JP6034200B2 - Redox flow secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、レドックスフロー二次電池に関する。   The present invention relates to a redox flow secondary battery.

レドックスフロー二次電池とは、電気を備蓄及び放電するものであり、電気使用量の平準化のために使用される大型の据え置き型電池に属する。レドックスフロー二次電池は、正極と正極活物質を含む正極電解液(正極セル)と、負極と負極活物質を含む負極電解液(負極セル)とを、隔膜で隔離して、両活物質の酸化還元反応を利用して充放電し、該両活物質を含む電解液を、備蓄タンクから電解層に流通させて電流を取り出し利用される。   The redox flow secondary battery stores and discharges electricity, and belongs to a large stationary battery used for leveling the amount of electricity used. A redox flow secondary battery has a positive electrode electrolyte solution (positive electrode cell) containing a positive electrode and a positive electrode active material and a negative electrode electrolyte solution (negative electrode cell) containing a negative electrode and a negative electrode active material separated by a diaphragm. Charging and discharging is performed using an oxidation-reduction reaction, and an electrolytic solution containing the both active materials is circulated from a storage tank to an electrolytic layer to be used.

電解液に含まれる活物質としては、例えば、鉄−クロム系、クロム−臭素系、亜鉛−臭素系や、電荷の違いを利用するバナジウム系などが用いられている。   As the active material contained in the electrolytic solution, for example, iron-chromium-based, chromium-bromine-based, zinc-bromine-based, vanadium-based utilizing a difference in charge, or the like is used.

特に、バナジウム系電池は起電力が高く、バナジウムイオンの電極反応が早い、副反応である水素発生量が少ない、出力が高い等の利点を有するため、開発が本格的に進められている。   In particular, vanadium-based batteries have the advantages such as high electromotive force, fast electrode reaction of vanadium ions, small amount of hydrogen generated as a side reaction, and high output.

また、隔膜については、両極の活物質を含む電解液が混ざらないように工夫されている。しかしながら、従来の隔膜は、酸化されやすい、電気抵抗を充分低くしなければいけない等の問題点がある。電流効率を上げるためには、それぞれのセル電解液に含まれるそれぞれの活物質イオンの透過(両極電解液中の電解質のコンタミ)をお互いにできるだけ防ぎ、かつ電荷を運ぶプロトン(H+)は充分透過しやすい、イオン選択透過性に優れたイオン交換膜が要求される。 In addition, the diaphragm is devised so as not to mix the electrolyte containing the active material of both electrodes. However, the conventional diaphragm has problems such as being easily oxidized and having a sufficiently low electric resistance. In order to increase the current efficiency, the permeation of each active material ion contained in each cell electrolyte (contamination of the electrolyte in the bipolar electrolyte) is prevented as much as possible, and protons (H + ) that carry charges are sufficient. An ion exchange membrane that is easy to permeate and excellent in ion selective permeability is required.

このバナジウム系の二次電池では、負極セルにおけるバナジウムの2価(V2+)/3価(V3+)と、正極セルにおけるバナジウムの4価(V4+)/5価(V5+)の酸化還元反応を利用している。従って、正極セルと負極セルの電解液が同種の金属イオン種であるため、隔膜を透して電解液が混合されても、充電により正常に再生されるので、他種の金属種に比べて大きな問題にはなり難い。とはいえ、無駄になる活物質が増え、電流効率が低下するので、できるだけ活物質イオンは自由に透過しないほうがよい。 In this vanadium secondary battery, vanadium divalent (V 2+ ) / 3 valent (V 3+ ) in the negative electrode cell and vanadium tetravalent (V 4+ ) / 5 valent (V 5+ ) in the positive electrode cell. ) Redox reaction. Therefore, since the electrolyte solution of the positive electrode cell and the negative electrode cell is the same kind of metal ion species, even if the electrolyte solution is mixed through the diaphragm, it is regenerated normally by charging, so compared to other types of metal species Hard to be a big problem. However, since active materials that are wasted increase and current efficiency decreases, active material ions should not permeate freely as much as possible.

従来、様々なタイプの隔膜(本明細書においては単に「膜」とも略される場合がある。)を利用した電池があり、例えば、電解液のイオン差圧及び浸透圧をドライビングフォースとして自由に通過させる多孔膜を用いた電池が報告されている。例えば、引用文献1には、そのような多孔膜としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)多孔膜、ポリオレフィン(PO)系多孔膜、PO系不織布などが開示されている。   Conventionally, there are batteries that use various types of diaphragms (sometimes simply abbreviated as “membranes” in this specification). For example, the ionic differential pressure and osmotic pressure of an electrolyte can be freely used as a driving force. A battery using a porous film to pass through has been reported. For example, Patent Document 1 discloses a polytetrafluoroethylene (PTFE) porous film, a polyolefin (PO) -based porous film, a PO-based nonwoven fabric, and the like as such a porous film.

引用文献2には、セル間の圧力差で両電解液が移動しないように、多孔膜と含水性ポリマーを組み合わせた複合膜が開示されている。   Citation 2 discloses a composite membrane that combines a porous membrane and a hydrous polymer so that both electrolytes do not move due to a pressure difference between cells.

引用文献3には、親水性の水酸基を有する無孔の親水性ポリマー膜として、セルロース又はエチレンービニルアルコール共重合体の膜を利用することが開示されている。   Citation 3 discloses that a cellulose or ethylene-vinyl alcohol copolymer film is used as a nonporous hydrophilic polymer film having a hydrophilic hydroxyl group.

引用文献4には、炭化水素系イオン交換樹脂としてポリスルホン系膜(陰イオン交換膜)の利用により、その電流効率が80%〜88.5%となり、耐ラジカル酸化性にも優れることが記載されている。   Cited Document 4 describes that the use of a polysulfone membrane (anion exchange membrane) as a hydrocarbon ion exchange resin results in a current efficiency of 80% to 88.5% and excellent radical oxidation resistance. ing.

引用文献5には、フッ素系又はポリスルホン系イオン交換膜を隔膜として使用し、電流効率を上げるために正極の多孔性炭素に高価な白金を担持させて反応効率を上げる方法が開示されている。   Citation 5 discloses a method in which a fluorine-based or polysulfone-based ion exchange membrane is used as a diaphragm, and in order to increase the current efficiency, expensive platinum is supported on the positive electrode porous carbon to increase the reaction efficiency.

引用文献6には、ポリプロピレン(PP)などの多孔膜の孔に親水性樹脂を塗布した、鉄−クロム系レドックスフロー電池が開示されている。当該文献の実施例には、100μmの厚さのPP製多孔膜の両表面に、数μmの厚さでフッ素系イオン交換樹脂(デュポン社製、商標ナフィオン)を被覆した膜の例がある。ここで、ナフィオンは、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位と、を含む共重合体において、X=CF3、n=1、m=2のときの共重合体である。 Cited Document 6 discloses an iron-chromium redox flow battery in which a hydrophilic resin is applied to pores of a porous film such as polypropylene (PP). Examples of this document include an example of a membrane in which both surfaces of a 100 μm-thick PP porous membrane are coated with a fluorine-based ion exchange resin (manufactured by DuPont, trademark Nafion) with a thickness of several μm. Here, Nafion, - a repeating unit represented by, - - (CF 2 -CF 2 ) (CF 2 -CF (-O- (CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H) )-, A copolymer containing X = CF 3 , n = 1, m = 2.

引用文献7には、特定の面格子を有する2層の液透過性多孔質炭素電極を用いて、電極側からの工夫で、セル電気抵抗をできるだけ下げ、効率を上げたバナジウム型電池の例が開示されている。   Cited Document 7 describes an example of a vanadium type battery that uses a two-layer liquid-permeable porous carbon electrode having a specific surface lattice, and reduces the cell electrical resistance as much as possible by increasing the efficiency by devising from the electrode side. It is disclosed.

引用文献8には、抵抗が低く、プロトン透過性に優れる、ピリジニウム基(陽イオンのN+を利用)を有する陰イオン交換型の、スチレン系及びジビニルベンゼンと共重合した、架橋型重合体を隔膜として用いたバナジウム系レドックスフロー電池の例が開示されている。 Cited Document 8 discloses a cross-linked polymer copolymerized with an anion exchange type styrenic group and divinylbenzene having a pyridinium group (using cation N + ) having low resistance and excellent proton permeability. An example of a vanadium redox flow battery used as a diaphragm is disclosed.

引用文献9には、カチオン系イオン交換膜(フッ素系高分子又は他の炭化水素系高分子)とアニオン系イオン交換膜(ポリスルホン系高分子)とを交互に積層した構造を有する膜を利用し、正極電解液側にカチオン交換膜側を接する方法により、イオン選択透過性を改良した例が開示されている。   Reference 9 uses a membrane having a structure in which a cationic ion exchange membrane (fluorine polymer or other hydrocarbon polymer) and an anion ion exchange membrane (polysulfone polymer) are alternately laminated. An example in which ion selective permeability is improved by a method in which the cation exchange membrane side is in contact with the positive electrode electrolyte side is disclosed.

引用文献10には、耐薬品性に優れ、低抵抗でイオン選択透過性に優れた膜として、多孔質PTFE系樹脂からなる多孔質基材に、2個以上の親水基を有するビニル複素環化合物(アミノ基を有するビニルピロリドン等)の繰り返し単位を有する架橋重合体を複合してなるアニオン交換膜の使用例が開示されている。その原理については、イオン径及び電荷量の多い金属カチオンが電位差をかけられた時は、各カム表面のカチオンにより電気的反発を受けて金属カチオンの膜透過が阻害されるが、イオン径も小さく、1価であるプロトン(H+)は陽イオンを有する隔膜を容易に拡散透過できるので電気抵抗が小さくなると記載されている。   In Cited Document 10, a vinyl heterocyclic compound having two or more hydrophilic groups on a porous substrate made of a porous PTFE resin as a membrane having excellent chemical resistance, low resistance and excellent ion selective permeability. An example of use of an anion exchange membrane formed by combining a crosslinked polymer having a repeating unit (such as vinylpyrrolidone having an amino group) is disclosed. As for the principle, when a metal cation with a large ion diameter and charge amount is subjected to a potential difference, the cations on each cam surface are electrically repelled and the metal cation permeates through the membrane, but the ion diameter is also small. It is described that the monovalent proton (H +) can easily diffuse and permeate a diaphragm having a cation, so that the electric resistance is reduced.

特開2005−158383号公報JP 2005-158383 A 特公平6−105615号公報Japanese Patent Publication No. 6-105615 特開昭62−226580号公報JP-A-62-226580 特開平6−188005号公報JP-A-6-188005 特開平5−242905号公報JP-A-5-242905 特開平6−260183号公報JP-A-6-260183 特開平9−92321号公報JP-A-9-92321 特開平10−208767号公報JP-A-10-208767 特開平11−260390号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-260390 特開2000−235849号公報JP 2000-235849 A

しかしながら、引用文献2に開示された複合膜は、電気抵抗が高く、また、各イオンは多孔膜ほどではないが、自由に拡散してしまうという問題がある。引用文献3に開示された膜についても、上記と同様の問題があり、耐酸化耐久性にも劣る。
引用文献4に開示された電池は、電流効率が未だ不十分であり、長期にわたる硫酸電解液中での耐酸化劣化性にも劣る。また、同文献の比較例に、テフロン(登録商標)系イオン交換膜としての電流効率が64.8〜78.6%であることが記載されており、性能的にも問題を有する。
引用文献5についても、上記と同様の問題点を解決できておらず、また、大型設備では、価格的にも高価となってしまうという問題がある。
引用文献6に開示された膜は、塗布膜の厚みを極薄(数μm)にしないと、内部抵抗が増加すると記載されている。また、イオン選択透過性を向上させる工夫については一切記載されていない。
引用文献8に開示された電池は、電流効率が不十分であり、また、酸化劣化するため長期使用に関しても問題点を有している。
引用文献9に開示された膜は、電気抵抗が高くなるという問題点を有している。
引用文献10の実施例に示された結果では、膜の内部抵抗(電気抵抗)が十分低いとは言えず、また、長期使用では耐酸化劣化が問題となる。
However, the composite membrane disclosed in Cited Document 2 has a high electrical resistance, and each ion is not as diffuse as a porous membrane, but has a problem that it freely diffuses. The film disclosed in the cited document 3 also has the same problem as described above and is inferior in oxidation resistance.
The battery disclosed in the cited document 4 still has insufficient current efficiency, and is inferior in oxidation resistance deterioration resistance in a sulfuric acid electrolyte over a long period of time. Moreover, it is described in the comparative example of the document that the current efficiency as a Teflon (registered trademark) -based ion exchange membrane is 64.8 to 78.6%, which has a problem in performance.
Also in the cited document 5, the same problem as described above cannot be solved, and there is a problem that a large facility is expensive in terms of price.
The film disclosed in the cited document 6 is described that the internal resistance increases unless the thickness of the coating film is made extremely thin (several μm). Further, there is no description of any device for improving ion selective permeability.
The battery disclosed in Cited Document 8 has insufficient current efficiency and also has problems with long-term use due to oxidative degradation.
The film disclosed in the cited document 9 has a problem that the electric resistance becomes high.
In the results shown in the example of the cited document 10, the internal resistance (electrical resistance) of the film cannot be said to be sufficiently low, and oxidation resistance deterioration becomes a problem in long-term use.

従来のバナジウム系レドックスフロー電池用の電解質(隔)膜は、両電極の電解液の活物質であるバナジウムイオンの低電価グループのイオンを大多数とするセルと、高電価のイオングループを大多数とする各セル(負極側、正極側)それぞれにおいて、対極(セル)への、拡散移動透過を抑えて、尚且つ、目的の充放電の操作に伴い、プロトン(H+)を選択的に透過させることを目的として使用されている。しかしながら、現在、その性能は十分であると言えない。
炭化水素系樹脂を主とした膜基材としては、両セルの主役の電解質を含む電解液を単に隔離しただけの単なるイオン選択性のない多孔膜や、イオン選択性のない(無孔の)親水性膜基材、多孔膜に親水性膜基材を埋め込むか又は被覆したもの等が用いられている。また、膜自身が各種アニオン基を有する所謂カチオン交換膜、又は多孔質膜基材の孔に、カチオン交換性樹脂を被覆又は埋め込んだ複合膜、同様に膜自身がカチオン基を有するアニオン交換膜、同様に多孔膜基材に、アニオン交換性樹脂を被覆又は埋め込んだ複合膜、両者の積層型等が隔膜として用いられており、それぞれの特徴を生かした研究が行われている。
隔膜としては、電気抵抗(プロトン透過性に主に依存)と、主役の活物質である、金属イオン(多価カチオン)透過性阻止という、相反する2つの性能を十分に満足するイオン交換樹脂隔膜は、これまで開発されていない。フッ素系イオン交換樹脂に関しても、プロトン(H+)透過性に優れ、且つ、活物質イオンの透過を抑制するという合矛盾する性質に対する工夫が十分に検討されておらず、低電気抵抗、長期にわたる耐酸化劣化性(耐ヒドロキシラジカル性)などを充分に満足するレドックスフロー電池用電解質膜は開発されていない。
Conventional vanadium-based redox flow battery electrolyte (separation) membranes consist of a cell in which the majority of vanadium ion ions, which are the active material of the electrolyte solution of both electrodes, and a high-valence ion group. In each of the majority of cells (negative electrode side, positive electrode side), diffusion / transmission to the counter electrode (cell) is suppressed, and proton (H + ) is selectively selected in accordance with the intended charge / discharge operation. It is used for the purpose of making it permeate. However, at present, the performance is not sufficient.
As membrane base materials mainly composed of hydrocarbon-based resins, porous membranes that are not simply ion-selective by simply isolating the electrolyte containing the electrolyte that plays the main role in both cells, and those that are not ion-selective (non-porous) A hydrophilic membrane substrate, a porous membrane in which a hydrophilic membrane substrate is embedded or coated, and the like are used. Further, a so-called cation exchange membrane having various anion groups, or a composite membrane in which a cation exchange resin is coated or embedded in pores of a porous membrane substrate, similarly, an anion exchange membrane in which the membrane itself has a cation group, Similarly, a composite membrane in which an anion exchange resin is coated or embedded on a porous membrane base material, a laminated type of the two, and the like are used as a diaphragm, and researches that make use of the respective characteristics are being conducted.
As the diaphragm, an ion-exchange resin diaphragm that sufficiently satisfies the two contradictory properties of electrical resistance (mainly dependent on proton permeability) and metal ion (polyvalent cation) permeability blocking, which is the main active material. Has not been developed so far. Fluorine ion exchange resins are also excellent in proton (H + ) permeability and have not been fully studied for contradictory properties of suppressing the transmission of active material ions. An electrolyte membrane for a redox flow battery that sufficiently satisfies oxidation resistance (hydroxy radical resistance) has not been developed.

上記事情に鑑み、本発明は、プロトン(H+)透過性を悪化させることなく活物質のイオン透過性を抑制することのできる優れたイオン選択透過性を有し、且つ電気抵抗も低く、電流効率にも優れたレドックスフロー二次電池用電解質膜及びそれを用いたレドックスフロー二次電池を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention has excellent ion selective permeability that can suppress the ion permeability of the active material without deteriorating proton (H + ) permeability, has low electrical resistance, An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane for a redox flow secondary battery excellent in efficiency and a redox flow secondary battery using the same.

上記課題を解決するために鋭意検討した結果、本発明者らは、特定の当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含むことにより、優れたイオン選択透過性を有し、且つ電気抵抗も低く、電流効率にも優れた、レドックスフロー二次電池用電解質膜及びそれを用いたレドックスフロー二次電池を達成できることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors are excellent in including a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a specific equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups). The present inventors have found that an electrolyte membrane for a redox flow secondary battery and a redox flow secondary battery using the same having excellent ion selective permeability, low electric resistance and excellent current efficiency can be achieved. I let you.

即ち、本発明は以下のとおりである。
[1]
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜がフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300g/eqであるレドックスフロー二次電池。
[2]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーが、下記式(1)で表される構造を有する重合体を含む、上記[1]記載のレドックスフロー二次電池。
−[CF2CX12a−[CF2−CF(CF2−O−(CFR1b−(CFR2c−X3)]g− (1)
(式中、X1及びX2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X3は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X3がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。)
[3]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーが、下記式(2)で表される繰り返し単位と、下記式(3)で表される繰り返し単位と、を有する重合体を含む、上記[1]記載のレドックスフロー二次電池。
(式中、Q1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Q2は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、Rf2は、パーフルオロアルキル基であり、Zは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基であり、tは、0〜3の整数である。)
[4]
テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位を更に有する、上記[3]記載のレドックスフロー二次電池。
[5]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーが、下記モノマーAに基づく繰り返し単位と下記モノマーBに基づく繰り返し単位を含む共重合体を含む、上記[1]記載のレドックスフロー二次電池。
モノマーA:ラジカル重合により、主鎖に環構造を含む繰り返し単位を有するポリマーを与えるパーフルオロモノマー
モノマーB:CF2=CF−(OCF2CFY1m−Op−(CF2n−SO22で表されるパーフルオロビニルエーテル
(式中、Y1はフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0、Y2はOH又はNHSO2ZであってZはエーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基である。)。
[6]
前記モノマーAに基づく繰り返し単位が、下記式(5)で表されるいずれか1種以上の繰り返し単位である、上記[5]記載のレドックスフロー二次電池。
(式中、nは1〜4の整数であり、Rfは炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基又はパーフルオロアルコキシ基であり、X1、X2はそれぞれ独立にフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。また、(CX12nにおいてnが2以上である場合は、炭素ごとにX1とX2の組合せは異なっていてもよい。)。
[7]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーは、さらに、下記の(A)〜(F)のいずれかの化合物をコモノマーとして共重合したものであり、かつ前記コモノマーに基づく重合単位を反応させて架橋されたものである、上記[1]〜[6]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
(A)二重結合を2個有するパーフルオロ不飽和化合物。
(B)臭素原子を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(C)カルボン酸基、カルボン酸塩基又はカルボン酸エステル基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(D)水酸基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(E)シアノ基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(F)シアナト基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
[8]
前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%である、上記[1]〜[7]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[9]
前記電解質膜がフッ素系微多孔膜からなる補強材を有する、上記[1]〜[8]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[10]
前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して、0.1〜200質量部のポリアゾール系化合物を含む、上記[1]〜[9]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[11]
前記ポリアゾール系化合物が、環内に窒素原子を1個以上含む複素環化合物の重合体、及び環内に窒素原子を1個以上と酸素及び/又は硫黄を含む複素環化合物の重合体からなる群から選択される1種以上である、上記[10]記載のレドックスフロー二次電池。
[12]
前記ポリアゾール系化合物は、ポリイミダゾール系化合物、ポリベンズイミダゾール系化合物、ポリベンゾビスイミダゾール系化合物、ポリベンゾオキサゾール系化合物、ポリオキサゾール系化合物、ポリチアゾール系化合物、及びポリベンゾチアゾール系化合物からなる群から選択される1種以上である、上記[10]又は[11]記載のレドックスフロー二次電池。
[13]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーと前記ポリアゾール系化合物とが、少なくともその一部においてイオン結合を形成している、上記[10]〜[12]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[14]
前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤、Co系添加剤、及びMn系添加剤からなる群から選択されるいずれか1種以上を含む、上記[1]〜[13]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[15]
前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含む、上記[1]〜[14]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[16]
前記レドックスフロー二次電池は、バナジウムを含む硫酸電解液を、正極及び負極電解液として用いたバナジウム系レドックスフロー二次電池である、上記[1]〜[15]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
Having an electrolytic cell containing
The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer,
A redox flow secondary battery in which an equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of the fluoropolymer electrolyte polymer is 300 to 1300 g / eq.
[2]
The redox flow secondary battery according to [1], wherein the fluorine-based polymer electrolyte polymer includes a polymer having a structure represented by the following formula (1).
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (CF 2 -O- (CFR 1) b - (CFR 2) c -X 3)] g - (1)
(Wherein, X 1 and X 2 each independently represents one or more selected from the group consisting of a halogen atom and a C 1-3 perfluoroalkyl group. X 3 represents COOZ, SO 3. Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently any one selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Wherein X 3 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, and R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, having 1 to 10 carbon atoms. One selected from the group consisting of perfluoroalkyl groups and fluorochloroalkyl groups .a and g shows the above, 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1 .c represents an integer of .b 0 to 8 indicating the number satisfying is 0 or 1.)
[3]
The redox flow according to [1] above, wherein the fluoropolymer electrolyte polymer includes a polymer having a repeating unit represented by the following formula (2) and a repeating unit represented by the following formula (3). Secondary battery.
(In the formula, Q 1 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 2 is a perfluoroalkylene which may have a single bond or an etheric oxygen atom. R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and a is a case where X is an oxygen atom 0, 1 when X is a nitrogen atom, 2 when X is a carbon atom, Y is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1, and R f2 is a perfluoroalkyl group, Z is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and t is an integer of 0 to 3.)
[4]
The redox flow secondary battery according to [3], further including a repeating unit based on tetrafluoroethylene.
[5]
The redox flow secondary battery according to [1], wherein the fluorine-based polymer electrolyte polymer includes a copolymer including a repeating unit based on the following monomer A and a repeating unit based on the following monomer B.
Monomer A: Perfluoromonomer B giving a polymer having a repeating unit containing a ring structure in the main chain by radical polymerization B: CF 2 = CF— (OCF 2 CFY 1 ) m —O p — (CF 2 ) n —SO 2 Perfluorovinyl ether represented by Y 2 (wherein Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0) Or 1 and m + p> 0, Y 2 is OH or NHSO 2 Z, and Z is a C 1-6 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom.
[6]
The redox flow secondary battery according to the above [5], wherein the repeating unit based on the monomer A is any one or more repeating units represented by the following formula (5).
(In the formula, n is an integer of 1 to 4, R f is a perfluoroalkyl group or perfluoroalkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, and X 1 and X 2 are each independently a fluorine atom or trifluoromethyl. In addition, when n is 2 or more in (CX 1 X 2 ) n , the combination of X 1 and X 2 may be different for each carbon).
[7]
The fluorine-based polyelectrolyte polymer is a copolymer obtained by copolymerizing any of the following compounds (A) to (F) as a comonomer, and is crosslinked by reacting a polymer unit based on the comonomer. The redox flow secondary battery according to any one of the above [1] to [6].
(A) A perfluoro unsaturated compound having two double bonds.
(B) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a bromine atom.
(C) Polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a carboxylic acid group, a carboxylic acid group or a carboxylic acid ester group.
(D) Polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a hydroxyl group.
(E) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a cyano group.
(F) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a cyanate group.
[8]
The redox flow secondary battery according to any one of [1] to [7], wherein the electrolyte membrane has an equilibrium water content of 5 to 80 mass%.
[9]
The redox flow secondary battery according to any one of [1] to [8], wherein the electrolyte membrane has a reinforcing material made of a fluorine-based microporous membrane.
[10]
Redox in any one of said [1]-[9] in which the said ion exchange resin composition contains 0.1-200 mass parts polyazole type compound with respect to 100 mass parts of said fluoropolymer electrolyte polymers. Flow secondary battery.
[11]
The polyazole compound comprises a polymer of a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring, and a polymer of a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms and oxygen and / or sulfur in the ring. The redox flow secondary battery according to [10], wherein the redox flow secondary battery is one or more selected from the group consisting of:
[12]
The polyazole compound is selected from the group consisting of a polyimidazole compound, a polybenzimidazole compound, a polybenzobisimidazole compound, a polybenzoxazole compound, a polyoxazole compound, a polythiazole compound, and a polybenzothiazole compound. The redox flow secondary battery according to the above [10] or [11], which is one or more selected.
[13]
The redox flow secondary battery according to any one of the above [10] to [12], wherein the fluorine-based polymer electrolyte polymer and the polyazole-based compound form an ionic bond in at least a part thereof.
[14]
The ion exchange resin composition according to any one of [1] to [13], wherein the ion exchange resin composition includes at least one selected from the group consisting of a Ce-based additive, a Co-based additive, and a Mn-based additive. Redox flow secondary battery.
[15]
The above [1] to [14], wherein the ion exchange resin composition contains 0.1 to 20 parts by mass of a polyphenylene ether resin and / or a polyphenylene sulfide resin with respect to 100 parts by mass of the fluoropolymer electrolyte polymer. The redox flow secondary battery according to any one of the above.
[16]
The redox flow secondary battery according to any one of the above [1] to [15], wherein the redox flow secondary battery is a vanadium-based redox flow secondary battery using a sulfuric acid electrolyte containing vanadium as a positive electrode and a negative electrode electrolyte. Next battery.

本発明のレドックスフロー二次電池用電解質膜は、優れたイオン選択透過性を有している。従って、高いプロトン(水素イオン)透過性を有し、低電気抵抗であり、また電解液中の活物質イオンの透過を抑制でき、更には、高い電流効率を発揮する。   The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery of the present invention has excellent ion selective permeability. Therefore, it has high proton (hydrogen ion) permeability, low electrical resistance, can suppress the permeation of active material ions in the electrolytic solution, and further exhibits high current efficiency.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池の概要図の一例を示す。An example of the schematic diagram of the redox flow secondary battery in this embodiment is shown.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の本実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following this embodiment.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池は、
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜がフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWが300〜1300g/eqである。
The redox flow secondary battery in this embodiment is
A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
Having an electrolytic cell containing
The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer,
The equivalent mass EW of the fluoropolymer electrolyte polymer is 300 to 1300 g / eq.

