic vinyl compound unit (a) in which α-carbon is tertiary carbon such as p-methylstyrene unit and conjugated diene such as butadiene unit. A process for producing a block copolymer comprising as a component a polymer block (B) comprising a unit; an aromatic vinyl compound unit (a) in which α-carbon such as p-methylstyrene unit is tertiary carbon; Of block copolymer comprising polymer block (A) and polymer block (B) consisting of alkene unit such as isobutene unit; α-carbon such as α, p-dimethylstyrene unit is quaternary carbon A block comprising as a component a polymer block (A) having an aromatic vinyl compound unit (a) as a repeating unit and a polymer block (B) comprising a conjugated diene unit such as a butadiene unit A method for producing a polymer; and a polymer block (A) in which an α-carbon such as an α, p-dimethylstyrene unit is a quaternary carbon (a) and a polymer block (A) and an isobutene unit. A method for producing a block copolymer comprising a polymer block (B) comprising an alkene unit as a component will be described. In this case, it is preferable to produce by a living anionic polymerization method and a living cationic polymerization method from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding between the polymer block (A) and the polymer block (B), etc. The following specific synthesis examples are shown.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体をアニオン重合によって製造するに際し、p−メチルスチレン等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を重合体ブロック(A)の繰返し単位とする場合には、
(1)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下で、p−メチルスチレン等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物を重合し、その後共役ジエンを重合させた後、p−メチルスチレン等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物を逐次重合させA−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
(2)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下でp−メチルスチレン等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物を重合し、その後共役ジエンを重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加してA−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
などの公知の方法を採用/応用することができる。
When the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is produced by anionic polymerization, the aromatic vinyl compound unit (a) in which α-carbon such as p-methylstyrene is tertiary carbon is polymer block. When the repeating unit (A) is used,
(1) Polymerizing an aromatic vinyl compound in which α-carbon is tertiary carbon such as p-methylstyrene under a temperature condition of 20 to 100 ° C. using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent; A method of polymerizing a conjugated diene and then sequentially polymerizing an aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a tertiary carbon such as p-methylstyrene to obtain an ABA type block copolymer;
(2) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent to polymerize an aromatic vinyl compound in which α-carbon such as p-methylstyrene is a tertiary carbon under a temperature condition of 20 to 100 ° C., and then conjugated. A method of obtaining an ABA type block copolymer by polymerizing a diene and then adding a coupling agent such as phenyl benzoate,
It is possible to adopt / apply known methods such as

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体をアニオン重合によって製造するに際し、α,p−ジメチルスチレン単位等のα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を重合体ブロック(A)の繰返し単位とする場合には、
(3)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加して、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
(4)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させ、得られるα−メチルスチレン重合体ブロックと共役ジエン重合体ブロックからなるブロック共重合体のリビングポリマーに重合体ブロック(C)を構成する単量体を重合させてA−B−C型ブロック共重合体を得る方法、
などの公知の方法に準じて製造することができる。上記ブロック共重合体の具体的製造方法中、(3)の方法がより一層好ましい。
When the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is produced by anionic polymerization, an aromatic vinyl compound unit (a) in which α-carbon such as α, p-dimethylstyrene unit is quaternary carbon is used. When it is a repeating unit of the polymer block (A),
(3) An organic lithium compound in a nonpolar solvent is used as an initiator, and a concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass. A polymer obtained by polymerizing α-methylstyrene of the above, a conjugated diene is polymerized to the resulting living polymer, and then a coupling agent such as phenyl benzoate is added to obtain an ABA type block copolymer,
(4) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized, the resulting living polymer is polymerized with a conjugated diene, and the resulting α-methylstyrene polymer block and conjugated diene polymer block are formed into a polymer block (C ) To obtain an ABC type block copolymer,
It can manufacture according to well-known methods, such as. Among the specific methods for producing the block copolymer, the method (3) is more preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体をカチオン重合によって製造するに際し、p−メチルスチレン等のα−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を重合体ブロック(A)の繰返し単位とする場合には、
(5)ハロゲン系/炭化水素系混合溶媒中、−78℃で、2官能性ハロゲン化開始剤を用いて、ルイス酸の存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、スチレンを重合させ、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Makromol.Chem.,Macromol.Symp.32,119(1990))などのスチレンを用いた公知の方法に準じて製造することができる。
When the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is produced by cationic polymerization, an aromatic vinyl compound unit (a) in which α-carbon such as p-methylstyrene is tertiary carbon is polymer block. When the repeating unit (A) is used,
(5) Isobutene was cationically polymerized in the presence of Lewis acid in a halogen / hydrocarbon mixed solvent at −78 ° C. in the presence of Lewis acid, and then styrene was polymerized. It can be produced according to a known method using styrene such as a method for obtaining a B-A type block copolymer (Macromol. Chem., Macromol. Symp. 32, 119 (1990)).

