JPWO2010047329A1 - Organic-inorganic composite electrolyte, electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

本発明は、固体高分子型燃料電池に使用する電解質膜を作製するのに適した、有機−無機複合電解質等に関する。近年、エネルギー及び環境問題の抜本的解決策として、固体高分子型燃料電池が注目されているが、前記燃料電池が実用化され普及していくには、低湿条件下でもイオン伝導性が高い電解質膜が必要である。一般に、低湿条件下でのイオン伝導性の向上には、イオン伝導性基の量の増加が有効であるとされているが、イオン伝導性基の増加に伴い、機械的耐久性が低下する等の問題があった。本発明は、前記電解質に、互いに相分離する重合体ブロック(A)及び(B)を構成成分とするブロック共重合体であって、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有し、重合体ブロック(B)は柔軟相を形成し、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在するブロック共重合体、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質を使用すること等で、上記問題の解決を図ったものである。The present invention relates to an organic-inorganic composite electrolyte and the like suitable for producing an electrolyte membrane used for a polymer electrolyte fuel cell. In recent years, polymer electrolyte fuel cells have attracted attention as a fundamental solution to energy and environmental problems. In order for the fuel cells to be put into practical use and spread, electrolytes having high ion conductivity even under low humidity conditions. A membrane is required. In general, an increase in the amount of ion-conductive groups is considered effective for improving ion conductivity under low-humidity conditions, but mechanical durability decreases as the number of ion-conductive groups increases. There was a problem. The present invention is a block copolymer comprising, as constituent components, polymer blocks (A) and (B) that are phase-separated from each other in the electrolyte, and the polymer block (A) has an ion conductive group, A composition comprising a block copolymer in which a polymer block (B) forms a flexible phase, an ion conductive group is substantially present only in the polymer block (A), and a metal phosphate having ion conductivity The above-mentioned problems are solved by using an electrolyte made of, for example.

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に使用する電解質膜を作製するのに適した電解質であって、低湿状態における低抵抗(=低電気抵抗)及び高出力を実現可能であると共に、メタノールを燃料とした直接メタノール型燃料電池(DMFC;Direct Methanol Fuel Cell)においてメタノールバリア性に優れ、高出力を実現可能であり、なおかつ柔軟性及び成形性に優れた電解質膜を作製するのに適した電解質、該電解質からなる電解質膜、並びに該電解質膜を使用した膜―電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention is an electrolyte suitable for producing an electrolyte membrane for use in a polymer electrolyte fuel cell, which can realize low resistance (= low electric resistance) and high output in a low humidity state, and methanol. Electrolyte suitable for producing an electrolyte membrane excellent in methanol barrier property, capable of realizing high output in a direct methanol fuel cell (DMFC) as a fuel, capable of realizing high output, and excellent in flexibility and moldability The present invention relates to an electrolyte membrane composed of the electrolyte, a membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane, and a solid polymer fuel cell.

本発明は、また、別の一面/態様において、固体高分子型燃料電池に使用する電解質膜を作製するのに適した電解質であって、高温低湿度条件下においても低抵抗及び高出力を実現可能であると共に、柔軟性及び成形性に優れた電解質膜を作製するのに適した電解質、該電解質からなる電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜―電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。   In another aspect / mode, the present invention is an electrolyte suitable for producing an electrolyte membrane for use in a polymer electrolyte fuel cell, and realizes low resistance and high output even under high temperature and low humidity conditions. Electrolyte suitable for producing an electrolyte membrane excellent in flexibility and moldability, electrolyte membrane comprising the electrolyte, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell using the electrolyte membrane About.

近年、エネルギー及び/又は環境問題の抜本的解決策として、さらには将来の水素エネルギー時代の中心的エネルギー変換システムとして、燃料電池技術が注目されている。特に水素を燃料に用いた固体高分子型燃料電池(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、小型軽量化が可能であるなどの理由から、電気自動車用の駆動電源や携帯機器用の電源としての利用、さらに電気と熱を同時利用する家庭据置き用の電源機器などへの適用が検討されている。   In recent years, fuel cell technology has attracted attention as a fundamental solution to energy and / or environmental problems and as a central energy conversion system in the future hydrogen energy era. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) using hydrogen as the fuel are used as power sources for electric vehicles and portable devices because they can be reduced in size and weight. Furthermore, application to power supply equipment for home use that simultaneously uses electricity and heat is being studied.

固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、イオン伝導性を有する高分子電解質膜の両側に、白金属の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるイオン伝導性バインダーとを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体(MEA; Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス(例えば空気)を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極(燃料極、アノード)に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極、カソード)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   A polymer electrolyte fuel cell is generally configured as follows. First, catalyst layers containing carbon powder carrying a white metal catalyst and an ion conductive binder made of a polymer electrolyte are formed on both sides of the polymer electrolyte membrane having ion conductivity. A gas diffusion layer, which is a porous material through which fuel gas and oxidant gas are passed, is formed outside each catalyst layer. Carbon paper, carbon cloth, or the like is used as the gas diffusion layer. A structure in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes is bonded to the electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly ( MEA (Mebrane Electrode Assembly). On both sides of this membrane-electrode assembly, separators having electrical conductivity and airtightness are disposed. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas (for example, air) to the electrode surface is formed in a contact portion of the membrane-electrode assembly and the separator or in the separator. Electric power is generated by supplying a fuel gas such as hydrogen or methanol to one electrode (fuel electrode, anode) and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode, cathode). That is, at the fuel electrode, the fuel is ionized to produce protons and electrons, the protons pass through the electrolyte membrane, the electrons travel through an external electric circuit formed by connecting both electrodes, and are sent to the oxygen electrode, Water is produced by the reaction. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

固体高分子型燃料電池が実用化され普及していくためには、低湿条件下においても高いイオン伝導性を発現可能な電解質膜が必要となる。固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質膜は、含水することで高いイオン伝導度を発現可能であり、高分子電解質膜の含水量が低減する低湿、無加湿条件下においては、イオン伝導度が低減し、発電時のセル抵抗(=セル電気抵抗)が高くなる問題がある。そのため、高い出力を維持させるためには、燃料電池セルを加湿することが必要となり、装置の大型化及びシステムの煩雑化が課題となっている。また、アノード及びカソードで電気化学反応を担う触媒の触媒活性は、高温であるほど高まることが知られているが、高分子電解質膜の含水状態を保つためには水の沸点以上での運転は困難であり、高性能で安価な燃料電池には低湿状態においても高いイオン伝導度を発現可能な電解質膜が望まれている。一般に、低湿状態におけるイオン伝導度を向上させるためには、高分子電解質膜が有するイオン伝導性基の量を増やすことが有効であることが知られているが、イオン伝導性基の増加に伴い、含水状態における膜強度が低下し、乾燥及び湿潤間での寸法変化が大きくなることから、機械的耐久性が低下する問題がある。   In order for a polymer electrolyte fuel cell to be put into practical use and spread, an electrolyte membrane capable of exhibiting high ion conductivity even under low humidity conditions is required. Polymer electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells can exhibit high ionic conductivity by containing water, and ion conduction under low humidity and non-humidified conditions where the water content of the polymer electrolyte membrane is reduced However, there is a problem that the cell resistance during power generation (= cell electrical resistance) increases. For this reason, in order to maintain a high output, it is necessary to humidify the fuel battery cell, and the increase in the size of the apparatus and the complexity of the system are problems. In addition, it is known that the catalytic activity of the catalyst responsible for the electrochemical reaction at the anode and the cathode increases as the temperature rises. However, in order to maintain the water content of the polymer electrolyte membrane, operation above the boiling point of water is not recommended. An electrolyte membrane capable of expressing high ionic conductivity even in a low-humidity state is desired for a fuel cell that is difficult, high performance, and inexpensive. In general, it is known that increasing the amount of ion-conducting groups in the polymer electrolyte membrane is effective for improving the ionic conductivity in a low-humidity state. Since the film strength in a water-containing state is reduced and the dimensional change between drying and wetting is increased, there is a problem that mechanical durability is lowered.

また、燃料としてメタノールを用いるDMFCでは、運転中にメタノールが電解質膜を透過し、発電性能及び燃料利用効率が低下するメタノールクロスオーバー(MCO;Methanol Cross Over)を低減し得る電解質膜が求められている。しかしながら、従来の高分子電解質膜においては、効率よくプロトン伝導を行うこと、すなわち高分子電解質膜が低セル抵抗であるために水の存在が不可欠であり、DMFC発電中にメタノールが高分子電解質膜に含まれる水部分を透過する。MCOを抑制すると共に、低抵抗を実現するためには、メタノールの透過経路となる含有水が少ない状態、すなわち低湿状態においても高いイオン伝導度を発現可能な電解質膜が望まれている。   In addition, in DMFC using methanol as a fuel, an electrolyte membrane that can reduce methanol crossover (MCO) in which methanol permeates the electrolyte membrane during operation and power generation performance and fuel utilization efficiency are reduced is required. Yes. However, in the conventional polymer electrolyte membrane, it is indispensable to efficiently conduct proton conduction, that is, because the polymer electrolyte membrane has low cell resistance, and methanol is indispensable during DMFC power generation. It penetrates the water part contained in the water. In order to suppress MCO and realize low resistance, an electrolyte membrane that can exhibit high ionic conductivity even in a state where the amount of water contained as a methanol permeation path is small, that is, in a low humidity state, is desired.

