JP5470674B2 - Polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte membrane / electrode assembly, fuel cell, and fuel cell operating method - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, polymer electrolyte membrane / electrode assembly, fuel cell, and fuel cell operating method Download PDF

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Description

本発明は、無加湿で運転する燃料電池に適した高分子電解質膜、並びに該高分子電解質膜を用いた電解質膜/電極接合体及び燃料電池、及び該燃料電池を用いた燃料電池の無加湿運転方法に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell operating without humidification, an electrolyte membrane / electrode assembly and a fuel cell using the polymer electrolyte membrane, and a non-humidification of a fuel cell using the fuel cell. It relates to the driving method.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。     In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性の高分子電解質膜が使用される。そのような高分子電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜が知られている。   As the polymer solid electrolyte membrane, a proton conductive polymer electrolyte membrane is usually used. As such a polymer electrolyte membrane, for example, a membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA is known.

パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜のような、スルホン酸基をプロトンのキャリアとする高分子電解質膜は、プロトン伝導に水を必要とする。そのため、供給ガスを加湿したり、反応による生成水などによって、常に膜を吸湿状態に保っている。供給ガスを加湿するためには、そのための装置が必要になるので、発電システムを簡素化するためには、無加湿で発電できることが望ましい。   A polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group as a proton carrier, such as a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane, requires water for proton conduction. Therefore, the membrane is always kept in a hygroscopic state by humidifying the supply gas or by water produced by the reaction. In order to humidify the supply gas, a device for that purpose is required. Therefore, in order to simplify the power generation system, it is desirable that power can be generated without humidification.

燃料電池において、発電中の高分子電解質膜の吸湿状態を測定する方法の一つとして、MRIによる分析が知られている(例えば、特許文献1、2を参照)。しかしながら、無加湿発電運転に適した高分子電解質膜が、発電中にどのような吸湿特性を示すかは明らかになっていなかった。   As a method for measuring the moisture absorption state of a polymer electrolyte membrane during power generation in a fuel cell, analysis by MRI is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, it has not been clarified what kind of moisture absorption characteristics a polymer electrolyte membrane suitable for non-humidified power generation operation shows during power generation.

特開2004−170297号公報JP 2004-170297 A 特開2005−071676号公報JP 2005-071676 A

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、無加湿発電運転する燃料電池に適した高分子電解質膜、並びに該高分子電解質膜を用いた電解質膜/電極接合体及び燃料電池、及び該燃料電池を用いた燃料電池の無加湿運転方法の提供を課題とするものである。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and is a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell operating without humidification power generation, an electrolyte membrane / electrode assembly and a fuel cell using the polymer electrolyte membrane, and An object of the present invention is to provide a non-humidified operation method of a fuel cell using the fuel cell.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、以下の通りである。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention is as follows.

1.高分子電解質膜であって、該高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池に無加湿の水素と酸素を用いて発電を行ったときの、MRIによるスピンエコー法を用いて測定した高分子電解質膜内の水の信号強度が、数式1を満たすことを特徴とする高分子電解質膜。 1. A polymer electrolyte membrane measured using a spin echo method by MRI when power is generated using unhumidified hydrogen and oxygen in a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte membrane. A polymer electrolyte membrane characterized in that the signal intensity of water in the molecular electrolyte membrane satisfies Formula 1.

(数式1において、Iは、電流密度が0A/cmにおける水の信号強度を、I0.3は、電流密度が0.3A/cmにおける水の信号強度を、それぞれ表す。) (In Equation 1, I 0 represents the signal strength of water at a current density of 0 A / cm 2 , and I 0.3 represents the signal strength of water at a current density of 0.3 A / cm 2. )

2.高分子電解質膜が主として炭化水素系ポリマーから構成されていることを特徴とする上記1に記載の高分子電解質膜。 2. 2. The polymer electrolyte membrane according to 1 above, wherein the polymer electrolyte membrane is mainly composed of a hydrocarbon polymer.

3.イオン交換容量が2〜4meq/gの範囲にあることを特徴とする上記1に記載の高分子電解質膜。 3. 2. The polymer electrolyte membrane according to 1 above, wherein the ion exchange capacity is in the range of 2 to 4 meq / g.

4.80℃、相対湿度95%における導電率が0.2S/cm以上であり、かつ80℃、相対湿度50%における導電率0.010S/cm以上であることを特徴とする上記1に記載の高分子電解質膜。 4. Conductivity at 80 ° C. and relative humidity 95% is 0.2 S / cm or more, and conductivity at 0.0 ° C. and relative humidity 50% is 0.010 S / cm or more. Polymer electrolyte membrane.

5.80℃の水に溶解しないことを特徴とする上記1に記載の高分子電解質膜。 5. The polymer electrolyte membrane according to 1 above, which does not dissolve in water at 80 ° C.

6.スルホン酸基を含有し、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトンの少なくとも一種が共重合された芳香族系ポリマーから主として構成されていることを特徴とする上記1に記載の高分子電解質膜。 6). The sulfonic acid group is contained, and is mainly composed of an aromatic polymer in which at least one of polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone is copolymerized. 1. The polymer electrolyte membrane according to 1.

7.下記化学式1で表される構造を分子中に有する芳香族系ポリマーから主として構成されていることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。 7). 2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane is mainly composed of an aromatic polymer having a structure represented by the following chemical formula 1 in the molecule.

[化学式1において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを、Arは二価の芳香族基を、それぞれ表す。] [In Chemical Formula 1, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Ar represents a divalent aromatic group. ]

8.Arが、下記化学式2で表される構造であることを特徴とする上記7に記載の高分子電解質膜。 8). 8. The polymer electrolyte membrane according to 7 above, wherein Ar has a structure represented by the following chemical formula 2.

[化学式2において、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n1は0以上の整数を表す。] [In Chemical Formula 2, Z 2 represents any of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, and a cyclohexyl group, and n 1 represents Represents an integer of 0 or more. ]

9.Z及びZがいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上であることを特徴とする上記8に記載の高分子電解質膜。 9. 9. The polymer electrolyte membrane as described in 8 above, wherein Z 1 and Z 2 are both O atoms, and n1 is 3 or more.

10.化学式3で表される構造をさらに含有することを特徴とする上記7に記載の高分子電解質膜。 10. 8. The polymer electrolyte membrane according to 7 above, further comprising a structure represented by chemical formula 3.

[化学式3において、Ar及びAr’は二価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] [In Chemical Formula 3, Ar 1 and Ar ′ represent a divalent aromatic group, and Z 3 represents either O or S atom. ]

11.Ar’が、下記化学式4で表される構造であることを特徴とする上記10に記載の高分子電解質膜。 11. 11. The polymer electrolyte membrane as described in 10 above, wherein Ar ′ has a structure represented by the following chemical formula 4.

[化学式4において、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n2は0以上の整数を表す。] [In Chemical Formula 4, Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, and n 2 represents Represents an integer of 0 or more. ]

12.Z及びZがいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上であることを特徴とする上記11に記載の高分子電解質膜。 12 12. The polymer electrolyte membrane as described in 11 above, wherein Z 3 and Z 4 are both O atoms, and n2 is 3 or more.

13.Arが、下記化学式5〜8で表される構造から選ばれる一種以上の基であることを特徴とする上記10に記載の高分子電解質膜。 13. 11. The polymer electrolyte membrane as described in 10 above, wherein Ar 1 is one or more groups selected from structures represented by the following chemical formulas 5 to 8.

14.Arが化学式8で表される構造であることを特徴とする上記13に記載の高分子電解質膜。 14 14. The polymer electrolyte membrane as described in 13 above, wherein Ar 1 has a structure represented by chemical formula 8.

15.Arが下記化学式9A〜9Gのいずれかで表される構造であることを特徴とする上記7に記載の高分子電解質膜。 15. 8. The polymer electrolyte membrane according to 7 above, wherein Ar has a structure represented by any one of the following chemical formulas 9A to 9G.

(式中、Rは炭素数1〜4のアルキル基を、rは0〜2の整数を、それぞれ表す。) (In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and r represents an integer of 0 to 2).

16.Arが下記化学式10で表される構造であることを特徴とする上記15に記載の高分子電解質膜。 16. 16. The polymer electrolyte membrane as described in 15 above, wherein Ar has a structure represented by the following chemical formula 10.

17.Ar’が化学式9A〜9Gのいずれかで表される構造であることを特徴とする上記10に記載の高分子電解質膜。 17. 11. The polymer electrolyte membrane according to 10 above, wherein Ar ′ has a structure represented by any one of chemical formulas 9A to 9G.

