JP5792018B2 - Polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に有用な高分子電解質膜、膜−電極接合体、及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell useful for a polymer electrolyte fuel cell.

近年、効率の高い発電システムとして燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質の種類によって、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、リン酸型、固体高分子型等に分類される。これらのうち、高分子電解質膜を電極(アノード及びカソード)で挟んだ構造からなり、アノードに還元剤からなる燃料を、カソードに酸化剤を、供給することにより発電する固体高分子型燃料電池は、低温作動性、小型軽量化等の観点から、自動車用電源やポータブル機器電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭用コージェネレーションシステム等への適用が検討されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient power generation systems. Fuel cells are classified into molten carbonate type, solid oxide type, phosphoric acid type, solid polymer type, etc., depending on the type of electrolyte. Among these, a polymer electrolyte membrane having a structure in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between electrodes (anode and cathode), and generating electricity by supplying a fuel made of a reducing agent to the anode and an oxidant to the cathode, From the viewpoints of low temperature operability, reduction in size and weight, etc., application to automobile power supplies, portable equipment power supplies, and household cogeneration systems that simultaneously use electricity and heat are being studied.

そこで、固体高分子型燃料電池用に好適な種々の高分子電解質膜が提案されている。
例えば、イオン伝導性基を有する芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を所定の比率で含むブロック共重合体を主成分とする、25℃、引張速度500mm/min.の条件での引張試験における100%モジュラスが15MPa以下であり、破断強さが15MPa以上であり、かつ破断伸びが300%以上である高分子電解質膜が提案されている(特許文献1参照)。かかる高分子電解質膜は電極との接合性が高い。
Accordingly, various polymer electrolyte membranes suitable for solid polymer fuel cells have been proposed.
For example, the main component is a block copolymer containing a polymer block (A) composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound having an ion conductive group and a flexible polymer block (B) in a predetermined ratio. 25 ° C., tensile speed 500 mm / min. There has been proposed a polymer electrolyte membrane having a 100% modulus in a tensile test under the conditions of 15 MPa or less, a breaking strength of 15 MPa or more, and a breaking elongation of 300% or more (see Patent Document 1). Such a polymer electrolyte membrane has high bondability with an electrode.

特開2010−67526号公報JP 2010-67526 A

固体高分子型燃料電池の内部は、起動中は高湿度雰囲気に、停止中は低湿度雰囲気になる。固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質膜は、高湿度雰囲気では膨潤し、低湿度雰囲気では収縮している。近年、固体高分子型燃料電池の利用が期待されている自動車用途においては、固体高分子型燃料電池は頻繁に起動と停止が繰り返される。このため高分子電解質膜には、固体高分子型燃料電池の起動及び停止の繰り返しに伴う、膜の破断に対する耐久性(以下、単に「耐久性」と称する)が求められている。
一方、起動時に速やかに発電を開始する上では、高分子電解質膜は低湿度雰囲気においてイオン伝導性に優れる必要がある。イオン伝導性を高める手段としては高分子電解質膜中のイオン伝導性基の含有率(イオン交換容量)を高めることが一般的である。しかしながら、高分子電解質膜中のイオン交換容量を高めるにしたがって、耐久性は低下する傾向となる。かかる観点からは特許文献1で開示された高分子電解質膜は、なお改良の余地があった。
The interior of the polymer electrolyte fuel cell is in a high humidity atmosphere during startup and in a low humidity atmosphere during shutdown. A polymer electrolyte membrane used for a polymer electrolyte fuel cell swells in a high humidity atmosphere and contracts in a low humidity atmosphere. In recent years, in polymer applications where the use of polymer electrolyte fuel cells is expected, the polymer electrolyte fuel cells are frequently started and stopped repeatedly. For this reason, the polymer electrolyte membrane is required to have durability against membrane breakage (hereinafter simply referred to as “durability”) as the polymer electrolyte fuel cell is repeatedly started and stopped.
On the other hand, in order to quickly start power generation at the time of startup, the polymer electrolyte membrane needs to be excellent in ion conductivity in a low humidity atmosphere. As a means for increasing ion conductivity, it is common to increase the content (ion exchange capacity) of ion conductive groups in the polymer electrolyte membrane. However, the durability tends to decrease as the ion exchange capacity in the polymer electrolyte membrane is increased. From this point of view, the polymer electrolyte membrane disclosed in Patent Document 1 still has room for improvement.

したがって、本発明の目的は耐久性と低湿度雰囲気下での高いイオン伝導性とを兼ね備えた高分子電解質膜;該高分子電解質膜を備える膜−電極接合体;該膜−電極接合体を備える固体高分子型燃料電池を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane having both durability and high ion conductivity in a low humidity atmosphere; a membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane; and the membrane-electrode assembly. The object is to provide a polymer electrolyte fuel cell.

本発明によれば、上記の目的は、
[1]イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)、イオン伝導性基を有さない非晶性オレフィン重合体ブロック(B)、及びイオン伝導性基を有さない下記一般式(a)で示される芳香族ビニル化合物に由来する構造単位の繰り返し単位からなる芳香族ビニル化合物重合体ブロック(C)からなる7または8個の重合体ブロックからなり、前記重合体ブロック(A)又は重合体ブロック(C)を末端重合体ブロックとし、前記重合体ブロック(B)の両端に結合する重合体ブロックが重合体ブロック(C)のみであるブロック共重合体(Z)の、前記重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入した構造からなり、25℃、相対湿度50%、引張速度500mm/min.における破断伸びが300%以上であるブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜;
]前記イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)が、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックである、上記[1]の高分子電解質膜;
]前記イオン伝導性基が、−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で示される基である上記[1]又は[2]のいずれかの高分子電解質膜;
]前記重合体ブロック(B)が、軟化温度30℃以下の非晶性オレフィン重合体ブロックである上記[1]〜[]のいずれかの高分子電解質膜;
]上記[1]〜[]のいずれかの高分子電解質膜を備える膜−電極接合体;及び
]上記[]の膜−電極接合体を備える固体高分子型燃料電池
を提供することによって達成される。
According to the present invention, the above object is
[1] A polymer block (A 0 ) having no ion conductive group, an amorphous olefin polymer block (B) having no ion conductive group, and the following general formula having no ion conductive group The polymer block (A 0 ) is composed of 7 or 8 polymer blocks composed of an aromatic vinyl compound polymer block (C) composed of repeating units of structural units derived from the aromatic vinyl compound represented by (a). ) Or the polymer block (C) as a terminal polymer block, and the polymer block (Z 0 ) in which the polymer block bonded to both ends of the polymer block (B) is only the polymer block (C), It has a structure in which an ion conductive group is introduced into the polymer block (A 0 ), and has a temperature of 25 ° C., a relative humidity of 50%, and a tensile speed of 500 mm / min. A polymer electrolyte membrane containing a block copolymer (Z) having an elongation at break of 300% or more;
[ 2 ] The polymer electrolyte membrane according to [1], wherein the polymer block (A 0 ) having no ion conductive group is a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound;
[3] The ion-conducting group is, -SO 3 M or -PO 3 HM (wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) above is a group represented by [1] or [2 any of the polymer electrolyte membrane];
[ 4 ] The polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [ 3 ], wherein the polymer block (B) is an amorphous olefin polymer block having a softening temperature of 30 ° C. or lower;
[ 5 ] A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [ 4 ]; and [ 6 ] a solid polymer fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to [ 5 ]. Achieved by providing.

Figure 0005792018

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立して水素原子又は炭素数3〜8のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも1つは炭素数3〜8のアルキル基を表す)
Figure 0005792018

Wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and R 2 to R At least one of 4 represents an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms)

本発明によれば耐久性及び低湿度雰囲気下でのイオン伝導性に優れる高分子電解質膜;該高分子電解質膜を備える膜−電極接合体;および該膜−電極接合体を備える固体高分子型燃料電池を提供できる。   According to the present invention, a polymer electrolyte membrane excellent in durability and ion conductivity in a low-humidity atmosphere; a membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane; and a solid polymer type comprising the membrane-electrode assembly A fuel cell can be provided.

[ブロック共重合体]
本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体(Z)は、イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)(以下、単に「重合体ブロック(A)」と称する場合がある)、イオン伝導性基を有さない非晶性オレフィン重合体ブロック(B)(以下、単に「重合体ブロック(B)」と称する場合がある)、及びイオン伝導性基を有さない芳香族ビニル化合物重合体ブロック(C)(以下、単に「重合体ブロック(C)」と称する場合がある)からなる7または8個の重合体ブロックからなり、重合体ブロック(A)又は重合体ブロック(C)を末端重合体ブロックとし、前記重合体ブロック(B)の両端に結合する重合体ブロックが重合体ブロック(C)のみであるブロック共重合体(Z)の重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入し重合体ブロック(A)とした構造からなる。
[Block copolymer]
The block copolymer (Z) constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer block (A 0 ) having no ion conductive group (hereinafter simply referred to as “polymer block (A 0 )”). ), An amorphous olefin polymer block (B) having no ion conductive group (hereinafter, sometimes simply referred to as “polymer block (B)”), and having no ion conductive group It consists of 7 or 8 polymer blocks consisting of an aromatic vinyl compound polymer block (C) (hereinafter sometimes simply referred to as “polymer block (C)”), and the polymer block (A 0 ) A polymer block of a block copolymer (Z 0 ) in which the polymer block (C) is a terminal polymer block and the polymer block bonded to both ends of the polymer block (B) is only the polymer block (C) ( A 0 ) It has a structure in which an on conductive group is introduced to form a polymer block (A).

なお、ここで便宜的に重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)、重合体ブロック(C)について上記したが、重合体ブロック(A)は重合体ブロック(B)または重合体ブロック(C)と構造上区別できず、イオン伝導性基を導入して重合体ブロック(A)となる重合体ブロックが重合体ブロック(A)である。すなわちブロック共重合体(Z)は、重合体ブロック(A)又は重合体ブロック(C)を末端重合体ブロックとし、前記重合体ブロック(B)の両端に結合する重合体ブロックが重合体ブロック(C)のみであるブロック共重合体(Z)のブロック共重合体(A)が有するイオン伝導性基を水素に置換して重合体ブロック(A)とした構造からなる。 Here, for convenience, the polymer block (A 0 ), the polymer block (B), and the polymer block (C) are described above. However, the polymer block (A 0 ) is the polymer block (B) or the polymer. The polymer block (A 0 ) is indistinguishable from the block (C) in terms of structure, and a polymer block that becomes an polymer block (A) by introducing an ion conductive group is a polymer block (A 0 ). That is, the block copolymer (Z 0 ) has the polymer block (A) or the polymer block (C) as a terminal polymer block, and the polymer block bonded to both ends of the polymer block (B) is a polymer block. The block copolymer (A) of the block copolymer (Z) that is only (C) has a structure in which the ion conductive group of the block copolymer (A) is replaced with hydrogen to form a polymer block (A 0 ).

該ブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜の耐久性の観点から、ブロック共重合体(Z)の25℃、相対湿度50%、引張速度500mm/min.における破断伸びは300%以上であり、350〜1000%の範囲であることが好ましく、400〜800%の範囲であることがより好ましい。
ここで破断伸びは、ブロック共重合体(Z)より厚さ30μmの膜を作製し、ダンベル状の試験片を打ち抜いて、25℃、相対湿度50%の条件で調湿したものを、引張試験機により、25℃、相対湿度50%、引張速度500mm/min.の条件にて測定する。上記膜は、ブロック共重合体(Z)を適当な溶媒に溶解させた溶液を離型フィルム上に塗布し、溶媒を乾燥除去したのち、離型フィルムから剥離することで得られる。
From the viewpoint of durability of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (Z), the block copolymer (Z) has a temperature of 25 ° C., a relative humidity of 50%, and a tensile speed of 500 mm / min. The elongation at break is 300% or more, preferably in the range of 350 to 1000%, and more preferably in the range of 400 to 800%.
Here, the elongation at break was determined by preparing a film having a thickness of 30 μm from the block copolymer (Z), punching out a dumbbell-shaped test piece, and adjusting the humidity under conditions of 25 ° C. and 50% relative humidity. Machine, 25 ° C., relative humidity 50%, tensile speed 500 mm / min. Measure under the following conditions. The film can be obtained by applying a solution obtained by dissolving the block copolymer (Z) in an appropriate solvent on the release film, drying and removing the solvent, and then removing the solvent from the release film.

ブロック共重合体(Z)の数平均分子量は、標準ポリスチレン換算の数平均分子量として、11,000〜500,000が好ましく、14,000〜450,000がより好ましく、17,000〜350,000がさらに好ましく、20,000〜300,000が特に好ましい。 The number average molecular weight of the block copolymer (Z 0 ) is preferably 11,000 to 500,000, more preferably 14,000 to 450,000, and more preferably 17,000 to 350,000 as the number average molecular weight in terms of standard polystyrene. 000 is more preferable, and 20,000 to 300,000 is particularly preferable.

ブロック共重合体(Z)は、イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)15〜45質量%と、イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(B)15〜35質量%と、イオン伝導性を有さない重合体ブロック(C)35〜55質量%とからなることが好ましい。 The block copolymer (Z 0 ) is 15 to 45% by mass of a polymer block (A 0 ) having no ion conductive group and 15 to 35% by mass of a polymer block (B) having no ion conductive group. % And polymer block (C) having no ion conductivity of 35 to 55% by mass.

ブロック共重合体(Z)において、重合体ブロック(A)の総量と重合体ブロック(C)の総量との質量比(A:C)は、80:20〜10:90であるのが好ましく、75:25〜15:85であるのがより好ましく、65:35〜20:80であるのがさらに好ましい。重合体ブロック(C)の質量比が小さくなりすぎると、乾燥時、及び湿潤時の強度を保持しにくくなる。また、前記重合体ブロック(A)の質量比が小さくなりすぎると、該重合体ブロックに導入されるイオン伝導性基の量が少なくなり、かかるブロック共重合体(Z)から得られるブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜はイオン伝導性が低くなる傾向がある。 In the block copolymer (Z 0 ), the mass ratio (A 0 : C) of the total amount of the polymer block (A 0 ) and the total amount of the polymer block (C) is 80:20 to 10:90. Is more preferable, 75:25 to 15:85 is more preferable, and 65:35 to 20:80 is still more preferable. When the mass ratio of the polymer block (C) becomes too small, it becomes difficult to maintain the strength during drying and wetting. Further, if the mass ratio of the polymer block (A 0 ) becomes too small, the amount of ion conductive groups introduced into the polymer block decreases, and the block obtained from the block copolymer (Z 0 ) The polymer electrolyte membrane containing the copolymer (Z) tends to have low ionic conductivity.

ブロック共重合体(Z)において、重合体ブロック(B)の総量と重合体ブロック(C)の総量との質量比(B:C)は、85:15〜5:95であるのが好ましく、75:25〜10:90であるのがより好ましく、70:30〜12:88であるのがさらに好ましい。(B:C)が上記範囲であれば、かかるブロック共重合体(Z)から得られるブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜は、形状保持性、強靭性に優れる。 In the block copolymer (Z 0 ), the mass ratio (B: C) of the total amount of the polymer block (B) and the total amount of the polymer block (C) is preferably 85:15 to 5:95. 75:25 to 10:90 is more preferable, and 70:30 to 12:88 is more preferable. When (B: C) is in the above range, the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (Z) obtained from the block copolymer (Z 0 ) is excellent in shape retention and toughness.

ブロック共重合体(Z)は、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)、及び重合体ブロック(C)からなる7または8個の重合体ブロックからなり、重合体ブロック(A)又は重合体ブロック(C)を末端ブロックとし、重合体ブロック(B)の両端に結合する重合体ブロックが重合体ブロック(C)のみである構造からなる。
ブロック共重合体(Z)はブロック共重合体(Z)の重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入した構造からなり、重合体ブロック(A)は重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入した構造からなる重合体ブロックである。
The block copolymer (Z) is composed of 7 or 8 polymer blocks comprising the polymer block (A), the polymer block (B), and the polymer block (C), and the polymer block (A) or The polymer block (C) is a terminal block, and the polymer block bonded to both ends of the polymer block (B) is composed of only the polymer block (C).
The block copolymer (Z) has a structure in which an ion conductive group is introduced into the polymer block (A 0 ) of the block copolymer (Z 0 ), and the polymer block (A) is a polymer block (A 0 ). It is a polymer block having a structure in which an ion conductive group is introduced.