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体をカチオン重合によって製造するに際し、α,p−ジメチルスチレン等のα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位(a)を重合体ブロック(A)の繰返し単位とする場合には、
(6)ハロゲン系/炭化水素系混合溶媒中、−78℃で、2官能性ハロゲン化開始剤を用いて、ルイス酸の存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、ジフェニルエチレンを付加させ、さらにルイス酸を後添加後、α−メチルスチレンを重合させ、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1995),28,4893−4898)
などの公知の方法に準じて製造することができる。
When the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is produced by cationic polymerization, the aromatic vinyl compound unit (a) in which α-carbon such as α, p-dimethylstyrene is quaternary carbon is overlapped. When the repeating unit of the combined block (A) is used,
(6) Cationic polymerization of isobutene in the presence of Lewis acid using a bifunctional halogenation initiator at −78 ° C. in a halogen / hydrocarbon mixed solvent, followed by addition of diphenylethylene; A method in which α-methylstyrene is polymerized after post-addition of a Lewis acid to obtain an ABA type block copolymer (Macromolecules, (1995), 28, 4893-4898)
It can manufacture according to well-known methods, such as.

次に、得られたブロック共重合体にイオン伝導性基を結合させる方法について述べる。
まず、得られたブロック共重合体にスルホン酸基を導入する方法について述べる。スルホン化は、公知のスルホン化の方法で行える。このような方法としては、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や縣濁液を調製し、スルホン化剤を添加し混合する方法やブロック共重合体に直接ガス状のスルホン化剤を添加する方法等が例示される。
Next, a method for bonding an ion conductive group to the obtained block copolymer will be described.
First, a method for introducing a sulfonic acid group into the obtained block copolymer will be described. Sulfonation can be performed by a known sulfonation method. As such a method, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, a sulfonating agent is added and mixed, a method of adding a gaseous sulfonating agent directly to the block copolymer, etc. Is exemplified.

使用するスルホン化剤としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物系、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物系、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物系、さらに2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、ヘキサン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類等が例示でき、必要に応じて複数の組合せから、適宜選択して使用してもよい。   Sulfonating agents used include sulfuric acid, a mixture of sulfuric acid and aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate. Examples thereof include aromatic organic sulfonic acids represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, and the like. You may use it, selecting suitably from several combinations.

得られたブロック共重合体にホスホン酸基を導入する方法について述べる。ホスホン化は、公知のホスホン化の方法で行える。具体的には、例えば、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や懸濁液を調製し、無水塩化アルミニウムの存在下、該共重合体をクロロメチルエーテル等と反応させ、芳香環にハロメチル基を導入後、これに三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、さらに加水分解反応を行ってホスホン酸基を導入する方法などが挙げられる。あるいは、該共重合体に三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、芳香環にホスフィン酸基を導入後、硝酸によりホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法等が例示できる。   A method for introducing a phosphonic acid group into the obtained block copolymer will be described. Phosphonation can be performed by a known phosphonation method. Specifically, for example, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, and the copolymer is reacted with chloromethyl ether or the like in the presence of anhydrous aluminum chloride to introduce a halomethyl group into the aromatic ring. Thereafter, there may be mentioned a method in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added and reacted, followed by a hydrolysis reaction to introduce a phosphonic acid group. Alternatively, a method may be exemplified in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added to the copolymer and reacted to introduce a phosphinic acid group into the aromatic ring, and then the phosphinic acid group is oxidized with nitric acid to form a phosphonic acid group.

スルホン化又はホスホン化の程度としては、すでに述べたごとく、本発明の高分子電解質膜のイオン交換容量が0.30meq/g以上、特に0.40meq/g以上となるように、しかし、2.0meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化することが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。最終的に得られる高分子電解質膜のイオン交換容量やスルホン化もしくはホスホン化されたブロック共重合体のイオン交換容量、又はブロック共重合体における重合体ブロック(A)中のスルホン化率又はホスホン化率は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。 As described above, the degree of sulfonation or phosphonation is such that the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane of the present invention is 0.30 meq / g or more, particularly 0.40 meq / g or more. It is desirable to sulfonate or phosphonate so that it is 0 meq / g or less. Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the finally obtained polymer electrolyte membrane, the ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer, or the sulfonation rate or phosphonation in the polymer block (A) in the block copolymer The rate can be calculated by using an analytical means such as acid value titration method, infrared spectrum measurement, nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.

本発明で用いられるブロック共重合体の、第2の製造法は、イオン伝導性基を有する少なくとも1つの単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。
イオン伝導性基を有する単量体としては、芳香族系ビニル化合物にイオン伝導性基が結合した単量体が好ましい。具体的には、o、mもしくはp−アルキルスチレンスルホン酸、α−アルキル−o、mもしくはp−アルキル−スチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸、α−アルキル−スチレンスルホン酸、o、mもしくはp−アルキルスチレンホスホン酸、α−アルキル−o、mもしくはp−アルキル−スチレンホスホン酸、スチレンホスホン酸、α−アルキル−スチレンホスホン酸等が挙げられる。
The second production method of the block copolymer used in the present invention is a method for producing a block copolymer using at least one monomer having an ion conductive group.
As the monomer having an ion conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to an aromatic vinyl compound is preferable. Specifically, o, m or p-alkyl styrene sulfonic acid, α-alkyl-o, m or p-alkyl-styrene sulfonic acid, styrene sulfonic acid, α-alkyl-styrene sulfonic acid, o, m or p- Examples thereof include alkylstyrene phosphonic acid, α-alkyl-o, m or p-alkyl-styrene phosphonic acid, styrene phosphonic acid, α-alkyl-styrene phosphonic acid and the like.