18.Ar’が化学式10で表される構造であることを特徴とする上記17に記載の高分子電解質膜。 18. 18. The polymer electrolyte membrane according to 17 above, wherein Ar ′ has a structure represented by chemical formula 10.

19.Ar及びAr’が化学式10で表される構造であり、Arが化学式(8)で表される構造であることを特徴とする上記10に記載の高分子電解質膜。 19. 11. The polymer electrolyte membrane according to 10 above, wherein Ar and Ar ′ are structures represented by chemical formula 10, and Ar 1 is a structure represented by chemical formula (8).

20.Xが−S(=O)−基であり、YがH原子であり、Z及びZがO原子であることを特徴とする上記19に記載の高分子電解質膜。 20. 20. The polymer electrolyte membrane as described in 19 above, wherein X is a —S (═O) 2 — group, Y is an H atom, and Z 1 and Z 3 are O atoms.

21.化学式1及び化学式3で表される構造のモル%が下記数式2を満たすことを特徴とする上記10に記載の高分子電解質膜。 21. 11. The polymer electrolyte membrane according to the above item 10, wherein the mol% of the structure represented by the chemical formula 1 and the chemical formula 3 satisfies the following mathematical formula 2.

(上記式中、n3は化学式1で表される構造のモル%を、n4は化学式3で表される構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n3 represents mol% of the structure represented by Chemical Formula 1, and n4 represents mol% of the structure represented by Chemical Formula 3, respectively.)

22.下記化学式11で表される構造をさらに有することを特徴とする上記8に記載の高分子電解質膜。 22. 9. The polymer electrolyte membrane according to 8 above, further having a structure represented by the following chemical formula 11.

[化学式11において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] [In Chemical Formula 11, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. . ]

23.化学式12で表される構造をさらに有することを特徴とする上記11に記載の高分子電解質膜。 23. 12. The polymer electrolyte membrane according to 11 above, further having a structure represented by chemical formula 12.

[化学式12において、Arは2価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] [In the chemical formula 12, Ar 2 represents a divalent aromatic group, and Z 6 represents either O or S atom. ]

24.Arが、化学式5〜8で表される構造から選ばれる一種以上の基であることを特徴とする上記23に記載の高分子電解質膜。 24. 24. The polymer electrolyte membrane as described in 23 above, wherein Ar 2 is one or more groups selected from structures represented by chemical formulas 5 to 8.

25.Arが化学式8で表される構造であることを特徴とする上記24に記載の高分子電解質膜。 25. 25. The polymer electrolyte membrane as described in 24 above, wherein Ar 2 has a structure represented by chemical formula 8.

26.Z及びZがO又はS原子であり、かつ、n1が1であることを特徴とする上記22に記載の高分子電解質膜。 26. 23. The polymer electrolyte membrane as described in 22 above, wherein Z 1 and Z 2 are O or S atoms, and n1 is 1.

27.Z及びZがO又はS原子であり、かつ、n2が1であることを特徴とする上記23に記載の高分子電解質膜。 27. 24. The polymer electrolyte membrane as described in 23 above, wherein Z 3 and Z 4 are O or S atoms, and n2 is 1.

28.(A)Arが化学式2で表される構造である化学式1、(B)Ar’が化学式4で表される構造である化学式3、(C)化学式11、(D)化学式12、の少なくとも4種類の構造で表される繰り返し単位を有し、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し構造のモル%が数式3〜5を満たす芳香族系ポリマーから主として構成されていることを特徴とする上記1に記載の高分子電解質膜。 28. (A) At least 4 of Chemical Formula 1 in which Ar is a structure represented by Chemical Formula 2, (B) Chemical Formula 3 in which Ar ′ is a structure represented by Chemical Formula 4, (C) Chemical Formula 11, and (D) Chemical Formula 12. It has a repeating unit represented by a kind of structure, and the mole% of each repeating unit and the mole% of other repeating structures are mainly composed of an aromatic polymer satisfying Formulas 3 to 5. 2. The polymer electrolyte membrane according to 1 above.

(上記式中、n5は化学式11で表される構造のモル%を、n6はArが化学式2で表される構造である化学式1で表される構造のモル%を、n7は化学式12で表される構造のモル%を、n8はAr’が化学式4で表される構造である化学式3で表される構造のモル%を、n9はその他の繰り返し構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n5 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 11, n6 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 1 where Ar is the structure represented by the chemical formula 2, and n7 represents the chemical formula 12. N8 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 3 in which Ar ′ is the structure represented by the chemical formula 4, and n9 represents the mol% of the other repeating structure.)

29.上記1〜28のいずれかに記載の高分子電解質膜を用いた電解質膜/電極接合体。 29. 29. An electrolyte membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane according to any one of 1 to 28 above.

30.上記29に記載の電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。 30. 30. A fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly according to 29.

31.上記30に記載の燃料電池を用いることを特徴とする、固体高分子形燃料電池の無加湿運転方法。 31. 31. A non-humidified operation method for a polymer electrolyte fuel cell, characterized by using the fuel cell as described in 30 above.

本発明の高分子電解質膜は、既存の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、無加湿での発電特性に優れており、燃料電池として用いた場合に、より簡便なシステムで高出力を得ることができるという、優れた効果を有している。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is superior in power generation characteristics without humidification compared to existing perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes. When used as a fuel cell, the polymer electrolyte membrane has a higher output with a simpler system. Can be obtained.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子電解質膜は、該高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池に無加湿の水素と酸素を用いて発電を行ったときの、MRIによるスピンエコー法を用いて測定した高分子電解質膜内の水の信号強度が、数式1を満たすことを特徴とするものである。測定は、燃料電池セルをMRI測定装置内に設置することによって行うことができる。測定する核種はH(水素)であり、画像を取得するためのシーケンスとしてはスピンエコー法を用いることができる。スピンエコー法における、エコー時間、繰り返し時間、画像平均化回数、スライス厚み、画像取得範囲、は測定するサンプルの大きさ、厚み、形状、測定の目的などによって適宜設定することができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The polymer electrolyte membrane of the present invention was measured using a spin echo method by MRI when power was generated using non-humidified hydrogen and oxygen in a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte membrane. The signal strength of water in the polymer electrolyte membrane satisfies the formula 1. The measurement can be performed by installing the fuel battery cell in the MRI measurement apparatus. The nuclide to be measured is 1 H (hydrogen), and a spin echo method can be used as a sequence for acquiring an image. In the spin echo method, the echo time, repetition time, number of times of image averaging, slice thickness, and image acquisition range can be appropriately set depending on the size, thickness, shape, measurement purpose, etc. of the sample to be measured.

水の信号強度はHの信号強度として得られ、測定セル内に基準物質を入れておくことによって、相対値として求めることができる。これによって、異なるサンプル間においても比較することができる。 The signal intensity of water is obtained as a signal intensity of 1 H, and can be obtained as a relative value by placing a reference substance in the measurement cell. This allows comparison between different samples.

無加湿発電は、5〜90℃の範囲で行うことが好ましいが、高温になるほど出力が低下することがかるので、10〜80℃の範囲がより好ましく、20〜60℃の範囲であることがさらに好ましい。   The non-humidified power generation is preferably performed in the range of 5 to 90 ° C. However, since the output may decrease as the temperature increases, the range of 10 to 80 ° C is more preferable, and the range of 20 to 60 ° C is further preferable. preferable.

無加湿発電のときの高分子電解質膜の含水量は、電流密度が大きくなるほど、含水量が増えることが好ましく、電流密度が0.3A/cmのときの電流密度が、電流密度が0A/cmのときの1.5〜10倍の範囲であることが好ましく、より好ましくは2〜4倍の範囲である。1.5倍よりも少ないと、高電流密度まで発電できなかったり、出力電圧が低かったりして、得られる出力が低いので好ましくない。10倍よりも大きいと、出力面では好ましいものの、膜の膨潤性が大きくなりすぎて、耐久性に乏しくなるため好ましくない。 The moisture content of the polymer electrolyte membrane during non-humidified power generation is preferably increased as the current density increases. The current density when the current density is 0.3 A / cm 2 is 0 A / cm. The range of 1.5 to 10 times that of cm 2 is preferable, and the range of 2 to 4 times is more preferable. If it is less than 1.5 times, it is not preferable because power cannot be generated up to a high current density, or the output voltage is low, resulting in low output. If it is larger than 10 times, it is preferable in terms of output, but it is not preferable because the swelling property of the film becomes too large and the durability becomes poor.