また、別の側面において、固体高分子型燃料電池が実用化され普及していくためには、高温低湿度条件下においても、燃料電池発電性能を向上する技術が必要となる。固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質膜は、含水することで高いイオン伝導度を発現可能であり、高分子電解質膜の含水量が低減する低湿、もしくは無加湿条件下においては、イオン伝導度が低減し、発電時のセル抵抗が高くなる問題がある。そのため、高い出力を維持させるためには、燃料電池セルを加湿することが必要となり、装置の大型化、及びシステムの煩雑化が課題となっている。また、アノード、及びカソードで電気化学反応を担う触媒の触媒活性は、高温であるほど高まることが知られているが、高分子電解質膜の含水状態を保つためには水の沸点以上での運転は困難であり、高性能で安価な燃料電池には低湿状態においても高いイオン伝導度を発現可能な電解質膜が望まれている。したがって、高温無加湿条件下においても、高いイオン伝導性を発現し、ひいては燃料電池のセル抵抗低減及び出力向上を実現可能な電解質膜が望まれている。   In another aspect, in order for solid polymer fuel cells to be put into practical use and spread, a technique for improving fuel cell power generation performance even under high temperature and low humidity conditions is required. Polymer electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells can exhibit high ionic conductivity by hydrating them, and in low humidity or non-humidified conditions where the moisture content of the polymer electrolyte membrane is reduced, There is a problem that conductivity is reduced and cell resistance during power generation is increased. For this reason, in order to maintain a high output, it is necessary to humidify the fuel battery cell, and there is a problem of increasing the size of the apparatus and complication of the system. In addition, the catalytic activity of the catalyst responsible for the electrochemical reaction at the anode and the cathode is known to increase as the temperature rises. However, in order to maintain the water-containing state of the polymer electrolyte membrane, operation at a temperature higher than the boiling point of water is required. Therefore, an electrolyte membrane capable of exhibiting high ionic conductivity even in a low humidity state is desired for a high-performance and inexpensive fuel cell. Therefore, there is a demand for an electrolyte membrane that exhibits high ionic conductivity even under high temperature and non-humidified conditions, and thus can achieve reduction in cell resistance and improvement in output of a fuel cell.

一般的に、固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜としては、化学的に安定であるという理由からパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子であるナフィオン(Nafion;デュポン社の登録商標。以下同様)が用いられている。しかしながら、ナフィオンはフッ素系のポリマーであるため、合成及び廃棄時に環境への配慮が必要であり、かつ高価である。そのため、新規な電解質膜の開発が望まれている。   In general, as a polymer electrolyte membrane for a solid polymer fuel cell, Nafion (registered trademark of DuPont), which is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, is used because it is chemically stable. It is used. However, since Nafion is a fluorine-based polymer, environmental considerations are necessary during synthesis and disposal, and it is expensive. Therefore, development of a novel electrolyte membrane is desired.

上記課題を解決すべく、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜に代わり、非フッ素系ポリマーをベースとした高分子電解質膜が多数提案されている。例えば、耐熱性芳香族ポリマーであるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)をスルホン化したもの(特許文献1)、ポリエーテルスルホン(PES)をスルホン化したスルホン化芳香族ポリマー(非特許文献1) 等が挙げられる。一般にスルホン化芳香族ポリマーは高い耐熱性を有することが知られているが、その剛直さ故に、成形性及び機械的耐久性に乏しいという問題がある。また、スルホン化芳香族ポリマーは高効率イオン伝導に水が必要であるため、低湿条件下でのイオン伝導度が不十分という問題がある。   In order to solve the above-mentioned problems, many polymer electrolyte membranes based on non-fluorine polymers have been proposed instead of perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes. For example, sulfonated polyether ether ketone (PEEK) which is a heat-resistant aromatic polymer (Patent Document 1), sulfonated aromatic polymer sulfonated polyether sulfone (PES) (Non-Patent Document 1), etc. Can be mentioned. In general, sulfonated aromatic polymers are known to have high heat resistance, but due to their rigidity, there is a problem of poor moldability and mechanical durability. In addition, since sulfonated aromatic polymers require water for high-efficiency ion conduction, there is a problem that ion conductivity under low humidity conditions is insufficient.

一方、固体電解質としてジルコニアなどの固体酸化物を用いる固体酸化物型燃料電池(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)は、900〜1000℃程度の高温で動作させるために、白金を触媒に用いる必要がなく、また触媒被毒も解消され、高出力が期待できる。しかしながら、動作に高温を必要とするため、装置の大型化が問題となり、可搬型電源又は小型の定置用電源用途への利用は困難であった。上記問題を解決するために、イオン伝導性を有する金属リン酸塩が検討されている。(特許文献2及び非特許文献2)。金属リン酸塩は、実質的にイオン伝導に水を必要としないことに加え、固体酸化物でありながらジルコニアの動作温度より低い温度でイオン伝導性を示すことから、可搬型電源又は小型の定置用電源用途への利用が検討されているが、金属リン酸塩単独では、無機材料特有の剛直性及び脆弱性故に機械的耐久性及び成形性に課題があるため、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)に代表されるフッ素樹脂をバインダーとして用いた複合膜の開発が検討されている。しかしながら、先述したフッ素樹脂との複合膜においては、金属リン酸塩がイオン伝導性を持たないフッ素樹脂で被覆されるため、高いイオン伝導度を発現するためには、金属リン酸塩の質量比を高めざるを得ず、バインダーであるフッ素樹脂の質量比が低下することに伴い膜の強度が低下するため、イオン伝導度と膜強度を両立する電解質膜を作製するのは困難である。   On the other hand, since a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide such as zirconia as a solid electrolyte is operated at a high temperature of about 900 to 1000 ° C., it is not necessary to use platinum as a catalyst. In addition, catalyst poisoning is eliminated and high output can be expected. However, since a high temperature is required for the operation, the enlargement of the apparatus becomes a problem, and it is difficult to use the portable power source or a small stationary power source. In order to solve the above problems, metal phosphates having ion conductivity have been studied. (Patent Literature 2 and Non-Patent Literature 2). In addition to virtually no water required for ionic conduction, metal phosphates exhibit solid ionic conductivity at a temperature below the operating temperature of zirconia while being a solid oxide. However, the use of metal phosphate alone has problems in mechanical durability and formability due to the rigidity and brittleness inherent in inorganic materials, so polytetrafluoroethylene (PTFE) Development of a composite film using a fluororesin represented by the above as a binder has been studied. However, in the composite film with the fluororesin described above, the metal phosphate is coated with a fluororesin that does not have ionic conductivity, so in order to express high ionic conductivity, the mass ratio of the metal phosphate Therefore, it is difficult to produce an electrolyte membrane having both ionic conductivity and membrane strength because the strength of the membrane is reduced as the mass ratio of the fluororesin as a binder is reduced.

また、スルホン化芳香族ポリマーと、金属リン酸塩などの無機固体材料とを含む電解質も提案されている(特許文献3)が、同様にバインダーを用いなければ機械的耐久性及び成形性が不十分なため、イオン伝導度を高めることが困難である。   In addition, an electrolyte containing a sulfonated aromatic polymer and an inorganic solid material such as a metal phosphate has been proposed (Patent Document 3). Similarly, if a binder is not used, mechanical durability and formability are poor. Since it is sufficient, it is difficult to increase the ionic conductivity.

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2008−53224号公報JP 2008-53224 A 特開2008−218408号公報JP 2008-218408 A

J.Membrane Science 197(2002)231J. et al. Membrane Science 197 (2002) 231 J.Electrochemical Society 154(2007)B1265−B1269J. et al. Electrochemical Society 154 (2007) B1265-B1269

本発明の第1の目的は、低湿条件下において低い抵抗(電気抵抗)を発現すると共に、DMFC発電時にMCOを低減させ、出力を向上し、かつ柔軟性、成形性に優れた電解質、該電解質からなる燃料電池用電解質膜、並びに該電解質膜を使用した膜―電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。
本発明の第2の目的は、高温で低湿度もしくは無加湿の条件下においても、高いプロトン伝導性を発現すると共に、膜強度、柔軟性及び機械的耐久性に優れ、高い成形性(組立性、電極との接合性、締付性など)を有する電解質、該電解質からなる電解質膜、並びに該電解質膜を使用した膜―電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。
本発明の第3の目的は、低湿条件下において抵抗が低く、直接メタノール型燃料電池(DMFC)発電時にメタノールクロスオーバー(MCO)を低減させて出力を向上させることができ、柔軟性及び成形性に優れた電解質であって、それからのリン酸溶出を低減し、発電性能を維持しつつ耐久性を向上させることができる電解質、該電解質からなる電解質膜、並びに該電解質膜を使用した膜―電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。
A first object of the present invention is to provide an electrolyte that exhibits low resistance (electric resistance) under low humidity conditions, reduces MCO during DMFC power generation, improves output, and has excellent flexibility and moldability. And a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane.
The second object of the present invention is to exhibit high proton conductivity even under conditions of high temperature, low humidity or no humidification, excellent membrane strength, flexibility and mechanical durability, and high formability (assembly property). It is an object of the present invention to provide an electrolyte having a bonding property with an electrode, a clamping property, etc., an electrolyte membrane made of the electrolyte, a membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane, and a polymer electrolyte fuel cell.
The third object of the present invention is to have low resistance under low humidity conditions and to improve output by reducing methanol crossover (MCO) during direct methanol fuel cell (DMFC) power generation. Electrolyte that is excellent in electrolyte, can reduce elution of phosphoric acid from the electrolyte, and can improve durability while maintaining power generation performance, electrolyte membrane comprising the electrolyte, and membrane-electrode using the electrolyte membrane An object of the present invention is to provide a joined body and a polymer electrolyte fuel cell.