イオン伝導性基を含有する単量体としては、共役ジエン化合物にイオン伝導性基が結合した単量体も用いることができる。具体的には、1,3−ブタジエン−1−スルホン酸、1,3−ブタジエン−2−スルホン酸、イソプレンー1−スルホン酸、イソプレン−2−スルホン酸、1,3−ブタジエンー1−ホスホン酸、1,3−ブタジエン−2−ホスホン酸、イソプレン−1−ホスホン酸、イソプレン−2−ホスホン酸等が挙げられる。   As the monomer containing an ion conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to a conjugated diene compound can also be used. Specifically, 1,3-butadiene-1-sulfonic acid, 1,3-butadiene-2-sulfonic acid, isoprene-1-sulfonic acid, isoprene-2-sulfonic acid, 1,3-butadiene-1-phosphonic acid, Examples include 1,3-butadiene-2-phosphonic acid, isoprene-1-phosphonic acid, isoprene-2-phosphonic acid, and the like.

イオン伝導性基を含有する単量体としてはまた、ビニルスルホン酸、α−アルキル−ビニルスルホン酸、ビニルアルキルスルホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルスルホン酸、ビニルホスホン酸、α−アルキル−ビニルホスホン酸、ビニルアルキルホスホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルホスホン酸等も用いることができる。
イオン伝導性を含有する単量体としては、さらに、イオン伝導性基が結合した(メタ)アクリル系単量体も用いることができる。具体的には、メタクリル酸、アクリル酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸等が挙げられる。
Examples of the monomer containing an ion conductive group include vinyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl sulfonic acid, vinyl alkyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl sulfonic acid, vinyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl phosphone. Acid, vinyl alkyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl phosphonic acid and the like can also be used.
As the monomer containing ion conductivity, a (meth) acrylic monomer to which an ion conductive group is bonded can also be used. Specific examples include methacrylic acid, acrylic acid, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, and the like.

イオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、o、mもしくはp−アルキルスチレンスルホン酸ナトリウム、あるいはα−メチルーo、mもしくはp−アルキルスチレンスルホン酸ナトリウムを用いて重合体を製造することで、所望のイオン伝導性基を導入できる。又は、適当な方法でイオン交換することにより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体を得ることができる。   The ion conductive group may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, a desired ion-conducting group can be introduced by producing a polymer using sodium o, m, or p-alkylstyrene sulfonate, or sodium α-methyl-o, m, or p-alkylstyrene sulfonate. Or the block copolymer which made the sulfonic acid group into the salt form can be obtained by ion-exchange by a suitable method.

本発明の高分子電解質膜は、本発明用いるブロック共重合体に加え、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、軟化剤を含有していてもよい。軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等があり、これらは各単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。   In addition to the block copolymer used in the present invention, the polymer electrolyte membrane of the present invention may contain a softening agent as necessary within a range not impairing the effects of the present invention. Softeners include petroleum-based softeners such as paraffinic, naphthenic or aroma-based process oils, paraffin, vegetable oil-based softeners, plasticizers, etc., and these may be used alone or in combination of two or more. it can.

本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、各種添加剤、例えば、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。安定剤の具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−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]、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、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、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]、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)−1,3,5−トリアジン、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]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、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]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これら安定剤は各単独で用いても、2種以上組み合わせても用いてもよい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is further provided with various additives, for example, a phenol-based stabilizer, a sulfur-based stabilizer, a phosphorus-based stabilizer, and a light stabilizer, as long as the effects of the present invention are not impaired. , Antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments, dyes, whitening agents, carbon fibers and the like may be used alone or in combination of two or more. Specific examples of the stabilizer include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerystyryl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1 , 3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy) Phenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy- 3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2, -thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propi Onate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamamide), 3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris -(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy ] -1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane and other phenolic stabilizers; pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), distearyl Sulfur such as 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropionate, dimyristyl 3,3′-thiodipropionate Stabilizers: trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasteryl pentaerythritol diphosphite, bis (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) ) Phosphorus stabilizers such as pentaerythritol diphosphite. These stabilizers may be used alone or in combination of two or more.

本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、無機充填剤を添加することができる。かかる無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be further added with an inorganic filler as required, as long as the effects of the present invention are not impaired. Specific examples of such inorganic fillers include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina.

本発明の高分子電解質膜における上記ブロック共重合体の含有量は、イオン伝導性の観点から、50質量%以上であるのが好ましく、70質量%以上であるのがより好ましく、90質量%以上であるのがより一層好ましい。   From the viewpoint of ion conductivity, the content of the block copolymer in the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass or more. Is even more preferred.

