JP6767034B2 - Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers - Google Patents

Composite nanofibers and electrolyte membranes containing the nanofibers Download PDF

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Description

本発明は、ナノファイバーおよびナノファイバー不織布にマトリクスポリマーが導入されてなる電解質膜に関し、さらに詳しくは、固体高分子形燃料電池等に有用な高分子電解質膜に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane obtained by introducing a matrix polymer into nanofibers and nanofiber non-woven fabric, and more particularly to a polymer electrolyte membrane useful for polymer electrolyte fuel cells and the like.

不織布に各種物質が導入されてなる複合膜は各種分野に応用されており、近年では固体高分子形燃料電池における電解質膜として注目されている。
固体高分子形燃料電池における電解質膜として高分子電解質膜が提案されており、その例としてはNafion(登録商標)に代表されるフッ素系電解質がある。しかし、これらのフッ素系電解質膜は、低加湿条件下でプロトン伝導性が低下するため発電性能が悪い、燃料ガス透過にともなう副反応により膜および触媒劣化を誘発する、膜強度に乏しく寸法変化をともなう長期安定性に劣る、またフッ素を使用するために高コストである、などの問題がある。
Composite membranes in which various substances are introduced into non-woven fabrics have been applied to various fields, and in recent years, they have been attracting attention as electrolyte membranes in polymer electrolyte fuel cells.
A polymer electrolyte membrane has been proposed as an electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell, and an example thereof is a fluorine-based electrolyte typified by Nafion (registered trademark). However, these fluorine-based electrolyte membranes have poor power generation performance due to reduced proton conductivity under low humidification conditions, induce deterioration of the membrane and catalyst due to side reactions associated with fuel gas permeation, and have poor membrane strength and dimensional changes. There are problems such as poor long-term stability and high cost due to the use of fluorine.

一方、フッ素材料を使用しない炭化水素系の高分子電解質膜についても開発が検討されている。炭化水素系高分子電解質膜では、イオン伝導性を高めるためにスルホン酸基の数を増やすことが提案されているが、この提案では、膜が水膨潤のために変形しやすく、また、機械強度が弱くなり、長期安定性に優れた膜を得ることが困難であるという問題がある。 On the other hand, the development of a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane that does not use a fluorine material is also under consideration. In hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes, it has been proposed to increase the number of sulfonic acid groups in order to increase ionic conductivity, but in this proposal, the membrane is easily deformed due to water swelling and has mechanical strength. There is a problem that it becomes difficult to obtain a film having excellent long-term stability.

そこで、種々開発が行われており、中でもスルホン化ポリイミドが、高い熱安定性と機械強度を持ち、製膜性に優れることから、高性能の電解質材料として提案されている(特許文献1〜4)。しかし、これらの提案にかかるスルホン化ポリイミドは、高温低加湿下ではイオン伝導性が低くなるという問題があったため、幅広い温度範囲で高いイオン伝導性を示し、機械強度に優れた高分子電解質膜として、リン酸ドープ型スルホン化ポリイミド/ポリベンズイミダゾールブレンド膜が提案されている(特許文献5)。
このような膜は、−20℃程度の低温から120℃程度の高温まで広い温度範囲で高いイオン伝導性を示し、膜中に水分が少ない低加湿条件下でもイオン伝導性に優れるという特徴がある。
しかし、近年、高分子電解質膜は、無加湿で高いイオン伝導性が求められ、膜抵抗を下げる目的から、膜厚が下げられる傾向にある。上記のブレンド膜は、主鎖に剛直な構造を持っていることから、高い機械強度を示すが、脆いために薄膜化すると取扱いが困難になるという問題がある。また、膜厚が薄くなることによってガスの透過性が高まり、過酸化水素が大量に発生するため、酸化安定性が悪く、長期的に安定な膜ではなかった。
Therefore, various developments have been carried out, and among them, sulfonated polyimide has been proposed as a high-performance electrolyte material because it has high thermal stability, mechanical strength, and excellent film-forming property (Patent Documents 1 to 4). ). However, the sulfonated polyimide according to these proposals has a problem that the ionic conductivity becomes low under high temperature and low humidification, so that it exhibits high ionic conductivity in a wide temperature range and is used as a polymer electrolyte membrane having excellent mechanical strength. , Phosphoric acid-doped sulfonated polyimide / polybenzimidazole blend film has been proposed (Patent Document 5).
Such a membrane exhibits high ionic conductivity in a wide temperature range from a low temperature of about -20 ° C to a high temperature of about 120 ° C, and is characterized by excellent ionic conductivity even under low humidification conditions where there is little water in the membrane. ..
However, in recent years, polymer electrolyte membranes are required to have high ionic conductivity without humidification, and the film thickness tends to be lowered for the purpose of lowering the membrane resistance. Since the above-mentioned blend film has a rigid structure in the main chain, it exhibits high mechanical strength, but it has a problem that it becomes difficult to handle if it is thinned because it is brittle. Further, as the film thickness becomes thinner, the gas permeability increases and a large amount of hydrogen peroxide is generated, so that the oxidative stability is poor and the film is not stable for a long period of time.

そこで、特許文献6において、幅広い温湿度範囲で高いイオン伝導性を示し、薄膜でも取り扱い性に優れ、長期安定性に優れた複合膜、及びその製造方法を提供する提案がなされている。 Therefore, Patent Document 6 proposes to provide a composite membrane which exhibits high ionic conductivity in a wide temperature and humidity range, is excellent in handleability even in a thin film, and is excellent in long-term stability, and a method for producing the same.

特開2002−358978号公報JP-A-2002-358978 特開2005−232236号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-232236 特開2005−272666号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-272666 特開2007−302741号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-302741 特開2011−68872号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-68872 特開2012−238590号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-238590

しかしながら、上述の特許文献6の提案時よりも現在ではより一層の薄膜化、具体的には膜厚を20μm以下にしようという要求がある。このような膜厚とすると、十分なイオン電導性(プロトン伝導性)が発揮できない、ガス透過性を低く抑えることが困難である、等の問題が生じていた。
要するに、従来提案されている複合膜では、現在要求されているほどに膜厚を薄くした場合に十分なイオン電導性(プロトン伝導性)とガスバリア性とを両立させることが困難であり、20μm以下に薄膜化した場合にも十分なイオン電導性(プロトン伝導性)とガスバリア性とを有する複合膜の開発が要望されているのが現状である。
However, at present, there is a demand for further thinning, specifically, a film thickness of 20 μm or less, as compared with the case of the above-mentioned proposal of Patent Document 6. With such a film thickness, there have been problems such as insufficient ionic conductivity (proton conductivity) not being exhibited and difficulty in keeping gas permeability low.
In short, with the conventionally proposed composite membrane, it is difficult to achieve both sufficient ion conductivity (proton conductivity) and gas barrier property when the film thickness is thinned to the extent currently required, and it is 20 μm or less. At present, there is a demand for the development of a composite film having sufficient ion conductivity (proton conductivity) and gas barrier property even when the film is thinned.

したがって、本発明の目的は、複合電解質膜を構成する新たなナノファイバーを開発し、20μm以下に薄膜化した場合にも十分なイオン電導性(プロトン伝導性)とガスバリア性とを有する電解質膜を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to develop a new nanofiber constituting a composite electrolyte membrane, and to obtain an electrolyte membrane having sufficient ion conductivity (proton conductivity) and gas barrier property even when it is thinned to 20 μm or less. To provide.

本発明者らは、不織布を構成するナノファイバーを構成する物質およびナノファイバーの作製方法の工夫により、上記課題を解消し得るのではないかと考えた。種々の物質について検討した結果、陽イオン交換基を有する電解質ポリマーに陽イオン交換基と相互作用可能な塩基性官能基を有する塩基性ポリマーを複合させてナノファイバーを作製し、複合ナノファイバー不織布の空隙をマトリクスポリマーで充填することにより、上記目的を達成し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
1.電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーを含む複合ナノファイバーであって、
該電解質ポリマーはプロトン伝導性を有することを特徴とする
複合ナノファイバー。
2.前記電解質ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする1に記載の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは含フッ素脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記繰り返し単位は、陽イオン交換基が導入された側鎖を有する。
3.前記電解質ポリマーは、主鎖骨格がポリアリーレンエーテル骨格、ポリイミド骨格、ポリスチレン骨格、あるいはフルオロエチレン骨格からなる群より選択される構造を有し、
側鎖にスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基からなる群より選択される陽イオン交換基が導入された構造
を有することを特徴とする1〜2に記載の複合ナノファイバー。
4.前記塩基性ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする1に記載の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは/および脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記主鎖骨格、あるいは側鎖官能基に、陽イオン交換基と相互作用可能な塩基性官能基を有する。
5.前記電解質ポリマーの存在割合が、複合ナノファイバー全体中1〜99質量%であること、
前記複合ナノファイバーの繊維径が500nm以下であること、
を特徴とする1〜4に記載の複合ナノファイバー。
6.前記複合ナノファイバーの存在割合が、電解質膜全体中1〜50質量%であること、
前記複合ナノファイバーを含む電解質膜の厚さが30μm以下であること、
を特徴とする1〜5に記載の複合ナノファイバーを含む電解質膜。
7.複合ナノファイバーおよび複合ナノファイバーからなる不織布を形成する工程、
前記不織布を後処理する工程、
前記不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程、及び
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程
を具備する複合膜の製造方法。
8.1〜7に記載の複合ナノファイバー含む電解質膜を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体。
9.8に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。
The present inventors have considered that the above-mentioned problems can be solved by devising the substances constituting the nanofibers constituting the non-woven fabric and the method for producing the nanofibers. As a result of investigating various substances, nanofibers were produced by combining an electrolyte polymer having a cation exchange group with a basic polymer having a basic functional group capable of interacting with a cation exchange group to produce a composite nanofiber non-woven fabric. It has been found that the above object can be achieved by filling the voids with a matrix polymer, and the present invention has been completed.
That is, the present invention provides the following inventions.
1. 1. Composite nanofibers containing electrolyte polymers and basic polymers
The electrolyte polymer is a composite nanofiber characterized by having proton conductivity.
2. The composite nanofiber according to 1, wherein the electrolyte polymer has the structures of A) and B) below.
A) The main chain contains a repeating unit containing an aromatic group or a fluorine-containing aliphatic group.
B) The repeating unit has a side chain into which a cation exchange group has been introduced.
3. 3. The electrolyte polymer has a structure in which the main chain skeleton is selected from the group consisting of a polyarylene ether skeleton, a polyimide skeleton, a polystyrene skeleton, or a fluoroethylene skeleton.
2. The composite nanofiber according to 1 to 2, which has a structure in which a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group is introduced into a side chain.
4. The composite nanofiber according to 1, wherein the basic polymer has the structures of A) and B) below.
A) The main chain contains repeating units containing aromatic groups and / and aliphatic groups.
B) The main chain skeleton or side chain functional group has a basic functional group that can interact with a cation exchange group.
5. The abundance ratio of the electrolyte polymer is 1 to 99% by mass in the whole composite nanofibers.
The fiber diameter of the composite nanofiber is 500 nm or less.
1. The composite nanofiber according to 1 to 4.
6. The abundance ratio of the composite nanofibers is 1 to 50% by mass in the entire electrolyte membrane.
The thickness of the electrolyte membrane containing the composite nanofibers is 30 μm or less.
1. An electrolyte membrane containing the composite nanofibers according to 1 to 5.
7. The process of forming composite nanofibers and non-woven fabrics composed of composite nanofibers,
The step of post-treating the non-woven fabric,
A method for producing a composite membrane, comprising a step of filling the voids of the non-woven fabric with a matrix polymer to integrate the composite nanofibers with the matrix polymer, and a step of post-treating an electrolyte membrane containing the composite nanofibers.
A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises the electrolyte membrane containing the composite nanofibers according to 8.1 to 7.
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to 9.8.

本発明の複合ナノファイバーは、従来複合膜に用いられてきたナノファイバー特性を上回るものであり、該ナノファイバーを含む電解質膜は、20μm以下に薄膜化した場合にも十分なイオン電導性(プロトン伝導性)、ガスバリア性、および膜強度を有するものである。 The composite nanofibers of the present invention exceed the nanofiber characteristics conventionally used for composite membranes, and the electrolyte membrane containing the nanofibers has sufficient ion conductivity (protons) even when thinned to 20 μm or less. (Conductivity), gas barrier property, and film strength.

図1は、本発明の複合ナノファイバーおよび該ナノファイバーを含む電解質膜を摸式的に示す概要図である。FIG. 1 is a schematic view showing the composite nanofibers of the present invention and the electrolyte membrane containing the nanofibers in an exemplary manner. 図2は、本発明の複合ナノファイバーおよび該ナノファイバーを含む電解質膜の製造方法における各工程を摸式的に示す概要図である。FIG. 2 is a schematic view schematically showing each step in the composite nanofiber of the present invention and the method for producing an electrolyte membrane containing the nanofiber. 図3は、実施例1で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 3 is an SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber non-woven fabric obtained in Example 1. 図4は、実施例3で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 4 is an SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber non-woven fabric obtained in Example 3. 図5は、実施例4で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 5 is an SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber non-woven fabric obtained in Example 4. 図6は、実施例5で得られた複合ナノファイバー不織布のSEM写真(図面代用写真)である。FIG. 6 is an SEM photograph (drawing substitute photograph) of the composite nanofiber non-woven fabric obtained in Example 5.

1:複合ナノファイバー、2:電解質ポリマー、3:塩基性ポリマー、5:複合ナノファイバーの後処理溶液、6:マトリクスポリマー、7:電解質膜の後処理溶液 1: Composite nanofiber 2: Electrolyte polymer 3: Basic polymer 5: Composite nanofiber post-treatment solution, 6: Matrix polymer, 7: Electrolyte membrane post-treatment solution

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の複合ナノファイバーは、電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーからなり、
電解質膜は、前記複合ナノファイバー、前記複合ナノファイバーと接触した状態で存在するマトリクスポリマーを具備することを特徴とする。
以下、まず構成成分から説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The composite nanofibers of the present invention consist of an electrolyte polymer and a basic polymer.
The electrolyte membrane is characterized by comprising the composite nanofibers and a matrix polymer that exists in contact with the composite nanofibers.
Hereinafter, the constituent components will be described first.

