JP5552785B2 - Solid polymer electrolyte membrane, method for producing the same, and liquid composition - Google Patents

Solid polymer electrolyte membrane, method for producing the same, and liquid composition Download PDF

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Description

本発明は、新規固体高分子電解質膜とその製造方法、及び該固体高分子電解質膜の形成に使用される液状組成物に関する。   The present invention relates to a novel solid polymer electrolyte membrane, a method for producing the same, and a liquid composition used for forming the solid polymer electrolyte membrane.

燃料電池は、水素ガスや各種の炭化水素系燃料(天然ガス,メタンなど)を改質して得られる水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出す発電装置であり、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに高効率で直接変換できる無公害な発電方式として注目を集めている。   A fuel cell is a power generator that directly extracts electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained by reforming hydrogen gas or various hydrocarbon fuels (natural gas, methane, etc.) and oxygen in the air. It is attracting attention as a pollution-free power generation system that can directly convert the chemical energy of fuel into electrical energy with high efficiency.

このような燃料電池は、触媒を担持した一対の電極膜(アノード極とカソード極)と該電極膜に挟持されたプロトン伝導性の固体高分子電解質膜(以下、プロトン伝導膜ともいう)とから構成される。アノード極の触媒によって、水素イオンと電子に分けられ、水素イオンは固体高分子電解質膜を通って、空気極で酸素と反応して水になる仕組みになっている。   Such a fuel cell is composed of a pair of electrode membranes (anode electrode and cathode electrode) carrying a catalyst and a proton conductive solid polymer electrolyte membrane (hereinafter also referred to as a proton conductive membrane) sandwiched between the electrode membranes. Composed. The anode electrode catalyst separates hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and react with oxygen at the air electrode to become water.

固体高分子電解質膜としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成工業(株)社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)社製)の商品名で市販されているスルホン酸基を有する全フッ化炭素系高分子電解質膜、芳香族炭化水素系重合体系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリイミド系、ポリベンザゾール系の芳香環を主鎖骨格に有し、スルホン酸基を有する芳香族炭化水素系高分子電解質膜等が提案されている。   Commercially available solid polymer electrolyte membranes under the trade names Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) Fluorocarbon polymer electrolyte membrane with sulfonic acid group, aromatic hydrocarbon polymer system, polyether ether ketone system, polyphenylene sulfide system, polyimide system, polybenzazole system aromatic ring as main chain skeleton And an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group has been proposed.

ところで、このような燃料電池では、酸素の還元反応によって生成する過酸化水素又は過酸化物ラジカルによって、固体高分子電解質膜の劣化を引き起こす可能性が懸念されている。また、酸素分子も膜内を透過してくるため、同様に過酸化水素又は過酸化物ラジカルを生成し、固体高分子電解質膜の劣化を引き起こすことも懸念される。   By the way, in such a fuel cell, there is a concern that the solid polymer electrolyte membrane may be deteriorated by hydrogen peroxide or a peroxide radical generated by a reduction reaction of oxygen. Further, since oxygen molecules permeate through the membrane, there is a concern that hydrogen peroxide or peroxide radicals may be generated in the same manner to cause deterioration of the solid polymer electrolyte membrane.

このような問題点を解決するために、スルホン酸基を有する高分子化合物からなるイオン交換膜に、セリウムイオンを含ませることが提案されていた(特許3915846号、特許文献1)。また、スルホン酸基を有する高分子化合物とともに、酸化セリウムなどの難溶性セリウム化合物を含ませることも提案されている(特開2006-107914号公報、特許文献2)。   In order to solve such problems, it has been proposed to include cerium ions in an ion exchange membrane made of a polymer compound having a sulfonic acid group (Patent 3915846, Patent Document 1). In addition, it has also been proposed to include a sparingly soluble cerium compound such as cerium oxide together with a polymer compound having a sulfonic acid group (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-107914, Patent Document 2).

なお、従来、このような過酸化水素を分解するためには、白金、ルテニウムなどの触媒が無機酸化物粒子に担持された過酸化物分解層を設けることも知られていた(特開2006-79904号公報、特許文献3)   Conventionally, in order to decompose such hydrogen peroxide, it is also known to provide a peroxide decomposition layer in which a catalyst such as platinum or ruthenium is supported on inorganic oxide particles (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-2006). 79904, Patent Document 3)

特許第3915846号Patent No. 3915846 特開2006-107914号公報JP 2006-107914 A 特開2006-79904号公報JP 2006-79904 A

しかしながら、従来のものでは、固体高分子電解質膜の耐久性は十分ではなく、さらなる改良が求められていた。また、単に、酸化セリウム粒子などの金属酸化物微粒子を添加する場合、金属酸化物粒子の分散性が劣るため、耐久性の向上効果が十分でないという問題点もあった。   However, in the prior art, the durability of the solid polymer electrolyte membrane is not sufficient, and further improvement has been demanded. In addition, when metal oxide fine particles such as cerium oxide particles are simply added, the dispersibility of the metal oxide particles is inferior, so that there is a problem that the effect of improving durability is not sufficient.

このような状況のもと、本発明者ら、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、スルホン酸基を有する重合体とともに、ピロリドン基を有するポリマーを非水溶媒中に共存させた条件の下で金属化合物を酸化させて得られる金属酸化物粒子を含むことで、固体高分子電解質膜の耐久性を改良できることを見出し、本発明を完成するに至った。   Under such circumstances, the present inventors have intensively studied to solve the above problems, and as a result, under the condition that a polymer having a pyrrolidone group is coexisted in a non-aqueous solvent together with a polymer having a sulfonic acid group. It was found that the durability of the solid polymer electrolyte membrane can be improved by including metal oxide particles obtained by oxidizing a metal compound with the present invention, and the present invention has been completed.

本発明の構成は以下の通りである。
[1]スルホン酸基を有する重合体、および数平均一次粒子径が1nm〜20nmであって、数平均二次粒子径が30nm〜200nmである金属酸化物粒子を含むことを特徴とする固体高分子電解質膜。
[2]スルホン酸基を有する重合体、金属酸化物粒子を含み、
該金属酸化物粒子がノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤の存在下で、金属化合物を酸化させて得られたものであることを特徴とする固体高分子電解質膜。
[3]前記金属酸化物粒子を、前記重合体ならびに前記金属酸化物粒子の合計量に対して0.01〜30重量%含む、[1]または[2]の固体高分子電解質膜。
[4]前記金属酸化物粒子が、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、ニッケル、コバルト、またはセリウムの酸化物から選ばれる少なくとも一種である、[1]〜[3]の固体高分子電解質膜。
The configuration of the present invention is as follows.
[1] A polymer having a sulfonic acid group and a metal oxide particle having a number average primary particle diameter of 1 nm to 20 nm and a number average secondary particle diameter of 30 nm to 200 nm. Molecular electrolyte membrane.
[2] including a polymer having a sulfonic acid group, metal oxide particles,
A solid polymer electrolyte membrane, wherein the metal oxide particles are obtained by oxidizing a metal compound in the presence of a nonionic surfactant and an anionic surfactant.
[3] The solid polymer electrolyte membrane according to [1] or [2], containing the metal oxide particles in an amount of 0.01 to 30% by weight based on the total amount of the polymer and the metal oxide particles.
[4] The solid polymer electrolyte membrane according to [1] to [3], wherein the metal oxide particles are at least one selected from oxides of aluminum, titanium, zirconium, manganese, nickel, cobalt, or cerium.

[5]スルホン酸基を有する重合体、数平均一次粒子径が1nm〜20nmであって、数平均二次粒子径が30nm〜200nmである金属酸化物粒子、および溶媒を含むことを特徴とする液状組成物。
[6]スルホン酸基を有する重合体、金属酸化物粒子、および溶媒を含み、
該金属酸化物粒子がノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤から選ばれる少なくとも一種の存在下で、金属化合物を酸化させて得られたものであることを特徴とする液状組成物。
[7]前記金属酸化物粒子を、前記重合体ならびに前記金属酸化物粒子の全体に対して0.01〜30重量%含む、[5]または[6]の液状組成物。
[8]前記[5]〜[7]の液状組成物の製造方法であって、
溶媒中でスルホン酸基を有する重合体と金属酸化物を混合して得ることを特徴とする液状組成物の製造方法。
[9]前記[5]〜[7]の液状組成物をキャスト製膜することを特徴とする固体高分子電解質膜の製造方法。
[10]前記[1]〜[4]の固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に接して、触媒層とガス拡散層とを有することを特徴とする膜−電極接合体。
[11]前記[10]の膜−電極接合体を有する固体高分子型燃料電池。
[5] A polymer having a sulfonic acid group, metal oxide particles having a number average primary particle diameter of 1 nm to 20 nm and a number average secondary particle diameter of 30 nm to 200 nm, and a solvent. Liquid composition.
[6] including a polymer having a sulfonic acid group, metal oxide particles, and a solvent,
A liquid composition, wherein the metal oxide particles are obtained by oxidizing a metal compound in the presence of at least one selected from a nonionic surfactant and an anionic surfactant.
[7] The liquid composition according to [5] or [6], comprising 0.01 to 30% by weight of the metal oxide particles with respect to the polymer and the metal oxide particles.
[8] A method for producing a liquid composition according to the above [5] to [7],
A method for producing a liquid composition, which is obtained by mixing a polymer having a sulfonic acid group and a metal oxide in a solvent.
[9] A method for producing a solid polymer electrolyte membrane, comprising casting the liquid composition of [5] to [7] above.
[10] A membrane-electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte membrane of [1] to [4], and a catalyst layer and a gas diffusion layer in contact with both sides of the solid polymer electrolyte membrane .
[11] A polymer electrolyte fuel cell having the membrane-electrode assembly according to [10].

本発明の固体高分子電解質膜は、特定の金属酸化物粒子を含んでいるために、耐久性に優れる。したがって、本発明のプロトン伝導膜を有する膜電極接合体を備える固体高分子型燃料電池は、耐久性に優れ、長期にわたって安定な発電が可能である。   Since the solid polymer electrolyte membrane of the present invention contains specific metal oxide particles, it is excellent in durability. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell provided with the membrane electrode assembly having the proton conducting membrane of the present invention is excellent in durability and can stably generate power over a long period of time.

[固体高分子電解質膜]
本発明の固体高分子電解質膜は、特定の金属酸化物粒子とスルホン酸基を有する重合体とからなる。
[Solid polymer electrolyte membrane]
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention comprises specific metal oxide particles and a polymer having a sulfonic acid group.

(i)金属酸化物粒子
本発明で使用される金属酸化物粒子は、数平均一次粒子径が1nm〜20nmであって、数平均二次粒子径が30nm〜200nmである。
(i) Metal oxide particles The metal oxide particles used in the present invention have a number average primary particle diameter of 1 nm to 20 nm and a number average secondary particle diameter of 30 nm to 200 nm.

また、本発明で使用される金属酸化物粒子は、ノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤から選ばれる少なくとも一種の存在下で、金属化合物を酸化させて得られたものである。   The metal oxide particles used in the present invention are obtained by oxidizing a metal compound in the presence of at least one selected from a nonionic surfactant and an anionic surfactant.

具体的には、ノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤がどのように粒子に存在しているかは明確ではないが、粒子調製時に一部が取り込まれ、金属酸化物粒子表面に吸着されているか、担持されていると推測される。   Specifically, it is not clear how nonionic surfactants and anionic surfactants are present in the particles, but some of them are taken in and adsorbed on the surface of the metal oxide particles during particle preparation. Or presumed to be supported.

本発明で使用される金属酸化物粒子は、ノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤の存在下で、金属化合物を酸化させて得られたものであり、かつ数平均一次粒子径および二次粒子径が前記範囲にある粒子が好適である。このような粒子は、粒径分布が狭くかつ安定化されているので、該金属酸化物粒子が固体高分子電解質膜中での分散性に優れ、かつ含水時などにおける該金属酸化物粒子の溶出または脱離が生じにくい。   The metal oxide particles used in the present invention are obtained by oxidizing a metal compound in the presence of a nonionic surfactant and an anionic surfactant, and have a number average primary particle size and a secondary particle size. Particles having a particle size in the above range are preferred. Since such particles have a narrow and stable particle size distribution, the metal oxide particles have excellent dispersibility in the solid polymer electrolyte membrane, and the metal oxide particles are eluted when containing water. Or desorption is difficult to occur.

なお、ノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤を存在させないで粒子を調製した場合には、得られた粒子は粒子径が均一でない場合があり、また、凝集体を形成したり、電解質膜中での分散性が不十分となる場合がある。   When particles are prepared without the presence of a nonionic surfactant and an anionic surfactant, the resulting particles may not have a uniform particle size, and may form aggregates or electrolyte membranes. Dispersibility in the inside may be insufficient.