本発明の高分子電解質膜は、燃料電池用電解質膜として必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が5〜500μm程度であることが好ましい。膜厚が5μm未満である場合には、膜の機械的強度やガスの遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が500μmを超えて厚い場合には、膜の電気抵抗が大きくなり、充分なプロトン伝導性が発現しないため、電池の発電特性が低くなる傾向がある。該膜厚はより好ましくは10〜300μmである。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a thickness of about 5 to 500 μm from the viewpoints of performance required as an electrolyte membrane for fuel cells, membrane strength, handling properties, and the like. When the film thickness is less than 5 μm, the mechanical strength of the film and the gas barrier property tend to be insufficient. On the contrary, when the film thickness is thicker than 500 μm, the electric resistance of the film increases and sufficient proton conductivity does not appear, so that the power generation characteristics of the battery tend to be lowered. The film thickness is more preferably 10 to 300 μm.

本発明の高分子電解質膜の調製方法については、かかる調製のための通常の方法であればいずれの方法も採用できる。例えば、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体又は該ブロック共重合体及び上記したような添加剤を適当な溶媒と混合して該ブロック共重合体を溶解もしくは懸濁せしめ、PET、ガラス等の板状体にキャストするか又はコーターやアプリケーター等を用いて塗布し、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得る方法や、熱プレス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の方法を用いて製膜する方法などを用いることができる。
また、得られた電解質膜層の上に、新たに、同じもしくは異なるブロック共重合体溶液を塗布して乾燥することにより積層化させてもよい。また、上記のようにして得られた、同じもしくは異なる電解質膜同士を熱ロール成形等で圧着させて積層化させてもよい。
As a method for preparing the polymer electrolyte membrane of the present invention, any method can be adopted as long as it is a normal method for such preparation. For example, the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention or the block copolymer and the above-mentioned additive are mixed with an appropriate solvent to dissolve or suspend the block copolymer, and PET A method of obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness by casting on a plate-like body such as glass or applying using a coater or applicator and removing the solvent under appropriate conditions, hot press molding, roll A film forming method using a known method such as molding or extrusion molding can be used.
Further, the same or different block copolymer solution may be newly applied on the obtained electrolyte membrane layer and dried to be laminated. Further, the same or different electrolyte membranes obtained as described above may be laminated by being pressure-bonded by hot roll molding or the like.

このとき使用する溶媒は、ブロック共重合体の構造を破壊することなく、キャストもしくはコートが可能な程度の粘度の溶液を調製することが可能なものであれば特に限定されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール類、あるいはこれらの混合溶媒等が例示できる。ブロック共重合体の構成、分子量、イオン交換容量等に応じて、上記に例示した溶媒の中から、1種又は2種以上の組合せを適宜選択し、使用することができる。   The solvent used at this time is not particularly limited as long as it can prepare a solution having a viscosity capable of being cast or coated without destroying the structure of the block copolymer. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Examples thereof include ethers such as hydrogen and tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol and isobutyl alcohol, or mixed solvents thereof. Depending on the configuration of the block copolymer, the molecular weight, the ion exchange capacity, etc., one or a combination of two or more can be appropriately selected from the solvents exemplified above and used.

また、溶媒除去の条件は、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体のスルホン基等のイオン伝導性基が脱落する温度以下で、溶媒を完全に除去できる条件であれば任意に選択することが可能である。所望の物性を発現させるため、複数の温度を任意に組み合わせたり、通風気下と真空下等を任意に組み合わせてもよい。具体的には、室温〜60℃程度の真空条件下で、数時間予備乾燥した後、100℃以上の真空条件下、好ましくは100〜120℃で12時間程度の乾燥条件で溶媒を除去する方法等が例示できるが、これらに限定されるものではない。   The solvent removal conditions are arbitrary as long as the solvent can be completely removed at a temperature below the temperature at which ion-conductive groups such as sulfone groups of the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention drop off. It is possible to select. In order to express desired physical properties, a plurality of temperatures may be arbitrarily combined, or a combination of ventilation and vacuum may be arbitrarily combined. Specifically, after preliminary drying for several hours under vacuum conditions of room temperature to 60 ° C., the solvent is removed under vacuum conditions of 100 ° C. or higher, preferably 100 to 120 ° C. for about 12 hours. However, the present invention is not limited to these examples.

次に、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、イオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで2対の接合体をそれぞれ触媒層を内側にして、高分子電解質膜の両側にホットプレスなどによりと接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により高分子電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、高分子電解質膜の両面及び/又は2対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、2対のこの基材フィルム上の触媒層を高分子電解質膜の両側に加熱圧着により転写
し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、イオン伝導性基をNaなどの金属との塩にした状態で行い、接合後の酸処理によってプロトン型に戻す処理を行ってもよい。
Next, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described. The production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an ion conductive binder is applied on the gas diffusion layer by a printing method or a spray method and dried. To form a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then to join the two pairs of joined bodies with the catalyst layer on the inside and by hot pressing or the like on both sides of the polymer electrolyte membrane, There is a method in which a catalyst paste is applied to both sides of a polymer electrolyte membrane by a printing method or a spray method, dried to form a catalyst layer, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As another production method, a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane and / or the catalyst layer surface of two pairs of gas diffusion electrodes, and the electrolyte membrane and the catalyst layer surface are bonded together. There is a method of joining by thermocompression bonding. In this case, the solution or suspension may be applied to either the electrolyte membrane or the catalyst layer surface, or may be applied to both. As another manufacturing method, first, the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer, and then two pairs of base films on the base film are formed. The catalyst layer is transferred to both sides of the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding, the base film is peeled off to obtain a joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and the gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. There is a way. In these methods, an ion conductive group may be in a salt state with a metal such as Na, and a treatment for returning to a proton type by acid treatment after bonding may be performed.