図1は、本実施形態におけるレドックスフロー二次電池の概要図の一例を示す。本実施形態におけるレドックスフロー二次電池10は、炭素電極からなる正極1を含む正極セル室2と、炭素電極からなる負極3を含む負極セル室4と、前記正極セル室2と、前記負極セル室4とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜5と、を含む電解槽6を有し、前記正極セル室2は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室4は活物質を含む負極電解液を含む。活物質を含む正極電解液及び負極電解液は、例えば、正極電解液タンク7及び負極電解液タンク8によって貯蔵され、ポンプ等によって各セル室に供給される。また、レッドクスフロー二次電池によって生じた電流は、交直変換装置9を介して、直流から交流に変換されてもよい。   FIG. 1 shows an example of a schematic diagram of a redox flow secondary battery in the present embodiment. The redox flow secondary battery 10 in this embodiment includes a positive electrode cell chamber 2 including a positive electrode 1 made of a carbon electrode, a negative electrode cell chamber 4 including a negative electrode 3 made of a carbon electrode, the positive electrode cell chamber 2, and the negative electrode cell. An electrolytic cell 6 including an electrolyte membrane 5 as a diaphragm that separates and separates the chamber 4 from the chamber 4, the positive electrode cell chamber 2 containing a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber 4 containing an active material. Includes negative electrode electrolyte. The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte containing the active material are stored, for example, by the positive electrode electrolyte tank 7 and the negative electrode electrolyte tank 8, and are supplied to each cell chamber by a pump or the like. In addition, the current generated by the Redox flow secondary battery may be converted from direct current to alternating current via the AC / DC converter 9.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池は、液透過性で多孔質の集電体電極(負極用、正極用)を隔膜の両側にそれぞれ配置し、押圧でそれらを挟み、隔膜で仕切られた一方を正極セル室、他方を負極セル室とし、スペーサーで両セル室の厚みを確保した構造を有する。
バナジウム系レドックスフロー二次電池の場合、正極セル室には、バナジウム4価(V4+)及び同5価(V5+)を含む硫酸電解液からなる正極電解液を、負極セル室には、バナジウム3価(V3+)及び同2価(V2+)を含む負極電解液を流通させることにより、電池の充電及び放電が行われる。このとき、充電時には、正極セル室においては、バナジウムイオンが電子を放出するためV4+がV5+に酸化され、負極セル室では外路を通じて戻って来た電子によりV3+がV2+に還元される。この酸化還元反応では、正極セル室ではプロトン(H+)が過剰になり、一方負極セル室では、プロトン(H+)が不足する。隔膜は正極セル室の過剰なプロトンを選択的に負極室に移動させ電気的中性が保たれる。放電時には、この逆の反応が進む。この時の電流効率(%)は、放電電力量を充電電力量で除した比率(%)で表され、両電力量は、電池セルの内部抵抗と隔膜のイオン選択性及びその他電流損失に依存する。内部抵抗の減少は電圧効率を向上させ、イオン選択性の向上及びその他電流損失の低減は、電流効率を向上させるので、レドックスフロー二次電池においては、重要な指標となる。
The redox flow secondary battery according to the present embodiment has a liquid-permeable porous collector electrode (for negative electrode and positive electrode) arranged on both sides of the diaphragm, sandwiched by pressing, and partitioned by the diaphragm. Is a positive electrode cell chamber and the other is a negative electrode cell chamber, and the thickness of both cell chambers is secured by a spacer.
In the case of a vanadium-based redox flow secondary battery, a positive electrode electrolyte composed of a sulfuric acid electrolyte containing vanadium tetravalent (V 4+ ) and pentavalent (V 5+ ) in the positive electrode cell chamber, The battery is charged and discharged by circulating a negative electrode electrolyte containing vanadium trivalent (V 3+ ) and divalent (V 2+ ). At this time, at the time of charging, V 4+ is oxidized to V 5+ because vanadium ions emit electrons in the positive electrode cell chamber, and V 3+ is changed to V 2 by electrons returning through the outer path in the negative cell chamber. Reduced to + . In this oxidation-reduction reaction, protons (H + ) are excessive in the positive electrode cell chamber, while protons (H + ) are insufficient in the negative electrode cell chamber. The diaphragm selectively moves excess protons in the positive electrode cell chamber to the negative electrode chamber, thereby maintaining electrical neutrality. The reverse reaction proceeds during discharge. The current efficiency (%) at this time is expressed as a ratio (%) obtained by dividing the discharge power amount by the charge power amount. Both power amounts depend on the internal resistance of the battery cell, the ion selectivity of the diaphragm, and other current losses. To do. A decrease in internal resistance improves voltage efficiency, and an improvement in ion selectivity and other reductions in current loss improve current efficiency, and thus are important indicators for redox flow secondary batteries.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池用電解質膜は、特定の当量質量EWを有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含む。   The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery in the present embodiment includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a specific equivalent mass EW.

本実施形態において「主体とする」とは、樹脂組成物中に該当成分が、好ましくは50〜100質量%、より好ましくは80〜100質量%、更に好ましくは90〜100質量%含まれることをいう。   In this embodiment, “mainly” means that the corresponding component is contained in the resin composition in an amount of preferably 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, and still more preferably 90 to 100% by mass. Say.

[フッ素系高分子電解質ポリマー]
本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(1)で表される構造を有する重合体(以下、「重合体A」とも言う。)を含んでいてもよい。
−[CF2CX12a−[CF2−CF(CF2−O−(CFR1b−(CFR2c−X3)]g− (1)
式中、X1及びX2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X3は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X3がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。
[Fluoropolymer electrolyte polymer]
The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment may include a polymer having a structure represented by the following formula (1) (hereinafter also referred to as “polymer A”).
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (CF 2 -O- (CFR 1) b - (CFR 2) c -X 3)] g - (1)
In the formula, X 1 and X 2 each independently represent one or more selected from the group consisting of a halogen atom and a C 1-3 perfluoroalkyl group. X 3 represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. Z represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ). R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represents one or more selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Here, when X 3 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different. R 1 and R 2 each independently represent one or more selected from the group consisting of a halogen atom, a C 1-10 perfluoroalkyl group and a fluorochloroalkyl group. a and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1. b shows the integer of 0-8. c represents 0 or 1;

1及びX2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。ここで、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。X1及びX2としては、ポリマーの化学的安定性の観点から、フッ素原子、又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基が好ましい。 X 1 and X 2 each independently represent one or more selected from the group consisting of a halogen atom and a C 1 to C 3 perfluoroalkyl group. Here, examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom. X 1 and X 2 are preferably a fluorine atom or a C 1 to C 3 perfluoroalkyl group from the viewpoint of chemical stability of the polymer.

3は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。本明細書においては、X3を、イオン交換基ともいう。 X 3 represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. In the present specification, X 3 is also referred to as an ion exchange group.

Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。ここで、アルカリ金属原子としては、特に限定されず、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子等が挙げられる。また、アルカリ土類金属原子としては、特に限定されず、カルシウム原子、マグネシウム原子等が挙げられる。また、R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X3がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。X3としては、ポリマーの化学的安定性の観点から、SO3Zが好ましい。 Z represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ). Here, it does not specifically limit as an alkali metal atom, A lithium atom, a sodium atom, a potassium atom, etc. are mentioned. Moreover, it does not specifically limit as an alkaline-earth metal atom, A calcium atom, a magnesium atom, etc. are mentioned. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent one or more selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Here, when X 3 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different. X 3 is preferably SO 3 Z from the viewpoint of chemical stability of the polymer.

1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。ここで、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。 R 1 and R 2 each independently represent one or more selected from the group consisting of a halogen atom, a C 1-10 perfluoroalkyl group and a fluorochloroalkyl group. Here, examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.

a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。   a and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1. b shows the integer of 0-8. c represents 0 or 1;

重合体Aとしては、本発明の効果がより顕著となる傾向にあるため、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA樹脂)であることが好ましい。本実施形態におけるPFSA樹脂は、テフロン(登録商標)骨格連鎖からなる主鎖に、側鎖としてパーフルオロカーボンと、それぞれの側鎖に1個ないし2個以上のスルホン酸基(場合により一部が塩の形になっていてもよい)が結合した樹脂である。   The polymer A is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA resin) because the effects of the present invention tend to become more prominent. The PFSA resin in this embodiment has a main chain composed of a Teflon (registered trademark) skeleton chain, a perfluorocarbon as a side chain, and one to two or more sulfonic acid groups in each side chain (some of which are partially salted). It may be in the form of

本実施形態における重合体Aは、
−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、
式(2):CF2=CF−(CF2CFXO)n−[A](式中、Xは、F又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数を示す。[A]は(CF2m−W(mは0〜6の整数を示す。ただし、nとmは同時に0にならない。WはSO3Hを示す。)、又は
式(3):CF2=CF−(CF2P−CF(−O−(CF2K−W)若しくはCF2=CF−(CF2P−CF(−(CF2L−O−(CF2m−W)(式中、Pは0〜5の整数を示し、kは1〜5の整数を示し、Lは1〜5の整数を示し、mは0〜6の整数を示す。ただし、kとLは同じでも、異なっていてもよく、P、K、Lは同時に0とはならない。)で表される繰り返し単位、
とからなることが好ましい。
The polymer A in this embodiment is
- and a repeating unit represented by formula, - (CF 2 -CF 2)
Equation (2): CF 2 = CF- (CF 2 CFXO) n - [A] ( wherein, X represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, n represents an integer of 0 to 5 [A] is (CF 2 ) m —W (m represents an integer of 0 to 6. However, n and m are not 0 at the same time. W represents SO 3 H.) or formula (3) : CF 2 = CF- (CF 2 ) P -CF (-O- (CF 2) K -W) or CF 2 = CF- (CF 2) P -CF (- (CF 2) L -O- (CF 2 ) m -W) (wherein P represents an integer of 0 to 5, k represents an integer of 1 to 5, L represents an integer of 1 to 5, and m represents an integer of 0 to 6). However, k and L may be the same or different, and P, K and L are not 0 at the same time.)
It is preferable to consist of.

PFSA樹脂は、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位(式中、Xは、F又はCF3を示し、nは0〜5の整数を示し、mは0〜12の整数を示す。ただし、nとmは同時に0にならない。)と、を含む共重合体であることがより好ましい。PFSA樹脂が上記構造を有する共重合体であり、且つ所定の当量質量EWを有する場合、得られる電解質膜は十分な親水性を有し、且つ酸化劣化で生成するラジカル種への耐性が強くなる傾向にある。 PFSA resin, - a repeating unit represented by, - - (CF 2 -CF 2 ) (CF 2 -CF (- (CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H)) - Table Repeating unit (wherein, X represents F or CF 3 , n represents an integer of 0 to 5, m represents an integer of 0 to 12, provided that n and m are not 0 at the same time). It is more preferable that the copolymer contains When the PFSA resin is a copolymer having the above structure and has a predetermined equivalent mass EW, the obtained electrolyte membrane has sufficient hydrophilicity and has high resistance to radical species generated by oxidative degradation. There is a tendency.

さらに、PFSA樹脂の前記−(CF2−CF(−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位中のnが0であり、mが1〜6の整数であるもの、又は式(3)で表されるCF2=CF−(CF2P−CF(−O−(CF2K−W)及びCF2=CF−(CF2P−CF(−(CF2L−O−(CF2m−W)の両方の繰り返し単位を含む場合、当量質量EWが低くなり、得られる電解質膜の親水性が高くなる傾向にある。 Furthermore, n in the repeating unit represented by the above-described — (CF 2 —CF (— (CF 2 CFXO) n — (CF 2 ) m —SO 3 H)) — of the PFSA resin is 0, and m is 1 what is 6 integer, or CF 2 = CF- (CF 2) P -CF of the formula (3) (-O- (CF 2 ) K -W) and CF 2 = CF- (CF 2 ) P -CF (- (CF 2 ) L -O- (CF 2) if it contains repeating units of both m -W), equivalent weight EW is low, a tendency that hydrophilicity of the electrolyte membrane obtained is high is there.

本実施形態における重合体Aとしては、本発明の効果がより顕著となる傾向にあるため、下記式(4)で表される構造を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)であることが好ましい。
−[CF2CF2a−[CF2−CF((−(CF2m−X4)]g− (4)
(式中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
The polymer A in the present embodiment is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA) having a structure represented by the following formula (4) because the effects of the present invention tend to become more prominent.
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF ((- (CF 2) m -X 4)] g - (4)
(In the formula, a and g represent a number satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, m represents an integer of 1 to 6, and X 4 represents SO 3 H.)

(重合体Aの製造方法)
本実施形態における重合体Aは、例えば、樹脂前駆体を製造した後、それを加水分解処理することにより得ることができる。
PFSA樹脂の場合、例えば、下記一般式(5)で表されるフッ化ビニルエーテル化合物と、下記一般式(6)で表されるフッ化オレフィンモノマーとの共重合体からなるPFSA樹脂前駆体を加水分解することにより得られる。
(Method for producing polymer A)
The polymer A in this embodiment can be obtained, for example, by producing a resin precursor and then hydrolyzing it.
In the case of a PFSA resin, for example, a PFSA resin precursor composed of a copolymer of a fluorinated vinyl ether compound represented by the following general formula (5) and a fluorinated olefin monomer represented by the following general formula (6) is added with water. It is obtained by decomposing.

CF2=CF−(CF2CFXO)n−[A] (5)
(式中、Xは、F又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数を示し、Aは(CF2m−W、又はCF2=CF−(CF2P−CF((−O−(CF2K−W)若しくはCF2=CF−(CF2P−CF(−(CF2L−O−(CF2m−W)を示し、pは0〜12の整数を示し、mは0〜6の整数を示し(ただし、nとmは同時に0にならない。)、kは1〜5の整数を示し、Lは1〜5の整数を示し(ただし、nとL又はKは同時に0とならない。)、Wは加水分解によりSO3Hに転換し得る官能基を示す。)
CF2=CFZ (6)
(式中、Zは、H、Cl、F、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基、又は酸素を含んでいてもよい環状パーフルオロアルキル基を示す。)
CF 2 = CF- (CF 2 CFXO ) n - [A] (5)
(In the formula, X represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, n represents an integer of 0 to 5, and A represents (CF 2 ) m —W or CF 2 = CF— (CF the - ((CF 2) L -O- (CF 2) m -W) - 2) P -CF ((O- (CF 2) K -W) or CF 2 = CF- (CF 2) P -CF P represents an integer of 0 to 12, m represents an integer of 0 to 6 (where n and m are not 0 at the same time), k represents an integer of 1 to 5, and L represents 1 to 5 (However, n and L or K are not 0 simultaneously.) W represents a functional group that can be converted to SO 3 H by hydrolysis.)
CF 2 = CFZ (6)
(In the formula, Z represents H, Cl, F, a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, or a cyclic perfluoroalkyl group that may contain oxygen.)

上記式(5)中の加水分解によりSO3Hに転換しうる官能基を示すWとしては、特に限定されないが、SO2F、SO2Cl、SO2Brが好ましい。また、上記式において、X=CF3、W=SO2F、Z=Fであることがより好ましい。中でも、n=0、m=0〜6の整数(ただし、nとmは同時に0にならない。)であり、X=CF3、W=SO2F、Z=Fであることが、高い親水性及び高い樹脂濃度の溶液が得られる傾向にあるため、特に好ましい。 The W shown a functional group capable of conversion to SO 3 H by hydrolysis in the above formula (5) is not particularly limited, SO 2 F, SO 2 Cl , SO 2 Br are preferred. In the above formula, it is more preferable that X = CF 3 , W = SO 2 F, and Z = F. Among them, n = 0, m = 0 to 6 (however, n and m are not 0 at the same time), and X = CF 3 , W = SO 2 F, and Z = F are highly hydrophilic. It is particularly preferable because it tends to obtain a solution with high resin concentration.

本実施形態における樹脂前駆体は、公知の手段により合成することができる。例えば、ラジカル発生剤の過酸化物を利用した重合法等にて、含フッ素炭化水素等の重合溶剤を使用し、上記イオン交換基前駆体を有するフッ化ビニル化合物とテトラフルオロエチレン(TFE)などのフッ化オレフィンのガスを充填溶解して反応させることにより重合する方法(溶液重合)、含フッ素炭化水素等の溶媒を使用せずフッ化ビニル化合物そのものを重合溶剤として重合する方法(塊状重合)、界面活性剤の水溶液を媒体として、フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを充填して反応させることにより重合する方法(乳化重合)、界面活性剤及びアルコール等の助乳化剤の水溶液に、フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスを充填、乳化して反応させることにより重合する方法(エマルジョン重合)、及び懸濁安定剤の水溶液にフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスを充填懸濁して反応させることにより重合する方法(懸濁重合)等が知られている。   The resin precursor in this embodiment can be synthesized by a known means. For example, in a polymerization method using a peroxide of a radical generator, a vinyl fluoride compound having the above ion exchange group precursor and tetrafluoroethylene (TFE) using a polymerization solvent such as a fluorinated hydrocarbon Polymerization by filling and dissolving fluorinated olefin gas (solution polymerization), Polymerization using vinyl fluoride compound itself as polymerization solvent without using solvents such as fluorine-containing hydrocarbons (bulk polymerization) , Using a surfactant aqueous solution as a medium, a method of polymerizing by filling and reacting a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas (emulsion polymerization), an aqueous solution of a co-emulsifier such as a surfactant and alcohol, A method of polymerization (emulsion polymerization) and suspension by filling a gas of vinyl fluoride compound and fluorinated olefin, emulsifying and reacting them. A method of polymerization by reacting filled suspending fluoride vinyl compound and the fluorinated olefin gas in an aqueous solution of Jozai (suspension) and the like are known.

本実施形態においては上述したいずれの重合方法で作製されたものでも使用することができる。また、TFEガスの供給量等の重合条件を調整することにより得られる、ブロック状やテーパー状の重合体でもよい。   In the present embodiment, any of those prepared by any of the polymerization methods described above can be used. Moreover, the polymer of a block shape or a taper shape obtained by adjusting superposition | polymerization conditions, such as the supply amount of TFE gas, may be sufficient.

また、樹脂前駆体は、重合反応中に樹脂分子構造中に生成した不純末端や、構造上酸化されやすい部分(CO基、H結合部分等)を、公知の方法によりフッ素ガス下で処理し、該部分をフッ化してもよい。   Further, the resin precursor is obtained by treating an impure terminal generated in the resin molecular structure during the polymerization reaction or a portion that is structurally susceptible to oxidation (CO group, H bond portion, etc.) under a fluorine gas by a known method, The portion may be fluorinated.

また、樹脂前駆体の分子量は、該前駆体を、ASTM:D1238に準拠して(測定条件:温度270℃、荷重2160g)測定されたメルトフローインデックス(MFI)の値で0.05〜50(g/10分)である。前駆体樹脂のMFIの好ましい範囲は0.1〜30(g/10分)であり、より好ましい範囲は0.5〜20(g/10分)である。   The molecular weight of the resin precursor is 0.05 to 50 (melt flow index (MFI) value measured according to ASTM: D1238 (measurement conditions: temperature 270 ° C., load 2160 g). g / 10 minutes). The preferable range of MFI of the precursor resin is 0.1 to 30 (g / 10 minutes), and the more preferable range is 0.5 to 20 (g / 10 minutes).

樹脂前駆体は、押し出し機を用いてノズル又はダイ等で押し出し成型した後、加水分解処理を行うか、重合した時の産出物のまま、即ち分散液状、又は沈殿、ろ過させた粉末状の物とした後、加水分解処理を行う。樹脂前駆体の形状は特に限定されるものではないが、後述の加水分解処理及び酸処理における処理速度を速める観点から、0.5cm3以下のペレット状であるか、分散液状、粉末粒子状であることが好ましく、中でも、重合後の粉末状体のものを用いることが好ましい。コストの観点からは、押し出し成型したフィルム状の樹脂前駆体を用いてもよい。 The resin precursor is extruded with a nozzle or die using an extruder, and then subjected to hydrolysis treatment, or is a product produced when polymerized, that is, a dispersed liquid, or a powdered product that is precipitated and filtered. Then, hydrolysis treatment is performed. The shape of the resin precursor is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the treatment speed in the hydrolysis treatment and acid treatment described later, it is in the form of pellets of 0.5 cm 3 or less, or in the form of dispersed liquid or powder particles. Among them, it is preferable to use a powdery product after polymerization. From the viewpoint of cost, an extruded film-like resin precursor may be used.

上記のようにして得られ、必要に応じて成型された樹脂前駆体は、引き続き塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解処理される。加水分解処理に使用する塩基性反応液としては、特に限定されるものではないが、ジメチルアミン、ジエチルアミン、モノメチルアミン及びモノエチルアミン等のアミン化合物の水溶液や、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液が好ましく、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの水溶液が特に好ましい。アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物を用いる場合、その含有量は特に限定されないが、反応液全体に対して10〜30質量%であることが好ましい。上記反応液は、さらにメチルアルコール、エチルアルコール、アセトン及びDMSO等の膨潤性有機化合物を含有することがより好ましい。膨潤性の有機化合物の含有量は、反応液全体に対して1〜30質量%であることが好ましい。   The resin precursor obtained as described above and molded as necessary is subsequently immersed in a basic reaction liquid and hydrolyzed. The basic reaction solution used for the hydrolysis treatment is not particularly limited, but is an aqueous solution of an amine compound such as dimethylamine, diethylamine, monomethylamine and monoethylamine, or hydroxide of an alkali metal or alkaline earth metal. An aqueous solution of the product is preferable, and an aqueous solution of sodium hydroxide and potassium hydroxide is particularly preferable. When the alkali metal or alkaline earth metal hydroxide is used, the content is not particularly limited, but is preferably 10 to 30% by mass with respect to the entire reaction solution. More preferably, the reaction solution further contains a swellable organic compound such as methyl alcohol, ethyl alcohol, acetone and DMSO. The content of the swellable organic compound is preferably 1 to 30% by mass with respect to the entire reaction solution.

樹脂前駆体は、前記塩基性反応液体中で加水分解処理された後、温水等で十分に水洗し、その後、酸処理が行なわれる。酸処理に使用する酸としては、特に限定されないが、塩酸、硫酸及び硝酸等の鉱酸類や、シュウ酸、酢酸、ギ酸及びトリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましく、これらの酸と水との混合物がより好ましい。また、上記酸類は単独で用いても2種以上を併用してもよい。また、加水分解処理で用いた塩基性反応液は、カチオン交換樹脂で処理すること等により、酸処理の前に予め除去してもよい。   The resin precursor is hydrolyzed in the basic reaction liquid, then sufficiently washed with warm water and the like, and then acid-treated. The acid used for the acid treatment is not particularly limited, but preferred are mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid, and a mixture of these acids and water. Is more preferable. Moreover, the said acids may be used independently or may use 2 or more types together. The basic reaction solution used in the hydrolysis treatment may be removed in advance before the acid treatment, for example, by treatment with a cation exchange resin.

酸処理によって樹脂前駆体はプロトン化されてイオン交換基が生成する。例えば、PFSA樹脂前駆体のWは酸処理によってプロトン化され、SO3Hとなる。加水分解及び酸処理することによって得られたフッ素系高分子電解質ポリマーは、プロトン性有機溶媒、水、又は両者の混合溶媒に分散又は溶解することが可能となる。 By the acid treatment, the resin precursor is protonated to generate ion exchange groups. For example, W of the PFSA resin precursor is protonated by acid treatment to become SO 3 H. The fluorine-based polymer electrolyte polymer obtained by the hydrolysis and acid treatment can be dispersed or dissolved in a protic organic solvent, water, or a mixed solvent of both.

本実施形態のおけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(7)で表される繰り返し単位と、下記式(8)で表される繰り返し単位と、を有する重合体(以下、「重合体B」とも言う。)を含んでいてもよい。   The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment is a polymer having a repeating unit represented by the following formula (7) and a repeating unit represented by the following formula (8) (hereinafter referred to as “polymer B”). May also be included.).

式中、Q1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Q2は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、Rf1は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、Rf2は、パーフルオロアルキル基であり、Zは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基であり、tは、0〜3の整数である。単結合は、CYの炭素原子とSO2のイオウ原子とが直接結合していることを意味する。有機基は、炭素原子を1以上含む基を意味する。 In the formula, Q 1 is a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 2 is a perfluoroalkylene group which may have a single bond or an etheric oxygen atom. R f1 is a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, and a is 0 when X is an oxygen atom. 1 when X is a nitrogen atom, 2 when X is a carbon atom, Y is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1, and R f2 Is a perfluoroalkyl group, Z is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and t is an integer of 0-3. The single bond means that the carbon atom of CY and the sulfur atom of SO 2 are directly bonded. An organic group means a group containing one or more carbon atoms.

本実施形態においては、式(7)で表される繰り返し単位を単位(7)と記す。他の式で表される繰り返し単位も同様に記す。繰り返し単位は、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。繰り返し単位は、重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ポリマーを処理することによって該単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。また、本実施形態においては、式(u1)で表される化合物を化合物(u1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。   In the present embodiment, the repeating unit represented by the formula (7) is referred to as a unit (7). Repeating units represented by other formulas are also described in the same manner. The repeating unit means a unit derived from the monomer formed by polymerization of the monomer. The repeating unit may be a unit directly formed by a polymerization reaction, or may be a unit in which a part of the unit is converted into another structure by treating the polymer. In this embodiment, a compound represented by the formula (u1) is referred to as a compound (u1). The same applies to compounds represented by other formulas.

単位(7):
1、Q2のパーフルオロアルキレン基がエーテル性の酸素原子を有する場合、該酸素原子は、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、該酸素原子は、パーフルオロアルキレン基の炭素原子−炭素原子結合間に挿入されていてもよく、炭素原子結合末端に挿入されていてもよい。パーフルオロアルキレン基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。パーフルオロアルキレン基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。炭素数が6以下であれば、原料の含フッ素モノマーの沸点が低くなり、蒸留精製が容易となる。また、炭素数が6以下であれば、重合体Bの当量質量の増加が抑えられ、電解質膜のプロトン伝導率の低下が抑えられる。
Unit (7):
When the perfluoroalkylene group of Q 1 and Q 2 has an etheric oxygen atom, the oxygen atom may be one or two or more. The oxygen atom may be inserted between the carbon atom-carbon atom bonds of the perfluoroalkylene group or may be inserted at the carbon atom bond terminal. The perfluoroalkylene group may be linear or branched, and is preferably linear. 1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkylene group, 1-4 are more preferable. If the number of carbon atoms is 6 or less, the boiling point of the raw fluorine-containing monomer is lowered, and distillation purification becomes easy. Moreover, if carbon number is 6 or less, the increase in the equivalent mass of the polymer B will be suppressed, and the fall of the proton conductivity of an electrolyte membrane will be suppressed.

2は、エーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。Q2がエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であれば、Q2が単結合である場合に比べ、長期にわたってレドックスフロー二次電池を運転した際に、発電性能の安定性に優れる。Q1、Q2の少なくとも一方は、エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基であることが好ましい。エーテル性の酸素原子を有する炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基を有する含フッ素モノマーは、フッ素ガスによるフッ素化反応を経ずに合成できるため、収率が良好で、製造が容易である。 Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom. When Q 2 is a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom, the redox flow secondary battery was operated over a longer period than when Q 2 was a single bond. In particular, the stability of the power generation performance is excellent. At least one of Q 1 and Q 2 is preferably a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom. Since the fluorine-containing monomer having a C 1-6 perfluoroalkylene group having an etheric oxygen atom can be synthesized without undergoing a fluorination reaction with a fluorine gas, the yield is good and the production is easy.

f1のパーフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよく、直鎖状であることが好ましい。パーフルオロアルキル基の炭素数は、1〜6が好ましく、1〜4がより好ましい。パーフルオロアルキル基としては、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基等が好ましい。単位(7)が2つ以上のRf1を有する場合、Rf1は、それぞれ同じ基であってもよく、それぞれ異なる基であってもよい。 The perfluoroalkyl group for R f1 may be linear or branched, and is preferably linear. 1-6 are preferable and, as for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-4 are more preferable. As the perfluoroalkyl group, a perfluoromethyl group, a perfluoroethyl group, and the like are preferable. When the unit (7) has two or more R f1 s , R f1 may be the same group or different groups.

−(SO2X(SO2f1a-+基は、イオン性基である。−(SO2X(SO2f1a-+基としては、スルホン酸基(−SO3 -+基)、スルホンイミド基(−SO2N(SO2f1-+基)、またはスルホンメチド基(−SO2C(SO2f12-+基)が挙げられる。 The — (SO 2 X (SO 2 R f1 ) a ) H + group is an ionic group. - (SO 2 X (SO 2 R f1) a) - The H + group, a sulfonic acid group (-SO 3 - H + group), a sulfonimide group (-SO 2 N (SO 2 R f1) - H + group), or a sulfonmethide group (-SO 2 C (SO 2 R f1) 2) - H + group).