ノニオン性界面活性剤としては、ポリビニルピロリドン、N−ビニルピロリドン/スチレン共重合ポリマー、N−ビニルピロリドン/酢酸ビニル共重合ポリマー等のピロリドン基を有するポリマー;ポリビニルイミダゾール、N−ビニルイミダゾール/スチレン共重合ポリマー、N−ビニルイミダゾール/酢酸ビニル共重合ポリマー等のイミダゾール基を有するポリマー;ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等のポリアルキレングリコール;ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコールジメチルエーテル等のポリアルキレングリコールアルキルエーテル;ポリエチレングリコールモノフェニルエーテル、ポリプロピレングリコールジフェニル等のポリアルキレングリコールフェニルエーテルエーテル;ポリエチレングリコールアルキルエステル、ポリエチレングリコールステアリン酸エステル、ポリエチレングリコールラウリン酸エステル、ポリエチレングリコールソルビタン酸エステル、ポリプロピレングリコールソルビタン酸エステル等のポリアルキレングリコール脂肪酸エステル;ポリビニルカプロラクタム、ポリビニルアルコール、アルキルポリグルコシド、キトサン系高分子界面活性剤等を挙げることができる。   Nonionic surfactants include polymers having a pyrrolidone group such as polyvinylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone / styrene copolymer, N-vinylpyrrolidone / vinyl acetate copolymer; polyvinylimidazole, N-vinylimidazole / styrene copolymer Polymers, polymers having an imidazole group such as N-vinylimidazole / vinyl acetate copolymer; polyalkylene glycols such as polyethylene glycol and polypropylene glycol; polyalkylene glycol alkyl ethers such as polyethylene glycol monomethyl ether and polypropylene glycol dimethyl ether; polyethylene glycol mono Polyalkylene glycol phenyl ether agents such as phenyl ether and polypropylene glycol diphenyl Polyalkylene glycol fatty acid esters such as polyethylene glycol alkyl ester, polyethylene glycol stearic acid ester, polyethylene glycol lauric acid ester, polyethylene glycol sorbitan acid ester, polypropylene glycol sorbitan acid ester; polyvinyl caprolactam, polyvinyl alcohol, alkyl polyglucoside, chitosan series Examples thereof include polymer surfactants.

また、アニオン性界面活性剤としては、例えば、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、脂肪族モノカルボン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルカルボン酸塩、N−アシルサルコシン酸塩、N−アシルグルタミン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、アルカンスルホン酸塩、アルフォオレフィンスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸塩−ホルムアミド縮合物、アルキルナフタレンスルホン酸塩、N−メチル−N−アシルタウリン、油脂硫酸エステル塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルリン酸塩等を挙げることができる。   Examples of the anionic surfactant include alkyl sulfate ester salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate ester salt, alkylbenzene sulfonate, aliphatic monocarboxylate, polyoxyethylene alkyl ether carboxylate, N-acyl. Sarcosinate, N-acyl glutamate, dialkyl sulfosuccinate, alkane sulfonate, alphoolefin sulfonate, naphthalene sulfonate-formamide condensate, alkyl naphthalene sulfonate, N-methyl-N-acyl taurine, Examples thereof include fat and oil sulfate esters, alkyl phosphates, polyoxyethylene alkyl ether sulfates, polyoxyethylene alkyl phenyl ether phosphates, and the like.

ノニオン性界面活性剤およびアニオン性界面活性剤のポリスチレン換算の数平均分子量は特に限定されるものではないが、溶媒への溶解性、取り扱い易さを考えて200〜300,000が好ましく、5,000〜200,000がより好ましい。また、原料金属化合物1モルに対し、ノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤を10〜1,000g程度存在させることが好ましく、20〜500g存在させることがより好ましい。   The number average molecular weight in terms of polystyrene of the nonionic surfactant and the anionic surfactant is not particularly limited, but is preferably 200 to 300,000 in view of solubility in a solvent and ease of handling, and 5,000 to 200,000 is more preferred. Moreover, it is preferable to make nonionic surfactant or anionic surfactant exist about 10-1,000g with respect to 1 mol of raw material metal compounds, and it is more preferable to make 20-500g exist.

上述の界面活性剤の中でも好ましくはノニオン性界面活性剤であり、より好ましくはピロリドン基を有するポリマーである。なお、ピロリドン基を有するポリマーとは、側鎖の全て、あるいは一部分にピロリドン基を含む高分子化合物であって、他の化合物との共重合体でもよい。好ましくは、ポリビニルピロリドン、N−ビニルピロリドン/スチレン共重合ポリマー、N−ビニルピロリドン/酢酸ビニル共重合ポリマー、等の群から選ばれた1つ或は複数個のポリマーである。   Among the above surfactants, nonionic surfactants are preferable, and polymers having a pyrrolidone group are more preferable. The polymer having a pyrrolidone group is a polymer compound containing a pyrrolidone group in all or part of the side chain, and may be a copolymer with another compound. Preferably, it is one or more polymers selected from the group of polyvinyl pyrrolidone, N-vinyl pyrrolidone / styrene copolymer, N-vinyl pyrrolidone / vinyl acetate copolymer, and the like.

金属酸化物粒子としては、酸素を含む金属の化合物であれば特に制限はないが、具体的には、例えば、アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、亜鉛、スズ、鉄、ビスマス、マグネシウム、イットリウム、鉛、マンガン、ゲルマニウム、銅、インジウム、ベリリウム、ネオジム、ランタン、ニオブ、タンタル、ニッケル、コバルト、ガリウム、セリウム、モリブデン、タングステンなどの金属の酸化物およびこれらの複合酸化物があげられる。   The metal oxide particle is not particularly limited as long as it is a metal compound containing oxygen, but specifically, for example, aluminum, silicon, titanium, zirconium, zinc, tin, iron, bismuth, magnesium, yttrium, lead And oxides of metals such as manganese, germanium, copper, indium, beryllium, neodymium, lanthanum, niobium, tantalum, nickel, cobalt, gallium, cerium, molybdenum, tungsten, and composite oxides thereof.

また、例えば、すず含有酸化インジウム(ITO)、イットリウム含有酸化ジルコニウム(YZrO2)、イットリウム含有酸化アルミニウム(YAl23)、ランタン含有酸化アルミニウム(LaAl23)、ネオジム含有酸化アルミニウム(NdAl23)などの他の金属を含有した金属酸化物でもよい。 Further, for example, tin-containing indium oxide (ITO), yttrium-containing zirconium oxide (YZrO 2), yttrium-containing aluminum oxide (YAl 2 O 3), lanthanum-containing aluminum oxide (LaAl 2 O 3), neodymium-containing aluminum oxide (NdAl 2 Metal oxides containing other metals such as O 3 ) may also be used.

これらの金属の酸化物の中でも、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、ニッケル、コバルト、セリウム等の酸化物が特に好ましく用いられる。
また、金属酸化物粒子の数平均一次粒子径は、1nm〜20nm、好ましくは1〜10nm、さらに好ましくは2〜5nmである。数平均一次粒子径は、電子顕微鏡観察によって求められる。
Among these metal oxides, oxides such as aluminum, titanium, zirconium, manganese, nickel, cobalt, and cerium are particularly preferably used.
The number average primary particle diameter of the metal oxide particles is 1 nm to 20 nm, preferably 1 to 10 nm, and more preferably 2 to 5 nm. The number average primary particle size is determined by observation with an electron microscope.

また、得られた粒子は、凝集が少なく、また、粒度分布が狭い均一な性質を有している。具体的には、数平均二次粒子径が30nm〜200nmであり、好ましくは50〜150nmである。また、分散液として保存したときの長期安定性にも優れている。分散度(=一次粒子径/二次粒子径)は、0.005〜0.8であることが好ましく、0.01〜0.5であることがより好ましい。   Further, the obtained particles have a uniform property with little aggregation and a narrow particle size distribution. Specifically, the number average secondary particle diameter is 30 nm to 200 nm, preferably 50 to 150 nm. It also has excellent long-term stability when stored as a dispersion. The dispersity (= primary particle diameter / secondary particle diameter) is preferably 0.005 to 0.8, and more preferably 0.01 to 0.5.

数平均一次粒子径及び数平均二次粒子径は、ノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤の量や、原料金属化合物の量によって調整可能であり、ノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤の量を多くしたり、原料金属化合物の量を少なくすると、平均粒子径を小さくできる。   The number average primary particle size and the number average secondary particle size can be adjusted by the amount of nonionic surfactant or anionic surfactant and the amount of raw material metal compound. Nonionic surfactant or anionic surfactant If the amount of the agent is increased or the amount of the starting metal compound is decreased, the average particle size can be reduced.

上記金属酸化物粒子を製造する場合において使用される溶媒は、好ましくは比較的極性の大きな溶媒、具体的には、例えば、水、アセトン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシド、クロロホルム、メタノール、エタノール、テルピオネール、ジオキサン、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリンなど、或はこれらを含有する混合溶媒が用いられる。溶媒量は、原料金属化合物濃度が10-10モル/l〜5モル/l好ましくは10-4モル/l〜10-1モル/lさらに好ましくは10-3モル/l〜10-2モル/l程度になる量である。 The solvent used in the production of the metal oxide particles is preferably a relatively polar solvent, specifically, for example, water, acetone, acetonitrile, benzonitrile, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, chloroform. , Methanol, ethanol, terpionol, dioxane, tetrahydrofuran, methyl ethyl ketone, ethylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol, glycerin, or a mixed solvent containing these. The amount of the solvent is such that the concentration of the starting metal compound is 10 −10 mol / l to 5 mol / l, preferably 10 −4 mol / l to 10 −1 mol / l, more preferably 10 −3 mol / l to 10 −2 mol / l. The amount is about l.

上記金属酸化物粒子は、例えば、溶媒中においてノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤の存在下で、前記金属酸化物の前駆体である、原料金属化合物を酸化することにより得ることができる。この場合、必要に応じて塩基性化合物、水を加えることもできる。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の塩基性無機化合物、アンモニア、ヒドラジンなどのアミン化合物を挙げることができる。また必要に応じて加熱または還流させてもよい。反応温度としては、特に限定されないが、通常0〜200℃であり、好ましくは室温〜溶媒の沸点である。また、反応時間は特に限定されないが、通常1分〜100時間であり、好ましくは10分〜10時間である。   The metal oxide particles can be obtained, for example, by oxidizing a raw material metal compound, which is a precursor of the metal oxide, in the presence of a nonionic surfactant and an anionic surfactant in a solvent. . In this case, a basic compound and water can be added as necessary. Examples of the basic compound include basic inorganic compounds such as sodium hydroxide, magnesium hydroxide and calcium hydroxide, and amine compounds such as ammonia and hydrazine. Moreover, you may heat or recirculate | reflux as needed. Although it does not specifically limit as reaction temperature, Usually, it is 0-200 degreeC, Preferably it is room temperature-the boiling point of a solvent. The reaction time is not particularly limited, but is usually 1 minute to 100 hours, preferably 10 minutes to 10 hours.

本発明でいう原料金属化合物とは、用いる溶媒に可溶な金属化合物であり、例えば、前記金属酸化物を構成する金属の酢酸塩などの有機酸塩類、金属の硝酸塩類、過塩素酸塩類、アルコキシド類、アセチルアセトナート類、ハロゲン化物類などが用いられる。好ましくは、金属ハロゲン化物類、金属硝酸塩類、金属過塩素酸類、金属酢酸塩類が用いられる。これらは結晶水を含むものであってもよい。   The raw material metal compound referred to in the present invention is a metal compound that is soluble in the solvent to be used. For example, organic acid salts such as metal acetate constituting the metal oxide, metal nitrates, perchlorates, Alkoxides, acetylacetonates, halides and the like are used. Preferably, metal halides, metal nitrates, metal perchloric acids, and metal acetates are used. These may contain crystal water.

これらの原料金属化合物を酸化するための酸素としては基本的には酸素または空気として反応系に供給してもよいが、その必要量は僅かであるので、水中の溶存酸素でも充分であるし、さらには塩基乃至水中の水酸基から反応により生成する酸素を利用してもよい。また、必要に応じて用いられる塩基は、金属化合物から金属酸化物への反応を促進するものであり、好ましくは強塩基であることが望ましく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが好適に用いられる。   Oxygen for oxidizing these raw metal compounds may be basically supplied to the reaction system as oxygen or air, but since the required amount is small, dissolved oxygen in water is sufficient, Furthermore, oxygen generated by a reaction from a base or a hydroxyl group in water may be used. In addition, the base used as necessary promotes the reaction from the metal compound to the metal oxide, and is preferably a strong base. For example, sodium hydroxide and potassium hydroxide are preferable. Used.

このようにして得られた安定化された金属酸化物粒子分散溶液から、溶媒を、減圧、風乾、加熱蒸発などにより除去すると、ノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤によって安定化された金属酸化物超微粒子粉末が得られる。   When the solvent is removed from the stabilized metal oxide particle dispersion obtained in this way by decompression, air drying, heat evaporation, etc., the metal stabilized by the nonionic surfactant or the anionic surfactant An ultrafine oxide powder is obtained.

また必要に応じて、得られた粒子を水やアルコールなどで洗浄して、未反応物や余分なノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤を除去してもよい。さらに必要に応じて、500℃以上の高温で焼成して、結晶水を除去したり、結晶性を高めたりしてもよい。   If necessary, the obtained particles may be washed with water or alcohol to remove unreacted substances and excess nonionic surfactant or anionic surfactant. Furthermore, if necessary, it may be baked at a high temperature of 500 ° C. or higher to remove water of crystallization or enhance crystallinity.