本発明の高分子電解質膜は高い含水率を必要とするため、より多くのイオン性基を導入することのできる、炭化水素系高分子電解質膜を用いることが好ましい。炭化水素系高分子電解質膜とは、ポリマー構造が部分的にフッ素化されていてもよいが、パーフルオロ化されておらず、芳香族又は脂肪族系の繰り返し単位と、スルホン酸やホスホン酸、リン酸などといったイオン性基からなるポリマーを主成分とする高分子電解質膜のことを表す。   Since the polymer electrolyte membrane of the present invention requires a high water content, it is preferable to use a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane into which more ionic groups can be introduced. The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane may be partially fluorinated in the polymer structure, but is not perfluorinated, aromatic or aliphatic repeating units, sulfonic acid or phosphonic acid, It represents a polymer electrolyte membrane mainly composed of a polymer composed of an ionic group such as phosphoric acid.

高分子電解質膜を構成するポリマーは芳香族系のポリマーであることが好ましく、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトンの少なくとも一種が共重合された芳香族系ポリマーから主として構成されていることが好ましい。   The polymer constituting the polymer electrolyte membrane is preferably an aromatic polymer, and an aromatic polymer obtained by copolymerizing at least one of polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone. It is preferably mainly composed of a polymer.

高分子電解質膜を構成するポリマーの具体的な例としては、ポリアリーレン、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアリーレンエーテルスルフィド、ポリアリーレンエーテルニトリル、ポリアリーレンエーテルニトリルスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリベンザゾール、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドなどの耐熱性ポリマーが好ましい例として挙げることができるがこれらに限定されるものではない。   Specific examples of the polymer constituting the polymer electrolyte membrane include polyarylene, polyarylene ether, polyarylene sulfide, polyarylene ether sulfide, polyarylene ether nitrile, polyarylene ether nitrile sulfide, polysulfone, polyethersulfone, poly Heat-resistant polymers such as phenylsulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polyimide, polybenzazole, polyetherimide, polyamide, and polyamideimide can be mentioned as preferred examples, but are not limited thereto.

中でも、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアリーレンエーテルスルフィド、ポリアリーレンエーテルニトリル、ポリアリーレンエーテルニトリルスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンが、さらに好ましい例として挙げることができるがこれらに限定されるものではない。   Among them, polyarylene ether, polyarylene sulfide, polyarylene ether sulfide, polyarylene ether nitrile, polyarylene ether nitrile sulfide, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyetherketone, polyetheretherketone are more preferable examples. It can be mentioned, but is not limited to these.

上記のようなポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、スルホンイミド基などのイオン性基を導入することにより、プロトン伝導性ポリマーとして用いることができる。イオン性基は、スルホン酸基であることが、プロトン伝導性が高くなるため好ましい。高分子電解質膜中のイオン性基の量は、1〜10meq/gの範囲にあればよいが、2〜4meq/gの範囲にあることがより好ましく、2.3〜3meq/gの範囲にあることがさらに好ましい。イオン交換容量が大きいとプロトン伝導性は増大するが膨潤性も増大し安定性が低下する傾向にある。イオン交換容量が少ないとプロトン伝導性が低下し、充分な性能が得られなくなる。   By introducing an ionic group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, or a sulfonimide group into the polymer as described above, it can be used as a proton conductive polymer. The ionic group is preferably a sulfonic acid group because proton conductivity is increased. The amount of ionic groups in the polymer electrolyte membrane may be in the range of 1 to 10 meq / g, more preferably in the range of 2 to 4 meq / g, and in the range of 2.3 to 3 meq / g. More preferably it is. When the ion exchange capacity is large, proton conductivity increases, but swelling property also increases and stability tends to decrease. When the ion exchange capacity is small, proton conductivity is lowered and sufficient performance cannot be obtained.

本発明の高分子電解質膜は、上記のようなプロトン伝導性ポリマーのみからなっていてもよいし、有機又は無機の多孔材料や、フィブリル、不織布、フィラーなどとの複合膜であってもよい。また、非プロトン伝導性ポリマーとのブレンドであってもよい。あるいは、構造の異なるプロトン伝導性ポリマーとのブレンドや、積層膜であってもよい。さらには、プロトン伝導性ポリマー間や、プロトン伝導性ポリマーと架橋剤との間に架橋を有していてもよい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention may be composed only of the proton conductive polymer as described above, or may be a composite membrane with an organic or inorganic porous material, fibril, nonwoven fabric, filler or the like. It may also be a blend with an aprotic conductive polymer. Alternatively, it may be a blend with a proton conductive polymer having a different structure or a laminated film. Furthermore, you may have bridge | crosslinking between proton conductive polymers, or between a proton conductive polymer and a crosslinking agent.

本発明の高分子電解質膜は、プロトン伝導性が高いことが望ましいが、具体的には80℃、相対湿度95%における導電率が0.2S/cm以上であり、かつ80℃、相対湿度50%における導電率0.010S/cm以上であると好ましく、80℃、相対湿度95%における導電率が0.3S/cm以上であり、かつ80℃、相対湿度50%における導電率0.015S/cm以上であるとさらに好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention desirably has high proton conductivity. Specifically, the conductivity at 80 ° C. and relative humidity 95% is 0.2 S / cm or more, and 80 ° C. and relative humidity 50 The conductivity at 0.0% is preferably 0.010 S / cm or more, the conductivity at 80 ° C. and 95% relative humidity is 0.3 S / cm or more, and the conductivity at 80 ° C. and 50% relative humidity is 0.015 S / cm. More preferably, it is cm or more.

本発明の高分子電解質膜は、膨潤性が大きくない方が好ましいが、例えば、80℃の水に溶解しないような高分子電解質膜であると、より好ましい結果が得られる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably not so swellable, but for example, a polymer electrolyte membrane that does not dissolve in water at 80 ° C. provides more preferable results.

本発明の高分子電解質を構成するポリマーの好ましい態様の一つは、下記化学式1で表される構造を有する芳香族系ポリマーである。   One of the preferred embodiments of the polymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is an aromatic polymer having a structure represented by the following chemical formula 1.

[化学式1において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを、Arは2価の芳香族基を、それぞれ表す。] [In Chemical Formula 1, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Ar represents a divalent aromatic group. ]

Xは−S(=O)−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、電解質膜に光架橋性を付与することができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。ZはOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。 X is preferably a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 1 is preferably O since it has advantages such as less coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 1 is preferably S because oxidation resistance is improved.

Arは2価の芳香族基であるが、公知の任意の基であってよい。中でもArが、下記化学式2で表される構造であると、高分子電解質膜のプロトン伝導性及び電極との接合性や、燃料電池に用いた場合の発電出力などを向上させることができ、好ましい。   Ar is a divalent aromatic group, but may be any known group. Among these, Ar is preferably a structure represented by the following chemical formula 2, which can improve the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane and the bondability with the electrode, the power generation output when used in a fuel cell, and the like. .

[化学式2において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n1は0以上の整数を表す。] [In Chemical Formula 2, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group or a cyclohexyl group, and n1 represents an integer of 0 or more. Represent. ]

はOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n1が3以上であると、高分子電解質膜の軟化点を下げる効果があり、電極との接合性を向上させるため好ましい。n1が1の場合は、Zは、O原子、S原子、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基であることが好ましく、O原子、S原子であることがより好ましい。 Z 2 is preferably O, because it has advantages such as less coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 2 is preferably S because oxidation resistance is improved. It is preferable that n1 is 3 or more because there is an effect of lowering the softening point of the polymer electrolyte membrane, and the bonding property with the electrode is improved. When n1 is 1, Z 2 is preferably an O atom, an S atom, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, and preferably an O atom or an S atom. More preferred.

化学式1におけるArが化学式2で表される構造の場合には、Z及びZがいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上であると、電極との接合性が良好な高分子電解質膜となり好ましい。 In the case where Ar in Chemical Formula 1 has a structure represented by Chemical Formula 2, if Z 1 and Z 2 are both O atoms and n1 is 3 or more, a polymer having good bondability with an electrode An electrolyte membrane is preferred.

また、Arは下記化学式9A〜9Gのいずれかで表される構造であってもよく、中でも化学式9Aの構造が好ましく、化学式10の構造がさらに好ましい。Rはメチル基が好ましい。rは0であることが高分子量ポリマーを得やすいため好ましい。rが1又は2であると、ポリマーに架橋性を付与することが可能になり好ましい。   Ar may have a structure represented by any one of the following chemical formulas 9A to 9G. Among them, the structure of chemical formula 9A is preferable, and the structure of chemical formula 10 is more preferable. R is preferably a methyl group. r is preferably 0 because it is easy to obtain a high molecular weight polymer. When r is 1 or 2, it is possible to impart crosslinkability to the polymer, which is preferable.

