JP6826305B2 - Method for manufacturing polymer electrolyte membrane - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学式水素ポンプに用いられる高分子電解質膜およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane and a manufacturing method thereof, for use in the electrochemical hydrogen pump.

近年、次世代におけるエネルギーの貯蔵・輸送手段として、水素エネルギーが注目されている。水素は、燃料電池の燃料として用いることで、熱機関を用いた発電よりも理論的に高いエネルギー効率で電力に変換可能で、かつ有害排出物レスであることから、高効率なクリーンエネルギー源となり得る。水素は2次エネルギーであり、様々な作製方法があるが、再生可能エネルギーによる余剰電力を使用して、水を電気分解すれば、二酸化炭素を排出することなく電力を水素エネルギーに変換可能である。水の電気分解による水素製造方式は、アルカリ水電解と固体高分子電解質膜(PEM)型水電解があるが、PEM型水電解は高電流密度での運転が可能であり、再生可能エネルギーの出力変動に柔軟に対応できるという特長を有する。 In recent years, hydrogen energy has been attracting attention as a means of storing and transporting energy in the next generation. By using hydrogen as a fuel for fuel cells, it can be converted into electric power with theoretically higher energy efficiency than power generation using a heat engine, and since it is free of harmful emissions, it becomes a highly efficient clean energy source. obtain. Hydrogen is secondary energy, and there are various production methods, but if water is electrolyzed using surplus electricity from renewable energy, electricity can be converted to hydrogen energy without emitting carbon dioxide. .. Hydrogen production methods by electrolysis of water include alkaline water electrolysis and solid polymer electrolyte membrane (PEM) type water electrolysis, but PEM type water electrolysis can be operated at high current density and outputs renewable energy. It has the feature of being able to flexibly respond to fluctuations.

水素は貯蔵方式によっては、タンクローリーやタンカーで運ぶことができるため、需要の大きい地域に必要な時に供給できる点で、電力貯蔵に対し、大きなメリットを有する。 Depending on the storage method, hydrogen can be transported by tank lorry or tanker, so it can be supplied to areas with high demand when needed, which is a great advantage over power storage.

水素の貯蔵方式は、圧縮水素、液体水素、合金への水素吸蔵などが挙げられる。中でも特に、気体燃料としてすぐに使用できる点、エネルギー効率の点で、圧縮水素への需要が高まっている。 Examples of hydrogen storage methods include compressed hydrogen, liquid hydrogen, and hydrogen storage in alloys. In particular, the demand for compressed hydrogen is increasing in terms of its ready-to-use gas fuel and energy efficiency.

圧縮水素の製造方式として、従来、容積式圧縮機が用いられてきたが、近年、電気化学式水素ポンプが注目されている。電気化学式水素ポンプは、固体高分子型電解質膜に電流を流すことで、電気化学的に水素を圧縮する水素圧縮機である。容積式圧縮機に比べ、エネルギー効率や静音性が高く、かつコンパクトであり、また水素精製も可能といった特長を有する。 Conventionally, a positive displacement compressor has been used as a method for producing compressed hydrogen, but in recent years, an electrochemical hydrogen pump has been attracting attention. The electrochemical hydrogen pump is a hydrogen compressor that electrochemically compresses hydrogen by passing an electric current through a solid polymer type electrolyte membrane. Compared to positive displacement compressors, it has the features of high energy efficiency, quietness, compactness, and hydrogen purification.

電気化学式水素ポンプの原理を以下に示す。
1.アノードに供給された水素が電圧印加により酸化され、プロトンと電子を生成する。
2.プロトンは、電解質膜中のイオン交換基を介してカソードに伝導する。
3.電子は、電圧印加により外部回路を通ってアノードからカソードへ伝導する。
4.プロトンと電子が、カソードで結合して再び水素を生成することで、カソード側で水素を圧縮する。
The principle of the electrochemical hydrogen pump is shown below.
1. 1. Hydrogen supplied to the anode is oxidized by applying a voltage to generate protons and electrons.
2. 2. Protons are conducted to the cathode via ion exchange groups in the electrolyte membrane.
3. 3. Electrons are conducted from the anode to the cathode through an external circuit by applying a voltage.
4. Protons and electrons combine at the cathode to generate hydrogen again, compressing hydrogen at the cathode side.

このような、電気化学式水素ポンプに用いられる電解質膜として、非特許文献1、2、3、特許文献1、2、3、4には、米デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」を使用した例が報告されている。 Such, as an electrolyte membrane used in the electrochemical hydrogen pump, non-patent Documents 1, 2 and 3, Patent Documents 1, 2, 3 and 4, DuPont Co. of "Nafion (registered trademark)" Examples of its use have been reported.

「ジャーナル オブ パワー ソース」(Journal of Power Source),105 (2002)208−215"Journal of Power Source" (Journal of Power Source), 105 (2002) 208-215 「イーシーエス トランサクションズ」(ECS Transactions) 58 (1) 681−691 (2013)"ECS Transactions" (ECS Transactions) 58 (1) 681-691 (2013) 「ジャーナル オブ ザ エレクトロケミカル ソサエティー」(Journal of The Electrochemical Society)149 (8) A1069−A1078 (2002)"Journal of the Electrochemical Society" (Journal of The Electrochemical Society) 149 (8) A1069-A1078 (2002)

国際公開2003/021006号パンフレットInternational Publication 2003/021006 Pamphlet 国際公開2005/014468号パンフレットInternational Publication No. 2005/014468 Pamphlet 特開平11−131280Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-131280 特開2001−140089JP 2001-14089

しかしながら、ナフィオンは、本質的に水素透過の大きいパーフルオロ系ポリマーからなる電解質膜であるため、水素バリア性が十分でなく、電気化学式水素ポンプでは、圧縮した水素がカソードからアノードへ逆透過することによる水素ロスの課題があった。また破断強度が低いゴムのような材料のため、高圧下で膜変形する課題があった。さらに、当該課題を解決するために膜厚を厚くすると、プロトン伝導度低下に伴い水素圧縮効率が低下する問題があった。 However, since Nafion is an electrolyte membrane made of a perfluoropolymer that is essentially highly permeable to hydrogen, it does not have sufficient hydrogen barrier properties, and in an electrochemical hydrogen pump, compressed hydrogen is back-permeated from the cathode to the anode. there was a hydrogen Russia vinegar challenges by. Further, since the material has low breaking strength such as rubber, there is a problem that the film is deformed under high pressure. Further, when increasing the thickness in order to solve the problems, the hydrogen pressure Chijimiko rate due to the proton conductivity decreases there is a problem to decrease.

このように、従来技術による高分子電解質材料は、より高効率な電気化学式水素ポンプを実現するためには、経済性、プロセス性、プロトン伝導性、機械強度、化学的安定性、物理的耐久性の点で不十分であった。 Thus, the polymer electrolyte material according to the prior art, in order to achieve a more efficient electrochemical hydrogen pump is economics, processability, proton conductivity, mechanical strength, chemical stability, physical durability It was inadequate in terms of sex.

本発明は、かかる背景に鑑み、優れた水素バリア性を有し、なおかつ、低加湿条件下および加湿条件下における優れたプロトン伝導性、優れた機械強度、物理的耐久性と化学的安定性を達成することができる、電気化学式水素ポンプ用の高分子電解質膜を提供せんとするものである。 In view of this background, the present invention has excellent hydrogen barrier properties, and also has excellent proton conductivity, excellent mechanical strength, physical durability and chemical stability under low and humid conditions. It is intended to provide a polymeric electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump that can be achieved.

本発明者らは、前記課題を解決すべく、電気化学式水素ポンプとしたときに高水素圧縮効率かつ長期耐久性を達成することができる電解質膜について鋭意検討を重ねた結果、高水素圧縮効率の点で、高プロトン伝導度と水素バリア性の両方に優れ、さらに長期耐久性の点で、機械強度の中でも特に、引張破断強度と引張破断伸度の両方に優れた膜が必要なことに着目し、それらを満たす炭化水素系電解質膜により、高圧下でも、前記膜変形や水素逆透過によるロスが少なく、高水素圧縮効率で、かつ長期間安定作動できる優れた電気化学式水素ポンプを発現できることを究明するとともに、さらに種々の検討を加え、本発明を完成した。 The present inventors, in order to solve the above problems, electrochemical hydrogen pump with a high hydrogen compression efficiency and result of repeating intensive study for electrolyte membrane Kiru de achieving long-term durability when the high hydrogen compression efficiency In terms of rate, it is necessary to have a film that is excellent in both high proton conductivity and hydrogen barrier properties, and in terms of long-term durability, it is particularly excellent in both tensile breaking strength and tensile breaking elongation. focusing on, a hydrocarbon electrolyte membrane satisfying them, even under high pressure, the film deformation and less loss due to hydrogen reverse osmosis, a high hydrogen compression efficiency, and long-term stable operation can excellent electrochemical hydrogen pump The present invention was completed by investigating that the present invention can be expressed and further various studies.

すなわち、本発明の高分子電解質膜の製造方法は、基材上に高分子電解質膜前駆体溶液を流延塗布して高分子電解質膜を成形する工程を有する高分子電解質膜の製造方法であって、
前記高分子電解質膜が、
イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーからなる、電気化学式水素ポンプ用の高分子電解質膜であって:
80℃、相対湿度25%雰囲気下での単位面積当たりのプロトン伝導度が0.12S/cm以上;
80℃、相対湿度90%の雰囲気下での単位面積当たりのプロトン伝導度が8S/cm以上;
80℃、相対湿度90%雰囲気下での水素透過度が3.0×10−7cm・(cm・s・cmHg)−1以下;
25℃、相対湿度60%の雰囲気下での幅10mmの膜の引張破断強度が100000N以上;
引張破断伸度が150%以上;
であり、膜厚が30μm以上200μm以下であり、
前記基材として下記(式1)を満たす厚みの基材を用いることを特徴とする電気化学式水素ポンプ用の高分子電解質膜の製造方法である。
7≦T1/T2≦15(式1)
(T1:基材の厚み、T2:高分子電解質膜の厚み)
That is, the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention is a method for producing a polymer electrolyte membrane, which comprises a step of casting and coating a polymer electrolyte membrane precursor solution on a substrate to form a polymer electrolyte membrane. hand,
The polymer electrolyte membrane
A polymer electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump made of an ionic group-containing aromatic hydrocarbon polymer:
Proton conductivity per unit area at 80 ° C. and 25% relative humidity is 0.12 S / cm 2 or more;
Proton conductivity of 8 S / cm 2 or more per unit area in an atmosphere of 80 ° C. and 90% relative humidity;
Hydrogen permeability in an atmosphere of 80 ° C. and 90% relative humidity is 3.0 x 10-7 cm 3 · (cm 2 · s · cmHg) -1 or less;
The tensile breaking strength of a film having a width of 10 mm under an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60% is 100,000 N or more;
Tensile breaking elongation is 150% or more;
, And the Ri thickness of Der more than 200μm below 30μm,
This is a method for producing a polymer electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump, which comprises using a base material having a thickness satisfying the following (formula 1) as the base material .
7 ≦ T1 / T2 ≦ 15 (Equation 1)
(T1: Thickness of base material, T2: Thickness of polymer electrolyte membrane)

本発明によれば、優れた水素バリア性を有し、なおかつ、低加湿条件下および加湿条件下における優れたプロトン伝導性、優れた機械強度、物理的耐久性と化学的安定性を達成することができる実用性に優れた電気化学式水素ポンプ用高分子電解質膜を提供することができる。 According to the present invention, it has excellent hydrogen barrier properties, and also achieves excellent proton conductivity, excellent mechanical strength, physical durability and chemical stability under low humidification conditions and humidification conditions. it is possible to provide an excellent electrochemical hydrogen pump for polymer electrolyte membrane utility that can.

以下、本発明の、電気化学式水素ポンプ用の高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」ということがある)について詳細に説明する。 Hereinafter, the polymer electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump (hereinafter, may be simply referred to as “electrolyte membrane”) of the present invention will be described in detail.

<高分子電解質膜>
本発明の電解質膜は、イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーからなるものである。イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーとは、主鎖に芳香環を有するポリマーであり、芳香環には炭化水素系芳香環だけでなく、ヘテロ環も含むものとする。芳香族炭化水素系ポリマーを用いることにより、従来のパーフルオロ系ポリマーからなる電解質膜にはない、高引張破断強度と低水素透過性を両立した、電気化学式水素ポンプに適した電解質膜を得ることができる。
<Polymer electrolyte membrane>
The electrolyte membrane of the present invention is made of an ionic group-containing aromatic hydrocarbon-based polymer. The ionic group-containing aromatic hydrocarbon-based polymer is a polymer having an aromatic ring in the main chain, and the aromatic ring includes not only a hydrocarbon-based aromatic ring but also a heterocycle. The use of aromatic hydrocarbon-based polymer, not the electrolyte membrane made of a conventional perfluoro-based polymers, that are both high tensile strength and low hydrogen permeability, obtain an electrolyte membrane suitable electrochemical hydrogen pump be able to.

イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンホキシド、ポリエーテルホスフィンホキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホン等のポリマーが挙げられる。 Specific examples of ionic group-containing aromatic hydrocarbon-based polymers include polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether-based polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene-based polymer, and polyarylene ketone. , Polyether ketone, polyarylene phosphinhoxide, polyether phosphinhoxide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, aromatic polyamide, polyimide, polyetherimide, polyimide sulfone and other polymers.

なかでも、機械強度や物理的耐久性と、製造コストの観点を総合すると、イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーとしては、芳香族ポリエーテル系ポリマーが好ましい。ここで、芳香族ポリエーテル系ポリマーとは、主鎖に芳香環およびエーテル結合を有しているポリマーの総称であり、具体例としてはポリエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド等が挙げられる。さらに、主鎖骨格構造のパッキングの良さおよび極めて強い分子間凝集力から結晶性を示し、一般的な溶剤に全く溶解しない性質を有するとともに、引張強伸度、引裂強度および耐疲労性に優れる点から、芳香族ポリエーテルケトン系ポリマーが特に好ましい。ここで、芳香族ポリエーテルケトン系ポリマーとは、主鎖に少なくとも芳香環、エーテル結合およびケトン結合を有しているポリマーの総称であり、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルケトンケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトンケトン、芳香族ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、芳香族ポリエーテルケトンスルホン、芳香族ポリエーテルケトンホスフィンオキシド、芳香族ポリエーテルケトンニトリルなどを含む。 Among them, the aromatic polyether polymer is preferable as the ionic group-containing aromatic hydrocarbon polymer from the viewpoint of mechanical strength, physical durability, and manufacturing cost. Here, the aromatic polyether polymer is a general term for polymers having an aromatic ring and an ether bond in the main chain, and specific examples thereof include polyether sulfone, polyarylene ether polymer, polyether ketone, and poly. Examples include etherimide. Furthermore, it exhibits crystallinity due to the good packing of the main chain skeleton structure and extremely strong intermolecular cohesive force, has the property of not being completely soluble in general solvents, and is excellent in tensile strength and elongation, tear strength and fatigue resistance. Therefore, aromatic polyetherketone-based polymers are particularly preferable. Here, the aromatic polyetherketone-based polymer is a general term for polymers having at least an aromatic ring, an ether bond, and a ketone bond in the main chain, and is an aromatic polyetherketone, an aromatic polyetherketone ketone, and an aromatic. Includes group polyetheretherketone, aromatic polyetheretherketoneketone, aromatic polyetherketone etherketoneketone, aromatic polyetherketonesulfone, aromatic polyetherketone phosphine oxide, aromatic polyetherketonenitrile, and the like.

イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーのイオン性基は、負電荷を有する原子団が好ましく、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましい。なお、イオン性基は、塩となっているものを含むものとする。このような塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR (Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されない。好ましい金属カチオンの具体例としては、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等のカチオンが挙げられる。中でも、安価でかつ容易にプロトン置換可能なNa、K、Liのカチオンが好ましく使用される。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基または硫酸基がより好ましく、原料コストの点からスルホン酸基が最も好ましい。 As the ionic group of the ionic group-containing aromatic hydrocarbon-based polymer, an atomic group having a negative charge is preferable, and one having a proton exchange ability is preferable. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfate group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group and a carboxylic acid group are preferable. The ionic group includes those which are salts. Such cation forming a salt, any metal cation, NR 4 + (R is any organic group) can be mentioned as examples and the like. In the case of a metal cation, its valence is not particularly limited. Specific examples of preferable metal cations include cations such as Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir and Pd. Of these, Na, K, and Li cations, which are inexpensive and can be easily proton-substituted, are preferably used. Among them, at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group or a sulfate group is more preferable from the viewpoint of high proton conductivity, and a sulfonic acid group is most preferable from the viewpoint of raw material cost.