上記膜−電極接合体を構成するイオン伝導性バインダーとしては、例えば、「Nafion」(登録商標、デュポン社製)や「Gore−select」(登録商標、ゴア社製)などの既存のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーからなるイオン伝導性バインダー、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリエーテルケトンからなるイオン伝導性バインダー、リン酸や硫酸を含浸したポリベンズイミダゾールからなるイオン伝導性バインダー等を用いることができる。また、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体からイオン伝導性バインダーを作製してもよい。なお、高分子電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、高分子電解質と同一もしくは類似の材料から形成したイオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。   Examples of the ion conductive binder constituting the membrane-electrode assembly include existing perfluorocarbon sulfones such as “Nafion” (registered trademark, manufactured by DuPont) and “Gore-select” (registered trademark, manufactured by Gore). An ion conductive binder made of an acid polymer, an ion conductive binder made of sulfonated polyethersulfone or sulfonated polyetherketone, an ion conductive binder made of polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid can be used. . Moreover, you may produce an ion conductive binder from the block copolymer which comprises the polymer electrolyte membrane of this invention. In order to further enhance the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an ion conductive binder formed from the same or similar material as the polymer electrolyte.

上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材/触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。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、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは2種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及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、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合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。これら触媒はカーボン等の導電材/触媒担体に担持させた方が触媒使用量は少なくコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン-ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。   The constituent material of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is not particularly limited as the conductive material / catalyst support, and examples thereof include 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. These may be used alone or in combination of two or more. The catalyst metal may be any metal that promotes the oxidation reaction of fuel such as hydrogen and methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, palladium, etc., or alloys thereof, for example, platinum-ruthenium alloys are mentioned. Of these, platinum and platinum alloys are often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are supported on a conductive material such as carbon / catalyst support, the amount of catalyst used is small and it is advantageous in terms of cost. The catalyst layer may contain a water repellent as necessary. Examples of the water repellent include various thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene copolymer, and polyetheretherketone.

上記膜−電極接合体のガス拡散層は、導電性及びガス透過性を備えた材料から構成され、かかる材料として例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の炭素繊維よりなる多孔性材料が挙げられる。また、かかる材料には、撥水性を向上させるために、撥水化処理を施してもよい。   The gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly is made of a material having conductivity and gas permeability, and examples of such a material include porous materials made of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. Moreover, in order to improve water repellency, this material may be subjected to water repellency treatment.

上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。
本発明の高分子電解質膜を用いた燃料電池は、経済的で、環境に優しく、高いイオン伝導度と優れたメタノールバリア性を兼ね備えており、固体高分子型燃料電池、特に直接型メタノール燃料電池として優れた発電性能を発現することができる。
A polymer electrolyte fuel obtained by inserting the membrane-electrode assembly obtained by the above-described method between a conductive separator material that also serves as a gas supply flow path to the electrode and the electrode chamber separation. A battery is obtained. The membrane-electrode assembly of the present invention uses a pure hydrogen type using hydrogen as a fuel gas, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and hydrogen obtained by reforming natural gas. Natural gas reforming type, gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, direct methanol type using methanol directly, etc. can be used as a membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells. is there.
The fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention is economical, environmentally friendly, has high ionic conductivity and excellent methanol barrier properties, and is a solid polymer fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell. Excellent power generation performance can be exhibited.

以下、参考例、実施例及び比較例、並びに固体高分子型燃料電池用プロトン伝導性電解質膜としての性能試験(イオン交換容量、膜の電気抵抗、メタノール透過速度)及びその結果を示して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り限定されるものではない。   The present invention is shown below with reference examples, examples and comparative examples, and performance tests (ion exchange capacity, electrical resistance of the membrane, methanol permeation rate) and results as proton conducting electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells. However, the present invention is not limited to these.

参考例1
ポリ(p−メチルスチレン)(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
重合体ブロック(A)を合成する際に、芳香族ビニル系化合物(a)として、p−メチルスチレンを用い、重合体ブロック(B)を合成する際にブタジエンを用いて、既報の方法(特開2005−281373号公報)と同様の方法で、ポリ(p−メチルスチレン)−b−ポリブタジエン−b−ポリ(p−メチルスチレン)(以下、pmSBpmSと略記する)を合成した。得られたpmSBpmSの数平均分子量は78000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は58.5%、p−メチルスチレン単位の含有量は30質量%であった。
Reference example 1
Production of block copolymer composed of poly (p-methylstyrene) (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) When the polymer block (A) is synthesized, aromatic Polyvinylstyrene (p) is used as the vinyl compound (a), and butadiene is used when synthesizing the polymer block (B). Polyvinyl styrene is synthesized in the same manner as the previously reported method (JP-A-2005-281373). (P-methylstyrene) -b-polybutadiene-b-poly (p-methylstyrene) (hereinafter abbreviated as pmSBpmS) was synthesized. The number average molecular weight of the obtained pmSBpmS was 78000, the amount of 1,4-bond determined from 1 H-NMR measurement was 58.5%, and the content of p-methylstyrene units was 30% by mass.