本発明者らは、互いに相分離する重合体ブロックであって、それぞれイオン伝導性機能及び柔軟性機能を有する重合体ブロックを構成成分とするブロック共重合体、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質が、上記第1の目的を満たすことを見出し、本発明を完成した。
本発明者らは、また、互いに相分離する重合体ブロックであって、それぞれイオン伝導性機能及び柔軟性機能を有する重合体ブロックを構成成分とするブロック共重合体、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質であって、ブロック共重合体/金属リン酸塩の質量比が特定範囲である電解質が、上記第2の目的を満たすことを見出し、本発明を完成した。
本発明者らは、互いに相分離する重合体ブロックであって、それぞれイオン伝導性機能及び柔軟性機能を有する重合体ブロックを有する高分子電解質、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質であって、該金属リン酸塩の静的光散乱により測定したメジアン径が10nm〜1μmである電解質ひいては電解質膜が、上記第3の目的を満たすことを見出し、本発明を完成した。
The inventors of the present invention provide a polymer block that is phase-separated from each other, and a block copolymer that includes a polymer block having an ion conductivity function and a flexibility function, respectively, and a metal phosphate having an ion conductivity The inventors have found that an electrolyte composed of a salt-containing composition satisfies the first object, and completed the present invention.
The present inventors also provide polymer blocks that are phase-separated from each other, a block copolymer that includes a polymer block having an ion conductive function and a flexible function, respectively, and a metal having an ion conductive property. An electrolyte comprising a phosphate-containing composition, the electrolyte having a mass ratio of block copolymer / metal phosphate in a specific range has been found to satisfy the second object, and the present invention has been completed did.
The inventors of the present invention include polymer blocks that are phase-separated from each other, each having a polymer block having an ion conductive function and a flexible function, and a metal phosphate having ion conductivity. An electrolyte comprising a composition, the electrolyte having a median diameter measured by static light scattering of the metal phosphate of 10 nm to 1 μm, and thus the electrolyte membrane, finds that the third object is satisfied. completed.

本発明は、大別して、上記第1、2及び3の目的をそれぞれ達成し得る3つの態様からなる。
上記第1の目的を達成し得る態様1の本発明は、互いに相分離する重合体ブロック(A)及び(B)を構成成分とするブロック共重合体であって、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有し、重合体ブロック(B)は柔軟相を形成し、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在するブロック共重合体、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質に関する。
態様1においては、該ブロック共重合体/該金属リン酸塩の質量比が99/1〜30/70であることが好ましい。
上記第2の目的を達成し得る態様2の本発明は、互いに相分離する重合体ブロック(A)及び(B)を構成成分とするブロック共重合体であって、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有し、重合体ブロック(B)は柔軟相を形成し、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在するブロック共重合体、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物であって、該ブロック共重合体/該金属リン酸塩の質量比が80/20〜1/99である電解質に関する。
上記第3の目的を達成し得る態様3の本発明は、互いに相分離する重合体ブロック(A)及び(B)を構成成分とするブロック共重合体であって、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有し、重合体ブロック(B)は柔軟相を形成し、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在するブロック共重合体、及びイオン伝導性を有し、平均粒子径が10nm〜1μmである金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質に関する。
態様3においては、該ブロック共重合体/該金属リン酸塩の質量比が99/1〜30/70であることが好ましい。
The present invention is broadly divided into three modes that can achieve the first, second, and third objects, respectively.
The first aspect of the present invention capable of achieving the first object is a block copolymer comprising polymer blocks (A) and (B) that are phase-separated from each other, wherein the polymer block (A) is: A block copolymer having an ion conductive group, the polymer block (B) forming a flexible phase, the ion conductive group being substantially present only in the polymer block (A), and a metal having ion conductivity The present invention relates to an electrolyte comprising a composition containing a phosphate.
In aspect 1, it is preferable that the mass ratio of the block copolymer / the metal phosphate is 99/1 to 30/70.
The second aspect of the present invention capable of achieving the second object is a block copolymer comprising polymer blocks (A) and (B) that are phase-separated from each other, wherein the polymer block (A) comprises: A block copolymer having an ion conductive group, the polymer block (B) forming a flexible phase, the ion conductive group being substantially present only in the polymer block (A), and a metal having ion conductivity A composition containing a phosphate, wherein the mass ratio of the block copolymer / the metal phosphate is 80/20 to 1/99.
The third aspect of the present invention capable of achieving the third object is a block copolymer comprising polymer blocks (A) and (B) that are phase-separated from each other, wherein the polymer block (A) is: The polymer block (B) has an ion conductive group, forms a flexible phase, and the ion conductive group has a block copolymer that is substantially present only in the polymer block (A), and has an ion conductivity. The present invention also relates to an electrolyte comprising a composition containing a metal phosphate having an average particle diameter of 10 nm to 1 μm.
In aspect 3, the mass ratio of the block copolymer / the metal phosphate is preferably 99/1 to 30/70.

上記いずれの発明態様であるかを問わず、上記ブロック共重合体において、重合体ブロック(A)は極性基を有するものとして、重合体ブロック(B)と相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士、重合体ブロック(B)同士がそれぞれ集合する性質がある。なお、本発明において「相分離」とは微視的な意味での相分離を意味し、より詳しくは形成されるドメインサイズが可視光の波長(3800〜7800Å)以下であるミクロ相分離と呼ばれるものである。   Regardless of which aspect of the invention is described above, in the block copolymer, the polymer block (A) is assumed to have a polar group and undergoes phase separation with the polymer block (B), and the polymer block (A ) And polymer blocks (B) are aggregated. In the present invention, “phase separation” means phase separation in a microscopic sense, and more specifically, called microphase separation in which the formed domain size is not more than the wavelength of visible light (3800 to 7800 mm). Is.

上記いずれの発明態様であるかを問わず、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、イオンの通り道となる。重合体ブロック(B)は、柔軟相として機能するため、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)等が改善される。イオン伝導性基はスルホン酸基、ホスホン酸基並びにそれらの塩を包含する。   Regardless of which aspect of the invention is described above, since the polymer block (A) has an ion conductive group, an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a path for ions. Since the polymer block (B) functions as a flexible phase, the moldability (assembling property, bonding property, clamping property, etc.) and the like are improved in the production of the membrane-electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell. Ion conductive groups include sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and salts thereof.

本発明の態様1及び態様3に関し、上記の高分子電解質と無加湿条件下においてイオン伝導性を有する金属リン酸塩とを複合化することにより得られた電解質から得られる電解質膜においては、電解質膜が低含水状態となる低湿条件下において、イオン伝導性を有する金属リン酸塩がイオン伝導度を補償するため、低湿条件における低膜抵抗(=低膜電気抵抗)及び発電時の低セル抵抗(=低セル電気抵抗)を実現することができる。このとき、金属リン酸塩のイオン伝導ネットワークを該高分子電解質中のイオン伝導性機能を有する重合体ブロックが補うため、金属リン酸塩同士が接触していない状態であっても、十分なイオン伝導性を発現することができる。加えて、金属リン酸塩はイオン伝導に水を必要としないため、電解質膜中をメタノールが透過する経路となる含有水を低減でき、低抵抗と低MCOを両立できる。この際、該電解質膜においては、水を介さないイオン伝導機構が発現し、イオンに配位した含有水の電気浸透現象が抑制されるため、カソードが水分過剰となり酸化剤である酸素の拡散阻害をもたらすフラッディング現象を緩和することが可能である。したがって、本発明の電解質からなる電解質膜を用いることにより、水分管理の観点からも発電性能を向上させることができる。さらに、柔軟相を形成する重合体ブロックが電解質膜に柔軟性を付与するため、金属リン酸塩単独で問題となる電解質膜の成形性、機械的耐久性及び電極との接合性を改善することができる。
本発明の態様3の電解質においては、上記に加え、金属リン酸塩の粒径を制御することにより、金属リン酸塩とブロック共重合体との接触面積が増加し、ブロック共重合体の重合体ブロック(A)が有するイオン伝導性基と金属リン酸塩のリン酸基とが水素結合を形成することにより、電解質膜の緻密さが向上する。ブロック共重合体のイオン伝導性基と金属リン酸塩のリン酸基との間で形成される水素結合により、金属リン酸塩の耐水性が向上することでリン酸溶出量が低減され、プロトンの通り道となるイオンチャンネル内のイオン伝導性基密度が増加し、電解質膜内のプロトン伝導効率が向上すると共に、DMFC発電中のMCOがさらに抑制され、DMFC発電出力を向上させることができる。
In the electrolyte membrane obtained from the electrolyte obtained by combining the above polymer electrolyte and the metal phosphate having ion conductivity under the non-humidified condition with respect to the first and third aspects of the present invention, the electrolyte In low humidity conditions where the membrane is in a low water content state, the metal phosphate with ion conductivity compensates for ionic conductivity, so low membrane resistance (= low membrane electrical resistance) in low humidity conditions and low cell resistance during power generation (= Low cell electrical resistance) can be realized. At this time, since the polymer block having an ion conductive function in the polymer electrolyte supplements the ion conduction network of the metal phosphate, sufficient ions can be obtained even in a state where the metal phosphates are not in contact with each other. Conductivity can be developed. In addition, since the metal phosphate does not require water for ionic conduction, water contained in the electrolyte membrane as a path for methanol to permeate can be reduced, and both low resistance and low MCO can be achieved. At this time, in the electrolyte membrane, an ion conduction mechanism that does not involve water is manifested, and the electroosmosis phenomenon of the contained water coordinated to the ions is suppressed. It is possible to alleviate the flooding phenomenon. Therefore, by using the electrolyte membrane made of the electrolyte of the present invention, the power generation performance can be improved from the viewpoint of moisture management. Furthermore, since the polymer block forming the flexible phase imparts flexibility to the electrolyte membrane, the moldability of the electrolyte membrane, the mechanical durability, and the bondability with the electrode, which are problematic only with metal phosphates, are improved. Can do.
In the electrolyte of aspect 3 of the present invention, in addition to the above, by controlling the particle size of the metal phosphate, the contact area between the metal phosphate and the block copolymer is increased, and the weight of the block copolymer is increased. The ion conductive group of the combined block (A) and the phosphate group of the metal phosphate form a hydrogen bond, thereby improving the density of the electrolyte membrane. The hydrogen bond formed between the ion conductive group of the block copolymer and the phosphate group of the metal phosphate improves the water resistance of the metal phosphate, thereby reducing the phosphate elution amount and protons. The density of the ion conductive group in the ion channel that becomes the path increases, the proton conduction efficiency in the electrolyte membrane improves, and the MCO during DMFC power generation is further suppressed, so that the DMFC power generation output can be improved.