ポリマー鎖にイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。 Examples of the method of introducing an ionic group into the polymer chain include a method of polymerizing using a monomer having an ionic group and a method of introducing an ionic group by a polymer reaction.

イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いればよい。かかる方法は例えば、ジャーナル オブ メンブレン サイエンス(Journal of Membrane Science),197,2002,p.231−242に記載がある。この方法はポリマーのイオン交換容量の制御が容易であり好ましい。 As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in the repeating unit may be used. Such a method is described, for example, in the Journal of Membrane Science, 197, 2002, p. It is described in 231-242. This method is preferable because the ion exchange capacity of the polymer can be easily controlled.

高分子反応でイオン性基を導入する方法としては、例えば、ポリマープレプリンツ(Polymer Preprints, Japan),51,2002,p.750等に記載の方法によって可能である。主鎖に芳香環を有する炭化水素系ポリマーへのリン酸基導入は、例えばヒドロキシル基を有するポリマーのリン酸エステル化によって、カルボン酸基導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有するポリマーを酸化することによって、硫酸基導入は、例えばヒドロキシル基を有するポリマーの硫酸エステル化によって可能である。芳香族炭化水素系ポリマーへのスルホン酸基の導入は、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法を用いることができる。具体的には、例えば、芳香族炭化水素系ポリマーをクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応させたりすることによりスルホン化することができる。スルホン化剤はポリマーをスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族炭化水素系ポリマーをスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、制御することができる。主鎖に芳香環を有する炭化水素系ポリマーへのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。 Examples of the method for introducing an ionic group in a polymer reaction include Polymer Preprints (Japan), 51, 2002, p. It is possible by the method described in 750 and the like. Introduction of a phosphate group into a hydrocarbon-based polymer having an aromatic ring in the main chain is, for example, phosphorylation of a polymer having a hydroxyl group, and introduction of a carboxylic acid group is, for example, oxidizing a polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group. By doing so, the introduction of sulfate groups is possible, for example, by sulfate esterification of polymers having hydroxyl groups. For the introduction of the sulfonic acid group into the aromatic hydrocarbon-based polymer, for example, the method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 can be used. Specifically, for example, an aromatic hydrocarbon-based polymer is sulfonated by reacting it with a sulfonate such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform, or by reacting it with concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. be able to. The sulfonate agent is not particularly limited as long as it sulfonates a polymer, and sulfur trioxide or the like can be used in addition to the above. When the aromatic hydrocarbon-based polymer is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be controlled by the amount of the sulfonate agent used, the reaction temperature and the reaction time. The introduction of a sulfonimide group into a hydrocarbon polymer having an aromatic ring in the main chain is possible, for example, by reacting a sulfonic acid group with a sulfonamide group.

このようにして得られるイオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、0.1万〜500万であることが好ましく、1万〜100万であることがより好ましい。0.1万未満では、成型した膜にクラックが発生するなど機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性のいずれかが不十分な場合がある。一方、500万を超えると、溶解性が不充分となり、また溶液粘度が高く、加工性が不良になる場合がある。 The molecular weight of the ionic group-containing aromatic hydrocarbon polymer thus obtained is preferably 10,000 to 5 million, more preferably 10,000 to 1 million, in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight. preferable. If it is less than 10,000, any of mechanical strength, physical durability, and solvent resistance may be insufficient, such as cracks in the molded film. On the other hand, if it exceeds 5 million, the solubility may be insufficient, the solution viscosity may be high, and the processability may be poor.

本発明に使用するイオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーとしては、低加湿条件でのプロトン伝導性や発電特性の点から、イオン性基を含有するセグメント(A1)とイオン性基を含有しないセグメント(A2)を有するブロックポリマーであることがより好ましい。なお、本明細書においては便宜上「イオン性基を含有しないセグメント(A2)」と記載するが、当該セグメント(A2)は電解質膜としての性能に決定的な悪影響を及ぼさない範囲でイオン性基が少量含まれていることを排除するものではない。 The ionic group-containing aromatic hydrocarbon polymer used in the present invention does not contain the ionic group-containing segment (A1) and the ionic group from the viewpoint of proton conductivity and power generation characteristics under low humidification conditions. More preferably, it is a block polymer having a segment (A2). In this specification, for convenience, it is described as "segment (A2) containing no ionic group", but the segment (A2) contains ionic groups within a range that does not have a decisive adverse effect on the performance as an electrolyte membrane. It does not exclude that it is contained in a small amount.

イオン性基を含有するセグメント(A1)、イオン性基を含有しないセグメント(A2)の数平均分子量は、相分離構造のドメインサイズに関係し、低加湿でのプロトン伝導性と物理的耐久性のバランスから、それぞれ0.5万以上がより好ましく、さらに好ましくは1万以上、最も好ましくは1.5万以上である。また、5万以下がより好ましく、さらに好ましくは、4万以下、最も好ましくは3万以下である。 The number average molecular weights of the ionic group-containing segment (A1) and the ionic group-free segment (A2) are related to the domain size of the phase-separated structure, and are of proton conductivity and physical durability under low humidification. From the balance, each is more preferably 5,000 or more, further preferably 10,000 or more, and most preferably 15,000 or more. Further, 50,000 or less is more preferable, more preferably 40,000 or less, and most preferably 30,000 or less.

このようなブロックポリマーとしては、イオン性基を含有するセグメント(A1)が下記一般式(S1)で、イオン性基を含有しないセグメント(A2)が下記一般式(S2)で表される構成単位を含有するものがさらに好ましい。 As such a block polymer, the segment (A1) containing an ionic group is represented by the following general formula (S1), and the segment (A2) containing no ionic group is represented by the following general formula (S2). Is more preferable.

Figure 0006826305
Figure 0006826305

(一般式(S1)中、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基を表し、ArおよびArの少なくとも1つは置換基としてイオン性基を有している。ArおよびArは置換基としてイオン性基を有しても有しなくても良い。Ar〜Arはイオン性基以外の基で任意に置換されていても良い。Ar〜Arは構成単位ごとに同じでも異なっていてもよい。Rは、ケトン基または、ケトン基に誘導され得る保護基を表し、それぞれ同じでも異なっていても良い。*は一般式(S1)または他の構成単位との結合部位を表す。) (In the general formula (S1), Ar 1 to Ar 4 represent any divalent arylene group, and at least one of Ar 1 and Ar 2 has an ionic group as a substituent. Ar 3 and Ar 4 may or may not have an ionic group as a substituent. Ar 1 to Ar 4 may be optionally substituted with a group other than the ionic group. Ar 1 to Ar 4 are constituent units. Each may be the same or different. R represents a ketone group or a protective group that can be derived to a ketone group, and each may be the same or different. * Is the general formula (S1) or another structural unit. Represents the binding site of.)

Figure 0006826305
Figure 0006826305

(一般式(S2)中、Ar〜Arは任意の2価のアリーレン基を表し、任意に置換されていても良いが、イオン性基を有しない。Ar〜Arは構成単位ごとに同じでも異なっていてもよい。Rは、ケトン基または、ケトン基に誘導され得る保護基を表し、それぞれ同じでも異なっていても良い。*は一般式(S2)または他の構成単位との結合部位を表す。)
ここでケトン基に誘導されうる保護基とは、有機合成で一般的に用いられる保護基があげられ、後の段階で除去することを前提に、一時的に導入される置換基を表し、脱保護により元のケトン基に戻すことのできるものである。
(In the general formula (S2), Ar 5 to Ar 8 represent an arbitrary divalent arylene group, which may be optionally substituted, but does not have an ionic group. Ar 5 to Ar 8 is for each structural unit. R represents a ketone group or a protective group that can be induced by the ketone group, and may be the same or different from each other. * Is the general formula (S2) or other constituent units. Represents the binding site.)
Here, the protecting group that can be derived to a ketone group includes a protecting group that is generally used in organic synthesis, and represents a substituent that is temporarily introduced on the assumption that it is removed at a later stage. It can be restored to the original ketone group by protection.

このような保護基としては、例えば、セオドア・ダブリュー・グリーン(Theodora W. Greene)、「プロテクティブ グループス イン オーガニック シンセシス」(Protective Groups in Organic Synthesis)、米国、ジョン ウイリー アンド サンズ(John Wiley & Sons, Inc)、1981、に詳しく記載されており、これらが好ましく使用できる。保護基は、保護反応および脱保護反応の反応性や収率、保護基含有状態の安定性、製造コスト等を考慮して適宜選択することが可能である。なかでも特に、ケトン部位をケタール部位で保護/脱保護する方法、ケトン部位をケタール部位のヘテロ原子類似体、例えばチオケタール、で保護/脱保護する方法が好ましく用いられる。 Such protecting groups include, for example, Theodora W. Greene, "Protective Groups in Organic Syntheses", John Willie and Sons, USA, John Willie and Sons. Inc), 1981, and these are preferably used. The protecting group can be appropriately selected in consideration of the reactivity and yield of the protecting reaction and the deprotecting reaction, the stability of the protecting group-containing state, the production cost, and the like. In particular, a method of protecting / deprotecting the ketone moiety with a ketal moiety and a method of protecting / deprotecting the ketone moiety with a heteroatom analog of the ketal moiety, for example, thioketal, are preferably used.

保護基を含む構成単位として、より好ましくは下記一般式(U1)および(U2)から選ばれる少なくとも1種を含有するものが挙げられる。 As the structural unit containing a protecting group, a unit containing at least one selected from the following general formulas (U1) and (U2) is more preferable.

Figure 0006826305
Figure 0006826305

(式(U1)および(U2)において、Ar〜Ar12は任意の2価のアリーレン基、RおよびRはHおよびアルキル基から選ばれた少なくとも1種の基、Rは任意のアルキレン基、EはOまたはSを表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。式(U1)および(U2)で表される基は任意に置換されていてもよい。)
なかでも、化合物の臭いや反応性、安定性等の点で、前記一般式(U1)および(U2)において、EがOである構成単位とすることが最も好ましい。すなわち、ケトン部位をケタール部位で保護/脱保護する方法が最も好ましい。
(In formulas (U1) and (U2), Ar 9 to Ar 12 are arbitrary divalent arylene groups, R 1 and R 2 are at least one group selected from H and alkyl groups, and R 3 is arbitrary. The alkylene group and E represent O or S, each of which may represent two or more types of groups. The groups represented by the formulas (U1) and (U2) may be optionally substituted.)
Among them, in terms of the odor, reactivity, stability and the like of the compound, it is most preferable to use the structural unit in which E is O in the general formulas (U1) and (U2). That is, the method of protecting / deprotecting the ketone site with the ketal site is the most preferable.

一般式(U1)中のRおよびRとしては、安定性の点でアルキル基であることがより好ましく、さらに好ましくは炭素数1〜6のアルキル基、最も好ましく炭素数1〜3のアルキル基である。また、一般式(U2)中のRとしては、安定性の点で炭素数1〜7のアルキレン基であることがより好ましく、最も好ましくは炭素数1〜4のアルキレン基である。Rの具体例としては、−CHCH−、−CH(CH)CH−、−CH(CH)CH(CH)−、−C(CHCH−、−C(CHCH(CH)−、−C(CHO(CH−、−CHCHCH−、−CHC(CHCH−等があげられるが、これらに限定されるものではない。 The R 1 and R 2 in the general formula (U1) are more preferably alkyl groups in terms of stability, more preferably alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms, and most preferably alkyls having 1 to 3 carbon atoms. Is the basis. Further, R 3 in the general formula (U2) is more preferably an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms in terms of stability, and most preferably an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms. Specific examples of R 3 include -CH 2 CH 2- , -CH (CH 3 ) CH 2- , -CH (CH 3 ) CH (CH 3 )-, -C (CH 3 ) 2 CH 2 -,-. C (CH 3 ) 2 CH (CH 3 )-, -C (CH 3 ) 2 O (CH 3 ) 2- , -CH 2 CH 2 CH 2- , -CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 -etc. However, it is not limited to these.

前記一般式(U1)および(U2)で表される構成単位のなかでも、耐加水分解性などの安定性の点から少なくとも前記一般式(U2)を有するものがより好ましく用いられる。さらに、前記一般式(U2)のRとしては炭素数1〜7のアルキレン基、すなわち、Cn12n1(n1は1〜7の整数)で表される基であることが好ましく、安定性、合成の容易さの点から−CHCH−、−CH(CH)CH−、または−CHCHCH−から選ばれた少なくとも1種であることが最も好ましい。 Among the structural units represented by the general formulas (U1) and (U2), those having at least the general formula (U2) are more preferably used from the viewpoint of stability such as hydrolysis resistance. Further, R 3 of the general formula (U2) is preferably an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, that is, a group represented by C n1 H 2n1 (n1 is an integer of 1 to 7), and is stable. , At least one selected from −CH 2 CH 2 −, −CH (CH 3 ) CH 2 −, or −CH 2 CH 2 CH 2 − from the viewpoint of ease of synthesis is most preferable.

前記脱保護反応は、不均一又は均一条件下に水及び酸の存在下において行うことが可能であるが、機械強度、物理的耐久性、耐溶剤性の観点からは、膜等に成型した後で酸処理する方法がより好ましい。具体的には、成型された膜を塩酸水溶液や硫酸水溶液中に浸漬することにより脱保護することが可能であり、酸の濃度や水溶液の温度については適宜選択することができる。 The deprotection reaction can be carried out under non-uniform or uniform conditions in the presence of water and acid, but from the viewpoint of mechanical strength, physical durability and solvent resistance, after molding into a film or the like. The method of acid treatment with is more preferable. Specifically, the molded membrane can be deprotected by immersing it in an aqueous hydrochloric acid solution or an aqueous sulfuric acid solution, and the acid concentration and the temperature of the aqueous solution can be appropriately selected.

上記一般式(S1)および(S2)で表される構成単位を含有するブロックポリマーは、脱保護を経て、電解質膜としたときに、電子求引性のケトン基で全てのアリーレン基が化学的に安定化されており、なおかつ、結晶性付与による強靱化、ガラス転移温度低下による柔軟化によって物理的耐久性が高くなる。 The block polymer containing the structural units represented by the above general formulas (S1) and (S2) is an electron-attracting ketone group and all allylene groups are chemically treated when it is deprotected to form an electrolyte membrane. In addition, the physical durability is increased by toughening by imparting crystallinity and softening by lowering the glass transition temperature.

上記一般式(S1)および(S2)において、Ar〜Arとしては、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレンジイル基などの炭化水素系アリーレン基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイルなどのヘテロアリーレン基が挙げられ、好ましくはフェニレン基であり、最も好ましくはp−フェニレン基である。 In the above general formulas (S1) and (S2), Ar 1 to Ar 8 include hydrocarbon-based arylene groups such as a phenylene group, a naphthylene group, a biphenylene group, and a fluorinatedyl group, pyridinediyl, quinoxalindiyl, thiophendiyl, and the like. Heteroarylene group is preferably a phenylene group, and most preferably a p-phenylene group.

イオン性基を含有するセグメント(A1)中に含まれる一般式(S1)で表される構成単位の含有量は、20モル%以上がより好ましく、50モル%以上がさらに好ましく、80モル%以上が最も好ましい。また、イオン性基を含有しないセグメント(A2)中に含まれる一般式(S2)で表される構成単位の含有量としては、20モル%以上がより好ましく、50モル%以上がさらに好ましく、80モル%以上が最も好ましい。イオン性基を含有しないセグメント(A2)中に含まれる一般式(S2)の含有量が20モル%未満である場合には、脱保護を経て、電解質膜としたときに、結晶性による機械強度、寸法安定性、物理的耐久性に対する本発明の効果が不足する傾向がある。 The content of the structural unit represented by the general formula (S1) contained in the segment (A1) containing an ionic group is more preferably 20 mol% or more, further preferably 50 mol% or more, and further preferably 80 mol% or more. Is the most preferable. The content of the structural unit represented by the general formula (S2) contained in the segment (A2) containing no ionic group is more preferably 20 mol% or more, further preferably 50 mol% or more, and 80. More than mol% is most preferable. When the content of the general formula (S2) contained in the segment (A2) containing no ionic group is less than 20 mol%, the mechanical strength due to crystallinity when the electrolyte membrane is obtained after deprotection. , The effect of the present invention on dimensional stability and physical durability tends to be insufficient.