(式中、Rは炭素数1〜4のアルキル基を、rは0〜2の整数を、それぞれ表す。) (In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and r represents an integer of 0 to 2).

本発明の高分子電解質を構成するポリマーの好ましい態様の一つは、化学式1で表される構造と共に、下記化学式3で表される構造を有する芳香族系ポリマーである。   One of preferred embodiments of the polymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is an aromatic polymer having a structure represented by the following chemical formula 3 together with a structure represented by the chemical formula 1.

[化学式3において、Ar及びAr’は二価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] [In Chemical Formula 3, Ar 1 and Ar ′ represent a divalent aromatic group, and Z 3 represents either O or S atom. ]

Arは、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 Ar 1 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.

Arの好ましい構造は、下記化学式5〜8で表される構造である。化学式5の構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式6の構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式7又は8の構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式8の構造がより好ましい。化学式5〜8の中でも化学式8の構造が最も好ましい。 A preferred structure of Ar 1 is a structure represented by the following chemical formulas 5-8. The structure of Chemical Formula 5 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of Chemical Formula 6 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to increase the bonding property with the electrode and impart photocrosslinking properties. The structure of Chemical Formula 7 or 8 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 8 is more preferable. Among the chemical formulas 5 to 8, the structure of the chemical formula 8 is most preferable.

Ar’は2価の芳香族基であるが、公知の任意の基であってよい。中でもAr’が、下記化学式4で表される構造であると、高分子電解質膜のプロトン伝導性及び電極との接合性や、燃料電池に用いた場合の発電出力などを向上させることができ、好ましい。   Ar ′ is a divalent aromatic group, but may be any known group. Above all, when Ar ′ is a structure represented by the following chemical formula 4, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane and the bondability with the electrode, and the power generation output when used in a fuel cell can be improved. preferable.

[化学式4において、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n2は0以上の整数を表す。] [In Chemical Formula 4, Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, and n 2 represents Represents an integer of 0 or more. ]

はOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n2が3以上であると、高分子電解質膜の軟化点を下げる効果があり、電極との接合性を向上させるため好ましい。n2が1の場合は、Zは、O原子、S原子、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基であることが好ましく、O原子、S原子であることがより好ましい。 Z 4 is preferably O, because it has advantages such as less coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 4 is preferably S because oxidation resistance is improved. It is preferable that n2 is 3 or more because there is an effect of lowering the softening point of the polymer electrolyte membrane, and the bonding property with the electrode is improved. When n2 is 1, Z 4 is preferably an O atom, an S atom, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, or a cyclohexyl group, and preferably an O atom or an S atom. More preferred.

化学式3におけるAr’が化学式4で表される構造の場合には、Z及びZがいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上であると、電極との接合性が良好な高分子電解質膜となり好ましい。 In the case where Ar ′ in the chemical formula 3 is a structure represented by the chemical formula 4, when Z 3 and Z 4 are both O atoms and n2 is 3 or more, the bonding property with the electrode is excellent. A molecular electrolyte membrane is preferred.

また、Ar’は下記化学式9A〜9Gのいずれかで表される構造であってもよく、中でも化学式9Aの構造が好ましく、化学式10の構造がさらに好ましい。Rはメチル基が好ましい。rは0であることが高分子量ポリマーを得やすいため好ましい。rが1又は2であると、ポリマーに架橋性を付与することが可能になり好ましい。   Ar ′ may have a structure represented by any one of the following chemical formulas 9A to 9G. Among them, the structure of chemical formula 9A is preferable, and the structure of chemical formula 10 is more preferable. R is preferably a methyl group. r is preferably 0 because it is easy to obtain a high molecular weight polymer. When r is 1 or 2, it is possible to impart crosslinkability to the polymer, which is preferable.

(式中、Rは炭素数1〜4のアルキル基を、rは0〜2の整数を、それぞれ表す。) (In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and r represents an integer of 0 to 2).

上記の態様において、Ar及びAr’が化学式10で表される構造であり、Arが化学式8で表される構造であると、プロトン伝導性に優れ、膨潤性の小さい高分子電解質膜となり好ましい。また、Xが−S(=O)−基であり、YがH原子であり、Z及びZがO原子であると、さらに特性が向上するためより好ましい。 In the above embodiment, it is preferable that Ar and Ar ′ have a structure represented by Chemical Formula 10 and Ar 1 has a structure represented by Chemical Formula 8 because a polymer electrolyte membrane having excellent proton conductivity and low swellability is obtained. . In addition, it is more preferable that X is a —S (═O) 2 — group, Y is an H atom, and Z 1 and Z 3 are O atoms because the characteristics are further improved.

上記の態様において、化学式1及び化学式3で表される構造のモル%は下記数式2を満たすことが好ましい。   In the above aspect, the mol% of the structure represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 3 preferably satisfies the following Numerical Formula 2.

(上記式中、n3は化学式1で表される構造のモル%を、n4は化学式3で表される構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n3 represents mol% of the structure represented by Chemical Formula 1, and n4 represents mol% of the structure represented by Chemical Formula 3, respectively.)

[n3/(n3+n4)]は0.4〜0.7の範囲であることがより好ましく、0.5〜0.7の範囲であることがさらに好ましい。0.3より小さいと、高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下し燃料電池の出力が低下しやすくなる。また、0.7よりも大きいと、高分子電解質膜の膨潤性が著しく大きくなって破損しやすくなる場合がある。   [N3 / (n3 + n4)] is more preferably in the range of 0.4 to 0.7, and still more preferably in the range of 0.5 to 0.7. If it is smaller than 0.3, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is lowered, and the output of the fuel cell tends to be lowered. Moreover, when larger than 0.7, the swelling property of a polymer electrolyte membrane may become remarkably large, and it may become easy to break.

本発明の高分子電解質を構成するポリマーの好ましい態様の一つは、Arが化学式2で表される構造である化学式1で表される構造と共に、下記化学式11で表される構造をさらに有するポリマーである。化学式11で表される構造は、高分子電解質膜にプロトン伝導性を付与し、高分子電解質膜の膨潤を抑制する機能を有している。   One of preferred embodiments of the polymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is a polymer further having a structure represented by the following chemical formula 11 together with a structure represented by the chemical formula 1 in which Ar is a structure represented by the chemical formula 2. It is. The structure represented by the chemical formula 11 has a function of imparting proton conductivity to the polymer electrolyte membrane and suppressing swelling of the polymer electrolyte membrane.

[化学式11において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] [In Chemical Formula 11, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. . ]

Xは−S(=O)−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、電解質膜に光架橋性を付与することができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。ZはOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。 X is preferably a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 5 is preferably O, because there are advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 5 is preferably S because oxidation resistance is improved.

上記の態様において、Z及びZがO又はS原子であり、かつ、n1が1であると、プロトン伝導性、電極との接合性、耐膨潤性をそれぞれ向上することができるため好ましい。 In the above aspect, it is preferable that Z 1 and Z 2 are O or S atoms and n1 is 1, since proton conductivity, bondability with an electrode, and swelling resistance can be improved.

本発明の高分子電解質を構成するポリマーの好ましい態様の一つは、化学式1で表される構造と、Ar’が化学式4で表される構造である化学式3で表される構造とに加え、下記化学式12で表される構造をさらに有するポリマーである。化学式12で表される構造は、高分子電解質膜の膨潤を抑制する機能を有している。。   One of preferred embodiments of the polymer constituting the polymer electrolyte of the present invention includes a structure represented by the chemical formula 1 and a structure represented by the chemical formula 3 in which Ar ′ is a structure represented by the chemical formula 4, It is a polymer further having a structure represented by the following chemical formula 12. The structure represented by Chemical Formula 12 has a function of suppressing the swelling of the polymer electrolyte membrane. .

[化学式12において、Arは2価の芳香族基を、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] [In the chemical formula 12, Ar 2 represents a divalent aromatic group, and Z 6 represents either O or S atom. ]

Arは、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 Ar 2 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.

Arの好ましい構造は、下記化学式5〜8で表される構造である。化学式5の構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式6の構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式7又は8の構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式8の構造がより好ましい。化学式5〜8の中でも化学式8の構造が最も好ましい。 A preferred structure of Ar 2 is a structure represented by the following chemical formulas 5-8. The structure of Chemical Formula 5 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of Chemical Formula 6 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to increase the bonding property with the electrode and impart photocrosslinking properties. The structure of Chemical Formula 7 or 8 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 8 is more preferable. Among the chemical formulas 5 to 8, the structure of the chemical formula 8 is most preferable.