イオン伝導性基の導入量は、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として使用するのに十分なイオン伝導性を発現するために、通常、ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量が0.80meq/g以上となる量が好ましく、1.30meq/g以上となる量がより好ましく、1.40meq/g以上となる量がさらに好ましく、1.80meq/g以上となる量が特に好ましい。一方、高分子電解質膜の耐水性の観点から、ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量は4.00meq/g以下となる量が好ましく、3.60meq/g以下となる量がより好ましく、3.20meq/g以下となる量がさらに好ましい。   The amount of ion-conductive group introduced is usually the ion exchange capacity of the block copolymer (Z) in order to exhibit sufficient ion conductivity for use as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. Is preferably 0.80 meq / g or more, more preferably 1.30 meq / g or more, still more preferably 1.40 meq / g or more, and particularly preferably 1.80 meq / g or more. preferable. On the other hand, from the viewpoint of water resistance of the polymer electrolyte membrane, the ion exchange capacity of the block copolymer (Z) is preferably 4.00 meq / g or less, more preferably 3.60 meq / g or less. The amount that is 3.20 meq / g or less is more preferable.

ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量は、酸塩基滴定法を用いて算出することができる。   The ion exchange capacity of the block copolymer (Z) can be calculated using an acid-base titration method.

ブロック共重合体(Z)において、重合体ブロック(B)は、ブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜の弾力性、柔軟性を担う相として機能する。ブロック共重合体(Z)においては、重合体ブロック(B)の両端が、拘束相として機能する重合体ブロック(C)と結合している。すなわち、ブロック共重合体(Z)中に(C)−(B)−(C)のブロック結合を有しており、この結果、湿潤時の機械強度の低下が抑制され、破断伸びが向上し、さらに耐熱性が向上すると推定される。   In the block copolymer (Z), the polymer block (B) functions as a phase responsible for the elasticity and flexibility of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (Z). In the block copolymer (Z), both ends of the polymer block (B) are bonded to the polymer block (C) functioning as a constraining phase. That is, the block copolymer (Z) has a block bond of (C)-(B)-(C). As a result, a decrease in mechanical strength when wet is suppressed, and the elongation at break is improved. It is estimated that the heat resistance is further improved.

一方、一般に重合体ブロック(α)と重合体ブロック(γ)とが重合体ブロック(β)を間に挟むα−β−γ型ブロック共重合体は、重合体ブロック(α)と重合体ブロック(γ)がそれぞれ他のポリマーとドメインを形成し、重合体ブロック(β)を挟むブリッジ構造を形成することで力学強度を発現する(この際、重合体ブロック(β)がとる鎖の形態をブリッジ鎖と呼ぶ)。一方、ブロック共重合体がループ構造を形成して重合体ブロック(α)と重合体ブロック(γ)が同じドメインを形成し、ループ構造を形成すると、前記ブリッジ構造の比率が低下するので力学強度が低下する。すなわちループ構造を低減し、ブリッジ構造を増やすことで力学強度を高めることができる。
ブロック共重合体(Z)は、(A)−(C)−(B)−のブロック結合を有するので、ブリッジ構造のみとなり、重合体ブロック(C)がブリッジ鎖を形成する。このことからブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜は力学強度が向上すると推定される。
On the other hand, in general, an α-β-γ type block copolymer in which a polymer block (α) and a polymer block (γ) sandwich a polymer block (β) is formed between a polymer block (α) and a polymer block. Each (γ) forms a domain with another polymer and forms a bridge structure sandwiching the polymer block (β) to express mechanical strength (in this case, the form of the chain taken by the polymer block (β) Called the bridge chain). On the other hand, when the block copolymer forms a loop structure and the polymer block (α) and the polymer block (γ) form the same domain, and the loop structure is formed, the ratio of the bridge structure decreases, so the mechanical strength Decreases. That is, the mechanical strength can be increased by reducing the loop structure and increasing the bridge structure.
Since the block copolymer (Z) has a block bond of (A)-(C)-(B)-, only the bridge structure is formed, and the polymer block (C) forms a bridge chain. From this, it is presumed that the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (Z) is improved.

ブロック共重合体(Z)が7個の重合体ブロックにより構成される場合、重合体ブロックの結合様式としては、A−C−A−C−B−C−A、A−C−B−C−B−C−A、C−A−C−B−C−A−C、C−A−C−A−C−B−C、C−B−C−A−C−B−C、C−B−C−B−C−A−C等が挙げられるが、高分子電解質膜が膨潤したときの破膜を抑制する観点から、重合体ブロック(A)の両端が、拘束相として機能する重合体ブロック(C)と結合した構造を有するC−A−C−B−C−A−C、C−A−C−A−C−B−C、C−B−C−A−C−B−C、C−B−C−B−C−A−Cが好ましく、C−A−C−B−C−A−C、C−A−C−A−C−B−Cがより好ましく、製膜性の観点からC−A−C−B−C−A−Cがさらに好ましい。   When the block copolymer (Z) is composed of seven polymer blocks, the bonding mode of the polymer block includes A-C-A-C-B-C-A, A-C-B-C -B-C-A, C-A-C-B-C-A-C, C-A-C-A-C-B-C, C-B-C-A-C-B-C, C -B-C-B-C-A-C and the like are mentioned, but from the viewpoint of suppressing membrane breakage when the polymer electrolyte membrane swells, both ends of the polymer block (A) function as a constraining phase. C-A-C-B-C-A-C, C-A-C-A-C-B-C, and C-B-C-A-C- having structures linked to the polymer block (C) B-C and C-B-C-B-C-A-C are preferable, and C-A-C-B-C-A-C and C-A-C-A-C-B-C are more preferable. From the viewpoint of film forming properties, C-A-C-B-C-A-C Preferred in La.

ブロック共重合体(Z)が8個の重合体ブロックにより構成される場合、末端重合体ブロックの少なくとも一方が重合体ブロック(A)であることで、高分子電解質膜のイオン伝導性を向上させる観点から有利となる。また、後述する、本発明のブロック共重合体(Z)と溶媒または分散媒を含む塗工液を調製する際、該塗工液が水を分散媒とする乳化液である場合に塗工液の乳化安定性が高くなると考えられる。重合体ブロックの結合様式の具体例としては、A−C−B−C−A−C−A−C、A−C−A−C−A−C−B−C、A−C−A−C−B−C−A−C、A−C−B−C−B−C−A−C、A−C−B−C−A−C−B−C、A−C−A−C−B−C−B−C、A−C−B−C−B−C−B−C等が挙げられるが、イオン伝導度、湿潤時の機械強度、製膜性などの観点から、A−C−A−C−B−C−A−Cが好ましい。   When the block copolymer (Z) is composed of eight polymer blocks, at least one of the terminal polymer blocks is the polymer block (A), thereby improving the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane. It is advantageous from the viewpoint. Further, when preparing a coating liquid containing the block copolymer (Z) of the present invention and a solvent or a dispersion medium, which will be described later, the coating liquid is an emulsion liquid containing water as a dispersion medium. It is thought that the emulsification stability of the is increased. Specific examples of the bonding mode of the polymer block include A-C-B-C-A-C-A-C, A-C-A-C-A-C-B-C, and A-C-A- C-B-C-A-C, A-C-B-C-B-C-A-C, A-C-B-C-A-C-B-C, A-C-A-C- B-C-B-C, A-C-B-C-B-C-B-C, etc. are mentioned, but from the viewpoint of ionic conductivity, mechanical strength when wet, film forming property, etc., A-C -A-C-B-C-A-C is preferred.

ブロック共重合体(Z)は、1種を単独で用いても複数種を併用してもよい。   A block copolymer (Z) may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.

(重合体ブロック(A))
ブロック共重合体(Z)を構成する重合体ブロック(A)は、重合体ブロック(B)と極性、構造が異なり、重合体ブロック(C)とは極性が異なるので、ミクロ相分離が起こりやすい。重合体ブロック(A)は、重合体ブロック(B)および重合体ブロック(C)とミクロ相分離した状態で、イオンチャンネルを形成するため、ブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜のイオン伝導性を高める上で有利となると推定している。
(Polymer block (A))
The polymer block (A) constituting the block copolymer (Z) is different in polarity and structure from the polymer block (B) and is different in polarity from the polymer block (C), so microphase separation is likely to occur. . The polymer block (A) is a polymer electrolyte membrane containing a block copolymer (Z) in order to form an ion channel in a state of microphase separation with the polymer block (B) and the polymer block (C). It is presumed that it is advantageous in increasing the ionic conductivity.

重合体ブロック(A)は、ブロック共重合体(Z)におけるイオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)に、イオン伝導性基を導入した構造を有する。ブロック共重合体(Z)は、後述するように、例えば、イオン伝導性基を有さない特定のブロック共重合体(Z)を製造した後に、該ブロック共重合体(Z)における重合体ブロック(A)に変換すべき位置にある重合体ブロック(A)に選択的にイオン伝導性基を導入することで製造できる。
重合体ブロック(A)としては、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロック、ポリカーボネートブロック、ポリアミドブロック、ポリイミドブロック、ポリ尿素ブロック、ポリスルホンブロック、ポリスルホネートブロック、ポリベンゾオキサゾールブロック、ポリベンゾチアゾールブロック、ポリフェニルキノキサリンブロック、ポリキノリンブロック、ポリトリアジンブロック、ポリアクリレートブロック、ポリメタクリレートブロック等の重合体ブロックが挙げられる。中でも、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロックから選ばれる重合体ブロックが好ましく、製造が容易である観点から、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックがより好ましい。
The polymer block (A) has a structure in which an ion conductive group is introduced into a polymer block (A 0 ) having no ion conductive group in the block copolymer (Z 0 ). As described later, the block copolymer (Z) is prepared by, for example, producing a specific block copolymer (Z 0 ) having no ion-conductive group, and then producing a heavy polymer in the block copolymer (Z 0 ). It can be prepared by selectively introducing ion-conducting groups on polymer block in the position to be converted into polymer block (a) (a 0).
As the polymer block (A 0 ), a polymer block comprising a structural unit derived from an aromatic vinyl compound, a polyetherketone block, a polysulfide block, a polyphosphazene block, a polyphenylene block, a polybenzimidazole block, a polyethersulfone block, Polyphenylene oxide block, polycarbonate block, polyamide block, polyimide block, polyurea block, polysulfone block, polysulfonate block, polybenzoxazole block, polybenzothiazole block, polyphenylquinoxaline block, polyquinoline block, polytriazine block, polyacrylate block And polymer blocks such as polymethacrylate blocks. Among them, polymers selected from polymer blocks composed of structural units derived from aromatic vinyl compounds, polyether ketone blocks, polysulfide blocks, polyphosphazene blocks, polyphenylene blocks, polybenzimidazole blocks, polyethersulfone blocks, and polyphenylene oxide blocks. From the viewpoint that the block is preferable and easy to produce, a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound is more preferable.

上記の芳香族ビニル化合物に由来する構造単位が有する芳香環は炭素環式芳香環であるのが好ましく、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等が挙げられる。   The aromatic ring contained in the structural unit derived from the aromatic vinyl compound is preferably a carbocyclic aromatic ring, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, and a pyrene ring.

上記芳香族ビニル化合物の具体例として、スチレン、α−メチルスチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,5−ジメチルスチレン、3,5−ジメチルスチレン、2−メトキシスチレン、3−メトキシスチレン、4−メトキシスチレン、ビニルビフェニル、ビニルターフェニル、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、4−フェノキシスチレン等が挙げられる。これら芳香族ビニル化合物は、1種を単独で用いても複数種を併用してもよい。   Specific examples of the aromatic vinyl compound include styrene, α-methylstyrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 2,4-dimethylstyrene, and 2,5-dimethylstyrene. 3,5-dimethylstyrene, 2-methoxystyrene, 3-methoxystyrene, 4-methoxystyrene, vinylbiphenyl, vinylterphenyl, vinylnaphthalene, vinylanthracene, 4-phenoxystyrene, and the like. These aromatic vinyl compounds may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.

かかる芳香族ビニル化合物を1種のみ単独で用いる場合、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルビフェニル、1,1−ジフェニルエチレンのいずれかを用いることが好ましく、複数種併用する場合には、スチレン、α−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレンからなる群から複数種を選択することが好ましい。これら複数種の芳香族ビニル化合物を併用する場合、ランダム共重合によって重合体ブロック(A)を形成していることが好ましい。 When only one kind of the aromatic vinyl compound is used alone, it is preferable to use any one of styrene, α-methylstyrene, vinylbiphenyl, and 1,1-diphenylethylene. It is preferable to select a plurality of types from the group consisting of -methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-2-methylstyrene. In the case where these plural kinds of aromatic vinyl compounds are used in combination, the polymer block (A 0 ) is preferably formed by random copolymerization.

かかる芳香族ビニル化合物の芳香環上には、イオン伝導性基を導入する反応を阻害する置換基がないことが望ましい。例えば、該芳香環がベンゼン環である場合、該ベンゼン環上の水素(特に4位の水素)がアルキル基(特に炭素数3以上のアルキル基)等で置換されていると、イオン伝導性基の導入が困難な場合があるので、該芳香環は他の置換基を有さないか、アリール基等の、それ自体がイオン伝導性基を導入可能な置換基を有していることが好ましい。また、イオン伝導性基の導入容易性、イオン伝導性基の高密度化等の観点から、上記の芳香族ビニル化合物の中でも、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルビフェニルなどの炭素数8〜15の芳香族ビニル化合物がより好ましい。   It is desirable that the aromatic ring of such an aromatic vinyl compound has no substituent that inhibits the reaction for introducing an ion conductive group. For example, when the aromatic ring is a benzene ring, if the hydrogen (particularly hydrogen at the 4-position) on the benzene ring is substituted with an alkyl group (particularly an alkyl group having 3 or more carbon atoms) or the like, an ion conductive group Therefore, it is preferable that the aromatic ring does not have other substituents, or has a substituent capable of introducing an ion conductive group, such as an aryl group. . Also, from the viewpoint of easy introduction of ion conductive groups, high density of ion conductive groups, etc., among the above aromatic vinyl compounds, those having 8 to 15 carbon atoms such as styrene, α-methylstyrene, vinyl biphenyl and the like. Aromatic vinyl compounds are more preferred.

また、上記の芳香族ビニル化合物は、そのビニル基上の水素原子のうち、芳香環のα−位の炭素原子(α−炭素原子)に結合した水素原子が他の置換基で置換され、α−炭素原子が4級炭素原子である構造のものでもよい。α−炭素原子に結合した水素原子が置換されていてもよい置換基としては、例えば、炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、またはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)、フェニル基などが挙げられる。具体例として、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレン、1,1−ジフェニルエチレンが好ましい。   In the aromatic vinyl compound, among the hydrogen atoms on the vinyl group, the hydrogen atom bonded to the α-position carbon atom (α-carbon atom) of the aromatic ring is substituted with another substituent, and α -The structure in which a carbon atom is a quaternary carbon atom may be used. Examples of the substituent in which the hydrogen atom bonded to the α-carbon atom may be substituted include, for example, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group). , An isobutyl group, a sec-butyl group, or a tert-butyl group), a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.), a phenyl group, and the like. As specific examples, α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-4-ethylstyrene, α-methyl-2-methylstyrene, and 1,1-diphenylethylene are preferable.

重合体ブロック(A)が芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックである場合、本発明の効果を損なわない範囲で、他の単量体に由来する構造単位を含有していてもよい。かかる他の単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役ジエン(ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等)、炭素数2〜8のアルケン(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。上記単量体と芳香族ビニル化合物とは、ランダム共重合によって重合体ブロック(A)を形成していることが好ましい。上記他の単量体に由来する構造単位の含有率は、重合体ブロック(A)を構成する構造単位の5モル%以下であることが好ましい。 When the polymer block (A 0 ) is a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound, the polymer block (A 0 ) contains a structural unit derived from another monomer as long as the effects of the present invention are not impaired. May be. Examples of such other monomers include conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3. -Butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, etc.), C2-C8 alkene (ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene) 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), (meth) acrylate (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, (meth) ) Butyl acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ether (methyl vinyl ether) Le, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. It is preferable that the monomer and the aromatic vinyl compound form a polymer block (A 0 ) by random copolymerization. It is preferable that the content rate of the structural unit derived from the said other monomer is 5 mol% or less of the structural unit which comprises a polymer block ( A0 ).