<構成成分>
(電解質ポリマー)
前記電解質ポリマーは、本発明の電解質膜を固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合にプロトンを伝導して電解質膜としての主たる機能を発揮するための物質である。前記電解質ポリマーとしての特定の物質は、主鎖に芳香族基あるいは含フッ素脂肪族基を含む繰り返し単位を含み、前記繰り返し単位に陽イオン交換基が導入された側鎖を有するプロトン伝導性物質であるのが好ましい。
ここで主鎖骨格としては、下記に示すポリアリーレンエーテル(PAE)、下記に示すポリイミド(PI)、下記に示すポリスチレンおよびその共重合体(PSt)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリフェニレン(PP)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルフィド(SPPS)、ポリビニルスルホン酸およびその共重合体(PVS)等を用いることができる。
陽イオン交換基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基が挙げられ、前記主鎖骨格の任意の位置に導入して用いることができる。
また、フルオロアルキル主鎖およびフルオロアルキルスルホン酸基を有するNafion(登録商標)等を用いることができる。
使用に際しては、前記電解質ポリマー単独または前記電解質ポリマー複数の混合物として用いることができる。
これらの中でもスルホン化ポリアリーレンエテールスルホン等のスルホン化ポリアリーレンエテール(SPAE)は、プロトン伝導性、熱安定性、機械強度に優れており、さらにはナノファイバー形成能も比較的良好であるため、好適である。
なお、複合ナノファイバーを作製するための塩基性ポリマーとの混合の際は、溶液状態での両ポリマー間の相互作用による不溶化を防ぐため、陽イオン交換基に結合するカウンターカチオンはプロトンである必要はなく、イオン交換により任意のカウンターイオン種を選択することが出来る。例えば、ナトリウム、カリウム、トリエチルアンモニウム、イミダゾリウム等が挙げられる。
電解質ポリマーとしては、以下の化学式で表される化合物等を好ましく挙げることができる。
<Components>
(Electrolyte polymer)
The electrolyte polymer is a substance that conducts protons and exerts a main function as an electrolyte membrane when the electrolyte membrane of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. The specific substance as the electrolyte polymer is a proton conductive substance having a repeating unit containing an aromatic group or a fluorine-containing aliphatic group in the main chain and having a side chain in which a cation exchange group is introduced into the repeating unit. It is preferable to have it.
Here, the main chain skeleton includes polyarylene ether (PAE) shown below, polyimide (PI) shown below, polystyrene and its copolymer (PSt) shown below, polybenzimidazole (PBI), and polyphenylene (PP). , Polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfide (SPPS), polyvinylsulfonic acid and its copolymer (PVS) and the like can be used.
Examples of the cation exchange group include acid functional groups such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group, which can be introduced and used at any position on the main chain skeleton.
Further, Nafion (registered trademark) having a fluoroalkyl main chain and a fluoroalkyl sulfonic acid group can be used.
In use, the electrolyte polymer alone or a mixture of a plurality of the electrolyte polymers can be used.
Among these, sulfonated polyarylene ether (SPAE) such as sulfonated polyarylene ether sulfone is excellent in proton conductivity, thermal stability, mechanical strength, and also has relatively good nanofiber forming ability. Therefore, it is suitable.
When mixing with a basic polymer for producing a composite nanofiber, the counter cation bonded to the cation exchange group must be a proton in order to prevent insolubilization due to the interaction between the two polymers in the solution state. However, any counterion species can be selected by ion exchange. For example, sodium, potassium, triethylammonium, imidazolium and the like can be mentioned.
As the electrolyte polymer, a compound represented by the following chemical formula can be preferably mentioned.

ポリアリーレンエテール(PAE)

(式中、nは2〜5000の数を示し、mは2〜5000の数を示す))
Polyarylen Eterre (PAE)

(In the formula, n indicates a number of 2 to 5000 and m indicates a number of 2 to 5000))

ポリイミド(PI)
(式中、nは2〜5000の数を示す)
Polyimide (PI)
(In the formula, n indicates a number of 2 to 5000)

ポリスチレンおよびその共重合体(PSt)、
(式中、Rは炭素数1〜18の直鎖状あるいは分岐状の炭化水素基、もしくは水酸基等を有する炭化水素基を示す。(式中、nは2〜5000の数を示し、mは2〜5000の数を示す))
Polystyrene and its copolymer (PSt),
(In the formula, R represents a linear or branched hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, or a hydrocarbon group having a hydroxyl group or the like. (In the formula, n represents a number of 2 to 5000, and m represents a number of 2 to 5000. 2 to 5000 numbers are shown)))

上記スルホン化ポリアリーレンエテール(SPAE)としては以下の重合体を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polyarylene ether (SPAE) include the following polymers.

(式中X、Yは、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
Xおよび/あるいはYの芳香環中に少なくとも一つのスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基を有し、
nは好ましくは2〜5000、より好ましくは100〜500の整数を示す。
なお、酸官能基のカウンターカチオンは、プロトン、ナトリウム、カリウム、トリエチルアンモニウム、イミダゾリウム等、任意のカチオン種が挙げられる。)

また、酸官能基を局所的に導入可能な下記のようなブロック構造を有する重合体を用いることもできる。
(In the formula, X and Y are divalent groups having at least one aromatic ring, and may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group or a sulfonic acid group, such as a benzene ring and a naphthalene ring. Aromatic ring, nitrogen-containing heterocycle such as pyridine ring, two benzene rings are directly bonded, -O-, -CO-, -SO 2- , -S-, -CH 2- , -C (CH 3) ) 2- , -C (CF 3 ) 2-A divalent group containing a benzene ring connected by 2 -etc.
It has at least one acid functional group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group in the aromatic ring of X and / or Y, and has
n preferably represents an integer of 2 to 5000, more preferably 100 to 500.
Examples of the counter cation of the acid functional group include any cation species such as proton, sodium, potassium, triethylammonium and imidazolium. )

It is also possible to use a polymer having the following block structure into which an acid functional group can be locally introduced.

(式中aで表される繰り返し単位は親水部であり、
X1は、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
式中Y1も、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
X1および/あるいはY1の芳香環中に少なくとも一つ、望ましくは多数、例えば2〜4個ののスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基を有し、
aは好ましくは1〜500、さらに好ましくは4〜50の整数を示す。)
(式中bで表される繰り返し単位は疎水部であり、
X1は、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、アルキル基、フルオロアルキル基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
式中Y1も、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、アルキル基、フルオロアルキル基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
X1,Y1の芳香環中に酸官能基は含まず、bは好ましくは1〜500、より好ましくは4〜50の整数を示す。)
また、nは好ましくは1〜1000、より好ましくは1〜100、特に好ましくは8〜100の整数を示す。)
さらに、スルホン酸基を局所的に導入可能な下記のようなグラフト構造を有する重合体を用いることもできる。
(The repeating unit represented by a in the formula is the hydrophilic part,
X1 is a divalent group having at least one aromatic ring, and may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group or a sulfonic acid group, for example, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring. Nitrogen-containing heterocycles such as pyridine rings, two benzene rings directly bonded, -O-, -CO-, -SO 2- , -S-, -CH 2- , -C (CH 3 ) 2 -,- A divalent group containing a benzene ring or the like linked by C (CF 3 ) 2- or the like can be mentioned.
Y1 in the formula is also a divalent group having at least one aromatic ring, and may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group or a sulfonic acid group, and is an aromatic group such as a benzene ring or a naphthalene ring. Nitrogen-containing heterocycles such as rings and pyridine rings, two benzene rings are directly bonded, -O-, -CO-, -SO 2- , -S-, -CH 2- , -C (CH 3 ) 2- , -C (CF 3 ) 2- and other divalent groups containing benzene rings, etc.
It has at least one, preferably a large number, eg, 2-4 acid functional groups such as sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxylic acid groups, etc. in the aromatic ring of X1 and / or Y1.
a preferably represents an integer of 1 to 500, more preferably 4 to 50. )
(The repeating unit represented by b in the formula is a hydrophobic part,
X1 is a divalent group having at least one aromatic ring, and may be substituted with a substituent such as an alkyl group or a fluoroalkyl group. An aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, or a pyridine ring. Nitrogen-containing heterocycles such as, two benzene rings are directly bonded, -O-, -CO-, -SO 2- , -S-, -CH 2- , -C (CH 3 ) 2- , -C ( CF 3 ) A divalent group containing a benzene ring or the like linked by 2- or the like can be mentioned.
Y1 in the formula is also a divalent group having at least one aromatic ring, and may be substituted with a substituent such as an alkyl group or a fluoroalkyl group, for example, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring. Nitrogen-containing heterocycles such as pyridine rings, two benzene rings directly bonded, -O-, -CO-, -SO 2- , -S-, -CH 2- , -C (CH 3 ) 2 -,- A divalent group containing a benzene ring or the like linked by C (CF 3 ) 2- or the like can be mentioned.
The aromatic rings of X1 and Y1 do not contain an acid functional group, and b preferably represents an integer of 1 to 500, more preferably 4 to 50. )
Further, n preferably represents an integer of 1 to 1000, more preferably 1 to 100, and particularly preferably 8 to 100. )
Furthermore, a polymer having the following graft structure into which a sulfonic acid group can be locally introduced can also be used.

(X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3は、それぞれ同一若しくは異なる基を示し、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−、−S−、−CH−、−C(CH―、―C(CF−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
X1、Y1、X2、Y2、X3、Y3の芳香環中に少なくとも一つ、望ましくは多数、例えば2〜4個のスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等の酸官能基を有し、
a、b、cはそれぞれ1〜500の整数を示す。
なお、a、bで表される繰り返し単位は前述のブロック構造を有しても構わない。)
さらに具体的には以下の重合体を用いることができる。
(X1, Y1, X2, Y2, X3, Y3 are divalent groups having the same or different groups and having at least one aromatic ring, and are substituents such as a hydroxyl group, an alkyl group and a sulfonic acid group. An aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, a nitrogen-containing heterocycle such as a pyridine ring, and two benzene rings directly bonded to each other, which may be substituted with, -O-, -CO-, -SO 2- , Divalent groups containing a benzene ring or the like linked by −S−, −CH 2− , −C (CH 3 ) 2− , −C (CF 3 ) 2−, etc. can be mentioned.
It has at least one, preferably a large number, for example 2 to 4 sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxylic acid groups and other acid functional groups in the aromatic rings of X1, Y1, X2, Y2, X3 and Y3.
a, b, and c represent integers of 1 to 500, respectively.
The repeating unit represented by a and b may have the above-mentioned block structure. )
More specifically, the following polymers can be used.

(x、yは、それぞれ1〜1000の整数を示す)
上記SPAEは、たとえばスルホン化ポリ(アリーレンエーテルスルホン)(SPAES)であれば以下のようにして得ることができる。
すなわち、窒素雰囲気下、N,N-ジメチルアセトアミド等の重合溶媒と共沸剤(トルエンなど)を用い、4,4‘−ビスフルオロフェニルスルホン‐3,3‘−ジスルホン酸ナトリウム、4,4‘−ビスフルオロフェニルスルホン、4,4’−ビフェノール及び炭酸カリウムを加え、100℃以上の温度で1〜10時間攪拌し、その後さらに温度を上げて1〜10時間攪拌して得ることができる。
(X and y represent integers of 1 to 1000, respectively)
The SPAE can be obtained, for example, in the case of sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) as follows.
That is, in a nitrogen atmosphere, using a polymerization solvent such as N, N-dimethylacetamide and an azeotropic agent (toluene, etc.), 4,4'-bisfluorophenyl sulfone-3,3'-sodium disulfonate, 4,4'. It can be obtained by adding −bisfluorophenyl sulfone, 4,4′-biphenol and potassium carbonate and stirring at a temperature of 100 ° C. or higher for 1 to 10 hours, and then raising the temperature further and stirring for 1 to 10 hours.

なお、重量平均分子量、重合度は、以下の方法でGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)により測定、算出することができ、ポリスチレン換算値である。
<GPCによる分子量の測定方法>
微量のLiBr(10mM)を添加したジメチルホルムアミド(以下「DMF」という。)を用い、合成したポリマーの分子量をポリスチレン換算で測定する。サンプル溶液は1mg/mlの濃度でポリマーを臭化リチウム添加DMFに溶解させて作製する。
The weight average molecular weight and the degree of polymerization can be measured and calculated by GPC (gel permeation chromatography) by the following method, and are polystyrene-equivalent values.
<Measurement method of molecular weight by GPC>
Using dimethylformamide (hereinafter referred to as "DMF") to which a small amount of LiBr (10 mM) is added, the molecular weight of the synthesized polymer is measured in terms of polystyrene. The sample solution is prepared by dissolving the polymer in lithium bromide-added DMF at a concentration of 1 mg / ml.

<構成成分>
(塩基性ポリマー)
前記塩基性ポリマーは、前記電解質ポリマーの酸置換基と相互作用可能な官能基を有するポリマーである。ここで「相互作用」とはイオン結合や水素結合の形成だけではなく、共有結合や電荷移動錯体の形成や疎水性相互作用も含まれる。
前記電解質ポリマーの酸置換基と反応可能な官能基としては、−NH基、>NH基、>N−基、=N−基等を挙げることができる。
前記ポリマーとしては以下に構造式を示すポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチオアゾール、ポリインドール、ポリキノリン、ポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン等を挙げることができる。
これらの中でもポリベンズイミダゾールは化学的安定性、機械的特性に優れ、電解質膜の機械的強度や耐熱性を向上させることができ、電解質膜の薄膜化に寄与できるため好適である。
<Components>
(Basic polymer)
The basic polymer is a polymer having a functional group that can interact with the acid substituent of the electrolyte polymer. Here, "interaction" includes not only the formation of ionic bonds and hydrogen bonds, but also the formation of covalent bonds and charge transfer complexes, and hydrophobic interactions.
Examples of the functional group capable of reacting with the acid substituent of the electrolyte polymer include -NH 2 group,> NH group,> N- group, = N- group and the like.
Examples of the polymer include polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthioazole, polyindole, polyquinolin, polyvinylimidazole, polyallylamine, and polyethyleneimine having structural formulas shown below.
Among these, polybenzimidazole is suitable because it has excellent chemical stability and mechanical properties, can improve the mechanical strength and heat resistance of the electrolyte membrane, and can contribute to the thinning of the electrolyte membrane.

(式中Xは、O、CO、SO、S、CH、C(CH、C(CF、等が挙げられ、
Yは、少なくとも1つの芳香環あるいは脂肪族炭化水素を有する2価の基であり、例えば、水酸基、アルキル基、スルホン酸基などの置換基により置換されていてもよい、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
nは好ましくは2〜5000、さらに好ましくは100〜500の整数を示す。)
上記PBIの具体例としては以下の化合物を挙げることができる。
(X in the formula includes O, CO, SO 2 , S, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , and the like.
Y is a divalent group having at least one aromatic ring or an aliphatic hydrocarbon, and may be substituted with a substituent such as a hydroxyl group, an alkyl group or a sulfonic acid group, such as a benzene ring or a naphthalene ring. aromatic rings, nitrogen-containing heterocyclic ring such as pyridine ring, two benzene rings is a direct bond, -O -, - CO -, - SO 2 - 2 divalent group containing a benzene ring are linked by such Is mentioned,
n preferably represents an integer of 2 to 5000, more preferably 100 to 500. )
Specific examples of the PBI include the following compounds.

前記PBIは、特開2012−238590号公報の0018〜0021に記載の製造方法に準じて製造することができる。 The PBI can be produced according to the production method described in JP2012-238590A.

また、前記ポリマーの質量平均分子量(Mw)は、5.0×10〜1.0×10であることが好ましく、数平均分子量(Mn)に対する質量平均分子量(Mw)の比Mw/Mnは、1〜5であることが好ましい。これらをこの範囲内とすることにより、SPAESとの幅広い混合比率で、より均一な複合ナノファイバーを製造することが可能となる。 Further, the weight average molecular weight of the polymer (Mw) of, 5.0 × 10 4 is preferably 1.0 a × 10 6, the ratio Mw / Mn of weight-average molecular weight to number average molecular weight (Mn) (Mw) Is preferably 1 to 5. By setting these within this range, it becomes possible to produce more uniform composite nanofibers in a wide mixing ratio with SPAES.