Yとしては、フッ素原子、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖のパーフルオロアルキル基であることが好ましい。   Y is preferably a fluorine atom or a linear perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have an etheric oxygen atom.

単位(7)としては、単位(M1)が好ましく、重合体Hの製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(M11)、単位(M12)または単位(M13)がより好ましい。   As the unit (7), the unit (M1) is preferable, and the unit (M11), the unit (M12), or the unit (M13) is more preferable because the production of the polymer H is easy and industrial implementation is easy. preferable.

ただし、RF11は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよい炭素数1〜6の直鎖状のパーフルオロアルキレン基であり、RF12は、炭素数1〜6の直鎖状のパーフルオロアルキレン基である。 R F11 is a straight-chain perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms which may have a single bond or an etheric oxygen atom, and R F12 is a straight chain having 1 to 6 carbon atoms. It is a chain perfluoroalkylene group.

単位(8):
f2のパーフルオロアルキル基は、直鎖状であってもよく、分岐状であってもよい。パーフルオロアルキル基の炭素数は、1〜12が好ましい。炭素数が12以下であれば、重合体Bの当量質量の増加が抑えられ、電解質膜のプロトン伝導率の低下が抑えられる。Zとしては、フッ素原子またはトリフルオロメチル基が好ましい。
Unit (8):
The perfluoroalkyl group for R f2 may be linear or branched. As for carbon number of a perfluoroalkyl group, 1-12 are preferable. If the number of carbon atoms is 12 or less, an increase in the equivalent mass of the polymer B can be suppressed, and a decrease in proton conductivity of the electrolyte membrane can be suppressed. Z is preferably a fluorine atom or a trifluoromethyl group.

単位(8)としては、単位(M2)が好ましく、重合体Bの製造が容易であり、工業的実施が容易である点から、単位(M21)または単位(M22)がより好ましい。   The unit (8) is preferably the unit (M2), more preferably the unit (M21) or the unit (M22) from the viewpoint that the production of the polymer B is easy and industrial implementation is easy.

ただし、qは、1〜12の整数である。   However, q is an integer of 1-12.

他の単位:
重合体Bは、さらに、後述する他のモノマーに基づく繰り返し単位(以下、他の単位と記す。)を有していてもよい。他の単位の割合は、重合体Bの、当量質量が後述の好ましい範囲となるように、適宜調整すればよい。
Other units:
The polymer B may further have a repeating unit (hereinafter referred to as another unit) based on another monomer described later. What is necessary is just to adjust suitably the ratio of another unit so that the equivalent mass of the polymer B may become the preferable range mentioned later.

他の単位としては、電解質膜の機械的強度および化学的な耐久性の点から、パーフルオロモノマーに基づく繰り返し単位が好ましく、テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位がより好ましい。テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位の割合は、電解質膜の機械的強度および化学的な耐久性の点から、重合体Bを構成する全繰り返し単位(100モル%)のうち、20モル%以上が好ましく、40モル%以上がより好ましい。テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位の割合は、電解質膜の電気抵抗の点から、重合体Bを構成する全繰り返し単位(100モル%)のうち、92モル%以下が好ましく、87モル%以下がより好ましい。   The other unit is preferably a repeating unit based on a perfluoromonomer, more preferably a repeating unit based on tetrafluoroethylene, from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability of the electrolyte membrane. The proportion of repeating units based on tetrafluoroethylene is preferably 20 mol% or more of all repeating units (100 mol%) constituting the polymer B from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability of the electrolyte membrane. 40 mol% or more is more preferable. The proportion of repeating units based on tetrafluoroethylene is preferably 92 mol% or less, more preferably 87 mol% or less, of all repeating units (100 mol%) constituting the polymer B from the viewpoint of the electric resistance of the electrolyte membrane. preferable.

重合体Bは、単位(7)、単位(8)、他の単位を、それぞれ1種ずつ有していてもよく、それぞれ2種以上有していてもよい。重合体Bは、電解質膜の化学的な耐久性の点から、パーフルオロポリマーであることが好ましい。   The polymer B may have one each of the unit (7), the unit (8), and other units, or may have two or more of each. The polymer B is preferably a perfluoropolymer from the viewpoint of chemical durability of the electrolyte membrane.

重合体Bにおける単位(8)の割合は、単位(8)/(単位(7)+単位(8))とした場合、0.05〜0.30(モル比)が好ましく、0.075〜0.25がより好ましく、0.1〜0.2がさらに好ましい。単位(8)の割合が0.05以上であれば、電解質膜の湿潤状態と乾燥状態との繰り返しに対する耐久性が高くなり、固体高分子形燃料電池を長期にわたって安定して運転できる。単位(8)の割合が0.30以下であれば、電解質膜の含水率が高すぎることなく、また、軟化温度およびガラス転移温度も低くなりすぎることなく、電解質膜の機械的強度を保持できる。   When the ratio of the unit (8) in the polymer B is unit (8) / (unit (7) + unit (8)), 0.05 to 0.30 (molar ratio) is preferable, and 0.075 to 0.25 is more preferable, and 0.1 to 0.2 is more preferable. If the ratio of the unit (8) is 0.05 or more, the durability against repetition of the wet state and the dry state of the electrolyte membrane becomes high, and the solid polymer fuel cell can be stably operated over a long period of time. When the ratio of the unit (8) is 0.30 or less, the water content of the electrolyte membrane is not too high, and the mechanical strength of the electrolyte membrane can be maintained without the softening temperature and the glass transition temperature becoming too low. .

重合体Bの重量平均分子量は、1×104〜1×107が好ましく、5×104〜5×106がより好ましく、1×105〜3×106がさらに好ましい。重合体Bの重量平均分子量が1×104以上であれば、膨潤度等の物性が経時的に変化しにくく、電解質膜の耐久性が充分となる。重合体Bの重量平均分子量が1×107以下であれば、溶液化および成形が容易となる。 The weight average molecular weight of the polymer B is preferably 1 × 10 4 to 1 × 10 7, more preferably 5 × 10 4 to 5 × 10 6 , and even more preferably 1 × 10 5 to 3 × 10 6 . If the weight average molecular weight of the polymer B is 1 × 10 4 or more, the physical properties such as the degree of swelling hardly change over time, and the durability of the electrolyte membrane is sufficient. If the weight average molecular weight of the polymer B is 1 × 10 7 or less, solutionization and molding are facilitated.

重合体Bの重量平均分子量は、TQ値を測定することにより評価できる。TQ値(単位:℃)は、ポリマーの分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm3/秒となる温度である。たとえば、TQ値が200〜300℃であるポリマーは、ポリマーを構成する繰り返し単位の組成で異なるが、重量平均分子量が1×105〜1×106に相当する。 The weight average molecular weight of the polymer B can be evaluated by measuring the TQ value. The TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer, and the extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm is 100 mm. The temperature is 3 / sec. For example, a polymer having a TQ value of 200 to 300 ° C. corresponds to a weight average molecular weight of 1 × 10 5 to 1 × 10 6 although the composition of repeating units constituting the polymer differs.

(重合体Bの製造方法)
重合体Bは、たとえば、下記工程を経て製造できる。
(I)化合物(u1)、化合物(u2)、および必要に応じて他のモノマーを重合し、−SO2F基を有する前駆体ポリマー(以下、「ポリマーF」と記す。)を得る工程。
(Method for producing polymer B)
The polymer B can be manufactured through the following processes, for example.
(I) A step of polymerizing the compound (u1), the compound (u2), and, if necessary, another monomer to obtain a precursor polymer having a —SO 2 F group (hereinafter referred to as “polymer F”).

(II)必要に応じて、ポリマーFとフッ素ガスとを接触させ、ポリマーFの不安定末端基をフッ素化する工程。
(III)ポリマーFの−SO2F基をスルホン酸基、スルホンイミド基、またはスルホンメチド基に変換し、重合体Bを得る工程。
(II) A step of bringing the polymer F and fluorine gas into contact with each other as necessary to fluorinate unstable terminal groups of the polymer F.
(III) A step of converting the —SO 2 F group of the polymer F into a sulfonic acid group, a sulfonimide group, or a sulfonemethide group to obtain a polymer B.

(I)工程:
化合物(u1)としては、化合物(m1)が好ましく、化合物(m11)、化合物(m12)または化合物(m13)がより好ましい。
(I) Process:
As the compound (u1), the compound (m1) is preferable, and the compound (m11), the compound (m12), or the compound (m13) is more preferable.

化合物(m1)は、たとえば、下記合成ルートにより製造できる。   Compound (m1) can be produced, for example, by the following synthesis route.

化合物(u2)としては、化合物(m2)が好ましく、化合物(m21)または化合物(m22)がより好ましい。   As the compound (u2), the compound (m2) is preferable, and the compound (m21) or the compound (m22) is more preferable.

化合物(u2)は、たとえば、米国特許第3291843号明細書の実施例に記載の方法等、公知の合成方法により製造できる。   Compound (u2) can be produced, for example, by a known synthesis method such as the method described in Examples of US Pat. No. 3,291,843.

他のモノマーとしては、たとえば、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレンン、パーフルオロα−オレフィン類(ヘキサフルオロプロピレン等。)、(パーフルオロアルキル)エチレン類((パーフルオロブチル)エチレン等。)、(パーフルオロアルキル)プロペン類(3−パーフルオロオクチル−1−プロペン等。)、以下の式(9)で表される化合物が挙げられる。   Examples of other monomers include tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, trifluoroethylene, vinylidene fluoride, vinyl fluoride, ethylene, propylene, perfluoro α-olefins (such as hexafluoropropylene), and (perfluoroethylene). Fluoroalkyl) ethylenes (such as (perfluorobutyl) ethylene), (perfluoroalkyl) propenes (such as 3-perfluorooctyl-1-propene), and compounds represented by the following formula (9): It is done.

CF2=CF−(OCF2CFY1m−Op−(CF2n−SO2F ・・・(9)
ここで、Y1は、フッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、mは、0〜3の整数であり、nは、1〜12の整数であり、pは、0または1であり、かつ、m+p>0である。
CF 2 = CF- (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) n -SO 2 F ··· (9)
Here, Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and m + p> 0.

他のモノマーのうち、電解質膜の機械的強度および化学的な耐久性の点から、パーフルオロモノマーが好ましく、テトラフルオロエチレンがより好ましい。   Of the other monomers, perfluoromonomer is preferable and tetrafluoroethylene is more preferable from the viewpoint of mechanical strength and chemical durability of the electrolyte membrane.

重合法としては、バルク重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が挙げられる。また、液体または超臨界の二酸化炭素中にて重合を行ってもよい。重合は、ラジカルが生起する条件で行われる。ラジカルを生起させる方法としては、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、ラジカル開始剤を添加する方法等が挙げられる。   Examples of the polymerization method include known polymerization methods such as a bulk polymerization method, a solution polymerization method, a suspension polymerization method, and an emulsion polymerization method. Moreover, you may superpose | polymerize in a liquid or supercritical carbon dioxide. Polymerization is performed under conditions where radicals occur. Examples of the method for generating radicals include a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, and electron beams, a method of adding a radical initiator, and the like.

重合温度は、通常、10〜150℃である。ラジカル開始剤としては、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられ、不安定末端基が少ないポリマーFが得られる点から、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類等のパーフルオロ化合物が好ましい。   The polymerization temperature is usually 10 to 150 ° C. Examples of radical initiators include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, azo compounds, persulfates, and the like. Perfluoro compounds such as bis (fluoroacyl) peroxides are preferred from the viewpoint of obtaining a polymer F having few unstable terminal groups.

溶液重合法にて用いる溶媒としては、20〜350℃の沸点を有する溶媒が好ましく、40〜150℃の沸点を有する溶媒がより好ましい。溶媒としては、パーフルオロトリアルキルアミン類(パーフルオロトリブチルアミン等。)、パーフルオロカーボン類(パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン等。)、ハイドロフルオロカーボン類(1H,4H−パーフルオロブタン、1H−パーフルオロヘキサン等。)、ハイドロクロロフルオロカーボン類(3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン、1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン等。)が挙げられる。   As the solvent used in the solution polymerization method, a solvent having a boiling point of 20 to 350 ° C is preferable, and a solvent having a boiling point of 40 to 150 ° C is more preferable. Examples of the solvent include perfluorotrialkylamines (perfluorotributylamine, etc.), perfluorocarbons (perfluorohexane, perfluorooctane, etc.), hydrofluorocarbons (1H, 4H-perfluorobutane, 1H-perfluoro Hexane, etc.), hydrochlorofluorocarbons (3,3-dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane, 1,3-dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane, etc. .).

溶液重合法においては、溶媒中にモノマー、ラジカル開始剤等を添加し、溶媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。モノマーの添加は、一括添加であってもよく、逐次添加であってもよく、連続添加であってもよい。   In the solution polymerization method, a monomer, a radical initiator or the like is added to a solvent, and radicals are generated in the solvent to polymerize the monomer. The monomer may be added all at once, sequentially, or continuously.

懸濁重合法においては、水を分散媒として用い、該分散媒中にモノマー、非イオン性のラジカル開始剤等を添加し、分散媒中にてラジカルを生起させてモノマーの重合を行う。非イオン性のラジカル開始剤としては、ビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、ジアルキルパーオキシド類、ビス(フルオロアルキル)パーオキシド類、アゾ化合物類等が挙げられる。   In the suspension polymerization method, water is used as a dispersion medium, a monomer, a nonionic radical initiator or the like is added to the dispersion medium, and radicals are generated in the dispersion medium to polymerize the monomer. Nonionic radical initiators include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, dialkyl peroxides, bis (Fluoroalkyl) peroxides, azo compounds and the like can be mentioned.

分散媒には、助剤として前記溶媒;懸濁粒子の凝集を防ぐ分散安定剤として界面活性剤;分子量調整剤として炭化水素系化合物(ヘキサン、メタノール等。)等を添加してもよい。   The dispersion medium may contain the above-mentioned solvent as an auxiliary agent; a surfactant as a dispersion stabilizer that prevents aggregation of suspended particles; a hydrocarbon compound (hexane, methanol, etc.) as a molecular weight regulator.

(II)工程:
不安定末端基とは、連鎖移動反応によって形成される基、ラジカル開始剤に基づく基等であり、具体的には、−COOH基、−CF=CF2基、−COF基、−CF2H基等である。不安定末端基をフッ素化または安定化することにより、ポリマーHの分解が抑えられ、電解質膜の耐久性が向上する。
(II) Process:
The unstable terminal group is a group formed by a chain transfer reaction, a group based on a radical initiator or the like, and specifically includes a —COOH group, a —CF═CF 2 group, a —COF group, —CF 2 H. Group. By fluorinating or stabilizing the unstable terminal group, the decomposition of the polymer H is suppressed, and the durability of the electrolyte membrane is improved.

フッ素ガスは、窒素、ヘリウム、二酸化炭素等の不活性ガスで希釈して用いてもよく、希釈せずにそのまま用いてもよい。ポリマーFとフッ素ガスとを接触させる際の温度は、室温〜300℃が好ましく、50〜250℃がより好ましく、100〜220℃がさらに好ましく、150〜200℃が特に好ましい。ポリマーFとフッ素ガスとの接触時間は、1分〜1週間が好ましく、1〜50時間がより好ましい。   The fluorine gas may be diluted with an inert gas such as nitrogen, helium or carbon dioxide, or may be used as it is without being diluted. The temperature at which the polymer F and the fluorine gas are brought into contact is preferably from room temperature to 300 ° C, more preferably from 50 to 250 ° C, further preferably from 100 to 220 ° C, particularly preferably from 150 to 200 ° C. The contact time between the polymer F and the fluorine gas is preferably 1 minute to 1 week, and more preferably 1 to 50 hours.

(III)工程:
たとえば、−SO2F基をスルホン酸基に変換する場合は、(III−1)工程を行い、−SO2F基をスルホンイミド基に変換する場合は、(III−2)工程を行う。
(III−1)ポリマーFの−SO2F基を加水分解してスルホン酸塩とし、スルホン酸塩を酸型化してスルホン酸基に変換する工程。
(III−2)ポリマーFの−SO2F基をイミド化して塩型のスルホンイミド基(−SO2NMSO2f1基)(ここで、Mは、アルカリ金属または1〜4級のアンモニウムである。)とし、さらに酸型化して酸型のスルホンイミド基(−SO2NHSO2f1基)に変換する工程。
(III) Process:
For example, when converting a —SO 2 F group into a sulfonic acid group, the step (III-1) is performed. When converting a —SO 2 F group into a sulfonimide group, the step (III-2) is performed.
(III-1) A step of hydrolyzing the —SO 2 F group of the polymer F to form a sulfonate, converting the sulfonate into an acid form and converting it to a sulfonate group.
(III-2) A salt type sulfonimide group (—SO 2 NMSO 2 R f1 group) obtained by imidizing the —SO 2 F group of the polymer F (where M is an alkali metal or a quaternary ammonium salt) And converting to an acid-type sulfonimide group (—SO 2 NHSO 2 R f1 group).

(III−1)工程:
加水分解は、たとえば、溶媒中にてポリマーFと塩基性化合物とを接触させて行う。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。溶媒としては、水、水と極性溶媒との混合溶媒等が挙げられる。極性溶媒としては、アルコール類(メタノール、エタノール等。)、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。酸型化は、たとえば、スルホン酸塩を有するポリマーを、塩酸、硫酸等の水溶液に接触させて行う。加水分解および酸型化は、通常、0〜120℃にて行う。
(III-1) Process:
The hydrolysis is performed, for example, by bringing the polymer F and the basic compound into contact in a solvent. Examples of the basic compound include sodium hydroxide and potassium hydroxide. Examples of the solvent include water, a mixed solvent of water and a polar solvent, and the like. Examples of the polar solvent include alcohols (methanol, ethanol, etc.), dimethyl sulfoxide and the like. The acidification is performed, for example, by bringing a polymer having a sulfonate into contact with an aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid. Hydrolysis and acidification are usually performed at 0 to 120 ° C.

(III−2)工程:
イミド化としては、下記方法が挙げられる。
(III−2−1)−SO2F基と、Rf1SO2NHMとを反応させる方法。
(III−2−2)アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩、MF、アンモニアまたは1〜3級アミンの存在下で、−SO2F基と、Rf1SO2NH2とを反応させる方法。
(III−2−3)−SO2F基と、Rf1SO2NMSi(CH33とを反応させる方法。
酸型化は、塩型のスルホンイミド基を有するポリマーを、酸(硫酸、硝酸、塩酸等。)で処理することにより行う。
(III-2) Process:
The following method is mentioned as imidation.
(III-2-1) A method of reacting —SO 2 F group with R f1 SO 2 NHM.
(III-2-2) A method of reacting —SO 2 F group with R f1 SO 2 NH 2 in the presence of alkali metal hydroxide, alkali metal carbonate, MF, ammonia or primary to tertiary amine. .
(III-2-3) A method of reacting —SO 2 F group with R f1 SO 2 NMSi (CH 3 ) 3 .
Acidification is performed by treating a polymer having a salt-type sulfonimide group with an acid (sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, etc.).

なお、イオン性基がスルホンイミド基である重合体Bは、化合物(u1)の−SO2F基をスルホンイミド基に変換した化合物(u1’)と、化合物(u2)と、必要に応じて他のモノマーと重合させることによっても製造できる。化合物(u1’)は、化合物(u1)の不飽和結合に塩素または臭素を付加し、−SO2F基を(III−2)工程と同様の方法でスルホンイミド基に変換した後、金属亜鉛を用いて脱塩素または脱臭素反応を行うことにより製造できる。 In addition, the polymer B whose ionic group is a sulfonimide group includes the compound (u1 ′) obtained by converting the —SO 2 F group of the compound (u1) into a sulfonimide group, the compound (u2), and as necessary. It can also be produced by polymerizing with other monomers. Compound (u1 ′) is obtained by adding chlorine or bromine to the unsaturated bond of compound (u1), converting the —SO 2 F group into a sulfonimide group in the same manner as in step (III-2), It can manufacture by performing a dechlorination or a debromination reaction using.

以上説明した重合体Bにあっては、単位(7)と単位(8)とを有するため、電気抵抗が低く、従来の電解質膜用のポリマーよりも高い軟化温度を有し、かつ柔軟性が高い。該理由は、下記の通りである。
単位(7)の側鎖は二つのイオン性基を有しており、一つのイオン性基を側鎖に有する従来ポリマーに比べてイオン性基の熱運動性が抑えられている。そのため、単位(7)を有する重合体Bの軟化温度が高くなると考えられる。また、単位(8)の側鎖は、ポリマーの主鎖の屈曲性を高める効果があるため、単位(7)を有し、かつ単位(8)を有さないポリマーに比べて、単位(7)と単位(8)とを有する重合体Bは、柔軟性が高いと考えられる。
The polymer B described above has units (7) and units (8), and therefore has low electrical resistance, a higher softening temperature than conventional polymers for electrolyte membranes, and flexibility. high. The reason is as follows.
The side chain of the unit (7) has two ionic groups, and the thermal mobility of the ionic group is suppressed as compared with a conventional polymer having one ionic group in the side chain. Therefore, it is thought that the softening temperature of the polymer B which has a unit (7) becomes high. Further, since the side chain of the unit (8) has an effect of enhancing the flexibility of the main chain of the polymer, the unit (7) has a unit (7) compared to a polymer having the unit (7) and not having the unit (8). ) And the unit (8) are considered to have high flexibility.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、下記モノマーAに基づく繰り返し単位と下記モノマーBに基づく繰り返し単位を含む共重合体(以下、「重合体C」とも言う。)を含んでいてもよい。
モノマーA:ラジカル重合により、主鎖に環構造を含む繰り返し単位を有するポリマーを与えるパーフルオロモノマー
モノマーB:CF2=CF−(OCF2CFY1m−Op−(CF2n−SO22で表されるパーフルオロビニルエーテル
式中、Y1はフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0、Y2はOH又はNHSO2ZであってZはエーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基である。
The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment may include a copolymer including a repeating unit based on the following monomer A and a repeating unit based on the following monomer B (hereinafter also referred to as “polymer C”). .
Monomer A: Perfluoromonomer B giving a polymer having a repeating unit containing a ring structure in the main chain by radical polymerization B: CF 2 = CF— (OCF 2 CFY 1 ) m —O p — (CF 2 ) n —SO 2 Perfluorovinyl ether represented by Y 2 wherein Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, and p is 0 or 1, m + p> 0, Y 2 is OH or NHSO 2 Z, and Z is a C 1-6 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom.

重合体Cにおける環構造は特に限定されないが、例えば下式(10)で表わされる環構造が好ましい。式中、nは1〜4の整数であり、Rfは炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基又はパーフルオロアルコキシ基であり、X1、X2はそれぞれ独立にフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。また、(CX12)nにおいてnが2以上である場合は、炭素ごとにX1とX2の組合せは異なっていてもよい。いずれの環構造の場合にも4〜7員環であることが好ましく、環の安定性を考慮すると5員環又は6員環であることが特に好ましい。 Although the ring structure in the polymer C is not particularly limited, for example, a ring structure represented by the following formula (10) is preferable. In the formula, n is an integer of 1 to 4, R f is a C 1-8 perfluoroalkyl group or perfluoroalkoxy group, and X 1 and X 2 are each independently a fluorine atom or a trifluoromethyl group. It is. Moreover, when (n) is 2 or more in (CX 1 X 2 ) n, the combination of X 1 and X 2 may be different for each carbon. In any ring structure, a 4- to 7-membered ring is preferable, and a 5-membered or 6-membered ring is particularly preferable in consideration of the stability of the ring.

重合体Cを得るためのコモノマーの環構造を有するモノマーとしては、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(以下、PDDという。)、パーフルオロ(1,3−ジオキソール)、パーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)(以下、MMDという)、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール等を例示できる。   Examples of the monomer having a comonomer ring structure for obtaining the polymer C include perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) (hereinafter referred to as PDD), perfluoro (1,3-dioxole), Examples thereof include perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane) (hereinafter referred to as MMD), 2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole, and the like.

重合体Cを得るためのコモノマーの環化重合性モノマーとしては、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)(以下、BVEという。)、パーフルオロ[(1−メチル−3−ブテニル)ビニルエーテル]、パーフルオロ(アリルビニルエーテル)、1,1’−[(ジフルオロメチレン)ビス(オキシ)]ビス[1,2,2−トリフルオロエテン]等を例示できる。   As the cyclopolymerizable monomer of the comonomer for obtaining the polymer C, perfluoro (3-butenyl vinyl ether) (hereinafter referred to as BVE), perfluoro [(1-methyl-3-butenyl) vinyl ether], perfluoro Examples include fluoro (allyl vinyl ether), 1,1 ′-[(difluoromethylene) bis (oxy)] bis [1,2,2-trifluoroethene], and the like.

上述の環構造を有するモノマー又は環化重合性モノマーに基づく繰り返し単位を具体的に示すと、例えば、PDDに基づく繰り返し単位は式(11)、BVEに基づく繰り返し単位は式(12)、MMDに基づく繰り返し単位は式(13)で示される。本明細書において「脂肪族環構造を有するパーフルオロポリマー」とは、このように不飽和結合を含まない環構造を有する繰り返し単位を含む含パーフルオロポリマーを示すものとする。   Specific examples of the repeating unit based on the monomer having a cyclic structure or the cyclopolymerizable monomer described above include, for example, a repeating unit based on PDD is represented by formula (11), a repeating unit based on BVE is represented by formula (12), and MMD. The repeating unit based on is shown by Formula (13). As used herein, the term “perfluoropolymer having an aliphatic ring structure” refers to a perfluoropolymer containing a repeating unit having a ring structure that does not contain an unsaturated bond.

環構造を有するモノマー又は環化重合性モノマーと反応させるスルホン酸基、スルホンイミド基又はそれらの基の前駆体基を有するモノマーとしては、−SO2F基を有するパーフルオロビニルエーテルが好ましく挙げられる。具体的には、CF2=CF−(OCF2CFY1m−Op−(CF2n−SO2Fで表されるパーフルオロビニルエーテル(式中、Y1はフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0である。)が好ましい。上記パーフルオロビニルエーテルのなかでも、式(14)〜(16)の化合物が好ましく挙げられる。ここで、式(14)〜(16)中、qは1〜8の整数であり、rは1〜8の整数であり、sは2又は3である。−SO2F基を有するモノマーを用いて重合した場合、通常加水分解、酸型化処理又は公知の反応を用いて−SO3H基又はスルホンイミド基に変換して電解質材料とされる。すなわち、電解質材料となる本ポリマー中にはCF2=CF−(OCF2CFY1m−Op−(CF2n−Zに基づく繰り返し単位(Zはスルホン酸基又はスルホンイミド基)が含まれることが好ましい。 As the monomer having a sulfonic acid group, a sulfonimide group or a precursor group of these groups to be reacted with a monomer having a ring structure or a cyclopolymerizable monomer, perfluorovinyl ether having a —SO 2 F group is preferably exemplified. Specifically, CF 2 = CF- (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) n perfluorovinylether (wherein represented by -SO 2 F, Y 1 is a fluorine atom or a trifluoromethyl And m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and m + p> 0. Among the perfluorovinyl ethers, compounds of the formulas (14) to (16) are preferable. Here, in formulas (14) to (16), q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, and s is 2 or 3. When the polymerization is carried out using a monomer having —SO 2 F group, it is usually converted into —SO 3 H group or sulfonimide group by hydrolysis, acidification treatment or known reaction to obtain an electrolyte material. That, CF 2 = CF- in the polymer as a electrolyte material (OCF 2 CFY 1) m -O p - (CF 2) repeating units based on n -Z (Z is a sulfonic acid group or a sulfonimide group) It is preferably included.