金属酸化物粒子の製造に際し、後述するスルホン酸基を有する重合体をあらかじめ共存させてもよく、この場合、乾燥などの操作を行うことなく、電解質膜形成のためのコーティング液を調製することもできる。   In the production of the metal oxide particles, a polymer having a sulfonic acid group, which will be described later, may coexist in advance. In this case, a coating liquid for forming an electrolyte membrane may be prepared without performing an operation such as drying. it can.

最終的に得られる金属酸化物粒子に対し、ノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤は、好ましくは1〜50質量%、より好ましくは3〜25質量%、さらに好ましくは5〜20質量%の量で含まれていることが望ましい。   The nonionic surfactant or anionic surfactant is preferably 1 to 50% by mass, more preferably 3 to 25% by mass, and further preferably 5 to 20% by mass with respect to the metal oxide particles finally obtained. It is desirable to be included in the amount of.

このような金属酸化物粒子を含んでいると、酸素や過酸化水素又は過酸化物ラジカルを阻害して、固体高分子電解質膜の劣化を抑制できる。また、本発明では、均一な粒子径でかつ凝集の少ない粒子が使用されているために、固体高分子電解質膜の劣化を抑制する効果に特に優れる。   When such metal oxide particles are included, oxygen, hydrogen peroxide, or peroxide radicals are inhibited, and deterioration of the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed. Further, in the present invention, particles having a uniform particle diameter and little aggregation are used, so that the effect of suppressing deterioration of the solid polymer electrolyte membrane is particularly excellent.

(ii)スルホン酸基を有する重合体
スルホン酸基を有する重合体としては、従来固体高分子電解質膜に使用されていたものでありスルホン酸基を有するものであれば特に制限されない。
(ii) Polymer having sulfonic acid group The polymer having a sulfonic acid group is not particularly limited as long as it is a polymer having a sulfonic acid group, which has been conventionally used in a solid polymer electrolyte membrane.

たとえば、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリスチレン、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン、脂肪族ポリカーボネート等の脂肪族炭化水素系重合体にスルホン酸基が導入された重合体(スルホン酸基を有する脂肪族炭化水素系重合体)、ポリエステル、ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール等の主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系重合体にスルホン酸基が導入された重合体(スルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体)も用いることが可能である。   For example, sulfonic acid is added to aliphatic hydrocarbon polymers such as polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polystyrene, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and aliphatic polycarbonate. Group-introduced polymer (aliphatic hydrocarbon polymer having sulfonic acid group), polyester, polysulfone, polyphenylene ether, polyetherimide, aromatic polycarbonate, polyetheretherketone, polyetherketone, polyetherketoneketone , Polyetherethersulfone, polyethersulfone, polycarbonate, polyphenylene sulfide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyimide, polybenzo Polymers in which sulfonic acid groups are introduced into aromatic hydrocarbon polymers having an aromatic ring in the main chain such as xazole, polybenzothiazole, polybenzimidazole (aromatic hydrocarbon polymers having sulfonic acid groups) are also available It is possible to use.

また、スルホン酸基を有する全フッ化炭素系重合体(エーテル結合性の酸素原子を含んでいてもよい)も使用することができる。全フッ化炭素系重合体としては特に限定されないが、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2n−SO3Hで表されるパーフルオロビニル化合物(mは0〜3の整数を示し、nは1〜12の整数を示し、pは0又は1を示し、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。)に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体である。 Further, a perfluorinated carbon-based polymer having a sulfonic acid group (which may contain an etheric oxygen atom) can also be used. No particular limitation is imposed on the total fluorocarbon polymer, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) a perfluorovinyl compound represented by n -SO 3 H (m is 0 And n represents an integer of 1 to 12, p represents 0 or 1, and X represents a fluorine atom or a trifluoromethyl group.) And a polymerization based on tetrafluoroethylene A copolymer containing units.

スルホン酸基を有する全フッ化炭素系重合体を用いる場合、重合後にフッ素化することにより重合体の末端がフッ素化処理されたものを用いてもよい。
スルホン酸基を有する全フッ化炭素系重合体としては、Nafion(登録商標、デュポン社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)社製)、アシプレックス(旭化成工業(株)社製)などが市販されている。
In the case of using a total fluorocarbon polymer having a sulfonic acid group, a polymer in which the polymer terminal is fluorinated by fluorination after polymerization may be used.
Examples of the total fluorocarbon-based polymer having a sulfonic acid group include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.) Is commercially available.

また、パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーがポリテトラフルオロエチレンと複合化したものや、ポリテトラフルオロエチレングラフトスルホン化ポリスチレンなどの部分フッ素化スルホン化ポリマーも使用することができる。たとえば、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンにスルホン酸基を有するポリマーを含浸させたGORE-SELECT(ジャパンゴアテックス製)なども使用可能である。   In addition, a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer complexed with polytetrafluoroethylene or a partially fluorinated sulfonated polymer such as polytetrafluoroethylene graft sulfonated polystyrene can also be used. For example, GORE-SELECT (manufactured by Japan Gore-Tex) in which a stretched porous polytetrafluoroethylene is impregnated with a polymer having a sulfonic acid group can also be used.

これらのうち、本発明ではスルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体を使用することが好ましい。
このようなスルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体としては、本願出願人による、特開2008−247857号公報、特開2007−210919号公報、特開2007−91788号公報などに記載のものが例示される。
Among these, in the present invention, it is preferable to use an aromatic hydrocarbon polymer having a sulfonic acid group.
Examples of such aromatic hydrocarbon polymers having a sulfonic acid group include those described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-247857, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-210919, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-91788, and the like by the present applicant. Are illustrated.

固体高分子電解質膜の構成
本発明にかかる固体高分子電解質膜は、前記(i)金属酸化物粒子と前記(ii)スルホン酸基を有する重合体とを含む。
Configuration of Solid Polymer Electrolyte Membrane The solid polymer electrolyte membrane according to the present invention includes (i) the metal oxide particles and (ii) the polymer having a sulfonic acid group.

金属酸化物粒子は、前記重合体ならびに金属酸化物粒子の合計量に対して0.01〜30重量%、好ましくは0.1〜20重量%、さらに好ましくは0.5〜15重量%の範囲にあることが望ましい。   The metal oxide particles are desirably in the range of 0.01 to 30% by weight, preferably 0.1 to 20% by weight, more preferably 0.5 to 15% by weight, based on the total amount of the polymer and the metal oxide particles.

このような範囲で金属酸化物粒子が含まれていると、固体高分子電解質膜として良好な耐久性とプロトン伝導性を示す。
また、本発明にかかる固体高分子電解質膜は、上記金属酸化物粒子以外にも、他の金属化合物または金属イオンを含むこともできる。他の金属化合物または金属イオンとしては、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、スズ(Sn)、マンガン(Mn)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W) 、鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Ag)、セリウム(Ce)、ネオジウム(Nd)、プラセオジウム(Pr)、サマリウム(Sm)、コバルト(Co)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、及び、エルビウム(Er)等の金属化合物またはこれらの金属イオンが挙げられる。
When the metal oxide particles are contained in such a range, the solid polymer electrolyte membrane exhibits good durability and proton conductivity.
Moreover, the solid polymer electrolyte membrane concerning this invention can also contain another metal compound or metal ion besides the said metal oxide particle. Other metal compounds or metal ions include aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), tin (Sn), manganese (Mn), niobium (Nb), tantalum (Ta), Chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), iron (Fe), ruthenium (Ru), nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), silver (Ag), cerium (Ce), Metal compounds such as neodymium (Nd), praseodymium (Pr), samarium (Sm), cobalt (Co), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), and erbium (Er) Or these metal ions are mentioned.

本発明にかかる固体高分子電解質膜は、上記金属酸化物粒子とスルホン酸基を有する重合体とを含む液状組成物を用いて作製することができ、また、スルホン酸基を有する重合体の溶液を、基体上に流延してフィルム状に成形した後、上記金属酸化物粒子を含む溶液中に浸漬することで作製することもできる。   The solid polymer electrolyte membrane according to the present invention can be produced using a liquid composition containing the metal oxide particles and a polymer having a sulfonic acid group, and a polymer solution having a sulfonic acid group. The film can be cast on a substrate to form a film, and then immersed in a solution containing the metal oxide particles.

液状組成物
本発明にかかる液状組成物は、前記(i)金属酸化物粒子と(ii)スルホン酸基を有する重合体とを含む。なお、金属酸化物粒子、重合体に含まれるスルホン酸基の数に対する上記金属酸化物粒子の量、ならびに重合体および上記金属酸化物粒子の全体に対する金属酸化物粒子の量は、前記した通りである。
Liquid composition The liquid composition according to the present invention comprises (i) metal oxide particles and (ii) a polymer having a sulfonic acid group. The amount of the metal oxide particles relative to the number of sulfonic acid groups contained in the metal oxide particles and the polymer, and the amount of the metal oxide particles relative to the whole of the polymer and the metal oxide particles are as described above. is there.

液状組成物は、前記金属酸化物粒子、ピロリドン基を有するポリマー、スルホン酸基を有する重合体の他に、通常、溶媒を含む。
溶媒としては、前記スルホン酸基を有する重合体を溶解する溶媒や膨潤させる溶媒であれば良く、たとえば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノン、アセトニトリルなどの非プロトン系極性溶剤や、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶剤、メタノール、エタノール、プロパノール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン等のエーテル類などの溶剤が挙げられる。これらの溶剤は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。特に溶解性、溶液粘度の面から、N−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」ともいう。)が好ましい。
The liquid composition usually contains a solvent in addition to the metal oxide particles, the polymer having a pyrrolidone group, and the polymer having a sulfonic acid group.
The solvent may be any solvent that dissolves or swells the polymer having a sulfonic acid group. For example, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N— Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylurea, dimethylimidazolidinone, acetonitrile, chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, methanol, ethanol, propanol, Alcohols such as iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, etc. Alkylene glycol monoalkyl ethers, acetone, methyl ethyl ketone, ketones such as cyclohexanone, tetrahydrofuran, solvents such as ethers 1,3-dioxane and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more. In particular, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter also referred to as “NMP”) is preferable in terms of solubility and solution viscosity.

また、上記溶媒として、非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との混合物を用いる場合、該混合物の組成は、非プロトン系極性溶剤が95〜25質量%、好ましくは90〜25質量%、他の溶剤が5〜75質量%、好ましくは10〜75質量%(但し、合計は100質量%)である。他の溶剤の量が上記範囲内にあると、溶液粘度を下げる効果に優れる。この場合の非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との組み合わせとしては、非プロトン系極性溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン、他の溶剤として幅広い組成範囲で溶液粘度を下げる効果があるメタノールが好ましい。   When a mixture of an aprotic polar solvent and another solvent is used as the solvent, the composition of the mixture is such that the aprotic polar solvent is 95 to 25% by mass, preferably 90 to 25% by mass, A solvent is 5-75 mass%, Preferably it is 10-75 mass% (however, total is 100 mass%). When the amount of the other solvent is within the above range, the effect of lowering the solution viscosity is excellent. As a combination of the aprotic polar solvent and the other solvent in this case, N-methyl-2-pyrrolidone is preferred as the aprotic polar solvent, and methanol having an effect of lowering the solution viscosity in a wide composition range is preferred as the other solvent. .

液状組成物中の上記スルホン酸基を有する重合体濃度は、分子量にもよるが、通常、5〜40質量%、好ましくは7〜25質量%である。5質量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすい。一方、40質量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The concentration of the polymer having a sulfonic acid group in the liquid composition is usually 5 to 40% by mass, preferably 7 to 25% by mass, although it depends on the molecular weight. If it is less than 5% by mass, it is difficult to form a thick film, and pinholes are easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by mass, the solution viscosity is too high to form a film, and surface smoothness may be lacking.

また、金属酸化物粒子濃度は、上記重合体との比が、上記の範囲となるようにあればよく、概ね0.05〜12質量%、好ましくは0.7〜5質量%の範囲にあることが好ましい。   The metal oxide particle concentration may be such that the ratio to the polymer is in the above range, and is generally in the range of 0.05 to 12% by mass, preferably 0.7 to 5% by mass. It is preferable.

なお、溶液粘度は、上記スルホン酸基を有する重合体の分子量や、ポリマー濃度や、添加剤の濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。粘度が低いと、成膜中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがある。一方、粘度が高すぎると、流延法によるフィルム化が困難となることがある。

本発明にかかる液状組成物は、前記溶媒中でスルホン酸基を有する重合体と金属酸化物粒子とを混合することによって、調製することができる。具体的には、スルホン酸基を有する重合体を前記溶媒中に溶解又は分散させた後、上記金属酸化物粒子をこれに混合することによって、調製する方法、または上記金属酸化物粒子を前記溶媒中に溶解又は分散させた後に、スルホン酸基を有する重合体を溶解又は分散させる方法が挙げられる。
The solution viscosity is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50, although it depends on the molecular weight of the polymer having the sulfonic acid group, the polymer concentration, and the concentration of the additive. 1,000 mPa · s. If the viscosity is low, the solution stays poor during film formation and may flow from the substrate. On the other hand, if the viscosity is too high, film formation by the casting method may be difficult.