本発明の態様2の電解質においては、上記の高分子電解質と無加湿条件下においてイオン伝導性を有する金属リン酸塩とを複合化することにより、電解質膜が低含水状態となる高温無加湿条件下において、イオン伝導性を有する金属リン酸塩がイオン伝導度を補償するため、高温低湿度条件下における低膜抵抗(=低膜電気抵抗)及び発電時の低セル抵抗(低セル電気抵抗)を実現することができる。このとき、金属リン酸塩ネットワークを該高分子電解質のイオン伝導性機能を有する重合体ブロックが補うため、金属リン酸塩同士が接触していない状態であっても、十分なイオン伝導性を発現可能である。また、該電解質膜においては、部分的に水を介さないイオン伝導機構が発現し、プロトンに配位した含有水の電気浸透現象が抑制されるため、カソードが水分過剰となり酸化剤である酸素の拡散阻害をもたらすフラッディング現象を緩和することが可能である。したがって、本発明の電解質より得られた電解質膜を用いることにより、水分管理の観点からも燃料電池発電性能を向上させることができる。さらに、柔軟性機能を有する重合体ブロックが電解質膜に柔軟性を付与するため、金属リン酸塩単独で問題となる電解質膜の成形性、機械的耐久性及び電極との接合性を改善することができる。   In the electrolyte of aspect 2 of the present invention, the above-described polymer electrolyte and a metal phosphate having ionic conductivity under non-humidified conditions are combined to form a high moisture-free condition under which the electrolyte membrane is in a low water content state. Below, since the metal phosphate with ionic conductivity compensates for ionic conductivity, low film resistance under high temperature and low humidity conditions (= low film electrical resistance) and low cell resistance during power generation (low cell electrical resistance) Can be realized. At this time, a polymer block having the ion conductivity function of the polymer electrolyte supplements the metal phosphate network, so that sufficient ionic conductivity is exhibited even when the metal phosphates are not in contact with each other. Is possible. In addition, in the electrolyte membrane, an ion conduction mechanism that does not involve water partially develops, and the electroosmosis phenomenon of contained water coordinated to protons is suppressed. It is possible to alleviate the flooding phenomenon that causes diffusion inhibition. Therefore, by using the electrolyte membrane obtained from the electrolyte of the present invention, the fuel cell power generation performance can be improved also from the viewpoint of moisture management. Furthermore, since the polymer block having the flexibility function imparts flexibility to the electrolyte membrane, the moldability of the electrolyte membrane, the mechanical durability, and the bondability with the electrode, which are problematic only with the metal phosphate, are improved. Can do.

本発明の態様1及び態様3の電解質を用いて得られる電解質膜は、低湿条件下におけるイオン伝導度に優れ、低湿条件下で動作する水素を用いた燃料電池の発電出力を向上させると共に、DMFCにおいてMCOを低減し、発電出力を向上させることができる。また、該電解質膜は、柔軟性、成形性及び加工性に優れ、高い機械的耐久性を有する。したがって、該電解質膜を使用した膜―電極接合体は、水素を燃料とした低湿条件下で動作する固体高分子型燃料電池、並びにメタノール水溶液を燃料とした固体高分子型燃料電池において優れた性能を発揮し得る。また、該電解質は、低湿条件下における低抵抗、MCOの抑制及び燃料電池の水分管理に関する観点から、燃料電池電極触媒層において電極内部のイオン伝導及び触媒の結着を担うために用いられるバインダーとして用いることも可能である。
本発明の態様3においては、上記に加え、金属リン酸塩の粒径を制御することにより、該金属リン酸塩からのリン酸溶出を低減することができるため、電解質膜の耐久性を改善すると共に、プロトン伝導の高効率化、DMFC発電中におけるMCOの低減、並びに高出力化が可能である。
本発明の態様2の電解質を用いて得られる電解質膜は、低湿条件下におけるイオン伝導度に優れ、低湿条件下で動作する水素を用いた燃料電池の発電出力を向上させると共に、100℃以上の高温低湿度条件下においても高いイオン伝導度を発現する。また、該電解質膜は、柔軟性、成形性及び加工性に優れ、高い機械的耐久性を有する。したがって、該電解質膜を使用した膜―電極接合体は、水素を燃料とし、低湿条件下及び高温無加湿条件下で動作する燃料電池において優れた性能を発揮し得る。加えて、該電解質は、高イオン伝導度及び燃料電池の水分管理の観点から、メタノール水溶液を燃料とした燃料電池用電解質膜、及び燃料電池電極触媒層に用いられるバインダーとして用いることも可能である。
The electrolyte membrane obtained by using the electrolyte of Embodiments 1 and 3 of the present invention has excellent ionic conductivity under low humidity conditions, improves the power generation output of a fuel cell using hydrogen that operates under low humidity conditions, and DMFC The MCO can be reduced and the power generation output can be improved. The electrolyte membrane is excellent in flexibility, moldability and processability, and has high mechanical durability. Therefore, the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane has excellent performance in a polymer electrolyte fuel cell operating under low humidity conditions using hydrogen as a fuel, and a polymer electrolyte fuel cell using an aqueous methanol solution as a fuel. Can be demonstrated. In addition, the electrolyte is used as a binder used to take charge of ion conduction inside the electrode and binding of the catalyst in the fuel cell electrode catalyst layer from the viewpoint of low resistance under low humidity conditions, suppression of MCO, and moisture management of the fuel cell. It is also possible to use it.
In aspect 3 of the present invention, in addition to the above, by controlling the particle size of the metal phosphate, elution of phosphoric acid from the metal phosphate can be reduced, so that the durability of the electrolyte membrane is improved. At the same time, it is possible to increase the efficiency of proton conduction, reduce the MCO during DMFC power generation, and increase the output.
The electrolyte membrane obtained by using the electrolyte of aspect 2 of the present invention has excellent ionic conductivity under low humidity conditions, improves the power generation output of a fuel cell using hydrogen that operates under low humidity conditions, and is 100 ° C. or higher. It exhibits high ionic conductivity even under high temperature and low humidity conditions. The electrolyte membrane is excellent in flexibility, moldability and processability, and has high mechanical durability. Therefore, the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane can exhibit excellent performance in a fuel cell that uses hydrogen as a fuel and operates under low humidity conditions and high temperature non-humidified conditions. In addition, the electrolyte can also be used as a binder for an electrolyte membrane for a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel, and a fuel cell electrode catalyst layer from the viewpoint of high ion conductivity and moisture management of the fuel cell. .

以下、本発明について詳細に説明する。本発明の高分子電解質を構成するブロック共重合体は、互いに相分離する重合体ブロック(A)及び(B)を構成成分とするブロック共重合体であって、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有し、重合体ブロック(B)は柔軟相を形成し、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在するブロック共重合体である。該ブロック共重合体は、付加重合系高分子、重縮合系高分子、重付加系高分子等の高分子骨格であることができ、ビニル系重合体、ポリウレタン、ポリエーテル、ポリシロキサン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリスルフィド、ポリアミン、ポリシラン、ポリアゾメチン、ポリヒドラジド、ポリ酸無水物、ポリチオエステル、ポリチオカーボネート、ポリチオアミド、ポリホスホネート、ポリスルホンアミド、ポリホスホン酸エステル、ポリリン酸エステル、ポリホスホンアミド、ポリフェニレン、ポリケトン、ポリスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルアミド、ポリベンゾアゾール、ポリオキサゾール、ポリチアゾール、ポリイミダゾール、ポリピラゾール、ポリオキサジアゾール、ポリトリアゾール、ポリトリアジン、ポリイミジン、ポリキノリン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ポリキナゾリンジオン、ポリキノキサリン、ポリフタラジノン等からなる群より選ばれる、それぞれ1種又は2種以上の、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)で構成される。該ブロック共重合体は、付加重合、配位重合、グループトランスファー重合、光重合、放射線重合、重縮合、開環重合、重付加、電解重合、酸化重合等により合成される。ブロック共重合体としては、精密重合の簡便性、及び適用可能な重合手法の多様性からビニル系ブロック共重合体が好ましい。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The block copolymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is a block copolymer comprising polymer blocks (A) and (B) that are phase-separated from each other, and the polymer block (A) is an ion. It has a conductive group, the polymer block (B) forms a flexible phase, and the ion conductive group is a block copolymer which exists substantially only in the polymer block (A). The block copolymer can be a polymer skeleton such as an addition polymerization polymer, a polycondensation polymer, a polyaddition polymer, a vinyl polymer, a polyurethane, a polyether, a polysiloxane, a polyester, Polyamide, polycarbonate, polysulfide, polyamine, polysilane, polyazomethine, polyhydrazide, polyanhydride, polythioester, polythiocarbonate, polythioamide, polyphosphonate, polysulfonamide, polyphosphonate ester, polyphosphate ester, polyphosphonamide, polyphenylene , Polyketone, polysulfone, polyamideimide, polyimide, polyetheramide, polybenzoazole, polyoxazole, polythiazole, polyimidazole, polypyrazole, polyoxadiazole, polytriazol 1 or 2 or more polymer blocks (A) and polymer blocks each selected from the group consisting of polytriazine, polyimidine, polyquinoline, polybenzoxazinone, polyquinazolone, polyquinazolinedione, polyquinoxaline, polyphthalazinone, etc. (B) The block copolymer is synthesized by addition polymerization, coordination polymerization, group transfer polymerization, photopolymerization, radiation polymerization, polycondensation, ring-opening polymerization, polyaddition, electrolytic polymerization, oxidation polymerization, or the like. As the block copolymer, a vinyl block copolymer is preferable because of the simplicity of precision polymerization and the variety of applicable polymerization techniques.