重合体ブロック(A)1つあたりの分子量は、標準ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、1,000〜100,000の範囲であるのが好ましく、2,000〜70,000の範囲であるのがより好ましく、3,000〜50,000の範囲であるのがさらに好ましく、4,000〜30,000の範囲であるのが特に好ましい。
かかる分子量がかかる分子量が1,000以上であれば、ミクロ相分離が起こりやすく、イオンチャンネルを形成しやすくなるためイオン伝導性が高くなり、また力学特性が優れる傾向となり、100,000以下であれば、高分子電解質膜の成形性、製膜性が良好となる。
The molecular weight per polymer block (A 0 ) is usually preferably in the range of 1,000 to 100,000 as the number average molecular weight in terms of standard polystyrene, and in the range of 2,000 to 70,000. More preferably, it is more preferably in the range of 3,000 to 50,000, and particularly preferably in the range of 4,000 to 30,000.
If the molecular weight is 1,000 or more, microphase separation is likely to occur, and ion channels are easily formed. Therefore, ion conductivity tends to be high, and mechanical properties tend to be excellent. For example, the moldability and film formability of the polymer electrolyte membrane are improved.

ブロック共重合体(Z)における重合体ブロック(A)は、イオン伝導性基を有する。なお、本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトン等が挙げられる。
イオン伝導性基としては、ブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜および膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できる基であればよく、例えばプロトン等のカチオンを伝導するイオン伝導性基として、−SOM、−POHM、−COM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で示されるスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基又はそれらの塩を用いることができ、特に高いカチオン伝導性を示す観点から、−SOM又は−POHM(式中、Mは前記定義のとおりである)で示されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好ましい。
The polymer block (A) in the block copolymer (Z) has an ion conductive group. In addition, a proton etc. are mentioned as an ion in the case of mentioning ion conductivity by this invention.
As the ion conductive group, any polymer electrolyte membrane and membrane-electrode assembly containing the block copolymer (Z) may be a group capable of exhibiting sufficient ionic conductivity. For example, a cation such as proton is conducted. as ion-conducting group, -SO 3 M, -PO 3 HM , -CO ( wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) 2 M sulfonic acid group represented by, a phosphonic acid group, a carboxyl A sulfonic acid group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein M is as defined above), from the viewpoint of exhibiting a particularly high cation conductivity. Phosphonic acid groups or their salts are preferred.

重合体ブロック(A)を構成する構造単位全てがイオン伝導性基を有する必要はなく、要求性能に応じて適宜イオン伝導性基の導入量を制御できる。重合体ブロック(A)中のイオン伝導性基の位置について特に制限はないが、通常、重合体ブロック(A)を構成する構造単位中にランダムに導入する。芳香環を有する構造単位の場合、イオンチャンネル形成を容易にする観点から、イオン伝導性基は芳香環上にあることが好ましい。また、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位の場合、芳香環上にイオン伝導性基があると、当該ブロック共重合体(Z)の耐ラジカル性が向上する。 It is not necessary for all the structural units constituting the polymer block (A) to have an ion conductive group, and the introduction amount of the ion conductive group can be appropriately controlled according to the required performance. Although there is no restriction | limiting in particular about the position of the ion conductive group in a polymer block (A), Usually, it introduce | transduces at random into the structural unit which comprises a polymer block ( A0 ). In the case of a structural unit having an aromatic ring, the ion conductive group is preferably on the aromatic ring from the viewpoint of facilitating ion channel formation. In the case of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound, if there is an ion conductive group on the aromatic ring, the radical resistance of the block copolymer (Z) is improved.

また、重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損なわない範囲内で公知の方法により架橋されていてもよい。重合体ブロック(A)が架橋されていることにより、形成するイオンチャンネル相が膨潤しにくくなり、高分子電解質膜中の構造が保持されやすく、性能が安定しやすい傾向にある。   The polymer block (A) may be crosslinked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. When the polymer block (A) is cross-linked, the ion channel phase to be formed does not easily swell, the structure in the polymer electrolyte membrane is easily maintained, and the performance tends to be stable.

(重合体ブロック(B))
ブロック共重合体(Z)を構成する重合体ブロック(B)は、イオン伝導性基を有さない非晶性オレフィン重合体ブロックである。ここで、非晶性オレフィン重合体ブロックとは、オレフィンに由来する構造単位からなる重合体ブロックであって、かつ非晶性のものを指す。非晶性については、動的粘弾性の測定で、結晶性オレフィン重合体由来の貯蔵弾性率の変化がないことによって確認できる。ブロック共重合体(Z)を用いた本発明の高分子電解質膜において重合体ブロック(B)は、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(C)とミクロ相分離が起こりやすく、使用温度域において弾力性を有し、かつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製にあたっては成形性(組立性、接合性、締付性等)に優れる。
(Polymer block (B))
The polymer block (B) constituting the block copolymer (Z) is an amorphous olefin polymer block having no ion conductive group. Here, the amorphous olefin polymer block is a polymer block composed of structural units derived from olefins and refers to an amorphous one. Amorphous property can be confirmed by the measurement of dynamic viscoelasticity by the absence of a change in storage elastic modulus derived from the crystalline olefin polymer. In the polymer electrolyte membrane of the present invention using the block copolymer (Z), the polymer block (B) is likely to undergo microphase separation with the polymer block (A) and the polymer block (C), and the operating temperature range. In the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell, it is excellent in moldability (assembling property, bonding property, tightening property, etc.).

重合体ブロック(B)の軟化温度は、50℃以下が好ましく、40℃以下がより好ましく、30℃以下がさらに好ましい。
重合体ブロック(B)を構成するオレフィンに由来する構造単位としては、例えば炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルカン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位などが挙げられる。これらは、1種が単独で存在しても複数種が存在してもよい。
The softening temperature of the polymer block (B) is preferably 50 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or lower, and further preferably 30 ° C. or lower.
Examples of the structural unit derived from the olefin constituting the polymer block (B) include alkene units having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkene units having 5 to 8 carbon atoms, vinylcycloalkane units having 7 to 10 carbon atoms, and carbon. Examples thereof include vinylcycloalkene units having 7 to 10 carbon atoms, conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms, and conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms. One of these may be present alone, or a plurality of these may be present.

上記オレフィンとしては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等の炭素数2〜8のアルケン;シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテン等の炭素数5〜8のシクロアルケン;ビニルシクロペンタン、ビニルシクロヘキサン、ビニルシクロヘプタン、ビニルシクロオクタン等炭素数7〜10のビニルシクロアルカン;ビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテン等の炭素数7〜10のビニルシクロアルケン;ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の炭素数4〜8の共役ジエン;シクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等の炭素数5〜8の共役シクロアルカジエンが挙げられる。これら単量体は、1種を単独で用いても複数種を併用してもよい。
複数種の単量体を併用する場合、これら単量体はランダム共重合して重合体ブロック(B)を形成していることが好ましい。
Examples of the olefin include ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene and 2-octene. C2-C8 alkene such as cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene and cyclooctene, etc. C5-C8 cycloalkene such as vinylcyclopentane, vinylcyclohexane, vinylcycloheptane and vinylcyclooctane Vinylcycloalkane; vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms such as vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, vinylcycloheptene, vinylcyclooctene; butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4- Hexadiene, 2, -Conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms such as dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene; 5-carbon atoms such as cyclopentadiene and 1,3-cyclohexadiene 8 conjugated cycloalkadienes. These monomers may be used individually by 1 type, or may use multiple types together.
When a plurality of types of monomers are used in combination, these monomers are preferably randomly copolymerized to form the polymer block (B).

重合体ブロック(B)を形成するための単量体が炭素−炭素二重結合を複数有する場合、そのいずれが重合に用いられてもよく、例えば、共役ジエンの場合には1,2−結合単位または1,4−結合単位のいずれの結合単位となってもよい。共役ジエンを重合して形成した重合体ブロックには通常、炭素−炭素二重結合が残るが、耐熱劣化性の向上等の観点から、重合後に水素添加反応(以下、「水添反応」と称する)を行い、かかる炭素−炭素二重結合を水素添加(以下、「水添」と称する)することが好ましい。かかる炭素−炭素二重結合の水素添加率(以下、「水添率」と称する)は30モル%以上が好ましく、50モル%以上がより好ましく、95モル%以上がさらに好ましい。このようにして重合体ブロック(B)中の炭素−炭素二重結合を低減させることで、高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
なお、炭素−炭素二重結合の水添率は、H−NMR測定によって算出できる。
When the monomer for forming the polymer block (B) has a plurality of carbon-carbon double bonds, any of them may be used for polymerization, for example, 1,2-bond in the case of a conjugated diene. It may be any unit of units or 1,4-bond units. A polymer block formed by polymerizing a conjugated diene usually retains a carbon-carbon double bond, but from the viewpoint of improving heat deterioration resistance, a hydrogenation reaction after polymerization (hereinafter referred to as “hydrogenation reaction”). The carbon-carbon double bond is preferably hydrogenated (hereinafter referred to as “hydrogenation”). The hydrogenation rate of such a carbon-carbon double bond (hereinafter referred to as “hydrogenation rate”) is preferably 30 mol% or more, more preferably 50 mol% or more, and further preferably 95 mol% or more. Thus, the deterioration of a polymer electrolyte membrane can be suppressed by reducing the carbon-carbon double bond in a polymer block (B).
The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by 1 H-NMR measurement.

重合体ブロック(B)は、ブロック共重合体(Z)を高分子電解質膜とした際に、使用温度領域において弾力性を有し、かつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製にあたって成形性(組立性、接合性、締付性等)に優れる観点から、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数3〜8のアルケン単位及び炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数4〜6のアルケン単位及び炭素数4〜6の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の構造単位からなる重合体ブロックであることがさらに好ましい。   When the block copolymer (Z) is used as a polymer electrolyte membrane, the polymer block (B) is elastic and flexible in the operating temperature range, and is a membrane-electrode assembly or solid polymer type. From the viewpoint of excellent formability (assembleability, bondability, tightenability, etc.) in the production of a fuel cell, an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, and a vinyl having 7 to 10 carbon atoms. The polymer block is preferably a polymer block comprising at least one structural unit selected from the group consisting of a cycloalkene unit, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms. It is more preferably a polymer block composed of at least one structural unit selected from 3 to 8 alkene units and conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms, and alkene units having 4 to 6 carbon atoms and More preferably a polymer block comprising at least one structural unit selected from the conjugated diene units of prime 4-6.

上記のうち、アルケン単位としてより一層好ましいのは、イソブテン単位、ブタジエン単位に基づく2種の構造単位(1−ブテン単位、2−ブテン単位)、イソプレン単位に基づく3種の構造単位(2−メチル−1−ブテン単位、3−メチル−1−ブテン単位、2−メチル−2−ブテン単位)であり、柔軟性の高さから、ブタジエン単位に基づく2種の構造単位(1−ブテン単位、2−ブテン単位)、又はイソプレン単位に基づく3種の構造単位(2−メチル−1−ブテン単位、3−メチル−1−ブテン単位、2−メチル−2−ブテン単位)が最も好ましい。共役ジエン単位として最も好ましいのはブタジエン単位、イソプレン単位である。
また、イオン伝導性基を有さないブロック共重合体(Z)を重合した後にイオン伝導性基を導入してブロック共重合体(Z)とする場合に、重合体ブロック(B)が飽和炭化水素構造であれば、重合体ブロック(B)にはイオン伝導性基が導入されにくいため好ましい。したがって、イオン伝導性基を有さないブロック共重合体(Z)を重合した後に重合体ブロック(B)に残存する炭素−炭素二重結合の水添反応を行う場合は、イオン伝導性基を導入する前に行うことが望ましい。
Of the above, more preferable as the alkene unit is an isobutene unit, two structural units based on a butadiene unit (1-butene unit, 2-butene unit), and three structural units based on an isoprene unit (2-methyl). -1-butene unit, 3-methyl-1-butene unit, 2-methyl-2-butene unit), and from the viewpoint of high flexibility, two structural units (1-butene unit, 2 -Butene unit) or three structural units based on isoprene units (2-methyl-1-butene unit, 3-methyl-1-butene unit, 2-methyl-2-butene unit) are most preferred. Most preferred as conjugated diene units are butadiene units and isoprene units.
Further, when a block copolymer (Z 0 ) having no ion conductive group is polymerized and then introduced into the block copolymer (Z) by introducing an ion conductive group, the polymer block (B) is saturated. A hydrocarbon structure is preferable because an ion conductive group is hardly introduced into the polymer block (B). Therefore, when the hydrogenation reaction of the carbon-carbon double bond remaining in the polymer block (B) after polymerizing the block copolymer (Z 0 ) having no ion conductive group is performed, the ion conductive group It is desirable to do it before introducing.

また、重合体ブロック(B)は、上記構造単位以外に、使用温度領域においてブロック共重合体(Z)に弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で他の単量体、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル化合物、塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等に由来する他の構造単位を含有してもよい。この場合、前述したオレフィンと、これら他の単量体とはランダム共重合して重合体ブロック(B)を形成していることが好ましい。これら他の単量体に由来する構造単位の含有率は、重合体ブロック(B)を構成する構造単位の5モル%以下であることが好ましい。   In addition to the structural unit, the polymer block (B) may have other single amounts within a range that does not impair the purpose of the polymer block (B) to impart elasticity to the block copolymer (Z) in the operating temperature range. For example, aromatic vinyl compounds such as styrene and vinyl naphthalene, halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride, vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.) ) Etc. may contain other structural units. In this case, it is preferable that the above-mentioned olefin and these other monomers are randomly copolymerized to form the polymer block (B). The content of structural units derived from these other monomers is preferably 5 mol% or less of the structural units constituting the polymer block (B).

重合体ブロック(B)1つあたりの分子量は、標準ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常5,000〜250,000の範囲であるのが好ましく、7,000〜150,000の範囲であるのがより好ましく、8,000〜100,000の範囲であるのがさらに好ましく、10,000〜70,000の範囲であるのが特に好ましい。   The molecular weight per polymer block (B) is usually preferably in the range of 5,000 to 250,000, and in the range of 7,000 to 150,000, as the number average molecular weight in terms of standard polystyrene. Is more preferable, and the range of 8,000 to 100,000 is more preferable, and the range of 10,000 to 70,000 is particularly preferable.

(重合体ブロック(C))
ブロック共重合体(Z)を構成する重合体ブロック(C)は、イオン伝導性基を有さない芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックである。重合体ブロック(C)は重合体ブロック(A)と極性が異なり、重合体ブロック(B)と構造が異なるので、ミクロ相分離が起こりやすい。重合体ブロック(C)は重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)とミクロ相分離した状態で、かつ軟化温度(すなわち該重合体ブロック(C)が独立して重合体となった場合の軟化温度)以下で使用した場合に拘束相として機能し、ブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜の耐久性を高める上で有利となると推定している。
(Polymer block (C))
The polymer block (C) constituting the block copolymer (Z) is a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound having no ion conductive group. The polymer block (C) has a polarity different from that of the polymer block (A) and a structure different from that of the polymer block (B), so that microphase separation is likely to occur. The polymer block (C) is in a microphase-separated state from the polymer block (A) and the polymer block (B), and the softening temperature (that is, the polymer block (C) becomes a polymer independently) It is presumed that it functions as a constraining phase when used at a temperature lower than that, which is advantageous in enhancing the durability of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (Z).