また、上記モノマー以外に下記式(17)〜(19)で表わされるモノマーも使用できる。ただし、式中、Y2、Y3はそれぞれフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、t、xは0〜2の整数であり、u、v、wは1〜12の整数である。さらに具体的に示すと式(20)〜(23)で表わされるモノマーが挙げられる。 In addition to the above monomers, monomers represented by the following formulas (17) to (19) can also be used. However, in the formula, Y 2, Y 3 are each a fluorine atom or a trifluoromethyl group, t, x is an integer of 0 to 2, u, v, w is an integer from 1 to 12. More specifically, monomers represented by the formulas (20) to (23) are exemplified.

重合体Cとしては、特に、パーフルオロ(3−ブテニルビニルエーテル)、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)、パーフルオロ(1,3−ジオキソール)、2,2,4−トリフルオロ−5−トリフルオロメトキシ−1,3−ジオキソール及びパーフルオロ(2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソラン)からなる群から選択されるモノマーに基づく繰り返し単位と、パーフルオロ(3,6−ジオキサ−4−メチル−7−オクテン)スルホン酸(CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF22SO3H)又はパーフルオロ(3−オキサ−4−ペンテン)スルホン酸(CF2=CFO(CF22SO3H)に基づく繰り返し単位と、を含むポリマーであることが好ましい。 Examples of the polymer C include perfluoro (3-butenyl vinyl ether), perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole), perfluoro (1,3-dioxole), 2,2,4- A repeating unit based on a monomer selected from the group consisting of trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole and perfluoro (2-methylene-4-methyl-1,3-dioxolane); and perfluoro (3 , 6-dioxa-4-methyl-7-octene) sulfonic acid (CF 2 = CFOCF 2 CF ( CF 3) O (CF 2) 2 SO 3 H) or perfluoro (3-oxa-4-pentene) sulfonic acid A polymer containing a repeating unit based on (CF 2 = CFO (CF 2 ) 2 SO 3 H) is preferable.

重合体Cは、上述の環状モノマー又は環化重合性モノマーと、例えば式(14)〜(16)で表わされるような−SO2F基を有するモノマーとの共重合の工程を経て合成されるが、強度の調整などのため、さらにテトラフルオロエチレン等の他のラジカル重合可能なモノマーを共重合させてもよい。重合体Cは、環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位とスルホン酸基又はスルホンイミド基を有するモノマーに基づく繰り返し単位のみから構成される場合、その骨格は剛直になりやすく、燃料電池の膜や触媒層に用いると膜や触媒層が脆くなりやすい場合もあるためである。 The polymer C is synthesized through a copolymerization step of the above-described cyclic monomer or cyclopolymerizable monomer and a monomer having a —SO 2 F group as represented by, for example, the formulas (14) to (16). However, other radically polymerizable monomers such as tetrafluoroethylene may be copolymerized for adjusting the strength. When the polymer C is composed only of a repeating unit based on a monomer having a ring structure and a repeating unit based on a monomer having a sulfonic acid group or a sulfonimide group, the skeleton tends to be rigid, and the fuel cell membrane or catalyst This is because when used in a layer, the membrane and the catalyst layer may be fragile.

なお、重合体Cは、重合後、フッ素化の工程を経ることにより撥水性に優れ、レドックスフロー二次電池のカソードの電解質として使用する場合、レドックスフロー二次電池の出力を向上させ、長期にわたり安定した特性を示すが、他のモノマーを共重合する場合は、その優れた出力特性を損なわないように、本重合体中での当該他のモノマーに基づく繰り返し単位の含有量が質量比で35%以下、特に20%以下になるようにするのが好ましい。   The polymer C is excellent in water repellency by passing through a fluorination step after polymerization. When used as a cathode electrolyte of a redox flow secondary battery, the polymer C improves the output of the redox flow secondary battery for a long period of time. Although stable characteristics are shown, when copolymerizing other monomers, the content of the repeating unit based on the other monomers in the polymer is 35 by mass so as not to impair the excellent output characteristics. % Or less, and particularly preferably 20% or less.

上述の共重合可能なモノマーとしては、例えば、TFE、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニル、エチレン等が挙げられる。また、CF2=CFORf1、CH2=CHRf2、CH2=CHCH2f2で表わされる化合物も使用できる。ただし、Rf1は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基であり、枝分かれ構造であってもよく、エーテル結合性の酸素原子を含有してもよい。Rf2は炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基である。これらのなかでも、パーフルオロモノマーを用いるほうがフッ素ガスとの反応が容易であり、耐久性の観点から好ましい。なかでもTFEは入手が容易で重合反応性が高いので好ましい。 Examples of the copolymerizable monomer include TFE, chlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride, hexafluoropropylene, trifluoroethylene, vinyl fluoride, and ethylene. Further, the compound represented by CF 2 = CFOR f1, CH 2 = CHR f2, CH 2 = CHCH 2 R f2 may be used. R f1 is a perfluoroalkyl group having 1 to 12 carbon atoms, may have a branched structure, and may contain an etheric oxygen atom. R f2 is a C 1-12 perfluoroalkyl group. Among these, the use of perfluoromonomer is preferable from the viewpoint of durability because the reaction with fluorine gas is easy. Of these, TFE is preferred because it is readily available and has high polymerization reactivity.

上記モノマーにおいてCF2=CFORf1で表される化合物としては、CF2=CF−(OCF2CFX)y−O−Rf4で表されるパーフルオロビニルエーテル化合物が好ましい。ただし、式中、yは0〜3の整数であり、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、Rf4は直鎖又は分岐鎖の炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基(以下、本明細書において、Rf4は同じ意味で用いる。)である。なかでも、式(24)〜(26)で表わされる化合物が好ましく挙げられる。ただし、式中、aは1〜8の整数であり、bは1〜8の整数であり、cは2又は3である。 As the compound represented by CF 2 ═CFOR f1 in the above monomer, a perfluorovinyl ether compound represented by CF 2 ═CF— (OCF 2 CFX) y —O—R f4 is preferable. However, in the formula, y is an integer of 0 to 3, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, and R f4 is a linear or branched perfluoroalkyl group having 1 to 12 carbon atoms (hereinafter referred to as the present invention). In the specification, R f4 is used interchangeably.) Especially, the compound represented by Formula (24)-(26) is mentioned preferably. However, in formula, a is an integer of 1-8, b is an integer of 1-8, c is 2 or 3.

重合体Cを用いた膜の強度を高めるためには、重合体Cの数平均分子量は5000以上が好ましく、10000以上、さらには20000以上であるとより好ましい。また、分子量が大きすぎると成形性や後述する溶媒への溶解性が低下することがあるので、分子量は5000000以下が好ましく、2000000以下であることがより好ましい。   In order to increase the strength of the film using the polymer C, the number average molecular weight of the polymer C is preferably 5,000 or more, more preferably 10,000 or more, and even more preferably 20,000 or more. Moreover, since a moldability and the solubility to the solvent mentioned later may fall when molecular weight is too large, molecular weight is preferable 5000000 or less, and it is more preferable that it is 2000000 or less.

重合体Cにおける環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位の含有量は、0.5〜80モル%が好ましく、1〜80モル%、さらには4〜70モル%、さらには10〜70モル%であるとより好ましい。環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位は少量含まれるだけでも耐久性向上効果があるが、0.5%未満では当該効果が現れにくい場合がある。また、環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位が多いほど、本重合体は厳しい環境下(例えば高温下)での耐久性に優れる。一方、環構造を有する繰り返し単位が多すぎると、重合体中のスルホン酸基が少なくなり、イオン交換容量が小さくなって導電性が低くなるおそれがある。   The content of the repeating unit based on the monomer having a ring structure in the polymer C is preferably 0.5 to 80 mol%, 1 to 80 mol%, further 4 to 70 mol%, more preferably 10 to 70 mol%. More preferably. Even if a small amount of a repeating unit based on a monomer having a ring structure is contained, there is an effect of improving the durability, but if it is less than 0.5%, the effect may not easily appear. In addition, the greater the number of repeating units based on a monomer having a ring structure, the better the durability of the present polymer under severe conditions (for example, at high temperatures). On the other hand, if there are too many repeating units having a ring structure, the number of sulfonic acid groups in the polymer will decrease, and the ion exchange capacity will decrease and the conductivity may decrease.

また、重合体Cを電解質膜として使用する場合、特にその使用温度が100℃以上の高温になる場合がある。そのため電解質膜の軟化温度は100℃以上、さらには110℃以上、特には120℃以上であること好ましい。軟化温度は、動的粘弾性測定法により測定することができる。本明細書では、酸型化した膜について動的粘弾性測定を1Hz、昇温速度2℃/minの条件で貯蔵弾性率を測定し、50℃における接線と、貯蔵弾性率5×107Paにおける接線との交点を軟化温度としている。また、一部のポリマーについては、動的粘弾性測定が難しいものがあるため、このようなポリマーについては、TMA法により測定を行い、軟化温度とすることができる。この場合、環構造を有するモノマーに基づく繰り返し単位の含有量は、20モル%以上、さらには30モル%以上、特に40モル%以上であることが好ましい。   Moreover, when using the polymer C as an electrolyte membrane, the use temperature may become a high temperature of 100 degreeC or more especially. Therefore, the softening temperature of the electrolyte membrane is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 110 ° C. or higher, and particularly preferably 120 ° C. or higher. The softening temperature can be measured by a dynamic viscoelasticity measuring method. In this specification, the storage elastic modulus of the acidified film is measured under conditions of dynamic viscoelasticity measurement at 1 Hz and a temperature increase rate of 2 ° C./min. A tangent at 50 ° C. and a tangent at a storage elastic modulus of 5 × 10 7 Pa. The intersection with is the softening temperature. In addition, since some polymers are difficult to measure dynamic viscoelasticity, such polymers can be measured by the TMA method to obtain a softening temperature. In this case, the content of the repeating unit based on the monomer having a ring structure is preferably 20 mol% or more, more preferably 30 mol% or more, and particularly preferably 40 mol% or more.

さらに重合体CがTFEなどの共重合可能なモノマーに基づく繰り返し単位を含む場合は、当該繰り返し単位は5〜85モル%含まれることが好ましい。5モル%より少ないと、例えば電解質膜として使用する場合に、膜の靭性が充分でなくなる場合がある。85モル%より多いと、環構造を有する繰り返し単位及びポリマー中のスルホン酸基が少なくなり、本発明で期待される効果が発揮できないおそれがある。より好ましくは10〜80モル%、さらに好ましくは10〜70モル%である。また、ポリマーの軟化温度の高いものを得るには、10〜70モル%、さらには10〜60モル%、特に10〜50モル%であることが好ましい。   Furthermore, when the polymer C contains a repeating unit based on a copolymerizable monomer such as TFE, the repeating unit is preferably contained in an amount of 5 to 85 mol%. When it is less than 5 mol%, for example, when used as an electrolyte membrane, the toughness of the membrane may not be sufficient. When it is more than 85 mol%, the repeating unit having a ring structure and the sulfonic acid group in the polymer are decreased, and the effect expected in the present invention may not be exhibited. More preferably, it is 10-80 mol%, More preferably, it is 10-70 mol%. Further, in order to obtain a polymer having a high softening temperature, it is preferably 10 to 70 mol%, more preferably 10 to 60 mol%, and particularly preferably 10 to 50 mol%.

また、スルホン酸基又はスルホンイミド基を有する繰り返し単位は、重合体Cのイオン交換容量が0.7〜2.5ミリ当量/g乾燥樹脂となるように含まれることが好ましく、0.9〜1.5ミリ当量/g乾燥樹脂となるように含まれるとさらに好ましい。イオン交換容量が低すぎると電解質材料としてのポリマーの導電性が低くなり、高すぎると撥水性が悪く燃料電池に使用した場合耐久性が悪くなるおそれがあり、ポリマー強度も不充分になるおそれがある。   The repeating unit having a sulfonic acid group or a sulfonimide group is preferably contained so that the ion exchange capacity of the polymer C is 0.7 to 2.5 meq / g dry resin, 0.9 to More preferably, it is contained so as to be 1.5 meq / g dry resin. If the ion exchange capacity is too low, the conductivity of the polymer as the electrolyte material will be low. If it is too high, the water repellency will be poor and the durability will be poor when used in a fuel cell, and the polymer strength may be insufficient. is there.

重合体Cを得るための重合はバルク重合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など、従来公知の方法を採用できる。重合は、ラジカルが生起する条件で行われ、紫外線、γ線、電子線等の放射線を照射する方法、通常のラジカル重合で用いられるラジカル開始剤を添加する方法が一般的である。重合温度は通常は20〜150℃程度である。ラジカル開始剤としては、例えばビス(フルオロアシル)パーオキシド類、ビス(クロロフルオロアシル)パーオキシド類、ジアルキルパーオキシジカーボネート類、ジアシルパーオキシド類、パーオキシエステル類、アゾ化合物類、過硫酸塩類等が挙げられる。   As the polymerization for obtaining the polymer C, conventionally known methods such as bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization can be employed. Polymerization is performed under conditions where radicals are generated, and a method of irradiating radiation such as ultraviolet rays, γ rays, electron beams, etc., and a method of adding a radical initiator used in normal radical polymerization are common. The polymerization temperature is usually about 20 to 150 ° C. Examples of radical initiators include bis (fluoroacyl) peroxides, bis (chlorofluoroacyl) peroxides, dialkyl peroxydicarbonates, diacyl peroxides, peroxyesters, azo compounds, and persulfates. Can be mentioned.

溶液重合では、使用する溶媒の沸点は、取扱い性の観点から、通常は20〜350℃、好ましくは40〜150℃である。使用可能な溶媒としては、上述の、重合体Cのフッ素化を含フッ素溶媒中で行う際に含フッ素溶媒の好適なものとして例示した含フッ素溶媒と同じ溶媒が挙げられる。すなわち、ポリフルオロトリアルキルアミン化合物、パーフルオロアルカン、ハイドロフルオロアルカン、クロロフルオロアルカン、分子鎖末端に二重結合を有しないフルオロオレフィン、ポリフルオロシクロアルカン、ポリフルオロ環状エーテル化合物、ヒドロフルオロエーテル類、フッ素含有低分子量ポリエーテル、t−ブタノール等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。また、この他にも液体又は超臨界の二酸化炭素を用いて重合することもできる。   In the solution polymerization, the boiling point of the solvent used is usually 20 to 350 ° C., preferably 40 to 150 ° C., from the viewpoint of handleability. Examples of the solvent that can be used include the same solvents as the fluorine-containing solvent exemplified as the preferred fluorine-containing solvent when the fluorination of the polymer C is performed in the fluorine-containing solvent. That is, a polyfluorotrialkylamine compound, a perfluoroalkane, a hydrofluoroalkane, a chlorofluoroalkane, a fluoroolefin having no double bond at the molecular chain end, a polyfluorocycloalkane, a polyfluorocyclic ether compound, a hydrofluoroether, Fluorine-containing low molecular weight polyether, t-butanol and the like can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, polymerization can also be performed using liquid or supercritical carbon dioxide.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、さらに、下記の(A)〜(F)のいずれかの化合物をコモノマーとして共重合したものであり、かつ前記コモノマーに基づく重合単位を反応させて架橋されたものであってもよい。
(A)二重結合を2個有するパーフルオロ不飽和化合物。
(B)臭素原子を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(C)カルボン酸基、カルボン酸塩基又はカルボン酸エステル基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(D)水酸基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(E)シアノ基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(F)シアナト基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment is obtained by copolymerizing any one of the following compounds (A) to (F) as a comonomer, and reacting with a polymerization unit based on the comonomer to crosslink. It may be what was done.
(A) A perfluoro unsaturated compound having two double bonds.
(B) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a bromine atom.
(C) Polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a carboxylic acid group, a carboxylic acid group or a carboxylic acid ester group.
(D) Polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a hydroxyl group.
(E) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a cyano group.
(F) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a cyanate group.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーにおいて、基本骨格を架橋する架橋部位は、通常、架橋部位を有するラジカル重合性の含フッ素不飽和化合物を共重合することにより導入される。該含フッ素不飽和化合物はフッ素含有量が多いものが好ましく、特にパーフルオロ化合物であることが好ましい。該含フッ素不飽和化合物が共重合された重合体は、熱処理などにより架橋できる。また必要に応じて架橋剤を混合してもよい。含フッ素不飽和化合物の具体例としては、以下の6種のものが例示される。   In the fluorinated polymer electrolyte polymer in the present embodiment, the crosslinking site for crosslinking the basic skeleton is usually introduced by copolymerizing a radically polymerizable fluorine-containing unsaturated compound having a crosslinking site. The fluorine-containing unsaturated compound preferably has a high fluorine content, and is particularly preferably a perfluoro compound. The polymer obtained by copolymerizing the fluorine-containing unsaturated compound can be crosslinked by heat treatment or the like. Moreover, you may mix a crosslinking agent as needed. Specific examples of the fluorine-containing unsaturated compound include the following six types.

第1に、二重結合を2個有するパーフルオロ不飽和化合物が挙げられ、具体的には式27〜34の化合物等が好ましく挙げられる。なかでも式32〜34の化合物は、反応性の異なる二重結合を有しており、パーフルオロビニロキシ基の側が重合してももう一方の二重結合の重合反応性はそれよりも小さいため重合時には反応せずに架橋部位として容易に樹脂中に導入できる。   First, perfluorounsaturated compounds having two double bonds are exemplified, and specific examples include compounds of formulas 27 to 34. Among them, the compounds of the formulas 32 to 34 have double bonds with different reactivities, and even when the perfluorovinyloxy group side is polymerized, the polymerization reactivity of the other double bond is smaller than that. It can be easily introduced into the resin as a crosslinking site without reacting during polymerization.

ここで、式中、hは2〜8の整数であり、iとjはそれぞれ独立に1〜5の整数であり、kは0〜6の整数であり、rは0〜5の整数である。また、sは1〜8の整数であり、tは2〜5の整数であり、uは0〜5の整数である。   Here, in the formula, h is an integer of 2 to 8, i and j are each independently an integer of 1 to 5, k is an integer of 0 to 6, and r is an integer of 0 to 5. . Moreover, s is an integer of 1-8, t is an integer of 2-5, u is an integer of 0-5.

第2に、臭素原子を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(アルキル鎖はエーテル結合性の酸素原子を含んでいてもよい)が挙げられ、具体的には式35〜37の化合物等が好ましく挙げられる。なお、式35〜37及び後述する式38〜40において、v、wはそれぞれ独立に1〜5の整数である。   Secondly, perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a bromine atom (the alkyl chain may contain an etheric oxygen atom), specifically, compounds of formulas 35 to 37, etc. Is preferred. In addition, in Formula 35-37 and Formula 38-40 mentioned later, v and w are the integers of 1-5 each independently.

第3に、カルボン酸基、カルボン酸塩基又はカルボン酸エステル基(アルコキシカルボニル基等)を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)(アルキル鎖はエーテル結合性の酸素原子を含んでいてもよい)が挙げられ、具体的には式38〜40の化合物等が好ましく挙げられる。ただし、式中、Mは炭素数1〜5のアルキル基、水素原子、アルカリ金属(リチウム、カリウム、ナトリウム)原子又はNH4である。 Third, polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a carboxylic acid group, a carboxylic acid group, or a carboxylic acid ester group (such as an alkoxycarbonyl group) (the alkyl chain may contain an etheric oxygen atom) Specifically, compounds of formulas 38 to 40 are preferred. However, where, M is an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, a hydrogen atom, an alkali metal (lithium, potassium, sodium) atom or NH 4.

第4に、水酸基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)(アルキル鎖はエーテル結合性の酸素原子を含んでいてもよい)が挙げられ、具体的には式41〜43の化合物等が好ましく挙げられる。   Fourthly, polyfluoroethene having a hydroxyl group or polyfluoro (alkyl vinyl ether) (the alkyl chain may contain an etheric oxygen atom) is exemplified, and specifically, compounds of formulas 41 to 43 are exemplified. Preferably mentioned.

第5に、シアノ基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(アルキル鎖はエーテル結合性の酸素原子を含んでいてもよい)が挙げられ、具体的には式44〜48の化合物等が好ましく挙げられる。   Fifth, perfluoroethene having a cyano group or perfluoro (alkyl vinyl ether) (the alkyl chain may contain an etheric oxygen atom), specifically, compounds of formulas 44 to 48, etc. Is preferred.

第6に、シアナト基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)(アルキル鎖はエーテル結合性の酸素原子を含んでいてもよい)が挙げられ、具体的には式49〜50の化合物等が好ましく挙げられる。ただし、式中Zは水素原子又はトリフルオロメチル基である。   Sixth, polyfluoroethene having a cyanato group or polyfluoro (alkyl vinyl ether) (wherein the alkyl chain may contain an etheric oxygen atom), specifically, compounds of formulas 49 to 50, etc. Is preferred. However, in formula, Z is a hydrogen atom or a trifluoromethyl group.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーの架橋方法は、通常、高分子材料の架橋に用いられる方法である、加熱、放射線照射、電子線照射、光照射等が採用されるが、加熱架橋法が装置の入手しやすさや取扱いの容易さ等の点で好ましい。架橋反応を促進させるうえで過酸化物等のラジカル開始剤、トリアリルイソシアヌレート、ビスフェノール、ビスフェノールAF等の架橋剤を添加して加熱する方法を採用することもできる。必要に応じて、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等の助剤を添加してもよい。   The crosslinking method of the fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment is usually a method used for crosslinking of a polymer material, such as heating, radiation irradiation, electron beam irradiation, light irradiation, etc. Is preferable in terms of the availability of the apparatus and the ease of handling. In order to accelerate the crosslinking reaction, a method in which a radical initiator such as peroxide, a crosslinking agent such as triallyl isocyanurate, bisphenol, bisphenol AF, etc. is added and heated may be employed. You may add adjuvants, such as sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogencarbonate, potassium hydrogencarbonate, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, as needed.

式44〜48のようなシアノ基を有する化合物や式49〜50のようなシアナト基を有する化合物を含んで共重合された共重合体を用いる場合には、別途に触媒を添加する必要はないが、必要に応じて硬化触媒として、ルイス酸類、プロトン酸類、テトラフェニルスズ、水酸化トリフェニルスズ、(C715COO)2Zn等のカルボン酸の遷移金属塩類、カルボン酸のアンモニウム塩類、過酸化物、アミン類、アミジン類、イミドイルアミジン構造を有する化合物類等から選ばれる1種以上を用いてもよい。 When using a copolymer copolymerized with a compound having a cyano group as in formulas 44 to 48 or a compound having a cyanate group as in formulas 49 to 50, there is no need to add a separate catalyst. As necessary, as a curing catalyst, Lewis acids, proton acids, tetraphenyl tin, triphenyl tin hydroxide, transition metal salts of carboxylic acids such as (C 7 F 15 COO) 2 Zn, ammonium salts of carboxylic acids, One or more selected from peroxides, amines, amidines, compounds having an imidoylamidine structure, and the like may be used.

また、アンモニア又はアミン系化合物の活性水素の一部又は全部を他の官能基で保護したブロックドアミン化合物を触媒として添加することもできる。必要に応じて、架橋後にスルホン酸基の酸型化処理が行われる。熱硬化の温度は通常100〜400℃、好ましくは150〜350℃の温度範囲で行われる。処理時間は0.1分〜2日間、特に0.5分〜3時間が好ましい。加熱方法としては、オーブン加熱、熱プレス、赤外線加熱、高周波加熱等の方法が採用される。ポリマーの劣化を防止するため、窒素等の不活性ガス雰囲気下での処理も好ましい。   Moreover, the blocked amine compound which protected some or all of the active hydrogen of ammonia or an amine compound with the other functional group can also be added as a catalyst. If necessary, an acid-type treatment of the sulfonic acid group is performed after the crosslinking. The temperature of thermosetting is usually 100 to 400 ° C, preferably 150 to 350 ° C. The treatment time is preferably 0.1 minute to 2 days, particularly 0.5 minute to 3 hours. As a heating method, methods such as oven heating, hot pressing, infrared heating, and high-frequency heating are employed. In order to prevent deterioration of the polymer, treatment under an inert gas atmosphere such as nitrogen is also preferable.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりのフッ素系高分子電解質ポリマーの乾燥質量グラム数)は、300〜1300(g/eq)に調整されている。EWの上限は、好ましくは1100(g/eq)であり、より好ましくは900(g/eq)である。EWの下限は、好ましくは400(g/eq)であり、より好ましくは450(g/eq)であり、更に好ましくは500(g/eq)である。EWが小さい方が、イオン伝導度が高くなる反面、熱水への溶解性が大きくなる場合があるため、上記のような適切な範囲内に調整されていることが好ましい。   In this embodiment, the equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer (dry mass gram of the fluorine-based polymer electrolyte polymer per equivalent of ion-exchange groups) is adjusted to 300 to 1300 (g / eq). The upper limit of EW is preferably 1100 (g / eq), more preferably 900 (g / eq). The lower limit of EW is preferably 400 (g / eq), more preferably 450 (g / eq), and even more preferably 500 (g / eq). The smaller the EW, the higher the ionic conductivity, but the higher the solubility in hot water, it is preferable that the EW is adjusted within the appropriate range as described above.

フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWを上記範囲に調整することによって、それを含むイオン交換樹脂組成物に優れた親水性を付与することができ、その樹脂組成物を用いて得られた電解質膜は低い電気抵抗及び高い親水性、より小さなクラスター(イオン交換基が水分子を配位及び/又は吸着した微小部分)を数多く有するようになり、高い耐酸化性(耐ヒドロキシラジカル)、低い電気抵抗、及び良好なイオン選択透過性を発揮する傾向にある。   By adjusting the equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer to the above range, it is possible to impart excellent hydrophilicity to the ion exchange resin composition containing the same, and the electrolyte obtained using the resin composition Membranes have low electrical resistance and high hydrophilicity, many smaller clusters (small parts where ion exchange groups coordinate and / or adsorb water molecules), high oxidation resistance (hydroxyl radical resistance), low electricity It tends to exhibit resistance and good ion selective permeability.

フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWは、親水性、膜の耐水性の観点から300g/eq以上であることが好ましく、親水性、膜の電気抵抗の観点から1300g/eq以下であることが好ましい。また、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが下限値近くである場合には、膜の側鎖のイオン交換基の一部の分子間を直接的に又は間接的に部分架橋反応させることにより樹脂を変性し、溶解性や過剰膨潤性を制御してもよい。   The equivalent mass EW of the fluoropolymer electrolyte polymer is preferably 300 g / eq or more from the viewpoint of hydrophilicity and water resistance of the film, and is preferably 1300 g / eq or less from the viewpoint of hydrophilicity and electric resistance of the film. preferable. In addition, when the EW of the fluoropolymer electrolyte polymer is close to the lower limit, the resin can be obtained by directly or indirectly partially cross-linking the molecules of the ion exchange groups on the side chain of the membrane. It may be modified to control solubility and excessive swelling.

上記部分架橋反応としては、例えば、イオン交換基と他分子の官能基又は主鎖との反応、又はイオン交換基同士の反応、耐酸化性の低分子化合物、オリゴマー又は高分子物質等を介しての架橋反応(共有結合)等が挙げられ、場合により、塩(SO3H基とのイオン結合を含む)形成物質との反応であってもよい。耐酸化性の低分子化合物、オリゴマー又は高分子物質としては、例えば、多価アルコール類や有機ジアミン類等が挙げられる。 Examples of the partial crosslinking reaction include a reaction between an ion exchange group and a functional group or main chain of another molecule, a reaction between ion exchange groups, an oxidation-resistant low molecular compound, an oligomer, or a high molecular substance. In some cases, it may be a reaction with a salt (including an ionic bond with a SO 3 H group) forming substance. Examples of the oxidation-resistant low molecular weight compound, oligomer or polymer substance include polyhydric alcohols and organic diamines.

部分架橋反応を行う場合は、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが低くても良い場合がある。即ち、イオン交換基(言い換えればEW)をあまり犠牲にせずとも、水溶性が低下(耐水性が向上)すればよい。また、フッ素系高分子電解質ポリマーが低メルトフロー領域(高分子領域)であり、分子間絡みが多い場合なども同様である。   When the partial crosslinking reaction is performed, the EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer may be low. That is, the water solubility should be reduced (water resistance improved) without sacrificing the ion exchange group (in other words, EW). The same applies when the fluorine-based polymer electrolyte polymer is in a low melt flow region (polymer region) and there are many intermolecular entanglements.