上記の態様において、Z及びZがO又はS原子であり、かつ、n2が1であると、プロトン伝導性、電極との接合性、耐膨潤性をそれぞれ向上することができるため好ましい。 In the above aspect, it is preferable that Z 3 and Z 4 are O or S atoms and n2 is 1, since proton conductivity, bondability with an electrode, and swelling resistance can be improved.

本発明の高分子電解質を構成するポリマーの好ましい態様の一つは、(A)Arが化学式2で表される構造である化学式1、(B)Ar’が化学式4で表される構造である化学式3、(C)化学式11、(D)化学式12、の少なくとも4種類の構造で表される繰り返し単位を有し、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し構造のモル%が数式3〜5を満たす芳香族系ポリマーである。   One of the preferred embodiments of the polymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is a structure in which (A) Ar is a structure represented by Chemical Formula 2 and (B) Ar ′ is a structure represented by Chemical Formula 4. Chemical formula 3, (C) Chemical formula 11 and (D) Chemical formula 12 have repeating units represented by at least four types of structures, and the molar% of each repeating unit and the molar% of other repeating structures are represented by formula 3. It is an aromatic polymer satisfying ˜5.

(上記式中、n5は化学式11で表される構造のモル%を、n6はArが化学式2で表される構造である化学式1で表される構造のモル%を、n7は化学式12で表される構造のモル%を、n8はAr’が化学式4で表される構造である化学式3で表される構造のモル%を、n9はその他の繰り返し構造のモル%を、それぞれ表す。) (In the above formula, n5 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 11, n6 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 1 where Ar is the structure represented by the chemical formula 2, and n7 represents the chemical formula 12. N8 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 3 in which Ar ′ is the structure represented by the chemical formula 4, and n9 represents the mol% of the other repeating structure.)

(n5+n6+n7+n8)/(n5+n6+n7+n8+n9)は0.95〜1.0の範囲であることが好ましい。(n5+n6)/(n5+n6+n7+n8)は0.4〜0.7の範囲にあることがより好ましく、0.5〜0.7の範囲にあることがさらに好ましい。0.3よりも小さいとプロトン伝導性が低下し燃料電池の出力が低下する場合がある。0.7よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなり破損などの問題が起こりやすくなる場合がある。(n6+n8)/(n5+n6+n7+n8)は0.01〜0.30の範囲であることが好ましく、5〜20の範囲であることがより好ましい。0.01よりも小さいと、電極との接合性の改良効果を得ることができない場合がある。0.95よりも大きいと膜の膨潤性が大きくなりすぎる場合がある。 (N5 + n6 + n7 + n8) / (n5 + n6 + n7 + n8 + n9) is preferably in the range of 0.95 to 1.0. (N5 + n6) / (n5 + n6 + n7 + n8) is more preferably in the range of 0.4 to 0.7, and still more preferably in the range of 0.5 to 0.7. If it is less than 0.3, the proton conductivity may decrease, and the output of the fuel cell may decrease. If it is greater than 0.7, the swelling property of the film increases and problems such as breakage may occur. (N6 + n8) / (n5 + n6 + n7 + n8) is preferably in the range of 0.01 to 0.30, and more preferably in the range of 5 to 20. If it is less than 0.01, the effect of improving the bonding property with the electrode may not be obtained. If it is larger than 0.95, the swelling property of the film may become too large.

本発明の高分子電解質膜は、上記のポリマーを、適当な溶媒に溶解、分散した組成物から得ることもできる。用いることのできる溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミド、N−モルフォリンオキサイドなどの非プロトン性有機極性溶媒や、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテルなどのエーテル系溶媒などの極性溶媒、及びこれらの有機溶媒の混合物、並びに水との混合物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can also be obtained from a composition in which the above polymer is dissolved and dispersed in an appropriate solvent. Solvents that can be used include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, N-morpholine oxide, and the like. Polar solvents such as aprotic organic polar solvents, alcohol solvents such as methanol and ethanol, ketone solvents such as acetone, ether solvents such as diethyl ether, mixtures of these organic solvents, and mixtures with water However, it is not limited to these.

ポリマー溶液の濃度は0.1〜50重量%の範囲が好ましい。溶液から、膜、繊維などを成型する場合には、濃度が5〜50重量%の範囲にあることがより好ましく、10〜40重量%の範囲がさらに好ましい。   The concentration of the polymer solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. When a film, fiber, or the like is molded from a solution, the concentration is more preferably in the range of 5 to 50% by weight, and further preferably in the range of 10 to 40% by weight.

本発明の高分子電解質膜を構成するプロトン伝導性ポリマーは、例えば、電子吸引性基で活性化された芳香族ジハロゲン化合物や芳香族ジニトロ化合物と、ビスフェノール化合物及び/又はビスチオフェノール化合物とを芳香族求核置換反応により重合することができる。   The proton conductive polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is, for example, an aromatic dihalogen compound or aromatic dinitro compound activated with an electron-withdrawing group and a bisphenol compound and / or bisthiophenol compound. It can be polymerized by group nucleophilic substitution reactions.

電子吸引性基で活性化された芳香族ジハロゲン化合物のうち、イオン性基を有するものとしては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジアルキルスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジアルキルスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジアルキルスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジアルキルスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができ、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホンが好ましい。   Among aromatic dihalogen compounds activated with an electron-withdrawing group, those having an ionic group include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4, 4'-difluorodiphenyl sulfone, 3,3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 3,3'-dialkylsulfo-4,4 '-Dichlorodiphenylsulfone, 3,3'-dialkylsulfo-4,4'-difluorodiphenylsulfone, 3,3'-dialkylsulfo-4,4'-dichlorodiphenylketone, 3,3'-dialkylsulfo-4, Examples thereof include 4′-difluorodiphenyl sulfone, and those obtained by converting the sulfonic acid group into a salt with a monovalent cationic species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone. 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4 ′ Difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4 '-Dichlorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-difluorodi Examples include phenyl sulfone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-difluorodiphenyl ketone, and sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfone. Sodium acid-4,4′-difluorodiphenylsulfone is preferred.

イオン性基を含有しない、活性化芳香族ジハロゲン化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。中でも好ましいのは、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリルであり、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリルがさらに好ましい。   The activated aromatic dihalogen compound containing no ionic group includes 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4, Examples include 4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but are not limited thereto. Other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in nucleophilic substitution reactions can also be used. Among these, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6 are preferable. -Difluorobenzonitrile is more preferred.

ビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の例としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、4,4’−ビフェノール、4,4’−ジメルカプトビフェニル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4−ヘキシルレゾルシノール、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、4,4’−チオジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、1,3−ベンゼンジチオール、1,4−ベンゼンジチオール、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナントレン−10−オキシド、両末端にヒドロキシ基を有するポリフェニレンエーテル等が挙げられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオール又は芳香族ジチオールを使用することもでき、上記の化合物に限定されるものではない。併用する化合物の中の好ましい例として、4,4’−ビフェノール、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、4,4’−チオジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオビスベンゼンチオールが挙げられる。複数の種類のビスフェノール化合物及びビスチオフェノール化合物を用いる場合は、4,4’−ビフェノール、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタンからなる群より選ばれる一種以上の化合物と、4,4’−チオジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオビスベンゼンチオール、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、4,4’−ジヒドロキシジフェニルメタン、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンからなる群より選ばれる一種以上の化合物とを組み合わせることが、高分子電解質膜の接合性や耐久性を向上させることができ、好ましい。   Examples of the bisphenol compound or bisthiophenol compound include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 4,4′-biphenol, 4 , 4'-dimercaptobiphenyl, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) Methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4 -Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) Methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4-hexyl resorcinol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) Hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 4,4′-thiodiphenol, 4,4′-oxydiphenol, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane, 2, 2-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 1,3-benzenedithiol, 1,4-benzenedithiol, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10- Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenant -10-oxide, polyphenylene ethers having hydroxy groups at both ends, and the like. In addition, various aromatic diols or aromatics that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction. Group dithiols can also be used and are not limited to the above compounds. Preferred examples among the compounds used in combination include 4,4′-biphenol, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane, 4,4′-thiodi. Examples include phenol, 4,4′-oxydiphenol, and 4,4′-thiobisbenzenethiol. When a plurality of types of bisphenol compounds and bisthiophenol compounds are used, it consists of 4,4′-biphenol, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, and 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane. One or more compounds selected from the group, 4,4′-thiodiphenol, 4,4′-oxydiphenol, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexa Combining one or more compounds selected from the group consisting of fluoropropane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 4,4′-dihydroxydiphenylmethane, 1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, The bondability and durability of the polymer electrolyte membrane can be improved, which is preferable.