一般式(S1)で表される構成単位のより好ましい具体例としては、原料入手性の点で、下記一般式(P2)で表される構成単位が挙げられる。中でも、原料入手性と重合性の点から、下記式(P3)で表される構成単位がさらに好ましく、下記式(P4)で表される構成単位が最も好ましい。 A more preferable specific example of the structural unit represented by the general formula (S1) is a structural unit represented by the following general formula (P2) in terms of raw material availability. Among them, the structural unit represented by the following formula (P3) is more preferable, and the structural unit represented by the following formula (P4) is most preferable from the viewpoint of raw material availability and polymerizable property.

Figure 0006826305
Figure 0006826305

(式(P2)(P3)(P4)中、M〜Mは、水素、金属カチオン、アンモニウムカチオンNR (Rは任意の有機基)を表し、M〜Mは2種類以上の基を表しても良い。また、r1〜r4は、それぞれ独立に0〜2の整数、r1+r2は1〜8の整数を表し、r1〜r4は構成単位ごとに異なっていても良い。Rは、ケトン基または、ケトン基に誘導され得る保護基を表し、それぞれ同じでも異なっていても良い。*は式(P2)(P3)(P4)または他の構成単位との結合部位を表す。)
本発明で使用するブロックポリマーとしては、イオン性基を含有するセグメント(A1)と、イオン性基を含有しないセグメント(A2)のモル組成比(A1/A2)が0.2以上であることが好ましく、0.33以上であることがより好ましく、0.5以上であることがさらに好ましい。また、5以下であることが好ましく、3以下であることがより好ましく、2以下であることがさらに好ましい。A1/A2が、0.2未満あるいは5を越える場合には、低加湿条件下でのプロトン伝導性が不足したり、耐熱水性や物理的耐久性が不足したりする傾向がある。
(In the formulas (P2), (P3) and (P4), M 1 to M 4 represent hydrogen, metal cation and ammonium cation NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and M 1 to M 4 are two or more kinds. R1 to r4 may independently represent an integer of 0 to 2, r1 + r2 may represent an integer of 1 to 8, and r1 to r4 may be different for each structural unit. , A ketone group or a protective group that can be derived from a ketone group, which may be the same or different. * Represents a binding site with the formulas (P2) (P3) (P4) or other structural units.)
The block polymer used in the present invention has a molar composition ratio (A1 / A2) of 0.2 or more between the segment containing an ionic group (A1) and the segment not containing an ionic group (A2). It is preferably 0.33 or more, more preferably 0.5 or more. Further, it is preferably 5 or less, more preferably 3 or less, and further preferably 2 or less. When A1 / A2 is less than 0.2 or more than 5, the proton conductivity under low humidification conditions tends to be insufficient, and the heat resistance and water resistance and physical durability tend to be insufficient.

イオン性基を含有するセグメント(A1)のイオン交換容量は、低加湿条件下でのプロトン伝導性の点から、好ましくは2.5meq/g以上、より好ましくは、3meq/g以上、さらに好ましくは3.5meq/g以上である。また、耐熱水性や物理的耐久性の点から、6.5meq/g以下がより好ましく、5meq/g以下がより好ましく、4.5meq/g以下がさらに好ましい。 The ion exchange capacity of the segment (A1) containing an ionic group is preferably 2.5 meq / g or more, more preferably 3 meq / g or more, still more preferably 3 meq / g or more, from the viewpoint of proton conductivity under low humidification conditions. It is 3.5 meq / g or more. Further, from the viewpoint of heat resistance and water resistance and physical durability, 6.5 meq / g or less is more preferable, 5 meq / g or less is more preferable, and 4.5 meq / g or less is further preferable.

イオン性基を含有しないセグメント(A2)のイオン交換容量は、耐熱水性、機械強度、寸法安定性、物理的耐久性の点から、好ましくは1meq/g以下、より好ましくは0.5meq/g、さらに好ましくは0.1meq/g以下である。 The ion exchange capacity of the segment (A2) containing no ionic group is preferably 1 meq / g or less, more preferably 0.5 meq / g, from the viewpoint of heat resistance, mechanical strength, dimensional stability, and physical durability. More preferably, it is 0.1 meq / g or less.

ブロックポリマーがスルホン酸基を有する場合、そのイオン交換容量は、プロトン伝導性と耐水性のバランスの点から、0.1〜5meq/gが好ましく、より好ましくは1.5meq/g以上、さらに好ましくは2meq/g以上である。また、3.5meq/g以下がより好ましく、さらに好ましくは3meq/g以下である。イオン交換容量が0.1meq/gより小さい場合には、プロトン伝導性が不足する場合があり、5meq/gより大きい場合には、耐水性が不足する場合がある。 When the block polymer has a sulfonic acid group, its ion exchange capacity is preferably 0.1 to 5 meq / g, more preferably 1.5 meq / g or more, still more preferably 1.5 meq / g or more, from the viewpoint of the balance between proton conductivity and water resistance. Is 2 meq / g or more. Further, 3.5 meq / g or less is more preferable, and 3 meq / g or less is more preferable. If the ion exchange capacity is smaller than 0.1 meq / g, the proton conductivity may be insufficient, and if it is larger than 5 meq / g, the water resistance may be insufficient.

なお、本明細書中において、イオン交換容量は中和滴定法により求めた値である。中和滴定法は、以下のとおりに行う。なお、測定は3回以上行ってその平均値を取るものとする。
(1)プロトン置換し、純水で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、100℃にて12時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求める。
(2)電解質に5wt%硫酸ナトリウム水溶液を50mL加え、12時間静置してイオン交換する。
(3)0.01mol/L水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液0.1w/v% を加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(4)下記式によりイオン交換容量を求める。
In this specification, the ion exchange capacity is a value obtained by the neutralization titration method. The neutralization titration method is performed as follows. It should be noted that the measurement shall be performed three times or more and the average value shall be taken.
(1) After proton substitution and wiping off the water on the surface of the electrolyte membrane sufficiently washed with pure water, vacuum drying is performed at 100 ° C. for 12 hours or more to determine the dry weight.
(2) Add 50 mL of a 5 wt% sodium sulfate aqueous solution to the electrolyte and let stand for 12 hours for ion exchange.
(3) The generated sulfuric acid is titrated using a 0.01 mol / L sodium hydroxide aqueous solution. Add 0.1 w / v% of a commercially available phenolphthalein solution for titration as an indicator, and the point where it becomes pale reddish purple is the end point.
(4) The ion exchange capacity is calculated by the following formula.

イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
イオン性基を含有するセグメント(A1)およびイオン性基を含有しないセグメント(A2)を構成するオリゴマーの合成方法は、実質的に十分な分子量が得られる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば芳香族活性ジハライド化合物と2価フェノール化合物の芳香族求核置換反応、またはハロゲン化芳香族フェノール化合物の芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of aqueous sodium hydroxide solution (mmol / ml) x amount dropped (ml)] / Dry weight of sample (g)
The method for synthesizing the oligomers constituting the ionic group-containing segment (A1) and the ionic group-free segment (A2) is not particularly limited as long as a method capable of obtaining a substantially sufficient molecular weight can be obtained. However, for example, it can be synthesized by utilizing an aromatic nucleophilic substitution reaction of an aromatic active dihalide compound and a divalent phenol compound, or an aromatic nucleophilic substitution reaction of a halogenated aromatic phenol compound.

イオン性基を含有するセグメント(A1)を構成するオリゴマーの合成に用いる芳香族活性ジハライド化合物として、芳香族活性ジハライド化合物にイオン性基を導入した化合物をモノマーとして用いることは、化学的安定性、製造コスト、イオン性基の量を精密制御可能な点から好ましい。イオン性基としてスルホン酸基を有するモノマーの好適な具体例としては、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、等を挙げることができる。なかでも化学的安定性と物理的耐久性の点から、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンがより好ましく、重合活性の点から3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。 As the aromatic active dihalide compound used for the synthesis of the oligomer constituting the segment (A1) containing an ionic group, the use of a compound in which an ionic group is introduced into the aromatic active dihalide compound as a monomer is chemically stable. It is preferable because the manufacturing cost and the amount of ionic groups can be precisely controlled. Preferable specific examples of the monomer having a sulfonic acid group as an ionic group include 3,3'-disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylsulfone and 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl. Sulfone, 3,3'-disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylketone, 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylketone, 3,3'-disulfonate-4,4'-dichloro Examples thereof include diphenylphenylphosphine oxide, 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylphenylphosphine oxide, and the like. Among them, 3,3'-disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylketone and 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylketone are more suitable in terms of chemical stability and physical durability. Preferably, 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone is most preferable from the viewpoint of polymerization activity.

また、イオン性基を含有するセグメント(A1)を構成するオリゴマーおよびイオン性基を含有しないセグメント(A2)を構成するオリゴマーの合成に用いるイオン性基を有しない芳香族活性ジハライド化合物としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、4,4’−ジクロロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、4,4’−ジフルオロジフェニルフェニルホスフィンオキシド、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。中でも4,4’−ジクロロジフェニルケトン、4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが結晶性付与、機械強度や物理的耐久性、耐熱水性の点からより好ましく、重合活性の点から4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが最も好ましい。これら芳香族活性ジハライド化合物は、単独で使用することができるが、複数の芳香族活性ジハライド化合物を併用することも可能である。 Further, as the aromatic active dihalide compound having no ionic group used for the synthesis of the oligomer constituting the segment (A1) containing an ionic group and the oligomer constituting the segment (A2) not containing an ionic group, 4 , 4'-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 4,4'-difluorodiphenyl ketone, 4,4'-dichlorodiphenylphenylphosphine oxide, 4,4' -Difluorodiphenylphenylphosphine oxide, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, etc. can be mentioned. Among them, 4,4'-dichlorodiphenyl ketone and 4,4'-difluorodiphenyl ketone are more preferable from the viewpoint of imparting crystallinity, mechanical strength, physical durability, and heat resistance, and 4,4'-difluoro from the viewpoint of polymerization activity. Diphenyl ketones are most preferred. These aromatic active dihalide compounds can be used alone, but it is also possible to use a plurality of aromatic active dihalide compounds in combination.

また、イオン性基を含有するセグメント(A1)を構成するオリゴマーおよびイオン性基を含有しないセグメント(A2)を構成するオリゴマーの合成に用いるイオン性基を有しないモノマーとして、ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を挙げることができる。当該化合物は、前述の芳香族活性ジハライド化合物と共重合することで、前記セグメントを合成できる。ハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物は特に制限されることはないが、4−ヒドロキシ−4’−クロロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロベンゾフェノン、4−ヒドロキシ−4’−クロロジフェニルスルホン、4−ヒドロキシ−4’−フルオロジフェニルスルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)スルホン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−クロロフェニル)ケトン、4−(4’−ヒドロキシビフェニル)(4−フルオロフェニル)ケトン、等を例として挙げることができる。これらは、単独で使用することができるほか、2種以上の混合物として使用することもできる。さらに、活性化ジハロゲン化芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物の反応においてこれらのハロゲン化芳香族ヒドロキシ化合物を共に反応させて芳香族ポリエーテル系化合物を合成しても良い。 Further, as a monomer having no ionic group used for synthesizing the oligomer constituting the segment (A1) containing an ionic group and the oligomer constituting the segment (A2) not containing an ionic group, a halogenated aromatic hydroxy compound. Can be mentioned. The segment can be synthesized by copolymerizing the compound with the above-mentioned aromatic active dihalide compound. The halogenated aromatic hydroxy compound is not particularly limited, but 4-hydroxy-4'-chlorobenzophenone, 4-hydroxy-4'-fluorobenzophenone, 4-hydroxy-4'-chlorodiphenylsulfone, 4-hydroxy -4'-fluorodiphenyl sulfone, 4- (4'-hydroxybiphenyl) (4-chlorophenyl) sulfone, 4- (4'-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) sulfone, 4- (4'-hydroxybiphenyl) Examples thereof include (4-chlorophenyl) ketone, 4- (4'-hydroxybiphenyl) (4-fluorophenyl) ketone, and the like. These can be used alone or as a mixture of two or more. Further, in the reaction of the activated dihalogenated aromatic compound and the aromatic dihydroxy compound, these halogenated aromatic hydroxy compounds may be reacted together to synthesize an aromatic polyether compound.

ブロックポリマーの合成方法は、実質的に十分な分子量が得られる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、前記イオン性基を含有するセグメントを構成するオリゴマーとイオン性基を含有しないセグメントを構成するオリゴマーの芳香族求核置換反応を利用して合成することができる。 The method for synthesizing the block polymer is not particularly limited as long as it can obtain a substantially sufficient molecular weight, but for example, it does not contain the oligomer and the ionic group constituting the segment containing the ionic group. It can be synthesized by utilizing the aromatic nucleophilic substitution reaction of the oligomers constituting the segment.

ブロックポリマーのセグメントを構成するオリゴマーを得るためや、当該オリゴマーからブロックポリマーを得るために行う芳香族求核置換反応は、前記モノマー混合物やセグメント混合物を塩基性化合物の存在下で反応させる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction performed to obtain an oligomer constituting a segment of a block polymer or to obtain a block polymer from the oligomer, the monomer mixture or the segment mixture is reacted in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in a temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably a temperature of 50 to 250 ° C. If it is lower than 0 ° C., the reaction tends not to proceed sufficiently, and if it is higher than 350 ° C., decomposition of the polymer tends to start.

重合反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒などを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。 The polymerization reaction can be carried out without a solvent, but it is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide and the like. The aprotic polar solvent of the above can be mentioned, but the solvent is not limited thereto, and any solvent may be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more kinds.

芳香族求核置換反応に用いる塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造に変換しうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。また、フェノキシドの求核性を高めるために、18−クラウンー6などのクラウンエーテルを添加することも好適である。これらクラウンエーテル類は、スルホン酸基のナトリウムイオンやカリウムイオンに配位して有機溶媒に対する溶解性が向上する場合があり、好ましく使用できる。 Examples of the basic compound used for the nucleophilic aromatic substitution reaction include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogencarbonate, potassium hydrogencarbonate and the like, and phenoxide structures in which aromatic diols are active are used. Anything that can be converted to can be used without being limited to these. It is also preferable to add a crown ether such as 18-crown-6 in order to enhance the nucleophilicity of phenoxide. These crown ethers may be coordinated with the sodium ion or potassium ion of the sulfonic acid group to improve the solubility in an organic solvent, and can be preferably used.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水剤を使用することもできる。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be produced as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, toluene or the like can coexist in the reaction system to remove water as an azeotropic substance from the system. As a method of removing water from the system, a water absorbing agent such as a molecular sieve can also be used.

反応水又は反応中に導入された水を除去するのに用いられる共沸剤は、一般に、重合を実質上妨害せず、水と共蒸留し且つ約25℃〜約250℃の間で沸騰する任意の不活性化合物である。普通の共沸剤には、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロルベンゼン、塩化メチレン、ジクロルベンゼン、トリクロルベンゼン、シクロヘキサンなどが含まれる。もちろん、溶媒の沸点よりも低い沸点を有する共沸剤を選定することが有益である。共沸剤が普通用いられるが、高い反応温度、例えば200℃以上の温度が用いられるとき、特に反応混合物に不活性ガスを連続的に散布させるときにはそれは常に必要ではない。一般には、反応は不活性雰囲気下に酸素が存在しない状態で実施するのが望ましい。 The azeotropic agent used to remove the reaction water or the water introduced during the reaction generally does not substantially interfere with the polymerization, is azeotropically distilled with water and boils between about 25 ° C. and about 250 ° C. Any inert compound. Common azeotropic agents include benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, methylene chloride, dichlorobenzene, trichlorobenzene, cyclohexane and the like. Of course, it is beneficial to select an azeotropic agent that has a boiling point lower than the boiling point of the solvent. Azeotropes are commonly used, but they are not always required when high reaction temperatures, such as temperatures above 200 ° C., are used, especially when the reaction mixture is continuously sprayed with an inert gas. In general, the reaction is preferably carried out in the absence of oxygen in an inert atmosphere.

芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度が5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。得られるポリマー濃度が5重量%未満である場合は重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。 When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the obtained polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the obtained polymer concentration is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when it is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult.

重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低く、副生する無機塩の溶解度が高い溶媒中に加えることによって、無機塩を除去、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。回収されたポリマーは場合により水やアルコール又は他の溶媒で洗浄され、乾燥される。所望の分子量が得られたならば、ハライドあるいはフェノキシド末端基は場合によっては安定な末端基を形成させるフェノキシドまたはハライド末端封止剤を導入することにより反応させることができる。 After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and if necessary, the residue is washed to obtain the desired polymer. Further, the reaction solution is added to a solvent having a low solubility of the polymer and a high solubility of the by-produced inorganic salt to remove the inorganic salt, the polymer is precipitated as a solid, and the polymer is obtained by filtration of the precipitate. You can also. The recovered polymer is optionally washed with water, alcohol or other solvent and dried. Once the desired molecular weight is obtained, the halide or phenoxide terminal group can optionally be reacted by introducing a phenoxide or halide terminal encapsulant that forms a stable terminal group.

イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーとして用いるブロックポリマーとしては、TEMによる観察を5万倍で行った場合に相分離構造が観察され、画像処理により計測した平均層間距離または平均粒子間距離が5nm以上、500nm以下であるものが好ましい。中でも、平均層間距離または平均粒子間距離が10nm以上、50nm以下であるものがより好ましく、最も好ましくは15nm以上、30nm以下であるものがさらに好ましい。透過型電子顕微鏡によって相分離構造が観察されない、または、平均層間距離または平均粒子間距離が5nm未満である場合には、イオンチャンネルの連続性が不足し、伝導度が不足する場合がある。また、層間距離が500nmを越える場合には、機械強度や寸法安定性が不良となる場合がある。 As a block polymer used as an ionic group-containing aromatic hydrocarbon polymer, a phase-separated structure was observed when TEM observation was performed at a magnification of 50,000, and the average interlayer distance or average particle-to-particle distance measured by image processing was It is preferably 5 nm or more and 500 nm or less. Among them, those having an average interlayer distance or an average interparticle distance of 10 nm or more and 50 nm or less are more preferable, and those having an average interlayer distance of 15 nm or more and 30 nm or less are further preferable. If the phase-separated structure is not observed by a transmission electron microscope, or if the average interlayer distance or the average interparticle distance is less than 5 nm, the continuity of the ion channel may be insufficient and the conductivity may be insufficient. Further, if the interlayer distance exceeds 500 nm, the mechanical strength and dimensional stability may be poor.

イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーとして用いるブロックポリマーは、機械強度とプロトン伝導性の点で、相分離構造を有しながら、結晶性を有することが好ましい。すなわち、示差走査熱量分析法(DSC)あるいは広角X線回折によって結晶性が認められることが好ましく、具体的には示差走査熱量分析法によって測定される結晶化熱量が0.1J/g以上、または、広角X線回折によって測定される結晶化度が0.5%以上であることが好ましい。なお、「結晶性を有する」とはポリマーが昇温すると結晶化されうる、結晶化可能な性質を有する、あるいは既に結晶化していることを意味する。また、非晶性ポリマーとは、結晶性ポリマーではない、実質的に結晶化が進行しないポリマーを意味する。従って、結晶性ポリマーであっても、結晶化が十分に進行していない場合には、ポリマーの状態としては非晶状態である場合がある。当該結晶性ポリマーからなる電解質膜により、炭化水素系ポリマーの中でも、より優れた水素圧縮の電力効率、水電解効率や耐久性を有する電気化学式水素ポンプおよび水電解装置を実現できる。 The block polymer used as the ionic group-containing aromatic hydrocarbon-based polymer preferably has a crystallinity while having a phase-separated structure in terms of mechanical strength and proton conductivity. That is, it is preferable that crystallinity is recognized by differential scanning calorimetry (DSC) or wide-angle X-ray diffraction, and specifically, the amount of crystallization measured by differential scanning calorimetry is 0.1 J / g or more, or The crystallinity measured by wide-angle X-ray diffraction is preferably 0.5% or more. In addition, "having crystallinity" means that the polymer can be crystallized when the temperature rises, has a crystallinizable property, or has already crystallized. Further, the amorphous polymer means a polymer that is not a crystalline polymer and whose crystallization does not substantially proceed. Therefore, even if it is a crystalline polymer, if crystallization has not progressed sufficiently, the polymer may be in an amorphous state. The electrolyte membrane made of the crystalline polymer makes it possible to realize an electrochemical hydrogen pump and a water electrolyzer having better hydrogen compression power efficiency, water electrolysis efficiency and durability among hydrocarbon polymers.

本発明の電解質膜における、低加湿下でのプロトン伝導度、すなわち80℃、相対湿度25%雰囲気下での単位面積当たりのプロトン伝導度(以下、単に「プロトン電導度」という)は、0.12S/cm以上である。プロトン電導度は、加湿機の小型化や水素圧縮効率の点で、より好ましくは0.2mS/cm以上であり、さらに好ましくは0.3mS/cm以上である。より高いプロトン伝導度を有することで、同じ電圧でより高い電流密度を得ることができる、すなわち、同じエネルギーでより多くの水素を圧縮できるようになるため、好ましい。 In the electrolyte membrane of the present invention, the proton conductivity under low humidification, that is, the proton conductivity per unit area at 80 ° C. and a relative humidity of 25% (hereinafter, simply referred to as "proton conductivity") is 0. It is 12 S / cm 2 or more. The proton conductivity is more preferably 0.2 mS / cm 2 or more, and further preferably 0.3 mS / cm 2 or more, in terms of miniaturization of the humidifier and hydrogen compression efficiency. Having a higher proton conductivity is preferable because a higher current density can be obtained at the same voltage, that is, more hydrogen can be compressed with the same energy.

本発明の電解質膜における、加湿下でのプロトン伝導度、すなわち80℃、相対湿度90%雰囲気下でのプロトン電導度は、8S/cm以上である。プロトン電導度は、水電解効率の点で、より好ましくは10S/cm以上であり、さらに好ましくは20S/cm以上である。より高いプロトン伝導度を有することで、同じ電圧でより高い電流密度を得ることができる、すなわち、同じエネルギーでより多くの水素を圧縮または生成できるようになるため、好ましい。 In the electrolyte membrane of the present invention, the proton conductivity under humidification, that is, the proton conductivity under an atmosphere of 80 ° C. and 90% relative humidity is 8 S / cm 2 or more. Proton Conductivity, in terms of water electrolysis efficiency, more preferably 10S / cm 2 or more, further preferably 20S / cm 2 or more. Having a higher proton conductivity is preferable because it allows higher current densities to be obtained at the same voltage, i.e., more hydrogen can be compressed or produced with the same energy.

また、本発明の電解質膜における、80℃、相対湿度90%雰囲気下での水素透過度(以下、単に「水素透過度」という)は3.0×10−7cm・(cm・s・cmHg)−1以下である。水素透過度が3.0×10−7cm・(cm・s・cmHg)−1より大きい場合、電気化学式水素ポンプでは圧縮水素の逆透過ロスが大きくなり、その結果、水素圧縮効率が低下する。水素透過度は、水素圧縮効率の点で2.5×10−7cm・(cm・s・cmHg)−1以下であることがより好ましく、2.0×10−7cm・(cm・s・cmHg)−1以下であることがさらに好ましい。ここで、本発明における水素透過度とは、単位面積当たりの膜の水素透過量を表す。 Further, the hydrogen permeability of the electrolyte membrane of the present invention under an atmosphere of 80 ° C. and 90% relative humidity (hereinafter, simply referred to as “hydrogen permeability”) is 3.0 × 10-7 cm 3 · (cm 2 · s). -CmHg) -1 or less. If the hydrogen permeability is greater than 3.0 × 10 -7 cm 3 · ( cm 2 · s · cmHg) -1, the inverse transmission loss of the compressed hydrogen is increased in the electrochemical hydrogen pump, of that result, a hydrogen compression efficiency is reduced. Hydrogen permeability is more preferably in terms of hydrogen pressure Chijimiko rate 2.5 × 10 -7 cm 3 · ( cm 2 · s · cmHg) less than -1, 2.0 × 10 -7 cm 3 -(Cm 2 · s · cmHg) -1 or less is more preferable. Here, the hydrogen permeability in the present invention represents the amount of hydrogen permeability of the membrane per unit area.

また、膜の耐圧変形性(圧力に対する膜の耐変形特性)、耐クリープ性の点から、25℃、相対湿度60%の雰囲気下での本発明の幅10mmの電解質膜の引張破断強度(以下、単に「引張破断強度」という)は100000N以上である必要がある。引張破断強度は好ましくは160000N以上、より好ましくは、200000N以上、さらに好ましくは240000N以上である。引張破断強度は大きいほどより好ましいが、大きいほど触媒層との界面抵抗が大きくなる傾向があるので、現実的な上限は2000000Nである。引張破断強度が100000N未満である場合は、耐圧変形性、耐クリープ性不足による高圧下での破膜等が発生しやすくなる場合がある。 Further, from the viewpoint of pressure-resistant deformation (deformation resistance of the membrane to pressure) and creep resistance of the membrane, the tensile breaking strength of the electrolyte membrane having a width of 10 mm of the present invention under an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60% (hereinafter referred to as , Simply referred to as "tensile breaking strength") needs to be 100,000 N or more. The tensile breaking strength is preferably 160,000 N or more, more preferably 200,000 N or more, still more preferably 240000 N or more. The larger the tensile breaking strength, the more preferable, but the larger the tensile strength, the larger the interface resistance with the catalyst layer tends to be. Therefore, the practical upper limit is 2000000 N. When the tensile breaking strength is less than 100,000 N, film rupture or the like under high pressure may easily occur due to insufficient pressure-resistant deformation and creep resistance.

また、本発明の電解質膜の引張破断伸度は150%以上であり、より好ましくは180%以上、最も好ましくは200%以上である。引張破断伸度は、大きいほど好ましいが、引張破断強度との両立の点で、現実的な上限は1000%である。引張破断伸度が、150%未満である場合には、靭性が不足することにより、長時間水素ポンプ運転を続けたり、水素ポンプの起動停止を繰り返すような膨潤乾燥を繰り返す条件で使用したりすると、膜が破れる場合がある。かかる電解質膜のプロトン伝導度、水素透過度、引張破断強度および引張破断伸度は、後述する実施例に記載の方法に従って求められる。 The tensile elongation at break of the electrolyte membrane of the present invention is 150% or more, more preferably 180% or more, and most preferably 200% or more. The larger the tensile elongation at break is, the more preferable it is, but in terms of compatibility with the tensile strength at break, the practical upper limit is 1000%. If the tensile elongation at break is less than 150%, the toughness will be insufficient, and the hydrogen pump will continue to operate for a long time, or it will be used under conditions of repeated swelling and drying such as repeating the start and stop of the hydrogen pump. , The membrane may tear. The proton conductivity, hydrogen permeability, tensile breaking strength, and tensile breaking elongation of such an electrolyte membrane are determined according to the methods described in Examples described later.

本発明の電解質膜は、製造効率、コストや製膜面積の点で、基材上に連続的に成形されてなる高分子電解質膜シートとして製造することが好ましく、この高分子電解質膜シートがロール状に巻回されてなる高分子電解質膜ロールとして製造し、供給することがさらに好ましい。水素ステーションなど、より大型の圧縮水素需要に対しては、電気化学式水素ポンプの水素圧縮量を増加する必要があり、そのために、用いる電解質膜の大面積化やセル数の増加が想定される。これら、大面積かつ大量な電解質膜の要求に対して、高分子電解質膜ロールは、保管性、輸送性、製造効率、コストの点でシート状電解質膜に対し優位性がある。 The electrolyte membrane of the present invention is preferably manufactured as a polymer electrolyte membrane sheet continuously molded on a base material in terms of manufacturing efficiency, cost and membrane formation area, and the polymer electrolyte membrane sheet is rolled. It is more preferable to manufacture and supply the polymer electrolyte membrane roll that is wound in a shape. To meet the demand for larger compressed hydrogen such as hydrogen stations, it is necessary to increase the amount of hydrogen compressed in the electrochemical hydrogen pump, which is expected to increase the area of the electrolyte membrane used and the number of cells. In response to these demands for a large area and a large amount of electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane roll is superior to the sheet-shaped electrolyte membrane in terms of storage stability, transportability, manufacturing efficiency, and cost.

本発明の電気化学式水素ポンプ用高分子電解質膜は、カール性が80mm以下であることが好ましく、50mm以下であることがより好ましい。カール性が80mmより大きい場合、連続的に膜を成形する装置において、膜搬送時に膜が搬送路部材に接触し、膜面に傷が生じたり、膜厚が不均一となったりすることがある。かかるカール性は後述する実施例に記載の方法に従って求められる。 Electrochemical hydrogen pump for the polyelectrolyte membrane of the present invention preferably has a curling resistance is 80mm or less, and more preferably 50mm or less. When the curl property is larger than 80 mm, in a device for continuously forming a film, the film may come into contact with a transport path member during film transfer, causing scratches on the film surface or uneven film thickness. .. Such curl property is obtained according to the method described in Examples described later.

本発明の電解質膜の膜厚は、20μm以上200μm以下が好適である。水素バリア性や膜強度の点で、膜厚は25μm以上がより好ましく、30μm以上がさらに好ましい。また、プロトン伝導度の点で、150μm以下がより好ましく、60μm以下がさらに好ましい。膜厚が20μm未満の場合、水素バリア性や膜の耐圧強度が低下する場合がある。一方、膜厚が200μmより厚い場合、プロトン伝導度低下に伴い、水素圧縮効率が低下する場合がある。なお、電解質膜の膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚等により制御することができる。 The film thickness of the electrolyte membrane of the present invention is preferably 20 μm or more and 200 μm or less. From the viewpoint of hydrogen barrier property and film strength, the film thickness is more preferably 25 μm or more, and further preferably 30 μm or more. Further, in terms of proton conductivity, 150 μm or less is more preferable, and 60 μm or less is further preferable. If the film thickness is less than 20 μm, the hydrogen barrier property and the pressure resistance of the film may decrease. On the other hand, if the thickness is thicker than 200 [mu] m, with the proton conductivity decreases, there is a case where the hydrogen pressure Chijimiko rate decreases. The film thickness of the electrolyte membrane can be controlled by the solution concentration, the coating thickness on the substrate, or the like.

従来のパーフルオロ系ポリマーからなる膜は、前記公知文献にあるように、その低水素バリア性や低引張破断強度から、150μmより厚膜でないと、水素バリア性や膜の耐圧強度を保持できず、電気化学式水素ポンプに用いることが難しかった。これに対し、イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーからなる電解質膜は、高引張破断強度と低水素透過性を両立することができる。従って、20μm〜200μmといった薄膜でも電気化学式水素ポンプに適用することができ、薄膜化に伴う材料コスト低減や水素圧縮効率向上といった、従来技術に対する新たな優位な効果を奏する。 As described in the above-mentioned known literature, a conventional film made of a perfluoropolymer cannot maintain the hydrogen barrier property and the pressure resistance of the film unless the film is thicker than 150 μm due to its low hydrogen barrier property and low tensile breaking strength. , it is difficult to use in the electrochemical hydrogen pump. On the other hand, the electrolyte membrane made of an ionic group-containing aromatic hydrocarbon-based polymer can achieve both high tensile strength at break and low hydrogen permeability. Therefore, it can also be applied to the electrochemical hydrogen pump with a thin film such 20Myuemu~200myuemu, such material cost reduction and a hydrogen pressure Chijimiko rate gains associated with thinning provides the new dominant effect over the prior art.