合成したpmSBpmSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において50℃で7時間水素添加反応を行い、ポリ(p−メチルスチレン)−b−水添ポリブタジエン−b−ポリ(p−メチルスチレン)トリブロック共重合体(以下pmSEBpmSと略記する)を得た。得られたpmSEBpmSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.7%であった。 A cyclohexane solution of synthesized pmSBpmS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 50 ° C. for 7 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. Then, poly (p-methylstyrene) -b-hydrogenated polybutadiene-b-poly (p-methylstyrene) triblock copolymer (hereinafter abbreviated as pmSEBpmS) was obtained. It was 99.7% when the hydrogenation rate of obtained pmSEBpmS was computed by 1 H-NMR spectrum measurement.

参考例2
ポリ(スチレン/4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(A))と水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
重合体ブロック(A)を合成する際に、芳香族ビニル系化合物(a)として4−tert−ブチルスチレン及び他の芳香族ビニル系化合物としてスチレンを質量比が50/50になるように混合して用い、重合体ブロック(B)を合成する際にイソプレンを用いて、既報の方法(特開2005−281373号公報)と同様の方法で、ポリ(スチレン/4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(スチレン/4−tert−ブチルスチレン)(以下(S/tBS)I(S/tBS)と略記する)を合成した。得られた(S/tBS)I(S/tBS)の数平均分子量は51800であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は15.6質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は15.6質量%であった。
合成した(S/tBS)I(S/tBS)を用いて、水素添加反応を9時間行ったことを除いて参考例1と同様にして、水素添加率99.9%のポリ(スチレン/4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(スチレン/4−tert−ブチルスチレン)トリブロック共重合体(以下(S/tBS)EP(S/tBS)と略記する)を得た。
Reference example 2
Production of block copolymer comprising poly (styrene / 4-tert-butylstyrene) (polymer block (A)) and hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) Synthesize polymer block (A) In this case, 4-tert-butylstyrene as the aromatic vinyl compound (a) and styrene as the other aromatic vinyl compound are mixed at a mass ratio of 50/50, and the polymer block (B) is used. Poly (styrene / 4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene-b-poly (styrene) was synthesized in the same manner as the previously reported method (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-281373) using isoprene. / 4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as (S / tBS) I (S / tBS)). The number average molecular weight of the obtained (S / tBS) I (S / tBS) is 51800, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 15 The content of 0.6 mass% and 4-tert-butylstyrene unit was 15.6 mass%.
Using the synthesized (S / tBS) I (S / tBS), poly (styrene / 4) having a hydrogenation rate of 99.9% was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that the hydrogenation reaction was performed for 9 hours. -Tert-butylstyrene) -b-hydrogenated polyisoprene-b-poly (styrene / 4-tert-butylstyrene) triblock copolymer (hereinafter abbreviated as (S / tBS) EP (S / tBS)) Obtained.

実施例1
(1)スルホン化pmSEBpmSの合成
参考例1で得られたブロック共重合体(pmSEBpmS)51gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン658mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン18.9ml中、0℃にて無水酢酸9.40mlと硫酸4.20mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を、5分かけて徐々に滴下した。35℃にて6時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化pmSEBpmSを得た。得られたスルホン化pmSEBpmSのp−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から29mol%であった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化pmSEBpmSの5質量%のTHF溶液を調製し、ポリテトラフルオロエチレンシート上に約1000μmの厚みでキャストし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ52μmの膜を得た。
Example 1
(1) Synthesis of sulfonated pmSEBpmS 51 g of the block copolymer (pmSEBpmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, followed by 658 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 9.40 ml of acetic anhydride and 4.20 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 18.9 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 6 hours, the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the polymer collected at the end was vacuum dried to obtain sulfonated pmSEBpmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the p-methylstyrene unit of the obtained sulfonated pmSEBpmS was 29 mol% from 1 H-NMR analysis.
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 5% by mass THF solution of the sulfonated pmSEBpmS obtained in (1) is prepared, cast on a polytetrafluoroethylene sheet at a thickness of about 1000 μm, and dried sufficiently at room temperature. Then, the film was sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 52 μm.