前記複合ナノファイバーの繊維径は500nm以下であることが、複合膜の膜厚を薄くし、且つプロトン伝導性も向上させる観点で好ましく、50〜300nmであるのがさらに好ましい。
このようなファイバーの製造方法については後述する。
The fiber diameter of the composite nanofiber is preferably 500 nm or less from the viewpoint of reducing the film thickness of the composite film and improving the proton conductivity, and more preferably 50 to 300 nm.
A method for producing such a fiber will be described later.

<構成成分>
(プロトン伝導物質)
複合ナノファイバーの後処理により、複合ナノファイバーにプロトン伝導物質をドープすることも可能である。
前記プロトン伝達物質は、本発明の複合膜を高分子電解質膜として使用した場合にプロトンを伝導して電解質膜としての主たる機能を発揮するための物質である。
前記プロトン伝導物質としては、複合ナノファイバーに含まれる塩基性ポリマーと相互作用することが可能であり、かつ酸官能基としてプロトン伝導に寄与することができる物質が好ましく、プロトン伝達物質としての特定の物質は、酸置換基を2個以上有する酸性物質である。ここで酸置換基としては、リン酸基、スルホン酸基、カルボン酸基、硝酸基、ビニル性カルボン酸基、ルイス酸基等を挙げることができる。
前記酸性物質としては、ポリリン酸、フィチン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルスルホン酸、ナフタレンジスルホン酸、シュウ酸、スクアリン酸等が挙げられる。これらの中でもフィチン酸は分子量が大きく、また、後述の複合ナノファイバーとの酸塩基相互作用によって拡散しにくく、更には、比較的水への溶解性が低く、水の存在下において、溶出しにくいため、好適である。
その他複合ナノファイバー後処理工程において用いることができる物質として、上述の本発明の複合膜において用いることができる酸性基を2つ以上有するプロトン伝達物質の他に、酸性基を1つしか有さない酸性物質を用いることもできる。たとえば、上述した本発明の複合膜に用いることができる酸性物質の他に、具体的には、リン酸、メタンホスホン酸、硫酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、スルフィン酸、ギ酸、酢酸、硝酸、塩酸、アスコルビン酸、クロム酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸等を挙げることができる。
<Components>
(Proton conductive material)
It is also possible to dope the composite nanofibers with a proton conductive material by post-treatment of the composite nanofibers.
The proton transmitter is a substance that conducts protons and exerts a main function as an electrolyte membrane when the composite membrane of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane.
As the proton conductive substance, a substance capable of interacting with a basic polymer contained in the composite nanofiber and capable of contributing to proton conduction as an acid functional group is preferable, and a specific proton conductive substance is specified. The substance is an acidic substance having two or more acid substituents. Here, examples of the acid substituent include a phosphoric acid group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a nitrate group, a vinyl carboxylic acid group, a Lewis acid group and the like.
Examples of the acidic substance include polyphosphoric acid, phytic acid, polyvinylphosphonic acid, polyvinylsulfonic acid, naphthalenedisulfonic acid, oxalic acid, and squaric acid. Among these, phytic acid has a large molecular weight, is difficult to diffuse due to acid-base interaction with composite nanofibers described later, has relatively low solubility in water, and is difficult to elute in the presence of water. Therefore, it is suitable.
Other substances that can be used in the composite nanofiber post-treatment step include only one acidic group in addition to the above-mentioned proton transmitter having two or more acidic groups that can be used in the composite membrane of the present invention. Acidic substances can also be used. For example, in addition to the acidic substances that can be used for the composite film of the present invention described above, specifically, phosphoric acid, methanephosphonic acid, sulfuric acid, methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, sulfinic acid, Examples thereof include formic acid, acetic acid, nitrate, hydrochloric acid, ascorbic acid, chromium acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid and the like.

<構成成分>
(マトリクスポリマー)
前記マトリクスポリマーとしては、複合膜を形成した場合に膜強度を向上させることができ、プロトン伝導性にも優れたポリマーが好ましく、スルホン化ポリアリーレンエーテル(SPAE)、下記に示すNafion(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸ポリマー、下記に示すスルホン化ポリイミド(SPI)、下記に示すスルホン化ポリベンズイミダゾール(SPBI)、下記に示すスルホン化ポリフェニレン(SPP)、下記に示すスルホン化ポリフェニレンオキシド(SPPO)、下記に示すポリフェニレンスルフィド(SPPS)、下記に示すスルホン化ポリスチレンおよびその共重合体(SPSt)、下記に示すポリビニルスルホン酸およびその共重合体(PVS)等を用いることができる。また、使用に際しては単独または混合物として用いることができる。
<Components>
(Matrix polymer)
As the matrix polymer, a polymer capable of improving the film strength when a composite film is formed and having excellent proton conductivity is preferable, sulfonated polyarylene ether (SPAE), Nafion (registered trademark) shown below. Perfluorosulfonic acid polymers such as, sulfonated polyimide (SPI) shown below, sulfonated polybenzimidazole (SPBI) shown below, sulfonated polyphenylene (SPP) shown below, sulfonated polyphenylene oxide (SPPO) shown below. , Polyphenylene sulfide (SPPS) shown below, sulfonated polystyrene and its copolymer (SPSt) shown below, polyvinyl sulfonic acid shown below and its copolymer (PVS) and the like can be used. In addition, it can be used alone or as a mixture.

代表的なパーフルオロスルホン酸ポリマーの一例として、Nafion(登録商標)の構造を以下示す。
式中、xは、5〜13.5を、yは、1000を示す。
mは、2以上の整数を、nは、2を示す。
As an example of a typical perfluorosulfonic acid polymer, the structure of Nafion (registered trademark) is shown below.
In the formula, x represents 5 to 13.5 and y represents 1000.
m represents an integer of 2 or more, and n represents 2.

上記スルホン化ポリイミド(SPI)としては、従来高分子電解質膜を構成するために提案されたスルホン化ポリイミドを含め、任意のスルホン化ポリイミドを用いることができる。本発明において好ましく用いられるスルホン化ポリイミドとしては、例えば、下記式(2)で示されるスルホン化ポリイミドが挙げられる。 As the sulfonated polyimide (SPI), any sulfonated polyimide can be used, including the sulfonated polyimide conventionally proposed for forming a polymer electrolyte membrane. Examples of the sulfonated polyimide preferably used in the present invention include the sulfonated polyimide represented by the following formula (2).

前記式(2)中、Rは、少なくとも1つの芳香環を有する4価の基を表し、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族の4価の残基、ベンゼン環、ナフタレン環などの2個の芳香環が直接連結された化合物の4価の芳香族残基、2個のベンゼン環が−C(CF−、−SO−、−CO−などの基により連結された化合物の4価の残基などが好ましいものとして挙げられ、より好ましくは2個の芳香環を有する化合物の4価の残基である。 In the above formula (2), R 3 represents a tetravalent group having at least one aromatic ring, and for example, an aromatic tetravalent residue such as a benzene ring or a naphthalene ring, a benzene ring, a naphthalene ring or the like. The tetravalent aromatic residue of the compound in which the two aromatic rings are directly linked, and the two benzene rings are linked by groups such as -C (CF 3 ) 2- , -SO 2- , and -CO 2-. The tetravalent residue of the compound is preferred, and more preferably the tetravalent residue of the compound having two aromatic rings.

また、式(2)中、Rは、スルホン酸基を有し、且つ、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基を表し、例えば、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、>CR(Rは、炭素原子とともにフルオレン環構造を形成)などの基により連結され、ベンゼン環にあるいはベンゼン環の置換基にスルホン酸基を有するスルホン化芳香族化合物の2価の残基などが好ましいものとして挙げられる。ベンゼン環の置換基としては、アルキル基、アルキルオキシ基、フェニル基などが好ましく挙げられる。 Further, in the formula (2), R 4 represents a divalent group having a sulfonic acid group and having at least one aromatic ring, for example, two benzene rings are directly bonded, −O−,. A divalent residue of a sulfonated aromatic compound linked by a group such as> CR 6 (R 6 forms a fluorene ring structure with a carbon atom) and having a sulfonic acid group on the benzene ring or on the substituent of the benzene ring. Etc. are preferable. Preferred examples of the substituent of the benzene ring include an alkyl group, an alkyloxy group and a phenyl group.

更に、式(2)中、Rは、少なくとも1つの芳香環を有する、スルホン酸基を有しない2価の基を表し、例えば、ベンゼン環あるいは含窒素複素環などの複素環を構造中に有する非スルホン化化合物の2価の残基などが好ましいものとして挙げられる。また、式(2)中、nは1以上、好ましくは50以上の整数、例えば50〜2000であり、mは0または1以上、好ましくは30以上の整数、例えば30〜1000である。より具体的には、R、R、Rとしては例えば次のような基が挙げられる。 Further, in the formula (2), R 5 represents a divalent group having at least one aromatic ring and having no sulfonic acid group, and for example, a heterocycle such as a benzene ring or a nitrogen-containing heterocycle is included in the structure. Divalent residues of the non-sulfonated compound having the same are preferable. Further, in the formula (2), n is 1 or more, preferably an integer of 50 or more, for example, 50 to 2000, and m is 0 or 1 or more, preferably an integer of 30 or more, for example, 30 to 1000. More specifically, examples of R 3 , R 4 , and R 5 include the following groups.

本発明において用いられる、前記式(2)で表されるスルホン化ポリイミドは、例えば、下記反応式に示すような、芳香族カルボン酸二無水物とスルホン化芳香族ジアミンと任意成分である非スルホン化芳香族ジアミンのモノマーから合成することができる。 The sulfonated polyimide used in the present invention represented by the above formula (2) is, for example, an aromatic carboxylic acid dianhydride, a sulfonated aromatic diamine, and a non-sulfone which is an optional component, as shown in the following reaction formula. It can be synthesized from the monomer of carboxylic acid diamine.

式中、R、R、R、n、mは、上記で定義したものである。
前記の芳香族カルボン酸二無水物としては、例えば、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−ビスフチル−1,1’,8,8’−テトラカルボン酸二無水物が好ましいものとして挙げられる。前記のスルホン化芳香族ジアミンとしては、主鎖がスルホン酸基により修飾された主鎖型モノマーと、側鎖にスルホン酸基が修飾した側鎖型のモノマーとが挙げられる。スルホン化芳香族ジアミンの好ましい例としては、例えば、2,2−ベンジジンジスルホン酸、4,4’−ジアミノフェニルエーテルジスルホン酸、3,3’−ビス(3−スルホプロポキシ)ベンジジン、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン−2,7−ジスルホン酸、2,2’−ビス(4−スルホフェニル)ベンジジンなどが挙げられる。前記の非スルホン化芳香族ジアミンの好ましい例としては、例えば、4,4’−ヘキサフルオロイソプロピリデンビス(p−フェニレンオキシ)ジアミン、2,2−ジアミノジフェニルヘキサフルオロプロパン、9,9’−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、2,5−ジアミノピリジンが挙げられる。非スルホン化芳香族ジアミンモノマーを用いることで、膜安定性や酸保持能を付与することができる。
スルホン化芳香族ジアミンモノマー及び非スルホン化芳香族ジアミンモノマーを組み合わせて用いることで、スルホン化共重合ポリイミドが得られるが、共重合体はランダム共重合体でもブロック共重合体であってもよい。
共重合の際のスルホン化ジアミンモノマー(n)と非スルホン化芳香族ジアミンモノマー(m)との比率n/mは、30/70〜100/0であることが好ましい。n/mが30/70未満では複合膜のプロトン伝導性が低く、好適な複合膜を得ることが難しくなる。高いプロトン伝導性を得るためには、n/mが70/30〜100/0であることが望ましい。
スルホン化ポリイミドの質量平均分子量(Mw)は、1.0×10〜1.0×10であることが製膜性の観点から好ましく、数平均分子量(Mn)に対する質量平均分子量(Mw)の比Mw/Mnは、1〜5であることが強度の点で好ましい。
In the formula, R 3 , R 4 , R 5 , n, and m are defined above.
Examples of the aromatic carboxylic acid dianhydride include 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,2'-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane, and 4 , 4'-Bisphtyl-1,1', 8,8'-tetracarboxylic dianhydride is preferred. Examples of the sulfonated aromatic diamine include a main chain type monomer in which the main chain is modified with a sulfonic acid group and a side chain type monomer in which the side chain is modified with a sulfonic acid group. Preferred examples of the sulfonated aromatic diamine are, for example, 2,2-benzidine disulfonic acid, 4,4'-diaminophenyl ether disulfonic acid, 3,3'-bis (3-sulfopropoxy) benzidine, 9,9'. Examples thereof include −bis (4-aminophenyl) fluorene-2,7-disulfonic acid and 2,2′-bis (4-sulfophenyl) benzidine. Preferred examples of the non-sulfonated aromatic diamine include, for example, 4,4'-hexafluoroisopropyridenebis (p-phenyleneoxy) diamine, 2,2-diaminodiphenylhexafluoropropane, 9,9'-bis. Examples thereof include (4-aminophenyl) fluorene and 2,5-diaminopyridine. By using a non-sulfonated aromatic diamine monomer, membrane stability and acid retention ability can be imparted.
A sulfonated copolymerized polyimide can be obtained by using a sulfonated aromatic diamine monomer and a non-sulfonated aromatic diamine monomer in combination, and the copolymer may be a random copolymer or a block copolymer.
The ratio n / m of the sulfonated diamine monomer (n) and the non-sulfonated aromatic diamine monomer (m) at the time of copolymerization is preferably 30/70 to 100/0. If n / m is less than 30/70, the proton conductivity of the composite membrane is low, and it becomes difficult to obtain a suitable composite membrane. In order to obtain high proton conductivity, it is desirable that n / m is 70/30 to 100/0.
The weight average molecular weight of the sulfonated polyimide (Mw) of, preferably from the viewpoint of film formability to be 1.0 × 10 4 ~1.0 × 10 6 , weight-average molecular weight to number average molecular weight (Mn) (Mw) The ratio of Mw / Mn is preferably 1 to 5 in terms of strength.

(SPI)
また、上記SPIとしては、以下に示すブロック構造を有するものを用いることもできる。
(SPI)
Further, as the SPI, one having the block structure shown below can also be used.

(式中、Aはスルホン酸基を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、Bはスルホン酸基を有するポリイミド側鎖を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、Cは置換基を有していてもよい炭素数6〜30の芳香族基を表し、mおよびnは1以上の整数であり、rは0または1以上の整数であり、Yは1以上の数である。また、m/(n+r)が90/10〜10/90の範囲にあり、ブロック重合体である。)
上記基Aにおけるスルホン酸基は、芳香族基に直接置換されたものでもよいし、例えば−O(CH2)−基、−C6H4−(フェニル)基、−O−C6H4−基等を介して側鎖に導入されたものでもよい。芳香族基は、ベンゼン環、ナフタレン環などが単独で用いられてもよいが、2個以上の環が直接結合あるいは−O−、−SO2−、−C(CF3)2−基などを介して結合されたものでもよい。
基Aの例としては、例えば、下記の基が好ましいものとして挙げられる。
(In the formula, A represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a sulfonic acid group, B represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a polyimide side chain having a sulfonic acid group, and C represents a substitution. Represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms which may have a group, m and n are integers of 1 or more, r is 0 or an integer of 1 or more, and Y is a number of 1 or more. In addition, m / (n + r) is in the range of 90/10 to 10/90, which is a block polymer.)
The sulfonic acid group in the group A may be directly substituted with an aromatic group, or side via, for example, an -O (CH2) -group, a -C6H4- (phenyl) group, an -O-C6H4- group, or the like. It may be introduced into a chain. As the aromatic group, a benzene ring, a naphthalene ring or the like may be used alone, but two or more rings are directly bonded or via an -O-, -SO2-, -C (CF3) 2-group or the like. It may be combined.
As an example of the group A, for example, the following groups are preferable.