重合体ブロック(C)の軟化温度は、重合体ブロック(B)の軟化温度(重合体ブロック(B)が独立して重合体となった場合の軟化温度)と比べて20℃以上高いことが好ましく、幅広い使用温度域において拘束相として機能する観点から、重合体ブロック(B)の軟化温度と比べて40℃以上高いことがより好ましく、70℃以上高いことがさらに好ましい。
また、同様の観点から、重合体ブロック(C)の軟化温度は80℃以上であることが好ましく、90℃以上であることがより好ましく、100℃以上であることがさらに好ましい。
The softening temperature of the polymer block (C) may be 20 ° C. or more higher than the softening temperature of the polymer block (B) (softening temperature when the polymer block (B) independently becomes a polymer). Preferably, from the viewpoint of functioning as a constraining phase in a wide use temperature range, it is more preferably 40 ° C. or higher, and more preferably 70 ° C. or higher, compared to the softening temperature of the polymer block (B).
From the same viewpoint, the softening temperature of the polymer block (C) is preferably 80 ° C. or higher, more preferably 90 ° C. or higher, and further preferably 100 ° C. or higher.

重合体ブロック(C)としては、下記の一般式(a)   As the polymer block (C), the following general formula (a)

Figure 0005792018

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立して水素原子又は炭素数3〜8のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも1つは炭素数3〜8のアルキル基を表す)
で示される芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックが、合成が容易であり、かつ拘束相として機能するという観点から好ましい。また、イオン伝導性基を有さないブロック共重合体(Z)を重合した後に重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入する場合に、R〜Rが存在することで、重合体ブロック(C)へのイオン伝導性基の導入が妨げられる。さらに、該重合体ブロックの軟化温度が高くなるので、使用温度域を広くすることができる。
Figure 0005792018

Wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and R 2 to R At least one of 4 represents an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms)
A polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound represented by the formula (1) is preferred from the viewpoint of easy synthesis and functioning as a constraining phase. In addition, when an ion conductive group is introduced into the polymer block (A 0 ) after polymerizing the block copolymer (Z 0 ) having no ion conductive group, R 2 to R 4 are present. , Introduction of an ion conductive group into the polymer block (C) is hindered. Furthermore, since the softening temperature of the polymer block is increased, the operating temperature range can be widened.

上記一般式(a)で表される構造単位を形成するための芳香族ビニル化合物としては、4−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−tert−ブチルスチレン、4−オクチルスチレン、α−メチル−4−tert−ブチルスチレン、α−メチル−4−イソプロピルスチレン等が挙げられ、4−tert−ブチルスチレン、4−イソプロピルスチレン、α−メチル−4−tert−ブチルスチレン、及びα−メチル−イソプロピルスチレンがより好ましい。これらは1種を単独で用いても複数種を併用してもよい。上記芳香族ビニル化合物を複数種併用する場合、これらはランダム共重合して重合体ブロック(C)を形成していることが好ましい。   Examples of the aromatic vinyl compound for forming the structural unit represented by the general formula (a) include 4-propylstyrene, 4-isopropylstyrene, 4-butylstyrene, 4-isobutylstyrene, and 4-tert-butylstyrene. , 4-octyl styrene, α-methyl-4-tert-butyl styrene, α-methyl-4-isopropyl styrene, and the like. 4-tert-butyl styrene, 4-isopropyl styrene, α-methyl-4-tert- Butyl styrene and α-methyl-isopropyl styrene are more preferred. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together. When two or more of the above aromatic vinyl compounds are used in combination, it is preferable that these are randomly copolymerized to form a polymer block (C).

重合体ブロック(C)は、本発明の効果を損なわない範囲で、他の単量体、例えば、炭素数4〜8の共役ジエン(ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等)、炭素数2〜8のアルケン(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等に由来する構造単位を含有していてもよい。芳香族ビニル化合物と上記他の単量体とはランダム共重合して重合体ブロック(C)を形成していることが好ましい。これら他の単量体に由来する構造単位の含有率は、重合体ブロック(C)を構成する構造単位の5モル%以下であることが好ましい。   The polymer block (C) is a monomer that does not impair the effects of the present invention, such as conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene. 2,4-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene, etc.), alkenes having 2 to 8 carbon atoms (ethylene, propylene, 1 -Butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), (meth) acrylic acid ester ( Methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalic acid) Sulfonyl, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, may contain a structural unit derived from isobutyl vinyl ether) and the like. It is preferable that the aromatic vinyl compound and the other monomer are randomly copolymerized to form a polymer block (C). The content of structural units derived from these other monomers is preferably 5 mol% or less of the structural units constituting the polymer block (C).

重合体ブロック(C)1つあたりの分子量は、標準ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常1,000〜50,000の範囲であるのが好ましく、1,500〜30,000の範囲であるのがより好ましく、2,000〜20,000の範囲であるのがさらに好ましい。かかる分子量が1,500以上であれば、高分子電解質膜の力学特性が優れる傾向となり、50,000以下であれば、高分子電解質の成形性、製膜性が良好となる。   The molecular weight per polymer block (C) is usually preferably in the range of 1,000 to 50,000 as the number average molecular weight in terms of standard polystyrene, and is in the range of 1,500 to 30,000. Is more preferable, and the range of 2,000 to 20,000 is even more preferable. If the molecular weight is 1,500 or more, the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane tend to be excellent, and if it is 50,000 or less, the moldability and film-forming property of the polymer electrolyte are good.

(ブロック共重合体(Z)の製造方法)
ブロック共重合体(Z)の製造方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、ブロック共重合体(Z)を製造した後、イオン伝導性基を導入する方法が好ましい。
(Method for producing block copolymer (Z))
Process for producing the block copolymer (Z) is not particularly limited, but may be a known method, after production of the block copolymer (Z 0), a method of introducing an ion-conducting group is preferred.

ブロック共重合体(Z)の製造方法は、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)、及び重合体ブロック(C)を構成する単量体単位の種類、各重合体ブロックの分子量等によって、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択できるが、工業的には、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法が好ましい。特に、分子量制御、分子量分布制御、重合体構造制御の観点からリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法、リビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法が好ましい。 The production method of the block copolymer (Z 0 ) includes the polymer block (A 0 ), the polymer block (B), the type of monomer units constituting the polymer block (C), and the Depending on the molecular weight and the like, a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, a coordination polymerization method and the like can be appropriately selected, but industrially preferred are a radical polymerization method, an anionic polymerization method and a cationic polymerization method. In particular, the living polymerization method is preferable from the viewpoint of molecular weight control, molecular weight distribution control, and polymer structure control, and specifically, a living radical polymerization method, a living anion polymerization method, and a living cation polymerization method are preferable.

具体例を以下に説明する。
4−tert−ブチルスチレン等の前記一般式(a)で示される構造単位で構成される重合体ブロック(C)、スチレン等の芳香族ビニル化合物に由来する構造単位で構成される重合体ブロック(A)及び共役ジエンに由来する構造単位で構成される重合体ブロック(B)からなるイオン伝導性基を有さないブロック共重合体(Z)を製造する場合、リビングアニオン重合法が好ましい。具体的には、シクロヘキサン等の溶媒中で、有機リチウム化合物等のアニオン重合開始剤の存在下に、10〜100℃で、単量体を順次重合させることで得られるブロック共重合体を、ブロック共重合体(Z)とすることができる。
A specific example will be described below.
Polymer block (C) composed of a structural unit represented by the general formula (a) such as 4-tert-butylstyrene, polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound such as styrene ( When producing a block copolymer (Z 0 ) having no ion-conducting group consisting of a polymer block (B) composed of a structural unit derived from A 0 ) and a conjugated diene, a living anion polymerization method is preferred. . Specifically, a block copolymer obtained by sequentially polymerizing monomers in a solvent such as cyclohexane in the presence of an anionic polymerization initiator such as an organic lithium compound at 10 to 100 ° C. is blocked. It can be a copolymer (Z 0 ).

また、このようにして得られたブロック共重合体の共役ジエンに由来する構造単位で構成される重合体ブロックが有する炭素−炭素二重結合を水添して得られるブロック共重合体をブロック共重合体(Z)としてもよい。この場合、水添反応後の非晶性オレフィン重合体ブロックが重合体ブロック(B)となる。該水添反応の方法としては、リビングアニオン重合によって得られたブロック共重合体の溶液を耐圧容器に仕込み、Ni/Al系等のチーグラー系触媒を添加して、水素雰囲気下において水添反応を行う方法を例示できる。 Further, the block copolymer obtained by hydrogenating the carbon-carbon double bond of the polymer block composed of the structural unit derived from the conjugated diene of the block copolymer thus obtained is used as a block copolymer. It may be a polymer (Z 0 ). In this case, the amorphous olefin polymer block after the hydrogenation reaction becomes the polymer block (B). As a method for the hydrogenation reaction, a solution of a block copolymer obtained by living anionic polymerization is charged into a pressure vessel, a Ziegler catalyst such as Ni / Al is added, and the hydrogenation reaction is performed in a hydrogen atmosphere. The method of performing can be illustrated.

次に、ブロック共重合体(Z)の重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入して、ブロック共重合体(Z)を得る。
ブロック共重合体(Z)の重合体ブロック(A)にスルホン酸基を導入する方法(スルホン化)について述べる。スルホン化は、公知のスルホン化法を適用でき、例えば、ブロック共重合体(Z)と有機溶媒とを混合して溶液または懸濁液を調製し、スルホン化剤を添加する方法や、ブロック共重合体(Z)にガス状のスルホン化剤を添加する方法等が挙げられる。
Next, an ion conductive group is introduced into the polymer block (A 0 ) of the block copolymer (Z 0 ) to obtain the block copolymer (Z).
A method (sulfonation) for introducing a sulfonic acid group into the polymer block (A 0 ) of the block copolymer (Z 0 ) will be described. For the sulfonation, a known sulfonation method can be applied. For example, a block copolymer (Z 0 ) and an organic solvent are mixed to prepare a solution or suspension, and a sulfonating agent is added. Examples thereof include a method of adding a gaseous sulfonating agent to the copolymer (Z 0 ).

スルホン化剤としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸とトリメチルシリルクロリドとの混合物、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物、2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸などの芳香族有機スルホン酸等が挙げられる。また、有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素、ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素等が挙げられる。これらは1種単独で用いても、複数種を混合して用いてもよい。   Examples of sulfonating agents include sulfuric acid, a mixture of sulfuric acid and aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate, 2, 4 And aromatic organic sulfonic acids such as 6-trimethylbenzenesulfonic acid. Examples of the organic solvent include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, and aliphatic hydrocarbons such as hexane and cyclohexane. These may be used individually by 1 type, or may be used in mixture of multiple types.

次に、ブロック共重合体(Z)の重合体ブロック(A)にホスホン酸基を導入する方法(ホスホン化)について述べる。ホスホン化は、公知の方法を適用でき、例えば、ブロック共重合体(Z)と有機溶媒とを混合して溶液または懸濁液を調製し、無水塩化アルミニウム及びクロロメチルエーテルを加えて、芳香環にハロメチル基を導入し、次いで三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加え、さらに加水分解反応を行う方法;ブロック共重合体(Z)と有機溶媒とを混合して溶液または懸濁液を調製し、三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて、芳香環にホスフィン酸基を導入後、硝酸を加えてホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法を例示できる。 Next, a method (phosphonation) for introducing a phosphonic acid group into the polymer block (A 0 ) of the block copolymer (Z 0 ) will be described. For phosphonation, a known method can be applied. For example, a block copolymer (Z 0 ) and an organic solvent are mixed to prepare a solution or a suspension, and anhydrous aluminum chloride and chloromethyl ether are added to add a fragrance. A method in which a halomethyl group is introduced into a ring, followed by addition of phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride, followed by a hydrolysis reaction; a block copolymer (Z 0 ) and an organic solvent are mixed to prepare a solution or suspension Then, after adding phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride and introducing a phosphinic acid group into the aromatic ring, nitric acid is added to oxidize the phosphinic acid group to form a phosphonic acid group.

スルホン酸基またはホスホン酸基などのイオン伝導性基は、アルカリ金属イオン、アンモニウムイオンなどの対イオンで中和された塩であってもよい。   The ion conductive group such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group may be a salt neutralized with a counter ion such as an alkali metal ion or an ammonium ion.

上記の方法でイオン伝導性基を導入する反応を行った後のブロック共重合体(Z)を含む反応溶液は、水中に反応溶液を注いでブロック共重合体(Z)を析出させた後に有機溶媒と水を留去する方法や、反応溶液に停止剤としての水を徐々に添加してブロック共重合体(Z)を析出させた後に溶媒と水を留去する方法等によって単離できる。中でも、ブロック共重合体(Z)が微分散化し、単離工程における水での洗浄効率が高くなる観点から、反応溶液に水を徐々に添加し、ブロック共重合体(Z)を析出させる方法が好ましい。   The reaction solution containing the block copolymer (Z) after carrying out the reaction for introducing an ion conductive group by the above method is prepared by pouring the reaction solution into water to deposit the block copolymer (Z) and then organically depositing the block copolymer (Z). It can be isolated by a method of distilling off the solvent and water, a method of gradually adding water as a terminator to the reaction solution to precipitate the block copolymer (Z), and then distilling off the solvent and water. Among these, from the viewpoint of finely dispersing the block copolymer (Z) and increasing the washing efficiency with water in the isolation step, water is gradually added to the reaction solution to precipitate the block copolymer (Z). Is preferred.

[高分子電解質膜]
本発明の高分子電解質膜はブロック共重合体(Z)を含有する。高分子電解質膜はかかるブロック共重合体(Z)またはブロック共重合体(Z)を含有する組成物(以下、「ブロック共重合体(Z)またはブロック共重合体(Z)を含有する組成物」を、単に「ブロック共重合体(Z)を含有する組成物」と称する)のみからなっても、該ブロック共重合体(Z)を含有する組成物からなる高分子電解質層に通液性の高い補強材層が積層されていてもよい。上記ブロック共重合体(Z)を含有する組成物中の当該ブロック共重合体(Z)の含有量は、イオン伝導性の観点から、90〜100質量%であることが好ましく、93質量%以上であることがより好ましく、95質量%以上であることがさらに好ましい。
また、前記補強材層としては、通液性が高いことが求められ、補強材層の主面を貫通する貫通孔を複数備える多孔質材料が好ましく、織布および不織布がより好ましい。中でも、加工性(電解質との複合化の容易性、補強材の薄膜化の容易性など)、材料の入手性などの観点から不織布がさらに好ましく、低吸水性、耐酸性、耐薬品性の観点から、芳香族単位を主体とする液晶ポリエステル繊維からなる不織布が特に好ましい。これら不織布を補強材層として有する高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池に用いた場合に良好な耐久性及び出力特性を有する。
また、補強材層が多孔質材料である場合、ブロック共重合体(Z)を含有する組成物は、多孔質材の内部の一部または全部に含浸していてもよい。
[Polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membrane of the present invention contains a block copolymer (Z). The polymer electrolyte membrane is a composition containing such a block copolymer (Z) or block copolymer (Z) (hereinafter referred to as “a composition containing a block copolymer (Z) or a block copolymer (Z)”). "Is simply referred to as a" composition containing a block copolymer (Z) "), but it is liquid-permeable to a polymer electrolyte layer comprising a composition containing the block copolymer (Z). A high reinforcing material layer may be laminated. The content of the block copolymer (Z) in the composition containing the block copolymer (Z) is preferably 90 to 100% by mass, and 93% by mass or more from the viewpoint of ion conductivity. It is more preferable that it is 95 mass% or more.
The reinforcing material layer is required to have high liquid permeability, and is preferably a porous material having a plurality of through holes penetrating the main surface of the reinforcing material layer, and more preferably a woven fabric and a non-woven fabric. Among these, non-woven fabrics are more preferable from the viewpoints of workability (easiness of compounding with electrolyte, ease of thinning of reinforcing material, etc.), and availability of materials, and from the viewpoint of low water absorption, acid resistance, and chemical resistance. Therefore, a nonwoven fabric made of liquid crystal polyester fiber mainly composed of aromatic units is particularly preferable. Polymer electrolyte membranes having these nonwoven fabrics as reinforcing material layers have good durability and output characteristics when used in solid polymer fuel cells.
When the reinforcing material layer is a porous material, the composition containing the block copolymer (Z) may be impregnated in part or all of the inside of the porous material.