該ビニル系ブロック共重合体を構成する重合体ブロック(A)としては、イオン伝導性基導入の簡便性、イオン伝導性基導入の際に適用可能な合成手法の多様性、及び耐久性の観点から、芳香族ビニル系化合物単位から主として構成される芳香族ビニル系重合体ブロック(Aa)であるのが好ましい。該芳香族ビニル系重合体ブロック(Aa)を構成する芳香族ビニル系化合物単位としては、下記一般式(I)   As the polymer block (A) constituting the vinyl block copolymer, it is easy to introduce an ion conductive group, a variety of synthetic techniques applicable to the introduction of an ion conductive group, and durability. Therefore, an aromatic vinyl polymer block (Aa) mainly composed of aromatic vinyl compound units is preferable. As the aromatic vinyl compound unit constituting the aromatic vinyl polymer block (Aa), the following general formula (I)

Figure 2010047329
Figure 2010047329

(式中、Arは1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基を表し、Rは水素原子、炭素数1〜4のアルキル基又は1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基を表す)で表される単位が好ましい。主たる繰返し単位は一般式(I)で表される単位から選ばれる1種から構成されていてもよいし、2種以上から構成されていてもよい。(In the formula, Ar represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have 1 to 3 substituents, and R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or 1 to 3 carbon atoms. Represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have a substituent. The main repeating unit may be comprised from 1 type chosen from the unit represented by general formula (I), and may be comprised from 2 or more types.

Arの定義における炭素数6〜14のアリール基としてはフェニル基、ナフチル基、フェナントリル基、アントリル基、インデニル基、ビフェニリル基等が挙げられる。該アリール基が1〜3個の置換基を有する場合の置換基としては、それぞれ独立に、炭素数1〜4の直鎖状もしくは分岐状アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロプロピル基等)などが挙げられる。Rの定義における炭素数1〜4のアルキル基は直鎖状でも分岐状でもよく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基等が挙げられる。Rの定義における炭素数6〜14のアリール基としてはArの定義における1〜3個の置換基を有していてもよい炭素数6〜14のアリール基と同様なものを挙げることができる。Examples of the aryl group having 6 to 14 carbon atoms in the definition of Ar include a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthryl group, an anthryl group, an indenyl group, and a biphenylyl group. In the case where the aryl group has 1 to 3 substituents, the substituent is independently a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group). , Butyl group, etc.), halogenated alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloropropyl group, etc.) and the like. The alkyl group having 1 to 4 carbon atoms in the definition of R 1 may be linear or branched, and examples thereof include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an isobutyl group, and a tert-butyl group. Examples of the aryl group having 6 to 14 carbon atoms in the definition of R 1 include those similar to the aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have 1 to 3 substituents in the definition of Ar. .

が炭素数1〜4のアルキル基である場合、Arは置換基を有さないのが最も好ましいが、置換基を有する場合には、置換基の数は1もしくは2個であるのが好ましく、1個であるのがより好ましい。Rが炭素数6〜14のアリール基である場合、このアリール基及びArの両方もしくは一方が置換基を有さないのが最も好ましいが、両方とも置換基を有する場合には、置換基の数は1もしくは2個であるのが好ましく、1個であるのがより好ましい。When R 1 is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, Ar preferably has no substituent, but when it has a substituent, the number of substituents is 1 or 2. Preferably, it is one. When R 1 is an aryl group having 6 to 14 carbon atoms, it is most preferable that either or both of this aryl group and Ar have no substituent, but when both have a substituent, The number is preferably 1 or 2, and more preferably 1.

重合によって上記芳香族ビニル系化合物単位を構成できる芳香族ビニル系化合物の具体例としてはスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルフェナントレン、ビニルビフェニル、α−メチルスチレン、1−メチル−1−ナフチルエチレン、1−メチル−1−ビフェニリルエチレン等が挙げられ、特にスチレン、α−メチルスチレンが好ましい。
上記芳香族ビニル系化合物は各単独で用いても2 種以上組み合わせて用いてもよい。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。
Specific examples of the aromatic vinyl compound capable of constituting the aromatic vinyl compound unit by polymerization include styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl phenanthrene, vinyl biphenyl, α-methyl styrene, 1-methyl-1-naphthyl ethylene, Examples thereof include 1-methyl-1-biphenylylethylene, and styrene and α-methylstyrene are particularly preferable.
The above aromatic vinyl compounds may be used alone or in combination of two or more. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

芳香族ビニル系重合体ブロック(Aa)は、本発明の効果を損わない範囲内で、芳香族ビニル系化合物単位以外に、1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体単位を与える単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役アルカジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。   The aromatic vinyl polymer block (Aa) may contain one or more other monomer units in addition to the aromatic vinyl compound unit as long as the effects of the present invention are not impaired. . Examples of the monomer that gives such other monomer units include conjugated alkadienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as those in the description of the polymer block (B) described later), and alkenes having 2 to 8 carbon atoms. (Specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described later), (meth) acrylate esters (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl Examples include esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.

芳香族ビニル系重合体ブロック(Aa)に含まれる芳香族ビニル系化合物単位の割合は、十分なイオン伝導性を付与する観点から50モル%以上であることが好ましく、60モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることがより一層好ましい。   The ratio of the aromatic vinyl compound unit contained in the aromatic vinyl polymer block (Aa) is preferably 50 mol% or more, and preferably 60 mol% or more from the viewpoint of imparting sufficient ion conductivity. Is more preferable, and it is still more preferable that it is 80 mol% or more.

重合体ブロック(A)のイオン伝導性基が導入されていない状態での分子量は、高分子電解質の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択されるが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、100〜1,000,000の間から選択されるのが好ましく、500〜100,000 の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A) in the state where the ion conductive group is not introduced is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte, required performance, other polymer components, etc., but the number average molecular weight in terms of polystyrene In general, it is preferably selected from 100 to 1,000,000, more preferably selected from 500 to 100,000.

また、重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で公知の方法により架橋されていてもよい。架橋を導入することにより、重合体ブロック(A)が形成するイオンチャンネル相が膨潤しにくくなり、乾燥時と湿潤時の力学特性(引張特性等)の変化が小さくなる傾向となる。   The polymer block (A) may be crosslinked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. By introducing the cross-linking, the ion channel phase formed by the polymer block (A) becomes difficult to swell, and the change in mechanical properties (such as tensile properties) between dry and wet tends to be small.

本発明の高分子電解質で使用するブロック共重合体は、重合体ブロック(A)以外に、柔軟相を形成し、実質的にイオン伝導性基を有さない重合体ブロック(B)を有する。重合体ブロック(B)の主たる繰返し化合物単位として、柔軟相を形成し得る化合物単位を選択する。重合体ブロック(B)が柔軟相を形成することによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。ここでいう重合体ブロック(B)はガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下のいわゆるゴム状重合体ブロックである。   In addition to the polymer block (A), the block copolymer used in the polymer electrolyte of the present invention has a polymer block (B) that forms a flexible phase and has substantially no ion conductive group. A compound unit capable of forming a flexible phase is selected as the main repeating compound unit of the polymer block (B). When the polymer block (B) forms a flexible phase, the block copolymer becomes elastic and flexible as a whole, and formability (assembleability) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. , Bondability, tightenability, etc.) are improved. The polymer block (B) here is a so-called rubber-like polymer block having a glass transition point or softening point of 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or lower.

本発明で用いるブロック共重合体がビニル系ブロック共重合体である場合には、重合体ブロック(B)としては柔軟相を形成し、実質的にイオン伝導性基を有さないビニル系重合体ブロック(Ba)を用いる。ビニル系重合体ブロック(Ba)を構成し得るビニル系化合物単位としては、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、アクリル酸エステル単位、ビニルエステル単位、ビニルエーテル単位等が挙げられる。これらの単位を与えるビニル系化合物は単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、(共)重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を2つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、重合後に残った二重結合の一部もしくは全部は水素添加されていてもよく、更に前記単量体が共役アルカジエンである場合には1,2−結合もしくは3,4−結合であっても1,4−結合であってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下であれば、1,2−結合もしくは3,4−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。   When the block copolymer used in the present invention is a vinyl block copolymer, the polymer block (B) forms a flexible phase and has substantially no ion conductive group. The block (Ba) is used. The vinyl compound unit that can constitute the vinyl polymer block (Ba) includes alkene units having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkene units having 5 to 8 carbon atoms, vinyl cycloalkene units having 7 to 10 carbon atoms, carbon Examples thereof include conjugated alkadiene units having 4 to 8 carbon atoms, conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms, acrylic acid ester units, vinyl ester units, and vinyl ether units. The vinyl compounds giving these units can be used alone or in combination of two or more. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization. Further, when the monomer to be used for (co) polymerization has two carbon-carbon double bonds, any of them may be used for the polymerization, and part or all of the double bonds remaining after the polymerization are hydrogen. Further, when the monomer is a conjugated alkadiene, it may be a 1,2-bond, a 3,4-bond or a 1,4-bond, and has a glass transition point. Or if a softening point is 50 degrees C or less, there will be no restriction | limiting in particular also in the ratio of a 1, 2- bond or a 3, 4- bond, and a 1, 4- bond.

ビニル系重合体ブロック(Ba)は、得られるブロック共重合体に、柔軟性、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種を主たる繰返し単位とする重合体ブロックであることが好ましく、炭素数4〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種を主たる繰返し単位とする重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数4〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種を主たる繰返し単位とする重合体ブロックであることがより一層好ましい。上記で、アルケン単位として最も好ましいのはイソブテン単位、非結晶性水素添加1,3−ブタジエン単位(混合していても良い1−ブテン単位、2−ブテン単位)、水素添加イソプレン単位(混合していても良い2−メチル−1−ブテン単位、3−メチル−1−ブテン単位、2−メチル−2−ブテン単位)であり、共役アルカジエン単位として最も好ましいのは非結晶性1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。   The vinyl polymer block (Ba) has a carbon number from the viewpoint of giving the obtained block copolymer flexibility and elasticity, and thus good moldability in the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell. From a 2-8 alkene unit, a C5-C8 cycloalkene unit, a C7-10 vinylcycloalkene unit, a C4-8 conjugated alkadiene unit, a C5-8 conjugated cycloalkadiene unit It is preferably a polymer block having at least one selected as a main repeating unit, and at least one selected from an alkene unit having 4 to 8 carbon atoms and a conjugated alkadiene unit having 4 to 8 carbon atoms is used as a main repeating unit. More preferably, the polymer block is at least selected from alkene units having 4 to 6 carbon atoms and conjugated alkadiene units having 4 to 8 carbon atoms. And even more preferably one is a polymer block whose main repeating unit. In the above, the most preferable alkene unit is an isobutene unit, an amorphous hydrogenated 1,3-butadiene unit (an optionally mixed 1-butene unit or a 2-butene unit), a hydrogenated isoprene unit (a mixed one). 2-methyl-1-butene unit, 3-methyl-1-butene unit, 2-methyl-2-butene unit), and the most preferable conjugated alkadiene unit is an amorphous 1,3-butadiene unit. And / or isoprene units.