また、フッ素系高分子電解質ポリマーの加水分解前の官能基(例えば、SO2F基)は、その一部が、部分的(分子間を含む)にイミド化(アルキルイミド化など)されていてよい。 Moreover, the functional group (for example, SO 2 F group) before hydrolysis of the fluorine-based polymer electrolyte polymer is partially imidized (including alkylimidation) partially (including intermolecular). Good.

フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWは、フッ素系高分子電解質ポリマーを塩置換し、その溶液をアルカリ溶液で逆滴定することにより測定することができる。   The equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer can be measured by subjecting the fluorine-based polymer electrolyte polymer to salt substitution and back titrating the solution with an alkaline solution.

フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWは、フッ素系モノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。   The equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer can be adjusted by the copolymerization ratio of the fluorine-based monomer, the selection of the monomer type, and the like.

上述した特許文献に記載されたフッ素系樹脂であるナフィオン(Nafion:デュポン社の登録商標)は、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位と、を含む共重合体において、X=CF3、n=1、m=2であり、EWが893〜1030である化合物であることが知られている。しかしながらナフィオンをレドックスフロー二次電池の電解質膜の材料として用いた場合は、親水性が不足し、電気抵抗も高く、選択イオン透過性、電流効率も悪化する傾向にある。 Nafion is a fluorine-based resin described in Patent Document described above (Nafion: DuPont TM), - (CF 2 -CF 2) - and repeating units represented by, - (CF 2 -CF (- And a repeating unit represented by O— (CF 2 CFXO) n — (CF 2 ) m —SO 3 H)) —, wherein X═CF 3 , n = 1, and m = 2. , EW is known to be 893-1030. However, when Nafion is used as a material for the electrolyte membrane of a redox flow secondary battery, the hydrophilicity is insufficient, the electric resistance is high, the selective ion permeability and the current efficiency tend to deteriorate.

本実施形態における電解質膜の110℃、相対湿度50%RHにおけるイオン伝導度は0.10S/cm以上である。本実施形態における電解質膜は、好ましくは40%RHにおけるイオン伝導度が0.10S/cm以上、より好ましくは30%RHにおけるイオン伝導度が0.10S/cm以上、更に好ましくは20%RHにおけるイオン伝導度が0.10S/cm以上である。電解質膜のイオン伝導度は高いほどよいが、例えば、110℃、相対湿度50%RHにおけるイオン伝導度が1.0S/cm以下であっても、通常は、十分な性能を発揮する。電解質膜のイオン伝導度が上記範囲であると、電気抵抗が低くなり、優れた電流効率を発揮する。   The ionic conductivity of the electrolyte membrane in this embodiment at 110 ° C. and a relative humidity of 50% RH is 0.10 S / cm or more. The electrolyte membrane in the present embodiment preferably has an ionic conductivity at 40% RH of 0.10 S / cm or more, more preferably an ionic conductivity at 30% RH of 0.10 S / cm or more, and even more preferably at 20% RH. Ionic conductivity is 0.10 S / cm or more. The higher the ionic conductivity of the electrolyte membrane, the better. However, even if the ionic conductivity at 110 ° C. and relative humidity of 50% RH is 1.0 S / cm or less, usually sufficient performance is exhibited. When the ionic conductivity of the electrolyte membrane is within the above range, the electrical resistance is lowered and excellent current efficiency is exhibited.

本実施形態における電解質膜を形成するイオン交換樹脂組成物中に含まれるフッ素系高分子電解質ポリマーの含有量としては、好ましくは約33.3〜100質量%、より好ましくは40〜100質量%、さらに好ましくは50〜99.5質量%である。   As content of the fluorine-type polymer electrolyte polymer contained in the ion exchange resin composition which forms the electrolyte membrane in this embodiment, Preferably it is about 33.3-100 mass%, More preferably, it is 40-100 mass%, More preferably, it is 50-99.5 mass%.

本実施形態における電解質膜を形成するイオン交換樹脂組成物には、Ce系添加剤、Co系添加剤、及びMn系添加剤からなる群から選択されるいずれか1種以上が含まれていてもよい。イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤を含むと、イオン交換基の一部がセリウムイオン、コバルトイオン、及び/又はマンガンイオンによりイオン交換されると考えられ、その結果、イオン選択透過性及び耐酸化劣化性が向上する傾向にある。   The ion exchange resin composition forming the electrolyte membrane in this embodiment may contain any one or more selected from the group consisting of Ce-based additives, Co-based additives, and Mn-based additives. Good. When the ion exchange resin composition contains a Ce-based additive, it is considered that some of the ion exchange groups are ion-exchanged by cerium ions, cobalt ions, and / or manganese ions. As a result, ion selective permeability and acid resistance There is a tendency for the chemical deterioration property to improve.

Ce系添加剤としては、溶液中にて+3価及び/又は+4価のセリウムイオンを形成するものが好ましい。+3価のセリウムイオンを含む塩としては、硝酸セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム、塩化セリウム、硫酸セリウム等が挙げられる。+4価のセリウムイオンを含む塩としては、例えば、硫酸セリウム(Ce(SO42・4H2O)、硝酸二アンモニウムセリウム(Ce(NH42(NO36)、硫酸四アンモニウムセリウム(Ce(NH44(SO44・4H2O)等が挙げられる。またセリウムの有機金属錯塩も用いることができ、そのようなセリウムの有機金属錯塩としては、セリウムアセチルアセトナート(Ce(CH3COCHCOCH33・3H2O)等が挙げられる。上記の中でも特に、硝酸セリウム、硫酸セリウムは、水溶性であり取扱いが容易であるため好ましい。 The Ce-based additive is preferably one that forms + 3-valent and / or + 4-valent cerium ions in the solution. Examples of the salt containing + trivalent cerium ions include cerium nitrate, cerium carbonate, cerium acetate, cerium chloride, and cerium sulfate. Examples of the salt containing + tetravalent cerium ions include cerium sulfate (Ce (SO 4 ) 2 .4H 2 O), diammonium cerium nitrate (Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 ), and tetraammonium cerium sulfate. (Ce (NH 4 ) 4 (SO 4 ) 4 .4H 2 O) and the like. Further, an organometallic complex salt of cerium can be used, and examples of such an organometallic complex salt of cerium include cerium acetylacetonate (Ce (CH 3 COCHCOCH 3 ) 3 .3H 2 O). Among these, cerium nitrate and cerium sulfate are particularly preferable because they are water-soluble and easy to handle.

Ce系添加剤の含有量は、電解質膜中のイオン交換基の数に対するセリウムイオンの割合で、好ましくは0.02〜20%、より好ましくは0.05〜15%、更に好ましくは0.07〜10%である。Ce系添加剤の含有量が20%以下であると、イオン選択透過性が良好となる傾向にあり、0.02%以上であると、耐酸化劣化性(ヒドロキシラジカル耐性)が向上する傾向にある。   The Ce-based additive content is a ratio of cerium ions to the number of ion-exchange groups in the electrolyte membrane, preferably 0.02 to 20%, more preferably 0.05 to 15%, and still more preferably 0.07. -10%. When the content of the Ce-based additive is 20% or less, the ion selective permeability tends to be good, and when it is 0.02% or more, the oxidation deterioration resistance (hydroxy radical resistance) tends to be improved. is there.

Co系添加剤としては、溶液中にて+2価及び/又は+3価のコバルトイオンを形成するものが好ましい。+2価のコバルトイオンを含む塩としては、硝酸コバルト、炭酸コバルト、酢酸コバルト、塩化コバルト、硫酸コバルト等が挙げられる。+3価のコバルトイオンを含む塩としては、例えば、塩化コバルト(CoCl3)、硝酸コバルト(Co(NO32)、等が挙げられる。またコバルトの有機金属錯塩も用いることができ、そのようなコバルトの有機金属錯塩としては、コバルトアセチルアセトナート(Co(CH3COCHCOCH33)等が挙げられる。上記の中でも、特に、硝酸コバルト、硫酸コバルトは、水溶性であり取扱いが容易であるため好ましい。 As the Co-based additive, those that form +2 and / or +3 valent cobalt ions in the solution are preferable. Examples of the salt containing +2 valent cobalt ions include cobalt nitrate, cobalt carbonate, cobalt acetate, cobalt chloride, and cobalt sulfate. Examples of the salt containing + trivalent cobalt ions include cobalt chloride (CoCl 3 ) and cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 ). An organometallic complex salt of cobalt can also be used, and examples of such an organometallic complex salt of cobalt include cobalt acetylacetonate (Co (CH 3 COCHCOCH 3 ) 3 ). Among these, cobalt nitrate and cobalt sulfate are particularly preferable because they are water-soluble and easy to handle.

Mn系添加剤としては、水溶性のマンガン塩、非水溶性のマンガン塩、酸化物や水酸化物などの不溶性化合物など、各種の化合物が使用できる。マンガンの価数は+2価又は+3価である。+2価のマンガンイオンを含む塩としては、例えば、酢酸マンガン(Mn(CH3COO)2・4H2O)、塩化マンガン(MnCl2・4H2O)、硝酸マンガン(Mn(NO32・6H2O)、硫酸マンガン(MnSO4・5H2O)、炭酸マンガン(MnCO3・nH2O)等が挙げられる。+3価のマンガンイオンを含む塩としては、例えば、酢酸マンガン(Mn(CH3COO)3・2H2O)等が挙げられる。またマンガンの有機金属錯塩も用いることができ、そのようなマンガンの有機金属錯塩としては、マンガンアセチルアセトナート(Mn(CH3COCHCOCH32)等が挙げられる。 As the Mn-based additive, various compounds such as water-soluble manganese salts, water-insoluble manganese salts, and insoluble compounds such as oxides and hydroxides can be used. Manganese has a valence of +2 or +3. Examples of the salt containing +2 valent manganese ions include manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O), manganese chloride (MnCl 2 .4H 2 O), manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2. 6H 2 O), manganese sulfate (MnSO 4 .5H 2 O), manganese carbonate (MnCO 3 .nH 2 O), and the like. Examples of the salt containing + trivalent manganese ions include manganese acetate (Mn (CH 3 COO) 3 .2H 2 O). Further, an organometallic complex salt of manganese can also be used. Examples of such an organometallic complex salt of manganese include manganese acetylacetonate (Mn (CH 3 COCHCOCH 3 ) 2 ) and the like.

Co系及び/又はMn系添加剤の含有量は、電解質膜中のイオン交換基の数に対するコバルトイオン及び/又はマンガンイオンの割合で、好ましくは0.01〜50%、より好ましくは0.05〜30%、更に好ましくは0.07〜20%である。Co系及び/又はMn系添加剤の含有量が50%以下であると、イオン選択透過性が良好となる傾向にあり、0.01%以上であると、耐酸化劣化性(ヒドロキシラジカル耐性)が向上する傾向にある。   The content of the Co-based and / or Mn-based additive is a ratio of cobalt ions and / or manganese ions to the number of ion exchange groups in the electrolyte membrane, preferably 0.01 to 50%, more preferably 0.05. -30%, more preferably 0.07-20%. When the content of the Co-based and / or Mn-based additive is 50% or less, the ion selective permeability tends to be good, and when it is 0.01% or more, oxidation deterioration resistance (hydroxy radical resistance) Tend to improve.

本実施形態におけるイオン交換性樹脂組成物は、上述したフッ素系高分子電解質ポリマーの他に、ポリアゾール系化合物を含有するか、それに代えて/加えて、塩基性重合体(オリゴマーなどの低分子量物質を含む)を含有すると、樹脂組成物としての化学的安定性(主に耐酸化性等)が増加する傾向にある。これらの化合物は、樹脂組成物中で微細粒子状又は分子分散に近い形でイオンコンプレックスを部分的に作りイオン架橋構造を形成する。特に、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが低い場合(300〜500)の場合には、耐水性と電気抵抗、又は含水クラスター径が小さくなる傾向にあるため、イオン選択透過性等のバランス面の観点から好ましい。   The ion-exchangeable resin composition in the present embodiment contains a polyazole compound in addition to or in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte polymer, and a basic polymer (low molecular weight substance such as an oligomer). Including the above), the chemical stability (mainly oxidation resistance and the like) of the resin composition tends to increase. These compounds partially form an ion complex in the form of fine particles or close to molecular dispersion in the resin composition to form an ion cross-linked structure. In particular, when the EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer is low (300 to 500), the water resistance and electrical resistance, or the water-containing cluster diameter tends to be small. It is preferable from the viewpoint.

また、フッ素系高分子電解質ポリマーは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、その他、ラジカル分解性の遷移金属(Ce化合物、Mn化合物等)との、部分塩(全イオン交換基当量の0.01〜5当量%程度)を単独で又は塩基性重合体と併用してもよい。   In addition, the fluorine-based polymer electrolyte polymer is a partial salt (total ion-exchange group equivalent of 0.01 to 0.01) with an alkali metal, alkaline earth metal, or other radical-degradable transition metal (Ce compound, Mn compound, etc.). May be used alone or in combination with a basic polymer.

ポリアゾール系化合物としては、環内に窒素原子を1個以上含む複素環化合物の重合体、環内に窒素原子を1個以上と酸素及び/又は硫黄を含む複素環化合物の重合体からなる群から選択される1種以上が挙げられる。複素環の構造としては、特に限定されないが、五員環であることが好ましい。   The polyazole-based compound is selected from the group consisting of a polymer of a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring and a polymer of a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms and oxygen and / or sulfur in the ring. One or more selected may be mentioned. The structure of the heterocyclic ring is not particularly limited, but a 5-membered ring is preferable.

ポリアゾール系化合物としては、ポリベンズイミダゾール系化合物、ポリベンゾビスイミダゾール系化合物、ポリベンゾオキサゾール系化合物、ポリオキサゾール系化合物、ポリチアゾール系化合物及びポリベンゾチアゾール系化合物からなる群から選択される1種以上が挙げられる。   The polyazole compound is at least one selected from the group consisting of polybenzimidazole compounds, polybenzobisimidazole compounds, polybenzoxazole compounds, polyoxazole compounds, polythiazole compounds, and polybenzothiazole compounds. Is mentioned.

イオン交換樹脂組成物がポリアゾール系化合物を含有する場合、ポリアゾール系化合物は強度を低下しないような分散状態であることが好ましく、海島状にモザイク状態で分散していることが好ましい。また、膜の一部表面がイオン結合を形成し、膜の内部がイオン(カチオン)状態となるように、ポリアゾール化合物は、各種酸で電離させた状態で存在してもよい。また、フッ素系高分子電解質ポリマーのイオン交換基の少なくとも一部とポリアゾール系化合物の少なくとも一部が、分子分散に近い形で反応している状態(例えば、イオン結合して、酸塩基のイオンコンプレックスを形成している状態等の化学結合している状態)がより好ましい。   When the ion exchange resin composition contains a polyazole-based compound, the polyazole-based compound is preferably in a dispersed state that does not decrease the strength, and is preferably dispersed in a sea island-like mosaic state. Further, the polyazole compound may be present in a state of being ionized with various acids so that a partial surface of the film forms an ionic bond and the inside of the film is in an ionic (cation) state. In addition, a state in which at least a part of the ion exchange group of the fluorine-based polymer electrolyte polymer and at least a part of the polyazole compound are reacted in a form close to molecular dispersion (for example, ion-bonded, acid-base ion complex) More preferably, it is in a state of chemical bonding such as a state of forming s.

イオン結合の例としては、PFSA樹脂のスルホン酸基が、ポリアゾール系化合物中のイミダゾール基、オキサゾール基、チアゾール基等の各反応基中の窒素原子にイオン結合している状態等が挙げられる、この状態を制御すると、水分子を中心として、PFSA樹脂のスルホン酸基と形成するイオンチャンネルであるクラスター径を制御できる。その結果、膜の電気抵抗を上げることなく、イオン選択透過性、及び耐水性、耐酸化性について、合矛盾するどれかの性能を大幅に犠牲にしなくても、優れたバランスを有する電解質膜を得ることができ、従来のものに比べて大幅に性能を向上させることができる。   Examples of the ionic bond include a state in which the sulfonic acid group of the PFSA resin is ionically bonded to a nitrogen atom in each reactive group such as an imidazole group, an oxazole group, and a thiazole group in the polyazole compound. When the state is controlled, the cluster diameter, which is an ion channel formed with the sulfonic acid group of the PFSA resin, can be controlled around water molecules. As a result, an electrolyte membrane having an excellent balance can be obtained without significantly sacrificing any of the contradictory performances regarding ion selective permeability, water resistance, and oxidation resistance without increasing the electrical resistance of the membrane. Therefore, the performance can be greatly improved as compared with the conventional one.

フッ素系高分子電解質ポリマーに対するポリアゾール系化合物の含有量は、フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して、ポリアゾール系化合物は、好ましくは0.1〜200質量部であり、より好ましくは0.5〜150質量部、さらに好ましくは1〜100質量部、特に好ましくは1〜50質量部である。ポリアゾール系化合物の含有量を上記範囲に調整することにより、良好な電気抵抗を維持しながら、優れた耐水性、強度、高耐酸化性、イオン選択透過性を有するレドックスフロー用二次電池用の電解質膜を得ることができる傾向にある。また、ポリアゾール系化合物に燐酸系化合物(単体又はポリ燐酸等)を含ませ又は反応させ、その一部をポリアゾール系化合物に結合させることにより賦活化させたものを用いてもよい。   The content of the polyazole compound with respect to the fluorine-based polymer electrolyte polymer is preferably 0.1 to 200 parts by mass, more preferably 0.1 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the fluorine-based polymer electrolyte polymer. It is 5-150 mass parts, More preferably, it is 1-100 mass parts, Most preferably, it is 1-50 mass parts. By adjusting the content of the polyazole compound to the above range, while maintaining good electrical resistance, it has excellent water resistance, strength, high oxidation resistance, and ion selective permeability for a redox flow secondary battery. There is a tendency that an electrolyte membrane can be obtained. Alternatively, a polyazole compound may be activated by including or reacting a phosphoric acid compound (single or polyphosphoric acid or the like) and binding a part thereof to the polyazole compound.

本実施形態におけるイオン交換性樹脂組成物は、電解質膜の耐酸化性(化学的耐久性)を上げることを目的として、又はクラスター径を下げることを目的として、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂を含有してもよい。PPE・PPS樹脂の添加法としては、押し出し法により混合するか又はPPE・PPS樹脂の水性溶媒分散体を、フッ素系高分子電解質ポリマーを主体とする樹脂組成物の原液分散体に混合すればよい。その添加量は、フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して、好ましくは0.1〜20質量部であり、より好ましくは0.5〜10質量部である。PPE及び/又はPPS樹脂の含有量が0.1質量部以上である場合、上記効果が発揮されやすくなる傾向にあり、20質量部以下である場合、十分な膜強度が得られる傾向にある。   The ion-exchangeable resin composition in the present embodiment is a polyphenylene ether (PPE) resin and / or for the purpose of increasing the oxidation resistance (chemical durability) of the electrolyte membrane or for reducing the cluster diameter. You may contain polyphenylene sulfide (PPS) resin. As a method for adding the PPE / PPS resin, the PPE / PPS resin may be mixed by an extrusion method or an aqueous solvent dispersion of the PPE / PPS resin may be mixed with a stock solution dispersion of a resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer. . The addition amount is preferably 0.1 to 20 parts by mass, more preferably 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the fluorinated polymer electrolyte polymer. When the content of the PPE and / or PPS resin is 0.1 parts by mass or more, the above effects tend to be exhibited. When the content is 20 parts by mass or less, sufficient film strength tends to be obtained.

本実施形態におけるポリフェニレンスルフィド樹脂は、パラフェニレンスルフィド骨格を70モル%以上、好ましくは90モル%以上含むポリフェニレンスルフィド樹脂であることが好ましい。PPSの製造方法としては、特に限定されるものではなく、通常、ハロゲン置換芳香族化合物、例えば、p−ジクロルベンゼンを、硫黄と炭酸ソーダの存在下で重合させる方法、極性溶媒中で硫化ナトリウムあるいは硫化水素ナトリウムと水酸化ナトリウムまたは硫化水素と水酸化ナトリウムあるいはナトリウムアミノアルカノエートの存在下で重合させる方法、p−クロルチオフェノールの自己縮合等が挙げられるが、中でも、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒やスルホラン等のスルホン系溶媒中で硫化ナトリウムとp−ジクロルベンゼンを反応させる方法が適当である。具体的には、例えば、米国特許第2513188号明細書、特公昭44−27671号公報、特公昭45−3368号公報、特公昭52−12240号公報、特開昭61−225217号公報および米国特許第3274165号明細書、英国特許第1160660号明細書、さらに特公昭46−27255号公報、ベルギー特許第29437号明細書、特開平5−222196号公報等に記載された方法やこれら特許等に例示された先行技術の方法で得ることができる。   The polyphenylene sulfide resin in the present embodiment is preferably a polyphenylene sulfide resin containing a paraphenylene sulfide skeleton of 70 mol% or more, preferably 90 mol% or more. The method for producing PPS is not particularly limited. Usually, a halogen-substituted aromatic compound, for example, p-dichlorobenzene is polymerized in the presence of sulfur and sodium carbonate, sodium sulfide in a polar solvent. Examples of the method include polymerization in the presence of sodium hydrogen sulfide and sodium hydroxide or hydrogen sulfide and sodium hydroxide or sodium aminoalkanoate, and self-condensation of p-chlorothiophenol. Among them, N-methylpyrrolidone, dimethyl, etc. A method of reacting sodium sulfide with p-dichlorobenzene in an amide solvent such as acetamide or a sulfone solvent such as sulfolane is suitable. Specifically, for example, US Pat. No. 2,513,188, Japanese Patent Publication No. 44-27671, Japanese Patent Publication No. 45-3368, Japanese Patent Publication No. 52-12240, Japanese Patent Publication No. Sho 61-225217, and US Patents. No. 3,274,165, British Patent No. 1160660, Japanese Patent Publication No. 46-27255, Belgian Patent No. 29437, JP-A-5-222196, etc. Obtained by the prior art method.

PPSは、320℃における溶融粘度(フローテスターを用いて、300℃、荷重196N、L/D(L:オリフィス長、D:オリフィス内径)=10/1で6分間保持した値)は、好ましくは1〜10,000ポイズであり、より好ましくは100〜10,000ポイズである。   PPS preferably has a melt viscosity at 320 ° C. (using a flow tester, 300 ° C., load 196 N, L / D (L: orifice length, D: orifice inner diameter) = 10/1 value held for 6 minutes) 1 to 10,000 poise, more preferably 100 to 10,000 poise.

さらに、PPSに酸性官能基を導入したものも好適に用いることができる。導入する酸性官能基としてはスルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基、イタコン酸基、アクリル酸基、メタクリル酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。酸性官能基の導入方法は特に限定されず、一般的な方法を用いて実施される。例えばスルホン酸基の導入については、無水硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて公知の条件で実施することができ、例えば、K.Hu, T.Xu, W.Yang, Y.Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol.91,や、 E.Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol.27, 3043−3051(1989)に記載の条件で実施できる。また、導入した酸性官能基を金属塩またはアミン塩に置換したものも好適に用いられる。金属塩としてはナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩が好ましい。   Furthermore, what introduce | transduced the acidic functional group into PPS can also be used suitably. The acidic functional group to be introduced is preferably a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, a maleic acid group, a maleic anhydride group, a fumaric acid group, an itaconic acid group, an acrylic acid group, or a methacrylic acid group. Particularly preferred. The method for introducing the acidic functional group is not particularly limited, and is performed using a general method. For example, the introduction of a sulfonic acid group can be carried out under a known condition using a sulfonating agent such as sulfuric anhydride or fuming sulfuric acid. Hu, T .; Xu, W .; Yang, Y. et al. Fu, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 91, E.E. Montoneri, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 27, 3043-3051 (1989). Further, those in which the introduced acidic functional group is substituted with a metal salt or an amine salt are also preferably used. The metal salt is preferably an alkali metal salt such as sodium salt or potassium salt, or an alkaline earth metal salt such as calcium salt.

ポリフェニレンエーテル樹脂の具体例としては、例えば、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2−メチル−6−エチル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2−メチル−6−フェニル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2,6−ジクロロ−1,4−フェニレンエーテル)等が挙げられ、さらに2,6−ジメチルフェノールと他のフェノール類(例えば、2,3,6−トリメチルフェノールや2−メチル−6−ブチルフェノール)との共重合体のようなポリフェニレンエーテル共重合体も挙げられる。中でも、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)、2,6−ジメチルフェノールと2,3,6−トリメチルフェノールとの共重合体が好ましく、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)が特に好ましい。   Specific examples of the polyphenylene ether resin include, for example, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), poly (2-methyl-6-ethyl-1,4-phenylene ether), and poly (2-methyl -6-phenyl-1,4-phenylene ether), poly (2,6-dichloro-1,4-phenylene ether) and the like, and 2,6-dimethylphenol and other phenols (for example, 2,6- Polyphenylene ether copolymers such as copolymers with 3,6-trimethylphenol and 2-methyl-6-butylphenol are also included. Among them, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), a copolymer of 2,6-dimethylphenol and 2,3,6-trimethylphenol is preferable, and poly (2,6-dimethyl-1 , 4-phenylene ether) is particularly preferred.

PPEの製造方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、米国特許第3306874号明細書記載の第一銅塩とアミンのコンプレックスを触媒として用い、例えば2,6−キシレノールを酸化重合することにより容易に製造でき、そのほかにも米国特許第3306875号明細書、同第3257357号明細書、同第3257358号明細書、特公昭52−17880号公報、特開昭50−51197号公報及び特開昭63−152628号公報等に記載された方法で容易に製造できる。   The method for producing PPE is not particularly limited. For example, oxidative polymerization of 2,6-xylenol is performed using, for example, a complex of cuprous salt and amine described in US Pat. No. 3,306,874 as a catalyst. In addition, U.S. Pat. Nos. 3,306,875, 3,257,357, 3,257,358, Japanese Patent Publication Nos. 52-17880, 50-51197, and JP It can be easily produced by the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 63-152628.

ポリフェニレンエーテル樹脂は、上記したPPE単独のほかに、アタクチック、シンジオタクチックの立体規則性を有するポリスチレン(アタクチック型のハイインパクトポリスチレンも含む)を、上記したPPE成分100質量部に対して、1〜400質量部の範囲で配合したものも好適に用いることができる。   In addition to the above-mentioned PPE alone, the polyphenylene ether resin contains polystyrene having atactic and syndiotactic stereoregularity (including atactic high impact polystyrene) in an amount of 1 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the PPE component. What was mix | blended in the range of 400 mass parts can also be used suitably.

さらにポリフェニレンエーテル樹脂は、上記に挙げた各種ポリフェニレンエーテルに反応性の官能基を導入したものも好適に用いることができる。反応性の官能基としては、エポキシ基、オキサゾニル基、アミノ基、イソシアネート基、カルボジイミド基、その他酸性官能基が挙げられ、中でも、酸性官能基はより好適に用いられる。導入する酸性官能基としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、マレイン酸基、無水マレイン酸基、フマル酸基、イタコン酸基、アクリル酸基、メタクリル酸基が好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。   Furthermore, as the polyphenylene ether resin, those obtained by introducing a reactive functional group into the various polyphenylene ethers listed above can be suitably used. Examples of the reactive functional group include an epoxy group, an oxazonyl group, an amino group, an isocyanate group, a carbodiimide group, and other acidic functional groups. Among them, the acidic functional group is more preferably used. The acidic functional group to be introduced is preferably a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, a maleic acid group, a maleic anhydride group, a fumaric acid group, an itaconic acid group, an acrylic acid group, or a methacrylic acid group. Is particularly preferred.