本発明の電解質膜の膜厚は、MD、TD方向のばらつきがそれぞれ±5%以下であることが好ましく、±3%以下であることがより好ましい。膜厚ばらつきが±5%より大きい場合、膜厚が薄い部分に電流が集中するため、電解質膜に局所的なストレスがかかり、局所ピンホールなどの問題が生じる可能性がある。かかる膜厚ばらつきは、後述する実施例に記載の方法に従って求められる。 The film thickness of the electrolyte membrane of the present invention preferably has a variation of ± 5% or less in the MD and TD directions, and more preferably ± 3% or less. When the film thickness variation is larger than ± 5%, the current is concentrated in the portion where the film thickness is thin, so that local stress is applied to the electrolyte membrane, which may cause problems such as local pinholes. Such film thickness variation is obtained according to the method described in Examples described later.

<高分子電解質膜の製造方法>
本発明の高分子電解質膜は、一例として、基材上に高分子電解質膜前駆体溶液を流延塗布して高分子電解質膜を成形する工程を有する製造方法により製造することができる。
<Manufacturing method of polymer electrolyte membrane>
As an example, the polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced by a production method including a step of casting and coating a polymer electrolyte membrane precursor solution on a substrate to form a polymer electrolyte membrane.

本発明者らは、電気化学式水素ポンプ用炭化水素系電解質膜の製造方法について、そのカール性や膜厚均一性に課題として着目し、これら課題を、製膜基材厚み、前駆体塗液粘度の最適化や乾燥条件等により解決し、均一な厚膜を連続ロールとして製造できることを見出した。 The present inventors have focused on the curl property and film thickness uniformity of the method for producing a hydrocarbon-based electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump as problems, and have set these problems as the film-forming substrate thickness and the precursor coating viscosity. It was found that a uniform thick film can be produced as a continuous roll by solving the problem by optimizing the above and drying conditions.

当該製造方法において製膜に用いる基材の厚みT1は、電解質膜の厚みT2に応じて適宜選択できるものであるが、カール性・搬送性の点で、下記(式1)を満たす厚みの基材を用いることが好ましい。
7≦T1/T2≦15 (式1)
T1/T2が7未満の場合、電解質膜のカールにより、特にロール搬送時に膜面に傷がついたり、膜厚が不均一になったりする場合があり、15より大きい場合、ハンドリングが悪くなったり、コストが高くなったりする場合がある。コストの点からは、T1/T2は12以下であることがより好ましく、10以下であることがさらに好ましい。
The thickness T1 of the base material used for film formation in the production method can be appropriately selected according to the thickness T2 of the electrolyte membrane, but is a group having a thickness that satisfies the following (Equation 1) in terms of curlability and transportability. It is preferable to use a material.
7 ≦ T1 / T2 ≦ 15 (Equation 1)
If T1 / T2 is less than 7, the curl of the electrolyte membrane may cause scratches on the membrane surface or uneven film thickness, especially during roll transfer, and if it is greater than 15, handling may deteriorate. , The cost may be high. From the viewpoint of cost, T1 / T2 is more preferably 12 or less, and further preferably 10 or less.

基材厚みT1はコストとハンドリングの点で、600μm以下が好ましく、550μm以下がより好ましく、500μm以下がさらに好ましく、400μm以下が最も好ましい。基材厚みT2については、式1を満たす範囲であれば、特に下限はないが、現実的には、200μm以上である。 The base material thickness T1 is preferably 600 μm or less, more preferably 550 μm or less, further preferably 500 μm or less, and most preferably 400 μm or less in terms of cost and handling. Regarding the base material thickness T2, there is no particular lower limit as long as it is within the range satisfying Equation 1, but in reality, it is 200 μm or more.

製膜に用いる基材としては通常公知の材料が使用できるが、ステンレスなどの金属からなるエンドレスベルトやドラム、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホンなどのポリマーからなるフィルム、硝子、剥離紙などが挙げられる。金属などは表面に鏡面処理を施したり、ポリマーフィルムなどは塗工面にコロナ処理を施したり、剥離処理をしたり、ロール状に連続塗工する場合は塗工面の裏に剥離処理を施し、巻き取った後に電解質膜と塗工基材の裏側が接着したりするのを防止することもできる。 Known materials can be used as the base material used for film formation, but endless belts and drums made of metals such as stainless steel, films made of polymers such as polyethylene terephthalate, polyimide, polyphenylene sulfide, and polysulfone, glass, and release paper are used. Can be mentioned. For metals, the surface is mirror-treated, for polymer films, the coated surface is corona-treated, for peeling, and for continuous roll-shaped coating, the back of the coated surface is peeled and rolled. It is also possible to prevent the electrolyte film and the back side of the coating base material from adhering after being removed.

製膜に用いる溶媒としては、電解質膜前駆体を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒、水およびこれらの混合物が好適に用いられるが、非プロトン性極性溶媒が最も溶解性が高く好ましい。また、イオン性基含有成分の溶解性を高めるために、18−クラウンー6などのクラウンエーテルを添加することも好適である。 The solvent used for film formation may be any solvent that can dissolve the electrolyte membrane precursor and then remove it, for example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone. , Dimethylsulfoxide, sulfolane, aprotic polar solvents such as 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone and butyl acetate, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate. A system solvent, an alkylene glycol monoalkyl ether such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, or propylene glycol monoethyl ether, or an alcohol solvent such as isopropanol, water, and a mixture thereof are preferably used. However, an aprotic polar solvent has the highest solubility and is preferable. It is also preferable to add a crown ether such as 18-crown-6 in order to increase the solubility of the ionic group-containing component.

電解質膜前駆体溶液の粘度は、膜厚の均一性と製膜性の点で、75poise以上1000poise以下であることが好ましい。溶液粘度が、1000poiseより大きい場合、高粘度のため塗工が困難になる傾向がある。一方溶液粘度が75poise未満の場合、溶液を基材に流延塗布した後に塗液流れが生じて、膜厚が不均一となったり、基材が塗液をはじくことにより膜品位が低下したりするおそれがある。溶液粘度は、後述する実施例に記載の方法に従って求められる。膜品位の点で、溶液粘度は90poise以上であることがより好ましく、100poise以上であることがさらに好ましい。また、同様に500poise以下であることがより好ましく、250poise以下であることが最も好ましい。 The viscosity of the electrolyte membrane precursor solution is preferably 75 poise or more and 1000 poise or less in terms of film thickness uniformity and film forming property. If the solution viscosity is greater than 1000 poise, the high viscosity tends to make coating difficult. On the other hand, when the viscosity of the solution is less than 75 poise, the coating liquid flows after the solution is cast and applied to the base material, resulting in non-uniform film thickness or deterioration of the film quality due to the base material repelling the coating liquid. There is a risk of The solution viscosity is determined according to the method described in Examples described later. In terms of film quality, the solution viscosity is more preferably 90 poise or more, and even more preferably 100 poise or more. Similarly, it is more preferably 500 poise or less, and most preferably 250 poise or less.

必要な固形分濃度、粘度に調製した電解質膜前駆体溶液を常圧の濾過もしくは加圧濾過などに供し、高分子電解質溶液中に存在する異物を除去することは、強靱な膜を得るために好ましい方法である。ここで用いる濾材は特に限定されるものではないが、ガラスフィルターや金属性フィルターが好適である。該濾過で、ポリマー溶液が通過する最小のフィルターの孔径は、1μm以下であることが好ましい。 The electrolyte membrane precursor solution prepared to have the required solid content concentration and viscosity is subjected to normal pressure filtration or pressure filtration to remove foreign substances present in the polymer electrolyte solution in order to obtain a tough membrane. This is the preferred method. The filter medium used here is not particularly limited, but a glass filter or a metallic filter is preferable. In the filtration, the pore size of the minimum filter through which the polymer solution passes is preferably 1 μm or less.

電解質膜前駆体溶液の基材上への流延塗工方法としては、ナイフコート、ダイレクトロールコート、グラビアコート、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、バキュームダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、リバースコート、スクリーン印刷などの手法が適用できる。電解質膜を成形するにあたっては、ロール状の基材を繰り出し、前記流涎塗工方法を適用して、進行方向およびその垂直方向である幅方向に均一な膜厚で連続的に塗工し、再びロール状に巻き取る方法が適している。このような方法においては、電解質膜前駆体溶液の粘度、膜厚の観点からダイコートが好ましい。また、カール性や乾燥効率の点で、これら流延塗工方法を用いた電解質膜前駆体溶液の間欠塗工も用いられる。間欠塗工を用いることで乾燥炉中の溶媒蒸気濃度を低減することができ、それにより、電解質膜前駆体溶液の乾燥効率が向上したり、またロール搬送した際の電解質膜のカールを抑制したりすることができる。間欠部分と塗工部分の長さの割合は、電解質膜としたときの物性、乾燥条件などにより、適宜選択できる。 As a casting method of the electrolyte membrane precursor solution on the substrate, knife coat, direct roll coat, gravure coat, spray coat, brush coat, dip coat, die coat, vacuum die coat, curtain coat, flow coat, spin Techniques such as coating, reverse coating, and screen printing can be applied. In forming the electrolyte membrane, a roll-shaped base material is unwound, the salivation coating method is applied, and the coating is continuously applied with a uniform film thickness in the traveling direction and the width direction, which is the vertical direction thereof, and then again. The method of winding in a roll is suitable. In such a method, die coating is preferable from the viewpoint of the viscosity and film thickness of the electrolyte membrane precursor solution. Further, in terms of curl property and drying efficiency, intermittent coating of the electrolyte membrane precursor solution using these casting coating methods is also used. By using intermittent coating, the solvent vapor concentration in the drying furnace can be reduced, which improves the drying efficiency of the electrolyte membrane precursor solution and suppresses curling of the electrolyte membrane during roll transfer. Can be done. The ratio of the length of the intermittent portion to the coated portion can be appropriately selected depending on the physical characteristics of the electrolyte membrane, the drying conditions, and the like.

次いで、流延塗布して得られた膜は、イオン性基の少なくとも一部が金属塩の状態で熱処理することが好ましい。用いる高分子電解質材料が重合時に金属塩の状態で重合するものであれば、そのまま製膜、熱処理することが好ましい。金属塩の金属はイオン性基と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。この熱処理の温度は好ましくは80〜350℃、さらに好ましくは100〜200℃、特に好ましくは120〜150℃である。熱処理時間は、好ましくは10秒〜12時間、さらに好ましくは30秒〜6時間、特に好ましくは1分〜1時間である。熱処理温度が低すぎると、機械強度や物理的耐久性が不足する場合がある。一方、高すぎると膜材料の化学的分解が進行する場合がある。また熱処理時間が10秒未満であると熱処理による機械強度や物理的耐久性向上効果が不足する場合がある。一方、12時間を超えると電解質膜の劣化を生じやすくなる。 Next, the film obtained by casting is preferably heat-treated with at least a part of ionic groups in the state of a metal salt. If the polymer electrolyte material used is one that polymerizes in the state of a metal salt at the time of polymerization, it is preferable to form a film and heat-treat it as it is. The metal of the metal salt may be any one capable of forming a salt with an ionic group, but from the viewpoint of price and environmental load, Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V , Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W and the like, among these, Li, Na, K, Ca, Sr and Ba are more preferable, and Li, Na and K are even more preferable. The temperature of this heat treatment is preferably 80 to 350 ° C., more preferably 100 to 200 ° C., and particularly preferably 120 to 150 ° C. The heat treatment time is preferably 10 seconds to 12 hours, more preferably 30 seconds to 6 hours, and particularly preferably 1 minute to 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, mechanical strength and physical durability may be insufficient. On the other hand, if it is too high, the chemical decomposition of the membrane material may proceed. Further, if the heat treatment time is less than 10 seconds, the effect of improving the mechanical strength and physical durability by the heat treatment may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 12 hours, deterioration of the electrolyte membrane is likely to occur.

また、本発明の製造方法においては、電解質膜前駆体溶液を流延塗布した基材から溶媒を蒸発する工程を有することが好ましい。そして、蒸発工程における溶媒蒸発後の高分子電解質膜中の残存溶媒量が10質量%以下であることが好ましく、8質量%以下であることがより好ましく、5質量%以下であることがさらに好ましい。残存溶媒量が10質量%より多く存在する場合、電解質膜保管中に表面に溶媒がブリードアウトし、膜品位が低下したり、膜物性、特に水素バリア性や機械強度が低下したりすることがある。残存溶媒量は、塗布液濃度、乾燥炉長、乾燥炉温度、熱風量、排気、搬送速度などにより適宜調節できる。かかる残存溶媒量は、後述する実施例に記載の方法に従って求められる。 Further, in the production method of the present invention, it is preferable to have a step of evaporating the solvent from the base material to which the electrolyte membrane precursor solution is cast and coated. The amount of residual solvent in the polymer electrolyte membrane after evaporation of the solvent in the evaporation step is preferably 10% by mass or less, more preferably 8% by mass or less, and further preferably 5% by mass or less. .. If the amount of residual solvent is more than 10% by mass, the solvent may bleed out to the surface during storage of the electrolyte membrane, resulting in deterioration of membrane quality or deterioration of membrane physical properties, especially hydrogen barrier property and mechanical strength. is there. The amount of residual solvent can be appropriately adjusted depending on the concentration of the coating liquid, the length of the drying oven, the temperature of the drying oven, the amount of hot air, the exhaust, the transport speed, and the like. The amount of residual solvent is determined according to the method described in Examples described later.

流延塗布した膜を熱処理することにより得られた高分子電解質膜は、必要に応じて酸性水溶液に浸漬することによりプロトン置換することができる。この方法で電解質膜を成形することによって、高分子電解質膜はプロトン伝導度と物理的耐久性をより良好なバランスで両立することが可能となる。 The polymer electrolyte membrane obtained by heat-treating the cast-coated membrane can be proton-substituted by immersing it in an acidic aqueous solution, if necessary. By molding the electrolyte membrane by this method, the polymer electrolyte membrane can achieve both proton conductivity and physical durability in a better balance.

<触媒層付き電解質膜、膜電極複合体および電気化学式水素ポン
電気化学式水素ポンプに使用されるセルは、本発明の電解質膜の両面に触媒層、電極基材及びセパレータが順次積層された構造である。このうち、電解質膜の両面に触媒層を積層させたもの(即ち、触媒層/電解質膜/触媒層の層構成のもの)は触媒層付電解質膜(CCM)と称され、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散基材を順次積層させたもの(即ち、ガス拡散基材/触媒層/電解質膜/触媒層/ガス拡散基材の層構成のもの)は、膜電極複合体(MEA)と称されている。
<Electrolyte membrane with catalyst layers, membrane electrode assembly and electrochemical hydrogen pump>
Cells used in the electrochemical hydrogen pump, the catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane of the present invention, the electrode substrate and the separator are sequentially stacked. Of these, the one in which the catalyst layer is laminated on both sides of the electrolyte membrane (that is, the one having a layer structure of the catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer) is called an electrolyte membrane with a catalyst layer (CCM), and is called an electrolyte membrane with a catalyst layer (CCM). The catalyst layer and the gas diffusion base material in which the catalyst layer and the gas diffusion base material are sequentially laminated (that is, the layer structure of the gas diffusion base material / catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer / gas diffusion base material) are the same as the film electrode composite (MEA). It is called.

CCMの製造方法としては、電解質膜表面に、触媒層を形成するための触媒層ペースト組成物を塗布及び乾燥させるという塗布方式や触媒層のみを基材上に作製し、この触媒層を転写することにより、触媒層を電解質膜上に積層させる方法(転写法)が一般的に行われる。 As a method for producing CCM, a coating method in which a catalyst layer paste composition for forming a catalyst layer is applied and dried on the surface of an electrolyte membrane or only a catalyst layer is prepared on a substrate and the catalyst layer is transferred. As a result, a method of laminating the catalyst layer on the electrolyte membrane (transfer method) is generally performed.

CCMにおける電解質膜と触媒層の間の剥離強度は、電解質膜と触媒層の界面抵抗低減、長期運転における耐久性維持の観点から、5N/cm以上であることが好ましい。剥離強度は、より好ましくは7N/cm以上であり、10N/cm以上がさらに好ましい。剥離強度は、後述する実施例に記載の方法に従って求められる。 The peel strength between the electrolyte membrane and the catalyst layer in CCM is preferably 5 N / cm or more from the viewpoint of reducing the interfacial resistance between the electrolyte membrane and the catalyst layer and maintaining durability in long-term operation. The peel strength is more preferably 7 N / cm or more, and further preferably 10 N / cm or more. The peel strength is determined according to the method described in Examples described later.