ビニル系重合体ブロック(Ba)の主たる繰返し単位が、ビニルシクロアルケン単位や共役アルカジエン単位や共役シクロアルカジエン単位である場合のように、該繰り返し単位を構成し得る単量体が複数の炭素−炭素二重結合を有している場合には、通常重合後の重合体に炭素−炭素二重結合が残留する。このように重合体に炭素−炭素二重結合が残留している場合は、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその30モル%以上が水素添加されているのが好ましく、50モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、80モル%以上が水素添加されているのがより一層好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、H−NMR測定等によって算出することができる。As in the case where the main repeating unit of the vinyl polymer block (Ba) is a vinylcycloalkene unit, a conjugated alkadiene unit, or a conjugated cycloalkadiene unit, the monomer that can constitute the repeating unit is a plurality of carbon- When it has a carbon double bond, the carbon-carbon double bond usually remains in the polymer after polymerization. Thus, when a carbon-carbon double bond remains in the polymer, such a point is required from the viewpoints of power generation performance and heat resistance deterioration of the membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane of the present invention. More than 30 mol% of the carbon-carbon double bond is preferably hydrogenated, more preferably 50 mol% or more is hydrogenated, more preferably 80 mol% or more is hydrogenated. Even more preferred. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method, for example, iodine value measurement method, 1 H-NMR measurement or the like.

ビニル系重合体ブロック(Ba)において、上記した柔軟相を形成し得るビニル系化合物単位を与えるビニル系化合物について述べる。炭素数2〜8のアルケンとしてはエチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等が挙げられ、炭素数5〜8のシクロアルケンとしてはシクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテンが挙げられ、炭素数7〜10のビニルシクロアルケンとしてはビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテンなどが挙げられ、炭素数4〜8の共役アルカジエンとしては1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等が挙げられ、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエンとしてはシクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等が挙げられる。また、アクリル酸エステルとしてはアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル等が挙げられ、ビニルエステルとしては酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等が挙げられ、ビニルエーテルとしてはメチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等が挙げられる。   A vinyl compound that gives a vinyl compound unit capable of forming the above-described flexible phase in the vinyl polymer block (Ba) will be described. The alkenes having 2 to 8 carbon atoms include ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene and 1-octene. , 2-octene and the like. Examples of the cycloalkene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene and cyclooctene. Examples of the vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms include vinylcyclopentene, vinylcyclohexene and vinylcyclohexane. Heptene, vinylcyclooctene, etc. are mentioned. As the conjugated alkadiene having 4 to 8 carbon atoms, 1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3 -Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butyl Diene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene and the like, cyclopentadiene, 1,3-cyclohexadiene, and the like as a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms. Examples of the acrylate ester include methyl acrylate, ethyl acrylate, and butyl acrylate. Examples of the vinyl ester include vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, and vinyl pivalate. Examples of the vinyl ether include methyl vinyl ether. And isobutyl vinyl ether.

また、ビニル系重合体ブロック(Ba)は、上記柔軟相を形成し得るビニル系化合物単位以外に、ブロック共重合体に柔軟性、弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で、他の単量体単位、例えば、芳香族ビニル系化合物単位、塩化ビニル単位等のハロゲン含有ビニル化合物単位等を含んでいてもよい。この場合、柔軟相を形成し得るビニル系化合物と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、柔軟相を形成し得るビニル系化合物と他の単量体との合計に対して、50質量%未満であるのが好ましく、30質量%未満であるのがより好ましく、10質量%未満であるのがより一層好ましい。   Further, the vinyl polymer block (Ba) does not impair the purpose of the polymer block (B) that gives the block copolymer flexibility and elasticity other than the vinyl compound unit capable of forming the flexible phase. It may contain other monomer units, for example, halogen-containing vinyl compound units such as aromatic vinyl compound units and vinyl chloride units. In this case, it is necessary that the copolymerization form of the vinyl compound capable of forming the flexible phase and the other monomer is random copolymerization. The amount of the other monomer used is preferably less than 50% by mass and less than 30% by mass with respect to the total of the vinyl compound capable of forming the flexible phase and the other monomer. Is more preferable, and it is still more preferable that it is less than 10 mass%.

本発明の高分子電解質を構成するブロック共重合体は、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)と異なり、かつ、これらと相分離し、実質的にイオン伝導性基を有さない重合体ブロックであって、拘束相として機能する重合体ブロック(C)を含んでいてもよい。かかる重合体ブロック(C)として、ブロック共重合体がビニル系ブロック共重合体である場合には、例えば芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック、結晶性ポリオレフィンブロックなどが挙げられる。重合体ブロック(C)を拘束相として機能させることにより、固体高分子型燃料電池の運転時と停止時の繰返しによって生じる寸法変化や力学的特性(引張強度等)の変化を小さくし、また、直接メタノール型固体高分子型燃料電池における発電前後のメタノール透過性やイオン伝導度等の変化を小さくすることができる。   The block copolymer constituting the polymer electrolyte of the present invention is different from the polymer block (A) and the polymer block (B), and is phase-separated from these and has substantially no ion conductive group. It is a polymer block, Comprising: The polymer block (C) which functions as a constrained phase may be included. As the polymer block (C), when the block copolymer is a vinyl block copolymer, for example, a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit, a crystalline polyolefin block and the like can be mentioned. It is done. By causing the polymer block (C) to function as a constraining phase, it is possible to reduce dimensional changes and changes in mechanical properties (such as tensile strength) caused by repetition of operation and stop of the polymer electrolyte fuel cell, Changes in methanol permeability, ionic conductivity, and the like before and after power generation in a direct methanol solid polymer fuel cell can be reduced.

重合体ブロック(C)において主たる繰返し単位を構成する場合の芳香族ビニル系化合物単位は、一般式(II)   The aromatic vinyl compound unit in the case of constituting the main repeating unit in the polymer block (C) is represented by the general formula (II)

Figure 2010047329
Figure 2010047329

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表すが、少なくとも1つは炭素数1〜8のアルキル基であり、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位から選ばれる少なくとも1種の単位であるのが好ましい。(In the formula, R 2 to R 4 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, but at least one is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 5 is a hydrogen atom or carbon. It is preferably at least one unit selected from aromatic vinyl compound units represented by formula (1-4).

一般式(II)における各基に関し、R〜Rの定義において炭素数1〜8のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基などの直鎖状アルキル基、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、1−メチルペンチル基などの分岐状アルキル基が挙げられ、Rの定義において炭素数1〜4のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などの直鎖状アルキル基、イソプロピル基、イソブチル基、tert−ブチル基などの分岐状アルキル基が挙げられる。一般式(II)で表される芳香族ビニル系化合物単位の好適な具体例としてはp−メチルスチレン単位、4−tert−ブチルスチレン単位、p−メチル−α−メチルスチレン単位、4−tert−ブチル−α−メチルスチレン単位等が挙げられる。これらの芳香族ビニル系化合物単位を与える芳香族ビニル系化合物は各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。Regarding each group in the general formula (II), the alkyl group having 1 to 8 carbon atoms in the definition of R 2 to R 4 includes a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group, Examples include linear alkyl groups such as octyl group, branched alkyl groups such as isopropyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, and 1-methylpentyl group. In the definition of R 5 , examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include branched alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a butyl group, an isopropyl group, an isobutyl group, and a tert-butyl group. An alkyl group. Preferable specific examples of the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (II) include p-methylstyrene unit, 4-tert-butylstyrene unit, p-methyl-α-methylstyrene unit, 4-tert- Examples include butyl-α-methylstyrene units. These aromatic vinyl compounds giving an aromatic vinyl compound unit may be used alone or in combination of two or more. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(C)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする場合には、重合体ブロック(C)は芳香族ビニル系化合物単位以外の他の単量体単位を、拘束相としての機能を妨げない範囲内で、含んでいてもよく、他の単量体単位を与える単量体としては、例えば炭素数4〜8の共役アルカジエン(具体例は既述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)が挙げられる。この際、芳香族ビニル系化合物と他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。   When the polymer block (C) has an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit, the polymer block (C) has a monomer unit other than the aromatic vinyl compound unit as a binding phase. The monomer which may be contained within a range not hindering the function and gives another monomer unit is, for example, a conjugated alkadiene having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are the polymer block (B) described above). ), (Meth) acrylate ester (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl ester (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, Vinyl pivalate, etc.) and vinyl ether (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.). At this time, the copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.

拘束相としての機能を果たす観点から、上記した芳香族ビニル系化合物単位は、重合体ブロック(C)の50モル%以上を占めることが好ましく、70モル%以上を占めることがより好ましく、90モル%以上を占めることがより一層好ましい。   From the viewpoint of fulfilling the function as a constrained phase, the aromatic vinyl compound unit described above preferably accounts for 50 mol% or more, more preferably 70 mol% or more of the polymer block (C), and more preferably 90 mol%. It is even more preferable to occupy% or more.