ポリフェニレンエーテル樹脂の重量平均分子量は、1,000以上5,000,000以下であることが好ましく、より好ましくは1,500以上1,000,000以下である。   The weight average molecular weight of the polyphenylene ether resin is preferably 1,000 or more and 5,000,000 or less, more preferably 1,500 or more and 1,000,000 or less.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーとしては、PFSA樹脂以外のフッ素系樹脂(カルボン酸、リン酸等を含む樹脂やその他公知のフッ素系樹脂)を用いることができる。これらの樹脂を2種以上用いる場合は、溶媒に溶解又は媒体に分散させて混合してもよく、樹脂前駆体同士を押し出し混合してもよい。   As the fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment, fluorine-based resins other than PFSA resins (resins containing carboxylic acid, phosphoric acid, etc. and other known fluorine-based resins) can be used. When two or more of these resins are used, they may be mixed in a solvent or dispersed in a medium, or resin precursors may be extruded and mixed.

電解質膜の平衡含水率は、好ましくは5質量%以上であり、より好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは15質量%以上である。また、上限としては、80質量%以下、より好ましくは50質量%以下、さらに好ましくは40質量%以下である。電解質膜の平衡含水率が5質量%以上であると、膜の電気抵抗や電流効率、耐酸化性、イオン選択透過性が良好となる傾向にある。一方、平衡含水率が50質量%以下であると、膜の寸法安定性や強度が良好となり、また水溶解性成分の増加を抑制できる傾向にある。電解質膜の平衡含水率は、樹脂組成物を水とアルコール系溶媒での分散液から成膜し、160℃以下で乾燥した膜を基準とし、23℃、50%関係湿度(RH)での平衡(24Hr放置)飽和吸水率(Wc)で表す。   The equilibrium moisture content of the electrolyte membrane is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and further preferably 15% by mass or more. Moreover, as an upper limit, it is 80 mass% or less, More preferably, it is 50 mass% or less, More preferably, it is 40 mass% or less. When the equilibrium water content of the electrolyte membrane is 5% by mass or more, the electric resistance, current efficiency, oxidation resistance, and ion selective permeability of the membrane tend to be good. On the other hand, when the equilibrium moisture content is 50% by mass or less, the dimensional stability and strength of the membrane are improved, and the increase in water-soluble components tends to be suppressed. The equilibrium moisture content of the electrolyte membrane is based on a membrane obtained by forming a resin composition from a dispersion of water and an alcohol-based solvent and drying at 160 ° C. or lower, and the equilibrium is 23 ° C. and 50% relative humidity (RH). It is expressed as saturated water absorption (Wc).

電解質膜の平衡含水率は、上述したEWと同様の方法により調整することができる。   The equilibrium moisture content of the electrolyte membrane can be adjusted by the same method as that for EW described above.

本実施形態における電解質膜は、フッ素系微多孔膜からなる補強材を有していてもよい。フッ素系微多孔膜としては、フッ素系高分子電解質ポリマーとの親和性が良好であれば特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる微多孔膜が挙げられ、延伸されて多孔化したポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系膜が好ましい。このPTFE系膜にフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を実質的に隙間無く埋め込んだ補強膜が、薄膜の強度の観点、及び面(縦横)方向の寸法変化を抑える観点から、より好ましい。上記補強膜は、前述のイオン交換樹脂組成物を含む有機溶媒又はアルコール-水を溶媒とした、適度な該成分を有する溶質の適度な濃度の分散液を、適量多孔膜に含浸漬させて、乾燥させることにより得ることができる。   The electrolyte membrane in this embodiment may have a reinforcing material composed of a fluorine-based microporous membrane. The fluorine-based microporous membrane is not particularly limited as long as the affinity with the fluorine-based polymer electrolyte polymer is good, and examples thereof include a microporous membrane made of polytetrafluoroethylene (PTFE), which is stretched and porous. A polytetrafluoroethylene (PTFE) -based membrane is preferable. A reinforcing membrane in which an ion-exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer is embedded in this PTFE-based membrane with substantially no gap is the viewpoint of the strength of the thin film and the viewpoint of suppressing the dimensional change in the plane (longitudinal and lateral) directions. To more preferable. The reinforcing membrane is prepared by immersing an appropriate amount of a dispersion of an appropriate concentration of a solute having the above-mentioned components in an organic solvent or alcohol-water containing the above-described ion exchange resin composition in a porous membrane, It can be obtained by drying.

補強膜を作製する際に用いられる溶媒としては、特に限定されないが、沸点が250℃以下の溶媒が好ましく、より好ましくは沸点が200℃以下の溶媒であり、さらに好ましくは沸点が120℃以下の溶媒である。中でも、水と脂肪族アルコール類が好ましく、具体的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール及びtert−ブチルアルコール等が挙げられる。上記溶媒は、単独の溶媒で用いても、2種以上を併用してもよい。   The solvent used for producing the reinforcing membrane is not particularly limited, but a solvent having a boiling point of 250 ° C. or lower is preferable, a solvent having a boiling point of 200 ° C. or lower is more preferable, and a boiling point of 120 ° C. or lower is more preferable. It is a solvent. Among these, water and aliphatic alcohols are preferable, and specific examples include water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, and tert-butyl alcohol. The said solvent may be used by a single solvent, or may use 2 or more types together.

本実施形態において好適に用いられるPTFE微多孔膜の製造方法は、特に限定されないが、電解質膜の寸法変化を抑制する観点から、延伸PTFE微多孔膜であることが好ましい。延伸PTFE微多孔膜の製造方法は、例えば特開昭51−30277号公報、特表平1−01876号公報および特開平10−30031号公報等に開示されているような公知の方法で作製することができる。具体的には、まずPTFE乳化重合水性分散液を凝析して得られたファインパウダーに、ソルベントナフサ、ホワイトオイルなどの液状潤滑剤を添加し、棒状にペースト押出を行う。その後、この棒状のペースト押出物(ケーク)を圧延して、PTFE未焼成体を得る。この時の未焼成テープを長手方向(MD方向)および/または幅方向(TD方向)に任意倍率延伸する。延伸時もしくは、延伸後、押出時に充填した液状潤滑剤を過熱もしくは抽出により除去し、延伸PTFE微多孔膜を得ることができる。   Although the manufacturing method of the PTFE microporous membrane suitably used in the present embodiment is not particularly limited, it is preferably an expanded PTFE microporous membrane from the viewpoint of suppressing the dimensional change of the electrolyte membrane. The expanded PTFE microporous membrane is produced by a known method as disclosed in, for example, JP-A-51-30277, JP-A-1-01876 and JP-A-10-30031. be able to. Specifically, first, a liquid lubricant such as solvent naphtha and white oil is added to fine powder obtained by coagulating an aqueous PTFE emulsion polymerization dispersion, and paste extrusion is performed in a rod shape. Thereafter, this rod-like paste extrudate (cake) is rolled to obtain a PTFE green body. The green tape at this time is stretched at an arbitrary magnification in the longitudinal direction (MD direction) and / or the width direction (TD direction). At the time of stretching or after stretching, the liquid lubricant filled at the time of extrusion can be removed by overheating or extraction to obtain a stretched PTFE microporous membrane.

フッ素系微多孔膜は、必要に応じて、非繊維化物(例えば低分子量PTFE)、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、防曇剤、着色顔料等の公知の添加剤を、本発明の課題達成及び効果を損なわない範囲で含有してもよい。   Fluorine-based microporous membranes may be prepared by adding known additives such as non-fibrinated materials (for example, low molecular weight PTFE), ultraviolet absorbers, light stabilizers, antistatic agents, antifogging agents, and color pigments as necessary. You may contain in the range which does not impair the achievement and effect of this.

フッ素系微多孔膜は、その細孔分布の分布中心(ピーク)が、細孔径0.08μm〜5.0μmの範囲にあることが好ましく、より好ましくは0.1〜4.0μmの範囲にあり、さらに好ましくは0.3〜3.0μmの範囲にある。ここで微多孔膜の細孔分布は、JIS−K−3832に記載されるバブルポイント法を用いたバブルポイント・ハーフドライ法により測定される値を言う。ここで細孔径の分布中心が0.08μm以上であれば、過酸化水素抑制効果等を有する添加剤や電解質溶液を充填しやすく、電解質膜にボイドが発生するのを抑制でき、フッ素系高分子電解質ポリマーの十分な充填速度が確保できるためプロセス性に優れる傾向にある。また細孔径の分布中心が5.0μm以下であれば、電解質膜の寸法変化を抑制でき、十分な膜の補強効果が得られる傾向にある。   The fluorine-based microporous membrane preferably has a pore distribution center (peak) in the pore diameter range of 0.08 μm to 5.0 μm, more preferably in the range of 0.1 to 4.0 μm. More preferably, it is in the range of 0.3 to 3.0 μm. Here, the pore distribution of the microporous membrane refers to a value measured by a bubble point half dry method using a bubble point method described in JIS-K-3832. Here, if the distribution center of the pore diameter is 0.08 μm or more, it can be easily filled with an additive or an electrolyte solution having a hydrogen peroxide suppressing effect and the like, and generation of voids in the electrolyte membrane can be suppressed. Since a sufficient filling rate of the electrolyte polymer can be secured, the processability tends to be excellent. If the distribution center of the pore diameter is 5.0 μm or less, the dimensional change of the electrolyte membrane can be suppressed, and a sufficient membrane reinforcing effect tends to be obtained.

微多孔膜の細孔分布の分布中心は、初期の発電特性の観点からは、0.1μm以上であることが好ましく、0.3μm以上であることがより好ましく、0.5μm以上であることが更に好ましく、0.7μm以上であることが特に好ましい。また、膜の補強効果の観点からは、微多孔膜の細孔分布の分布中心は、4.5μm以下であることが好ましく、4.0μm以下であることがより好ましく、3.5μm以下であることが更に好ましく、3.0μm以下であることが特に好ましい。   From the viewpoint of initial power generation characteristics, the distribution center of the pore distribution of the microporous membrane is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, and preferably 0.5 μm or more. More preferably, it is particularly preferably 0.7 μm or more. From the viewpoint of the reinforcing effect of the membrane, the distribution center of the pore distribution of the microporous membrane is preferably 4.5 μm or less, more preferably 4.0 μm or less, and 3.5 μm or less. More preferably, it is particularly preferably 3.0 μm or less.

また、フッ素系微多孔膜の細孔分布は、微多孔膜の細孔径0.08μm〜5.0μmである細孔の存在量が0.5以上(数量比)であることが好ましい。ここで微多孔膜の「細孔の存在量」とは、JIS−K−3832に記載されるバブルポイント法を用いたバブルポイント・ハーフドライ法により、孔径測定範囲0.065μm〜10.0μmで測定された微多孔膜の全細孔数に対する細孔径0.08μm〜5.0μmの範囲に存在する細孔数の比をいう。微多孔膜の細孔径0.08μm〜5.0μmの細孔の存在量を0.5以上(数量比)存在するように調整すると、微多孔膜の細孔径が比較的均一となるため、微多孔膜の空隙に均一にフッ素系高分子電解質ポリマーを充填しやすくなる。その結果、フッ素系高分子電解質ポリマーが添加剤を含む場合、添加剤を膜中に均一分散させることができるため膜にボイドが発生し難く、さらに電解質膜が高化学耐久性を発現する傾向にある。また添加剤がプロトン伝導性を有しない場合には、微多孔膜の細孔径を添加剤のメディアン径と同程度〜大きくすることで、添加剤によって微多孔膜の空隙が閉塞されないように調整することができる。このことは結果として、膜中のプロトン伝導が何にも阻害されずに円滑に行われる傾向にあることを示しており、電解質膜の初期特性が向上するといった優れた効果を発現することが可能となる。   The pore distribution of the fluorine-based microporous membrane is preferably such that the abundance of pores having a pore diameter of 0.08 μm to 5.0 μm in the microporous membrane is 0.5 or more (quantity ratio). Here, the “abundance of pores” of the microporous membrane means a pore diameter measurement range of 0.065 μm to 10.0 μm by a bubble point half dry method using a bubble point method described in JIS-K-3832. The ratio of the number of pores existing in the range of the pore diameter of 0.08 μm to 5.0 μm to the total number of pores of the microporous membrane measured. Adjusting the microporous membrane to have a pore size of 0.08 μm to 5.0 μm in an amount of 0.5 or more (quantity ratio), the pore size of the microporous membrane becomes relatively uniform. It becomes easy to uniformly fill the voids of the porous membrane with the fluorine-based polymer electrolyte polymer. As a result, when the fluorine-based polymer electrolyte polymer contains an additive, the additive can be uniformly dispersed in the membrane, so that voids are not easily generated in the membrane, and the electrolyte membrane tends to exhibit high chemical durability. is there. When the additive does not have proton conductivity, the pore diameter of the microporous membrane is adjusted to be about the same as or larger than the median diameter of the additive so that the pores of the microporous membrane are not blocked by the additive. be able to. This indicates that, as a result, proton conduction in the membrane tends to be performed smoothly without being disturbed, and it is possible to exhibit excellent effects such as improving the initial characteristics of the electrolyte membrane. It becomes.

本実施形態におけるフッ素系微多孔膜の細孔径0.08μm〜5.0μmである細孔の存在量は、0.7以上であることがより好ましく、0.8以上であることがさらに好ましく、0.9以上であることがさらにより好ましく、1であることが特に好ましい。   The abundance of pores having a pore diameter of 0.08 μm to 5.0 μm of the fluorine-based microporous membrane in the present embodiment is more preferably 0.7 or more, further preferably 0.8 or more, It is even more preferably 0.9 or more, and particularly preferably 1.

また、フッ素系微多孔膜の細孔径0.5μm〜5.0μmである細孔の存在量(数量比)は、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.7以上、さらに好ましくは0.8以上、さらにより好ましくは0.9以上であり、特に好ましくは1である。   Moreover, the abundance (quantity ratio) of pores having a pore diameter of 0.5 to 5.0 μm in the fluorine-based microporous membrane is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more, and still more preferably 0.8. 8 or more, even more preferably 0.9 or more, and particularly preferably 1.

さらに、微多孔膜の細孔径0.7μm〜5.0μmである細孔の存在量(数量比)は、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.7以上、さらに好ましくは0.8以上、さらにより好ましくは0.9以上であり、特に好ましくは1である。   Furthermore, the abundance (quantity ratio) of pores having a pore diameter of 0.7 μm to 5.0 μm of the microporous membrane is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more, further preferably 0.8 or more. Even more preferably, it is 0.9 or more, and particularly preferably 1.

本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、その細孔分布が少なくとも2つの分布中心を有することが好ましい。フッ素系微多孔膜の細孔分布が2つの分布中心を有すると、(i)細孔径の大きい分布中心が、反応生成水の排出の促進および添加剤の易充填性といった役割を担う、(ii)細孔径の小さい分布中心が、電解質の体積膨潤を微多孔膜の機械強度により抑制する役割を担う、といった別々の役割を果たす部分を有するため、この微多孔膜を含む電解質膜は化学的耐久性と物理的耐久性を両立し易くなる傾向にある。   The fluorine-based microporous membrane in the present embodiment preferably has at least two distribution centers in the pore distribution. When the pore distribution of the fluorine-based microporous membrane has two distribution centers, (i) the distribution center having a large pore diameter plays a role such as promotion of discharge of reaction product water and easy filling of the additive (ii) ) Since the distribution center with a small pore size has a part that plays a role of suppressing the volume swelling of the electrolyte by the mechanical strength of the microporous membrane, the electrolyte membrane including this microporous membrane is chemically durable. It tends to be easy to achieve both physical properties and physical durability.

フッ素系微多孔膜の孔径は、製造する際の潤滑剤の種類、潤滑剤の分散性、微多孔膜の延伸倍率、潤滑剤抽出溶剤、熱処理温度、熱処理時間、抽出時間および抽出温度によって、その数値を上記範囲に調整することができる。   The pore size of the fluorine-based microporous membrane depends on the type of lubricant, the dispersibility of the lubricant, the stretch ratio of the microporous membrane, the lubricant extraction solvent, the heat treatment temperature, the heat treatment time, the extraction time, and the extraction temperature. The numerical value can be adjusted to the above range.

また本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、単層でも、必要に応じて複層からなる構成であってもよい。各単層に仮にボイドやピンホール等の欠陥が発生した場合にも欠陥が伝播しないという観点からは、複層であることが好ましい。一方、電解質ポリマーおよび添加剤の充填性の観点からは、単層であることが好ましい。微多孔膜を複層にする方法としては、2つ以上の単層を熱ラミネートで接着する方法やケークを複数重ねて圧延する方法等が挙げられる。   In addition, the fluorine-based microporous membrane in the present embodiment may be a single layer or may be composed of multiple layers as necessary. From the standpoint that defects do not propagate even when defects such as voids and pinholes occur in each single layer, a multilayer is preferable. On the other hand, from the viewpoint of the filling properties of the electrolyte polymer and the additive, a single layer is preferable. Examples of the method for forming the microporous film into a multilayer include a method of bonding two or more single layers by thermal lamination, a method of rolling a plurality of cakes, and the like.

また本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、その製造時の機械流れ方向(MD)及びこれに垂直な方向(TD)の少なくとも一方の弾性率が1000MPa以下であることが好ましく、500MPa以下であることがより好ましく、250MPa以下であることがさらに好ましい。微多孔膜の弾性率を1000MPa以下とすることにより、電解質膜の寸法安定性が向上する。ここで微多孔膜の弾性率はJIS−K7113に準拠して測定される値を言う。   Moreover, it is preferable that the elastic modulus of at least one of the machine flow direction (MD) at the time of manufacture and the direction perpendicular | vertical to this (TD) is 1000 MPa or less, and the fluorine microporous film in this embodiment is 500 MPa or less. More preferably, it is more preferably 250 MPa or less. By setting the elastic modulus of the microporous membrane to 1000 MPa or less, the dimensional stability of the electrolyte membrane is improved. Here, the elastic modulus of the microporous membrane refers to a value measured according to JIS-K7113.

フッ素系高分子電解質ポリマーにおけるプロトン伝導は、フッ素系高分子電解質ポリマーが水を吸収し、イオン交換基が水和されることによって可能となる。したがって、イオン交換基密度が上がり、イオン交換容量が大きくなるほど、同湿度での伝導度は高くなる。また湿度が高いほど、伝導度は高くなる。   Proton conduction in the fluorinated polymer electrolyte polymer is made possible by the absorption of water by the fluorinated polymer electrolyte polymer and the hydration of the ion exchange groups. Therefore, the conductivity at the same humidity increases as the ion exchange group density increases and the ion exchange capacity increases. Also, the higher the humidity, the higher the conductivity.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、スルホン基密度が高い場合は、低湿度下においても高い伝導度を示すが、高湿度下にて極度に含水するという問題がある。例えば、レッドクスフロー二次電池の運転においては、1日1回以上の起動と停止が通常行われるが、その際の湿度変化により電解質膜は膨潤収縮を繰り返すことになる。電解質膜がこのような乾湿寸法変化を繰り返すことは、性能面・耐久面の両面においてマイナスである。本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、そのイオン交換容量が高い場合は、含水し易く、そのままの状態で膜を形成すると乾湿寸法変化が大きい。しかしながら、弾性率が1000MPa以下の微多孔膜を用いることにより、膜の体積変化による応力を微多孔膜で緩和し、寸法変化を抑制することが可能となる。一方、微多孔膜の弾性率が小さすぎると、膜の強度が低下する傾向にある。したがって、フッ素系微多孔膜の弾性率は、1〜1000MPaが好ましく、10〜800MPaがより好ましく、100〜500MPaがさらに好ましい。   The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment exhibits high conductivity even under low humidity when the sulfone group density is high, but has a problem that it is extremely water-containing under high humidity. For example, in the operation of a redox flow secondary battery, starting and stopping are usually performed once or more once a day, but the electrolyte membrane repeats swelling and shrinking due to a change in humidity at that time. It is negative in terms of both performance and durability that the electrolyte membrane repeats such wet and dry dimensional changes. When the ion exchange capacity is high, the fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment is easy to contain water, and when the film is formed as it is, the dimensional change in wet and dry is large. However, by using a microporous film having an elastic modulus of 1000 MPa or less, it is possible to relieve the stress due to the volume change of the film with the microporous film and suppress the dimensional change. On the other hand, if the elastic modulus of the microporous membrane is too small, the strength of the membrane tends to decrease. Accordingly, the elastic modulus of the fluorine-based microporous membrane is preferably 1 to 1000 MPa, more preferably 10 to 800 MPa, and further preferably 100 to 500 MPa.

本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、その空隙率が50%〜90%であると好ましく、60%〜90%であるとより好ましく、60%〜85%であると更に好ましく、50%〜85%であると特に好ましい。空隙率が50%〜90%の範囲にあることにより、電解質膜のイオン導電性の向上と電解質膜の強度の向上及び寸法変化の抑制を両立することができる傾向にある。ここで、微多孔膜の空隙率は、水銀圧入法により水銀ポロシメータ(例えば、島津製作所製、商品名:オートポアIV 9520、初期圧約20kPa)によって測定される値を言う。   The fluorine-based microporous membrane in the present embodiment preferably has a porosity of 50% to 90%, more preferably 60% to 90%, still more preferably 60% to 85%, and 50% to 90%. 85% is particularly preferable. When the porosity is in the range of 50% to 90%, the ionic conductivity of the electrolyte membrane, the strength of the electrolyte membrane, and the suppression of dimensional change tend to be compatible. Here, the porosity of the microporous film refers to a value measured by a mercury porosimeter (for example, Shimadzu Corporation, trade name: Autopore IV 9520, initial pressure of about 20 kPa) by a mercury intrusion method.

微多孔膜の空隙率は、微多孔膜中の孔数、孔径、孔形状、延伸倍率、液状潤滑剤添加量及び液状潤滑剤の種類によって、その数値を上記範囲に調整することができる。微多孔膜の空隙率を高くする手段としては、例えば、液状潤滑剤の添加量を5〜50質量%に調整する方法が挙げられる。この範囲に液状潤滑剤の添加量を調整することで、微多孔膜を構成する樹脂の成形性が維持されると共に可塑化効果が十分となるため、微多孔膜を構成する樹脂の繊維を二軸方向に高度にフィブリル化させることができ効率よく延伸倍率を増加させることができる。逆に、空隙率を低くする手段としては、例えば、液状潤滑剤を減量すること、延伸倍率を減少すること等が挙げられる。   The porosity of the microporous membrane can be adjusted to the above range depending on the number of pores in the microporous membrane, the pore diameter, the pore shape, the draw ratio, the amount of liquid lubricant added, and the type of liquid lubricant. As a means for increasing the porosity of the microporous film, for example, a method of adjusting the addition amount of the liquid lubricant to 5 to 50% by mass can be mentioned. By adjusting the addition amount of the liquid lubricant within this range, the moldability of the resin constituting the microporous membrane is maintained and the plasticizing effect is sufficient. It can be highly fibrillated in the axial direction and can efficiently increase the draw ratio. On the other hand, examples of means for lowering the porosity include reducing the amount of liquid lubricant and decreasing the draw ratio.

本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、その膜厚が0.1μm〜50μmであると好ましく、0.5μm〜30μmであるとより好ましく、1.0μm〜20μmであると更に好ましく、2.0μm〜20μmであると特に好ましい。膜厚が0.1μm〜50μmの範囲にあることにより、高分子電解質ポリマーが微多孔膜中に孔充填できるとともに、電解質膜の寸法変化が抑制される傾向にある。ここで、微多孔膜の膜厚は、その膜を50%RHの恒温恒湿の室内で十分に静置した後、公知の膜厚計(例えば、東洋精機製作所製、商品名「B−1」)を用いて測定される値を言う。   The fluorine-based microporous membrane in this embodiment preferably has a thickness of 0.1 μm to 50 μm, more preferably 0.5 μm to 30 μm, still more preferably 1.0 μm to 20 μm, and 2.0 μm. It is particularly preferable that it is ˜20 μm. When the film thickness is in the range of 0.1 μm to 50 μm, the polymer electrolyte polymer can fill the microporous membrane with pores, and the dimensional change of the electrolyte membrane tends to be suppressed. Here, the film thickness of the microporous membrane is determined by sufficiently allowing the membrane to stand in a constant temperature and humidity room of 50% RH, and then using a known film thickness meter (for example, trade name “B-1 manufactured by Toyo Seiki Seisakusho”). ") Means the value measured using.

微多孔膜の膜厚は、キャスト溶液の固形分量、押し出し樹脂量、押し出し速度、微多孔膜の延伸倍率によって、その数値を上記範囲に調整することができる。   The value of the film thickness of the microporous film can be adjusted to the above range by the solid content of the cast solution, the amount of the extruded resin, the extrusion speed, and the stretching ratio of the microporous film.

本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、さらに、収縮低減のために熱固定処理を施されることが好ましい。この熱固定処理を行うことにより、高温雰囲気下での微多孔膜の収縮を低減し、電解質膜の寸法変化を低減することができる。熱固定は、例えばTD(幅方向)テンターにより、微多孔膜原料の融点以下の温度範囲でTD(幅方向)方向の応力を緩和させることにより、微多孔膜に施される。本実施形態において好適に用いられるPTFEの場合、好ましい応力緩和温度範囲は200℃〜420℃である。   It is preferable that the fluorine-based microporous membrane in the present embodiment is further subjected to a heat setting treatment to reduce shrinkage. By performing this heat setting treatment, the shrinkage of the microporous membrane under a high temperature atmosphere can be reduced, and the dimensional change of the electrolyte membrane can be reduced. The heat setting is performed on the microporous film by, for example, relaxing the stress in the TD (width direction) direction in a temperature range below the melting point of the microporous film raw material with a TD (width direction) tenter. In the case of PTFE suitably used in the present embodiment, a preferable stress relaxation temperature range is 200 ° C to 420 ° C.

また、本実施形態におけるフッ素系微多孔膜は、本発明の課題解決及び効果を損なわない範囲で、界面活性剤塗布、化学的改質などの表面処理が必要に応じて施されてもよい。表面処理を施すことで微多孔膜の表面を親水化することができ、高分子電解質ポリマー溶液の高充填性といった効果を奏するほか、電解質膜の含水率を調整し得る。   In addition, the fluorine-based microporous film in the present embodiment may be subjected to surface treatment such as coating with a surfactant and chemical modification, as necessary, within a range that does not impair the problems and effects of the present invention. By performing the surface treatment, the surface of the microporous membrane can be hydrophilized, and the water content of the electrolyte membrane can be adjusted in addition to the effect of high filling of the polymer electrolyte polymer solution.

本実施形態における電解質膜の製造方法(成膜法)としては、特に限定されず、公知の、押し出し方法、キャスト成膜を用いることができる。電解質膜は単層でも多層(2〜5層)でもよく、多層の場合は性質の異なる膜(例えば、EWや官能基の異なる樹脂)を積層することにより、電解質膜の性能を改善することができる。多層の場合は、押出し製膜時、キャスト時に積層させるか、又は得られたそれぞれの膜を積層させればよい。   The method for producing an electrolyte membrane (film formation method) in the present embodiment is not particularly limited, and a known extrusion method or cast film formation can be used. The electrolyte membrane may be a single layer or a multilayer (2 to 5 layers). In the case of a multilayer, it is possible to improve the performance of the electrolyte membrane by laminating films having different properties (for example, resins having different EW and functional groups). it can. In the case of a multilayer, it may be laminated at the time of extrusion film formation or casting, or the obtained respective films may be laminated.

また、上記方法で成膜された電解質膜は、充分水洗浄し(又は必要に応じて、水洗前に、希薄な、塩酸、硝酸、硫酸等の水性酸性液で処理し)不純物を除去して、膜を空気中(好ましくは不活性ガス中)で、130〜200℃、好ましくは140〜180℃、より好ましくは150〜170℃で、1〜30分間熱処理することが好ましい。熱処理の時間は、より好ましくは2〜20分であり、更に好ましくは3〜15分、特に好ましくは5〜10分程度である。   In addition, the electrolyte membrane formed by the above method is thoroughly washed with water (or treated with a dilute aqueous acidic solution such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or the like before washing with water if necessary) to remove impurities. The film is preferably heat-treated in air (preferably in an inert gas) at 130 to 200 ° C., preferably 140 to 180 ° C., more preferably 150 to 170 ° C. for 1 to 30 minutes. The heat treatment time is more preferably 2 to 20 minutes, further preferably 3 to 15 minutes, and particularly preferably about 5 to 10 minutes.