The liquid composition according to the present invention can be prepared by mixing a polymer having a sulfonic acid group and metal oxide particles in the solvent. Specifically, after the polymer having a sulfonic acid group is dissolved or dispersed in the solvent, the metal oxide particles are mixed with the polymer, or the metal oxide particles are mixed with the solvent. Examples of the method include dissolving or dispersing a polymer having a sulfonic acid group after being dissolved or dispersed therein.

さらに、本発明にかかる液状組成物は、前記溶媒中でスルホン酸基を有する重合体と、ノニオン性界面活性剤またはアニオン性界面活性剤とを非水溶媒中に共存させ、金属化合物を添加し、金属化合物を酸化して金属酸化物粒子とすることで調製することもできる。   Furthermore, the liquid composition according to the present invention comprises a polymer having a sulfonic acid group and a nonionic surfactant or an anionic surfactant coexisting in a non-aqueous solvent in the solvent, and adding a metal compound. It can also be prepared by oxidizing a metal compound into metal oxide particles.

液状組成物には、上記スルホン酸基を有する重合体および上記金属酸化物粒子以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、リン酸ガラス、タングステン酸、リン酸塩水和物、β−アルミナプロトン置換体、プロトン導入酸化物等の無機プロトン伝導体粒子、カルボン酸を含む有機酸、スルホン酸を含む有機酸、ホスホン酸を含む有機酸、適量の水などを併用しても良い。   In addition to the polymer having the sulfonic acid group and the metal oxide particles, the liquid composition includes inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid, phosphate glass, tungstic acid, phosphate hydrate, and β-alumina proton substitution. Bodies, inorganic proton conductor particles such as proton-introduced oxides, organic acids including carboxylic acids, organic acids including sulfonic acids, organic acids including phosphonic acids, and appropriate amounts of water may be used in combination.

固体高分子電解質膜の製造方法
本発明にかかる固体高分子電解質膜は、例えば、前記液状組成物を、基体上に流延してフィルム状に成形するキャスティング法などにより、製造することができる。基体としては、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば特に限定されず、たとえばプラスチック製、金属製などの基体が用いられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基体が用いられる。
Production Method of Solid Polymer Electrolyte Membrane The solid polymer electrolyte membrane according to the present invention can be produced , for example, by a casting method in which the liquid composition is cast on a substrate and formed into a film shape. The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in a normal solution casting method. For example, a substrate made of plastic or metal is used, and preferably made of a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film. A substrate is used.

上記のようにして成膜した後、得られた未乾燥フィルムを水に浸漬すると、未乾燥フィルム中の有機溶剤を水と置換することができ、得られる固体高分子電解質膜中の残留溶媒量を低減することができる。   After film formation as described above, when the obtained undried film is immersed in water, the organic solvent in the undried film can be replaced with water, and the amount of residual solvent in the obtained solid polymer electrolyte membrane Can be reduced.

なお、成膜後、未乾燥フィルムを水に浸漬する前に、未乾燥フィルムを予備乾燥してもよい。予備乾燥は、未乾燥フィルムを通常50〜150℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行われる。   In addition, after film formation, before immersing an undried film in water, you may predry an undried film. The preliminary drying is performed by holding the undried film at a temperature of usually 50 to 150 ° C. for 0.1 to 10 hours.

製膜後、さらに、スルホン酸基を有する重合体を含む溶液を塗布して、固体高分子電解質膜を多層構造にしてもよい。多層構造にすると上記金属酸化物粒子を偏在させることができる。この場合、固体高分子電解質膜の耐久性とプロトン伝導性の観点から、膜−電極接合体を作製した際にカソード側の層にのみ金属酸化物粒子を含有し、それ以外の層には金属酸化物粒子を含まない構造とすることもできる。   After film formation, a solution containing a polymer having a sulfonic acid group may be further applied to form a solid polymer electrolyte membrane in a multilayer structure. When a multilayer structure is used, the metal oxide particles can be unevenly distributed. In this case, from the viewpoint of durability and proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, when the membrane-electrode assembly is produced, the metal oxide particles are contained only in the cathode side layer, and the other layers are made of metal. A structure that does not include oxide particles may also be used.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後乾燥すると、残存溶媒量が低減された膜が得られるが、このようにして得られる膜の残存溶媒量は、通常5質量%以下である。また、浸漬条件によっては、得られる膜の残存溶媒量を1質量%以下とすることができる。このような条件としては、たとえば、未乾燥フィルム1質量部に対する水の使用量が50質量部以上であり、浸漬する際の水の温度が10〜60℃、浸漬時間が10分〜10時間である。   When the undried film is immersed in water and dried as described above, a film with a reduced amount of residual solvent is obtained. The amount of residual solvent in the film thus obtained is usually 5% by mass or less. Further, depending on the immersion conditions, the amount of residual solvent in the obtained film can be set to 1% by mass or less. As such conditions, for example, the amount of water used is 50 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the undried film, the temperature of the water during immersion is 10 to 60 ° C., and the immersion time is 10 minutes to 10 hours. is there.

上記のように未乾燥フィルムを水に浸漬した後、フィルムを30〜100℃、好ましくは50〜80℃で、10〜180分、好ましくは15〜60分乾燥し、次いで、50〜150℃で、好ましくは500mmHg〜0.1mmHgの減圧下、0.5〜24時間、真空乾燥することにより、膜を得ることができる。   After immersing the undried film in water as described above, the film is dried at 30-100 ° C, preferably 50-80 ° C, for 10-180 minutes, preferably 15-60 minutes, and then at 50-150 ° C. The film can be obtained by vacuum drying under reduced pressure of 500 mmHg to 0.1 mmHg for 0.5 to 24 hours.

本発明の方法により得られる固体高分子電解質膜は、その乾燥膜厚が、通常10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。
また、別に多孔質基材やシート状の繊維質物質を用いることで、補強された固体高分子電解質膜を製造することもできる。
The solid polymer electrolyte membrane obtained by the method of the present invention has a dry film thickness of usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm.
A reinforced solid polymer electrolyte membrane can also be produced by using a porous substrate or a sheet-like fibrous material.

補強された固体高分子電解質膜を製造する方法としては、たとえば、液状組成物を多孔質基材やシート状の繊維質物質に含浸して、スルホン酸基を有する重合体を多孔質基材やシート状の繊維質物質の内部の細孔に充填させる方法、上記液状組成物を多孔質基材やシート状の繊維質物質に塗布して、スルホン酸基を有する重合体を多孔質基材やシート状の繊維質物質の内部の細孔に充填させる方法、ならびに、上記液状組成物から膜を形成した後、多孔質基材やシート状の繊維質物質に前記膜を重ねて熱プレスし、スルホン酸基を有する重合体を多孔質基材やシート状の繊維質物質の細孔に充填させる方法などを挙げることができる。   As a method of producing a reinforced solid polymer electrolyte membrane, for example, a liquid composition is impregnated into a porous substrate or a sheet-like fibrous substance, and a polymer having a sulfonic acid group is formed into a porous substrate or A method of filling the pores inside the sheet-like fibrous substance, the liquid composition is applied to a porous substrate or a sheet-like fibrous substance, and a polymer having a sulfonic acid group is added to the porous substrate or A method of filling the pores inside the sheet-like fibrous substance, and after forming a film from the liquid composition, the film is laminated on a porous substrate or a sheet-like fibrous substance and hot pressed, Examples thereof include a method of filling a polymer having a sulfonic acid group into pores of a porous substrate or a sheet-like fibrous substance.

また、多層構造の固体高分子電解質膜を形成する場合には、上述の各方法などによって得られた固体高分子電解質膜表面に、さらにダイコート、スプレーコート、ナイフコート、ロールコート、スピンコート、グラビアコートなどの公知の方法で、スルホン酸基を有する重合体を含む組成物を塗布し、必要に応じて乾燥する、あるいは、スルホン酸基を有する重合体を含む組成物から形成された膜を上述の方法で得られた膜に重ねて熱プレスすることなどが挙げられる。なお、塗布量を調節して、ポリマー層の厚さを調製してもよく、例えば一方のポリマー層を厚く、他方を薄くしてもよい。なお、多層構造の固体高分子電解質膜を形成する場合には、少なくとも一つの層を形成する際に、金属酸化物粒子を含む上記液状組成物を用いればよい。このため、すでに形成された固体高分子電解質膜に金属酸化物粒子が含まれている場合、積層のために塗布ないし熱プレスに供されるスルホン酸基を有する重合体を含む組成物には、金属酸化物粒子が含まれていなくともよい。また、形成された固体高分子電解質膜に金属酸化物粒子が含まれていない場合、積層のために塗布ないし熱プレスに供される組成物として、本発明にかかる金属酸化物粒子を含む液状組成物を使用してもよい。また、金属酸化物粒子を含まず、スルホン酸基を有する重合体を含む組成物を、塗布して多層構造を形成後、あるいは該組成物からなるフィルム状に成形した熱プレスする前ないし後、前記金属酸化物粒子を含む溶液中に浸漬させてもよい。   Further, when forming a solid polymer electrolyte membrane having a multilayer structure, a die coat, spray coat, knife coat, roll coat, spin coat, gravure is further applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane obtained by the above-described methods. A film containing a polymer having a sulfonic acid group is applied by a known method such as coating, and dried as necessary, or a film formed from a composition containing a polymer having a sulfonic acid group is described above. For example, the film obtained by the above method may be hot-pressed on the film. The thickness of the polymer layer may be adjusted by adjusting the coating amount. For example, one polymer layer may be thick and the other thin. When forming a solid polymer electrolyte membrane having a multilayer structure, the above liquid composition containing metal oxide particles may be used when forming at least one layer. For this reason, when the already formed solid polymer electrolyte membrane contains metal oxide particles, the composition containing a polymer having a sulfonic acid group that is subjected to coating or hot pressing for stacking includes: Metal oxide particles may not be included. In addition, when the formed solid polymer electrolyte membrane does not contain metal oxide particles, a liquid composition containing the metal oxide particles according to the present invention is used as a composition for coating or hot pressing for lamination. You may use things. Further, a composition containing a polymer having a sulfonic acid group, which does not contain metal oxide particles, is applied to form a multilayer structure, or before or after hot pressing formed into a film made of the composition, You may immerse in the solution containing the said metal oxide particle.

多孔質基材としては、厚さ方向に対して貫通する多数の細孔又は空隙を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、各種樹脂からなる有機多孔質基材、ガラス、アルミナなど金属酸化物や金属自体から構成される無機多孔質基材等が挙げられる。   The porous substrate is not particularly limited as long as it has a large number of pores or voids penetrating in the thickness direction. For example, organic porous substrates made of various resins, glass, alumina Inorganic porous base materials composed of metal oxides and metals themselves.

多孔質基材としては、厚さ方向に対してほぼ平行な方向に貫通している貫通孔を多数個有するものであってもよい。
このような、多孔質基材として、特開2008−119662号公報、特開2007−154153号公報、特開平8−20660号公報、特開平8−20660号公報、特開2006−120368号公報、特開2004−171994号公報、特開2009−64777号公報に開示されたものを使用することができる。
The porous substrate may have a large number of through holes penetrating in a direction substantially parallel to the thickness direction.
As such a porous substrate, JP 2008-119662 A, JP 2007-154153 A, JP 8-20660 A, JP 8-20660 A, JP 2006-120368 A, What was disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-171994 and 2009-64777 can be used.

本発明で使用される多孔質基材としては、有機多孔質基材が好ましく、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、高分子量ポリエチレン、架橋型ポリエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリイミド、ポリアクリロトリル、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ガラスからなる群から選ばれる1種以上からなるものが好ましい。なお、ポリオレフィンとしては、高分子量ポリエチレン、架橋型ポリエチレン、ポリエチレンなどが望ましい。   As the porous substrate used in the present invention, an organic porous substrate is preferable, and specifically, polyolefins such as polytetrafluoroethylene, high molecular weight polyethylene, cross-linked polyethylene, polyethylene and polypropylene, polyimide, polyacrylo What consists of 1 or more types chosen from the group which consists of tolyl, polyamideimide, polyetherimide, polyethersulfone, and glass is preferable. The polyolefin is preferably high molecular weight polyethylene, cross-linked polyethylene, polyethylene or the like.

本発明では、これらの中でも、上記スルホン酸基を有する重合体と組合わせる観点では多孔質基材が、ポリテトラフルオロエチレン、高分子量ポリエチレン、架橋型ポリエチレン、ポリエチレン等のポリオレフィンから構成されたものが好ましい。また必要に応じて、ポリオレフィンは親水化処理されていてもよい。親水化処理は、アルカリ金属溶液を使用して、多孔質を構成するポリオレフィンを変性させる処理であり、かかる処理により、多孔質膜表面が変性され親水性が付与される。なお、変性部分は褐色化することもあるので、褐色層を過酸化水素や次亜塩素酸ソーダ、オゾンなどにより酸化分解して除去してもよい。このような親水化処理を化学エッチングということもある。アルカリ金属溶液としては、メチルリチウム、金属ナトリウム−ナフタレン錯体、金属ナトリウム−アントラセン錯体などのテトラヒドロフラン等の有機溶剤溶液、金属ナトリウム−液体アンモニアの溶液などが挙げられる。   In the present invention, among these, in view of combining with the polymer having a sulfonic acid group, the porous substrate is composed of polyolefin such as polytetrafluoroethylene, high molecular weight polyethylene, cross-linked polyethylene, polyethylene, etc. preferable. If necessary, the polyolefin may be hydrophilized. The hydrophilization treatment is a treatment that modifies the polyolefin constituting the porous using an alkali metal solution, and this treatment modifies the porous membrane surface and imparts hydrophilicity. Since the modified portion may be browned, the brown layer may be removed by oxidative decomposition with hydrogen peroxide, sodium hypochlorite, ozone, or the like. Such hydrophilic treatment is sometimes referred to as chemical etching. Examples of the alkali metal solution include an organic solvent solution such as tetrahydrofuran, such as methyl lithium, a metal sodium-naphthalene complex, and a metal sodium-anthracene complex, and a solution of metal sodium-liquid ammonia.