重合体ブロック(C)が結晶性ポリオレフィンブロックによって構成されている場合、かかる結晶性ポリオレフィンブロックとしては結晶性ポリエチレンブロック、結晶性ポリプロピレンブロック、結晶性水素添加1,4−ポリブタジエンブロック等が挙げられ、これらの中で結晶性水素添加1,4−ポリブタジエンブロックが最も好ましい。   When the polymer block (C) is constituted by a crystalline polyolefin block, examples of the crystalline polyolefin block include a crystalline polyethylene block, a crystalline polypropylene block, a crystalline hydrogenated 1,4-polybutadiene block, and the like. Of these, crystalline hydrogenated 1,4-polybutadiene blocks are most preferred.

重合体ブロック(C)を重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)と相分離させ、かつ拘束相として機能させる観点から、重合体ブロック(C)として特に好適な例としては、ポリp−メチルスチレンブロック、ポリ4−(tert−ブチル)スチレンブロック、ポリp−メチル−α−メチルスチレンブロック、ポリ4−tert−ブチル−α−メチルスチレンブロック等のポリスチレン系ブロック;任意の相互割合の、p−メチルスチレン、4−(tert−ブチル)スチレン、p−メチル−α−メチルスチレン、4−tert−ブチル−α−メチルスチレン等のアルキル置換スチレンから選ばれる2種以上が共重合した共重合体ブロック;結晶性水素添加1,4−ポリブタジエンブロック;結晶性ポリエチレンブロック;結晶性ポリプロピレンブロック等が挙げられる。   From the viewpoint of causing the polymer block (C) to phase-separate from the polymer block (A) and the polymer block (B) and to function as a constrained phase, examples of the polymer block (C) that are particularly suitable include poly p -Polystyrene blocks such as methylstyrene block, poly-4- (tert-butyl) styrene block, poly p-methyl-α-methylstyrene block, poly-4-tert-butyl-α-methylstyrene block; Copolymers in which two or more selected from alkyl-substituted styrenes such as p-methylstyrene, 4- (tert-butyl) styrene, p-methyl-α-methylstyrene, 4-tert-butyl-α-methylstyrene are copolymerized Polymer block; crystalline hydrogenated 1,4-polybutadiene block; crystalline polyethylene block; crystalline poly (B) pyrene block, and the like.

重合体ブロック(C)の分子量は、高分子電解質の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、高分子電解質の力学特性が高くなる傾向にあるが、大きすぎるとブロック共重合体の成形が困難になり、分子量が小さい場合、力学特性が低くなる傾向にあり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、100〜1,000,000の間から選択されるのが好ましく、1,000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (C) is appropriately selected depending on properties of the polymer electrolyte, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties of the polymer electrolyte tend to be high, but when it is too large, it becomes difficult to mold the block copolymer, and when the molecular weight is small, the mechanical properties tend to be low, and the required performance is reduced. It is important to select the molecular weight accordingly. The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually preferably selected from 100 to 1,000,000, more preferably from 1,000 to 100,000.

重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)及び重合体ブロック(C)から構成されるブロック共重合体の構造は、特に限定されないが、例として、A−Bジブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体、B−A−Bトリブロック共重合体、A−B−C型トリブロック共重合体、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、B−A−B−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、C−B−C−A型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−B型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−C−B型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−B型ペンタブロック共重合体、C−A−C−B−C型ペンタブロック共重合体等が挙げられる。   Although the structure of the block copolymer comprised from a polymer block (A), a polymer block (B), and a polymer block (C) is not specifically limited, As an example, AB diblock copolymer, A -B-A type triblock copolymer, B-A-B triblock copolymer, A-B-C type triblock copolymer, A-B-C-A type tetrablock copolymer, A- B-A-C type tetrablock copolymer, B-A-B-C type tetrablock copolymer, A-B-C-B type tetrablock copolymer, C-B-C-A type tetrablock copolymer Copolymer, C-A-B-A-C type pentablock copolymer, C-B-A-B-C type pentablock copolymer, A-C-B-C-A type pentablock copolymer Combined, A-C-B-A-C type pentablock copolymer, A-B-C-A-B type pen tab Copolymer, A-B-C-A-C type pentablock copolymer, A-B-C-B-C type pentablock copolymer, A-B-A-B-C type pentablock Copolymer, ABACACB type pentablock copolymer, BABACA type pentablock copolymer, BABACA type pentablock copolymer Examples thereof include B-A-B-C-B type pentablock copolymer and C-A-C-B-C type pentablock copolymer.

電解質の柔軟性の観点から少なくとも1つのBブロックの両端は他のブロックと結合して、ブロック共重合体の末端でないことが好ましい。また、Cブロックを複数有することが好ましい。   From the viewpoint of the flexibility of the electrolyte, it is preferable that both ends of at least one B block are bonded to other blocks and are not terminals of the block copolymer. It is preferable to have a plurality of C blocks.

本発明で使用するブロック共重合体は、一部にグラフト結合を含むものも包含する。一部にグラフト結合を含むブロック共重合体としては、構成する重合体ブロックの一部がブロック共重合体のメインの部分(例えば主鎖)にグラフト結合したものなどが挙げられる。   The block copolymer used in the present invention includes those partially containing graft bonds. Examples of the block copolymer partially containing a graft bond include those in which a part of the constituting polymer block is grafted to the main part (for example, main chain) of the block copolymer.

本発明で使用するブロック共重合体において、2個以上の重合体ブロック(A)を有する場合、それらは構造や分子量などが互いに同じであっても又は異なっていてもよい。また、該ブロック共重合体が2個以上の重合体ブロック(B)を有する場合、それらは構造や分子量などが互いに同じであっても又は異なっていてもよい。また、該ブロック共重合体が2個以上の重合体ブロック(C)を有する場合、それらは構造や分子量などが互いに同じであっても又は異なっていてもよい。   When the block copolymer used in the present invention has two or more polymer blocks (A), they may be the same or different in structure and molecular weight. Further, when the block copolymer has two or more polymer blocks (B), they may be the same or different in structure and molecular weight. When the block copolymer has two or more polymer blocks (C), they may be the same or different in structure and molecular weight.

本発明で使用するブロック共重合体において、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(C)の和と重合体ブロック(B)との質量比は、要求性能、柔軟性、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、適宜選択することが重要である。重合体ブロック(B)の質量比が小さすぎる場合には、柔軟性、弾力性、成形性に乏しく、電解質膜が剛直となるため機械的耐久性が低下する傾向にある。一方、重合体ブロック(B)の質量比が大きすぎる場合には、電解質膜の形態安定性、膜強度が低下するだけでなく、イオン伝導に寄与する重合体ブロック(A)の割合が低下するためにイオン伝導度が低下する。上記した観点から、本発明の電解質における重合体ブロック(A)と重合体ブロック(C)の和と重合体ブロック(B)の質量比は、90:10〜10:90であるのが好ましく、70:30〜30:70であるのがより好ましく、60:40〜40:60であるのがより一層好ましい。   In the block copolymer used in the present invention, the mass ratio of the sum of the polymer block (A) and the polymer block (C) to the polymer block (B) depends on the required performance, flexibility, elasticity, and membrane- It is important to select appropriately from the viewpoint of giving good moldability in the production of the electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell. When the mass ratio of the polymer block (B) is too small, the flexibility, elasticity, and moldability are poor, and the electrolyte membrane becomes rigid, so the mechanical durability tends to decrease. On the other hand, when the mass ratio of the polymer block (B) is too large, not only the morphological stability and membrane strength of the electrolyte membrane are lowered, but also the proportion of the polymer block (A) contributing to ionic conduction is lowered. Therefore, the ionic conductivity is lowered. From the above viewpoint, the mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) to the polymer block (B) in the electrolyte of the present invention is preferably 90:10 to 10:90, 70:30 to 30:70 is more preferable, and 60:40 to 40:60 is even more preferable.

本発明の電解質を構成するブロック共重合体のイオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜 2,000,000が好ましく、15,000〜1,000,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。   The number average molecular weight of the block copolymer constituting the electrolyte of the present invention in a state where the ion conductive group is not introduced is not particularly limited, but the number average molecular weight in terms of polystyrene is usually 10,000 to 2,000. 1,000, preferably 15,000 to 1,000,000, more preferably 20,000 to 500,000.

本発明で使用するブロック共重合体は重合体ブロック(A)中にイオン伝導性基を有することが必要である。本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトンなどが挙げられる。イオン伝導性基としては、該高分子電解質膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、中でも−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基としては、また、カルボキシル基又はその塩も用いることができる。イオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック(A)にするのは、イオン伝導性基の導入が容易なため及びイオンチャンネル形成を容易にするためである。The block copolymer used in the present invention needs to have an ion conductive group in the polymer block (A). Examples of ions in the present invention when referring to ionic conductivity include protons. The ion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the polymer electrolyte membrane can express sufficient ionic conductivity. Among them, -SO 3 M or- A sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a salt thereof represented by PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) is preferably used. As the ion conductive group, a carboxyl group or a salt thereof can also be used. The introduction position of the ion conductive group is set to the polymer block (A) because the introduction of the ion conductive group is easy and the formation of the ion channel is facilitated.

重合体ブロック(A)中へのイオン伝導性基の導入位置については特に制限はなく、主たる繰返し単位である芳香族ビニル系化合物単位に導入しても既述の他の単量体単位に導入してもよい。しかし、イオンチャンネル形成を容易にする観点や、DMFCにおけるMCOの抑制の観点から、芳香族ビニル系化合物単位の芳香環に導入するのが好ましい。   There are no particular restrictions on the position at which the ion conductive group is introduced into the polymer block (A), and even if it is introduced into the aromatic vinyl compound unit which is the main repeating unit, it is introduced into the other monomer units described above. May be. However, from the viewpoint of facilitating ion channel formation and suppression of MCO in DMFC, it is preferably introduced into the aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit.