本発明の高分子電解質膜は、膜強度、ハンドリング性等の観点から、膜厚は5〜500μmの範囲であることが好ましく、7〜200μmの範囲であることがより好ましく、8〜80μmの範囲であることがさらに好ましい。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the film thickness is preferably in the range of 5 to 500 μm, more preferably in the range of 7 to 200 μm, and in the range of 8 to 80 μm from the viewpoint of membrane strength, handling properties, and the like. More preferably.

本発明の高分子電解質膜がブロック共重合体(Z)を含有する組成物のみからなる場合、ガスの遮断性、膜抵抗の観点から、その膜厚が5〜200μmの範囲であることが好ましく、7〜100μmの範囲であることがより好ましく、8〜70μmの範囲であることがさらに好ましい。膜厚が5μm以上であれば、膜の力学特性やガスの遮断性が充分となる傾向となる。逆に、膜厚が200μm以下であれば膜抵抗が小さくなり、充分なイオン伝導性を発現するため、発電特性が良好になる傾向となる。   When the polymer electrolyte membrane of the present invention is composed only of the composition containing the block copolymer (Z), the film thickness is preferably in the range of 5 to 200 μm from the viewpoint of gas barrier properties and membrane resistance. More preferably, it is in the range of 7 to 100 μm, and more preferably in the range of 8 to 70 μm. If the film thickness is 5 μm or more, the mechanical properties and gas barrier properties of the film tend to be sufficient. On the other hand, if the film thickness is 200 μm or less, the film resistance becomes small and sufficient ion conductivity is exhibited, so that power generation characteristics tend to be good.

本発明の高分子電解質膜がブロック共重合体(Z)を含有する組成物からなる高分子電解質層と補強材層とを積層している場合、該高分子電解質層の厚さは、ガスの遮断性、膜抵抗の観点から、5〜200μmの範囲であることが好ましく、7〜100μmの範囲であることがより好ましく、8〜70μmの範囲であることがさらに好ましい。また、高分子電解質層と補強材層との厚さの比は5:95〜80:20の範囲であることが好ましく、10:90〜70:30の範囲であることがより好ましく、20:80〜60:40の範囲であることがさらに好ましい。補強材層の厚さは、100μm以下であることが好ましく、3〜70μmの範囲であることがより好ましく、5〜30μmの範囲であることがさらに好ましい。   When the polymer electrolyte membrane of the present invention is formed by laminating a polymer electrolyte layer made of a composition containing the block copolymer (Z) and a reinforcing material layer, the thickness of the polymer electrolyte layer is the gas From the viewpoint of blocking properties and membrane resistance, the range is preferably 5 to 200 μm, more preferably 7 to 100 μm, and still more preferably 8 to 70 μm. The ratio of the thickness of the polymer electrolyte layer and the reinforcing material layer is preferably in the range of 5:95 to 80:20, more preferably in the range of 10:90 to 70:30, and 20: More preferably, it is in the range of 80-60: 40. The thickness of the reinforcing material layer is preferably 100 μm or less, more preferably in the range of 3 to 70 μm, and still more preferably in the range of 5 to 30 μm.

本発明の高分子電解質膜は、本発明の効果を損なわない限り、各種添加剤、例えば軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、顔料、染料、増白剤等を含有してもよい。これらの添加剤はそれぞれ、1種のみ含有していても、複数種を含有していてもよい。また、これらの添加剤は通常ブロック共重合体(Z)と混合して組成物としたのちに高分子電解質膜となる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can be added to various additives such as a softening agent, a stabilizer, a light stabilizer, an antistatic agent, a release agent, a flame retardant, a pigment, a dye, and a whitening agent unless the effects of the present invention are impaired. An agent or the like may be contained. Each of these additives may contain only one kind or plural kinds. These additives are usually mixed with the block copolymer (Z) to form a composition, which then becomes a polymer electrolyte membrane.

軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくは芳香族系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等が挙げられる。   Examples of the softener include petroleum softeners such as paraffinic, naphthenic or aromatic process oils, paraffin, vegetable oil softeners, plasticizers and the like.

安定剤としては、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤等が挙げられる。フェノール系安定剤としては、例えば2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジルホスホネートジエチルエステル、トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン等;、イオウ系安定剤としては、例えばペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等;リン系安定剤としては、例えばトリス(ノニルフェニル)ホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト、リン単体等が挙げられる。   Examples of the stabilizer include a phenol stabilizer, a sulfur stabilizer, and a phosphorus stabilizer. Examples of the phenol-based stabilizer include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerystyryl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1 , 3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy) Phenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3) , 5-Di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) Propionate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-t-butyl-4-hydroxy-hydrodinamide), 3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzylphosphonate diethyl ester, tris (3 , 5-Di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) isocyanurate, 3,9-bis {2- [3- (3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1, 1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane, etc .; sulfur stabilizers such as pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), distearyl 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropionate, dimyristyl 3,3′-thiodipropionate Phosphorus stabilizers such as tris (nonylphenyl) phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasterylpentaerythritol diphosphite, bis (2,6-di) -T-butyl-4-methylphenyl) pentaerythritol diphosphite, phosphorus alone and the like.

光安定剤としては、2,2,6,6−テトラアルキルピペリジン骨格を持つ化合物やヒンダードアミン類などが挙げられる。
ヒンダードアミン類としては、例えば、コハク酸ジメチル/1−(2−ヒドロキシエチル)−4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン重縮合物、ポリ((6−(1,1,3,3−テトラメチルブチル)イミノ−1,3,5−トリアジン−2,4−ジイル)((2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペジル)イミノ)ヘキサメチレン((2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペジル)イミノ))、2−(2,3−ジ−t−ブチル−4−ヒドキシベンジル)−2−n−ブチルマロン酸ビス(1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリジル)、2−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−2−n−ブチルマロン酸ビス(1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリジル)、N,N'−ビス(3−アミノプロピル)エチレンジアミン/2,4−ビス(N−ブチル−N−(1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリジル)アミノ)−6−クロロ−1,3,5−トリアジン縮合物、ビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペジル)セバケート、コハク酸ビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)が挙げられる。
これら光安定剤は1種のみ用いても複数種を併用してもよい。
Examples of the light stabilizer include compounds having a 2,2,6,6-tetraalkylpiperidine skeleton and hindered amines.
Examples of hindered amines include dimethyl succinate / 1- (2-hydroxyethyl) -4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine polycondensate, poly ((6- (1,1,3 , 3-tetramethylbutyl) imino-1,3,5-triazine-2,4-diyl) ((2,2,6,6-tetramethyl-4-pipedyl) imino) hexamethylene ((2,2, 6,6-tetramethyl-4-pipedyl) imino)), 2- (2,3-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -2-n-butylmalonate bis (1,2,2, 6,6-pentamethyl-4-piperidyl), 2- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -2-n-butylmalonate bis (1,2,2,6,6-pentamethyl) -4-piperidyl), N, N′-bis (3-a Minopropyl) ethylenediamine / 2,4-bis (N-butyl-N- (1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidyl) amino) -6-chloro-1,3,5-triazine condensate Bis (2,2,6,6-tetramethyl-4-pipedyl) sebacate and bis (2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl) succinate are mentioned.
These light stabilizers may be used alone or in combination.

帯電防止剤としては、例えば、ステアロアミドプロピルジメチル−β−ヒドロキシエチルアンモニウムニトレート等が挙げられる。   Examples of the antistatic agent include stearoamidopropyldimethyl-β-hydroxyethylammonium nitrate.

離型剤としては、高級アルコールおよび/またはグリセリンモノエステルが挙げられる。高級アルコールとしては、セチルアルコール、ステアリルアルコールが挙げられる。グリセリンモノエステルとしては、ステアリン酸モノグリセリド、ステアリン酸ジグリセリドなどの高級脂肪酸のグリセリドが挙げられる。   Examples of the mold release agent include higher alcohol and / or glycerin monoester. Examples of the higher alcohol include cetyl alcohol and stearyl alcohol. Examples of the glycerin monoester include higher fatty acid glycerides such as stearic acid monoglyceride and stearic acid diglyceride.

難燃剤としては、例えばテトラブロモビスフェノールA、デカブロモジフェニルオキシド、臭素化ポリカーボネート等の有機ハロゲン系難燃剤;酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、ホウ酸亜鉛、トリクレジルホスフェート等の非ハロゲン系難燃剤などが挙げられる。   Examples of the flame retardant include organic halogen flame retardants such as tetrabromobisphenol A, decabromodiphenyl oxide, and brominated polycarbonate; non-halogen flame retardants such as antimony oxide, aluminum hydroxide, zinc borate, and tricresyl phosphate. Is mentioned.

顔料、染料、増白剤としては、ターフェニル、蛍光顔料、蛍光染料、蛍光白色染料、蛍光増白剤、蛍光漂白剤等が挙げられる。   Examples of pigments, dyes, and brighteners include terphenyl, fluorescent pigments, fluorescent dyes, fluorescent white dyes, fluorescent brighteners, and fluorescent bleaching agents.

本発明の高分子電解質膜の作製方法としては、例えば、ブロック共重合体(Z)及び必要に応じて上記した添加剤を適当な溶媒と混合して、該ブロック共重合体(Z)を5質量%以上含む塗工液を調製し、離型処理済のPETフィルム等にコーターやアプリケーター等を用いて塗布し、適切な条件で溶媒を除去するで、所望の厚みを有する高分子電解質膜を得る方法等が挙げられる。
高分子電解質膜が補強材層を有する場合の作製方法としては、上記した方法で調製した塗工液を、離形処理済のPETフィルム等にコーターやアプリケーター等を用いて塗布した後、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する高分子電解質膜を得、次いで補強材を得られた高分子電解質膜上に積層した後、該補強材上に別途上記した方法で調製した塗工液を、コーターやアプリケーター等を用いて塗布し、適切な条件で溶媒を除去することによって得る方法が挙げられる。
As a method for producing the polymer electrolyte membrane of the present invention, for example, the block copolymer (Z) and, if necessary, the above-mentioned additives are mixed with an appropriate solvent, and the block copolymer (Z) is mixed with 5 A coating solution containing at least mass% is prepared, applied to a release-treated PET film using a coater or applicator, etc., and the solvent is removed under appropriate conditions, thereby forming a polymer electrolyte membrane having a desired thickness. The method of obtaining etc. are mentioned.
As a production method in the case where the polymer electrolyte membrane has a reinforcing material layer, the coating liquid prepared by the above-described method is applied to a release-treated PET film or the like using a coater or an applicator, and then an appropriate method. By removing the solvent under conditions, a polymer electrolyte membrane having a desired thickness was obtained, and then a reinforcing material was laminated on the obtained polymer electrolyte membrane, and then separately prepared on the reinforcing material by the method described above. The method of apply | coating a coating liquid using a coater, an applicator, etc. and removing a solvent on suitable conditions is mentioned.

上記塗工液としては、ブロック共重合体(Z)の均一性、安定性が高ければ、溶液であっても、分散液であっても、乳化液であってもよい。塗工液に用いる溶媒または分散媒としては、例えば塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素;トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素;ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素;テトラヒドロフラン等のエーテル;メタノール、エタノール、プロパノール、2−プロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール;水が挙げられる。
中でも、ブロック共重合体(Z)の溶解性の観点から、トルエン及びイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエン及び2−プロパノールの混合溶媒、シクロヘキサン及び2−プロパノールの混合溶媒、シクロヘキサン及びイソブチルアルコールの混合溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン及びメタノールの混合溶媒が好ましく、特に、トルエン及びイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエン及び2−プロパノールの混合溶媒が好ましい。なお、上記混合溶媒の混合比(質量比)は適宜選択できる。
The coating liquid may be a solution, a dispersion, or an emulsion as long as the uniformity and stability of the block copolymer (Z) are high. Examples of the solvent or dispersion medium used for the coating liquid include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene; aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, and cyclohexane; ethers such as tetrahydrofuran. Alcohols such as methanol, ethanol, propanol, 2-propanol, butanol, isobutyl alcohol; water.
Among these, from the viewpoint of solubility of the block copolymer (Z), a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol, a mixed solvent of toluene and 2-propanol, a mixed solvent of cyclohexane and 2-propanol, a mixed solvent of cyclohexane and isobutyl alcohol, A mixed solvent of tetrahydrofuran, tetrahydrofuran and methanol is preferable, and a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol and a mixed solvent of toluene and 2-propanol are particularly preferable. In addition, the mixing ratio (mass ratio) of the mixed solvent can be appropriately selected.

上記の方法で調製した塗工液を不織布等の補強材や、離型処理済みのPETフィルム等の基材フィルムにコーターやアプリケーター等を用いて塗布した後、適切な条件で溶媒を除去することで所望の厚みを有する高分子電解質層を形成する。高分子電解質層が補強材上に形成されている場合は、高分子電解質層と補強材層とからなる高分子電解質膜となる。また高分子電解質層が基材フィルム上に形成されている場合は、かかる基材フィルムを剥離することで高分子電解質膜が得られる。   After applying the coating solution prepared by the above method to a reinforcing material such as a nonwoven fabric or a base film such as a PET film after mold release treatment using a coater or applicator, the solvent is removed under appropriate conditions. To form a polymer electrolyte layer having a desired thickness. When the polymer electrolyte layer is formed on the reinforcing material, the polymer electrolyte membrane is composed of the polymer electrolyte layer and the reinforcing material layer. When the polymer electrolyte layer is formed on the base film, the polymer electrolyte membrane can be obtained by peeling off the base film.

塗布した塗工液から溶媒を除去する条件は、ブロック共重合体(Z)が有するスルホン酸基等のイオン伝導性基が脱落しない温度範囲であればよい。複数の温度を組み合わせたり、通風下での乾燥と減圧下での乾燥を組み合わせてもよい。例えば、60〜100℃の範囲で熱風乾燥にて短時間で溶媒を除去する方法や、100〜140℃程度の熱風乾燥にて短時間で溶媒を除去する方法や、25℃で1〜3時間程度乾燥させ、次いで100℃で短時間熱風乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度乾燥させ、次いで25〜40℃程度で減圧条件下にて1〜12時間程度乾燥する方法等が挙げられる。良好な力学特性を有する高分子電解質膜を作製しやすい観点から、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜3時間程度予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度予備乾燥させた後、25〜40℃程度で減圧条件下にて1〜12時間程度乾燥する方法等が好適に用いられる。   The conditions for removing the solvent from the applied coating solution may be within a temperature range in which ion conductive groups such as sulfonic acid groups possessed by the block copolymer (Z) do not fall off. A plurality of temperatures may be combined, or drying under ventilation and drying under reduced pressure may be combined. For example, a method of removing the solvent in a short time by hot air drying in the range of 60 to 100 ° C., a method of removing the solvent in a short time by hot air drying at about 100 to 140 ° C., or 1 to 3 hours at 25 ° C. A method of drying to a certain degree, followed by drying with hot air at 100 ° C. for a short time, a method of drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, and then drying at about 25 to 40 ° C. under reduced pressure for about 1 to 12 hours. Can be mentioned. From the viewpoint of easy production of a polymer electrolyte membrane having good mechanical properties, a method of removing the solvent over 4 minutes or more by hot air drying at about 60 to 100 ° C., or preliminary drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours And then drying with hot air drying at about 100 ° C. over several minutes, or pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, and then about 1 to 12 under reduced pressure at about 25 to 40 ° C. A method of drying for about an hour or the like is preferably used.