また、シート状の繊維質物質としては、不織布、織布、編布等が挙げられる。織布を構成する繊維としては、ポリエチレン繊維、含フッ素重合体強化繊維、ポリイミド繊維、ポリフェニレンスルフィドスルフォン繊維、ポリスルフォン繊維、ガラス繊維等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Moreover, as a sheet-like fibrous substance, a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, etc. are mentioned. Examples of the fibers constituting the woven fabric include, but are not limited to, polyethylene fibers, fluoropolymer reinforced fibers, polyimide fibers, polyphenylene sulfide sulfone fibers, polysulfone fibers, and glass fibers.

不織布を構成する繊維としては、例えば、ポリアミド系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリ塩化ビニリデン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂(例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂など)、ポリスチレン系樹脂(例えば、結晶性ポリスチレン、非晶性ポリスチレンなど)、芳香族ポリアミド系樹脂、又はポリウレタン系樹脂などの有機成分、あるいは、ガラス、炭素、チタン酸カリウム、炭化珪素、窒化珪素、酸化亜鉛、ホウ酸アルミニウム、ワラストナイトなどの無機成分から構成されるものが使用できる。   Examples of the fibers constituting the nonwoven fabric include polyamide resins, polyvinyl alcohol resins, polyvinylidene chloride resins, polyvinyl chloride resins, polyester resins, polyacrylonitrile resins, polyolefin resins (for example, polyethylene resins, Polypropylene resin, etc.), polystyrene resin (eg, crystalline polystyrene, amorphous polystyrene, etc.), aromatic polyamide resin, organic resin such as polyurethane resin, or glass, carbon, potassium titanate, silicon carbide Those composed of inorganic components such as silicon nitride, zinc oxide, aluminum borate and wollastonite can be used.

また、本発明にかかる固体高分子電解質膜は、他にも、スルホン酸基を有する重合体の溶液を、基体上に流延してフィルム状に成形した後、上記金属酸化物粒子を含む組成物中に浸漬することで作製することもできる。   In addition, the solid polymer electrolyte membrane according to the present invention includes a composition containing the metal oxide particles after a polymer solution having a sulfonic acid group is cast on a substrate to form a film. It can also be produced by immersing in an object.

上記金属酸化物粒子を含む組成物に用いられる金属酸化物粒子の分散媒あるいは溶媒としては、得られた固体高分子電解質膜が溶出しないものが好適に用いられ、具体的には水が挙げられる。   As the dispersion medium or solvent for the metal oxide particles used in the composition containing the metal oxide particles, those in which the obtained solid polymer electrolyte membrane does not elute are preferably used, and specifically water is exemplified. .

[膜−電極接合体]
本発明にかかる膜−電極接合体は、前記固体高分子電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とを備えた膜−電極接合体である。典型的には、前記固体高分子電解質膜を挟んで一方にはカソード電極用の触媒層と他方にはアノード電極用の触媒層が設けられており、さらにカソード側およびアノード側の各触媒層の固体高分子電解質膜と反対側に接して、カソード側およびアノード側にそれぞれガス拡散層が設けられている。
[Membrane-electrode assembly]
The membrane-electrode assembly according to the present invention is a membrane-electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer. Typically, a catalyst layer for the cathode electrode is provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a catalyst layer for the anode electrode is provided on the other side, and each of the catalyst layers on the cathode side and the anode side is further provided. Gas diffusion layers are provided on the cathode side and the anode side, respectively, in contact with the side opposite to the solid polymer electrolyte membrane.

ガス拡散層、触媒層として、公知のものを特に制限なく使用可能である。
具体的にガス拡散層は、多孔性基材又は多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層の積層構造体からなる場合には、微多孔層が触媒層に接して設けられる。カソード側およびアノード側のガス拡散層は、撥水性を付与するために含フッ素重合体を含んでいることが好ましい。
Known gas diffusion layers and catalyst layers can be used without particular limitation.
Specifically, the gas diffusion layer is composed of a porous substrate or a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, the microporous layer is provided in contact with the catalyst layer. The gas diffusion layers on the cathode side and the anode side preferably contain a fluoropolymer in order to impart water repellency.

触媒層は、触媒、イオン交換樹脂電解質から構成される。触媒としては、白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素が含まれるものであってもよい。このような貴金属触媒は、通常、高比表面積カーボン微粒子に担持したものを用いることができる。   The catalyst layer is composed of a catalyst and an ion exchange resin electrolyte. As the catalyst, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium or iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more elements such as an alloy or a mixture. As such noble metal catalyst, one supported on high specific surface area carbon fine particles can be used.

イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を担持したカーボンを結着させるバインダー成分として働くとともに、アノード極では触媒上の反応によって発生したイオンを固体高分子電解質膜へ効率的に供給し、また、カソード極では固体高分子電解質膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する。   The ion exchange resin electrolyte functions as a binder component for binding the carbon carrying the catalyst, and at the anode electrode, efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the solid polymer electrolyte membrane. Then, ions supplied from the solid polymer electrolyte membrane are efficiently supplied to the catalyst.

本発明で用いられる触媒層のイオン交換樹脂としては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。このようなポリマーに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などがあるが特に限定されるものではない。また、このようなプロトン交換基を有するポリマーも、特に限定されることなく選ばれるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマーや、スルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体などが好ましく用いられる。また、上記の固体高分子電解質膜を構成するスルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体をイオン交換性樹脂として使用してもよく、さらにプロトン交換基を有するフッ素原子を含むポリマーや、エチレンやスチレンなどから得られる他のポリマー、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。このようなイオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、たとえばNafion(DuPont社、登録商標)やスルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体等を特に制限なく使用できる。   The ion exchange resin for the catalyst layer used in the present invention is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the catalyst layer. Proton exchange groups contained in such polymers include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups, but are not particularly limited. Further, such a polymer having a proton exchange group is also selected without any particular limitation, but a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, a sulfonic acid group An aromatic hydrocarbon polymer having the same is preferably used. In addition, an aromatic hydrocarbon polymer having a sulfonic acid group constituting the solid polymer electrolyte membrane may be used as an ion-exchange resin, and a polymer containing a fluorine atom having a proton exchange group or ethylene Or other polymers obtained from styrene or the like, copolymers or blends thereof. As such an ion exchange resin electrolyte, a known one can be used without any particular limitation, and for example, Nafion (DuPont, registered trademark), an aromatic hydrocarbon polymer having a sulfonic acid group, or the like can be used without any particular limitation. .

本発明で用いられる触媒層に必要に応じてさらに、炭素繊維、イオン交換基を有しない樹脂を用いてもよい。これらの樹脂としては撥水性の高い樹脂であることが好ましい。例えば含フッ素共重合体、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼンなどを挙げることができるが、好ましくは含フッ素共重合体である。   If necessary, a resin having no carbon fiber or ion exchange group may be used for the catalyst layer used in the present invention. These resins are preferably resins with high water repellency. For example, fluorine-containing copolymers, silane coupling agents, silicone resins, waxes, polyphosphazenes and the like can be mentioned, and fluorine-containing copolymers are preferred.

[燃料電池]
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、前記膜−電極接合体を含むことを特徴としている。具体的には、少なくとも一つ以上の膜−電極接合体及びその両側に位置するセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む型燃料電池であって、膜−電極接合体が上記記載のものであることを特徴とする。
[Fuel cell]
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes the membrane-electrode assembly. Specifically, at least one electricity generation unit including at least one membrane-electrode assembly and separators located on both sides thereof; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit; and an oxidant as the electricity A fuel cell including an oxidant supply unit for supplying to a generation unit, wherein the membrane-electrode assembly is as described above.

本発明の電池に用いられるセパレータとしては、通常の燃料電池に用いられるものを用いることができる。具体的にはカーボンタイプのもの、金属タイプのものなどを用いることができる。   As the separator used in the battery of the present invention, those used in ordinary fuel cells can be used. Specifically, carbon type or metal type can be used.

また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。本発明の電池は単セルで用いることもできるし、複数の単セルを直列に繋いだスタックとして用いることもできる。スタックの方法としては公知のものを用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキング、及び燃料または酸化剤の流路がセパレータの裏表面にそれぞれ形成されているセパレータを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングを用いることができる。   Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The battery of the present invention can be used as a single cell or as a stack in which a plurality of single cells are connected in series. As a stacking method, a known method can be used. Specifically, planar stacking in which single cells are arranged in a plane and bipolar stacking in which single cells are stacked via separators each having a fuel or oxidant flow path formed on the back surface of the separator can be used. .

[実施例]
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
本実施例での評価は以下のようにして行なった。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these Examples.
Evaluation in this example was performed as follows.

〔スルホン酸当量〕
スルホン酸化重合体を、1N塩酸水で洗浄後、フリーに残存している酸を除去するため水洗水が中性になるまでイオン交換水で充分に洗浄し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
[Sulfonic acid equivalent]
After washing the sulfonated polymer with 1N aqueous hydrochloric acid, it is thoroughly washed with ion-exchanged water until the washing water becomes neutral in order to remove free remaining acid, and after drying, a predetermined amount is weighed. Titration was performed using a standard solution of NaOH using phenolphthalein dissolved in a THF / water mixed solvent as an indicator, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.

〔分子量の測定〕
スルホン酸化重合体の分子量、または耐熱試験後のスルホン酸化重合体の分子量を、臭化リチウム7.83gとリン酸3.3mlと溶媒からなる混合溶液を溶離液として用い、GPCを用い、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
(Measurement of molecular weight)
The molecular weight of the sulfonated polymer, or the molecular weight of the sulfonated polymer after the heat test, was converted into polystyrene using GPC using a mixed solution of 7.83 g of lithium bromide, 3.3 ml of phosphoric acid and a solvent as the eluent. The molecular weight of was determined.

[粒子径]
粒子の数平均一次粒子径を透過型電子顕微鏡(TEM)により、また粒子の数平均二次粒子径を動的光散乱(DLS)法により測定した(測定装置:堀場製作所社製、動的光散乱式粒径分布測定装置、品番「HORIBA LB550」)
[Particle size]
The number average primary particle size of the particles was measured by a transmission electron microscope (TEM), and the number average secondary particle size of the particles was measured by a dynamic light scattering (DLS) method (measuring device: manufactured by Horiba, Ltd., dynamic light). Scattering type particle size distribution measuring device, product number “HORIBA LB550”)

[界面活性剤付着量の定量]
界面活性剤付着量については、熱重量分析(TG)を用いて900℃まで加熱した際の重量減少量から算出した。
[Quantification of surface-active agent adhesion]
The amount of attached surfactant was calculated from the weight loss when heated to 900 ° C. using thermogravimetric analysis (TG).

〔合成例1〕
30cm3のエチレングリコール(EG)(和光純薬製)に、Ce(NO33・6H2O(高純度化学製)7.8g、及びポリビニルピロリドンK−30(PVP)(シグマアルドリッチ製;ポリスチレン換算数平均分子量3×104)2.4gを加え、190℃で60分間加熱・還流し、白濁した混合溶液が得られた。
[Synthesis Example 1]
30 cm 3 of ethylene glycol (EG) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries), 7.8 g of Ce (NO 3 ) 3 .6H 2 O (manufactured by high purity chemical), and polyvinylpyrrolidone K-30 (PVP) (manufactured by Sigma Aldrich; 2.4 g of polystyrene-equivalent number average molecular weight 3 × 10 4 ) was added, and the mixture was heated to reflux at 190 ° C. for 60 minutes to obtain a cloudy mixed solution.

次に、未反応物や、余分なPVPを除去するために、白濁した溶液の一部を10000rpmの条件で遠心分離し、水及びエタノールで洗浄した。洗浄後、80℃で乾燥させ、粉体を得た。   Next, in order to remove unreacted substances and excess PVP, a part of the cloudy solution was centrifuged at 10,000 rpm and washed with water and ethanol. After washing, it was dried at 80 ° C. to obtain a powder.

得られた粉体について、X線回折(XRD)により分析した結果、酸化セリウムが生成していることを確認した。また、FTIRにより分析した結果、PVPに起因するピークが観察され、得られた粉体がPVPで安定化された酸化セリウムであることを確認した。さらに、熱重量分析(TG)において、900℃まで加熱することにより、20wt%の重量減少があったことから、およそ20wt%のPVPが酸化セリウムに付着していることを確認した。   As a result of analyzing the obtained powder by X-ray diffraction (XRD), it was confirmed that cerium oxide was produced. As a result of analysis by FTIR, a peak due to PVP was observed, and it was confirmed that the obtained powder was cerium oxide stabilized with PVP. Furthermore, in thermogravimetric analysis (TG), heating to 900 ° C. resulted in a weight loss of 20 wt%, so it was confirmed that approximately 20 wt% PVP was attached to cerium oxide.