一方、上述のように、基Bはスルホン酸基を有するポリイミド側鎖を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、基Cは置換基を有していてもよい炭素数6〜30の芳香族基を表す。スルホン酸基を有するポリイミド側鎖は,炭素数6〜30の芳香族基に直接または−O−、−CO−、−NH−基などを介して連結される。また、基Cの置換基としては、−OH、−COOH、−NH2のような基が挙げられる。前記直接結合部、あるいは−O−、−CO−、−NH−基などを含む炭素数6〜30の芳香族基である基Bとしては、例えば、下記の基が好ましいものとして挙げられ、置換基を有してもよい炭素数6〜30の芳香族基である基Cとしては、下記の基において、基−D−が、−H、−D−Hあるいは−D−OHとなっているような基が好ましいものとして挙げられる。 On the other hand, as described above, the group B represents an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms having a polyimide side chain having a sulfonic acid group, and the group C has 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent. Represents an aromatic group. The polyimide side chain having a sulfonic acid group is directly linked to an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms or via an -O-, -CO-, -NH- group or the like. Examples of the substituent of the group C include groups such as -OH, -COOH and -NH2. As the group B which is an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms including the direct bonding portion or the -O-, -CO-, -NH- group and the like, for example, the following groups are preferably mentioned and substituted. As the group C, which is an aromatic group having 6 to 30 carbon atoms which may have a group, the group −D− is −H, −DH or −D—OH in the following groups. Such groups are preferred.

(式中、Dは、−O−、−CO−、−NH−、−CO−NH−、−CO(=O)−あるいは直接結合を表す。) (In the formula, D represents -O-, -CO-, -NH-, -CO-NH-, -CO (= O)-or direct binding.)

また、上記SPIとしては、上記(1)式で表される重合体に下記(2)で表される基を導入してなるグラフト重合体を用いることもできる。この場合、上記(1)で表される重合体は、ランダム重合体及びブロック重合体のいずれをも採用可能であり、ランダム重合体の場合はグラフト重合体となり、ブロック重合体の場合はブロックグラフト重合体となる。 Further, as the SPI, a graft polymer obtained by introducing a group represented by the following (2) into the polymer represented by the above formula (1) can also be used. In this case, the polymer represented by (1) above can be either a random polymer or a block polymer, and in the case of a random polymer, it becomes a graft polymer, and in the case of a block polymer, it is a block graft. It becomes a polymer.

(式中、Rは、スルホン酸基を有する炭素数6〜30の芳香族基を表し、xは1以上の整数を示す。)
上記式(2)の基Rとしては、上記式(1)の基Aと同様の基が好ましいものとして挙げられる。基Aと基Rとは同じであっても、異なるものであってもよい。具体的には以下の基が好ましい。
(In the formula, R represents an aromatic group having a sulfonic acid group and having 6 to 30 carbon atoms, and x represents an integer of 1 or more.)
As the group R of the above formula (2), a group similar to the group A of the above formula (1) is preferable. The group A and the group R may be the same or different. Specifically, the following groups are preferable.

また、mおよびn+rは、好ましくは1〜100の整数であり、m/(n+r)は好ましくは90/10から10/90の範囲内であり、Yは好ましくは1〜150の数を示す。主鎖を構成するポリイミド樹脂の重量平均分子量(Mw)は、5万〜50万が好ましい。また、側鎖を構成するポリイミド樹脂の重量平均分子量(Mw)は、5,000〜50万が好ましい。 Further, m and n + r are preferably integers of 1 to 100, m / (n + r) is preferably in the range of 90/10 to 10/90, and Y is preferably a number of 1 to 150. The weight average molecular weight (Mw) of the polyimide resin constituting the main chain is preferably 50,000 to 500,000. The weight average molecular weight (Mw) of the polyimide resin constituting the side chain is preferably 5,000 to 500,000.

さらに、グラフト側鎖の重量平均分子量と、主鎖の重量平均分子量の比が、0.01<Mw(グラフト側鎖)/Mw(主鎖)<20であること、主鎖ポリマーに対する側鎖ポリマーのグラフト率が、1<グラフト率<100であること好ましい。 Further, the ratio of the weight average molecular weight of the graft side chain to the weight average molecular weight of the main chain is 0.01 <Mw (graft side chain) / Mw (main chain) <20, and the side chain polymer with respect to the main chain polymer. The graft ratio of 1 <graft ratio <100 is preferable.

ここでグラフト率とは、主鎖中の側鎖導入部位すべてに側鎖が導入された場合を100%として計算した割合であり、〔n/(n+r)〕×100である。例えば後述する実施例3、4において、合成例1または2で用いたDABAのカルボン酸基すべてに合成例3で作製された側鎖部分末端のアミノ基が反応しアミド結合を形成した場合100%である。具体的には以下の式で算出される。
IEC(イオン交換容量)=スルホン酸基当量×グラフト率/(主鎖単位分子量−(側鎖分子量×グラフト率)より
グラフト率(%)={(主鎖単位分子量×IEC)/[スルホン酸基当量−(側鎖分子量×IEC)]}×100
Here, the graft ratio is a ratio calculated assuming that the side chain is introduced into all the side chain introduction sites in the main chain as 100%, and is [n / (n + r)] × 100. For example, in Examples 3 and 4 described later, 100% when all the carboxylic acid groups of DABA used in Synthesis Example 1 or 2 are reacted with the amino group at the partial end of the side chain prepared in Synthesis Example 3 to form an amide bond. Is. Specifically, it is calculated by the following formula.
IEC (ion exchange capacity) = sulfonic acid group equivalent x graft ratio / (main chain unit molecular weight- (side chain molecular weight x graft ratio)] Graft rate (%) = {(main chain unit molecular weight x IEC) / [sulfonic acid group Equivalent- (side chain molecular weight x IEC)]} x 100

上記スルホン化ポリベンズイミダゾール(SPBI)としては下記の構造を有する重合体等を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polybenzimidazole (SPBI) include polymers having the following structures.

(式中Xは、O、CO、SO、S、CH、C(CH、C(CF、等が挙げられ、
Yは、少なくとも1つの芳香環を有する2価の基であり、スルホン酸基を少なくとも一つ置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む2価の基が挙げられ、
nは好ましくは2〜5000、さらに好ましくは100〜500の整数を示す。)
(X in the formula includes O, CO, SO 2 , S, CH 2 , C (CH 3 ) 2 , C (CF 3 ) 2 , and the like.
Y is a divalent group having at least one aromatic ring, and has at least one substituted sulfonic acid group, an aromatic ring such as a benzene ring or a naphthalene ring, or a nitrogen-containing heterocycle such as a pyridine ring. benzene rings directly bonded, -O -, - CO -, - SO 2 - include divalent group containing a benzene ring are linked by like,
n preferably represents an integer of 2 to 5000, more preferably 100 to 500. )

具体的には以下に示す重合体等を用いることができる。
上記SPBIは、たとえばジスルホン化ポリ(ベンズイミダゾール)であれば以下のようにして得ることができる。
すなわち、窒素雰囲気下、ポリリン酸を溶媒および縮合剤として用い、3,3‘−ジアミノベンジジン、4,8−ジスルホニル−2,6−ナフタレンジカルボン酸を加え、80℃以上の温度で1〜2時間攪拌、その後さらに温度を上げて200℃で8〜10時間攪拌し、水中に滴下後、沈殿物を10重量%の水酸化カリウム水溶液で洗浄、回収することで得ることができる。
Specifically, the following polymers and the like can be used.
The SPBI can be obtained, for example, in the case of disulfonated poly (benzimidazole) as follows.
That is, in a nitrogen atmosphere, polyphosphoric acid was used as a solvent and a condensing agent, 3,3'-diaminobenzidine and 4,8-disulfonyl-2,6-naphthalenedicarboxylic acid were added, and 1 to 2 was added at a temperature of 80 ° C. or higher. It can be obtained by stirring for hours, then raising the temperature further, stirring at 200 ° C. for 8 to 10 hours, dropping into water, and then washing and recovering the precipitate with a 10 wt% potassium hydroxide aqueous solution.

上記スルホン化ポリフェニレン(SPP)としては以下に示す重合体等を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polyphenylene (SPP) include the following polymers.

(nは上述のとおりである) (N is as described above)

(式中R1、R2,R3,R4は、水素基、アルキル基、水酸基、スルホン酸基、あるいは芳香環を有する1価あるいは複数の芳香環が連結した2価の基であり、スルホン酸基などが置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む1価あるいは2価の基が挙げられ、nは1〜5000の整数を示す。) (R1, R2, R3, R4 in the formula are a monovalent or divalent group having a hydrogen group, an alkyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, or an aromatic ring, and a sulfonic acid group or the like. Aromatic rings such as benzene ring and naphthalene ring, nitrogen-containing heterocycles such as pyridine ring, and two benzene rings are directly bonded and linked by -O-, -CO-, -SO 2-, etc. A monovalent or divalent group containing a benzene ring or the like is mentioned, and n represents an integer of 1 to 5000.)

具体的には以下に示す重合体を用いることができる。
(nは上述のとおりである)
Specifically, the following polymers can be used.
(N is as described above)

上記スルホン化ポリフェニレンオキシド(SPPOとしては以下の重合体などを挙げることができる。 Examples of the above-mentioned sulfonated polyphenylene sulfide (SPPO includes the following polymers and the like can be mentioned.

(式中R1、R2,R3,R4は、水素基、アルキル基、水酸基、スルホン酸基、あるいは芳香環を有する1価あるいは複数の芳香環が連結した2価の基であり、スルホン酸基などが置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む1価あるいは2価の基が挙げられ、nは1〜5000の整数を示す。) (R1, R2, R3, R4 in the formula are a monovalent or divalent group having a hydrogen group, an alkyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, or an aromatic ring, and a sulfonic acid group or the like. Aromatic rings such as benzene ring and naphthalene ring, nitrogen-containing heterocycles such as pyridine ring, and two benzene rings are directly bonded and linked by -O-, -CO-, -SO 2-, etc. A monovalent or divalent group containing a benzene ring or the like is mentioned, and n represents an integer of 1 to 5000.)

具体的には以下の重合体を用いることができる。
(nは上述のとおりである)
Specifically, the following polymers can be used.
(N is as described above)

(SPPS)
上記ポリフェニレンスルフィド(SPPSとしては以下に示す重合体等を挙げることができる。
(SPPS)
Examples of the polyphenylene sulfide (SPPS include the polymers shown below) can be mentioned.

(式中R1、R2,R3,R4は、水素基、アルキル基、水酸基、スルホン酸基、あるいは芳香環を有する1価あるいは複数の芳香環が連結した2価の基であり、スルホン酸基などが置換された、ベンゼン環、ナフタレン環などの芳香族環、ピリジン環などの窒素含有複素環、2個のベンゼン環が直接結合、−O−、−CO−、−SO−などで連結されているベンゼン環などを含む1価あるいは2価の基が挙げられ、
nは1〜5000の整数を示す。)
具体的には以下の重合体を挙げることができる。
(R1, R2, R3, R4 in the formula are a monovalent or divalent group having a hydrogen group, an alkyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, or an aromatic ring, and a sulfonic acid group or the like. Aromatic rings such as benzene ring and naphthalene ring, nitrogen-containing heterocycles such as pyridine ring, and two benzene rings are directly bonded and linked by -O-, -CO-, -SO 2-, etc. A monovalent or divalent group containing a benzene ring or the like is mentioned.
n represents an integer of 1 to 5000. )
Specifically, the following polymers can be mentioned.

(nは上述のとおりである) (N is as described above)

上記スルホン化ポリスチレンおよびその共重合体(SPSt)としては以下の重合体等を挙げることができる。 Examples of the sulfonated polystyrene and its copolymer (SPSt) include the following polymers.

(Rはアルキル、アルキルエステル、ベンゼンなどの芳香環などであり、スチレン、スルホン化スチレン、あるいはスルホン化エステル置換スチレンと共重合できるビニルモノマー全般を含む、m、nはそれぞれ1〜10000の整数を示す。) (R is an aromatic ring such as alkyl, alkyl ester, benzene, etc., and includes all vinyl monomers copolymerizable with styrene, sulfonated styrene, or sulfonated ester-substituted styrene, and m and n are integers of 1 to 10,000, respectively. Show.)

上記ポリビニルスルホン酸およびその共重合体(PVS)としては以下の重合体等を挙げることができる。 Examples of the polyvinyl sulfonic acid and its copolymer (PVS) include the following polymers.

(Rはアルキル、アルキルエステル、ベンゼンなどの芳香環などであり、ビニルスルホン酸あるいはビニルスルホン酸エステルと共重合できるビニルモノマー全般を含む、m、nはそれぞれ1〜10000の整数を示す。) (R is an aromatic ring such as alkyl, alkyl ester, benzene, etc., and includes all vinyl monomers copolymerizable with vinyl sulfonic acid or vinyl sulfonic acid ester, and m and n represent integers of 1 to 10,000, respectively.)

(他の成分)
本発明の複合膜には、上述の各成分の他に本発明の趣旨を損なわない範囲で種々添加剤を添加することができる。例えば複合膜の機械特性を向上させるためにシリカ粒子などの無機粒子を含んでいてもよい。無機粒子の粒子径は1nm〜1μmであるのが膜の均一性を保つために好ましく、100nm以下であるのがより好ましく、20nm以下であるのが更に好ましい。
(Other ingredients)
In addition to the above-mentioned components, various additives can be added to the composite film of the present invention as long as the gist of the present invention is not impaired. For example, inorganic particles such as silica particles may be contained in order to improve the mechanical properties of the composite film. The particle size of the inorganic particles is preferably 1 nm to 1 μm in order to maintain the uniformity of the film, more preferably 100 nm or less, and further preferably 20 nm or less.