なお、CCMが基材上に連続的に形成され、ロール状に巻回されてなる触媒層付電解質膜ロールも、本発明の好ましい態様である。 An electrolyte membrane roll with a catalyst layer in which CCM is continuously formed on a substrate and wound in a roll shape is also a preferred embodiment of the present invention.

プレスにより、MEAを作製する場合は、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, p.269.記載の化学メッキ法、電気化学協会編(J. Electrochem. Soc.)、エレクトロケミカル サイエンス アンド テクノロジー (Electrochemical Science and Technology),1988, 135, 9, p.2209.記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。プレス時の温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、本発明では電解質膜が乾燥した状態または吸水した状態でもプレスによる複合化が可能である。具体的なプレス方法としては圧力やクリアランスを規定したロールプレスや、圧力を規定した平板プレスなどが挙げられ、工業的生産性やイオン性基を有する高分子材料の熱分解抑制などの観点から0℃〜250℃の範囲で行うことが好ましい。加圧は電解質膜や電極保護の観点から、電解質膜と触媒層の密着性が維持される範囲でできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、10MPa以下の圧力が好ましく、プレス工程による複合化を実施せずに電極と電解質膜を重ね合わせ電気化学式水素ポンプ用にセル化することもアノード、カソード電極の短絡防止の観点から好ましい選択肢の一つである。この方法の場合、電気化学式水素ポンプとして運転を繰り返した場合、短絡箇所が原因と推測される電解質膜の劣化が抑制される傾向があり、電気化学式水素ポンプとしての耐久性が良好となる。また、プレス条件の制御においては、加圧後に温度を上昇させ、所定の圧力、温度に保持したのち、圧力を保持したまま温度を降下させ、その後圧力を開放することが、皺や剥離のない均一な触媒層付電解質膜が得られる点において好ましい。加圧しながら温度を上昇させたり、温度を降下させる前に圧力を開放したりすると、電解質膜と触媒層の界面が固定されていない状態で3次元の熱収縮が起こり皺や密着不良による剥離が発生する場合がある。 When MEA is prepared by pressing, a known method (for example, Electrochemistry, 1985, 53, p. 269., Chemical plating method, edited by The Electrochemical Society (J. Electrochem. Soc.), Electrochemical Science and Technology (Electrochemical Science and Technology), 1988, 135, 9, p.2209. Hot press bonding method of gas diffusion electrode, etc.) can be applied. The temperature and pressure at the time of pressing may be appropriately selected depending on the thickness of the electrolyte membrane, the water content, the catalyst layer and the electrode base material. Further, in the present invention, compounding by pressing is possible even when the electrolyte membrane is in a dry state or in a water-absorbing state. Specific press methods include roll presses that regulate pressure and clearance, flat plate presses that regulate pressure, etc., and are 0 from the viewpoint of industrial productivity and suppression of thermal decomposition of polymer materials having ionic groups. It is preferably carried out in the range of ° C. to 250 ° C. From the viewpoint of protecting the electrolyte film and electrodes, the pressurization is preferably as weak as possible within the range in which the adhesion between the electrolyte film and the catalyst layer is maintained, and in the case of a flat plate press, a pressure of 10 MPa or less is preferable, and compounding by the pressing process is performed. it is also an anode, which is one of the preferred choices in view of prevention of short-circuit the cathode electrode of the cell of the electrodes and superposing the electrolyte membrane for electrochemical hydrogen pump without performing. In this way, when repeated operation as the electrochemical hydrogen pump, there is a tendency that deterioration of the electrolyte membrane short-circuited portion is presumed cause is suppressed, the durability of the electrochemical hydrogen pump Becomes good. Further, in the control of press conditions, it is possible to raise the temperature after pressurization, hold it at a predetermined pressure and temperature, then lower the temperature while maintaining the pressure, and then release the pressure without wrinkles or peeling. It is preferable in that an electrolyte membrane with a uniform catalyst layer can be obtained. If the temperature is raised while pressurizing or the pressure is released before the temperature is lowered, three-dimensional thermal shrinkage occurs when the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer is not fixed, causing wrinkles and peeling due to poor adhesion. It may occur.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ここで、実施例1は参考例1と読み替えるものとする。なお、各物性の測定条件は次の通りである。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto. Here, Example 1 shall be read as Reference Example 1. The measurement conditions for each physical property are as follows.

(1)イオン交換容量(IEC)
以下の(i)〜(iv)に記載の中和滴定法により測定した。測定は3回行って、その平均値を取った。
(i)プロトン置換し、純水で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、100℃にて12時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求めた。
(ii)電解質に5重量%硫酸ナトリウム水溶液を50mL加え、12時間静置してイオン交換した。
(iii)0.01mol/L水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定した。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液0.1w/v%を加え、薄い赤紫色になった点を終点とした。
(iv)イオン交換容量は下記の式により求めた。
(1) Ion exchange capacity (IEC)
It was measured by the neutralization titration method described in (i) to (iv) below. The measurement was performed three times and the average value was taken.
(I) After proton substitution and wiping off the moisture on the surface of the electrolyte membrane sufficiently washed with pure water, vacuum drying was performed at 100 ° C. for 12 hours or more to determine the dry weight.
(Ii) 50 mL of a 5 wt% sodium sulfate aqueous solution was added to the electrolyte, and the mixture was allowed to stand for 12 hours for ion exchange.
(Iii) The resulting sulfuric acid was titrated using a 0.01 mol / L sodium hydroxide aqueous solution. A commercially available phenolphthalein solution for titration of 0.1 w / v% was added as an indicator, and the point at which it became pale reddish purple was defined as the end point.
(Iv) The ion exchange capacity was calculated by the following formula.

イオン交換容量(meq/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/mL)×滴下量(mL)〕/試料の乾燥重量(g)〕
(2)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、80℃、相対湿度25〜95%の恒温恒湿槽中にそれぞれのステップで30分保持し、定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
Ion exchange capacity (meq / g) =
[Concentration of aqueous sodium hydroxide solution (mmol / mL) x amount dropped (mL)] / dry weight of sample (g)]
(2) Proton conductivity After immersing a film-like sample in pure water at 25 ° C for 24 hours, hold it in a constant temperature and humidity chamber at 80 ° C and a relative humidity of 25 to 95% for 30 minutes at each step to achieve a constant potential. The proton conductivity was measured by the AC impedance method.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用し、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を求めた。交流振幅は、50mVとした。サンプルは幅10mm、長さ50mmの膜を用いた。測定治具はフェノール樹脂で作製し、測定部分は開放させた。電極として、白金板(厚さ100μm、2枚)を使用した。電極は電極間距離10mm、サンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。 As a measuring device, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analoger) was used, and constant potential impedance was measured by a two-terminal method to determine proton conductivity. The AC amplitude was 50 mV. A film having a width of 10 mm and a length of 50 mm was used as the sample. The measuring jig was made of phenol resin, and the measuring part was opened. A platinum plate (thickness 100 μm, 2 plates) was used as the electrode. The electrodes were arranged at a distance of 10 mm between the electrodes on the front side and the back side of the sample film so as to be parallel to each other and orthogonal to the longitudinal direction of the sample film.

(3)数平均分子量、重量平均分子量
ポリマーの数平均分子量、重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー社製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー社製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、サンプル濃度0.1重量%、流量0.2mL/min、温度40℃で測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量、重量平均分子量を求めた。
(3) Number average molecular weight and weight average molecular weight The number average molecular weight and weight average molecular weight of the polymer were measured by GPC. N-methyl using HLC-8022GPC manufactured by Tosoh Corporation as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and two TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) manufactured by Tosoh Corporation as a GPC column. Measured with a -2-pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a sample concentration of 0.1% by weight, a flow rate of 0.2 mL / min, and a temperature of 40 ° C., and standardized. The number average molecular weight and the weight average molecular weight were determined by polystyrene conversion.

(4)膜厚、膜厚ばらつき
ミツトヨ社製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ社製ID−C112型を用いて測定した。
(4) Film thickness and film thickness variation Measurement was performed using a Mitutoyo ID-C112 type set on a Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

膜厚ばらつきは、たとえば、電解質膜がシート状である場合、四隅、等分した後の辺長さが3cm未満となるように各辺をn等分した点、中央部をそれぞれ測定し、それらの平均値を求める。その平均値を電解質膜の膜厚と定義する。平均値と各膜厚測定値との差分をそれぞれ求め、最大値および最小値を決める。最大値と最小値をそれぞれ平均値で割り返して、100を掛けた値を膜厚ばらつきとする。電解質膜がロール状である場合、TD方向は、両端部およびTD辺を等分した後の辺長さが3cm未満となるようにn等分したそれぞれの点を測定し、上記と同様に算出する。MD方向は、電解質膜の始めと終わり、MDロール長さを等分した後の各長さが、1m未満となるようにn等分したそれぞれの点を測定し、上記と同様に算出する。 For the film thickness variation, for example, when the electrolyte membrane is in the form of a sheet, the four corners, the points where each side is divided into n equal parts so that the side length after equal division is less than 3 cm, and the central part are measured, and they are measured. Find the average value of. The average value is defined as the film thickness of the electrolyte membrane. Obtain the difference between the average value and each film thickness measurement value, and determine the maximum and minimum values. The maximum value and the minimum value are each divided by the average value, and the value multiplied by 100 is used as the film thickness variation. When the electrolyte membrane is roll-shaped, the TD direction is calculated in the same manner as above by measuring each point divided into n equal parts so that the side length after equal division of both ends and the TD side is less than 3 cm. To do. The MD direction is calculated in the same manner as above by measuring the start and end of the electrolyte membrane and each point obtained by equally dividing the MD roll length into n equal parts so that the length is less than 1 m.

(5)純度の測定方法
下記条件のガスクロマトグラフィー(GC)により定量分析した。
カラム:DB−5(J&W社製) L=30m Φ=0.53mm D=1.50μm
キャリヤー:ヘリウム(線速度=35.0cm/sec)
分析条件
Inj.temp.; 300℃
Detct.temp.; 320℃
Oven; 50℃×1min
Rate; 10℃/min
Final; 300℃×15min
SP ratio; 50:1
(6)核磁気共鳴スペクトル(NMR)
下記の測定条件で、H−NMRの測定を行い、構造確認、およびイオン性基を含有するセグメント(A1)とイオン性基を含有しないセグメント(A2)のモル組成比の定量を行った。該モル組成比は、8.2ppm(ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン由来)と6.5〜8.0ppm(ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを除く全芳香族プロトン由来)に認められるピークの積分値から算出した。
(5) Purity measurement method Quantitative analysis was performed by gas chromatography (GC) under the following conditions.
Column: DB-5 (manufactured by J & W) L = 30m Φ = 0.53mm D = 1.50μm
Carrier: Helium (linear velocity = 35.0 cm / sec)
Analytical conditions Inj. temperature. 300 ° C
Dect. temperature. 320 ° C
Oven; 50 ° C x 1 min
Rate; 10 ° C / min
Final; 300 ° C x 15 min
SP ratio; 50: 1
(6) Nuclear magnetic resonance spectrum (NMR)
Under the following measurement conditions, 1 1 H-NMR measurement was carried out, the structure was confirmed, and the molar composition ratio of the segment containing an ionic group (A1) and the segment not containing an ionic group (A2) was quantified. The molar composition ratios were 8.2 ppm (derived from disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone) and 6.5-8.0 ppm (derived from total aromatic protons excluding disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone). It was calculated from the integrated value of the recognized peaks.

装置 :日本電子社製EX−270
共鳴周波数 :270MHz(H−NMR)
測定温度 :室温
溶解溶媒 :DMSO−d6
内部基準物質:TMS(0ppm)
積算回数 :16回
(7)引張強伸度測定
検体となる高分子電解質膜を25℃、60%RHに24時間放置した後、装置にセットし、以下の条件にて引張強伸度測定を行った。引張強伸度は、試験回数5回の平均値で算出した。
Equipment: EX-270 manufactured by JEOL Ltd.
Resonance frequency: 270 MHz ( 1 1 H-NMR)
Measurement temperature: Room temperature Dissolving solvent: DMSO-d6
Internal reference material: TMS (0 ppm)
Number of integrations: 16 times (7) Tensile strength / elongation measurement After leaving the polymer electrolyte membrane as a sample at 25 ° C. and 60% RH for 24 hours, set it in the device and measure the tensile strength / elongation under the following conditions. went. The tensile strength and elongation was calculated as an average value of 5 tests.

測定装置: SV−201型引張圧縮試験機(今田製作所製)
荷重:50N
引張り速度:10mm/min
試験片:幅5mm×長さ50mm
サンプル間距離:20mm
試験温度:25℃、60%RH
試験数:n=5
(8)水素透過度測定
検体となる高分子電解質膜を境にして、片方には、水素ガスを供給し、もう片方を真空排気することで、圧力差を与え、水素ガスを透過させた。水素ガスが定常状態になった後に真空排気を止め、そのときより時間tの間に電解質膜を透過した水素ガスを計量管に貯えた。貯えたガスを熱伝導型検出器により、定量し、水素ガスに関する透過度Pを下式より求めた。
Measuring device: SV-201 type tensile compression tester (manufactured by Imada Seisakusho)
Load: 50N
Tensile speed: 10 mm / min
Specimen: width 5 mm x length 50 mm
Distance between samples: 20 mm
Test temperature: 25 ° C, 60% RH
Number of tests: n = 5
(8) Hydrogen permeability measurement With the polymer electrolyte membrane as a sample as a boundary, hydrogen gas was supplied to one side and the other side was evacuated to give a pressure difference to allow hydrogen gas to permeate. After the hydrogen gas became a steady state, the vacuum exhaust was stopped, and the hydrogen gas that had permeated the electrolyte membrane was stored in the measuring tube within the time t from that time. The stored gas was quantified by a thermal conductivity detector, and the transmittance P for hydrogen gas was calculated from the following formula.

Q=P×L×(p−p)/L×A×t
ここで、Qは水素ガス透過量(cm)、Pは水素ガス透過度、pは水素ガスの高圧側圧力、pは水素ガスの低圧側圧力=0、Lは電解質膜の厚み(cm)、Aは電解質膜における水素ガスの透過面積(cm)、tは透過ガスを貯蔵する時間(透過時間)(s)を表す。
Q = P × L × (p hpl ) / L × A × t
Here, Q is the hydrogen gas permeation amount (cm 3 ), P is the hydrogen gas permeability, ph is the high pressure side pressure of the hydrogen gas, pl is the low pressure side pressure of the hydrogen gas = 0, and L is the thickness of the electrolyte film (L). cm), A represents the permeation area of hydrogen gas in the electrolyte membrane (cm 2 ), and t represents the time (permeation time) (s) for storing the permeated gas.

測定条件は以下のとおり。 The measurement conditions are as follows.

装置:GTRテック(株)製差圧式ガス透過率測定システム
測定温度:80℃
湿度:90%
試験ガス:乾燥水素と水蒸気の混合ガス
水素ガス分圧:44cmHg
ガス透過面積:15.2cm
測定n数:2
(9)カール性
電解質膜を基材つきのまま、20cm角に切り出して水平面に置き、温度23℃±5℃、湿度50%±5%の調温調湿雰囲気下に24時間静置後、カールにより反り上がった電解質膜端部と水平面との距離=カール性を計測する。
Equipment: Differential pressure type gas permeability measurement system manufactured by GTR Tech Co., Ltd. Measurement temperature: 80 ° C
Humidity: 90%
Test gas: Mixed gas of dry hydrogen and water vapor Hydrogen gas Partial pressure: 44 cmHg
Gas permeation area: 15.2 cm 2
Number of measured n: 2
(9) Curling property The electrolyte membrane is cut into 20 cm squares with the base material attached, placed on a horizontal surface, and allowed to stand in a temperature-controlled humidity atmosphere with a temperature of 23 ° C. ± 5 ° C. and a humidity of 50% ± 5% for 24 hours, and then curled. Measure the distance = curl property between the edge of the electrolyte membrane and the horizontal plane.

(10)触媒層付電解質膜(CCM)の作 (10) made work of the catalyst layer with electrolyte membrane (CCM)

田中貴金属工業株式会社製白金触媒TEC10E50Eとデュポン(DuPont)社製ナフィオン(登録商標)”(”Nafion(登録商標)”)を2:1の重量比となるように調整した触媒インクを市販のテフロン(登録商標)フィルムに白金量が0.3mg/cmCommercially available Teflon is a catalyst ink prepared by adjusting the platinum catalyst TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. and Nafion (registered trademark) "(" Nafion (registered trademark) ") manufactured by DuPont to a weight ratio of 2: 1. (Registered trademark) The amount of platinum on the film is 0.3 mg / cm 2 となるように塗布し、触媒層転写フィルムA100を作製した。The catalyst layer transfer film A100 was prepared.