実施例2
(1)スルホン化(S/tBS)EP(S/tBS)の合成
参考例2で得られたブロック共重合体((S/tBS)EP(S/tBS))30gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン30mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン11.1ml中、0℃にて無水酢酸5.53mlと硫酸2.47mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を、5分かけて徐々に滴下した。35℃にて6時間攪拌後、1Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化(S/tBS)EP(S/tBS)を得た。得られたスルホン化(S/tBS)EP(S/tBS)のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から31.0mol%であった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化(S/tBS)EP(S/tBS)の23質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約450μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ49μmの膜を得た。
Example 2
(1) Synthesis of Sulfonated (S / tBS) EP (S / tBS) 30 g of the block copolymer ((S / tBS) EP (S / tBS)) obtained in Reference Example 2 was made of glass with a stirrer. After vacuum-drying in a reaction vessel for 1 hour and then purging with nitrogen, 30 ml of methylene chloride was added and stirred at 35 ° C. for 2 hours to dissolve. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 5.53 ml of acetic anhydride and 2.47 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 11.1 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 6 hours, the polymer solution was poured into 1 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the polymer collected at the end was vacuum dried to obtain a sulfonated (S / tBS) EP (S / tBS). The sulfonation rate of the benzene ring of the obtained sulfonated (S / tBS) EP (S / tBS) was 31.0 mol% from 1 H-NMR analysis.
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 23 mass% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated (S / tBS) EP (S / tBS) obtained in (1) was prepared. A film having a thickness of 49 μm is coated on a PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] having a thickness of about 450 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently vacuum dried. Got.

比較例1
(1)スルホン化SEBSの合成
塩化メチレン34.2ml中、0℃にて無水酢酸17.1mlと硫酸7.64mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、SEBS(スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレン)ブロック共重合体[(株)クラレ製「セプトン8007」]100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン1000mlを加え、35℃にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて5時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分は、90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SEBSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から29.0mol%であった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化SEBSの5質量%のTHF溶液を調製し、ポリテトラフルオロエチレンシート上に約1000μmの厚みでキャストし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ52μmの膜を得た。
Comparative Example 1
(1) Synthesis of Sulfonated SEBS A sulfonating reagent was prepared by reacting 17.1 ml of acetic anhydride and 7.64 ml of sulfuric acid at 0 ° C in 34.2 ml of methylene chloride. On the other hand, 100 g of SEBS (styrene- (ethylene-butylene) -styrene) block copolymer [“Septon 8007” manufactured by Kuraray Co., Ltd.] was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and then nitrogen. After the replacement, 1000 ml of methylene chloride was added and dissolved by stirring at 35 ° C. for 4 hours. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 5 hours, the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SEBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated SEBS was 29.0 mol% from 1 H-NMR analysis.
(2) Preparation of fuel membrane electrolyte membrane Prepare a 5% by mass THF solution of the sulfonated SEBS obtained in (1), cast it on a polytetrafluoroethylene sheet at a thickness of about 1000 μm, and dry it sufficiently at room temperature. Then, the film was sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 52 μm.

比較例2
(2)燃料電池用電解質膜の作製
比較例1の(1)で得られたスルホン化SEBSの18質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」] 上に約550μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Comparative Example 2
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell An 18% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated SEBS obtained in (1) of Comparative Example 1 was prepared, and the release-treated PET A film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] was coated with a thickness of about 550 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 50 μm.

比較例3
パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜
パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜として、DuPont社ナフィオンフィルム(Nafion117)を選択した。
Comparative Example 3
Perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane A DuPont Nafion film (Nafion 117) was selected as the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane.

実施例1及び2並びに比較例1〜3の高分子膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
以下の1)〜3)の試験において試料としては各実施例又は比較例で得られたスルホン化ブロック共重合体から調製した膜又はナフィオン膜を使用した。
1)イオン交換容量の測定
試料を密閉できるガラス容器中に秤量(a(g))し、そこに過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を、フェノールフタレイン液を指示薬とし、0.01NのNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(b(ml))した。イオン交換容量は、次式により求めた。
イオン交換容量=(0.01×b×f)/a
Examples 1 and 2 and performance tests of polymer membranes of Comparative Examples 1 to 3 as electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells In the following tests 1) to 3), samples were obtained in each Example or Comparative Example. A membrane or Nafion membrane prepared from the sulfonated block copolymer obtained was used.
1) Measurement of ion exchange capacity A sample was weighed (a (g)) in a glass container capable of being sealed, and an excess amount of a saturated aqueous sodium chloride solution was added thereto and stirred overnight. Hydrogen chloride generated in the system was titrated (b (ml)) with a 0.01N NaOH standard aqueous solution (titer f) using a phenolphthalein solution as an indicator. The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity = (0.01 × b × f) / a

2)膜の電気抵抗の測定
1cm×4cmの試料を一対の白金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを温度60℃、相対湿度90%に調節した恒温恒湿器内に設置し、交流インピーダンス法により膜の電気抵抗を測定した。
2) Measurement of electrical resistance of film A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of platinum electrodes and mounted in an open cell. The measurement cell was installed in a constant temperature and humidity chamber adjusted to a temperature of 60 ° C. and a relative humidity of 90%, and the electrical resistance of the film was measured by an AC impedance method.