<複合膜形態>
(全体構成)
本発明の複合膜の厚さは2〜40μmであるのが、近年要求されている厚さを満足する点で好ましく、より好ましくは2〜30μmであり、最も好ましくは2〜10μmである。
本発明の複合膜について図1を参照して説明すると、本発明の複合膜においては、電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーから構成された複合ナノファイバー1が、各ナノファイバーが絡合された不織布形態で存在している。そして複合ナノファイバー1の間隔を埋めると共に複合膜の外形を形成するようにマトリクスポリマーが設けられており、本実施形態においては複合ナノファイバー1からなる不織布の表裏両面外方にマトリクスポリマーのみからなるポリマー層6が形成されている。
さらに、複合ナノファイバー後処理溶液により、プロトン伝導物質を複合ナノファイバーにドープすることか可能である。本発明の複合膜においては、上述のようにプロトン伝達物質が2つ以上の酸官能基を有し、複合ナノファイバー1中の塩基性ポリマーが該酸官能基と反応可能な置換基を有しているので、プロトン伝達物質は塩基性ポリマーと反応して複合ナノファイバー1に結合した状態となるだけではなく、複合ナノファイバー1と2箇所以上で結合して一種の橋懸け構造を形成する。
このような橋懸け構造を形成することにより、従来のものよりも膜厚を薄くしても強固な不織布構造を形成することができ、しかも複合ナノファイバーとプロトン伝達物質が結合した状態であるためプロトンの伝達性能の面でも有利である。
前記複合ナノファイバーが形成している不織布形態において前記マトリクスポリマーと接触する前における空隙率が50〜90%であるのが、プロトン伝導性と複合膜とした際の膜強度やガスバリア性の点で好ましい。特に上述した繊維径の複合ナノファイバーをこの範囲の空隙率で不織布化したものを用いることが、本発明の所望の効果を発揮する点で好ましい。空隙率の測定については後述する。
ここで、前記マトリクスポリマーと接触する前における空隙率とは、後述する製造方法において説明するように、まず複合ナノファイバーにより不織布を製造し、その後得られた不織布にマトリクスポリマーを投入して不織布をマトリクスポリマーの溶液に浸漬させると共に所望の形状に成形するが、この溶液に浸漬する前の不織布の状態における各複合ナノファイバー間に存在する空間の割合である。すなわち、空隙率は不織布に外接する仮想立体の体積に対する、前記空間の割合であり、(前記空間の合計体積/仮想立体の体積)×100で表される。
<Composite membrane morphology>
(overall structure)
The thickness of the composite film of the present invention is preferably 2 to 40 μm in terms of satisfying the thickness required in recent years, more preferably 2 to 30 μm, and most preferably 2 to 10 μm.
The composite membrane of the present invention will be described with reference to FIG. 1. In the composite membrane of the present invention, composite nanofibers 1 composed of an electrolyte polymer and a basic polymer are in the form of a non-woven fabric in which each nanofiber is entangled. Existing. A matrix polymer is provided so as to fill the space between the composite nanofibers 1 and form the outer shape of the composite film. In the present embodiment, the non-woven fabric made of the composite nanofibers 1 is composed of only the matrix polymer on both the front and back sides. The polymer layer 6 is formed.
Furthermore, it is possible to dope the composite nanofibers with a proton conductive material using a composite nanofiber post-treatment solution. In the composite film of the present invention, as described above, the proton transmitter has two or more acid functional groups, and the basic polymer in the composite nanofiber 1 has a substituent capable of reacting with the acid functional groups. Therefore, the proton transmitter not only reacts with the basic polymer to be bound to the composite nanofiber 1, but also binds to the composite nanofiber 1 at two or more points to form a kind of bridging structure.
By forming such a bridge structure, a strong non-woven fabric structure can be formed even if the film thickness is thinner than that of the conventional one, and the composite nanofibers and the proton transmitter are bonded to each other. It is also advantageous in terms of proton transfer performance.
In the non-woven fabric form formed by the composite nanofibers, the porosity before contact with the matrix polymer is 50 to 90% in terms of proton conductivity, film strength when formed into a composite film, and gas barrier properties. preferable. In particular, it is preferable to use the above-mentioned composite nanofibers having a fiber diameter in which they are made into a non-woven fabric with a porosity in this range in terms of exhibiting the desired effects of the present invention. The measurement of porosity will be described later.
Here, the void ratio before contact with the matrix polymer is defined by first producing a non-woven fabric using composite nanofibers, and then adding the matrix polymer to the obtained non-woven fabric to form the non-woven fabric, as described in the manufacturing method described later. It is the ratio of the space existing between each composite nanofiber in the state of the non-woven fabric before being immersed in the solution of the matrix polymer and being formed into a desired shape. That is, the porosity is the ratio of the space to the volume of the virtual solid that is in contact with the non-woven fabric, and is represented by (total volume of the space / volume of the virtual solid) × 100.

(量比関係)
前記プロトン伝達物質の存在割合は、プロトン伝達物質と複合ナノファイバーとは両者が上述のような構造をとることから前記プロトン伝達物質の存在量を多くしなくても十分なプロトン伝達性能が出るため、本発明の複合膜全体中0.1〜20質量%であるのが好ましく、1〜10質量%であるのがさらに好ましい。1質量%未満であるとイオン伝導度が不十分となる場合があり、10質量%を超えるとプロトン伝達物質が経時的に溶出する場合があるので、上記範囲内とするのが好ましい。
このように、プロトン伝達物質の存在量が少ないと、複合膜表面への染み出しも非常に少ない。そのため、例えば、燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合には、触媒の被毒が生じにくく、この点でも有利である。
また、前記マトリクスポリマーの存在割合は、前記空隙率で存在する複合ナノファイバー間に存在する空隙を埋めて複合膜の外形を形成する程度の量あれば十分であるが、好ましくは前記複合ナノファイバーとの合計量を100とした場合、50〜90質量%である。
(Quantity ratio relationship)
The abundance ratio of the proton transmitter is that the proton transmitter and the composite nanofiber both have the above-mentioned structures, so that sufficient proton transfer performance can be obtained without increasing the abundance of the proton transmitter. , It is preferable that it is 0.1 to 20% by mass, and more preferably 1 to 10% by mass in the whole composite film of the present invention. If it is less than 1% by mass, the ionic conductivity may be insufficient, and if it exceeds 10% by mass, the proton transmitter may be eluted over time. Therefore, it is preferably within the above range.
As described above, when the abundance of the proton transmitter is small, the exudation to the surface of the composite film is also very small. Therefore, for example, when it is used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the catalyst is less likely to be poisoned, which is also advantageous in this respect.
Further, the abundance ratio of the matrix polymer is sufficient as long as it fills the voids existing between the composite nanofibers existing at the porosity and forms the outer shape of the composite film, but the composite nanofibers are preferable. When the total amount of and is 100, it is 50 to 90% by mass.

<製造方法>
次に本発明の複合膜の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、好ましくは上記の本発明の複合膜を製造する方法であって、図2に示すように、
前記複合ナノファイバーおよび複合ナノファイバーからなる不織布を形成する工程(図2のA)、
前記不織布を後処理する工程(図2のB)、
前記不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程(図2のC)、及び
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程(図示せず)
を行うことにより実施できる。
更に説明する。
<Manufacturing method>
Next, the method for producing the composite film of the present invention will be described.
The production method of the present invention is preferably the above-mentioned method for producing the composite film of the present invention, as shown in FIG.
Step of forming the composite nanofiber and the non-woven fabric composed of the composite nanofiber (A in FIG. 2),
Step of post-treating the non-woven fabric (B in FIG. 2),
A step of filling the voids of the non-woven fabric with a matrix polymer to integrate the composite nanofibers and the matrix polymer (C in FIG. 2), and a step of post-treating an electrolyte membrane containing the composite nanofibers (not shown).
It can be carried out by performing.
This will be further described.

(不織布を形成する工程、図2A)
不織布を形成する工程は、上記複合ナノファイバーの原料である電解質ポリマーと塩基性ポリマーを溶媒に溶解してなる紡糸液を吐出機10を用いて捕集体30上に吐出する等して形成することができる。
原料ポリマー全体における電解質ポリマーの比率は、1〜99質量%であることが好ましく、20〜80質量%であることがさらに好ましい。
吐出機を用いた微細ファイバーの不織布の製造については、例えば、特開2003−73964号公報、特開2004−238749号公報、特開2005−194675号公報に開示されている。以下、特開2005−194675号公報に開示の製造装置を用いた例示に準じて説明する。
(Step of forming non-woven fabric, FIG. 2A)
The step of forming the non-woven fabric is to form by discharging a spinning liquid obtained by dissolving the electrolyte polymer and the basic polymer, which are the raw materials of the composite nanofibers, in a solvent onto the collector 30 using a discharger 10. Can be done.
The ratio of the electrolyte polymer to the total raw material polymer is preferably 1 to 99% by mass, more preferably 20 to 80% by mass.
The production of a fine fiber non-woven fabric using a discharger is disclosed in, for example, JP-A-2003-73964, JP-A-2004-238949, and JP-A-2005-194675. Hereinafter, description will be given according to an example using the manufacturing apparatus disclosed in JP-A-2005-194675.

図2に示す吐出機10は、紡糸液を吐出するノズル11と紡糸液を貯蔵するタンク12とを有する。また、ノズル11に対向して位置する、アースされた捕集体30を有する。そのため、図示しない電圧印加装置によって印加し、ノズル11と捕集体30との間に電界を形成すると、ノズル11から吐出され、電界によって延伸されて形成した繊維は、捕集体30へ向かって飛翔し、捕集体30上に堆積して、複合ナノファイバーからなる不織布20を形成する。
前記溶媒としては例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられ、原料ポリマー濃度は、1〜30質量%であることが好ましく、5〜20質量%であることがより好ましい。紡糸液の粘度は、100〜10000mPa・sであることが好ましく、500〜5000mPa・sであることがより好ましい。
前記の装置を用いると、紡糸液はノズル11から捕集体30に向けて押し出されるとともに、アースされた捕集体30と電圧印加装置によって印加されたノズル11との間の電界による延伸作用を受け、繊維化しながら捕集体30へ向かって飛翔する(いわゆる静電紡糸法である)。そして、この飛翔した繊維は直接、捕集体30上に集積し、不織布を形成する。なお、紡糸液は、例えば、シリンジポンプ、チューブポンプ、ディスペンサ等によりタンク12からノズル11に供給される。この他、紡糸に際して用いられる装置の詳細については特開2012−238590号公報0047〜0056の記載が適宜適用される。
ここで得られる不織布の厚みは25μm以下であるのが複合膜全体の厚さを低減する観点から好ましく、5μm以下であるのがさらに好ましい。
The discharger 10 shown in FIG. 2 has a nozzle 11 for discharging the spinning liquid and a tank 12 for storing the spinning liquid. It also has a grounded collector 30 that is located opposite the nozzle 11. Therefore, when an electric field is formed between the nozzle 11 and the collector 30 by applying a voltage application device (not shown), the fibers discharged from the nozzle 11 and stretched by the electric field fly toward the collector 30. , Accumulate on the collector 30 to form a non-woven fabric 20 made of composite nanofibers.
Examples of the solvent include dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and the raw material polymer concentration is , 1 to 30% by mass, more preferably 5 to 20% by mass. The viscosity of the spinning solution is preferably 100 to 10000 mPa · s, more preferably 500 to 5000 mPa · s.
When the above device is used, the spinning liquid is extruded from the nozzle 11 toward the collector 30, and is subjected to a stretching action by an electric field between the grounded collector 30 and the nozzle 11 applied by the voltage application device. It flies toward the collector 30 while becoming fibrous (so-called electrostatic spinning method). Then, the flying fibers are directly accumulated on the collector 30 to form a non-woven fabric. The spinning liquid is supplied from the tank 12 to the nozzle 11 by, for example, a syringe pump, a tube pump, a dispenser, or the like. In addition, the description of JP2012-238590A Nos. 0047 to 0056 is appropriately applied to the details of the apparatus used for spinning.
The thickness of the non-woven fabric obtained here is preferably 25 μm or less from the viewpoint of reducing the thickness of the entire composite film, and more preferably 5 μm or less.

(不織布を後処理する工程、図2B)
ついで得られた不織布を後処理する。本発明においてはこの複合ナノファイバーを後処理する工程をマトリクスと接触させる工程の前に行うことが特徴である。これにより必要なプロトン伝達物質は前記複合ナノファイバーに吸着(反応による吸着を含む)させつつ、余分なプロトン伝達物質は除去することができ、薄膜化とガスバリア性および高伝導度(とくにガスバリア性)との両立を達成することができる。
後処理は、図2のBに示すように、得られた不織布を任意の容器40に入れ、容器40に別の注入容器50からプロトン伝達物質含有溶液を注入し、プロトン伝達物質含有溶液に浸漬することにより行うことができる。
プロトン伝達物質含有溶液のプロトン伝達物質の濃度は5〜95質量%、好ましくは10〜85質量%とするのが好ましい。浸漬条件は、温度15〜80℃、0.5〜3時間とするのが好ましい。
そして、浸漬終了後、余分なプロトン伝達物質を除去するために洗浄を行うのが好ましい。特に上述の本発明の電解質膜においては、上述のようにプロトン伝達物質が複合ナノファイバーに結合するので結合していない余分なプロトン伝達物質は除去した方が膜強度やガスバリア性の観点、更には、フリーなプロトン伝達物質が極めて少ないため、水分存在下においてもプロトン伝達物質の溶出が生じにくく、例えば、燃料電池用の高分子電解質膜として使用した場合には、触媒の被毒が生じないという観点から好ましく、また、除去しても結合していることにより十分なプロトン伝達性を発揮するので問題がない。洗浄は水などの洗浄液を用いて15〜80℃で5〜20時間行うのが好ましい。
洗浄後、50〜150℃の条件で、5〜15時間真空乾燥を行うなどして十分に乾燥させるのが好ましい。
プロトン伝達物質のドープ量(複合ナノファイバーへの吸着量)は、後処理前後の不織布の質量変化あるいはイオン交換容量を測定することで算出することができる。
本工程において用いることができるプロトン伝達物質は、上述の酸官能基を2つ以上有するプロトン伝達物質の他に、酸官能基を一つしか有さない酸性物質を用いることもできる。たとえば、酸官能基を一つ有する硝酸などを使用した場合、酸性物質は電解質ポリマーの酸官能基のカウンターイオンをプロトンフォームにイオン交換するのに使用される。塩基性ポリマーと相互作用していない酸官能基を一つしか有さない酸性物質の多くは洗浄操作により除去することが可能である。
(Step of post-treating the non-woven fabric, FIG. 2B)
The resulting non-woven fabric is then post-treated. The present invention is characterized in that the step of post-treating the composite nanofiber is performed before the step of contacting with the matrix. As a result, the necessary proton transmitters can be adsorbed on the composite nanofibers (including adsorption by reaction), and excess proton transmitters can be removed, resulting in thinning, gas barrier properties, and high conductivity (particularly gas barrier properties). It is possible to achieve compatibility with.
In the post-treatment, as shown in B of FIG. 2, the obtained non-woven fabric is placed in an arbitrary container 40, a proton transmitter-containing solution is injected into the container 40 from another injection container 50, and the solution is immersed in the proton transmitter-containing solution. It can be done by doing.
The concentration of the proton transmitter in the proton transmitter-containing solution is preferably 5 to 95% by mass, preferably 10 to 85% by mass. The immersion conditions are preferably a temperature of 15 to 80 ° C. and 0.5 to 3 hours.
Then, after the immersion is completed, it is preferable to perform washing in order to remove excess proton transmitter. In particular, in the above-mentioned electrolyte membrane of the present invention, since the proton-transmitting substance binds to the composite nanofiber as described above, it is better to remove the excess proton-transmitting substance that is not bound from the viewpoint of membrane strength and gas barrier property, and further. Since there are very few free proton transmitters, elution of proton transmitters is unlikely to occur even in the presence of water. For example, when used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells, catalyst poisoning does not occur. It is preferable from the viewpoint, and even if it is removed, there is no problem because it exhibits sufficient proton transmissibility due to the binding. The washing is preferably carried out at 15 to 80 ° C. for 5 to 20 hours using a washing liquid such as water.
After washing, it is preferable to sufficiently dry the product by vacuum drying at 50 to 150 ° C. for 5 to 15 hours.
The doping amount of the proton transfer material (adsorption amount to the composite nanofiber) can be calculated by measuring the mass change or ion exchange capacity of the non-woven fabric before and after the post-treatment.
As the proton transmitter that can be used in this step, in addition to the above-mentioned proton transmitter having two or more acid functional groups, an acidic substance having only one acid functional group can also be used. For example, when nitric acid having one acid functional group is used, the acidic substance is used to ion exchange the counter ion of the acid functional group of the electrolyte polymer into proton foam. Many acidic substances that have only one acid functional group that does not interact with the basic polymer can be removed by a washing operation.