[膜−電極接合体]
本発明の膜−電極接合体は、前述した本発明の高分子電解質膜を備える。該膜−電極接合体の製造方法に特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、イオン伝導性バインダー、導電性触媒担体および分散媒を含む触媒ペーストを、印刷法やスプレー法によりガス拡散層上に塗布し乾燥することで、触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、このようにして形成した接合体2枚でそれぞれの触媒層が高分子電解質膜に接するように挟み、ホットプレス等により接合させる方法;上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により高分子電解質膜の両面に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層にホットプレス等によりガス拡散層を圧着させる方法;イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、高分子電解質膜の両面及び/又は1対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、高分子電解質膜と触媒層面とを貼り合わせ、熱圧着等により接合させる方法;上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製等の基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させたものを2枚用意し、それぞれの触媒層が高分子電解質膜に接するように挟み、高分子電解質膜の両側に加熱圧着により触媒層を転写したのち、基材フィルムを剥離することで高分子電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法;が挙げられる。これらの方法においては、ブロック共重合体(Z)を含有する高分子電解質膜が有するイオン伝導性基をナトリウム等の金属との塩にした状態で上記の操作を行い、接合後の酸処理によってプロトン型に戻してもよい。
[Membrane-electrode assembly]
The membrane-electrode assembly of the present invention includes the above-described polymer electrolyte membrane of the present invention. There is no particular limitation on the method for producing the membrane-electrode assembly, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an ion conductive binder, a conductive catalyst carrier and a dispersion medium can be printed or sprayed. By applying onto the gas diffusion layer and drying, a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer is formed, and each of the catalyst layers is in contact with the polymer electrolyte membrane with the two joined bodies thus formed. The catalyst paste is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane by printing or spraying and dried to form catalyst layers, and gas is applied to each catalyst layer by hot pressing or the like. Method of pressure bonding a diffusion layer; a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of a polymer electrolyte membrane and / or a catalyst layer surface of a pair of gas diffusion electrodes, and polymer electrolysis A method in which the membrane and the catalyst layer surface are bonded together and bonded by thermocompression bonding or the like; 2 in which the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer Prepare a sheet, sandwich each catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane, transfer the catalyst layer to both sides of the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding, and then peel off the base film to remove the polymer electrolyte membrane and the catalyst. And a method in which a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing. In these methods, the above-mentioned operation is performed in a state where the ion conductive group of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (Z) is made into a salt with a metal such as sodium, and the acid treatment after joining is performed. You may return to the proton type.

上記膜−電極接合体の製造に用いるイオン伝導性バインダーとしては、例えば、「Nafion」(登録商標、デュポン社製)や「Gore−select」(登録商標、ゴア社製)等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリエーテルケトン、リン酸や硫酸を含浸したポリベンズイミダゾール等を用いることができる。また、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体(Z)をイオン伝導性バインダーとして用いてもよい。なお、高分子電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、高分子電解質膜と同様の構造(重合体の繰り返し単位、共重合比率、分子量、イオン伝導性基、イオン交換容量等が共通又は類似している;特に重合体の構造単位、イオン伝導性基が共通又は類似している)を有するイオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。   Examples of the ion conductive binder used in the production of the membrane-electrode assembly include perfluorosulfonic acid such as “Nafion” (registered trademark, manufactured by DuPont) and “Gore-select” (registered trademark, manufactured by Gore). Polymers, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherketone, polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid, and the like can be used. Moreover, you may use the block copolymer (Z) which comprises the polymer electrolyte membrane of this invention as an ion conductive binder. In order to further improve the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, the same structure as the polymer electrolyte membrane (polymer repeating unit, copolymerization ratio, molecular weight, ion conductive group, ion exchange capacity) Etc. are common or similar; in particular, it is preferable to use an ion conductive binder having a polymer structural unit and an ion conductive group common or similar).

上記膜−電極接合体において形成する触媒層を構成する導電性触媒担体としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等の炭素材料が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても複数種を併用してもよい。触媒金属としては、水素やメタノール等の燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する作用を有するものであればよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガンまたはこれらの合金が挙げられる。中でも白金や白金−ルテニウム合金が通常用いられる。触媒金属の粒径は、通常、10〜300オングストロームである。これらは先述した導電性触媒担体に担持させて用いるのがコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じてポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の撥水剤が含まれていてもよい。   Examples of the conductive catalyst carrier constituting the catalyst layer formed in the membrane-electrode assembly include carbon blacks such as furnace black, channel black and acetylene black, and carbon materials such as activated carbon and graphite. These may be used individually by 1 type, or may use multiple types together. The catalyst metal only needs to have an action of promoting the oxidation reaction of fuel such as hydrogen or methanol and the reduction reaction of oxygen. For example, platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt Nickel, chromium, tungsten, manganese, or alloys thereof. Of these, platinum and platinum-ruthenium alloys are usually used. The particle size of the catalytic metal is usually 10 to 300 angstroms. It is advantageous in terms of cost to use these on the conductive catalyst carrier described above. Further, the catalyst layer may contain a water repellent such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene copolymer, polyetheretherketone, if necessary.

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

[固体高分子型燃料電池]
本発明の固体高分子型燃料電池は、前述した本発明の膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより得られる。
本発明の固体高分子型燃料電池は、用いる燃料によって、水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等に分類できる。
[Polymer fuel cell]
In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the membrane-electrode assembly of the present invention described above is inserted between a conductive separator material that also serves as a chamber for separation of the polar chamber and a gas supply flow path to the electrode. Is obtained.
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a pure hydrogen type using hydrogen, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and a hydrogen obtained by reforming natural gas, depending on the fuel used. Can be classified into a natural gas reforming type using hydrogen, a gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, a direct methanol type using methanol directly.

以下、参考例、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。   Hereinafter, although a reference example, an example, and a comparative example are given and the present invention is explained concretely, the present invention is not limited to these.

(ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量の測定方法)
各実施例および比較例で得たブロック共重合体(1)〜(4)(ブロック共重合体(Z))を秤量(秤量値a(g))し、過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液((300〜500)×a(ml))を添加して、密閉系で12時間攪拌した。フェノールフタレインを指示薬として、水中に発生した塩化水素を0.01規定の水酸化ナトリウム標準水溶液(力価f)にて滴定(滴定量b(ml))した。
以上の結果から、ブロック共重合体(Z)のイオン交換容量を次式により求めた。
イオン交換容量(meq/g)=(0.01×b×f)/a
(Measurement method of ion exchange capacity of block copolymer (Z))
The block copolymers (1) to (4) (block copolymer (Z)) obtained in each Example and Comparative Example were weighed (weighed value a (g)), and an excess amount of a saturated sodium chloride aqueous solution (( 300-500) × a (ml)) was added and stirred in a closed system for 12 hours. Using phenolphthalein as an indicator, hydrogen chloride generated in water was titrated (a titration amount b (ml)) with a 0.01 N standard aqueous sodium hydroxide solution (titer f).
From the above results, the ion exchange capacity of the block copolymer (Z) was determined by the following equation.
Ion exchange capacity (meq / g) = (0.01 × b × f) / a

(ブロック共重合体(Z)の数平均分子量の測定方法)
ブロック共重合体(Z)の数平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により下記の条件で測定した。
装置:東ソー(株)製、商品名:HLC−8220GPC
溶離液:テトラヒドロフラン
カラム:東ソー(株)製、商品名:TSK−GEL(TSKgel G3000HxL(内径7.6mm、有効長30cm)を1本、TSKgel Super Multipore HZ−M(内径4.6mm、有効長15cm)を2本の計3本を直列で接続)
カラム温度:40℃
検出器:RI
送液量:0.35ml/分
数平均分子量計算:標準ポリスチレン換算
(Measurement method of number average molecular weight of block copolymer (Z 0 ))
The number average molecular weight of the block copolymer (Z 0 ) was measured by the gel permeation chromatography (GPC) method under the following conditions.
Device: manufactured by Tosoh Corporation, trade name: HLC-8220GPC
Eluent: Tetrahydrofuran Column: manufactured by Tosoh Corporation, trade name: TSK-GEL (TSKgel G3000HxL (inner diameter 7.6 mm, effective length 30 cm), TSKgel Super Multipore HZ-M (inner diameter 4.6 mm, effective length 15 cm) ) 2 in total 3 connected in series)
Column temperature: 40 ° C
Detector: RI
Liquid feed amount: 0.35 ml / min Number average molecular weight calculation: Standard polystyrene conversion

(試験膜の製造)
後述の実施例及び比較例で得たブロック共重合体(1)〜(4)について、下記1)〜3)の物性を測定するため、試験膜を製造した。
(Manufacture of test membrane)
In order to measure the physical properties of the following 1) to 3) for the block copolymers (1) to (4) obtained in Examples and Comparative Examples described later, test membranes were produced.

(試験膜(1)の製造)
ブロック共重合体(1)の13質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比75/25)溶液を調製し、離型処理済PETフィルム[三菱樹脂(株)製、MRV(商品名)]上に約450μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥後、25℃で離型処理済PETフィルムから剥離させて、厚さ30μmの高分子電解質膜(試験膜(1)と称する)を得た。
(Manufacture of test membrane (1))
A 13% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio: 75/25) solution of the block copolymer (1) was prepared, and about a release-treated PET film [manufactured by Mitsubishi Resin Co., Ltd., MRV (trade name)] Coated with a thickness of 450 μm, dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, and then peeled off from the release-treated PET film at 25 ° C. to form a 30 μm thick polymer electrolyte membrane (test membrane (1) and Obtained).

(試験膜(2)の製造)
ブロック共重合体(2)の14質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比825/175)溶液を調製し、離型処理済PETフィルム[三菱樹脂(株)製、MRV(商品名)]上に約350μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥後、25℃で離型処理済PETフィルムから剥離させて、厚さ29μmの高分子電解質膜(試験膜(2)と称する)を得た。
(Production of test membrane (2))
A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 825/175) solution of the block copolymer (2) was prepared, and was released onto a release-treated PET film [Mitsubishi Resin Co., Ltd., MRV (trade name)]. Coated with a thickness of 350 μm, dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, and then peeled off from the release-treated PET film at 25 ° C. to form a 29 μm thick polymer electrolyte membrane (test membrane (2) and Obtained).

(試験膜(3)の製造)
ブロック共重合体(3)の12質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離型処理済PETフィルム[三菱樹脂(株)製、MRV(商品名)]上に約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥後、さらに約300μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥後、25℃で離型処理済PETフィルムから剥離させて、厚さ30μmの高分子電解質膜(試験膜(3)と称する)を得た。
(Production of test membrane (3))
A 12% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio: 8/2) solution of the block copolymer (3) was prepared, and about a release-treated PET film [Mitsubishi Resin Co., Ltd., MRV (trade name)] Coat with a thickness of 100 μm, dry with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, then coat with a thickness of about 300 μm, dry with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, and release at 25 ° C. The polymer electrolyte membrane (referred to as test membrane (3)) having a thickness of 30 μm was obtained by peeling from the finished PET film.

(試験膜(4)の製造)
ブロック共重合体(4)の19質量%トルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、離型処理済PETフィルム[三菱樹脂(株)製、MRV(商品名)]上に約350μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥後、25℃で離型処理済PETフィルムから剥離させて、厚さ30μmの高分子電解質膜(試験膜(4)と称する)を得た。
(Manufacture of test membrane (4))
A 19% by weight toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the block copolymer (4) was prepared, and about a mold-treated PET film [manufactured by Mitsubishi Resin Co., Ltd., MRV (trade name)] Coated with a thickness of 350 μm, dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, and then peeled off from the release-treated PET film at 25 ° C. to form a 30 μm thick polymer electrolyte membrane (test membrane (4) and Obtained).

1)貯蔵弾性率及び軟化温度の測定
試験膜(1)〜(4)より試験片を切り出し、広域動的粘弾性測定装置(レオロジ社製「DVE−V4FTレオスペクトラー」)を使用して、引張りモード(周波数:11Hz)で、昇温速度を3℃/分、−80℃から250℃まで昇温して、貯蔵弾性率(E’)、損失弾性率(E’’)及び損失正接(tanδ)を測定した。結晶化オレフィン重合体に由来する80〜100℃における貯蔵弾性率の変化がないことに基づき、重合体ブロック(B)の非晶性を判断した。この結果、下記実施例、比較例で得られたすべてのブロック共重合体について、重合体ブロック(B)は非晶性であった。また、損失正接のピーク温度より、重合体ブロック(B)及び重合体ブロック(C)の軟化温度を測定した。なお、重合体ブロック(C)と重合体ブロック(A)の損失正接のピーク温度が近いため、ピーク分割処理にてそれぞれのピークに分割し、重合体ブロック(C)の軟化温度を特定した。
1) Measurement of storage elastic modulus and softening temperature A test piece was cut out from the test membranes (1) to (4), and a wide-range dynamic viscoelasticity measuring device (“DVE-V4FT Rheospectr” manufactured by Rheology) was used. In the tensile mode (frequency: 11 Hz), the temperature increase rate is 3 ° C./min, the temperature is increased from −80 ° C. to 250 ° C., and the storage elastic modulus (E ′), loss elastic modulus (E ″) and loss tangent ( tan δ) was measured. Based on the fact that there was no change in storage modulus at 80 to 100 ° C. derived from the crystallized olefin polymer, the amorphous nature of the polymer block (B) was judged. As a result, the polymer block (B) was amorphous with respect to all the block copolymers obtained in the following Examples and Comparative Examples. Moreover, the softening temperature of the polymer block (B) and the polymer block (C) was measured from the peak temperature of the loss tangent. In addition, since the peak temperature of the loss tangent of a polymer block (C) and a polymer block (A) is near, it divided | segmented into each peak by the peak division | segmentation process, and specified the softening temperature of the polymer block (C).

2)プロトン伝導度の測定
試験膜(1)〜(4)から1cm×4cmの試験片を切り出し、一対の金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを温度90℃、相対湿度30%の雰囲気下に設置し、交流インピーダンス法によりプロトン伝導度を測定した。
2) Measurement of proton conductivity A test piece of 1 cm × 4 cm was cut out from the test membranes (1) to (4), sandwiched between a pair of gold electrodes, and attached to an open cell. The measurement cell was installed in an atmosphere at a temperature of 90 ° C. and a relative humidity of 30%, and the proton conductivity was measured by the AC impedance method.

3)破断伸び
3−1)25℃、相対湿度50%における破断伸びの測定
試験膜(1)〜(4)からダンベル状の試験片を切り出し、25℃、相対湿度50%の条件で調湿したのち、引張試験機(インストロンジャパン社製5566型)にセットし、25℃、相対湿度50%、引張速度500mm/min.の条件において、破断伸びを測定した。
3−2)25℃、湿潤時における破断伸びの測定
試験膜(1)〜(4)からダンベル状の試験片を切り出し、25℃の蒸留水中に12時間浸漬させたのち、3−1)と同様に破断伸びを測定した。
3) Elongation at break 3-1) Measurement of elongation at break at 25 ° C. and 50% relative humidity A dumbbell-shaped test piece was cut out from the test membranes (1) to (4) and conditioned under conditions of 25 ° C. and 50% relative humidity. After that, it was set in a tensile testing machine (5566 type manufactured by Instron Japan), 25 ° C., 50% relative humidity, and a tensile speed of 500 mm / min. Under these conditions, the elongation at break was measured.
3-2) Measurement of elongation at break when wet at 25 ° C. After dumbbell-shaped test pieces were cut out from the test membranes (1) to (4) and immersed in distilled water at 25 ° C. for 12 hours, 3-1) Similarly, the elongation at break was measured.

参考例1〜4はポリスチレン、水添ポリイソプレン及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)からなるブロック共重合体(ブロック共重合体(Z))の製造例である。
[参考例1]
乾燥後、窒素置換した内容積1400mlのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン664ml、及びsec−ブチルリチウム(1.0mol/Lシクロヘキサン溶液)1.65mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、スチレン27.4ml、4−tert−ブチルスチレン13.8ml、スチレン27.4ml、4−tert−ブチルスチレン13.8ml、イソプレン111ml、4−tert−ブチルスチレン13.8ml、スチレン27.4ml、及び4−tert−ブチルスチレン13.8mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、STSTITST−1と略記する)を製造した。
得られたSTSTITST−1の数平均分子量は196,000であり、H−NMR(400MHz)から求めたポリイソプレン部位の1,4−結合量は93.8%、スチレン単位の含有量は35.4質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は24.4質量%であった。
Reference Examples 1 to 4 are production examples of a block copolymer (block copolymer (Z 0 )) composed of polystyrene, hydrogenated polyisoprene and poly (4-tert-butylstyrene).
[Reference Example 1]
After drying, 664 ml of dehydrated cyclohexane and 1.65 ml of dehydrated cyclohexane and 1.65 ml of sec-butyllithium (1.0 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1400 ml purged with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. .4 ml, 4-tert-butylstyrene 13.8 ml, styrene 27.4 ml, 4-tert-butylstyrene 13.8 ml, isoprene 111 ml, 4-tert-butylstyrene 13.8 ml, styrene 27.4 ml, and 4-tert -13.8 ml of butyl styrene was added sequentially to polymerize, and polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene-b -Poly (4-tert-butylstyrene) -b- Polystyrene -b- poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as STSTITST-1) was produced.
The number average molecular weight of the obtained STSTITST-1 was 196,000, the 1,4-bond content of the polyisoprene moiety determined from 1 H-NMR (400 MHz) was 93.8%, and the content of styrene units was 35. The content of 4 mass% and 4-tert-butylstyrene unit was 24.4 mass%.