このPVPで安定化された酸化セリウムを透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、一次粒子の大きさは平均で3nmであることが分かった。また、動的光散乱(DLS)法により分析した結果、二次粒径の大きさは平均で100nmであり、粒径分布の標準偏差は30nmの微粒子であることが分かった。   When this cerium oxide stabilized with PVP was observed with a transmission electron microscope (TEM), it was found that the average size of the primary particles was 3 nm. Further, as a result of analysis by a dynamic light scattering (DLS) method, it was found that the secondary particle size was 100 nm on average and the standard deviation of the particle size distribution was 30 nm.

〔合成例2-1〕
(1)疎水性ユニットの合成
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル49.4g(0.29モル)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン88.4g(0.26モル)、炭酸カリウム47.3g(0.34モル)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン346ml、トルエン173mlを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、150℃に加熱還流させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、200℃で3時間反応を続けた。次に、2,6−ジクロロベンゾニトリル12.3g(0.072モル)を加え、さらに5時間反応した。
[Synthesis Example 2-1]
(1) Synthesis of hydrophobic unit 49.4 g of 2,6-dichlorobenzonitrile was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube and nitrogen-introduced three-way cock. 0.29 mol), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane 88.4 g (0.26 mol), potassium carbonate 47.3 g (0 .34 mol) was weighed. After substitution with nitrogen, 346 ml of sulfolane and 173 ml of toluene were added and stirred. The flask was placed in an oil bath and heated to reflux at 150 ° C. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. After removing most of the toluene while gradually raising the reaction temperature, the reaction was continued at 200 ° C. for 3 hours. Next, 12.3 g (0.072 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added and reacted for another 5 hours.

得られた反応液を放冷後、トルエン100mlを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を2Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン250mlに溶解した。これをメタノール2Lに再沈殿し、目的の化合物107gを得た。   The resulting reaction solution was allowed to cool and then diluted by adding 100 ml of toluene. The precipitate of the inorganic compound produced as a by-product was removed by filtration, and the filtrate was put into 2 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in 250 ml of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 2 L of methanol to obtain 107 g of the objective compound.

得られた目的の化合物のGPC(溶媒:テトラヒドロフラン)で求めたポリスチレン換算の数平均分子量は7,300であった。得られた化合物は下記構造式で表されるオリゴマーであった。   The number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC (solvent: tetrahydrofuran) of the obtained target compound was 7,300. The obtained compound was an oligomer represented by the following structural formula.

Figure 0005552785
(2)親水性ユニットの合成
攪拌機、冷却管を備えた3Lの三口フラスコに、クロロスルホン酸233.0g(2モル)を加え、続いて2,5−ジクロロベンゾフェノン100.4g(400ミリモル)を加え、100℃のオイルバスで8時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷1000gにゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロリドを得た。粗結晶は精製せず、そのまま次工程に用いた。
Figure 0005552785
(2) Synthesis of hydrophilic unit 233.0 g (2 mol) of chlorosulfonic acid was added to a 3 L three-necked flask equipped with a stirrer and a cooling tube, followed by 100.4 g (400 mmol) of 2,5-dichlorobenzophenone. In addition, the reaction was performed in an oil bath at 100 ° C. for 8 hours. After a predetermined time, the reaction solution was slowly poured onto 1000 g of crushed ice and extracted with ethyl acetate. The organic layer was washed with brine and dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain pale yellow crude crystals of 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonic acid chloride. The crude crystals were not purified and used as they were in the next step.

2,2-ジメチル-1-プロパノール(ネオペンチルアルコール)38.8g(440ミリモル)をピリジン300mLに加え、約10℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約30分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに30分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水1000ml中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、下記構造式で表される3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチルの白色結晶を得た。   3,8.8 g (440 mmol) of 2,2-dimethyl-1-propanol (neopentyl alcohol) was added to 300 mL of pyridine and cooled to about 10 ° C. The crude crystals obtained above were gradually added thereto over about 30 minutes. After the total amount was added, the reaction was further stirred for 30 minutes. After the reaction, the reaction solution was poured into 1000 ml of aqueous hydrochloric acid, and the precipitated solid was collected. The obtained solid was dissolved in ethyl acetate, washed with aqueous sodium hydrogen carbonate solution and brine, dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain crude crystals. This was recrystallized with methanol to obtain white crystals of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate represented by the following structural formula.

Figure 0005552785
(3)塩基性ユニットの合成
撹拌羽根、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの3口フラスコに、フルオロベンゼン240.2g(2.50モル)を取り、氷浴で10℃まで冷却し、2,5−ジクロロ安息香酸クロライド134.6g(0.50モル)、塩化アルミニウム86.7g(0.65モル)を反応温度が40℃を超えないように徐々に添加した。添加後、40℃で8時間撹拌した。薄層クロマトグラフィーにより原料の消失を確認した後、氷水に滴下し、酢酸エチルから抽出を行った。5%重曹水により中和した後、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムにより乾燥させた後、エバポレーターでにより溶媒を留去した。メタノールから再結晶を行うことにより、中間体の2,5−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノンを130g、収率97%で得た。
Figure 0005552785
(3) Synthesis of basic unit In a 2 L three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 240.2 g (2.50 mol) of fluorobenzene was taken, cooled to 10 ° C. in an ice bath, 2,4.6 g (0.50 mol) of 2,5-dichlorobenzoic acid chloride and 86.7 g (0.65 mol) of aluminum chloride were gradually added so that the reaction temperature did not exceed 40 ° C. After the addition, the mixture was stirred at 40 ° C. for 8 hours. After confirming the disappearance of the raw material by thin layer chromatography, it was added dropwise to ice water and extracted from ethyl acetate. The mixture was neutralized with 5% aqueous sodium bicarbonate, washed with saturated brine, dried over magnesium sulfate, and then the solvent was distilled off with an evaporator. By recrystallization from methanol, 130 g of intermediate 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone was obtained in a yield of 97%.

撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた2Lの3口フラスコに、上記2,5−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノン130.5g(0.49モル)、2−ヒドロキシピリジン46.1g(0.49モル)、炭酸カリウム73.7g(0.53モル)、を取り、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)500mL、トルエン100mLを加え、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱、撹拌下130℃で反応させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。その後、大部分のトルエンを除去し、130℃で10時間反応を続けた。得られた反応液を放冷後、濾液を2Lの水/メタノール(9/1)中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥した。撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた2Lの3口フラスコに乾燥物を取り、トルエン1L中で100℃で撹拌し、残留した水分を留去し溶解させた。放冷後、結晶化物を濾過することにより下記構造式で表される淡黄色の2,5−ジクロロ−4'−(ピリジン−2−イル)ベンゾフェノンを142g、収率83%で得た。   To a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube, and nitrogen-introduced three-way cock, 130.5 g (0.49 mol) of 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone was added. 2-hydroxypyridine 46.1 g (0.49 mol), potassium carbonate 73.7 g (0.53 mol), N, N-dimethylacetamide (DMAc) 500 mL, toluene 100 mL was added, The reaction was performed at 130 ° C. with stirring and heating under a nitrogen atmosphere. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. Thereafter, most of the toluene was removed, and the reaction was continued at 130 ° C. for 10 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool, and then the filtrate was put into 2 L of water / methanol (9/1). The precipitated product was filtered off, collected and dried. Take the dried product in a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube and nitrogen-introduced three-way cock, stir at 100 ° C. in 1 L of toluene, and distill off the remaining water. Dissolved. After allowing to cool, the crystallized product was filtered to obtain 142 g of pale yellow 2,5-dichloro-4 ′-(pyridin-2-yl) benzophenone represented by the following structural formula in a yield of 83%.

Figure 0005552785
(4)スルホン酸基を有する重合体の合成
撹拌機、温度計、窒素導入管を接続した1Lの3口フラスコに、乾燥したN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)166mLを(1)で合成したオリゴマー13.4g(1.8ミリモル)、(2)で合成した3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル 37.6g(93.7ミリモル)、(3)で合成した2,5−ジクロロ−4'−(ピリジン−2−イル)ベンゾフェノン 1.61g(4.7ミリモル)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.62g(4.0ミリモル)、トリフェニルホスフィン10.5g(40.1ミリモル)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0ミリモル)、亜鉛15.7g(240.5ミリモル)の混合物中に窒素下で加えた。
Figure 0005552785
(4) Synthesis of polymer having sulfonic acid group 166 mL of dried N, N-dimethylacetamide (DMAc) was synthesized in (1) in a 1 L three-necked flask connected with a stirrer, thermometer, and nitrogen introduction tube. 13.4 g (1.8 mmol) of the oligomer, 37.6 g (93.7 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate synthesized in (2), and 2,5 synthesized in (3) -Dichloro-4 '-(pyridin-2-yl) benzophenone 1.61 g (4.7 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 2.62 g (4.0 mmol), triphenylphosphine 10.5 g (40 mmol) 0.1 mmol), 0.45 g (3.0 mmol) sodium iodide, and 15.7 g (240.5 mmol) zinc were added under nitrogen.

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には82℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc175mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い濾過した。撹拌機を取り付けた1Lの3つ口で、この濾液に臭化リチウム24.4g(281ミリモル)を1/3ずつ3回に分け1時間間隔で加え、内温120℃で5時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4Lに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N硫酸1500mLで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的の塩基性ユニットが導入されたスルホン酸基を有する重合体38.0gを得た。この脱保護後のスルホン酸基を有する重合体のGPC(溶媒:N−メチル−2−ピロリドン)で測定したポリスチレン換算の分子量は、Mn=63000、Mw=194000であった。この重合体のイオン交換容量は2.33meq/gであった。得られたスルホン酸基を有する重合体は、下記構造式で表される化合物(重合体A)である。   The reaction system was heated with stirring (finally heated to 82 ° C.) and allowed to react for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 175 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid. Lithium bromide (24.4 g, 281 mmol) was added to the filtrate in 1/3 portions at 1-hour intervals through a 1-L three-neck equipped with a stirrer, and the internal temperature was 120 ° C. for 5 hours. Reacted below. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 L of acetone and solidified. The coagulum was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, and washed with 1500 mL of 1N sulfuric acid while stirring. After filtration, the product is washed with ion-exchanged water until the pH of the washing solution becomes 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight, and 38.0 g of a polymer having a sulfonic acid group into which a target basic unit has been introduced. Got. The molecular weight in terms of polystyrene measured by GPC (solvent: N-methyl-2-pyrrolidone) of the polymer having a sulfonic acid group after deprotection was Mn = 63000 and Mw = 194000. The ion exchange capacity of this polymer was 2.33 meq / g. The obtained polymer having a sulfonic acid group is a compound (polymer A) represented by the following structural formula.

Figure 0005552785
〔合成例2-2〕
(1)親水性ユニットの合成
2,2−ジメチルプロパノール44.9g(510.2ミリモル)をピリジン147mlに溶解させた。これに、0℃で、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸クロリド100g(405.6ミリモル)を加え、室温で、1時間攪拌、反応させた。反応混合物に、酢酸エチル740mL及び2mol%塩酸740mLを加え、30分間撹拌した後、静置し、有機層を分離した。分離した有機層を水740mL、10質量%炭酸カリウム水溶液740mL、飽和食塩水740mLで順次洗浄した後、減圧条件下で、溶媒を留去した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィ(クロロホルム溶媒)で精製した。得られた溶出液から溶媒を、減圧条件下で留去した。残渣を、65℃でヘキサン970mLに溶解させた後、室温まで冷却した。析出した固体を濾過により分離した。分離した固体を乾燥し、下記構造式で表される2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)の白色固体を99.4g、収率82.1%で得た。
Figure 0005552785
[Synthesis Example 2-2]
(1) Synthesis of hydrophilic unit 44.9 g (510.2 mmol) of 2,2-dimethylpropanol was dissolved in 147 ml of pyridine. To this, 100 g (405.6 mmol) of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid chloride was added at 0 ° C., and the mixture was stirred and reacted at room temperature for 1 hour. Ethyl acetate (740 mL) and 2 mol% hydrochloric acid (740 mL) were added to the reaction mixture, and the mixture was stirred for 30 minutes and then allowed to stand to separate the organic layer. The separated organic layer was washed successively with 740 mL of water, 740 mL of 10% by mass potassium carbonate aqueous solution and 740 mL of saturated brine, and then the solvent was distilled off under reduced pressure. The residue was purified by silica gel column chromatography (chloroform solvent). The solvent was distilled off from the resulting eluate under reduced pressure. The residue was dissolved in 970 mL of hexane at 65 ° C. and then cooled to room temperature. The precipitated solid was separated by filtration. The separated solid was dried to obtain 99.4 g of a white solid of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl) represented by the following structural formula in a yield of 82.1%.