(不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程、図2C)
この工程では前工程で得られた前記後処理後の不織布を容器40’に入れ、容器40’に別の注入容器50’からマトリクスポリマーの溶液を投入し、この溶液に前記不織布を浸漬することにより行う。
前記マトリクスポリマー溶液に用いられる溶剤としては、用いるマトリクスポリマーにより任意であるが、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられ、その他溶媒と併用してもよい。また、前記溶液におけるマトリクスポリマーの濃度は、2〜20質量%とするのが好ましい。
浸漬させた状態とした後、溶媒を蒸発させることにより本発明の複合膜を得ることができる。溶媒の蒸発は、例えば、15〜150℃における自然乾燥、真空乾燥または熱風式オーブンにより1〜48時間処理することにより実施することができる。
また、ポリマーを安定化させるためにマトリクスポリマーをいったん塩とした後上記溶液として処理することもできるがこの場合には上記の蒸発処理終了後に得られた複合膜を酸処理することが好ましい。
(Step of filling the voids of the non-woven fabric with the matrix polymer to integrate the composite nanofibers and the matrix polymer, FIG. 2C)
In this step, the non-woven fabric after the post-treatment obtained in the previous step is put into a container 40', a solution of the matrix polymer is put into the container 40' from another injection container 50', and the non-woven fabric is immersed in this solution. To do.
The solvent used in the matrix polymer solution is optional depending on the matrix polymer used, but is water, methanol, ethanol, 2-propanol, dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-. Examples thereof include dimethylacetamide (DMAc) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which may be used in combination with other solvents. The concentration of the matrix polymer in the solution is preferably 2 to 20% by mass.
The composite film of the present invention can be obtained by evaporating the solvent after the immersion state. Evaporation of the solvent can be carried out, for example, by air drying at 15 to 150 ° C., vacuum drying or treatment in a hot air oven for 1 to 48 hours.
Further, in order to stabilize the polymer, the matrix polymer can be once salted and then treated as the above solution, but in this case, the composite membrane obtained after the completion of the above evaporation treatment is preferably acid-treated.

(複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程)
複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理することで、残存する溶媒や低分子を除去する、酸官能基のカウンターイオンをプロトンに交換する、膜を緻密化させ安定性やガスバリア性を向上させるといった効果が期待できる。
後処理として主に溶液処理および加熱処理がある。溶液処理に用いられる物質としては、過酸化水素水溶液、塩酸水溶液、エタノール/塩酸混合溶液、エタノール/硝酸混合溶液等が挙げられる。溶液処理の終了後、50〜150℃で1〜48時間真空乾燥処理を行うなどして加熱処理を行うことができる。
(Step of post-treatment of electrolyte membrane containing composite nanofibers)
Post-treatment of electrolyte membranes containing composite nanofibers removes residual solvents and small molecules, exchanges counter ions of acid functional groups with protons, densifies membranes and improves stability and gas barrier properties. The effect can be expected.
Post-treatment mainly includes solution treatment and heat treatment. Examples of the substance used for the solution treatment include an aqueous hydrogen peroxide solution, an aqueous hydrochloric acid solution, an ethanol / hydrochloric acid mixed solution, and an ethanol / nitric acid mixed solution. After the solution treatment is completed, the heat treatment can be performed by performing a vacuum drying treatment at 50 to 150 ° C. for 1 to 48 hours.

<使用態様及び利点>
本発明の電解質膜は、正極と負極との間に挟持させて用いられる、固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜として使用することができ、上述のように薄膜であり、且つ負極で発生したプロトンを正極に安定的に伝導させることができる。
このような高分子電解質には低膜抵抗性(膜抵抗(Ω・cm)=膜厚(cm)/プロトン伝導度(s/cm):s=1/Ω)が要求されるが、本発明の電解質膜は要求値(高温度域低加湿下において<0.025Ω・cm2)に近い優れた低膜抵抗性を示す。特に高温低湿度条件下(80℃、30%RH)において優れた膜抵抗性(例えば0.22Ω・cm)程度を示す。
また、ガスバリア性が高いこと、すなわち低ガス透過流量(O:80℃95%RH下で<1.3×10―9(cm/(cm sec kPa))であることも要求される。この他、膜安定性(化学的、機械的、熱的)が高いことも要求されるところ本発明のナノファイバー複合膜はその膜厚を従来の膜よりも薄膜としてもこれらの性能を満足するものである。
本発明の電解質膜が、従来の複合膜に比して、より薄膜としても高い低膜抵抗性を有し、しかもガスバリア性も高い、バランスのとれた複合膜であることの理由は定かではないが、以下のような理由が考えられる。
ナノファイバーを構成する電解質ポリマーに塩基性ポリマーを複合することで、電解質中の酸官能基が塩基性ポリマーと相互作用し、プロトンの解離を促進する。特に従来プロトン解離が困難となりプロトン伝導性の低下する低湿度条件においてその効果は顕著になる。
また、2つ以上の酸官能基を有する酸性物質を複合ナノファイバーにドープすることで、プロトン伝導に寄与する物質を増大させることが可能である。大部分の酸性物質は複合ナノファイバーの表面に多く存在し、複合ナノファイバー同士を連結するように存在する。そのため、マトリクスポリマーと一体化した際に、複合ナノファイバー間が広がりにくくなる。
さらに、塩基性ポリマーを含む複合ナノファイバーの存在により、電解質膜作製時にマトリクスポリマーの酸官能基がナノファイバー表面近傍に自発的に集まり、一種の酸凝縮層を形成することが示唆される。プロトンが分散することなくナノファイバーを伝って移動できるため、膜厚方向にも、プロトン伝達性能が向上していると考えられる。更に、内部で相互作用を形成しガ力学強度やスバリア性に優れる複合ナノファイバーが電解質膜中に存在することによって、電解質膜の強度やガスバリア性が向上されると考えられる。
このように構成された本発明の電解質膜は、上述の各性能バランスに優れるという効果を奏するのみではなく、フリーな酸性物質が存在せず、燃料電池セルにおける酸性物質による白金触媒への被毒がないため特性低下を大幅に抑制できる。なお、不織布をホットプレスなどにより加圧して、微細ファイバーの密度を高めることができ、より一層の薄膜化も可能である。
<Usage and advantages>
The electrolyte membrane of the present invention can be used as a polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell that is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode, is a thin film as described above, and is generated at the negative electrode. The resulting protons can be stably conducted to the positive electrode.
Such a polymer electrolyte is required to have low membrane resistance (membrane resistance (Ω · cm 2 ) = film thickness (cm) / proton conductivity (s / cm): s = 1 / Ω). The electrolyte membrane of the present invention exhibits excellent low membrane resistance close to the required value (<0.025Ω · cm 2 ) under low humidity in a high temperature range. In particular, it exhibits excellent film resistance (for example, 0.22 Ω · cm 2 ) under high temperature and low humidity conditions (80 ° C., 30% RH).
It is also required to have a high gas barrier property, that is, a low gas permeation flow rate (O 2 : 80 ° C. 95% RH <1.3 × 10-9 (cm 3 / (cm 2 sec kPa))). In addition, high film stability (chemical, mechanical, thermal) is also required. The nanofiber composite film of the present invention satisfies these performances even if the film thickness is thinner than that of the conventional film. To do.
It is not clear why the electrolyte membrane of the present invention is a well-balanced composite membrane having higher film resistance as a thin film and also having a high gas barrier property as compared with the conventional composite membrane. However, the following reasons can be considered.
By combining the basic polymer with the electrolyte polymer that constitutes the nanofiber, the acid functional groups in the electrolyte interact with the basic polymer and promote the dissociation of protons. In particular, the effect becomes remarkable under low humidity conditions where proton dissociation is difficult and proton conductivity is lowered.
Further, by doping the composite nanofiber with an acidic substance having two or more acid functional groups, it is possible to increase the substance that contributes to proton conduction. Most of the acidic substances are abundant on the surface of the composite nanofibers and exist so as to connect the composite nanofibers to each other. Therefore, when integrated with the matrix polymer, it becomes difficult for the composite nanofibers to spread.
Furthermore, the presence of the composite nanofibers containing the basic polymer suggests that the acid functional groups of the matrix polymer spontaneously gather near the surface of the nanofibers during the fabrication of the electrolyte membrane to form a kind of acid condensed layer. Since the protons can move along the nanofibers without being dispersed, it is considered that the proton transfer performance is improved in the film thickness direction as well. Further, it is considered that the strength and gas barrier property of the electrolyte membrane are improved by the presence of the composite nanofibers which form an interaction inside and are excellent in the mechanical strength and the sbaria property in the electrolyte membrane.
The electrolyte membrane of the present invention configured in this way not only has the effect of being excellent in each of the above-mentioned performance balances, but also has no free acidic substance, and poisoning of the platinum catalyst by the acidic substance in the fuel cell. Since there is no such thing, deterioration of characteristics can be significantly suppressed. The non-woven fabric can be pressurized by a hot press or the like to increase the density of fine fibers, and further thinning is possible.

以下、実施例及び比較例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.

《合成例1:3,3‘−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−ナトリウム塩(SDFB)の合成》
窒素雰囲気下、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン4.36g(20.0mmol)に発煙硫酸16mlを加え、110℃で6時間攪拌した。放冷後、100mlの蒸留水に注ぎ、攪拌しながら水酸化ナトリウムを用いてpHを10に調整した。その溶液を1Lエタノール中にゆっくり注ぎ、析出物を吸引ろ過によりろ別した。ろ液をエバポレーションにより濃縮し、2−プロパノールを加え、析出物を吸引ろ過により回収した。回収したSDFBを80℃で18時間乾燥し、溶媒を完全に除去した。
<< Synthesis Example 1: Synthesis of 3,3'-disulfo-4,4'-difluorobenzophenone-sodium salt (SDFB) >>
Under a nitrogen atmosphere, 16 ml of fuming sulfuric acid was added to 4.36 g (20.0 mmol) of 4,4'-difluorobenzophenone, and the mixture was stirred at 110 ° C. for 6 hours. After allowing to cool, the pH was adjusted to 10 with sodium hydroxide while pouring into 100 ml of distilled water and stirring. The solution was slowly poured into 1 L ethanol and the precipitate was filtered by suction filtration. The filtrate was concentrated by evaporation, 2-propanol was added, and the precipitate was collected by suction filtration. The recovered SDFB was dried at 80 ° C. for 18 hours to completely remove the solvent.

《合成例2:スルホン化ポリアリーレンエーテル(SPAES)の合成》
窒素雰囲気下、重合溶媒にN,N−ジメチルアセトアミド(脱水)30mlを用い、ディーンスターク管を有する三口フラスコに合成例1で得た3,3‘−ジスルホ−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン−ナトリウム塩(SDFB)2.28g(5.4mmol)、ビス(4−フルオロフェニル)スルホン(FPS)1.68g(6.6mmol)、4,4’−ビフェノール(BP)2.23g(12.0)、2.2倍等量の炭酸カリウム、トルエン(脱水)15mlを加え、140℃で4時間攪拌し、ディーンスターク管内の水およびトルエンを除去後、170℃でさらに15時間攪拌し、スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン(SPAES)ナトリウム塩を合成した。なお、合成したSPAESは熱水に注ぎ沈殿精製した後、蒸留水で繰り返し洗浄して回収した。回収したSPAES(ナトリウム塩)は、60℃で15時間真空乾燥し、溶媒を完全に除去した。
<< Synthesis Example 2: Synthesis of Sulfonized Polyarylene Ether (SPAES) >>
Under a nitrogen atmosphere, 30 ml of N, N-dimethylacetamide (dehydrated) was used as the polymerization solvent, and 3,3'-disulfo-4,4'-difluorobenzophenone-sodium obtained in Synthesis Example 1 was placed in a three-necked flask having a Dean-Stark tube. 2.28 g (5.4 mmol) of salt (SDFB), 1.68 g (6.6 mmol) of bis (4-fluorophenyl) sulfone (FPS), 2.23 g (12.0) of 4,4'-biphenol (BP) 2. Add 2 times the same amount of potassium carbonate and 15 ml of toluene (dehydrated), stir at 140 ° C. for 4 hours to remove water and toluene in the Dean-Stark tube, and then stir at 170 ° C. for another 15 hours to sulfonated poly. An arylene ether sulfone (SPAES) sodium salt was synthesized. The synthesized SPAES was poured into hot water for precipitation and purification, and then repeatedly washed with distilled water for recovery. The recovered SPAES (sodium salt) was vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours to completely remove the solvent.

NMR装置Burker AVANCEIII500(ブルカー・バイオスピン社製)を用いて、スルホン化ポリアレーレンエーテル(ナトリウム塩)のH−NMRスペクトルを測定した。H−NMRスペクトル目的ポリマーが得られたことが確認できた。
ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC、日本分光社製HPLCポンプPU−2080PLUS)を用いて、スルホン化ポリアリーレンエーテル塩の分子量を測定した。なお、GPC溶媒として微量の臭化リチウム(10mmol/L)を添加したDMFを用い、キャリアを用いて調整した1mg/mLのスルホン化ポリアリーレンエーテル塩溶液よりポリスチレン換算の分子量を測定した。その結果、Mwが6.0×10であり、Mw/Mnは1.7であった。
A 1 H-NMR spectrum of sulfonated polyallerene ether (sodium salt) was measured using an NMR apparatus Burker AVANCE III500 (manufactured by Bruker Biospin). 1 1 H-NMR spectrum It was confirmed that the target polymer was obtained.
The molecular weight of the sulfonated polyarylene ether salt was measured using gel permeation chromatography (GPC, HPLC pump PU-2080PLUS manufactured by JASCO Corporation). Using DMF to which a small amount of lithium bromide (10 mmol / L) was added as the GPC solvent, the polystyrene-equivalent molecular weight was measured from a 1 mg / mL sulfonated polyarylene ether salt solution prepared using a carrier. As a result, Mw is 6.0 × 10 5, Mw / Mn was 1.7.