上記で得られたSTSTITST−1のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、70℃で18時間水添反応を行い、ポリスチレンからなる重合体ブロック(A)、水添ポリイソプレンからなる重合体ブロック(B)、及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)からなるからなる重合体ブロック(C)からなるブロック共重合体である、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、STSTETST−1と略記する)を得た。
得られたSTSTETST−1のポリイソプレンに由来する炭素−炭素二重結合量を、H−NMRスペクトル(400MHz)により算出を試みたが、検出限界以下であった。
A cyclohexane solution of STSTITST-1 obtained above was prepared, put into a pressure vessel that was purged with nitrogen, and a Ni / Al Ziegler catalyst was used. A time-hydrogenation reaction is performed, and a polymer block (C) composed of polystyrene (A 0 ), a polymer block (B) composed of hydrogenated polyisoprene, and a polymer block (C) composed of poly (4-tert-butylstyrene) (C ), A block copolymer consisting of polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-hydrogenated polyisoprene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter referred to as STSTETST-1) To obtain the serial to).
An attempt was made to calculate the amount of carbon-carbon double bonds derived from the resulting STSTETST-1 polyisoprene by 1 H-NMR spectrum (400 MHz), which was below the detection limit.

[参考例2]
乾燥後、窒素置換した内容積2000mlのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン851ml、及びsec−ブチルリチウム(1.15mol/Lシクロヘキサン溶液)2.79mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、4−tert−ブチルスチレン6.2ml、スチレン17.5ml、4−tert−ブチルスチレン6.0ml、イソプレン51.0ml、4−tert−ブチルスチレン5.9ml、スチレン17.0ml、及び4−tert−ブチルスチレン5.8mlを順次添加して重合し、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、TSTITSTと略記する)を製造した。
得られたTSTITSTの数平均分子量は52,000であり、H−NMR(400MHz)から求めたポリイソプレン部位の1,4−結合量は93.8%、スチレン単位の含有量は34.8質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は24.2質量%であった。
[Reference Example 2]
After drying, 851 ml of dehydrated cyclohexane and 2.79 ml of sec-butyllithium (1.15 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 2000 ml purged with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. 6.2 ml of tert-butylstyrene, 17.5 ml of styrene, 6.0 ml of 4-tert-butylstyrene, 51.0 ml of isoprene, 5.9 ml of 4-tert-butylstyrene, 17.0 ml of styrene, and 4-tert-butylstyrene 5.8 ml was sequentially added and polymerized to obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene-b-poly (4-tert- Butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butyl) Styrene) (hereinafter, abbreviated as TSTITST) was prepared.
The number average molecular weight of TSTITST obtained was 52,000, the 1,4-bond content of the polyisoprene moiety determined from 1 H-NMR (400 MHz) was 93.8%, and the content of styrene units was 34.8. The content of mass%, 4-tert-butylstyrene unit was 24.2 mass%.

上記で得られたTSTITSTのシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、70℃で18時間水添反応を行い、ポリスチレンからなる重合体ブロック(A)、水添ポリイソプレンからなる重合体ブロック(B)、及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)からなるからなる重合体ブロック(C)からなるブロック共重合体である、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、TSTETSTと略記する)を得た。
得られたTSTETSTのポリイソプレンに由来する炭素−炭素二重結合量をH−NMRスペクトル(400MHz)により算出を試みたが、検出限界以下であった。
The cyclohexane solution of TSTISTST obtained above is prepared, put into a pressure vessel which is purged with nitrogen, and water is used at a hydrogen pressure of 0.5 to 1.0 MPa and 70 ° C. for 18 hours using a Ni / Al Ziegler catalyst. From the polymer block (C) consisting of a polymer block (A 0 ) made of polystyrene, a polymer block (B) made of hydrogenated polyisoprene, and a poly (4-tert-butylstyrene). Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-hydrogenated polyisoprene-b-poly (4-tert-butyl) Styrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as TSSETST) was obtained.
An attempt was made to calculate the amount of carbon-carbon double bonds derived from the polysoprene of TSSETST obtained using a 1 H-NMR spectrum (400 MHz), which was below the detection limit.

[参考例3]
乾燥後、窒素置換した内容積2000mlのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン904ml、及びsec−ブチルリチウム(0.83mol/Lシクロヘキサン溶液)2.00mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、スチレン28.8ml、4−tert−ブチルスチレン20.8ml、スチレン28.8ml、4−tert−ブチルスチレン20.8ml、イソプレン91.5ml、4−tert−ブチルスチレン20.8ml、スチレン28.8ml、及び4−tert−ブチルスチレン20.8mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、STSTITST−2と略記する)を製造した。
得られたSTSTITST−2の数平均分子量は126,000であり、H−NMR(400MHz)から求めたポリイソプレン部位の1,4−結合量は93.7%、スチレン単位の含有量は35.4質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は34.4質量%であった。
[Reference Example 3]
After drying, 904 ml of dehydrated cyclohexane and 2.00 ml of sec-butyllithium (0.83 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave having an internal volume of 2000 ml purged with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. .8 ml, 4-tert-butylstyrene 20.8 ml, styrene 28.8 ml, 4-tert-butylstyrene 20.8 ml, isoprene 91.5 ml, 4-tert-butylstyrene 20.8 ml, styrene 28.8 ml, and 4 -20.8 ml of tert-butylstyrene was added in succession to polymerize, and polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene -B-poly (4-tert-butylstyrene)- - polystyrene -b- poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter, abbreviated as STSTITST-2) was produced.
The number average molecular weight of STSTITST-2 obtained was 126,000, the 1,4-bond content of the polyisoprene moiety determined from 1 H-NMR (400 MHz) was 93.7%, and the content of styrene units was 35. The content of .4 mass% and 4-tert-butylstyrene unit was 34.4 mass%.

上記で得られたSTSTITST−2のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に添加した後、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPaの水素圧下において、70℃で18時間水添反応を行い、ポリスチレンからなる重合体ブロック(A)、水添ポリイソプレンからなる重合体ブロック(B)、及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)からなるからなる重合体ブロック(C)からなるブロック共重合体である、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、STSTETST−2と略記する)を得た。
得られたSTSTETST−2のポリイソプレンに由来する炭素−炭素二重結合量をH−NMRスペクトル(400MHz)により算出を試みたが、検出限界以下であった。
After preparing a cyclohexane solution of STSTITST-2 obtained above and adding it to a pressure vessel with nitrogen substitution, using a Ni / Al Ziegler catalyst, the hydrogen pressure is reduced to 0.5 to 1.0 MPa. In this, hydrogenation reaction is performed at 70 ° C. for 18 hours, and the polymer block (A 0 ) made of polystyrene, the polymer block (B) made of hydrogenated polyisoprene, and poly (4-tert-butylstyrene) are made. Polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-hydrogenated, which is a block copolymer comprising the polymer block (C) Polyisoprene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) Abbreviated as STSTETST-2) was obtained.
An attempt was made to calculate the amount of carbon-carbon double bonds derived from the obtained polyisoprene of STSTETST-2 by 1 H-NMR spectrum (400 MHz), which was below the detection limit.

[参考例4]
乾燥後、窒素置換した内容積1400mlのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン865ml、及びsec−ブチルリチウム(1.2mol/Lシクロヘキサン溶液)1.27mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、4−tert−ブチルスチレン36.1ml、スチレン51.0ml、イソプレン148.8ml、スチレン49.4ml及び4−tert−ブチルスチレン33.7mlを順次添加して重合し、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、TSISTと略記する)を製造した。
得られたTSISTの数平均分子量は86,000であり、H−NMR(400MHz)から求めたポリイソプレン部位の1,4−結合量は93.8%、スチレン単位の含有量は35.2質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は25.1質量%であった。
[Reference Example 4]
After drying, 865 ml of dehydrated cyclohexane and 1.27 ml of sec-butyllithium (1.2 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1400 ml purged with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. tert-Butylstyrene 36.1 ml, Styrene 51.0 ml, Isoprene 148.8 ml, Styrene 49.4 ml and 4-tert-Butylstyrene 33.7 ml were sequentially added and polymerized to obtain poly (4-tert-butylstyrene)- b-polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as TSIST) was produced.
The number average molecular weight of the obtained TSIST was 86,000, the 1,4-bond content of the polyisoprene moiety determined from 1 H-NMR (400 MHz) was 93.8%, and the content of styrene units was 35.2. The content of mass%, 4-tert-butylstyrene unit was 25.1 mass%.

上記で得られたTSISTのシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に添加した後、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、70℃で18時間水添反応を行い、ポリスチレンからなる重合体ブロック(A)、水添ポリイソプレンからなる重合体ブロック(B)、及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)からなるからなる重合体ブロック(C)からなるブロック共重合体である、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、TSESTと略記する)を得た。
得られたTSESTのポリイソプレンに由来する炭素−炭素二重結合量をH−NMRスペクトル(400MHz)により算出を試みたが、検出限界以下であった。
The cyclohexane solution of TSIST obtained above was prepared and added to a pressure vessel that was purged with nitrogen, and then a Ni / Al Ziegler catalyst was used at a hydrogen pressure of 0.5 to 1.0 MPa at 70 ° C. for 18 hours. A time-hydrogenation reaction is performed, and a polymer block (C) composed of polystyrene (A 0 ), a polymer block (B) composed of hydrogenated polyisoprene, and a polymer block (C) composed of poly (4-tert-butylstyrene) (C ) Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter TSTS) Abbreviated).
An attempt was made to calculate the amount of carbon-carbon double bonds derived from the obtained TSEST polyisoprene by 1 H-NMR spectrum (400 MHz), which was below the detection limit.

<実施例1>
(ブロック共重合体(1)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積200mlの三口フラスコに、塩化メチレン72.7ml及び無水酢酸36.4mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸16.3mlを滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌して、スルホン化剤を調製した。
一方、参考例1で得られたブロック共重合体STSTETST−1を20g、攪拌機を備えた内容積3Lのガラス製反応容器に入れ、系内を窒素置換した後、塩化メチレン250mlを加えて25℃で4時間攪拌して溶解させた。この溶液に、先に調製したスルホン化剤114mlを5分かけて滴下した。25℃で48時間攪拌後、蒸留水25.2mlを加えて反応を停止し、攪拌しながらさらに、蒸留水225mlを徐々に滴下して、ブロック重合体を析出させた。この混合液から塩化メチレンを留去した後、ろ過してブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体をビーカーに入れ、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過によりブロック共重合体を回収した。この洗浄及びろ過操作を、洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、得られたブロック共重合体を減圧下で乾燥して、スルホン化STSTETST−1(以下、ブロック共重合体(1)と称する)を得た。
得られたブロック共重合体(1)のスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR(400MHz)から100モル%、滴定の結果からイオン交換容量は2.65meq/gであった。
<Example 1>
(Production of block copolymer (1))
After drying, 72.7 ml of methylene chloride and 36.4 ml of acetic anhydride were added to a three-necked flask with an internal volume of 200 ml purged with nitrogen, and 16.3 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C. A sulfonating agent was prepared by stirring for 60 minutes.
On the other hand, 20 g of the block copolymer STSTETST-1 obtained in Reference Example 1 was placed in a 3 L glass reaction vessel equipped with a stirrer, and the system was purged with nitrogen. And stirred for 4 hours to dissolve. To this solution, 114 ml of the previously prepared sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring at 25 ° C. for 48 hours, 25.2 ml of distilled water was added to stop the reaction, and further 225 ml of distilled water was gradually added dropwise with stirring to precipitate a block polymer. After distilling off methylene chloride from this mixed solution, the mixture was filtered to obtain a block copolymer. The obtained block copolymer was put into a beaker, 1.0 L of distilled water was added, washed with stirring, and then the block copolymer was recovered by filtration. This washing and filtration operation is repeated until there is no change in the pH of the washing water, and the resulting block copolymer is dried under reduced pressure to obtain sulfonated STSTETST-1 (hereinafter referred to as block copolymer (1)). )
The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained block copolymer (1) was 100 mol% from 1 H-NMR (400 MHz), and the ion exchange capacity was 2.65 meq / g from the titration results.

(高分子電解質膜の製造)
前述の試験膜(1)の製造と同様の手法で、厚さ30μmの高分子電解質膜を得た。
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm was obtained in the same manner as in the production of the test membrane (1) described above.

<実施例2>
(ブロック共重合体(2)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積2000ml三口フラスコに、塩化メチレン581ml及び無水酢酸290mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸を130ml滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌して、スルホン化剤を調製した。
一方、参考例2で得られたブロック共重合体TSTETSTを130g、攪拌機を備えた内容積5Lのガラス製反応容器に入れ、系内を窒素置換した後、塩化メチレン1625mlを加えて25℃で4時間攪拌して溶解させた。この溶液に、先に調製したスルホン化剤909mlを、5分かけて滴下した。25℃で48時間攪拌後、蒸留水160mlを加えて反応を停止し、攪拌しながらさらに蒸留水1465mlを徐々に滴下して、ブロック共重合体を析出させた。この混合液から塩化メチレンを留去した後、ろ過してブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体をビーカーに入れ、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過によりブロック共重合体の回収をした。この洗浄及びろ過操作を、洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、得られたブロック共重合体を減圧下で乾燥してスルホン化TSTETST(以下、ブロック共重合体(2)と称する)を得た。
得られたブロック共重合体(2)のスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR(400MHz)から100モル%、滴定の結果からイオン交換容量は2.61meq/gであった。
<Example 2>
(Production of block copolymer (2))
After drying, 581 ml of methylene chloride and 290 ml of acetic anhydride were added to a three-necked flask with an internal volume of 2000 ml purged with nitrogen. An agent was prepared.
On the other hand, 130 g of the block copolymer TSETST obtained in Reference Example 2 was placed in a 5 L glass reactor equipped with a stirrer, and the system was purged with nitrogen. Stir for hours to dissolve. To this solution, 909 ml of the previously prepared sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring at 25 ° C. for 48 hours, 160 ml of distilled water was added to stop the reaction, and further 1465 ml of distilled water was gradually added dropwise with stirring to precipitate a block copolymer. After distilling off methylene chloride from this mixed solution, the mixture was filtered to obtain a block copolymer. The obtained block copolymer was put into a beaker, 1.0 L of distilled water was added, washed with stirring, and then the block copolymer was recovered by filtration. This washing and filtration operation is repeated until there is no change in the pH of the washing water, and the obtained block copolymer is dried under reduced pressure to obtain a sulfonated TSSETST (hereinafter referred to as block copolymer (2)). It was.
The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained block copolymer (2) was 100 mol% from 1 H-NMR (400 MHz), and the ion exchange capacity was 2.61 meq / g from the result of titration.

(高分子電解質膜の製造)
前述の試験膜(2)の製造と同様の手法で、厚さ29μmの高分子電解質膜を得た。
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane having a thickness of 29 μm was obtained in the same manner as in the production of the test membrane (2) described above.