Figure 0005552785
(2)スルホン酸基を有する重合体の合成
無水塩化ニッケル1.62g(12.5ミリモル)とジメチルスルホキシド(DMSO)15mLとを混合し、内温70℃ に調整した。これに、2,2’−ビピリジン2.15g(13.8モル)を加え、同温度で10分撹拌し、ニッケル含有溶液を調製した。(1)で合成した2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)1.49g(5.0ミリモル)と下記構造式
Figure 0005552785
(2) Synthesis of polymer having sulfonic acid group 1.62 g (12.5 mmol) of anhydrous nickel chloride and 15 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO) were mixed to adjust the internal temperature to 70 ° C. To this, 2.15 g (13.8 mol) of 2,2′-bipyridine was added and stirred at the same temperature for 10 minutes to prepare a nickel-containing solution. 1.49 g (5.0 mmol) of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl) synthesized in (1) and the following structural formula

Figure 0005552785
で示されるスミカエクセルPES5200P(住友化学社製、Mn=40000、Mw=94000)0.50g(0.013ミリモル)とをジメチルスルホキシド(DMSO)5mLに溶解させて得られた溶液に、亜鉛1.23g(18.8ミリモル)を加え、70℃に調整した。これに、前記ニッケル含有溶液を注ぎ込み、70℃で4時間重合反応を行った。反応混合物をメタノール60mL中に加え、次いで、6mol/L塩酸60mLを加え、1時間撹拌した。析出した固体を濾過により分離し、乾燥し、灰白色の重合中間体を1.62g得た。得られた重合中間体1.62gを、臭化リチウム1.13g(13.0ミリモル)とN−メチル−2−ピロリドン(NMP)56mLとの混合溶液に加え、120℃で24時間反応させた。反応混合物を、6mol/L塩酸560mL中に注ぎ込み、1時間撹拌した。析出した固体を濾過により分離した。分離した固体を乾燥し、灰白色の目的のスルホン酸基を有する重合体0.42gを得た。この脱保護後のスルホン酸基を有する重合体のGPC(溶媒:N−メチル−2ピロリドン)で測定したポリスチレン換算の分子量は、M n=75000、Mw=173000であった。この重合体のイオン交換容量は1.95meq/gであった。得られたスルホン酸基を有する重合体は、下記構造式で表される化合物(重合体B)である。
Figure 0005552785
In a solution obtained by dissolving 0.50 g (0.013 mmol) of Sumika Excel PES5200P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., Mn = 40000, Mw = 94000) in 5 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO). 23 g (18.8 mmol) was added and adjusted to 70 ° C. The nickel-containing solution was poured into this, and a polymerization reaction was performed at 70 ° C. for 4 hours. The reaction mixture was added to 60 mL of methanol, and then 60 mL of 6 mol / L hydrochloric acid was added and stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration and dried to obtain 1.62 g of an off-white polymerization intermediate. 1.62 g of the obtained polymerization intermediate was added to a mixed solution of 1.13 g (13.0 mmol) of lithium bromide and 56 mL of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and reacted at 120 ° C. for 24 hours. . The reaction mixture was poured into 560 mL of 6 mol / L hydrochloric acid and stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration. The separated solid was dried to obtain 0.42 g of an off-white polymer having a target sulfonic acid group. The molecular weight in terms of polystyrene measured by GPC (solvent: N-methyl-2pyrrolidone) of the polymer having a sulfonic acid group after deprotection was Mn = 75000 and Mw = 173000. The ion exchange capacity of this polymer was 1.95 meq / g. The obtained polymer having a sulfonic acid group is a compound (polymer B) represented by the following structural formula.

Figure 0005552785
〔実施例1〕
合成例1で得られた酸化セリウム微粒子0.8gをメタノール/N−メチル−2−ピロリドン(NMP)=40/60の混合溶媒84mlに添加し、超音波発生ホモジナイザーを使用して分散させた。次いで、この分散液に合成例2-1で得られた重合体A16gを添加し、溶解させた。この溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、80℃で40分予備乾燥した後、120℃で40分乾燥した。これを大量の蒸留水に一晩浸漬し、膜中の残存NMPを希釈により取り除いた後、風乾し、膜厚40μmの膜を得た。
Figure 0005552785
[Example 1]
0.8 g of the cerium oxide fine particles obtained in Synthesis Example 1 was added to 84 ml of a mixed solvent of methanol / N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) = 40/60, and dispersed using an ultrasonic generation homogenizer. Next, 16 g of the polymer A obtained in Synthesis Example 2-1 was added to this dispersion and dissolved. This solution was cast-coated on a PET film with a die coater, pre-dried at 80 ° C. for 40 minutes, and then dried at 120 ° C. for 40 minutes. This was immersed in a large amount of distilled water overnight, the remaining NMP in the film was removed by dilution, and then air-dried to obtain a film having a thickness of 40 μm.

この膜から5cm×5cmの大きさを切り出し、110℃、減圧下で2時間乾燥した後、質量を精秤し、550℃で2日間静置して、残った灰分を0.1規定硝酸水溶液に溶解させ、セリウムを完全に抽出した液を得た。この液を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析にて測定することで、膜中の酸化セリウム量を定量したところ、膜1gに対して37mgであることが判明した。また、加圧下で120℃の熱水に膜を100時間浸漬させ、上記と同様にICP測定を行ったところ、熱水浸漬前後でのセリウム量に変化はなく、酸化セリウム微粒子の熱水への溶出は起こっていないことが判明した。   A size of 5 cm × 5 cm was cut out from this film, dried at 110 ° C. under reduced pressure for 2 hours, accurately weighed, and allowed to stand at 550 ° C. for 2 days. To obtain a liquid in which cerium was completely extracted. The amount of cerium oxide in the film was quantified by measuring this liquid by inductively coupled plasma (ICP) emission analysis, and it was found to be 37 mg with respect to 1 g of the film. In addition, when the film was immersed in hot water at 120 ° C. under pressure for 100 hours and ICP measurement was performed in the same manner as described above, there was no change in the amount of cerium before and after the hot water immersion, and the cerium oxide fine particles were added to the hot water. It was found that no elution occurred.

〔アノード電極ペーストの調製〕
次に、200mlのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール(ニッカトー社製「YTZボール」)80gを入れ、白金ルテニウム担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製「TEC61E54」、Pt:29.8質量%担持、Ru:23.2質量%担持)1.28g、蒸留水3.60g、n−プロピルアルコール12.02gおよびNafion(商標) D2020(DuPont社製、ポリマー濃度21%分散液、イオン交換容量1.08meq/g)3.90gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、アノード電極ペーストを得た。
[Preparation of anode electrode paste]
Next, 80 g of a zirconia ball having a diameter of 5 mm (“YTZ ball” manufactured by Nikkato Corporation) is placed in a 200 ml plastic bottle, and platinum ruthenium-supported carbon particles (“TEC61E54” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt: 29.8 mass% supported, Ru : 23.2% by mass) 1.28 g, distilled water 3.60 g, n-propyl alcohol 12.02 g and Nafion ™ D2020 (manufactured by DuPont, polymer concentration 21% dispersion, ion exchange capacity 1.08 meq / g) Anode paste was obtained by adding 3.90 g and stirring with a paint shaker for 60 minutes.

〔カソード電極ペーストの調製〕
次に、200mlのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール80gを入れ、白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業社製「TEC10E50E」、Pt:45.6質量%担持)1.25g、蒸留水3.64g、n−プロピルアルコール11.91gおよびNafion(商標) D2020 4.40gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌することにより、カソード電極ペーストを得た。
[Preparation of cathode electrode paste]
Next, 80 g of zirconia balls having a diameter of 5 mm are placed in a 200 ml plastic bottle, 1.25 g of platinum-supported carbon particles (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt: 45.6% by mass), 3.64 g of distilled water, n -11.91 g of propyl alcohol and 4.40 g of Nafion ™ D2020 were added, and the mixture was stirred with a paint shaker for 60 minutes to obtain a cathode electrode paste.

〔電極の製造〕
高分子電解質膜の片面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて上記アノード電極ペーストをドクターブレードにて塗布し、また上記電極ペーストを塗布していない面に、5cm×5cmの開口を有するマスクを用いて、ドクターブレードにて上記カソード電極ペーストを塗布した。これを120℃で60分間乾燥した。各電極触媒層の触媒塗布量は0.50mg/cm2であった。
[Production of electrodes]
The anode electrode paste is applied with a doctor blade using a mask having an opening of 5 cm × 5 cm on one side of the polymer electrolyte membrane, and the surface not coated with the electrode paste has an opening of 5 cm × 5 cm. The cathode electrode paste was applied with a doctor blade using a mask. This was dried at 120 ° C. for 60 minutes. The amount of catalyst applied to each electrode catalyst layer was 0.50 mg / cm 2 .

〔ガス拡散層〕
ガス拡散層としてSGL CARBON社製のGDL24BCを用いた。
〔燃料電池の作製〕
上記電極触媒層が両面に形成された電解質膜を、2枚のガス拡散層で挟み、圧力60kg/cm2下、160℃×20minの条件でホットプレス成形して、膜−電極接合体を作製した。得られた電極−膜接合体の両側にガス流路を兼ねるセパレータを積層し、これを2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の評価用燃料電池を作製した。
[Gas diffusion layer]
GDL24BC manufactured by SGL CARBON was used as the gas diffusion layer.
[Production of fuel cell]
The electrolyte membrane having the electrode catalyst layer formed on both sides is sandwiched between two gas diffusion layers and hot press molded under a pressure of 60 kg / cm 2 and a temperature of 160 ° C. for 20 minutes to produce a membrane-electrode assembly. did. A separator also serving as a gas flow path is laminated on both sides of the obtained electrode-membrane assembly, sandwiched between two current collectors made of titanium, and a heater is disposed on the outside thereof, and an effective area of 25 cm 2 is evaluated. A fuel cell was prepared.

〔性能評価〕
(1)OCV耐久性試験
上記評価用燃料電池のカソード電極側に常圧で0.2L/minの流量で空気を供給し、アノード電極側に常圧で0.2L/minの流量で純水素を供給し、セル温度90℃、カソード電極側相対湿度20%、アノード電極側相対湿度20%として、発電は行わずに開回路状態で300時間運転し、その間の電圧低下速度を測定した。結果を表1に示す。
[Performance evaluation]
(1) OCV durability test Air is supplied to the cathode electrode side of the evaluation fuel cell at a normal pressure and a flow rate of 0.2 L / min, and pure hydrogen is supplied to the anode electrode side at a flow rate of 0.2 L / min at normal pressure. The cell temperature was 90 ° C., the cathode electrode side relative humidity was 20%, and the anode electrode side relative humidity was 20%. The battery was operated for 300 hours in an open circuit state without power generation, and the voltage drop rate was measured. The results are shown in Table 1.

(2)OCV耐久性試験前後の出力電圧測定
上記評価用燃料電池のカソード電極側に背圧120kPa、利用率40%で空気を供給し、アノード電極側に背圧120kPa、利用率70%で純水素を供給し、セル温度80℃、カソード電極側相対湿度50%、アノード電極側相対湿度50%として、上記OCV耐久試験前後の電流密度1A/cm2でのセル電圧を測定し、セル電圧の低下度を求めた。結果を表2に示す。
(2) Output voltage measurement before and after the OCV durability test Air was supplied to the cathode electrode side of the evaluation fuel cell at a back pressure of 120 kPa and a utilization rate of 40%, and the anode electrode side was pure at a back pressure of 120 kPa and a utilization rate of 70%. Hydrogen was supplied, and the cell voltage was measured at a current density of 1 A / cm 2 before and after the OCV endurance test at a cell temperature of 80 ° C., a cathode electrode side relative humidity of 50%, and an anode electrode side relative humidity of 50%. The degree of decline was determined. The results are shown in Table 2.

〔実施例2〕
実施例1において重合体Aのかわりに合成例2-2で得られた重合体Bを用いた以外は実施例1と同様にして、膜厚40μmの膜を得た。この膜は、実施例1と同様のICP測定により、酸化セリウム量は、膜1gに対して37mgであることが判明した。また、実施例1と同様の熱水浸漬を行い、ICP測定を行ったところ、熱水浸漬前後でのセリウム量に変化はなく、酸化セリウム微粒子の熱水への溶出は起こっていないことが判明した。この膜を用いて実施例1と同様のOCV耐久性試験、及びOCV耐久性試験前後の出力電圧測定の評価を行った。結果を表1〜2に示す。
[Example 2]
A film having a thickness of 40 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer B obtained in Synthesis Example 2-2 was used instead of the polymer A in Example 1. This film was found to have an amount of cerium oxide of 37 mg with respect to 1 g of the film, by the same ICP measurement as in Example 1. Moreover, when the same hot water immersion as in Example 1 was performed and ICP measurement was performed, it was found that there was no change in the amount of cerium before and after the hot water immersion, and the elution of the cerium oxide fine particles into the hot water did not occur. did. Using this film, the same OCV durability test as in Example 1 and evaluation of output voltage measurement before and after the OCV durability test were performed. The results are shown in Tables 1-2.