この触媒層転写フィルムを5cm角にカットしたものを1対準備し、評価する高分子電解質膜を挟むように対向して重ね合わせ、加圧した状態から昇温させて、150℃、5MPaで3分間加熱プレスを行い、加圧した状態で40℃以下まで降温させてから圧力を開放し、電気化学式水素ポンプ用触媒層付電解質膜を得た。A pair of catalyst layer transfer films cut into 5 cm squares are prepared, laminated so as to sandwich the polymer electrolyte membrane to be evaluated, and the temperature is raised from the pressurized state to 3 at 150 ° C. and 5 MPa. A heating press was performed for 1 minute, the temperature was lowered to 40 ° C. or lower in a pressurized state, and then the pressure was released to obtain an electrolyte membrane with a catalyst layer for an electrochemical hydrogen pump.

(12)剥離強度測定(12) Peeling strength measurement

記触媒層転写フィルムA100と高分子電解質膜をそれぞれ20cm角にカットしたものを対向して重ね合わせ、加圧した状態から昇温させて、150℃、5MPaで3分間加熱プレスを行い、加圧した状態で40℃以下まで降温させてから圧力を開放し、テフロン(登録商標)フィルムを剥がした。 Superimposed to face those cuts before Symbol catalyst layer transfer film A100 and the polymer electrolyte membrane to 20cm square each, was warmed from pressurized state, 0.99 ° C., for 3 minutes thermally pressed at 5 MPa, pressing The temperature was lowered to 40 ° C. or lower in the pressurized state, the pressure was released, and the Teflon (registered trademark) film was peeled off .

そのテフロンフィルムを剥がした面に5cm×15cmの別のテフロンシートと20cm角にカットした電解質膜を順に20cmの辺が端部にそろうように重ね合わせ、再度加圧した状態から昇温させて、150℃、5MPaで3分間加熱プレスを行い、加圧した状態で40℃以下まで降温させてから圧力を開放し、剥離強度測定用触媒層付電解質膜を得た。On the surface from which the Teflon film was peeled off, another Teflon sheet of 5 cm × 15 cm and an electrolyte membrane cut into 20 cm squares were laminated in order so that the 20 cm sides were aligned with the edges, and the temperature was raised again from the pressurized state. A heating press was performed at 150 ° C. and 5 MPa for 3 minutes, the temperature was lowered to 40 ° C. or lower in a pressurized state, and then the pressure was released to obtain an electrolyte membrane with a catalyst layer for measuring peel strength.

さらに前記触媒層転写フィルムA200についても、同様にして剥離強度測定用触媒層付電解質膜を得た。Further, for the catalyst layer transfer film A200, an electrolyte membrane with a catalyst layer for measuring peel strength was obtained in the same manner.

間に挟んだテフロンフィルムを除去し、テフロンフィルムを挟まなかった部分と挟んだRemove the Teflon film sandwiched between them, and sandwich it with the part where the Teflon film was not sandwiched.
部分がともに含まれるよう、25mm幅×20cmの短冊に切った。It was cut into strips of 25 mm width x 20 cm so that both parts were included.

テフロンフィルムを挟んだために電解質膜と触媒層が密着していない部分を引張試験器(A&D社製、テンシロンRTG−1210)の上下のチャックに挟み、JIS K 6854−3に従いT形剥離試験を行い密着部分の剥離強度を測定した。The part where the electrolyte membrane and the catalyst layer are not in close contact with each other due to the Teflon film being sandwiched is sandwiched between the upper and lower chucks of a tensile tester (A & D, Tencilon RTG-1210), and a T-shaped peeling test is performed according to JIS K 6854-3. The peel strength of the close contact portion was measured.

(13)水素圧縮評価 (13) Hydrogen compression evaluation
前記電気化学式水素ポンプ用膜電極接合体を英和(株)製 JARI標準セル“Ex−1”(電極面積25cm The membrane electrode assembly for an electrochemical hydrogen pump is a JARI standard cell "Ex-1" manufactured by Eiwa Co., Ltd. (electrode area 25 cm). 2 )にセットし、セル温度40℃とし、一方の電極(水素供給極:カソード)に100%RHに加湿した水素を大気圧で1L/minの流速で供給した。), The cell temperature was set to 40 ° C., and hydrogen humidified to 100% RH was supplied to one electrode (hydrogen supply electrode: cathode) at atmospheric pressure at a flow rate of 1 L / min.

もう一方の電極(水素圧縮極:アノード)は、背圧弁にて圧力を制御可能な構造とし、The other electrode (hydrogen compressed electrode: anode) has a structure in which the pressure can be controlled by a back pressure valve.
評価前は大気圧となるように100%RHの窒素ガスでパージした。Before the evaluation, it was purged with 100% RH nitrogen gas so that the pressure became atmospheric pressure.

合成例1:ブロックコポリマーb1の合成Synthesis Example 1: Synthesis of block copolymer b1

下記一般式(G1)で表される2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−
ジオキソラン(K−DHBP)の合成)
( 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3- represented by the following general formula (G1)
Synthesis of dioxolane (K-DHBP))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

攪拌器、温度計及び留出管を備えた500mLフラスコに、4,4′−ジヒドロキシベンゾフェノン(DHBP)49.5g、エチレングリコール134g、オルトギ酸トリメチル96.9g及びp−トルエンスルホン酸一水和物0.50gを仕込み溶解する。その後78〜82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液100mLで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80mLを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソラン52.0gを得た。この結晶をGC分析したところ99.8%の2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジオキソランと0.2%の4,4′−ジヒドロキシベンゾフェノンであった。 49.5 g of 4,4'-dihydroxybenzophenone (DHBP), 134 g of ethylene glycol, 96.9 g of trimethyl orthoformate and p-toluenesulfonic acid monohydrate in a 500 mL flask equipped with a stirrer, thermometer and distillate. Add 0.50 g and dissolve. Then, the mixture was kept warm and stirred at 78 to 82 ° C. for 2 hours. Further, the internal temperature was gradually raised to 120 ° C., and the mixture was heated until the distillation of methyl formate, methanol and trimethyl orthoformate was completely stopped. After cooling the reaction solution to room temperature, the reaction solution was diluted with ethyl acetate, the organic layer was washed with 100 mL of a 5% potassium carbonate aqueous solution, separated, and then the solvent was distilled off. 80 mL of dichloromethane was added to the residue to precipitate crystals, which were filtered and dried to obtain 52.0 g of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane. GC analysis of this crystal revealed 99.8% 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-dioxolane and 0.2% 4,4'-dihydroxybenzophenone.

(下記一般式(G2)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成) (Synthesis of disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the following general formula (G2))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1g(アルドリッチ試薬)を発煙硫酸(50%SO3)150mL(和光純薬試薬)中、100℃で10時間反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記一般式(G2)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。構造はH−NMRで確認した。不純物はキャピラリー電気泳動(有機物)およびイオンクロマトグラフィー(無機物)で定量分析を行った。 109.1 g (Aldrich reagent) of 4,4'-difluorobenzophenone was reacted in 150 mL (Wako Pure Chemicals reagent) of fuming sulfuric acid (50% SO3) at 100 ° C. for 10 hours. Then, it was gradually added to a large amount of water, neutralized with NaOH, and then 200 g of salt was added to precipitate the synthetic product. The obtained precipitate was separated by filtration and recrystallized from an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the above general formula (G2). The purity was 99.3%. The structure was confirmed by 1 1 H-NMR. Impurities were quantitatively analyzed by capillary electrophoresis (organic matter) and ion chromatography (inorganic matter).

(下記一般式(G3)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1’の合成) (Synthesis of oligomer a1'containing no ionic group represented by the following general formula (G3))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

(式(G3)中、mは正の整数を表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム16.59g(アルドリッチ試薬、120mmol)、K−DHBP 25.8g(100mmol)および4,4’−ジフルオロベンゾフェノン20.3g(アルドリッチ試薬、93mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中にて160℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のメタノールで再沈殿することで精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマーa1(末端OM基、なおOM基のMはNaまたはKを表し、これ以降の表記もこれに倣う。)を得た。数平均分子量は10000であった。
(In equation (G3), m represents a positive integer.)
16.59 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 120 mmol), 25.8 g of K-DHBP (100 mmol) and 4,4'-difluorobenzophenone 20. In a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, nitrogen introduction tube and Dean-Stark trap. 3 g (Aldrich reagent, 93 mmol) was added, and after nitrogen substitution, dehydration was performed in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene at 160 ° C., the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was performed at 180 ° C. for 1 hour. .. Purification is performed by reprecipitation with a large amount of methanol to obtain an oligomer a1 containing no ionic group (terminal OM group, M of OM group represents Na or K, and the notation thereafter follows this). It was. The number average molecular weight was 10,000.

かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム1.1g(アルドリッチ試薬、8mmol)、イオン性基を含有しない前記オリゴマーa1(末端OM基)を20.0g(2mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、シクロヘキサン30mL中にて100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサン除去し、デカフルオロビフェニル4.0g(アルドリッチ試薬、12mmol)を入れ、105℃で1時間反応を行った。多量のメタノールで再沈殿することで精製を行い、前記式(G3)で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端フルオロ基)を得た。数平均分子量は11000であり、イオン性基を含有しないオリゴマーa1’の数平均分子量は、リンカー部位(分子量630)を差し引いた値10400と求められた。 In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, 1.1 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 8 mmol) and 20.0 g of the oligomer a1 (terminal OM group) containing no ionic group (terminal OM group). 2 mmol) is added, and after nitrogen substitution, dehydration is performed in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane at 100 ° C., the temperature is raised to remove cyclohexane, and 4.0 g of decafluorobiphenyl (Aldrich reagent, 12 mmol) is added. And the reaction was carried out at 105 ° C. for 1 hour. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of methanol to obtain an oligomer a1'(terminal fluoro group) containing no ionic group represented by the above formula (G3). The number average molecular weight was 11000, and the number average molecular weight of the oligomer a1'containing no ionic group was determined to be a value of 10400 after subtracting the linker moiety (molecular weight 630).

(下記一般式(G4)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa2の合成) (Synthesis of oligomer a2 containing an ionic group represented by the following general formula (G4))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

(式(G4)において、Mは、NaまたはKを表す。)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた1000mL三口フラスコに、炭酸カリウム27.6g(アルドリッチ試薬、200mmol)、K−DHBP 12.9g(50mmol)および4,4’−ビフェノール9.3g(アルドリッチ試薬、50mmol)、ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン40.6g(96mmol)、および18−クラウン−6エーテル17.9g(和光純薬、82mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)300mL、トルエン100mL中にて170℃で脱水後、昇温してトルエン除去、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、前記式(G4)で示されるイオン性基を含有するオリゴマーa2(末端OM基)を得た。数平均分子量は29000であった。
(In formula (G4), M represents Na or K.)
27.6 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 200 mmol), 12.9 g of K-DHBP (50 mmol) and 9.3 g of 4,4'-biphenol in a 1000 mL three-necked flask equipped with a stirrer, nitrogen introduction tube and Dean-Stark trap. (Aldrich Reagent, 50 mmol), disodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone 40.6 g (96 mmol), and 18-crown-6 ether 17.9 g (Wako Pure Chemicals, 82 mmol) were added. After nitrogen substitution, dehydration was carried out in 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene at 170 ° C., the temperature was raised to remove toluene, and polymerization was carried out at 180 ° C. for 1 hour. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an oligomer a2 (terminal OM group) containing an ionic group represented by the above formula (G4). The number average molecular weight was 29000.

(イオン性基を含有するセグメント(A1)としてオリゴマーa2、イオン性基を含有しないセグメント(A2)としてオリゴマーa1、リンカー部位としてオクタフルオロビフェニレンを含有するポリケタールケトン(PKK)系ブロックコポリマーb1の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean−Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム0.56g(アルドリッチ試薬、4mmol)、イオン性基を含有するオリゴマーa2(末端OM基)を29g(1mmol)を入れ、窒素置換後、N−メチルピロリドン(NMP)100mL、トルエン30mL中にて100℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、イオン性基を含有しないオリゴマーa1’(末端フルオロ基)11g(1mmol)を入れ、105℃で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、ブロックコポリマーb1を得た。重量平均分子量は40万であった。
(Synthesis of Polyketal Ketone (PKK) -based block copolymer b1 containing oligomer a2 as a segment (A1) containing an ionic group, oligomer a1 as a segment (A2) not containing an ionic group, and octafluorobiphenylene as a linker moiety. )
In a 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen introduction tube, and a Dean-Stark trap, add 0.56 g of potassium carbonate (Aldrich reagent, 4 mmol) and 29 g (1 mmol) of oligomer a2 (terminal OM group) containing an ionic group. After adding and substituting with nitrogen, dehydrate in 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of toluene at 100 ° C., then raise the temperature to remove toluene, and 11 g of oligomer a1'(terminal fluoro group) containing no ionic group (terminal fluoro group). 1 mmol) was added, and the reaction was carried out at 105 ° C. for 24 hours. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain block copolymer b1. The weight average molecular weight was 400,000.

ブロックコポリマーb1は、イオン性基を含有するセグメント(A1)として、前記一般式(S1)で表される構成単位を50モル%、イオン性基を含有しないセグメント(A2)として、前記一般式(S2)で表される構成単位を100モル%含有していた。 The block copolymer b1 contains 50 mol% of the structural unit represented by the general formula (S1) as the segment (A1) containing an ionic group, and the segment (A2) containing no ionic group as the general formula (S1). It contained 100 mol% of the structural unit represented by S2).

ブロックコポリマーb1そのものを高分子電解質膜としたときの、中和滴定から求めたイオン交換容量は2.1meq/g、H−NMRから求めたモル組成比(A1/A2)は、56モル/44モル=1.27、ケタール基の残存は認められなかった。 When the block copolymer b1 itself is used as a polymer electrolyte membrane, the ion exchange capacity determined by neutralization titration is 2.1 meq / g, and the molar composition ratio (A1 / A2) determined from 1 H-NMR is 56 mol / g. 44 mol = 1.27, no residual ketal group was observed.

合成例2
(下記式(G5)で表される疎水性オリゴマ−a3の合成)
Synthesis example 2
(Synthesis of hydrophobic oligomer-a3 represented by the following formula (G5))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル49.4g(0.29mol)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン88.4g(0.26mol)、炭酸カリウム47.3g(0.34mol)をはかりとった。 49.4 g (0.29 mol), 2,2-bis (0.29 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile in a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a cooling tube, a Dean-Stark tube, and a three-way cock for introducing nitrogen. 4-Hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane 88.4 g (0.26 mol) and potassium carbonate 47.3 g (0.34 mol) were weighed.

窒素置換後、スルホラン346mL、トルエン173mLを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、150℃に加熱還流させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、200℃で3時間反応を続けた。次に、2,6−ジクロロベンゾニトリル12.3g(0.072mol)を加え、さらに5時間反応した。 After nitrogen substitution, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred. The flask was placed in an oil bath and heated to reflux at 150 ° C. When the water produced by the reaction was azeotroped with toluene and the reaction was carried out while removing it from the system with a Dean-Stark tube, almost no water production was observed in about 3 hours. After removing most of the toluene while gradually increasing the reaction temperature, the reaction was continued at 200 ° C. for 3 hours. Next, 12.3 g (0.072 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further carried out for 5 hours.

得られた反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を2Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解した。これをメタノール2Lに再沈殿し、目的のオリゴマーa3 107gを得た。オリゴマーa3の数平均分子量は7,400であった。 The obtained reaction solution was allowed to cool, and then 100 mL of toluene was added to dilute it. The precipitate of the by-produced inorganic compound was removed by filtration, and the filtrate was put into 2 L of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 2 L of methanol to obtain 107 g of the target oligomer a3. The number average molecular weight of the oligomer a3 was 7,400.