本発明における高分子電解質膜を構成するプロトン伝導性ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、活性化芳香族ジハロゲン化合物や活性化ジニトロ芳香族化合物と、ビスフェノール化合物やビスチオフェノール化合物を加えて、塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。モノマー中の、反応性のハロゲン基又はニトロ基と、反応性のヒドロキシ基又はメルカプト基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、好ましくは0.8〜1.2であり、より好ましくは0.9〜1.1であり、0.95〜1.05であるとさらに好ましく、1であると最も高重合度のポリマーを得ることができる。   When the proton conducting polymer constituting the polymer electrolyte membrane in the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated aromatic dihalogen compound or activated dinitroaromatic compound and a bisphenol compound or bisthiophenol compound are added. The polymer can be obtained by reacting in the presence of a basic compound. By setting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group to the reactive hydroxy group or mercapto group in the monomer to an arbitrary molar ratio, the degree of polymerization of the resulting polymer can be adjusted. Is 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, more preferably 0.95 to 1.05, and 1 to obtain a polymer with the highest degree of polymerization. Can do.

重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、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、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、ビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物を、フェニルイソシアネートなどのイソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物とを直接反応させることもできる。   In the above polymerization reaction, a bisphenol compound or bisthiophenol compound is reacted with an isocyanate compound such as phenyl isocyanate to carbamoylate without using a basic compound, and an activated dihalogen aromatic compound or dinitro aromatic compound. The compound can also be reacted directly.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。塩基性化合物は、ビスフェノール化合物及びビスチオフェノール化合物及びビスチオフェノール化合物に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくはビスフェノール化合物及びビスチオフェノールに対して105〜125モル%の範囲である。塩基性化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., which can convert aromatic diols and aromatic dimercapto compounds into an active phenoxide structure. If it is, it can be used without being limited to these. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more based on the bisphenol compound, the bisthiophenol compound and the bisthiophenol compound, and preferably 105 to bisphenol compound and bisthiophenol. The range is 125 mol%. An excessive amount of the basic compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

本発明の高分子電解質膜に用いることのできるポリマー構造の例を以下に示すが、これらに限定されるものではなく、他の公知のポリマーも用いることができる。これらのポリマーを用いた高分子電解質膜の中で、該高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池に無加湿の水素と酸素を用いて発電を行ったときの、MRIによるスピンエコー法を用いて測定した高分子電解質膜内の水の信号強度が、数式1を満たすものが本発明の高分子電解質膜である。   Examples of polymer structures that can be used in the polymer electrolyte membrane of the present invention are shown below, but are not limited thereto, and other known polymers can also be used. Among these polymer electrolyte membranes using polymers, spin-echo method by MRI when power is generated using non-humidified hydrogen and oxygen in a solid polymer fuel cell using the polymer electrolyte membrane In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the signal intensity of water in the polymer electrolyte membrane measured by using the above satisfies Equation 1.

また、本発明における高分子電解質膜を構成するプロトン伝導性ポリマーは、後で述べる方法により測定した対数粘度が0.1dL/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/gよりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dL/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   In addition, the proton conductive polymer constituting the polymer electrolyte membrane in the present invention preferably has a logarithmic viscosity of 0.1 dL / g or more measured by a method described later. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5 dL / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

本発明における高分子電解質膜は任意の厚みにすることができるが、10μm以下だと所定の特性を満たすことが困難になるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μm以上になると製造が困難になるため、300μm以下であることが好ましい。   The polymer electrolyte membrane in the present invention can have any thickness, but if it is 10 μm or less, it becomes difficult to satisfy the predetermined characteristics, and therefore it is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more. Moreover, since manufacture will become difficult when it becomes 300 micrometers or more, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明の高分子電解質膜は、上記のようなスルホン酸基含有ポリマーと単体と他のポリマーとを混合されたものであってもよい。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。本発明の高分子電解質膜中には、上記のプロトン伝導性ポリマーが、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。プロトン伝導性ポリマーの含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満の場合には、この樹脂組成物を含む高分子電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   The polymer electrolyte membrane of the present invention may be a mixture of the sulfonic acid group-containing polymer as described above, a simple substance, and another polymer. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Heat curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the proton conductive polymer is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass with respect to the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the proton conductive polymer is less than 50% by weight of the entire resin composition, the sulfonic acid group concentration of the polymer electrolyte membrane containing this resin composition tends to be low and good ion conductivity tends not to be obtained. In addition, the unit containing a sulfonic acid group becomes a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to decrease. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

上記プロトン伝導性ポリマーは、適当な溶媒に溶解して、溶液組成物とすることもできる。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、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の非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。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。溶液中の化合物濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1重量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50重量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。   The proton conductive polymer can be dissolved in a suitable solvent to form a solution composition. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If the concentration of the compound in the solution is less than 0.1% by weight, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by weight, the workability tends to deteriorate.

本発明の高分子電解質膜は、上記プロトン伝導性ポリマーを含む組成物から、押し出し、圧延又はキャストなど任意の方法で得ることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。例えば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基は陽イオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained from the composition containing the proton conductive polymer by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it is converted to a free sulfonic acid group by acid treatment if necessary. You can also.

本発明における高分子電解質膜を、上記プロトン伝導性ポリマー又はその組成物から成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去して高分子電解質膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることが高分子電解質膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下できるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いと高分子電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にしたりして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。高分子電解質膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。   The most preferable method for forming the polymer electrolyte membrane in the present invention from the proton conductive polymer or the composition thereof is casting from a solution, and the polymer is removed from the cast solution by removing the solvent as described above. An electrolyte membrane can be obtained. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying in view of the uniformity of the polymer electrolyte membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is less than 10 μm, the form as a polymer electrolyte membrane tends to be not maintained, and if it is more than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution by making the thickness constant using an applicator, a doctor blade or the like, or making the cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. When used as a polymer electrolyte membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating.

本発明の電解質膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜を電極と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法又は高分子電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも、高分子電解質膜を構成するプロトン伝導性ポリマーと同種のプロトン伝導性ポリマー及びその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。高分子電解質膜と電極との接着性が向上し、また、高分子電解質膜のプロトン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。その場合には、上記化学式におけるXがHであって、スルホン酸基が酸型であることが好ましい。スルホン酸基が陽イオンと塩を形成している状態で用いる場合には、接合後、酸処理によってスルホン酸基を酸型にすることもできる。   The electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the polymer electrolyte membrane of the present invention to an electrode. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, or a polymer electrolyte membrane and the electrode There is a method of heating and pressurizing. Among these, a method in which an adhesive mainly composed of the same proton conductive polymer as the proton conductive polymer constituting the polymer electrolyte membrane and its resin composition is applied to the electrode surface and adhered is preferable. This is because the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the electrode is improved, and it is considered that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is less impaired. In that case, X in the above chemical formula is preferably H, and the sulfonic acid group is preferably in acid form. When the sulfonic acid group is used in the form of a salt with a cation, the sulfonic acid group can be converted into an acid form by acid treatment after bonding.

本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜又は電解質膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明の高分子電解質膜は、無加湿運転する固体高分子形燃料電池に適している。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された本発明の高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the polymer electrolyte membrane or the electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention. The polymer electrolyte membrane of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell that operates without humidification. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, the polymer electrolyte membrane of the present invention disposed between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, a fuel It has a fuel flow path provided on the pole side. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator.

本発明における燃料電池の無加湿運転とは、燃料や酸化剤に水分を含ませる操作を行うことなく燃料電池に供給して発電を行う運転を表す。燃料としては水素を用いることができる。水素はボンベや貯蔵タンクから得られる水素を用いたり、都市ガス、石油などの改質によって得られる水素を用いたりすることができる。また、酸化剤としては、酸素や空気などを用いることができる。無加湿運転することができる燃料電池であると、燃料や酸化剤の加湿設備を必要とせず、より簡素で安価な燃料電池を得ることができる。   The non-humidified operation of the fuel cell in the present invention represents an operation in which power is generated by supplying the fuel cell without supplying the fuel or oxidant with water. Hydrogen can be used as the fuel. As hydrogen, hydrogen obtained from a cylinder or a storage tank can be used, or hydrogen obtained by reforming city gas, petroleum, or the like can be used. Moreover, oxygen, air, etc. can be used as an oxidizing agent. A fuel cell capable of non-humidifying operation does not require a fuel or oxidizer humidification facility, and a simpler and cheaper fuel cell can be obtained.