上記処理を行う理由の一つは、成膜時のままの状態では、原料由来の粒子間(一次粒子及び二次粒子間)及び分子間が充分に絡み合っていないため、その粒子間及び分子間を絡み合わす目的で、特に耐水性(特に熱水溶解成分比率を下げ)、水の飽和吸水率を安定させ、安定なクラスターを生成させるために有用である。また、膜強度向上の観点からも有用である。特にキャスト成膜法を用いた場合には有用である。   One of the reasons for performing the above treatment is that the raw material-derived particles (between the primary particles and the secondary particles) and the molecules are not sufficiently entangled with each other in the state as they are at the time of film formation. For the purpose of entanglement of water, it is particularly useful for water resistance (especially lowering the hot water-dissolved component ratio), stabilizing the saturated water absorption rate of water, and generating stable clusters. It is also useful from the viewpoint of improving the film strength. This is particularly useful when the cast film forming method is used.

また、他の理由としては、フッ素系高分子電解質ポリマーの分子間同士で、微小な分子間架橋を生成させることにより、耐水性及び安定なクラスター生成に寄与し、さらに、クラスター径を均一に且つ小さくする効果があると推測される。   Another reason is that by forming minute intermolecular cross-links between molecules of the fluorine-based polymer electrolyte polymer, it contributes to water resistance and stable cluster formation, and the cluster diameter is made uniform and It is estimated that there is an effect to make it smaller.

さらには、樹脂組成物中のフッ素系高分子電解質ポリマーのイオン交換基が、その他の添加物(樹脂を含む)成分の活性反応部位(芳香環など)と、少なくともその一部分が反応し、それを介して、(特に分散している添加物であるその他樹脂成分の近くに存在するイオン交換基の反応により)微小な架橋が生成して安定化するものと推測される。この架橋の程度は、EW(熱処理前後のEW低下の程度)に換算して、0.001〜5%であることが好ましく、より好ましくは0.1〜3%、更に好ましくは0.2〜2%程度である。   Furthermore, the ion exchange group of the fluorine-based polyelectrolyte polymer in the resin composition reacts with an active reaction site (such as an aromatic ring) of other additives (including the resin) at least a part thereof. Therefore, it is presumed that minute cross-links are generated and stabilized (particularly due to the reaction of ion-exchange groups existing in the vicinity of other resin components that are dispersed additives). The degree of this cross-linking is preferably 0.001 to 5%, more preferably 0.1 to 3%, still more preferably 0.2 to 0.2% in terms of EW (degree of EW reduction before and after heat treatment). About 2%.

また、上記処理条件(時間、温度)の上限を超える過剰な処理を行った場合は、脱フッ素、脱フッ酸、脱スルホン酸、熱酸化部位などが増えて、かえって分子構造に欠陥が生じ、そこを起点に、実際に電解膜として使用している間に、耐酸化劣化性が悪化する傾向にある。一方、処理条件の下限未満であると、上述した本処理の効果が不十分となる場合がある。   In addition, when excessive treatment exceeding the upper limit of the above treatment conditions (time, temperature) is performed, defluorination, dehydrofluoric acid, desulfonic acid, thermal oxidation sites, etc. increase, and defects in the molecular structure occur. From that point of view, the oxidation degradation resistance tends to deteriorate during actual use as an electrolytic membrane. On the other hand, if it is less than the lower limit of the processing conditions, the effect of the above-described main processing may be insufficient.

本実施形態における電解質膜に存在するイオンクラスターは、高分子電解質ポリマー分子の骨格をなすフッ素化炭化水素部分を形成する疎水部分と、該主鎖に結合している側鎖である適度な分子構造及び該長さ部分を形成していて先端に位置するイオン交換基である親水基が(分子を介して)複数集まった部分と、その周辺に配位している水分子及び水素結合その他の親和力で近辺に集められている自由水(遊離水とも言う)とからなる。そして、複数個の、大きいサイズのチャンネル(所謂イオンクラスター)と、その間を繋ぐ小さなサイズのイオンチャンネルが形成され、結果として、膜の厚み方向に連続してイオンチャンネルが通じ、これがイオン(特にプロトンH+の)伝導通路(チャンネル)として機能する。 The ion cluster present in the electrolyte membrane in the present embodiment has an appropriate molecular structure consisting of a hydrophobic portion forming a fluorinated hydrocarbon portion that forms the skeleton of the polymer electrolyte polymer molecule and a side chain bonded to the main chain. And a portion where a plurality of hydrophilic groups, which are ion-exchange groups located at the tip and forming the length portion, are gathered (via molecules), and water molecules, hydrogen bonds and other affinities coordinated around the portion. It consists of free water (also called free water) collected in the vicinity. Then, a plurality of large-sized channels (so-called ion clusters) and small-sized ion channels that connect the channels are formed. As a result, the ion channels continuously pass in the thickness direction of the membrane, and these ions (especially protons). Functions as a H + ) conduction path (channel).

本実施形態における電解質膜の、25℃水中における小角X線法により測定したイオンクラスター径は好ましくは1.00〜3.10nmであり、より好ましくは1.50〜3.00nm、更に好ましくは1.70〜2.95nm、特に好ましくは2.00〜2.75nmである。イオンクラスター径が3.10nmを超えると、大きなイオンを透過しやすくなるため、イオン選択透過性に問題が生じるおそれがあり、また、膜の強度が低下する傾向にある。一方、イオンクラスター径が1.00nm未満であると、水分子を配位したプロトン(H+)が通り難くなり、電気抵抗が上昇する傾向にある。 The ion cluster diameter measured by the small angle X-ray method in 25 ° C. water of the electrolyte membrane in this embodiment is preferably 1.00 to 3.10 nm, more preferably 1.50 to 3.00 nm, and still more preferably 1. .70 to 2.95 nm, particularly preferably 2.00 to 2.75 nm. When the ion cluster diameter exceeds 3.10 nm, large ions are likely to be transmitted, which may cause a problem in ion selective permeability, and the strength of the membrane tends to decrease. On the other hand, when the ion cluster diameter is less than 1.00 nm, it becomes difficult for protons (H + ) coordinated with water molecules to pass through and the electrical resistance tends to increase.

電解質膜の単位体積あたりのイオンクラスター数(個/nm3)は、好ましくは0.06〜0.25であり、より好ましくは0.09〜0.22、更に好ましくは0.12〜0.20である。単位体積あたりのイオンクラスター数が多すぎると、膜強度が低下するおそれがあり、少なすぎると、電気伝導度が悪化する(膜電気抵抗が低くなる)傾向にある。 The number of ion clusters (units / nm 3 ) per unit volume of the electrolyte membrane is preferably 0.06 to 0.25, more preferably 0.09 to 0.22, and still more preferably 0.12 to 0.00. 20. If the number of ion clusters per unit volume is too large, the film strength may decrease, and if it is too small, the electrical conductivity tends to deteriorate (membrane electrical resistance decreases).

イオンクラスター径及びクラスター数の具体的な算出方法としては、以下のとおりである。
電解質膜を25℃の水に含浸した状態で小角X線散乱測定を実施し、得られた散乱プロフィールに対して空セル散乱補正、絶対強度補正を行う。2次元検出器を用いて測定を行った場合は円環平均等によりデータを1次元化し、散乱強度の散乱角依存性を求める。こうして得られた散乱強度の散乱角依存性(散乱プロフィール)を用いて、橋本康博、坂本直紀、飯嶋秀樹 高分子論文集 vol.63 No.3 pp.116 2006に記載された手法に準じてクラスター径を求めることができる。すなわち、クラスター構造が粒径分布を持つコアーシェル型の剛体球で表されると仮定し、このモデルに基づく理論散乱式をもちいて実測の散乱プロフィールのクラスター由来の散乱が支配的な領域をフィッティングすることで平均クラスター直径(クラスター径)、クラスター個数密度を得ることができる。このモデルにおいて、コアの部分がクラスターに相当し、コアの直径がクラスター径となる。なお、シェル層は仮想的なものでシェル層の電子密度はマトリックス部分と同じとする。また厚みは0.25nmとする。
The specific calculation method of the ion cluster diameter and the number of clusters is as follows.
Small-angle X-ray scattering measurement is performed in a state where the electrolyte membrane is impregnated with water at 25 ° C., and empty cell scattering correction and absolute intensity correction are performed on the obtained scattering profile. When the measurement is performed using a two-dimensional detector, the data is made one-dimensional by an annular average or the like, and the scattering angle dependence of the scattering intensity is obtained. Using the scattering angle dependence (scattering profile) of the scattering intensity obtained in this way, clusters were created according to the method described in Yasuhiro Hashimoto, Naoki Sakamoto, Hideki Iijima Polymer Sciences Vol.63 No.3 pp.116 2006 The diameter can be determined. In other words, assuming that the cluster structure is represented by a core-shell type hard sphere having a particle size distribution, the theoretical scattering formula based on this model is used to fit the region where scattering from clusters in the measured scattering profile is dominant. Thus, the average cluster diameter (cluster diameter) and the cluster number density can be obtained. In this model, the core portion corresponds to a cluster, and the core diameter is the cluster diameter. Note that the shell layer is virtual and the electron density of the shell layer is the same as that of the matrix portion. The thickness is 0.25 nm.

電解質膜のイオンクラスター径及びイオンクラスター数は、ポリマー構造やポリマー組成、製膜条件等により調整することができる。   The ion cluster diameter and the number of ion clusters of the electrolyte membrane can be adjusted by the polymer structure, polymer composition, film forming conditions, and the like.

本実施形態における電解質膜は、イオンの選択透過性に優れ、電気抵抗も低く、耐久性(主に、ヒドロキシラジカル耐酸化性)にも優れており、レドックスフロー二次電池用の隔膜として優れた性能を発揮する。なお、本明細書中の各物性は、特に明記しない限り、以下の実施例に記載された方法に準じて測定することができる。   The electrolyte membrane in this embodiment has excellent ion selective permeability, low electrical resistance, excellent durability (mainly hydroxyl radical oxidation resistance), and was excellent as a diaphragm for redox flow secondary batteries. Demonstrate performance. In addition, each physical property in this specification can be measured according to the method described in the following Examples, unless otherwise specified.

次に、実施例及び比較例を挙げて本実施形態をより具体的に説明するが、本実施形態はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   Next, the present embodiment will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present embodiment is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

[測定方法]
(フッ素系高分子電解質ポリマー)
(1) PFSA樹脂前駆体のメルトフローインデックス
ASTM:D1238に準拠して、測定条件:温度270℃、荷重2160gで測定を行った。
[Measuring method]
(Fluoropolymer electrolyte polymer)
(1) Melt flow index of PFSA resin precursor Based on ASTM: D1238, measurement was carried out under conditions of measurement: temperature 270 ° C. and load 2160 g.

(2) PFSA樹脂の当量質量EW
PFSA樹脂0.3gを、25℃、飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、飽和NaCl水溶液中の遊離プロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和後に得られた、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているPFSA樹脂分を純水ですすぎ、さらに真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているPFSA樹脂の質量をW(mg)とし、下記式より当量質量EW(g/eq)を求めた。
EW=(W/M)−22
(2) Equivalent mass EW of PFSA resin
0.3 g of PFSA resin was immersed in 30 mL of a saturated NaCl aqueous solution at 25 ° C. and left for 30 minutes with stirring. Subsequently, the free protons in the saturated NaCl aqueous solution were subjected to neutralization titration using 0.01N sodium hydroxide aqueous solution with phenolphthalein as an indicator. The PFSA resin component obtained after neutralization, in which the counter ion of the ion exchange group is in the state of sodium ion, was rinsed with pure water, further vacuum dried and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), and the mass of the PFSA resin in which the counter ion of the ion exchange group is in a sodium ion state is W (mg). g / eq).
EW = (W / M) −22

(高分子電解質膜) (Polymer electrolyte membrane)

(3) 膜厚
膜サンプルを23℃、50%RHの恒温恒湿の室内で1時間以上静置した後、膜厚計(東洋精機製作所製、商品名「B−1」)を用いて膜厚を測定した。
(3) Film thickness After the film sample was allowed to stand for 1 hour or longer in a room at 23 ° C. and 50% RH, the film was measured using a film thickness meter (trade name “B-1” manufactured by Toyo Seiki Seisakusho). The thickness was measured.

(4) 膜平衡含水率
PFSA樹脂の分散液を清澄なガラス板上に塗布し、150℃で約10分間乾燥し、剥離して約30μmの膜を形成させ、これを23℃の水中に約3時間放置し、その後23℃、関係湿度(RH)50%の部屋に24時間放置した時の平衡含水率を測定した。基準の乾燥膜としては、80℃真空乾燥膜を用いた。平衡含水率は、膜の質量変化から算出した。
(4) Membrane equilibrium moisture content
A dispersion of PFSA resin was applied on a clear glass plate, dried at 150 ° C. for about 10 minutes, peeled to form a film of about 30 μm, and left in water at 23 ° C. for about 3 hours. Equilibrium water content was measured when left in a room at 50 ° C. and a relative humidity (RH) of 50% for 24 hours. As a standard dry film, an 80 ° C. vacuum dry film was used. The equilibrium moisture content was calculated from the change in mass of the membrane.

(5) 膜吸水率
PFSA樹脂の分散液を清澄なガラス板上に塗布し、150℃で約10分間乾燥し、剥離して約30μmの膜を形成させ、これを23℃の水中に約3時間放置し、表面水をふき取って測定した時の最大含水率を測定した。基準の乾燥膜としては、80℃真空乾燥膜を用いた。最大含水率は、膜の質量変化から算出した。
(5) Membrane water absorption
A dispersion of PFSA resin is applied on a clear glass plate, dried at 150 ° C. for about 10 minutes, peeled to form a film of about 30 μm, and left in water at 23 ° C. for about 3 hours. The maximum water content was measured when wiped off. As a standard dry film, an 80 ° C. vacuum dry film was used. The maximum water content was calculated from the change in mass of the membrane.

(微多孔膜)
(6) 細孔分布
微多孔膜の細孔分布は、以下のようにして測定した。まず、微多孔膜サンプルをφ25mmの大きさに切り出し、貫通細孔分布/ガス、流体透過性解析装置(Xonics Corporation製、装置名:Porometer3G)を用いて測定を行った。本装置の測定は、JIS−K−3832に記載のバブルポイント法に準拠しており、まず微多孔膜の細孔体積を試験専用液体(porofil(登録商標))で完全に満たした後、微多孔膜にかかる圧力を徐々に増加させることで、試験専用液の表面張力と印加した気体の圧力、供給流量から細孔分布を求める方法である(バブルポイント・ハーフドライ法)。微多孔膜の細孔分布は、細孔測定範囲:0.065μm〜10.0μm、流量ガス:圧縮空気で測定した。
また、細孔の存在量を下記式により算出した。
(細孔の存在量)=(細孔径0.3μm〜5.0μmの範囲に存在する細孔数)/(細孔径0.065μm〜10.0μmに存在する微多孔膜の全細孔数)
(Microporous membrane)
(6) Pore distribution The pore distribution of the microporous membrane was measured as follows. First, a microporous membrane sample was cut into a size of φ25 mm, and measurement was performed using a through pore distribution / gas, fluid permeability analyzer (manufactured by Xonics Corporation, apparatus name: Porometer 3G). The measurement of this apparatus is based on the bubble point method described in JIS-K-3832, and after the pore volume of the microporous membrane is first completely filled with a test liquid (porofil (registered trademark)) In this method, the pressure applied to the porous membrane is gradually increased to obtain the pore distribution from the surface tension of the test liquid, the pressure of the applied gas, and the supply flow rate (bubble point half-dry method). The pore distribution of the microporous membrane was measured with a pore measurement range: 0.065 μm to 10.0 μm, a flow rate gas: compressed air.
Moreover, the abundance of the pores was calculated by the following formula.
(Abundance of pores) = (Number of pores existing in a pore diameter range of 0.3 μm to 5.0 μm) / (Total number of pores of a microporous membrane existing in a pore diameter of 0.065 μm to 10.0 μm)

(7) 弾性率
膜サンプルを70mm×10mmの矩形膜に切り出し、JIS K−7127に準拠して弾性率を測定した。
(7) Elastic modulus The membrane sample was cut into a rectangular film of 70 mm x 10 mm, and the elastic modulus was measured according to JIS K-7127.

(8) 空隙率
水銀ポロシメータ(島津製作所製、商品名:オートポアIV 9520、初期圧約20kPa)を用いて、水銀圧入法により測定した。
(8) Porosity The porosity was measured by mercury porosimetry using a mercury porosimeter (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: Autopore IV 9520, initial pressure of about 20 kPa).

(9) 充放電試験
レドックスフロー二次電池は、隔膜の両側にて、液透過性で多孔質の集電体電極(負極用、正極用)を隔膜の両側にそれぞれ配置し、押圧でそれらを挟み、隔膜で仕切られた一方を正極セル室、他方を負極セル室とし、スペーサーで両セル室の厚みを確保した。正極セル室には、バナジウム4価(V4+)及び同5価(V5+)を含む硫酸電解液からなる正極電解液を、負極セル室にはバナジウム3価(V3+)及び同2価(V2+)を含む負極電解液を流通させ、電池の充電及び放電を行った。このとき、充電時には、正極セル室においては、バナジウムイオンが電子を放出するためV4+がV5+に酸化され、負極セル室では外路を通じて戻って来た電子によりV3+がV2+に還元される。この酸化還元反応では、正極セル室ではプロトン(H+)が過剰になり、一方負極セル室では、プロトン(H+)が不足する。隔膜は正極セル室の過剰なプロトンを選択的に負極室に移動させ電気的中性が保たれる。放電時には、この逆の反応が進む。この時の電池効率(エネルギー効率)電流効率(%)は、放電電力量を充電電力量で除した比率(%)で表され、両電力量は、電池セルの内部抵抗と隔膜のイオン選択透過性及びその他電流損失に依存する。また、電流効率(%)は、放電電気量を充電電気量で除した比率(%)で表され、両電気量は、隔膜のイオン選択透過性及びその他電流損失に依存する。電池効率は、電流効率と電圧効率の積で表される。内部抵抗すなわちセル電気抵抗率の減少は電圧効率を向上させ、イオン選択透過性の向上及びその他電流損失の低減は、電流効率を向上させるので、レドックスフロー二次電池において、重要な指標となる。
充放電実験は、上述のようにして得られた電池を用いて行った。全バナジウム濃度が2M/Lで、全硫酸根濃度が4M/Lでの水系電解液を使用し、また、設置した正極及び負極セル室の厚みがそれぞれ5mmで、両多孔質電極と隔膜の間には炭素繊維からなる厚み5mmで嵩密度が約0.1g/cm3の多孔質状のフエルトを挟んで用いた。充放電実験は電流密度80mA/cm2で実施した。
セル電気抵抗率は、ACインピーダンス法を用いて、放電開始時においてAC電圧10mV,周波数20kHzでの直流抵抗値を測定し、それに電極面積を掛けることによって求めた。
(9) Charging / discharging test Redox flow secondary batteries have liquid-permeable porous collector electrodes (for negative electrode and positive electrode) arranged on both sides of the diaphragm on both sides of the diaphragm. One was sandwiched and separated by a diaphragm, the positive electrode cell chamber, the other was the negative electrode cell chamber, and the thickness of both cell chambers was secured with a spacer. The positive electrode cell chamber is composed of a sulfuric acid electrolyte containing vanadium tetravalent (V 4+ ) and pentavalent (V 5+ ), and the negative electrode cell chamber is composed of vanadium trivalent (V 3+ ) and the same. A negative electrode electrolyte containing divalent (V 2+ ) was circulated to charge and discharge the battery. At this time, at the time of charging, V 4+ is oxidized to V 5+ because vanadium ions emit electrons in the positive electrode cell chamber, and V 3+ is changed to V 2 by electrons returning through the outer path in the negative cell chamber. Reduced to + . In this oxidation-reduction reaction, protons (H + ) are excessive in the positive electrode cell chamber, while protons (H + ) are insufficient in the negative electrode cell chamber. The diaphragm selectively moves excess protons in the positive electrode cell chamber to the negative electrode chamber, thereby maintaining electrical neutrality. The reverse reaction proceeds during discharge. The battery efficiency (energy efficiency) and current efficiency (%) at this time are expressed as a ratio (%) obtained by dividing the discharge power amount by the charge power amount. Both power amounts are selectively permeated through the internal resistance of the battery cell and the diaphragm. And other current losses. The current efficiency (%) is expressed as a ratio (%) obtained by dividing the amount of discharged electricity by the amount of charged electricity, and both the amounts of electricity depend on the ion selective permeability of the diaphragm and other current losses. Battery efficiency is expressed as the product of current efficiency and voltage efficiency. A decrease in internal resistance, ie, cell electrical resistivity, improves voltage efficiency, and an improvement in ion selective permeability and other reductions in current loss improve current efficiency, and thus are important indicators in redox flow secondary batteries.
The charge / discharge experiment was performed using the battery obtained as described above. Use an aqueous electrolyte with a total vanadium concentration of 2 M / L and a total sulfate radical concentration of 4 M / L, and the thickness of the installed positive and negative electrode cell chambers is 5 mm, respectively, between the porous electrode and the diaphragm. Was used by sandwiching a felt made of carbon fiber having a thickness of 5 mm and a bulk density of about 0.1 g / cm 3 . The charge / discharge experiment was conducted at a current density of 80 mA / cm 2 .
The cell electrical resistivity was determined by measuring the DC resistance value at an AC voltage of 10 mV and a frequency of 20 kHz at the start of discharge using the AC impedance method, and multiplying this by the electrode area.

(実施例1〜8)
(1)PFSA樹脂前駆体の作製
ステンレス製攪拌式オートクレーブに、C715COONH4の10%水溶液と純水とを仕込み、十分に真空、窒素置換を行った後、テトラフルオロエチレン(CF2=CF2)(以下、「TFE」とも略記する。)ガスを導入してケージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続いて、過硫酸アンモニウム水溶液を注入して重合を開始した。重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEガスを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保つようにして、供給したTFEに対して、質量比で0.70倍に相当する量のCF2=CFCF2O(CF22−SO2Fを連続的に供給して重合を行い、それぞれ重合条件を最適な範囲に調整して、各種のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体粉末を得た。得られたPFSA樹脂前駆体粉末A1のMFIは0.8(g/10分)であった。
(Examples 1-8)
(1) Preparation of PFSA resin precursor A 10% aqueous solution of C 7 F 15 COONH 4 and pure water were charged into a stainless steel stirring autoclave, and after sufficient vacuum and nitrogen substitution, tetrafluoroethylene (CF 2 = CF 2 ) (hereinafter also abbreviated as “TFE”) Gas was introduced and the pressure was increased to 0.7 MPa at a cage pressure. Subsequently, polymerization was initiated by injecting an aqueous ammonium persulfate solution. In order to replenish the TFE consumed by the polymerization, the TFE gas is continuously supplied to keep the pressure of the autoclave at 0.7 MPa, which corresponds to 0.70 times in mass ratio with respect to the supplied TFE. The amount of CF 2 ═CFCF 2 O (CF 2 ) 2 —SO 2 F is continuously supplied to perform polymerization, and the polymerization conditions are adjusted to the optimum ranges, respectively. Various perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor powders Got. The MFI of the obtained PFSA resin precursor powder A1 was 0.8 (g / 10 min).

(2)パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、及びその分散溶液の作製
得られたPFSA樹脂前駆体粉末A1を、水酸化カリウム(15質量%)とメチルアルコール(50質量%)を溶解した水溶液中に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に5時間浸漬した。次に、60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回塩酸水溶液を更新して5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、スルホン酸基(SO3H)を有し、式(1)で表される構造を有するPFSA樹脂の重合体Aを得た。得られた重合体AのEWは750(g/eq)であった。
得られたPFSA樹脂を、エタノール水溶液(水:エタノール=50:50(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で攪拌しながら160℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、5質量%の均一なPFSA樹脂分散液を作製した。次に、これらの100gのPFSA樹脂分散液に純水100gを添加、攪拌した後、この液を80℃に加熱、攪拌しながら、固形分濃度が20質量%になるまで濃縮した。
得られたPFSA樹脂分散液を、分散液(ASF1)とした。
(2) Production of perfluorocarbon sulfonic acid resin and dispersion thereof The obtained PFSA resin precursor powder A1 was dissolved in an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methyl alcohol (50% by mass) were dissolved. The hydrolysis treatment was performed by contact at 20 ° C. for 20 hours. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 5 hours. Next, the treatment of immersing in a 2N aqueous hydrochloric acid solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times by updating the aqueous hydrochloric acid solution every time, and then washed with ion-exchanged water and dried. Thereby, a polymer A of a PFSA resin having a sulfonic acid group (SO 3 H) and a structure represented by the formula (1) was obtained. The EW of the obtained polymer A was 750 (g / eq).
The obtained PFSA resin was placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50: 50 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a 5% by mass uniform PFSA resin dispersion. Next, 100 g of pure water was added to 100 g of these PFSA resin dispersions and stirred, and then the liquid was concentrated to a solid content concentration of 20% by mass while heating and stirring at 80 ° C.
The obtained PFSA resin dispersion was designated as dispersion (ASF1).

次に、ポリベンズイミダゾール(以下、「PBI」とも略する。)粉末を、アルカリ水溶液(KOH10%水溶液)に溶解し、上記各PFSA樹脂分散液に、均一に混合分散しながら、攪拌し、最終的(固形成分で)に、該PFSA樹脂成分100質量部に対して4質量部となるように均一に混合した。次にこれらを、粒子状カチオン交換樹脂粒子を充填したカラムを通して、アルカリイオン成分をほぼ完全に除去し、少なくとも一部の該官能基同士(スルホン酸基とアルカリ性の窒素原子と)のイオン結合を生成せしめた混合分散液とし、これをASBF1とした。   Next, a polybenzimidazole (hereinafter also abbreviated as “PBI”) powder is dissolved in an alkaline aqueous solution (KOH 10% aqueous solution) and stirred while being uniformly mixed and dispersed in each of the PFSA resin dispersions. The mixture was uniformly mixed (in a solid component) so as to be 4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the PFSA resin component. Next, these are passed through a column packed with particulate cation exchange resin particles, and the alkali ion component is almost completely removed, and ionic bonds between at least some of the functional groups (sulfonic acid groups and alkaline nitrogen atoms) are formed. The resulting mixed dispersion was designated as ASBF1.

同様の方法により、ポリフェニレンスルフィド(以下、「PPS」とも略する。)粉末(シェブロン・フィリップス社製、型番P−4)を、アルカリ水溶液(KOH10%水溶液)に溶解し、上記PFSA樹脂分散液に、均一に混合分散しながら攪拌し、最終的(固形成分で)に、該PFSA樹脂成分100質量部に対して10質量部となるように均一に混合した。次にこれらを、粒子状カチオン交換樹脂粒子を充填したカラムを通して、アルカリイオン成分をほぼ完全に除去し、少なくとも一部の該官能基同士(スルホン酸基とアルカリ性の窒素原子と)のイオン結合を生成せしめた混合分散液として、これをASBF2とした。   In the same manner, polyphenylene sulfide (hereinafter also abbreviated as “PPS”) powder (manufactured by Chevron Phillips, model number P-4) is dissolved in an alkaline aqueous solution (KOH 10% aqueous solution). The mixture was stirred while being uniformly mixed and dispersed, and finally (in solid components), the mixture was uniformly mixed so as to be 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the PFSA resin component. Next, these are passed through a column packed with particulate cation exchange resin particles, and the alkali ion component is almost completely removed, and ionic bonds between at least some of the functional groups (sulfonic acid groups and alkaline nitrogen atoms) are formed. This was designated as ASBF2 as a mixed dispersion.