〔実施例3〕
合成例1で得られた酸化セリウム微粒子0.8gを、NafionTM D2020 76gに添加し、超音波発生ホモジナイザーを使用して分散させた。次いで、この分散液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、80℃で40分予備乾燥した後、120℃で40分乾燥し、膜厚40μmの膜を得た。この膜は、実施例1と同様のICP測定により、酸化セリウム量は膜1gに対して36mgであることが判明した。また、実施例1と同様の熱水浸漬を行い、ICP測定を行ったところ、熱水浸漬前後でのセリウム量に変化はなく、酸化セリウム微粒子の熱水への溶出は起こっていないことが判明した。この膜を用いて実施例1と同様のOCV耐久性試験、及びOCV耐久性試験前後の出力電圧測定の評価を行った。結果を表1〜2に示す。
Example 3
0.8 g of the cerium oxide fine particles obtained in Synthesis Example 1 was added to 76 g of Nafion D2020 and dispersed using an ultrasonic generation homogenizer. Next, this dispersion was cast-coated on a PET film with a die coater, preliminarily dried at 80 ° C. for 40 minutes, and then dried at 120 ° C. for 40 minutes to obtain a film having a thickness of 40 μm. This film was found to have an amount of cerium oxide of 36 mg with respect to 1 g of the film by ICP measurement similar to that of Example 1. Moreover, when the same hot water immersion as in Example 1 was performed and ICP measurement was performed, it was found that there was no change in the amount of cerium before and after the hot water immersion, and the elution of the cerium oxide fine particles into the hot water did not occur. did. Using this film, the same OCV durability test as in Example 1 and evaluation of output voltage measurement before and after the OCV durability test were performed. The results are shown in Tables 1-2.

〔比較例1〕
実施例1において、合成例1で得られた酸化セリウム微粒子を使用しない以外は実施例1と同様にして、膜厚40μmの膜を得た。この膜を用いて実施例1と同様のOCV耐久性試験、及びOCV耐久性試験前後の出力電圧測定の評価を行った。結果を表1〜2に示す。
[Comparative Example 1]
In Example 1, a 40 μm-thick film was obtained in the same manner as in Example 1 except that the cerium oxide fine particles obtained in Synthesis Example 1 were not used. Using this film, the same OCV durability test as in Example 1 and evaluation of output voltage measurement before and after the OCV durability test were performed. The results are shown in Tables 1-2.

〔比較例2〕
実施例1において、合成例1で得られた酸化セリウム微粒子のかわりに硝酸セリウム六水和物(和光純薬工業社製) 0.79gを使用した以外は実施例1と同様にして、膜厚40μmの膜を得た。この膜は、実施例1と同様のICP測定により、セリウム量は重合体Aとセリウム成分の総質量に対して0.11ミリモル/gであり、スルホン酸基の4.6モル%であることが判明した。また、実施例1と同様の熱水浸漬を行い、ICP測定を行ったところ、熱水浸漬前後でのセリウム量に変化はなく、セリウムの熱水への溶出は起こっていないことが判明した。この膜を用いて実施例1と同様のOCV耐久性試験、及びOCV耐久性試験前後の出力電圧測定の評価を行った。結果を表1〜2に示す。
[Comparative Example 2]
In Example 1, in place of 0.79 g of cerium nitrate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) instead of the cerium oxide fine particles obtained in Synthesis Example 1, the film thickness was the same as in Example 1. A 40 μm membrane was obtained. According to the same ICP measurement as in Example 1, this membrane had a cerium content of 0.11 mmol / g based on the total mass of the polymer A and the cerium component, and 4.6 mol% of sulfonic acid groups. There was found. Moreover, the hot water immersion similar to Example 1 was performed, and when ICP measurement was performed, it was found that there was no change in the amount of cerium before and after the hot water immersion, and no elution of cerium into the hot water occurred. Using this film, the same OCV durability test as in Example 1 and evaluation of output voltage measurement before and after the OCV durability test were performed. The results are shown in Tables 1-2.

〔比較例3〕
実施例1において、合成例1で得られた酸化セリウム微粒子のかわりに、市販の酸化セリウム粒子(純正化学製、数平均二次粒子径400nm)を用いた以外は実施例1と同様にして、膜厚40μmの膜を得た。この膜は、実施例1と同様のICP測定により、酸化セリウム量は膜1gに対して46mgであることが判明した。また、実施例1と同様の熱水浸漬を行い、ICP測定を行ったところ、熱水浸漬前後でのセリウム量に変化はなく、酸化セリウム微粒子の熱水への溶出は起こっていないことが判明した。この膜を用いて実施例1と同様のOCV耐久性試験、及びOCV耐久性試験前後の出力電圧測定の評価を行った。結果を表1〜2に示す。
[Comparative Example 3]
In Example 1, in place of the cerium oxide fine particles obtained in Synthesis Example 1, commercially available cerium oxide particles (manufactured by Junsei, number average secondary particle size 400 nm) were used in the same manner as in Example 1, A film having a thickness of 40 μm was obtained. This film was found to have an amount of cerium oxide of 46 mg with respect to 1 g of the film, by the same ICP measurement as in Example 1. Moreover, when the same hot water immersion as in Example 1 was performed and ICP measurement was performed, it was found that there was no change in the amount of cerium before and after the hot water immersion, and the elution of the cerium oxide fine particles into the hot water did not occur. did. Using this film, the same OCV durability test as in Example 1 and evaluation of output voltage measurement before and after the OCV durability test were performed. The results are shown in Tables 1-2.

〔比較例4〕
実施例3において、合成例1で得られた酸化セリウム微粒子を使用しない以外は実施例3と同様にして、膜厚40μmの膜を得た。この膜を用いて実施例1と同様のOCV耐久性試験、及びOCV耐久性試験前後の出力電圧測定の評価を行った。結果を表1〜2に示す。
[Comparative Example 4]
In Example 3, a film having a thickness of 40 μm was obtained in the same manner as Example 3 except that the cerium oxide fine particles obtained in Synthesis Example 1 were not used. Using this film, the same OCV durability test as in Example 1 and evaluation of output voltage measurement before and after the OCV durability test were performed. The results are shown in Tables 1-2.

Figure 0005552785
Figure 0005552785

Figure 0005552785
〔評価結果〕
表1より、実施例1、2、及び比較例2、3は開回路電圧の低下速度が比較例1より小さく、実施例3は開回路電圧の低下速度が比較例4より小さいものであった。さらに、酸化セリウム微粒子を用いた実施例1は開回路電圧の低下速度が比較例3より小さいものであった。また、表2より、実施例1、2、及び比較例2、3はOCV耐久試験後の電流密度1A/cm2でのセル電圧低下度が比較例1より小さく、実施例3はOCV耐久試験後の電流密度1A/cm2でのセル電圧低下度が比較例4より小さいものであった。さらに、酸化セリウム微粒子を用いた実施例1はOCV耐久試験後の電流密度1A/cm2でのセル電圧低下度が比較例3より小さいものであった。また、表2より、実施例1、2は電流密度1A/cm2でのセル電圧の初期値が比較例2より高いものであった。以上より、本発明の電解質膜は発電性能に優れ、燃料電池の発電により生成される過酸化水素または過酸化物ラジカルに対する耐久性に優れているものである。
Figure 0005552785
〔Evaluation results〕
From Table 1, Examples 1, 2 and Comparative Examples 2, 3 have a lower open circuit voltage decrease rate than Comparative Example 1, and Example 3 has an open circuit voltage decrease rate lower than Comparative Example 4. . Further, Example 1 using fine cerium oxide particles had a lower open circuit voltage reduction rate than Comparative Example 3. Also, from Table 2, Examples 1, 2 and Comparative Examples 2, 3 have a cell voltage decrease degree at a current density of 1 A / cm 2 after the OCV durability test is smaller than that of Comparative Example 1, and Example 3 is an OCV durability test. The cell voltage drop at a later current density of 1 A / cm 2 was smaller than that of Comparative Example 4. Furthermore, in Example 1 using the cerium oxide fine particles, the cell voltage drop degree at a current density of 1 A / cm 2 after the OCV endurance test was smaller than that in Comparative Example 3. Also, from Table 2, Examples 1 and 2 were higher in cell voltage initial value than Comparative Example 2 at a current density of 1 A / cm 2 . As described above, the electrolyte membrane of the present invention has excellent power generation performance and excellent durability against hydrogen peroxide or peroxide radicals generated by power generation of the fuel cell.

Claims (11)

スルホン酸基を有する重合体、金属酸化物粒子を含み、
該金属酸化物粒子がノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤から選ばれる少なくとも1種の存在下で、金属化合物を酸化させて得られたものであり、
前記金属酸化物粒子を、前記重合体ならびに前記金属酸化物粒子の合計量に対して0.01〜30重量%含み、
金属酸化物粒子が、アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、亜鉛、スズ、鉄、ビスマス、マグネシウム、イットリウム、鉛、マンガン、ゲルマニウム、銅、インジウム、ベリリウム、ネオジム、ランタン、ニオブ、タンタル、ニッケル、コバルト、ガリウム、セリウム、モリブデン、タングステンから選ばれる金属の酸化物およびこれらの複合酸化物の少なくとも1種である
ことを特徴とする固体高分子電解質膜。
Including a polymer having a sulfonic acid group, metal oxide particles,
The metal oxide particles are obtained by oxidizing a metal compound in the presence of at least one selected from a nonionic surfactant and an anionic surfactant,
The metal oxide particles include 0.01 to 30 wt% with respect to the total amount of the polymer and the metal oxide particles,
Metal oxide particles are aluminum, silicon, titanium, zirconium, zinc, tin, iron, bismuth, magnesium, yttrium, lead, manganese, germanium, copper, indium, beryllium, neodymium, lanthanum, niobium, tantalum, nickel, cobalt, A solid polymer electrolyte membrane characterized by being an oxide of a metal selected from gallium, cerium, molybdenum and tungsten and at least one of these composite oxides .
金属酸化物粒子の数平均一次粒子径が1nm〜20nmであって、数平均二次粒子径が30nm〜200nmである請求項1の固体高分子電解質膜。  2. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the metal oxide particles have a number average primary particle diameter of 1 nm to 20 nm and a number average secondary particle diameter of 30 nm to 200 nm. 前記金属酸化物粒子が、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、マンガン、ニッケル、コバルト、またはセリウムの酸化物から選ばれる少なくとも一種である、請求項1または2に記載の固体高分子電解質膜。   3. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the metal oxide particles are at least one selected from oxides of aluminum, titanium, zirconium, manganese, nickel, cobalt, or cerium. 界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤であり、ピロリドン基を有するポリマーであることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質膜。  The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the surfactant is a nonionic surfactant and is a polymer having a pyrrolidone group. スルホン酸基を有する重合体、金属酸化物粒子、および溶媒を含み、
該金属酸化物粒子が、ノニオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤から選ばれる少なくとも1種の存在下で、金属化合物を酸化させて得られたものであり、
前記金属酸化物粒子を、前記重合体ならびに前記金属酸化物粒子の全体に対して0.01〜30重量%含み、
金属酸化物粒子が、アルミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、亜鉛、スズ、鉄、ビスマス、マグネシウム、イットリウム、鉛、マンガン、ゲルマニウム、銅、インジウム、ベリリウム、ネオジム、ランタン、ニオブ、タンタル、ニッケル、コバルト、ガリウム、セリウム、モリブデン、タングステンから選ばれる金属の酸化物およびこれらの複合酸化物の少なくとも1種である
ことを特徴とする液状組成物。
Including a polymer having sulfonic acid groups, metal oxide particles, and a solvent;
The metal oxide particles are obtained by oxidizing a metal compound in the presence of at least one selected from a nonionic surfactant and an anionic surfactant,
The metal oxide particles are included in an amount of 0.01 to 30% by weight based on the whole of the polymer and the metal oxide particles,
Metal oxide particles are aluminum, silicon, titanium, zirconium, zinc, tin, iron, bismuth, magnesium, yttrium, lead, manganese, germanium, copper, indium, beryllium, neodymium, lanthanum, niobium, tantalum, nickel, cobalt, A liquid composition comprising at least one of an oxide of a metal selected from gallium, cerium, molybdenum, and tungsten and a composite oxide thereof.
金属酸化物粒子の数平均一次粒子径が1nm〜20nmであって、数平均二次粒子径が30nm〜200nmであることを特徴とする請求項5に記載の液状組成物。 6. The liquid composition according to claim 5, wherein the metal oxide particles have a number average primary particle diameter of 1 nm to 20 nm and a number average secondary particle diameter of 30 nm to 200 nm . 界面活性剤が、ノニオン性界面活性剤であり、ピロリドン基を有するポリマーであることを特徴とする請求項5または6に記載の液状組成物。 The liquid composition according to claim 5 or 6, wherein the surfactant is a nonionic surfactant and is a polymer having a pyrrolidone group . 請求項5〜7のいずれかに記載の液状組成物の製造方法であって、
溶媒中でスルホン酸基を有する重合体と金属酸化物を混合して得ることを特徴とする液状組成物の製造方法。
A method for producing a liquid composition according to any one of claims 5 to 7,
A method for producing a liquid composition, which is obtained by mixing a polymer having a sulfonic acid group and a metal oxide in a solvent.
請求項5〜7のいずれかに記載の液状組成物をキャスト製膜することを特徴とする固体高分子電解質膜の製造方法。   A method for producing a solid polymer electrolyte membrane, comprising casting the liquid composition according to claim 5. 請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に接して、触媒層とガス拡散層とを有することを特徴とする膜−電極接合体。   5. A membrane-electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 and a catalyst layer and a gas diffusion layer in contact with both sides of the solid polymer electrolyte membrane. 請求項10に記載の膜−電極接合体を有する固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 10.
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