以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

プロトン伝導性:自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン樹脂製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃、相対湿度が95%又は50%の恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
Proton conductivity: Constant temperature of 80 ° C. and relative humidity of 95% or 50% by pressing a platinum wire (diameter: 0.2 mm) on the surface of a strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin) The sample was held in a humidity chamber, and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

MRI評価:デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、市販の40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社 燃料電池用触媒 TEC10V40E)と、少量の超純水及びイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が0.5mg/cmになるように均一に塗布・乾燥して、大きさが20×20mmの電極触媒層付きガス拡散層を作製した。30×35mmの大きさの高分子電解質膜を、20℃、相対湿度90%の環境下に1時間おいてから、上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、2MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体を、ガスの供給口を開けた金メッキした銅版を集電板として挟み、さらにガス供給路を有するアクリル樹脂板で挟みこんで測定セルとした。測定セルは、Varian社製Unity Inova300(静磁場強度:7.05テスラ、RFコイル系60mm)のMRIシステムの測定部に入れ、アノードとカソードにそれぞれ、水素と酸素を50ml/minの流量で供給して発電試験を行った。測定核種はHとし、画像取得シーケンスとしてスピンエコー法を用いて測定を行った。その際、エコー時間は6ms、繰り返し時間は0.5s、画像平均化回数は16枚、スライス厚みは10mm、画像取得範囲は膜面方向に7.68cm(128pixel)、膜厚方向に1.28cm(256pixel)とした。温度は室温(25℃)とし、特にセル部の温度調節は行わなかった。高分子電解質膜領域における水のMRI信号強度を、セル中の標準物質と比較することで、相対強度(I)を算出した。 MRI evaluation: After adding a commercially available 40% Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. fuel cell catalyst TEC10V40E), a small amount of ultrapure water and isopropanol to 20% Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Stir until homogeneous to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was uniformly applied to Toray carbon paper TGPH-060 so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried, and a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer having a size of 20 × 20 mm. Was made. A polymer electrolyte membrane having a size of 30 × 35 mm is left in an environment of 20 ° C. and a relative humidity of 90% for 1 hour, and then the electrode catalyst layer contacts the membrane between the gas diffusion layers with the electrode catalyst layer. Thus, the membrane-electrode assembly was obtained by pressing and heating at 130 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by hot pressing. The joined body was sandwiched between a gold-plated copper plate with a gas supply port opened as a current collector plate, and further sandwiched between acrylic resin plates having gas supply paths to form a measurement cell. The measurement cell is placed in the measurement unit of the MRI system of Varian's Unity Inova 300 (static magnetic field strength: 7.05 Tesla, RF coil system 60 mm), and hydrogen and oxygen are supplied to the anode and cathode respectively at a flow rate of 50 ml / min. A power generation test was conducted. The measurement nuclide was 1 H, and measurement was performed using a spin echo method as an image acquisition sequence. At that time, the echo time is 6 ms, the repetition time is 0.5 s, the number of times of image averaging is 16, the slice thickness is 10 mm, the image acquisition range is 7.68 cm (128 pixels) in the film surface direction, and 1.28 cm in the film thickness direction. (256 pixels). The temperature was room temperature (25 ° C.), and the temperature of the cell part was not particularly adjusted. The relative intensity (I) was calculated by comparing the MRI signal intensity of water in the polymer electrolyte membrane region with the standard substance in the cell.

イオン交換容量:100℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。 Ion exchange capacity: A sample dried for 1 hour at 100 ° C. and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.

対数粘度:ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。 Logarithmic viscosity: The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, and the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / Evaluation was made by c (ta is the number of seconds for dropping the sample solution, tb is the number of seconds for dropping only the solvent, and c is the polymer concentration).

<実施例1>
ウベローデ型粘度計を用いて30℃で測定した0.5g/dLのN−メチル−2−ピロリドン溶液の対数粘度が1.88dL/gである下記化学式16の構造のプロトン伝導性ポリマー10gを40gのN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、200メッシュの金網で濾過を行った。得られた溶液を放置して脱泡し、500μmの厚みでガラス板上にキャストした。ガラス板は下面から80℃で1時間、120℃で30分、150℃で30分それぞれ加熱した後、150℃の窒素雰囲気のイナートオーブン中で1時間乾燥した。その後、膜をガラスから剥離し、5Lの純水に24時間浸漬した後、5Lの2M硫酸に1時間、さらに新たな5Lの2M硫酸に1時間それぞれ浸漬し、純水で洗液がpH試験紙で中性になるまで洗浄を行い、金属枠に固定して25℃の室内に放置して乾燥し、厚み45μmの高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜を用いてMRI評価を行った。80℃、相対湿度95、66%におけるプロトン伝導性は、それぞれ0.51、0.017S/cm、イオン交換容量は2.67meq/gであった。
<Example 1>
40 g of a proton conductive polymer having the structure of the following chemical formula 16 having a logarithmic viscosity of 1.88 dL / g of a 0.5 g / dL N-methyl-2-pyrrolidone solution measured at 30 ° C. using an Ubbelohde viscometer In N-methyl-2-pyrrolidone and filtered through a 200 mesh wire mesh. The resulting solution was left to degas and cast on a glass plate with a thickness of 500 μm. The glass plate was heated from 80 ° C. for 1 hour, 120 ° C. for 30 minutes, and 150 ° C. for 30 minutes, and then dried in an inert oven in a nitrogen atmosphere at 150 ° C. for 1 hour. Then, the film is peeled off from the glass, immersed in 5 L of pure water for 24 hours, then immersed in 5 L of 2M sulfuric acid for 1 hour, and further immersed in new 5 L of 2M sulfuric acid for 1 hour. The paper was washed with paper until neutral, fixed to a metal frame, left in a room at 25 ° C. and dried to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 45 μm. MRI evaluation was performed using the obtained polymer electrolyte membrane. The proton conductivity at 80 ° C. and relative humidity of 95 and 66% was 0.51 and 0.017 S / cm, respectively, and the ion exchange capacity was 2.67 meq / g.

<比較例1>
イオン交換容量が0.9meq/g、平均厚みが50μmの既存のパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜を用いて評価を行った。80℃、相対湿度95、66%におけるプロトン伝導性は、それぞれ0.19、0.009S/cm、イオン交換容量は0.90meq/gであった。
<Comparative Example 1>
Evaluation was performed using an existing perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane having an ion exchange capacity of 0.9 meq / g and an average thickness of 50 μm. The proton conductivity at 80 ° C. and relative humidity 95 and 66% were 0.19 and 0.009 S / cm, respectively, and the ion exchange capacity was 0.90 meq / g.

MRI評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the MRI evaluation results.

表1から分かるように実施例の高分子電解質膜は、比較例高分子電解質膜に比べ、より高い電圧を示し、最大出力も高いことから優れた高分子電解質膜であることが分かる。これはMRI信号強度の測定結果から分かるように、実施例の高分子電解質膜は比較例の高分子電解質膜よりも、水の信号強度が強く、なおかつ電流密度が0A/cmにおける信号強度に対する電流密度が0.3A/cmにおける信号強度の比が大きく、高い電流密度でより多くの水を保持する高分子電解質膜であるため、プロトン伝導に必要な水分を確保することができ、優れた発電特性を示したものである。このように本発明の高分子電解質膜は、無加湿運転する燃料電池において高い出力を示すため有用であり、産業界に寄与するところ大である。
As can be seen from Table 1, it can be seen that the polymer electrolyte membranes of the examples are superior polymer electrolyte membranes because they exhibit higher voltage and higher maximum output than the comparative polymer electrolyte membranes. As can be seen from the measurement result of the MRI signal intensity, the polymer electrolyte membrane of the example has a stronger signal strength of water than the polymer electrolyte membrane of the comparative example, and the signal density with respect to the signal strength at a current density of 0 A / cm 2 . Because the polymer electrolyte membrane has a large signal intensity ratio at a current density of 0.3 A / cm 2 and retains more water at a high current density, it can secure moisture necessary for proton conduction, and is excellent This shows the power generation characteristics. As described above, the polymer electrolyte membrane of the present invention is useful because it exhibits high output in a fuel cell that operates without humidification, and greatly contributes to the industry.