<実施例3>
(高分子電解質膜の作製)
ブロック共重合体(1)の9質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比75/25)溶液を調製し、離型処理済PETフィルム[三菱樹脂(株)製、MRV(商品名)]上に約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させた後、全芳香族液晶ポリエステル系不織布(厚み13μm、空孔率67%)を該電解質膜上に固定し、さらに約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させ、さらに約150μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させることで、厚さ23μmの高分子電解質膜を得た。
<Example 3>
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 9% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 75/25) solution of the block copolymer (1) was prepared, and the release-treated PET film [Mitsubishi Resin Co., Ltd., MRV (trade name)] After coating with a thickness of 100 μm and drying with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, a wholly aromatic liquid crystal polyester nonwoven fabric (thickness 13 μm, porosity 67%) was fixed on the electrolyte membrane, Coat with a thickness of about 100 μm, dry with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, further coat with a thickness of about 150 μm, and dry with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to a thickness of 23 μm The polymer electrolyte membrane was obtained.

<比較例1>
(ブロック共重合体(3)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積1l三口フラスコに、塩化メチレン262ml及び無水酢酸131mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸を58.7ml滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌して、スルホン化剤を調製した。
一方、参考例3で得られたブロック共重合体STSTETST−2を72g、攪拌機を備えた内容積5Lのガラス製反応容器に入れ、窒素置換した後、塩化メチレン900mlを加え、25℃で4時間攪拌して溶解させた。この溶液に、先に調製したスルホン化剤411mlを、5分かけて滴下した。25℃で48時間攪拌後、蒸留水91.0mlを加えて反応を停止し、攪拌しながらさらに蒸留水1000mlを徐々に滴下し、ブロック重合体を析出させた。この混合液から塩化メチレンを留去した後、ろ過によりブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体をビーカーに入れ、蒸留水を1.0L加えて、攪拌しながら洗浄を行った後、ろ過によりブロック共重合体を回収した。この洗浄及びろ過操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後に回収したブロック共重合体を減圧下で乾燥してスルホン化STSTETST−2(以下、ブロック共重合体(3)と称する)を得た。
得られたブロック共重合体(3)のスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR(400MHz)から100モル%、滴定の結果からイオン交換容量は2.65meq/gであった。
<Comparative Example 1>
(Production of block copolymer (3))
After drying, 262 ml of methylene chloride and 131 ml of acetic anhydride were added to a 1 l three-neck flask purged with nitrogen, and 58.7 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C., followed by stirring at 0 ° C. for 60 minutes. A sulfonating agent was prepared.
On the other hand, 72 g of the block copolymer STSTETST-2 obtained in Reference Example 3 was placed in a glass reaction vessel having an internal volume of 5 L equipped with a stirrer, purged with nitrogen, 900 ml of methylene chloride was added, and the mixture was added at 25 ° C. for 4 hours. Stir to dissolve. To this solution, 411 ml of the previously prepared sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring at 25 ° C. for 48 hours, 91.0 ml of distilled water was added to stop the reaction, and 1000 ml of distilled water was gradually added dropwise while stirring to precipitate a block polymer. After distilling off methylene chloride from the mixed solution, a block copolymer was obtained by filtration. The obtained block copolymer was put into a beaker, 1.0 L of distilled water was added, and washing was performed while stirring, and then the block copolymer was recovered by filtration. This washing and filtration operation is repeated until there is no change in the pH of the washing water, and the finally recovered block copolymer is dried under reduced pressure to be sulfonated STSTETST-2 (hereinafter referred to as block copolymer (3)). Got.
The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained block copolymer (3) was 100 mol% from 1 H-NMR (400 MHz), and the ion exchange capacity was 2.65 meq / g from the titration results.

(高分子電解質膜の製造)
前述の試験膜(3)の製造と同様の手法で、厚さ30μmの高分子電解質膜を得た。
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm was obtained in the same manner as in the production of the test membrane (3) described above.

<比較例2>
(高分子電解質膜の製造)
ブロック共重合体(3)の9質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離型処理済PETフィルム[三菱樹脂(株)製、MRV(商品名)]上に約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させた後、全芳香族液晶ポリエステル系不織布(厚み13μm、空孔率67%)を該電解質膜上に固定し、さらに約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させ、さらに約150μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃で4分間乾燥させることで、厚さ23μmの高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 2>
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
A 9% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio: 8/2) solution of the block copolymer (3) was prepared, and was released on a release-treated PET film [Mitsubishi Resin Co., Ltd., MRV (trade name)]. After coating with a thickness of 100 μm and drying with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, a wholly aromatic liquid crystal polyester nonwoven fabric (thickness 13 μm, porosity 67%) was fixed on the electrolyte membrane, Coat with a thickness of about 100 μm, dry with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes, further coat with a thickness of about 150 μm, and dry with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to a thickness of 23 μm The polymer electrolyte membrane was obtained.

<比較例3>
(ブロック共重合体(4)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積2lの三口フラスコに、塩化メチレン492.8ml及び無水酢酸246.4mlを添加し、0℃にて攪拌しつつ濃硫酸110.2mlを滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌して、スルホン化剤を調製した。
一方、参考例4で得られたブロック共重合体TSESTを100g、攪拌機を備えた内容積5Lのガラス製反応容器に入れ、窒素置換した後、塩化メチレン1337mlを加え、25℃で4時間攪拌して溶解させた。この溶液に、先に調製したスルホン化剤566.3mlを、5分かけて滴下した。25℃で48時間攪拌後、蒸留水130mlを加えて反応を停止し、攪拌しながらさらに蒸留水1200mlを徐々に滴下し、ブロック共重合体を析出させた。この混合液から塩化メチレンを留去した後、ろ過によりブロック共重合体を得た。得られたブロック共重合体をビーカーに移し、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過によりブロック共重合体を回収した。洗浄及びろ過操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、得られたブロック共重合体を減圧下で乾燥してスルホン化TSEST(以下、ブロック共重合体(4)と称する)を得た。
得られたブロック共重合体(4)のスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR(400MHz)から100モル%、滴定の結果からイオン交換容量は2.64meq/gであった。
<Comparative Example 3>
(Production of block copolymer (4))
After drying, 492.8 ml of methylene chloride and 246.4 ml of acetic anhydride were added to a three-necked flask with an internal volume of 2 liters purged with nitrogen, and 110.2 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C. A sulfonating agent was prepared by stirring for 60 minutes.
On the other hand, 100 g of the block copolymer TSEST obtained in Reference Example 4 was placed in a 5 L glass reaction vessel equipped with a stirrer, purged with nitrogen, added with 1337 ml of methylene chloride, and stirred at 25 ° C. for 4 hours. And dissolved. To this solution, 566.3 ml of the previously prepared sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After stirring at 25 ° C. for 48 hours, 130 ml of distilled water was added to stop the reaction, and further 1200 ml of distilled water was gradually added dropwise with stirring to precipitate a block copolymer. After distilling off methylene chloride from the mixed solution, a block copolymer was obtained by filtration. The obtained block copolymer was transferred to a beaker, 1.0 L of distilled water was added, the mixture was washed with stirring, and then the block copolymer was recovered by filtration. Washing and filtration operations were repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the resulting block copolymer was dried under reduced pressure to obtain a sulfonated TSEST (hereinafter referred to as block copolymer (4)).
The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained block copolymer (4) was 100 mol% from 1 H-NMR (400 MHz), and the ion exchange capacity was 2.64 meq / g from the titration results.

(高分子電解質膜の製造)
前述の試験膜(4)の製造と同様の手法で、厚さ30μmの高分子電解質膜を得た。
(Manufacture of polymer electrolyte membrane)
A polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm was obtained in the same manner as in the production of the test membrane (4) described above.

(固体高分子型燃料電池用単セルの作製)
以下の試験において、実施例及び比較例で得られた高分子電解質膜の耐久性を評価するため、固体高分子型燃料電池用単セルは以下の手順で作製した。Pt触媒担持カーボンに、Nafionの10質量%水分散液を、カーボンとNafionとの質量比が1:1になるように添加混合し、ついでn−プロピルアルコールを、水/n−プロピルアルコールの質量比が1/1になるまで添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストをスプレー法にて、カーボンペーパーの片面に均一に塗布した。130℃で30分乾燥させ、電極を作製した。その後、実施例、比較例で作製した高分子電解質膜を、上記の電極でそれぞれ膜と触媒面とが向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(115℃、2MPa、8min)により膜−電極接合体を作製した。ついで作製した膜−電極接合体を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で挟み、固体高分子型燃料電池用単セル(電極面積は25cm)を作製した。
(Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell)
In the following tests, in order to evaluate the durability of the polymer electrolyte membranes obtained in Examples and Comparative Examples, a single cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 10 mass% aqueous dispersion of Nafion is added to and mixed with the Pt catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of carbon to Nafion is 1: 1, and then n-propyl alcohol is added to water / n-propyl alcohol. The mixture was added and mixed until the ratio was 1/1 to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was uniformly applied to one side of the carbon paper by a spray method. The electrode was prepared by drying at 130 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the polymer electrolyte membranes produced in Examples and Comparative Examples were sandwiched with the above electrodes so that the membrane and the catalyst surface face each other, and the outside was sandwiched in sequence with two heat resistant films and two stainless steel plates. A membrane-electrode assembly was produced by hot pressing (115 ° C., 2 MPa, 8 min). Next, the produced membrane-electrode assembly is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply passages, and the outside is sandwiched between two current collector plates and two clamping plates to form a solid. A single cell for a polymer fuel cell (electrode area: 25 cm 2 ) was produced.

(耐久性試験)
上記で得られた固体高分子型燃料電池用単セルの温度を80℃にした後、かかる固体高分子型燃料電池用単セルの両極に、100%R.H.に加湿した窒素ガスを1000ml/minで3分間供給することで高分子電解質膜を固体高分子型燃料電池が起動している間の湿潤状態と同様の環境にした。次いで、乾燥窒素ガスを1000ml/minで7分間供給して固体高分子型燃料電池が停止している間の乾燥状態と同様の環境にした。以上を固体高分子型燃料電池の起動停止モデルの1サイクルとした。
かかる固体高分子型燃料電池の起動停止モデルの操作を繰り返して、250サイクル毎に試験を中断し、アノードへ水素、カソードへ窒素を供給し、リニアスイープボルタンメトリーを実施し、アノードからカソードへの水素リークにより生じる電流値を測定した。0.4Vの時の電流値が試験前の値と比べて10倍以上となった時点で膜の破断を生じたと判断し、サイクル数を記録し、耐久性の指標とした。実用上、2000サイクル以上であれば問題なく、5000サイクルにおいて膜が破断しないものは特に優れていると判断した。
(Durability test)
After the temperature of the unit cell for the polymer electrolyte fuel cell obtained above was set to 80 ° C., 100% R.P. H. The polymer electrolyte membrane was brought into an environment similar to the wet state while the polymer electrolyte fuel cell was activated by supplying nitrogen gas humidified to 1000 ml / min for 3 minutes. Next, dry nitrogen gas was supplied at 1000 ml / min for 7 minutes to make the environment similar to the dry state while the polymer electrolyte fuel cell was stopped. The above is one cycle of the start / stop model of the polymer electrolyte fuel cell.
The operation of the start / stop model of such a polymer electrolyte fuel cell is repeated, the test is interrupted every 250 cycles, hydrogen is supplied to the anode, nitrogen is supplied to the cathode, linear sweep voltammetry is performed, and hydrogen is supplied from the anode to the cathode. The current value caused by the leakage was measured. When the current value at 0.4 V was 10 times or more compared with the value before the test, it was judged that the film was broken, and the number of cycles was recorded and used as an index of durability. In practical use, it was judged that there was no problem as long as it was 2000 cycles or more, and those in which the film did not break at 5000 cycles were particularly excellent.

実施例1、2及び比較例1、3で用いたブロック共重合体(1)〜(4)のイオン交換容量;試験膜(1)〜(4)の90℃、相対湿度30%におけるプロトン伝導度及び25℃における破断伸び(相対湿度50%、湿潤時);並びにブロック共重合体(1)〜(4)から作製した高分子電解質膜の耐久性試験において膜の破断が生じたサイクル数を表1に示す。   Ion exchange capacity of the block copolymers (1) to (4) used in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 3; Proton conduction at 90 ° C. and 30% relative humidity of the test membranes (1) to (4) And the elongation at break at 25 ° C. (relative humidity 50%, when wet); and the number of cycles in which the membrane break occurred in the durability test of the polymer electrolyte membrane prepared from the block copolymers (1) to (4) Table 1 shows.

Figure 0005792018
Figure 0005792018

実施例3及び比較例2で用いたブロック共重合体(1)、(3)のイオン交換容量;試験膜(1)、(3)の90℃、相対湿度30%におけるプロトン伝導度及び25℃における破断伸び(相対湿度50%、湿潤時);並びにブロック共重合体(1)、(3)を用いて作製した高分子電解質膜の起動停止耐久試験のサイクル数を表2に示す。   Ion exchange capacity of the block copolymers (1) and (3) used in Example 3 and Comparative Example 2; proton conductivity and 90 ° C. of the test membranes (1) and (3) at 90 ° C. and a relative humidity of 30% Table 2 shows the number of cycles of the start / stop durability test of the polymer electrolyte membrane prepared using the block copolymers (1) and (3).

Figure 0005792018
Figure 0005792018

表1から、本発明の高分子電解質膜は低湿度下でのイオン伝導性に優れ、比較例の高分子電解質膜に比べて、耐久性に優れる。また、表2から、本発明の高分子電解質膜は補強材層を含む場合でも同様に、耐久性に優れる。以上の結果から、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池は、耐久性と、低湿度下でのイオン伝導性を両立できる。   From Table 1, the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in ionic conductivity under low humidity, and excellent in durability as compared with the polymer electrolyte membrane of the comparative example. From Table 2, the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in durability even when it includes a reinforcing material layer. From the above results, the membrane-electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention can achieve both durability and ionic conductivity under low humidity.

本発明の高分子電解質膜は、耐久性及び低湿度下でのイオン伝導性に優れ、固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜として有用である。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in durability and ion conductivity under low humidity, and is useful as a polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell.

Claims (6)

イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)、イオン伝導性基を有さない非晶性オレフィン重合体ブロック(B)、及びイオン伝導性基を有さない下記一般式(a)で示される芳香族ビニル化合物に由来する構造単位の繰り返し単位からなる芳香族ビニル化合物重合体ブロック(C)からなる7または8個の重合体ブロックからなり、前記重合体ブロック(A)又は重合体ブロック(C)を末端重合体ブロックとし、前記重合体ブロック(B)の両端に結合する重合体ブロックが重合体ブロック(C)のみである構造からなるブロック共重合体(Z)の、前記重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を導入した構造からなり、25℃、相対湿度50%、引張速度500mm/min.における破断伸びが300%以上であるブロック共重合体(Z)を含む高分子電解質膜。
Figure 0005792018

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立して水素原子又は炭素数3〜8のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも1つは炭素数3〜8のアルキル基を表す)
Polymer block (A 0 ) having no ion conductive group, amorphous olefin polymer block (B) having no ion conductive group, and the following general formula (a) having no ion conductive group in made 7 or eight polymer block of an aromatic vinyl compound composed of repeating units of the structural unit derived from an aromatic vinyl compound polymer block (C) represented, the polymer block (a 0) or heavy The block copolymer (Z 0 ) having a structure in which the polymer block (C) is a terminal polymer block and the polymer block bonded to both ends of the polymer block (B) is only the polymer block (C), It has a structure in which an ion conductive group is introduced into the polymer block (A 0 ), and has a temperature of 25 ° C., a relative humidity of 50%, and a tensile speed of 500 mm / min. A polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer (Z) having an elongation at break of 300% or more.
Figure 0005792018

Wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and R 2 to R At least one of 4 represents an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms)
前記イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(A)が、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックである請求項1に記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polymer block (A 0 ) having no ion conductive group is a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound. 前記イオン伝導性基が、−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で示される基である、請求項1又は2に記載の高分子電解質膜。 The ion-conducting group is, (wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) -SO 3 M or -PO 3 HM is a group represented by the high according to claim 1 or 2 Molecular electrolyte membrane. 前記重合体ブロック(B)が軟化温度30℃以下の非晶性オレフィン重合体ブロックである請求項1〜のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3 , wherein the polymer block (B) is an amorphous olefin polymer block having a softening temperature of 30 ° C or lower. 請求項1〜のいずれか1項に記載の高分子電解質膜を備える膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4 . 請求項に記載の膜−電極接合体を備える固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 5 .
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