3)メタノール透過速度
メタノール透過速度は、電解質膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に55mlの10M(モル/リットル)のメタノール水溶液を、他方のセルに55mlの純水を注入し、25℃で攪拌しながら、電解質膜を通って純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフィーを用いて測定することで算出した(電解質膜の面積は、4.5cm)。
3) Methanol Permeation Rate Methanol permeation rate was determined by inserting an electrolyte membrane between H-type cells, injecting 55 ml of 10M (mol / liter) aqueous methanol solution on one side of the cell, and 55 ml of pure water in the other cell, The amount of methanol diffusing into the pure water through the electrolyte membrane was measured by using gas chromatography while stirring (the area of the electrolyte membrane was 4.5 cm 2 ).

高分子電解質膜としての性能試験の結果
実施例1及び2並びに比較例1及び2で作製した膜、及び比較例3のナフィオン膜の膜の電気抵抗及び10M−MeOH水溶液のメタノール透過速度を測定した結果を表1に示す。
As a result of the performance test as a polymer electrolyte membrane, the electrical resistance of the membranes produced in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 and the Nafion membrane of Comparative Example 3 and the methanol permeation rate of 10M-MeOH aqueous solution were measured. The results are shown in Table 1.

Figure 0005188025
Figure 0005188025

実施例1及び2と比較例1及び2との比較から、ベンゼン環に直接結合した水素原子がアルキル基で置換された場合、置換されていない場合に比し、膜の電気抵抗は大きく変わらないものの、メタノール透過性は大幅に抑制されることが明らかとなった。アルキル基で置換されたスチレン誘導体の場合、スチレンに比べ疎水性が高いため、重合体ブロック(A)が形成するイオンチャンネル内の疎水性が高くなり、メタノール透過速度が小さくなったものと考えられる。
また、実施例1及び2と比較例3との比較から、本発明の高分子電解質膜は、燃料電池用の電解質膜の代表例であるナフィオン膜に比べ、膜の電気抵抗もメタノール透過性も大幅に低下していることが明らかとなった。
したがって、本発明の高分子電解質膜は固体高分子型燃料電池用分子電解質膜として、特に直接型メタノール燃料電池用高分子電解質膜として、非常に有用であるといえる。
From the comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, when the hydrogen atom directly bonded to the benzene ring is substituted with an alkyl group, the electrical resistance of the film is not greatly changed as compared with the case where it is not substituted. However, it was revealed that methanol permeability was greatly suppressed. In the case of a styrene derivative substituted with an alkyl group, it is considered that the hydrophobicity in the ion channel formed by the polymer block (A) is increased and the methanol permeation rate is reduced because the hydrophobicity is higher than that of styrene. .
In addition, from the comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 3, the polymer electrolyte membrane of the present invention has both membrane electrical resistance and methanol permeability compared to Nafion membrane, which is a typical example of an electrolyte membrane for fuel cells. It became clear that it was decreasing significantly.
Therefore, it can be said that the polymer electrolyte membrane of the present invention is very useful as a molecular electrolyte membrane for a solid polymer fuel cell, particularly as a polymer electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell.

Claims (7)

α−炭素原子に結合した水素原子が非置換であるか炭素数1〜4のアルキル基で置換され、かつ、芳香環に直接結合した水素原子の少なくとも1つが炭素数1〜8のアルキル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位を繰返し単位として有する重合体ブロック(A)及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位を繰返し単位として有する重合体ブロック(B)を構成成分とし、重合体ブロック(A)に占める該芳香族ビニル系化合物単位の割合が20質量%以上であり、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有するブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、該膜における該ブロック共重合体の含有量が90質量%以上である該電解質膜。 The hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is unsubstituted or substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and at least one of the hydrogen atoms directly bonded to the aromatic ring is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms. The polymer block (A) having a substituted aromatic vinyl compound unit as a repeating unit and the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms in which a part or all of the carbon-carbon double bond is hydrogenated as a repeating unit The polymer block (B) has a constituent component, the proportion of the aromatic vinyl compound unit in the polymer block (A) is 20% by mass or more, and the polymer block (A) has an ion conductive group. A polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell containing a block copolymer, wherein the content of the block copolymer in the membrane is 90% by mass or more. 重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が95:5〜5:95である請求項1記載の電解質膜。 The mass ratio of polymer block (A) and polymer block (B) is 95: 5 to 5:95 in which claim 1 Symbol placement of the electrolyte membrane. 該芳香族ビニル系化合物単位がp−メチルスチレン単位又は4−tert−ブチルスチレン単位である請求項1又は2記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to claim 1 or 2 , wherein the aromatic vinyl compound unit is a p-methylstyrene unit or a 4-tert-butylstyrene unit. イオン伝導性基が−SOM基又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基である請求項1〜のいずれか1項に記載の電解質膜。 (Wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) ion-conducting group is -SO 3 M group or a -PO 3 HM group claim 1-3 is a group represented by 1 The electrolyte membrane according to item. イオン交換容量が、0.30meq/g以上である請求項1〜のいずれか1項に記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4 , wherein the ion exchange capacity is 0.30 meq / g or more. 請求項1〜のいずれか1項に記載の電解質膜を使用した膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5 . 請求項1〜のいずれか1項に記載の電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5 .
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