《合成例3:ポリベンズイミダゾール(PBI)の合成》
窒素雰囲気下、重合溶媒にポリリン酸(PPA)を用い、3,3’−ジアミノベンジジン(DAB)2.27g(10.6mmol)、4,4’−オキシビス安息香酸(OBBA)2.73g(10.6mmol)を量り取り、3質量%溶液となるようにポリリン酸(PPA)を加えて、攪拌しながら徐々に温度を上げていき、140℃で12時間攪拌し、ポリベンズイミダゾールを合成した。得られたポリマー溶液をイオン交換水に注ぎ再沈した後、水酸化ナトリウム溶液で中和し、洗浄した。吸引ろ過によりポリベンズイミダゾールを回収し、24時間自然乾燥させた後、100℃で真空乾燥した。
<< Synthesis Example 3: Synthesis of Polybenzimidazole (PBI) >>
Under a nitrogen atmosphere, using polyphosphoric acid (PPA) as the polymerization solvent, 2.27 g (10.6 mmol) of 3,3'-diaminobenzidine (DAB) and 2.73 g (10) of 4,4'-oxybis benzoic acid (OBBA). .6 mmol) was weighed, polyphosphoric acid (PPA) was added so as to be a 3 mass% solution, the temperature was gradually raised while stirring, and the mixture was stirred at 140 ° C. for 12 hours to synthesize polybenzimidazole. The obtained polymer solution was poured into ion-exchanged water and reprecipitated, then neutralized with sodium hydroxide solution and washed. Polybenzimidazole was recovered by suction filtration, air-dried for 24 hours, and then vacuum-dried at 100 ° C.

ポリベンズイミダゾールのH−NMRスペクトルを測定し、その構造を確認した。
ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定より、ポリベンズイミダゾールのMwが1.6×10であり、Mw/Mnは2.1であった。
The 1 H-NMR spectrum of polybenzimidazole was measured and its structure was confirmed.
The gel permeation chromatography (GPC), Mw of polybenzimidazole is 1.6 × 10 5, Mw / Mn was 2.1.

《実施例1:SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン塩と合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で50/50になるように加え、ポリマー重量が全重量の16質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。得られた複合ナノファイバーは60℃で15時間真空乾燥させた。
得られた複合ナノファイバーの酸処理および酸ドープのため、後処理を行った。複合ナノファイバーを塩酸(0.1M)に室温で15時間浸漬し、純水で繰り返し洗浄した。続いて、フィチン酸水溶液(50wt%)に室温で1時間浸漬させ、その後80℃の純水中で繰り返しのべ24時間洗浄し、ドープされなかったフィチン酸を除去した。酸ドープした複合ナノファイバーは60℃で15時間真空乾燥させた。上記後処理により、SPAESナトリウム塩をプロトンフォームに置換するとともに、塩基性ポリマーにフィチン酸をドープすることができる。
ナノファイバーの一部を用い、オスミウムコーティングした後、走査型電子顕微鏡(SEM、JEOL製JSM−6100)によって観察、得られたSEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径を算出した。図3に、実施例1のナノファイバー(放出時間60秒)のSEM像を示す。SEM画像の結果から均一なナノファイバーが作製できたことを確認し、そのファイバー径は326±27nmであった。
空隙率は、ファイバーマットを3cm角に切り出し、乾燥質量(W)と膜厚計により測定した膜厚から算出した見かけの体積(V)、SPAES/PBI(50/50)の比重(1.5g/cm)を用いて、下記の式より算出した。
空隙率(%)=(1−(W/(V×1.5))×100
算出された空隙率は、89%程度であった。
<< Example 1: Preparation of SPAES / PBI (50/50) composite nanofiber non-woven fabric >>
To the vial, the sulfonated polyarylene ether sulfone salt of Synthesis Example 2 and polybenzimidazole of Synthesis Example 3 were added in a weight ratio of 50/50, and dehydrated so that the polymer weight was 16% by weight of the total weight. N, N-dimethylformamide (DMF) was added. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil was placed in the collector part of the electrospinning device ES-2000S (manufactured by Finance), a syringe filled with the polymer solution was set in the electrospinning device, and the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour. , Electrospinning was done. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the SPAES / PBI (50/50) composite nanofiber non-woven fabric was laminated on the aluminum foil. The obtained composite nanofibers were vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours.
Post-treatment was performed for acid treatment and acid doping of the obtained composite nanofibers. The composite nanofibers were immersed in hydrochloric acid (0.1 M) at room temperature for 15 hours and washed repeatedly with pure water. Subsequently, the mixture was immersed in an aqueous phytic acid solution (50 wt%) at room temperature for 1 hour, and then washed repeatedly in pure water at 80 ° C. for a total of 24 hours to remove undoped phytic acid. The acid-doped composite nanofibers were vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours. By the above post-treatment, the SPAES sodium salt can be replaced with proton foam, and the basic polymer can be doped with phytic acid.
After osmium coating using a part of the nanofibers, the fiber diameter of the nanofibers prepared by observing with a scanning electron microscope (SEM, JSM-6100 manufactured by JEOL) and obtained was calculated. FIG. 3 shows an SEM image of the nanofiber (release time 60 seconds) of Example 1. From the results of the SEM image, it was confirmed that uniform nanofibers could be produced, and the fiber diameter was 326 ± 27 nm.
The porosity is the apparent volume (V) calculated from the dry mass (W) and the film thickness measured by a film thickness meter obtained by cutting a fiber mat into 3 cm squares, and the specific gravity (1.5 g) of SPAES / PBI (50/50). It was calculated from the following formula using / cm 3 ).
Porosity (%) = (1- (W / (V x 1.5)) x 100
The calculated porosity was about 89%.

《実施例2:一軸配列SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
ナノファイバー単体のプロトン伝導度を測定するために、一軸配列ナノファイバーを作製した。実施例1と同様、16質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに17kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。1軸配列ナノファイバーに塩酸(0.1M)を滴下し、室温で1時間静置後、純水で繰り返し洗浄した。続いて、フィチン酸水溶液(50wt%)を滴下し、室温で1時間静置し、室温で純水により繰り返し洗浄し、ドープされなかったフィチン酸を除去した。60℃で15時間真空乾燥を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
<< Example 2: Fabrication of uniaxial array SPAES / PBI (50/50) composite nanofibers and measurement of proton conductivity >>
In order to measure the proton conductivity of nanofibers alone, uniaxially arranged nanofibers were prepared. Similar to Example 1, the polymer solution was adjusted to 16% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Furniture). As the collector, a glass substrate having two aluminum electrodes installed at both ends was used. A voltage of 17 kv was applied to the syringe, with the distance between the syringe and the collector being 10 cm and the amount of polymer solution released being 0.12 mL / hour. As a result, a uniaxially oriented nanofiber aggregate was produced on a glass substrate. The collector was removed when the release time of the polymer solution was 60 seconds. Hydrochloric acid (0.1 M) was added dropwise to the uniaxially arranged nanofibers, and the mixture was allowed to stand at room temperature for 1 hour and then repeatedly washed with pure water. Subsequently, an aqueous phytic acid solution (50 wt%) was added dropwise, and the mixture was allowed to stand at room temperature for 1 hour and repeatedly washed with pure water at room temperature to remove undoped phytic acid. Vacuum drying was performed at 60 ° C. for 15 hours to obtain acid-doped uniaxially arranged nanofibers.

[一軸配列SPAES/PBI(50/50)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定]
インピーダンスアナライザー3532−50(日置社製)を用いて、50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定して、ナノファイバー集積体の抵抗(電極間距離0.5cm)を測定した。なお、抵抗測定時の温度及び湿度は、恒温恒湿器SH−221(ESPEC社製)を用いて、それぞれ90℃及び95%RHに保持した。
さらに、インピーダンス測定後の1軸配列ナノファイバーに金コートを行い、SEMにより観察した。SEM画像から電極間に存在する一軸配列ナノファイバーの平均直径及び本数を求め、式 電極間距離[cm]/(ファイバー1本の断面積[cm]×ナノファイバー本数×抵抗[Ω])から、プロトン伝導度[S/cm]を算出した。この結果を表1に示す。
[Measurement of proton conductivity of uniaxial array SPAES / PBI (50/50) composite nanofibers]
The resistance of the nanofiber aggregate (distance between electrodes 0.5 cm) was measured by measuring the frequency response from 50 kHz to 5 MHz using an impedance analyzer 3532-50 (manufactured by Hioki Co., Ltd.). The temperature and humidity at the time of resistance measurement were maintained at 90 ° C. and 95% RH, respectively, using a constant temperature and humidity controller SH-221 (manufactured by ESPEC).
Further, the uniaxially arranged nanofibers after the impedance measurement were coated with gold and observed by SEM. Obtain the average diameter and number of uniaxially arranged nanofibers existing between the electrodes from the SEM image, and use the formula inter-electrode distance [cm] / (cross-sectional area of one fiber [cm 2 ] x number of nanofibers x resistance [Ω]). , The proton conductivity [S / cm] was calculated. The results are shown in Table 1.

《比較例1:SPAES/PBI(50/50)ブレンド膜の作製とプロトン伝導度測定》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルナトリウム塩と合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で50/50になるように加え、さらにN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えて一晩攪拌し、ブレンドポリマー溶液を調製した。ブレンドポリマー溶液をガラスシャーレに流し込み、60℃で自然乾燥後、60℃15時間真空乾燥することでSPAES/PBI(50/50)ブレンド膜を得た。膜厚は64μmであった。得られたブレンド膜を塩酸(0.1M)に室温で15時間浸漬し、純水で繰り返し洗浄した。続いて、フィチン酸水溶液(50wt%)に室温で1時間浸漬させ、その後80℃の純水中で繰り返しのべ24時間洗浄し、ドープされなかったフィチン酸を除去した。酸ドープしたブレンド膜は60℃で15時間真空乾燥させた。
<< Comparative Example 1: Preparation of SPAES / PBI (50/50) Blend Membrane and Measurement of Proton Conductivity >>
To the vial, add the sulfonated polyarylene ether sodium salt of Synthesis Example 2 and polybenzimidazole of Synthesis Example 3 in a weight ratio of 50/50, and further add N, N-dimethylformamide (DMF). Stirred evening to prepare a blended polymer solution. The blended polymer solution was poured into a glass petri dish, air-dried at 60 ° C., and then vacuum-dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain a SPAES / PBI (50/50) blended film. The film thickness was 64 μm. The obtained blend membrane was immersed in hydrochloric acid (0.1 M) at room temperature for 15 hours and repeatedly washed with pure water. Subsequently, the mixture was immersed in an aqueous phytic acid solution (50 wt%) at room temperature for 1 hour, and then washed repeatedly in pure water at 80 ° C. for a total of 24 hours to remove undoped phytic acid. The acid-doped blend membrane was vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours.

[SPAES/PBI(50/50)ブレンド膜のプロトン伝導度測定]
インピーダンスアナライザー3532−50(日置社製)を用いて、50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定して、ナノファイバー集積体の抵抗(電極間距離1.0cm)を測定した。なお、抵抗測定時の温度及び湿度は、恒温恒湿器SH−221(ESPEC社製)を用いて、それぞれ90℃及び95%RHに保持した。インピーダンス測定により得られた抵抗[Ω]、電極間距離[cm]、膜断面積[cm]を用い、式 電極間距離[cm]/(膜断面積[cm]×抵抗[Ω])から、プロトン伝導度[S/cm]を算出した。この結果を表1に示す。
実施例2の同一組成からなるナノファイバーと比べ、ブレンド膜の伝導度は非常に低い値であった。これは、膜内で電解質ポリマーであるSPAES中のスルホン酸基が塩基性ポリマーであるPBIと酸-塩基相互作用し、プロトン伝導可能な酸官能基濃度が低下したためであると考えられる。また、ドープ酸であるフィチン酸は比較的分子サイズが大きく、膜表面近傍に存在するPBIにはドープされたものの、内部にはドープが行われなかったと推測される。一方ナノファイバーの場合、直径が数百nmと細く十分内部までフィチン酸がドープされたこと、およびナノファイバー特有の効率的なプロトン伝導チャネルが形成されたことが高い伝導性に繋がったと考察される。
[Measurement of proton conductivity of SPAES / PBI (50/50) blended membrane]
The frequency response from 50 kHz to 5 MHz was measured using an impedance analyzer 3532-50 (manufactured by Hioki Co., Ltd.), and the resistance of the nanofiber aggregate (distance between electrodes 1.0 cm) was measured. The temperature and humidity at the time of resistance measurement were maintained at 90 ° C. and 95% RH, respectively, using a constant temperature and humidity controller SH-221 (manufactured by ESPEC). Using the resistance [Ω], inter-electrode distance [cm], and film cross-sectional area [cm 2 ] obtained by impedance measurement, the formula inter-electrode distance [cm] / (film cross-sectional area [cm 2 ] x resistance [Ω]) From, the proton conductivity [S / cm] was calculated. The results are shown in Table 1.
Compared with the nanofibers having the same composition in Example 2, the conductivity of the blended film was a very low value. It is considered that this is because the sulfonic acid group in SPAES, which is an electrolyte polymer, interacts with PBI, which is a basic polymer, acid-base in the membrane, and the concentration of acid functional groups capable of proton conduction decreases. Further, it is presumed that phytic acid, which is a doping acid, has a relatively large molecular size, and although it was doped in PBI existing near the film surface, it was not doped inside. On the other hand, in the case of nanofibers, it is considered that the diameter was as small as several hundred nm and the phytic acid was sufficiently doped to the inside, and the formation of efficient proton conduction channels peculiar to nanofibers led to high conductivity. ..

《実施例3:SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホンと合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で20/80になるように加え、ポリマー重量が全重量の14.3質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM観察結果を図4に示す。SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は323±20nmであった。空隙率は、86%程度であった。
<< Example 3: Preparation of SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric >>
Into the vial, the sulfonated polyarylene ether sulfone of Synthesis Example 2 and the polybenzimidazole of Synthesis Example 3 were added in a weight ratio of 20/80 so that the polymer weight was 14.3% by weight based on the total weight. Dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) was added. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil was placed in the collector part of the electrospinning device ES-2000S (manufactured by Finance), a syringe filled with the polymer solution was set in the electrospinning device, and the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour. , Electrospinning was done. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The SEM observation results are shown in FIG. The fiber diameter of the nanofibers produced from the SEM image was 323 ± 20 nm. The porosity was about 86%.

《実施例4:一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
実施例3と同様、14.3質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに20kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。実施例2と同様の後処理を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
実施例2と同様に、一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定を行った。結果を表1に示す。
また、SEM観察結果を図5に示す。
<< Example 4: Fabrication of Uniaxial Array SPAES / PBI (20/80) Composite Nanofibers and Measurement of Proton Conductivity >>
Similar to Example 3, the polymer solution was adjusted to 14.3% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Fusion). As the collector, a glass substrate having two aluminum electrodes installed at both ends was used. A voltage of 20 kv was applied to the syringe, with the distance between the syringe and the collector being 10 cm and the amount of polymer solution released being 0.12 mL / hour. As a result, a uniaxially oriented nanofiber aggregate was produced on a glass substrate. The collector was removed when the release time of the polymer solution was 60 seconds. The same post-treatment as in Example 2 was carried out to obtain acid-doped uniaxially arranged nanofibers.
In the same manner as in Example 2, the proton conductivity of the uniaxial array SPAES / PBI (20/80) composite nanofibers was measured. The results are shown in Table 1.
The SEM observation results are shown in FIG.