Claims (26)

炭化水素ポリマーから構成され、イオン交換容量が2〜4meq/gの範囲にあり、80℃、相対湿度95%における導電率が0.2S/cm以上であり、かつ80℃、相対湿度50%における導電率0.010S/cm以上であり、80℃の水に溶解しない高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池に無加湿の水素と酸素を用いて発電を行ったときの、MRIによるスピンエコー法を用いて測定した高分子電解質膜内の水の信号強度が、数式1を満たす高分子電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池。
(数式1において、I0は、電流密度が0A/cm2における水の信号強度を、I0.3は、電流密度が0.3A/cm2における水の信号強度を、それぞれ表す。)
It is composed of a hydrocarbon polymer , has an ion exchange capacity in the range of 2 to 4 meq / g, has a conductivity at 80 ° C. and a relative humidity of 95% of 0.2 S / cm or more, and at 80 ° C. and a relative humidity of 50%. According to MRI, when electric power is generated using non-humidified hydrogen and oxygen in a solid polymer fuel cell having a conductivity of 0.010 S / cm or more and a polymer electrolyte membrane that does not dissolve in water at 80 ° C. A fuel cell using a polymer electrolyte membrane in which the signal intensity of water in the polymer electrolyte membrane measured using a spin echo method satisfies Formula 1.
(In Formula 1, I 0 represents the signal strength of water at a current density of 0 A / cm 2 , and I 0.3 represents the signal strength of water at a current density of 0.3 A / cm 2. )
高分子電解質膜が、スルホン酸基を含有し、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトンの少なくとも一種が共重合された芳香族ポリマーから 構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 The polymer electrolyte membrane is an aromatic polymer containing a sulfonic acid group and copolymerized with at least one of polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is configured. 下記化学式1で表される構造を分子中に有する芳香族ポリマーから 構成されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。
[化学式1において、Xは−S(=O)2−基または−C(=O)−基を、YはHまたは1価の陽イオンを、Z1はOまたはS原子のいずれかを、Arは2価の芳香族基を、それぞれ表す。]
From an aromatic polymer having a structure represented by the following chemical formula 1 in the molecule The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel cell is configured.
[In the chemical formula 1, X is a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is H or a monovalent cation, Z 1 is either an O or S atom, Ar represents a divalent aromatic group. ]
Arが、下記化学式2で表される構造であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
[化学式2において、Z2は、O原子、S原子、−C(CH32−基、−C(CF32−基、−CH2−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n1は0以上の整数を表す。]
The fuel cell according to claim 3, wherein Ar has a structure represented by the following chemical formula 2.
[In Chemical Formula 2, Z 2 represents any one of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, and n 1 represents Represents an integer of 0 or more. ]
1及びZ2がいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 4, wherein Z 1 and Z 2 are both O atoms, and n1 is 3 or more. 化学式3で表される構造をさらに含有することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。
[化学式3において、Ar1及びAr'は二価の芳香族基を、Z3はO又はS原子のいずれかを表す。]
The fuel cell according to claim 5, further comprising a structure represented by Chemical Formula 3.
[In Chemical Formula 3, Ar 1 and Ar ′ represent a divalent aromatic group, and Z 3 represents either an O or S atom. ]
Ar'が、下記化学式4で表される構造であることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。
[化学式4において、Z4は、O原子、S原子、−C(CH32−基、−C(CF32−基、−CH2−基、シクロヘキシル基のいずれかを、n2は0以上の整数を表す。]
The fuel cell according to claim 6, wherein Ar ′ has a structure represented by the following chemical formula 4.
[In Chemical Formula 4, Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group or a cyclohexyl group, and n 2 represents Represents an integer of 0 or more. ]
3及びZ4がいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上であることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 7, wherein Z 3 and Z 4 are both O atoms, and n2 is 3 or more. Ar1が、下記化学式5〜8で表される構造から選ばれる一種以上の基であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 8, wherein Ar 1 is one or more groups selected from structures represented by the following chemical formulas 5 to 8.
Ar1が化学式8で表される構造であることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 9, wherein Ar 1 has a structure represented by Chemical Formula 8. Arが下記化学式9A〜9Gのいずれかで表される構造であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
(式中、Rは炭素数1〜4のアルキル基を、rは0〜2の整数を、それぞれ表す。)
The fuel cell according to claim 3, wherein Ar has a structure represented by any one of the following chemical formulas 9A to 9G.
(In the formula, R represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and r represents an integer of 0 to 2).
Arが下記化学式10で表される構造であることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 11, wherein Ar has a structure represented by the following chemical formula 10:
Ar'が化学式9A〜9Gのいずれかで表される構造であることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 6, wherein Ar ′ has a structure represented by any one of chemical formulas 9A to 9G. Ar'が化学式10で表される構造であることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 13, wherein Ar ′ has a structure represented by Chemical Formula 10. Ar及びAr'が化学式10で表される構造であり、Ar1が化学式(8)で表される構造であることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。 7. The fuel cell according to claim 6, wherein Ar and Ar ′ have a structure represented by Chemical Formula 10 and Ar 1 has a structure represented by Chemical Formula (8). Xが−S(=O)2−基であり、YがH原子であり、Z1及びZ3がO原子であることを特徴とする請求項15に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 15, wherein X is a —S (═O) 2 — group, Y is an H atom, and Z 1 and Z 3 are O atoms. 化学式1及び化学式3で表される構造のモル%が下記数式2を満たすことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。
(上記式中、n3は化学式1で表される構造のモル%を、n4は化学式3で表される構造のモル%を、それぞれ表す。)
The fuel cell according to claim 6, wherein the mol% of the structure represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 3 satisfies the following Formula 2.
(In the above formula, n3 represents mol% of the structure represented by Chemical Formula 1, and n4 represents mol% of the structure represented by Chemical Formula 3, respectively.)
下記化学式11で表される構造をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。
[化学式11において、Xは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z5はO又はS原子のいずれかを表す。]
The fuel cell according to claim 7, further comprising a structure represented by the following chemical formula 11:
[In Chemical Formula 11, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. . ]
化学式12で表される構造をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。
[化学式12において、Ar2は2価の芳香族基を、Z6はO又はS原子のいずれかを表す。]
The fuel cell according to claim 7, further comprising a structure represented by Chemical Formula 12.
[In Chemical Formula 12, Ar 2 represents a divalent aromatic group, and Z 6 represents either O or S atom. ]
Ar2が、化学式5〜8で表される構造から選ばれる一種以上の基であることを特徴とする請求項19に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 19, wherein Ar 2 is one or more groups selected from structures represented by chemical formulas 5 to 8. Ar2が化学式8で表される構造であることを特徴とする請求項20に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 20, wherein Ar 2 has a structure represented by Chemical Formula 8. 1及びZ2がO又はS原子であり、かつ、n1が1であることを特徴とする請求項18に記載の燃料電池。 19. The fuel cell according to claim 18, wherein Z 1 and Z 2 are O or S atoms, and n1 is 1. 3及びZ4がO又はS原子であり、かつ、n2が1であることを特徴とする請求項19に記載の燃料電池。 Z 3 and Z 4 are the O or S atom, and a fuel cell according to claim 19, characterized in that n2 is 1. (A)Arが化学式2で表される構造である化学式1、(B)Ar'が化学式4で表される構造である化学式3、(C)化学式11、(D)化学式12、の少なくとも4種類の構造で表される繰り返し単位を有し、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し構造のモル%が数式3〜5を満たす芳香族ポリマーから 構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
(上記式中、n5は化学式11で表される構造のモル%を、n6はArが化学式2で表される構造である化学式1で表される構造のモル%を、n7は化学式12で表される構造のモル%を、n8はAr'が化学式4で表される構造である化学式3で表される構造のモル%を、n9はその他の繰り返し構造のモル%を、それぞれ表す。)
(A) At least 4 of Chemical Formula 1 in which Ar is a structure represented by Chemical Formula 2, (B) Chemical Formula 3 in which Ar ′ is a structure represented by Chemical Formula 4, (C) Chemical Formula 11, and (D) Chemical Formula 12. An aromatic polymer having a repeating unit represented by a type of structure, wherein the mol% of each repeating unit and the mol% of other repeating structures satisfy Formulas 3 to 5. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is configured.
(In the above formula, n5 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 11, n6 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 1 where Ar is the structure represented by the chemical formula 2, and n7 represents the chemical formula 12. N8 represents the mol% of the structure represented by the chemical formula 3 in which Ar ′ is the structure represented by the chemical formula 4, and n9 represents the mol% of the other repeating structure.)
無加湿運転に用いられることを特徴とする請求項1〜24のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 24, which is used for a non-humidifying operation. 燃料が水素であることを特徴とする請求項1〜25のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 25, wherein the fuel is hydrogen.
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