合成例3
(下記式(G6)で表される親水性モノマーa4の合成)
Synthesis example 3
(Synthesis of hydrophilic monomer a4 represented by the following formula (G6))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

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

2,2−ジメチル−1−プロパノール(ネオペンチルアルコール)38.8g(440mmol)をピリジン300mLに加え、約10℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約30分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに30分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水1000mL中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、下記構造式で表される3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチルa4の白色結晶を得た。 38.8 g (440 mmol) of 2,2-dimethyl-1-propanol (neopentyl alcohol) was added to 300 mL of pyridine and cooled to about 10 ° C. The crude crystals obtained above were gradually added thereto over about 30 minutes. After the total amount was added, the mixture was further stirred for 30 minutes to react. After the reaction, the reaction solution was poured into 1000 mL of hydrochloric acid water, and the precipitated solid was recovered. The obtained solid was dissolved in ethyl acetate, washed with aqueous sodium hydrogen carbonate solution and brine, dried over magnesium sulfate, and ethyl acetate was distilled off to obtain crude crystals. This was recrystallized from methanol to obtain white crystals of neopentyl a4 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate represented by the following structural formula.

合成例4:ブロックコポリマーb2の合成
(下記式(G7)で表されるポリアリーレン系ブロックコポリマーb2の合成)
Synthesis Example 4: Synthesis of block copolymer b2 (Synthesis of polyarylene-based block copolymer b2 represented by the following formula (G7))

Figure 0006826305
Figure 0006826305

撹拌機、温度計、窒素導入管を接続した1Lの3口フラスコに、乾燥したN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)166mLを合成例2で合成した疎水性オリゴマー13.4g(1.8mmol)、合成例3で合成した3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル37.6g(93.7mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.62g(4.0mmol)、トリフェニルホスフィン10.5g(40.1mmol)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0mmol)、亜鉛15.7g(240.5mmol)の混合物中に窒素下で加えた。 13.4 g (1.8 mmol) of a hydrophobic oligomer obtained by synthesizing 166 mL of dried N, N-dimethylacetamide (DMAc) in Synthesis Example 2 in a 1 L three-necked flask connected to a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. 37.6 g (93.7 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, 2.62 g (4.0 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, triphenylphosphine 10 synthesized in Synthesis Example 3. It was added under nitrogen to a mixture of 5.5 g (40.1 mmol), sodium iodide 0.45 g (3.0 mmol) and zinc 15.7 g (240.5 mmol).

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には82℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc175mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い濾過した。撹拌機を取り付けた1Lの3つ口で、この濾液に臭化リチウム24.4g(281ミリモル)を1/3ずつ3回に分け1時間間隔で加え、120℃で5時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4Lに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N硫酸1500mLで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物は洗浄液のpHが5以上となるまで、イオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的のブロックコポリマーb2 38.0gを得た。このブロックコポリマーの重量平均分子量は17万であった。 The reaction system was heated under stirring (finally heated to 82 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 175 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filtration aid. Add 24.4 g (281 mmol) of lithium bromide to this filtrate in 3 portions of 1/3 at 1 hour intervals with 3 mouths of 1 L equipped with a stirrer, and add at 120 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. It was reacted. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 L of acetone, and solidified. The coagulated product was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, and washed with 1500 mL of 1N sulfuric acid while stirring. After filtration, the product was washed with ion-exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight to obtain 38.0 g of the target block copolymer b2. The weight average molecular weight of this block copolymer was 170,000.

ブロックコポリマーb2そのものを高分子電解質膜としたときの、中和滴定から求めたイオン交換容量は2.5meq/gであった。 When the block copolymer b2 itself was used as a polymer electrolyte membrane, the ion exchange capacity obtained from the neutralization titration was 2.5 meq / g.

合成例5:
(下記式(G9)で表されるセグメントと下記式(G10)で表されるセグメントからなるリエーテルスルホン(PES)系ブロックコポリマー前駆体b3’の合成)
無水塩化ニッケル1.62gとジメチルスルホキシド15mLとを混合し、70℃に調整した。これに、2,2’−ビピリジル2.15gを加え、同温度で10分撹拌し、ニッケル含有溶液を調製した。
Synthesis example 5:
(Synthesis of ether sulfone (PES) -based block copolymer precursor b3'consisting of a segment represented by the following formula (G9) and a segment represented by the following formula (G10))
1.62 g of anhydrous nickel chloride and 15 mL of dimethyl sulfoxide were mixed and adjusted to 70 ° C. To this, 2.15 g of 2,2'-bipyridyl was added, and the mixture was stirred at the same temperature for 10 minutes to prepare a nickel-containing solution.

ここに、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2−ジメチルプロピル)1.49gと下記式(G8)で示される、スミカエクセルPES5200P(住友化学社製、Mn=40,000、Mw=94,000)0.50gとを、ジメチルスルホキシド5mLに溶解させて得られた溶液に、亜鉛粉末1.23gを加え、70℃に調整した。これに前記ニッケル含有溶液を注ぎ込み、70℃で4時間重合反応を行った。反応混合物をメタノール60mL中に加え、次いで、6mol/L塩酸60mLを加え1時間攪拌した。析出した固体を濾過により分離し、乾燥し、灰白色の下記式(G9)と下記式(G10)で表されるセグメントを含むポリアリーレン1.62gを収率99%で得た。重量平均分子量は20万であった。 Here, 1.49 g of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl) and Sumika Excel PES5200P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., Mn = 40,000, Mw = 94) represented by the following formula (G8). To a solution obtained by dissolving 0.50 g of 000) in 5 mL of dimethyl sulfoxide, 1.23 g of zinc powder was added to adjust the temperature to 70 ° C. The nickel-containing solution was poured into the solution, and a polymerization reaction was carried out at 70 ° C. for 4 hours. The reaction mixture was added to 60 mL of methanol, then 60 mL of 6 mol / L hydrochloric acid was added, and the mixture was stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration and dried to obtain 1.62 g of a grayish white polyarylene containing the segments represented by the following formulas (G9) and the following formula (G10) in a yield of 99%. The weight average molecular weight was 200,000.

Figure 0006826305
Figure 0006826305

合成例6:ブロックコポリマーb3の合成
(式(G10)で表されるセグメントと下記式(G11)で表されるセグメントからなるPES系ブロックコポリマーb3の合成)
合成例5で得られたブロックコポリマー前駆体b3’0.23gを、臭化リチウム1水和物0.16gとN−メチル−2−ピロリドン8mLとの混合溶液に加え、120℃で24時間反応させた。反応混合物を、6mol/L塩酸80mL中に注ぎ込み、1時間撹拌した。析出した固体を濾過により分離した。分離した固体を乾燥し、灰白色の式(G10)で示されるセグメントと下記式(G11)で表されるセグメントからなるブロックコポリマーb3を得た。得られたポリアリーレンの重量平均分子量は18万であった。
Synthesis Example 6: Synthesis of block copolymer b3 (Synthesis of PES-based block copolymer b3 consisting of a segment represented by the formula (G10) and a segment represented by the following formula (G11))
0.23 g of the block copolymer precursor b3 '20 obtained in Synthesis Example 5 is added to a mixed solution of 0.16 g of lithium bromide monohydrate and 8 mL of N-methyl-2-pyrrolidone, and reacted at 120 ° C. for 24 hours. I let you. The reaction mixture was poured into 80 mL of 6 mol / L hydrochloric acid and stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration. The separated solid was dried to obtain a block copolymer b3 composed of a grayish white segment represented by the formula (G10) and a segment represented by the following formula (G11). The weight average molecular weight of the obtained polyarylene was 180,000.

ブロックコポリマーb3そのものを高分子電解質膜としたときの、中和滴定から求めたイオン交換容量は2.0meq/gであった。 When the block copolymer b3 itself was used as a polymer electrolyte membrane, the ion exchange capacity obtained from the neutralization titration was 2.0 meq / g.

Figure 0006826305
Figure 0006826305

[実施例1]
合成例1にて得た22gのブロックコポリマーb1を80gのNMPに添加し、撹拌機で20,000rpm、3分間撹拌しポリマー濃度22質量%の透明な溶液を得た。ポリマーの溶解性は極めて良好であった。得られた溶液を、ガラス繊維フィルターを用いて加圧ろ過後、250μmのPETロール基材上に流延塗布し、150℃にて20分乾燥後、窒素下150℃で10分間熱処理し、ロール状のポリケタールケトン膜を得た。95℃、10重量%硫酸水溶液に24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、高分子電解質膜を得た。得られた電解質膜のイオン交換容量は2.1meq/g、膜厚は25μm、カール性は40mmであった。その他、電解質膜の各種物性評価結果を表1に示す。
[Example 1]
22 g of the block copolymer b1 obtained in Synthesis Example 1 was added to 80 g of NMP and stirred with a stirrer at 20,000 rpm for 3 minutes to obtain a transparent solution having a polymer concentration of 22% by mass. The solubility of the polymer was extremely good. The obtained solution is pressure-filtered using a glass fiber filter, cast-coated on a 250 μm PET roll substrate, dried at 150 ° C. for 20 minutes, heat-treated at 150 ° C. under nitrogen for 10 minutes, and rolled. A polyketal ketone film was obtained. It was immersed in a 10 wt% sulfuric acid aqueous solution at 95 ° C. for 24 hours for proton substitution and deprotection reaction, and then immersed in a large excess amount of pure water for 24 hours for thorough washing to obtain a polymer electrolyte membrane. The ion exchange capacity of the obtained electrolyte membrane was 2.1 meq / g, the film thickness was 25 μm, and the curl property was 40 mm. In addition, Table 1 shows the evaluation results of various physical properties of the electrolyte membrane.

得られた高分子電解質膜を使用したMEAを作製し、水素圧縮評価を行った。水素圧縮評価では、1MPaでのセル電圧は0.3Vで、優れた水素圧縮能力を示し、また圧縮後も膜破れはなかった。 Obtained an MEA was produced using the polymer electrolyte membrane was subjected to hydrogen compression evaluation. In the hydrogen compression evaluation, the cell voltage at 1 MPa was 0.3 V, showing excellent hydrogen compression capacity, and there was no film breakage even after compression .

[実施例2]
膜厚を50μm、基材の厚みを500μmにする以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を作製した。
[Example 2]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 1 except that the film thickness was 50 μm and the thickness of the base material was 500 μm.

[実施例3]
膜厚を175μm、基材の厚みを1.2mmにする以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を作製した。
[Example 3]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 1 except that the film thickness was 175 μm and the thickness of the base material was 1.2 mm.

[比較例1]
高分子電解質膜にデュポン(DuPont)社製フッ素系電解質膜 NRE−211CS(膜厚25μm)の各種物性を測定した。水素圧縮評価において、電圧が安定せず、圧縮後に一部膜破れが観測された。
[Comparative Example 1]
Various physical properties of a fluoroelectrolyte membrane NRE-221CS (thickness 25 μm) manufactured by DuPont Co., Ltd. were measured on the polymer electrolyte membrane. In the hydrogen compression evaluation, the voltage was not stable and some film breakage was observed after compression .

[比較例2]
高分子電解質膜にデュポン(DuPont)社製フッ素系電解質膜 NR−212(膜厚50μm)の各種物性を測定した。水素圧縮評価において、電圧が安定せず、圧縮後に一部膜破れが観測された。
[Comparative Example 2]
Various physical properties of a fluoroelectrolyte membrane NR-212 (thickness 50 μm) manufactured by DuPont Co., Ltd. were measured on the polymer electrolyte membrane. In the hydrogen compression evaluation, the voltage was not stable and some film breakage was observed after compression .

[比較例3]
高分子電解質膜にデュポン(DuPont)社製フッ素系電解質膜 N−117(膜厚175μm)の各種物性を測定した。
[Comparative Example 3]
Various physical properties of a fluoroelectrolyte membrane N-117 (film thickness 175 μm) manufactured by DuPont Co., Ltd. were measured on the polymer electrolyte membrane.

[比較例4]
膜厚を30μm、基材の厚みを188μmにする以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を作製した。カール性は92mmであり、膜面にはロール搬送中についた線状のキズが見られたため、電解質膜の物性は測定が困難だった。
[Comparative Example 4]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 1 except that the film thickness was 30 μm and the thickness of the base material was 188 μm. The curl property was 92 mm, and linear scratches on the film surface during roll transfer were observed, so that it was difficult to measure the physical properties of the electrolyte membrane.

[比較例5]
膜厚を10μm、基材の厚みを100μmにする以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を作製した。水素圧縮評価において、電圧が安定せず、圧縮後に一部膜破れが観測された。
[Comparative Example 5]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 1 except that the film thickness was 10 μm and the thickness of the base material was 100 μm. In the hydrogen compression evaluation, the voltage was not stable and some film breakage was observed after compression .

[比較例6]
膜厚を250μm、基材の厚みを2mmにする以外は実施例1と同様の方法により電解質膜を作製した。プロトン伝導度が低く、電気化学式水素ポンプ用の電解質膜として使えなかった。
[Comparative Example 6]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 1 except that the film thickness was 250 μm and the thickness of the base material was 2 mm. Proton conductivity is low and could not use as an electrolyte membrane for electrochemical hydrogen pump.

[比較例7]
ブロックコポリマーb1の代わりにブロックコポリマーb2を使用する以外は、実施例2と同様の方法により電解質膜を作製した。引張破断伸度が低く、電気化学式水素ポンプ用の電解質膜として使えなかった。
[Comparative Example 7]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 2 except that the block copolymer b2 was used instead of the block copolymer b1. Tensile elongation at break is low, it did not use as an electrolyte membrane for electrochemical hydrogen pump.

[比較例8]
ブロックコポリマーb1の代わりにブロックコポリマーb3を使用する以外は、実施例2と同様の方法により電解質膜を作製した。引張破断伸度が低く、電気化学式水素ポンプ用の電解質膜として使えなかった。
[Comparative Example 8]
An electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 2 except that the block copolymer b3 was used instead of the block copolymer b1. Tensile elongation at break is low, it did not use as an electrolyte membrane for electrochemical hydrogen pump.

Figure 0006826305
Figure 0006826305

Claims (1)

基材上に高分子電解質膜前駆体溶液を流延塗布して高分子電解質膜を成形する工程を有する高分子電解質膜の製造方法であって、
前記高分子電解質膜が、
イオン性基含有芳香族炭化水素系ポリマーからなる、電気化学式水素ポンプ用の高分子電解質膜であって:
80℃、相対湿度25%雰囲気下での単位面積当たりのプロトン伝導度が0.12S/cm 以上;
80℃、相対湿度90%の雰囲気下での単位面積当たりのプロトン伝導度が8S/cm 以上;
80℃、相対湿度90%雰囲気下での水素透過度が3.0×10 −7 cm ・(cm ・s・cmHg) −1 以下;
25℃、相対湿度60%の雰囲気下での幅10mmの膜の引張破断強度が100000N以上;
引張破断伸度が150%以上;
膜厚が30μm以上200μm以下であり、
前記基材として下記(式1)を満たす厚みの基材を用いることを特徴とする電気化学式水素ポンプ用の高分子電解質膜の製造方法。
7≦T1/T2≦15(式1)
(T1:基材の厚み、T2:高分子電解質膜の厚み)
Polymer electrolyte membrane precursor solution on a substrate by casting and coating a method for manufacturing a high-molecular electrolyte membrane that having a step of forming a polymer electrolyte membrane,
The polymer electrolyte membrane
A polymer electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump made of an ionic group-containing aromatic hydrocarbon polymer:
Proton conductivity per unit area at 80 ° C. and 25% relative humidity is 0.12 S / cm 2 or more;
Proton conductivity of 8 S / cm 2 or more per unit area in an atmosphere of 80 ° C. and 90% relative humidity ;
Hydrogen permeability in an atmosphere of 80 ° C. and 90% relative humidity is 3.0 x 10-7 cm 3 · (cm 2 · s · cmHg) -1 or less;
The tensile breaking strength of a film having a width of 10 mm under an atmosphere of 25 ° C. and a relative humidity of 60% is 100,000 N or more;
Tensile breaking elongation is 150% or more;
The film thickness is 30 μm or more and 200 μm or less.
A method for producing a polymer electrolyte membrane for an electrochemical hydrogen pump, which comprises using a base material having a thickness satisfying the following (formula 1) as the base material.
7 ≦ T1 / T2 ≦ 15 (Equation 1)
(T1: Thickness of base material, T2: Thickness of polymer electrolyte membrane)
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