(3)電解質膜の作製
得られた分散液(ASF1)及び混合分散液(ASBF1及びASBF2)を、公知の通常の方法にて、担体シートであるポリイミド製フィルム上にキャストし、120℃(20分)の熱風を当てて、溶媒をほぼ完全に飛ばし、乾燥させることにより膜を得た。これを更に、160℃10分の条件下における熱風空気雰囲気下で、熱処理することにより膜厚50μmの電解質膜を得た。ASF1から得られた電解質膜を実施例1、ASBF1から得られた電解質膜を実施例2、ASBF2から得られた電解質膜を実施例3の電解質膜とした。
(3) Production of Electrolyte Membrane The obtained dispersion (ASF1) and mixed dispersion (ASBF1 and ASBF2) were cast on a polyimide film as a carrier sheet by a known ordinary method, and 120 ° C. (20 Min.) Was applied to blow off the solvent almost completely and dried to obtain a film. This was further heat-treated in a hot air atmosphere at 160 ° C. for 10 minutes to obtain an electrolyte membrane having a thickness of 50 μm. The electrolyte membrane obtained from ASF1 was used as Example 1, the electrolyte membrane obtained from ASBF1 was used as Example 2, and the electrolyte membrane obtained from ASBF2 was used as the electrolyte membrane of Example 3.

得られた電解質膜の平衡含水率は、ASF1(19質量%)、ASBF1(23質量%)、ASBF2(23質量%)であった。
25℃水中3時間におけるそれぞれの電解質膜の最大含水率は、それぞれ、ASF1(38質量%)、ASBF1(34質量%)、ASBF2(34質量%)であった。ここで、最大含水率は、平衡含水率測定時に観測される最大値を示す。
電解質膜のイオン伝導度は、ASF1(0.14S/cm)、ASBF1(0.12S/cm)、ASBF2(0.1S/cm)であった。
The equilibrium water content of the obtained electrolyte membrane was ASF1 (19% by mass), ASBF1 (23% by mass), and ASBF2 (23% by mass).
The maximum water content of each electrolyte membrane in water at 25 ° C. for 3 hours was ASF1 (38 mass%), ASBF1 (34 mass%), and ASBF2 (34 mass%), respectively. Here, the maximum moisture content indicates the maximum value observed when measuring the equilibrium moisture content.
The ionic conductivity of the electrolyte membrane was ASF1 (0.14 S / cm), ASBF1 (0.12 S / cm), and ASBF2 (0.1 S / cm).

さらに、下記の処理を行うことにより実施例4〜8の電解質膜を得た。
実施例1の電解質膜を、硝酸セリウム(実施例4)、炭酸セリウム(実施例5)、酢酸マンガン(実施例6)、硝酸コバルト(実施例7)、又は硝酸マンガン(実施例8)を蒸留水に溶解した1%硝酸水溶液に浸漬し、室温で40時間、スターラーを用いて攪拌を行って電解質膜中に各金属イオンを含有させた。なお、浸漬前後の硝酸水溶液を誘導結合プラズマ(ICP)発光分析により分析した結果、電解質膜の各金属イオンの含有率(膜中の−SO3−基の数に対するセリウムイオン、コバルトイオン、マンガンイオンの割合)は、それぞれ、10.2%(実施例4)、10.4%(実施例5)、25.1%(実施例6)、25.2%(実施例7)、25.4%(実施例8)であった。
Furthermore, the electrolyte membrane of Examples 4-8 was obtained by performing the following process.
The electrolyte membrane of Example 1 was distilled from cerium nitrate (Example 4), cerium carbonate (Example 5), manganese acetate (Example 6), cobalt nitrate (Example 7), or manganese nitrate (Example 8). It was immersed in a 1% nitric acid aqueous solution dissolved in water, and stirred with a stirrer at room temperature for 40 hours to contain each metal ion in the electrolyte membrane. As a result of analyzing the nitric acid aqueous solution before and after immersion by inductively coupled plasma (ICP) emission analysis, the content of each metal ion in the electrolyte membrane (cerium ion, cobalt ion, manganese ion relative to the number of —SO 3 — groups in the membrane) %) Were 10.2% (Example 4), 10.4% (Example 5), 25.1% (Example 6), 25.2% (Example 7), and 25.4, respectively. % (Example 8).

次に各電解質膜を、バナジウムレドックスフロー二次電池の隔膜として用いて充放電試験を行った。各電解質膜を、電解液中で充分平衡にしてから充放電実験を行い、その後安定な状態にしてから、セル電気抵抗率及び電流効率を測定した。各膜のセル電気抵抗率/電流効率を表1に示した。   Next, a charge / discharge test was performed using each electrolyte membrane as a diaphragm of a vanadium redox flow secondary battery. Each electrolyte membrane was sufficiently equilibrated in the electrolyte solution, and then a charge / discharge experiment was performed. After the electrolyte membrane was made stable, the cell electrical resistivity and current efficiency were measured. Table 1 shows the cell electrical resistivity / current efficiency of each film.

(実施例9)
(1)PTFE微多孔膜1の作製
数平均分子量650万のPTFEファインパウダー1kg当たりに、押出液状潤滑油としての炭化水素油を20℃において463mL加えて混合した。
次に、この混合物をペースト押出しすることにより得られた丸棒状成形体を、70℃に加熱したカレンダーロールによりフィルム状に成形し、PTFEフィルムを得た。このフィルムを250℃の熱風乾燥炉に通して押出助剤を蒸発除去し、平均厚み300μm、幅150mmの未焼成フィルムを得た。
次に、この未焼成PTFEフィルムを長手方向(MD方向)に延伸倍率6.6倍で延伸し、巻き取った。得られたMD方向延伸PTFEフィルムの両端をクリップで挟み、幅方向(TD方向)に延伸倍率8倍で延伸し、熱固定を行い、厚み10μmの延伸PTFE膜を得た。このときの延伸温度は290℃、熱固定温度は360℃であった。作製したPTFE微多孔膜を微多孔膜1とした。微多孔膜1の細孔分布の分布中心は1.29μmであった。
Example 9
(1) Production of PTFE microporous membrane 1 463 mL of hydrocarbon oil as an extruded liquid lubricating oil was added at 20 ° C. and mixed with 1 kg of PTFE fine powder having a number average molecular weight of 6.5 million.
Next, the round bar-like molded body obtained by extruding this mixture by paste extrusion was molded into a film shape by a calender roll heated to 70 ° C. to obtain a PTFE film. This film was passed through a hot air drying oven at 250 ° C. to evaporate and remove the extrusion aid, thereby obtaining an unfired film having an average thickness of 300 μm and a width of 150 mm.
Next, this unsintered PTFE film was stretched in the longitudinal direction (MD direction) at a stretching ratio of 6.6 times and wound up. Both ends of the obtained MD direction stretched PTFE film were sandwiched between clips, stretched in the width direction (TD direction) at a stretch ratio of 8 times, heat-set, and a stretched PTFE film having a thickness of 10 μm was obtained. The stretching temperature at this time was 290 ° C., and the heat setting temperature was 360 ° C. The produced PTFE microporous membrane was designated as microporous membrane 1. The distribution center of the pore distribution of the microporous membrane 1 was 1.29 μm.

(2)電解質膜の作製
上記分散液ASF1をバーコーター(松尾産業製、バーNo.200、WET膜厚200μm)を用いて基材フィルム上に塗布した(塗布面積:幅約200mm×長さ約500mm)後、分散液が乾ききっていない状態で、PTFE微多孔膜1(膜厚:10μm、空隙率:82%、サンプルサイズ:幅200mm×長さ500mm)を分散液上に積層し、微多孔膜上からゴムローラーを用いて分散液と微多孔膜を圧着させた。このとき微多孔膜の一部に分散液が充填していることを目視にて確認した後、この
膜を90℃のオーブンで20分乾燥させた。次に、得られた膜のPTFE微多孔膜上から分散液を再度同様にして積層させることで微多孔膜の空隙を分散液で十分に充填させ、この膜を90℃のオーブンでさらに20分乾燥させた。このようにして得られた「分散液が十分に含浸したPTFE微多孔膜」を170℃のオーブンで1時間熱処理し、膜厚約30μmの電解質膜を得た。電解質膜の評価結果を表1に示す。
得られた電解質膜の平衡含水率は、12質量%であった。
25℃水中3時間における電解質膜の最大含水率は、23質量%であった。ここで、最大含水率は、平衡含水率測定時に観測される最大値を示す。
電解質膜の寸法変化は、14%であった
(2) Preparation of electrolyte membrane The dispersion ASF1 was applied onto a base film using a bar coater (manufactured by Matsuo Sangyo, bar No. 200, WET film thickness 200 μm) (application area: width of about 200 mm × length of about 500 mm), the PTFE microporous membrane 1 (film thickness: 10 μm, porosity: 82%, sample size: width 200 mm × length 500 mm) is laminated on the dispersion while the dispersion is not completely dried. The dispersion and the microporous membrane were pressure-bonded from above the porous membrane using a rubber roller. At this time, after visually confirming that a part of the microporous membrane was filled with the dispersion, this membrane was dried in an oven at 90 ° C. for 20 minutes. Next, the dispersion liquid was laminated again in the same manner from above the PTFE microporous film of the obtained film to sufficiently fill the voids of the microporous film with the dispersion liquid, and this film was further subjected to an oven at 90 ° C. for 20 minutes. Dried. The “PTFE microporous membrane sufficiently impregnated with the dispersion” thus obtained was heat-treated in an oven at 170 ° C. for 1 hour to obtain an electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm. The evaluation results of the electrolyte membrane are shown in Table 1.
The obtained electrolyte membrane had an equilibrium water content of 12% by mass.
The maximum water content of the electrolyte membrane in 25 ° C. water for 3 hours was 23% by mass. Here, the maximum moisture content indicates the maximum value observed when measuring the equilibrium moisture content.
The dimensional change of the electrolyte membrane was 14%

(実施例10〜15)
特開2008−210793号公報の例1に記載の方法と同様の方法によりPFSA樹脂前駆体を作製した。得られたPFSA樹脂前駆体粉末のMFIは、1.5(g/10分)であった。
得られたPFSA樹脂前駆体粉末を用いて、実施例1〜9と同様の方法によりPFSA樹脂の重合体B(EW:960g/eq)を得て、更に、実施例1〜9と同様の方法により電解質膜を得た。電解質膜の評価結果を表1に示す。
(Examples 10 to 15)
A PFSA resin precursor was produced by the same method as that described in Example 1 of JP2008-210793A. The MFI of the obtained PFSA resin precursor powder was 1.5 (g / 10 min).
Using the obtained PFSA resin precursor powder, a polymer B (EW: 960 g / eq) of PFSA resin was obtained by the same method as in Examples 1 to 9, and further, the same method as in Examples 1 to 9 As a result, an electrolyte membrane was obtained. The evaluation results of the electrolyte membrane are shown in Table 1.

(実施例16〜18)
国際公開2004−66426号パンフレットの実施例1に記載の方法と同様の方法によりパーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(PDD)/CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F(PSVE)共重合体のPFSA樹脂前駆体を作製した。得られたPFSA樹脂前駆体粉末のMFIは、1.5(g/10分)であった。
得られたPFSA樹脂前駆体粉末を用いて、実施例1〜9と同様の方法によりPFSA樹脂の重合体C(EW:1000g/eq)を得て、更に、実施例1〜9と同様の方法により電解質膜を得た。電解質膜の評価結果を表1に示す。
(Examples 16 to 18)
Perfluoro (2,2-dimethyl-1,3-dioxole) (PDD) / CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF by a method similar to the method described in Example 1 of International Publication No. 2004-66426. A PFSA resin precursor of 2 CF 2 SO 2 F (PSVE) copolymer was prepared. The MFI of the obtained PFSA resin precursor powder was 1.5 (g / 10 min).
Using the obtained PFSA resin precursor powder, a polymer C of PFSA resin (EW: 1000 g / eq) was obtained in the same manner as in Examples 1 to 9, and the same method as in Examples 1 to 9. As a result, an electrolyte membrane was obtained. The evaluation results of the electrolyte membrane are shown in Table 1.

(実施例19及び20)
実施例16及び実施例17で得られた電解質膜を、平板プレス機を用いて150℃で面圧2MPaにてプレスし、その後220℃で2時間熱架橋させた。得られたPFSA樹脂のMFIは、1.0(g/10分)であった。電解質膜の評価結果を表1に示す。
(Examples 19 and 20)
The electrolyte membranes obtained in Example 16 and Example 17 were pressed at 150 ° C. with a surface pressure of 2 MPa using a flat plate press, and then thermally crosslinked at 220 ° C. for 2 hours. The MFI of the obtained PFSA resin was 1.0 (g / 10 min). The evaluation results of the electrolyte membrane are shown in Table 1.

(参考例1)
重合体Aの代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050)を用いたこと以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は4質量%であった。
得られた電解質膜を用いて、寸法変化を測定したところ23%であり、寸法変化が大きかった。
また、実施例と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.5/1.20であり、電流効率については、実施例よりも低いレベルであった。これは、比較例1の電解質膜は、イオン選択透過性が低いためと推測される。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が86.0%、電気抵抗が1.30であり、耐久性にも劣っていた。
(Reference Example 1)
An electrolyte membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that Nafion DE2021 (DuPont, 20% solution, EW1050) was used instead of the polymer A. The equilibrium water content of this membrane was 4% by mass.
When the dimensional change was measured using the obtained electrolyte membrane, it was 23%, and the dimensional change was large.
Moreover, as a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in the example, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 94.5 / 1.20. The level was lower than the example. This is presumably because the electrolyte membrane of Comparative Example 1 has low ion selective permeability. In addition, as a result of the endurance test, the results of 200 cycles of charge / discharge were also inferior in durability, with a current efficiency of 86.0% and an electric resistance of 1.30.

(参考例2)
重量平均分子量が4×105のポリプロピレン100質量部に酸化防止剤0.375質量部を加えポリオレフィン組成物を得た。このポリオレフィン組成物30質量部を二軸押出機(58mmφ、L/D=42、強混練タイプ)に投入した。またこの二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン70質量部を供給し、200rpmで溶融混練して、押出機中にてポリオレフィン溶液を調製した。
続いて、この押出機の先端に設置されたTダイから220℃で溶融混練物を押出し、冷却ロールで引き取りながらシートを成形した。次いで成形したシートを、110℃で7×5に逐次二軸延伸を行い、延伸膜を得た。得られた延伸膜を塩化メチレンで洗浄して残留する流動パラフィンを抽出除去した後、乾燥および熱処理を行い厚み12μmのポリプロピレン微多孔膜を得た。微多孔膜の細孔分布の分布中心は0.05μmであった。
重合体Aの代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050)を用い、さらに、上記にて作製したポリプロピレン微多孔膜を用いたこと以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を得た。この膜の平衡含水率は4質量%であった。
得られた電解質膜を用いて、寸法変化を測定したところ5%であった。
また、実施例と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は50/2.20であり、電流効率については、実施例よりも低いレベルであった。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果においても、電流効率が25.0%、電気抵抗が4.00であり、耐久性にも劣っていた。
表1に、上記実施例1〜20、及び参考例1〜2の結果を示す。
(Reference Example 2)
To 100 parts by mass of polypropylene having a weight average molecular weight of 4 × 10 5 , 0.375 parts by mass of an antioxidant was added to obtain a polyolefin composition. 30 parts by mass of this polyolefin composition was put into a twin screw extruder (58 mmφ, L / D = 42, strong kneading type). Moreover, 70 mass parts of liquid paraffin was supplied from the side feeder of this twin-screw extruder, and it melt-kneaded at 200 rpm, and prepared the polyolefin solution in an extruder.
Subsequently, a melt-kneaded product was extruded at 220 ° C. from a T die installed at the tip of the extruder, and a sheet was formed while being taken up by a cooling roll. Next, the formed sheet was sequentially biaxially stretched 7 × 5 at 110 ° C. to obtain a stretched film. The obtained stretched membrane was washed with methylene chloride to extract and remove the remaining liquid paraffin, followed by drying and heat treatment to obtain a 12 μm thick polypropylene microporous membrane. The distribution center of the pore distribution of the microporous membrane was 0.05 μm.
An electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that Nafion DE2021 (DuPont, 20% solution, EW1050) was used instead of the polymer A, and the polypropylene microporous membrane prepared above was used. Obtained. The equilibrium water content of this membrane was 4% by mass.
When the dimensional change was measured using the obtained electrolyte membrane, it was 5%.
In addition, as a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in the example, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 50 / 2.20. It was also a low level. In addition, as a result of endurance testing, the results of carrying out 200 cycles of charge / discharge were also inferior in durability, with a current efficiency of 25.0% and an electric resistance of 4.00.
Table 1 shows the results of Examples 1 to 20 and Reference Examples 1 and 2.

本発明の電解質膜は、イオンの選択透過性に優れ、電気抵抗も低く、耐久性(主に、ヒドロキシラジカル耐酸化性)にも優れており、レドックスフロー二次電池用の隔膜としての産業上利用可能性を有する。   The electrolyte membrane of the present invention has excellent ion selective permeability, low electrical resistance, and excellent durability (mainly hydroxyl radical oxidation resistance), and is industrially used as a diaphragm for redox flow secondary batteries. Has availability.

1 正極
2 正極セル室
3 負極
4 負極セル室
5 電解質膜
6 電解槽
7 正極電解液タンク
8 負極電解液タンク
9 交直変換装置
10 レドックスフロー二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Positive electrode cell chamber 3 Negative electrode 4 Negative electrode cell chamber 5 Electrolyte membrane 6 Electrolyzer 7 Positive electrode electrolyte tank 8 Negative electrode electrolyte tank 9 AC / DC converter 10 Redox flow secondary battery

Claims (14)

炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜がフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300g/eqであり、
前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%であり、
前記フッ素系高分子電解質ポリマーが、下記式(1)で表される構造を有する重合体を含む、レドックスフロー二次電池。
−[CF 2 CX 1 2 a −[CF 2 −CF(CF 2 −O−(CFR 1 b −(CFR 2 c −X 3 )] g − (1)
(式中、X 1 及びX 2 は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X 3 は、COOZ、SO 3 Z、PO 3 2 又はPO 3 HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH 4 、NH 3 1 、NH 2 1 2 、NHR 1 2 3 、NR 1 2 3 4 )を示す。R 1 、R 2 、R 3 及びR 4 は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X 3 がPO 3 2 である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R 1 及びR 2 は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。)
A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
Having an electrolytic cell containing
The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer,
The fluorine-based (dry weight grams per equivalent of ion exchange groups) equivalent weight EW of the polymer electrolyte polymer Ri is 300~1300g / eq der,
The equilibrium water content of the electrolyte membrane is 5 to 80% by mass,
The redox flow secondary battery in which the fluorine-based polymer electrolyte polymer includes a polymer having a structure represented by the following formula (1) .
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF (CF 2 -O- (CFR 1) b - (CFR 2) c -X 3)] g - (1)
( Wherein, X 1 and X 2 each independently represents one or more selected from the group consisting of a halogen atom and a C 1-3 perfluoroalkyl group. X 3 represents COOZ, SO 3. Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently any one selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Wherein X 3 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, and R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, having 1 to 10 carbon atoms. One selected from the group consisting of perfluoroalkyl groups and fluorochloroalkyl groups .A and g shows the above, 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1 .c represents an integer of .b 0 to 8 indicating the number satisfying is 0 or 1.)
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
を含む電解槽を有し、Having an electrolytic cell containing
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
前記電解質膜がフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer,
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300g/eqであり、The fluoropolymer electrolyte polymer has an equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of 300 to 1300 g / eq,
前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%であり、The equilibrium water content of the electrolyte membrane is 5 to 80% by mass,
前記フッ素系高分子電解質ポリマーが、下記式(2)で表される繰り返し単位と、下記式(3)で表される繰り返し単位と、を有する重合体を含む、レドックスフロー二次電池。The redox flow secondary battery in which the fluorine-based polymer electrolyte polymer includes a polymer having a repeating unit represented by the following formula (2) and a repeating unit represented by the following formula (3).
(式中、Q(Where Q 11 は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、QIs a perfluoroalkylene group which may have an etheric oxygen atom, and Q 22 は、単結合、またはエーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキレン基であり、RIs a perfluoroalkylene group which may have a single bond or an etheric oxygen atom, and R f1f1 は、エーテル性の酸素原子を有していてもよいパーフルオロアルキル基であり、Xは、酸素原子、窒素原子または炭素原子であり、aは、Xが酸素原子の場合0であり、Xが窒素原子の場合1であり、Xが炭素原子の場合2であり、Yは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基であり、sは、0または1であり、RIs a perfluoroalkyl group which may have an etheric oxygen atom, X is an oxygen atom, a nitrogen atom or a carbon atom, a is 0 when X is an oxygen atom, and X is 1 for a nitrogen atom, 2 if X is a carbon atom, Y is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, s is 0 or 1, and R f2f2 は、パーフルオロアルキル基であり、Zは、フッ素原子または1価のパーフルオロ有機基であり、tは、0〜3の整数である。)Is a perfluoroalkyl group, Z is a fluorine atom or a monovalent perfluoro organic group, and t is an integer of 0-3. )
テトラフルオロエチレンに基づく繰り返し単位を更に有する、請求項記載のレドックスフロー二次電池。 The redox flow secondary battery according to claim 2 , further comprising a repeating unit based on tetrafluoroethylene. 炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
を含む電解槽を有し、Having an electrolytic cell containing
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
前記電解質膜がフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer,
前記フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜1300g/eqであり、The fluoropolymer electrolyte polymer has an equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of 300 to 1300 g / eq,
前記電解質膜の平衡含水率が5〜80質量%であり、The equilibrium water content of the electrolyte membrane is 5 to 80% by mass,
前記フッ素系高分子電解質ポリマーが、下記モノマーAに基づく繰り返し単位と下記モノマーBに基づく繰り返し単位を含む共重合体を含む、レドックスフロー二次電池。The redox flow secondary battery in which the fluorine-based polymer electrolyte polymer includes a copolymer including a repeating unit based on the following monomer A and a repeating unit based on the following monomer B.
モノマーA:ラジカル重合により、主鎖に環構造を含む繰り返し単位を有するポリマーを与えるパーフルオロモノマーMonomer A: Perfluoromonomer that gives a polymer having a repeating unit containing a ring structure in the main chain by radical polymerization
モノマーB:CFMonomer B: CF 22 =CF−(OCF= CF- (OCF 22 CFYCFY 11 ) mm −O-O pp −(CF-(CF 22 ) nn −SO-SO 22 Y 22 で表されるパーフルオロビニルエーテルPerfluorovinyl ether represented by
(式中、Y(Where Y 11 はフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数であり、nは1〜12の整数であり、pは0又は1であり、m+p>0、YIs a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 1 to 12, p is 0 or 1, and m + p> 0, Y 22 はOH又はNHSOIs OH or NHSO 22 ZであってZはエーテル性の酸素原子を含んでもよい炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基である。)。Z is a C 1-6 perfluoroalkyl group which may contain an etheric oxygen atom. ).
前記モノマーAに基づく繰り返し単位が、下記式(5)で表されるいずれか1種以上の繰り返し単位である、請求項記載のレドックスフロー二次電池。
(式中、nは1〜4の整数であり、Rfは炭素数1〜8のパーフルオロアルキル基又はパーフルオロアルコキシ基であり、X1、X2はそれぞれ独立にフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。また、(CX12nにおいてnが2以上である場合は、炭素ごとにX1とX2の組合せは異なっていてもよい。)。
The redox flow secondary battery according to claim 4 , wherein the repeating unit based on the monomer A is any one or more repeating units represented by the following formula (5).
(In the formula, n is an integer of 1 to 4, R f is a perfluoroalkyl group or perfluoroalkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, and X 1 and X 2 are each independently a fluorine atom or trifluoromethyl. In addition, when n is 2 or more in (CX 1 X 2 ) n , the combination of X 1 and X 2 may be different for each carbon).
前記フッ素系高分子電解質ポリマーは、さらに、下記の(A)〜(F)のいずれかの化合物をコモノマーとして共重合したものであり、かつ前記コモノマーに基づく重合単位を反応させて架橋されたものである、請求項1〜のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。
(A)二重結合を2個有するパーフルオロ不飽和化合物。
(B)臭素原子を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(C)カルボン酸基、カルボン酸塩基又はカルボン酸エステル基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(D)水酸基を有するポリフルオロエテン又はポリフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(E)シアノ基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
(F)シアナト基を有するパーフルオロエテン又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)。
The fluorine-based polyelectrolyte polymer is a copolymer obtained by copolymerizing any of the following compounds (A) to (F) as a comonomer, and is crosslinked by reacting a polymer unit based on the comonomer. The redox flow secondary battery according to any one of claims 1 to 5 .
(A) A perfluoro unsaturated compound having two double bonds.
(B) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a bromine atom.
(C) Polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a carboxylic acid group, a carboxylic acid group or a carboxylic acid ester group.
(D) Polyfluoroethene or polyfluoro (alkyl vinyl ether) having a hydroxyl group.
(E) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a cyano group.
(F) Perfluoroethene or perfluoro (alkyl vinyl ether) having a cyanate group.
前記電解質膜がフッ素系微多孔膜からなる補強材を有する、請求項1〜のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。 The redox flow secondary battery according to any one of claims 1 to 6 , wherein the electrolyte membrane has a reinforcing material made of a fluorine-based microporous membrane. 前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して、0.1〜200質量部のポリアゾール系化合物を含む、請求項1〜のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。 The redox flow according to any one of claims 1 to 7 , wherein the ion-exchange resin composition contains 0.1 to 200 parts by mass of a polyazole compound with respect to 100 parts by mass of the fluorine-based polymer electrolyte polymer. Secondary battery. 前記ポリアゾール系化合物が、環内に窒素原子を1個以上含む複素環化合物の重合体、及び環内に窒素原子を1個以上と酸素及び/又は硫黄を含む複素環化合物の重合体からなる群から選択される1種以上である、請求項記載のレドックスフロー二次電池。 The polyazole compound comprises a polymer of a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms in the ring, and a polymer of a heterocyclic compound containing one or more nitrogen atoms and oxygen and / or sulfur in the ring. The redox flow secondary battery of Claim 8 which is 1 or more types selected from. 前記ポリアゾール系化合物は、ポリイミダゾール系化合物、ポリベンズイミダゾール系化合物、ポリベンゾビスイミダゾール系化合物、ポリベンゾオキサゾール系化合物、ポリオキサゾール系化合物、ポリチアゾール系化合物、及びポリベンゾチアゾール系化合物からなる群から選択される1種以上である、請求項又は記載のレドックスフロー二次電池。 The polyazole compound is selected from the group consisting of a polyimidazole compound, a polybenzimidazole compound, a polybenzobisimidazole compound, a polybenzoxazole compound, a polyoxazole compound, a polythiazole compound, and a polybenzothiazole compound. The redox flow secondary battery according to claim 8 or 9 , which is one or more selected. 前記フッ素系高分子電解質ポリマーと前記ポリアゾール系化合物とが、少なくともその一部においてイオン結合を形成している、請求項10のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。 The redox flow secondary battery according to any one of claims 8 to 10 , wherein the fluorine-based polymer electrolyte polymer and the polyazole-based compound form an ionic bond in at least a part thereof. 前記イオン交換樹脂組成物がCe系添加剤、Co系添加剤、及びMn系添加剤からなる群から選択されるいずれか1種以上を含む、請求項1〜11のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。 The redox according to any one of claims 1 to 11 , wherein the ion exchange resin composition includes at least one selected from the group consisting of a Ce-based additive, a Co-based additive, and a Mn-based additive. Flow secondary battery. 前記イオン交換樹脂組成物が、前記フッ素系高分子電解質ポリマー100質量部に対して0.1〜20質量部のポリフェニレンエーテル樹脂及び/又はポリフェニレンスルフィド樹脂を含む、請求項1〜12のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。 The ion exchange resin composition comprises a polyphenylene ether resin and / or polyphenylene sulfide resin of the 0.1 to 20 parts by weight per 100 parts by weight fluoropolymer electrolyte polymer, any of claims 1 to 12 1 The redox flow secondary battery according to item. 前記レドックスフロー二次電池は、バナジウムを含む硫酸電解液を、正極及び負極電解液として用いたバナジウム系レドックスフロー二次電池である、請求項1〜13のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。
The redox flow secondary battery according to any one of claims 1 to 13 , wherein the redox flow secondary battery is a vanadium redox flow secondary battery in which a sulfuric acid electrolyte containing vanadium is used as a positive electrode and a negative electrode electrolyte. battery.
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