《実施例5:SPAES/PBI(80/20)複合ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホンと合成例3のポリベンズイミダゾールを重量比で80/20になるように加え、ポリマー重量が全重量の15.5質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM観察結果を図6に示す。SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は274±25nmであった。空隙率は、85%程度であった。
<< Example 5: Preparation of SPAES / PBI (80/20) Composite Nanofiber Nonwoven Fabric >>
Add the sulfonated polyarylene ether sulfone of Synthesis Example 2 and the polybenzimidazole of Synthesis Example 3 to the vial so that the weight ratio is 80/20, and the polymer weight is 15.5% by weight of the total weight. Dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) was added. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil was placed in the collector part of the electrospinning device ES-2000S (manufactured by Finance), a syringe filled with the polymer solution was set in the electrospinning device, and the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour. , Electrospinning was done. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The SEM observation results are shown in FIG. The fiber diameter of the nanofibers produced from the SEM image was 274 ± 25 nm. The porosity was about 85%.

《実施例6:一軸配列SPAES/PBI(80/20)複合ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
実施例5と同様、15.5質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに20kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。実施例2と同様の後処理を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
実施例2と同様に、一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定を行った。結果を表1に示す。
<< Example 6: Fabrication of Uniaxial Array SPAES / PBI (80/20) Composite Nanofibers and Measurement of Proton Conductivity >>
Similar to Example 5, the polymer solution was adjusted to 15.5% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Fusion). As the collector, a glass substrate having two aluminum electrodes installed at both ends was used. A voltage of 20 kv was applied to the syringe, with the distance between the syringe and the collector being 10 cm and the amount of polymer solution released being 0.12 mL / hour. As a result, a uniaxially oriented nanofiber aggregate was produced on a glass substrate. The collector was removed when the release time of the polymer solution was 60 seconds. The same post-treatment as in Example 2 was carried out to obtain acid-doped uniaxially arranged nanofibers.
In the same manner as in Example 2, the proton conductivity of the uniaxial array SPAES / PBI (20/80) composite nanofibers was measured. The results are shown in Table 1.

《比較例2:SPAES単独ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例2のスルホン化ポリアリーレンエーテルスルホンを、ポリマー重量が14質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、SPAES単独ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は124±29nmであった。空隙率は、82%程度であった。
<< Comparative Example 2: Fabrication of SPAES Single Nanofiber Nonwoven Fabric >>
Dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) was added to the vial to the sulfonated polyarylene ether sulfone of Synthesis Example 2 so that the polymer weight was 14% by mass. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil was placed in the collector part of the electrospinning device ES-2000S (manufactured by Finance), a syringe filled with the polymer solution was set in the electrospinning device, and the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour. , Electrospinning was done. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the SPAES single nanofiber non-woven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The fiber diameter of the nanofibers produced from the SEM image was 124 ± 29 nm. The porosity was about 82%.

《比較例3:一軸配列SPAES単独ナノファイバーの作製とプロトン伝導度測定》
比較例2と同様、14質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに17kvの電圧を印加した。これにより、1軸配向ナノファイバー集積体をガラス基板上に作製した。ポリマー溶液の放出時間が60秒の時にコレクターを取り出した。実施例2と同様の後処理を行い、酸ドープした1軸配列ナノファイバーを得た。
実施例2と同様に、一軸配列SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバーのプロトン伝導度測定を行った。結果を表1に示す。
<< Comparative Example 3: Fabrication of uniaxial array SPAES single nanofibers and measurement of proton conductivity >>
Similar to Comparative Example 2, the polymer solution was adjusted to 14% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Furniture). As the collector, a glass substrate having two aluminum electrodes installed at both ends was used. A voltage of 17 kv was applied to the syringe, with the distance between the syringe and the collector being 10 cm and the amount of polymer solution released being 0.12 mL / hour. As a result, a uniaxially oriented nanofiber aggregate was produced on a glass substrate. The collector was removed when the release time of the polymer solution was 60 seconds. The same post-treatment as in Example 2 was carried out to obtain acid-doped uniaxially arranged nanofibers.
In the same manner as in Example 2, the proton conductivity of the uniaxial array SPAES / PBI (20/80) composite nanofibers was measured. The results are shown in Table 1.

《比較例4:PBI単独ナノファイバー不織布の作製》
バイアル瓶に、合成例3のポリベンズイミダゾールと、ポリマー重量が8質量%となるように脱水N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。バイアル瓶を窒素で満たし、一晩攪拌して溶解させ、ポリマー溶液を調製した。エレクトロスピニング装置ES−2000S(Fuence社製)のコレクター部位にアルミ箔を設置し、エレクトロスピニング装置に、ポリマー溶液が充填されたシリンジをセットして、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、エレクトロスピニングを行った。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、シリンジに30kvの電圧を印加した。これにより、PBI単独ナノファイバー不織布をアルミ箔上に積層した。続いて、実施例1と同じ条件で後処理、乾燥を行った。
SEM像から作製されたナノファイバーのファイバー径は113±16nmであった。空隙率は、75%程度であった。
<< Comparative Example 4: Fabrication of PBI Single Nanofiber Nonwoven Fabric >>
Polybenzimidazole of Synthesis Example 3 and dehydrated N, N-dimethylformamide (DMF) were added to the vial so that the polymer weight was 8% by mass. The vial was filled with nitrogen and stirred overnight to dissolve to prepare a polymer solution. An aluminum foil was placed in the collector part of the electrospinning device ES-2000S (manufactured by Finance), a syringe filled with the polymer solution was set in the electrospinning device, and the amount of the polymer solution released was 0.12 mL / hour. , Electrospinning was done. The distance between the syringe and the collector was 10 cm, and a voltage of 30 kv was applied to the syringe. As a result, the PBI-only nanofiber non-woven fabric was laminated on the aluminum foil. Subsequently, post-treatment and drying were performed under the same conditions as in Example 1.
The fiber diameter of the nanofibers produced from the SEM image was 113 ± 16 nm. The porosity was about 75%.

《比較例5:一軸配列PBI単独ナノファイバーの作製》
比較例4と同様、8質量%になるようにポリマー溶液を調整し、ES−1000(Fuence社製)を用いてエレクトロスピニングを実施した。なお、コレクターは、両端に2枚のアルミニウム製電極が設置されたガラス基板を用いた。シリンジとコレクターの距離を10cmとし、ポリマー溶液の放出量を0.12mL/時として、シリンジに17kvの電圧を印加した。これにより、ガラス基板上に1軸配向ナノファイバー集積体の作製を試みた。しかしながら、条件を各種検討したがPBI単独では1軸配列ナノファイバーは得られなかった。
<< Comparative Example 5: Fabrication of Uniaxial Array PBI Single Nanofiber >>
Similar to Comparative Example 4, the polymer solution was adjusted to 8% by mass, and electrospinning was performed using ES-1000 (manufactured by Furniture). As the collector, a glass substrate having two aluminum electrodes installed at both ends was used. A voltage of 17 kv was applied to the syringe, with the distance between the syringe and the collector being 10 cm and the amount of polymer solution released being 0.12 mL / hour. As a result, an attempt was made to prepare a uniaxially oriented nanofiber aggregate on a glass substrate. However, although various conditions were examined, uniaxially arranged nanofibers could not be obtained by PBI alone.

《実施例7:SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布/Nafion電解質膜の作製とプロトン伝導度測定》
SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布とNafionの質量比は、空隙率、比重を考慮し、10/100とした。
実施例3で得られた膜厚25μm程度のSPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布をガラスシャーレ内に設置し、市販のNafion分散液をキャストし、室温大気下でゆっくり溶媒を蒸発させた。その後、60℃で15時間真空乾燥させることで電解質膜を得た。なお、不織布の膜厚は実質的に複合膜の膜厚とほぼ同じとなるので、複合膜の膜厚をもって不織布の膜厚とした。
得られた電解質膜を3%過酸化水素水に80℃で1時間浸漬させ、純水洗浄後、硝酸(1M)に80℃1時間浸漬させ、純水で繰り返し洗浄した。60℃で15時間真空乾燥して、図1に示す形態のSPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布/Nafion電解質膜を得た。
作製した電解質膜の膜厚は25μm程度であり、図1に示すように不織布の表裏両面にNafionマトリクス層が形成されてなる複合膜であると考えられる。
<< Example 7: Preparation of SPAES / PBI (20/80) Composite Nanofiber Nonwoven Fabric / Nafion Electrolyte Membrane and Measurement of Proton Conductivity >>
The mass ratio of the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric and Nafion was set to 10/100 in consideration of porosity and specific gravity.
The SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric having a film thickness of about 25 μm obtained in Example 3 was placed in a glass petri dish, a commercially available Nafion dispersion was cast, and the solvent was slowly evaporated at room temperature in the air. It was. Then, it was vacuum dried at 60 degreeC for 15 hours to obtain an electrolyte membrane. Since the film thickness of the non-woven fabric is substantially the same as the film thickness of the composite film, the film thickness of the composite film was used as the film thickness of the non-woven fabric.
The obtained electrolyte membrane was immersed in 3% hydrogen peroxide solution at 80 ° C. for 1 hour, washed with pure water, then immersed in nitric acid (1M) at 80 ° C. for 1 hour, and repeatedly washed with pure water. Vacuum dried at 60 ° C. for 15 hours to obtain the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric / Nafion electrolyte membrane in the form shown in FIG.
The thickness of the produced electrolyte membrane is about 25 μm, and it is considered that the electrolyte membrane is a composite membrane in which Nafion matrix layers are formed on both the front and back surfaces of the non-woven fabric as shown in FIG.

プロトン伝導度測定は恒温恒湿器SH−221(ESPEC社製)を用いて温度と湿度を一定に保ち、インピーダンスアナライザー3532−50(日置社製)を用いて、50kHz〜5MHzまでの周波数応答性を測定し、SPAES/PBI(20/80)複合ナノファイバー不織布/Nafion電解質膜の抵抗からプロトン伝導度を算出した。80℃−30%RH、90℃−95%RHにおけるプロトン伝導度を算出したところ、それぞれ5.5×10−4、3.8×10−2 Scm−1であった。結果を表1に示す。特に低湿度条件では優れたプロトン伝導性を示した。 For proton conductivity measurement, keep the temperature and humidity constant using a thermo-hygrostat SH-221 (manufactured by ESPEC), and use an impedance analyzer 3532-50 (manufactured by Hioki) for frequency response from 50 kHz to 5 MHz. Was measured, and the proton conductivity was calculated from the resistance of the SPAES / PBI (20/80) composite nanofiber non-woven fabric / Nafion electrolyte membrane. When the proton conductivity at 80 ° C.-30% RH and 90 ° C.-95% RH were calculated, they were 5.5 × 10 -4 and 3.8 × 10 -2 Scm- 1 , respectively. The results are shown in Table 1. Especially under low humidity conditions, it showed excellent proton conductivity.

《比較例6:ナノファイバー非含有Nafion(登録商標)単独膜の作製とプロトン伝導度測定》
ナノファイバーマットは用いず、市販のNafion(登録商標)分散液のみを用いて、実施例7と同様に製膜し、得られたNafion単独膜のプロトン伝導度測定を行った。その結果を表1に示す。80℃−30%RH、90℃−95%RHにおけるプロトン伝導度は、それぞれ2.8×10−4、7.4×10−2 Scm−1であった。


<< Comparative Example 6: Fabrication of Nanofiber-Free Nafion® Single Membrane and Measurement of Proton Conductivity >>
A film was formed in the same manner as in Example 7 using only a commercially available Nafion (registered trademark) dispersion solution without using a nanofiber mat, and the proton conductivity of the obtained Nafion single film was measured. The results are shown in Table 1. The proton conductivity at 80 ° C.-30% RH and 90 ° C.-95% RH was 2.8 × 10 -4 and 7.4 × 10 -2 Scm- 1 , respectively.


Claims (9)

電解質ポリマーおよび塩基性ポリマーを含む複合ナノファイバーであって、 該電解質ポリマーはプロトン伝導性を有することを特徴とする複合ナノファイバー。 A composite nanofiber containing an electrolyte polymer and a basic polymer, wherein the electrolyte polymer has proton conductivity. 前記電解質ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする請求項1に記載 の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは含フッ素脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記繰り返し単位は、陽イオン交換基が導入された側鎖を有する。
The composite nanofiber according to claim 1, wherein the electrolyte polymer has the structures of A) and B) below.
A) The main chain contains a repeating unit containing an aromatic group or a fluorine-containing aliphatic group.
B) The repeating unit has a side chain into which a cation exchange group has been introduced.
前記電解質ポリマーは、主鎖骨格がポリアリーレンエーテル骨格、ポリイミド骨格、ポリスチレン骨格、あるいはフルオロエチレン骨格からなる群より選択される構造を有し、側鎖にスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基からなる群より選択される陽イオン交換基が導入された構造を有することを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載の複合ナノファイバー。 The electrolyte polymer has a structure in which the main chain skeleton is selected from the group consisting of a polyarylene ether skeleton, a polyimide skeleton, a polystyrene skeleton, or a fluoroethylene skeleton, and a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxylic acid group in the side chain. The composite nanofiber according to any one of claims 1 and 2 , wherein it has a structure in which a cation exchange group selected from the group consisting of is introduced. 前記塩基性ポリマーは、下記A)、B)の構造を有することを特徴とする請求項1に記載 の複合ナノファイバー。
A)主鎖に、芳香族基あるいは/および脂肪族基を含む繰り返し単位を含む。
B)前記主鎖骨格、あるいは側鎖官能基に、陽イオン交換基と相互作用可能な塩基性官能基を有する。
The composite nanofiber according to claim 1, wherein the basic polymer has the structures of A) and B) below.
A) The main chain contains repeating units containing aromatic groups and / and aliphatic groups.
B) The main chain skeleton or side chain functional group has a basic functional group that can interact with a cation exchange group.
前記電解質ポリマーの存在割合が、複合ナノファイバー全体中1〜99質量%であること、前記複合ナノファイバーの繊維径が500nm以下であること、を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の複合ナノファイバー。 The invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the abundance ratio of the electrolyte polymer is 1 to 99% by mass in the entire composite nanofiber, and the fiber diameter of the composite nanofiber is 500 nm or less. Composite nanofibers. 前記複合ナノファイバーの存在割合が、電解質膜全体中1〜50質量%であること、前記複合ナノファイバーを含む電解質膜の厚さが30μm以下であること、を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノファイバーを含む電解質膜。 The proportion of the composite nanofibers is 1 to 50% by mass in the entire electrolyte membrane, and the thickness of the electrolyte membrane containing the composite nanofibers is 30 μm or less, according to claims 1 to 5 . An electrolyte membrane comprising the composite nanofibers according to any one . 請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノファイバーからなる不織布を形成する工程、前記不織布を後処理する工程、前記不織布の空隙にマトリクスポリマーを充填して、複合ナノファイバーとマトリクスポリマーとを一体化させる工程、及び複合ナノファイバーを含む電解質膜を後処理する工程を具備する複合膜の製造方法。 Forming a nonwoven fabric made of composite nanofibers according to claim 1, the step of post-processing the non-woven fabric, filled with the matrix polymer in the voids of the nonwoven fabric, the composite nano-fiber and the matrix polymer A method for producing a composite membrane, comprising a step of integrating and a step of post-treating an electrolyte membrane containing composite nanofibers. 請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノファイバー含む電解質膜を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体。 A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises an electrolyte membrane containing the composite nanofiber according to any one of claims 1 to 5 . 請求項8に記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 8.
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