本発明において、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在する。これは1つにはイオンチャンネルの形成を容易にするためであり、また、1つにはイオンチャンネル形成する成分を重合体ブロック(A)に実質上限定するためである。単一成分によりイオンチャンネルが形成されることにより、イオン伝導性基が高密度に存在することとなり、高効率イオン伝導が可能となる。
本発明において、イオン伝導性基が実質上重合体ブロック(A)のみに存在するとは、ブロック共重合体中に存在するイオン伝導性基の70モル%以上、好ましくは80モル%以上、より好ましくは90モル%以上、より一層好ましくは95モル%以上が重合体ブロック(A)に存在することを意味するものとする。
In the present invention, the ion conductive group is substantially present only in the polymer block (A). This is in part for facilitating the formation of ion channels and in part for the purpose of substantially limiting the components that form the ion channels to the polymer block (A). By forming an ion channel with a single component, ion conductive groups exist at a high density, and high-efficiency ion conduction is possible.
In the present invention, the fact that the ion conductive group is substantially present only in the polymer block (A) is 70 mol% or more, preferably 80 mol% or more, more preferably, of the ion conductive group present in the block copolymer. Means 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more is present in the polymer block (A).

イオン伝導性基の導入量は、高分子電解質の性能を決める上で重要である。本発明の高分子電解質を固体高分子型燃料電池における高分子電解質膜として使用するのに十分なイオン伝導性を発現するためには、本発明の高分子電解質のイオン交換容量は0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.35meq/g以上であることがより好ましい。イオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり、膨潤しやすい傾向にあるので、3.0meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of ion-conductive group introduced is important in determining the performance of the polymer electrolyte. In order to exhibit sufficient ion conductivity for using the polymer electrolyte of the present invention as a polymer electrolyte membrane in a solid polymer fuel cell, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte of the present invention is 0.30 meq / The amount is preferably such that it is at least g, more preferably at least 0.35 meq / g. The upper limit of the ion exchange capacity is preferably 3.0 meq / g or less, because if the ion exchange capacity becomes too large, hydrophilicity tends to increase and it tends to swell.

本発明で用いられるブロック共重合体は主として次の2つの製造方法によって得ることができる。すなわち、(1)イオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、イオン伝導性基を結合させる方法、(2)イオン伝導性基を有する単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。   The block copolymer used in the present invention can be obtained mainly by the following two production methods. That is, (1) a method in which a block copolymer having no ion conductive group is produced and then the ion conductive group is bonded; (2) a block copolymer using a monomer having an ion conductive group It is a method of manufacturing.

まず第1の製造法について述べる。ブロック共重合体がビニル系ブロック共重合体である場合に、重合体ブロック(A)、(B)又は(C)を構成する単量体の種類、分子量等によって重合体ブロック(A)、(B)又は(C)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法、アニオン重合あるいはカチオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、重合体ブロック(A)、(B)及び(C)の結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法あるいはリビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法が好ましい。   First, the first manufacturing method will be described. When the block copolymer is a vinyl block copolymer, the polymer block (A), (A), (B) or (C) may be polymer block (A), ( The production method of B) or (C) is appropriately selected from a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, a coordination polymerization method and the like, but from the viewpoint of industrial ease, a radical polymerization method, an anionic polymerization or a cation. A polymerization method is preferably selected. In particular, a so-called living polymerization method is preferred from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding of polymer blocks (A), (B) and (C), and specifically, a living radical polymerization method or a living Anionic polymerization and living cationic polymerization are preferred.

製造法の具体例として、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(C)、スチレン又はα−メチルスチレンからなる重合体ブロック(A)及び共役アルカジエンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック(A)、(B)及び(C)の結合の容易さ等からリビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法で製造するのが好ましく、次のような具体的な合成例が示される。   Specific examples of the production method include a polymer block (C) having an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene as a main repeating unit, a polymer block (A) comprising styrene or α-methylstyrene, and a conjugated alkadiene. A method for producing a block copolymer comprising a polymer block (B) comprising: In this case, it is preferable to produce by a living anionic polymerization method and a living cationic polymerization method from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding of polymer blocks (A), (B) and (C), etc. The following specific synthesis examples are shown.

本発明の高分子電解質を構成するブロック共重合体をアニオン重合によって製造するに当たっては、
(1)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、10〜100℃の温度条件下で、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を重合し、その後共役アルカジエン、スチレンを逐次重合させA−B−C型ブロック共重合体を得る方法、
(2)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、10〜100℃の温度条件下で、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を重合し、その後スチレン、共役アルカジエンを逐次重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加してC−A−B−A−C型ブロック共重合体を得る方法、
(3)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、10〜100℃の温度条件下で、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物、共役アルカジエン、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を逐次重合させC−B−C型ブロック共重合体を作成し、アニオン重合開始剤系(アニオン重合開始剤/N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン)を添加し共役アルカジエン単位をリチオ化した後、スチレンを重合させ、C−B(−g−A)−C型ブロック・グラフト共重合体を得る方法、
In producing the block copolymer constituting the polymer electrolyte of the present invention by anionic polymerization,
(1) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent, and an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene is polymerized at a temperature of 10 to 100 ° C., and then a conjugated alkadiene and styrene are sequentially polymerized. And a method of obtaining an ABC type block copolymer,
(2) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent to polymerize an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene under a temperature condition of 10 to 100 ° C., and then sequentially polymerize styrene and a conjugated alkadiene. A method of obtaining a C-A-B-A-C type block copolymer by adding a coupling agent such as phenyl benzoate,
(3) Using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent, under a temperature condition of 10 to 100 ° C., aromatic vinyl compounds such as 4-tert-butylstyrene, conjugated alkadienes, 4-tert-butylstyrene, etc. Sequentially polymerize aromatic vinyl compounds to create a CBC block copolymer and add an anionic polymerization initiator system (anionic polymerization initiator / N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine) And then lithiating the conjugated alkadiene unit and then polymerizing styrene to obtain a CB (-g-A) -C type block-graft copolymer,

(4)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役アルカジエン、4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物を逐次重合させA−B−C型ブロック共重合体を得る方法、
(5)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに4−tert−ブチルスチレン等の芳香族ビニル系化合物、共役アルカジエンを重合させた後、安息香酸フェニル等のカップリング剤を添加してA−C−B−C−A型ブロック共重合体を得る方法、などを採用/応用することができる。
(4) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized, and the resulting living polymer is sequentially polymerized with an aromatic vinyl compound such as conjugated alkadiene and 4-tert-butylstyrene to obtain an ABC type block copolymer,
(5) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized, and the resulting living polymer is polymerized with an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene and a conjugated alkadiene, and then added with a coupling agent such as phenyl benzoate. A method of obtaining a C—B—C—A type block copolymer can be employed / applied.

本発明の高分子電解質を構成するブロック共重合体をカチオン重合によって製造するに当たっては、
(6)ハロゲン系/炭化水素系混合溶媒中、−78℃で、2官能性ハロゲン化開始剤を用いて、ルイス酸存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、スチレン、4−tert−ブチルスチレン等のスチレン誘導体を逐次重合させ、C−A−B−A−C 型ブロック共重合体を得る方法、などを採用/応用することができる。
In producing the block copolymer constituting the polymer electrolyte of the present invention by cationic polymerization,
(6) Cationic polymerization of isobutene in the presence of Lewis acid using a bifunctional halogenated initiator at -78 ° C in a halogen / hydrocarbon mixed solvent, followed by styrene, 4-tert-butylstyrene A method of sequentially polymerizing styrene derivatives such as C-A-B-A-C type block copolymer can be employed / applied.

次に、得られるブロック共重合体にイオン伝導性基を結合させる方法について述べる。まず、得られたブロック共重合体にスルホン酸基を導入する方法について述べる。スルホン化は、公知のスルホン化の方法で行える。このような方法としては、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や縣濁液を調製し、スルホン化剤を添加し混合する方法やブロック共重合体に直接ガス状のスルホン化剤を添加する方法等が例示される。   Next, a method for bonding an ion conductive group to the resulting block copolymer will be described. First, a method for introducing a sulfonic acid group into the obtained block copolymer will be described. Sulfonation can be performed by a known sulfonation method. As such a method, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, a sulfonating agent is added and mixed, a method of adding a gaseous sulfonating agent directly to the block copolymer, etc. Is exemplified.

使用するスルホン化剤としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物系、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物系、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物系、さらに2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、ヘキサン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類等が例示でき、必要に応じて複数の組合せから、適宜選択して使用してもよい。   Sulfonating agents used include sulfuric acid, a mixture of sulfuric acid and aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate. Examples thereof include aromatic organic sulfonic acids represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, and the like. You may use it, selecting suitably from several combinations.

得られるブロック共重合体にホスホン酸基を導入する方法について述べる。ホスホン化は、公知のホスホン化の方法で行える。具体的には、例えば、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や懸濁液を調製し、無水塩化アルミニウムの存在下、該共重合体をクロロメチルエーテル等と反応させ、芳香環にハロメチル基を導入後、これに三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、さらに加水分解反応を行ってホスホン酸基を導入する方法などが挙げられる。あるいは、該共重合体に三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、芳香環にホスフィン酸基を導入後、硝酸によりホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法等が例示できる。   A method for introducing phosphonic acid groups into the resulting block copolymer will be described. Phosphonation can be performed by a known phosphonation method. Specifically, for example, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, and the copolymer is reacted with chloromethyl ether or the like in the presence of anhydrous aluminum chloride to introduce a halomethyl group into the aromatic ring. Thereafter, there may be mentioned a method in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added and reacted, followed by a hydrolysis reaction to introduce a phosphonic acid group. Alternatively, a method may be exemplified in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added to the copolymer and reacted to introduce a phosphinic acid group into the aromatic ring, and then the phosphinic acid group is oxidized with nitric acid to form a phosphonic acid group.

スルホン化又はホスホン化の程度としては、すでに述べたごとく、本発明の高分子電解質のイオン交換容量が0.30meq/g以上、特に0.35meq/g以上となるように、しかし、3.00meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化することが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。最終的に得られる高分子電解質のイオン交換容量やスルホン化もしくはホスホン化されたブロック共重合体のイオン交換容量、又はブロック共重合体における重合体ブロック(A)中のスルホン化率又はホスホン化率は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。As described above, the degree of sulfonation or phosphonation is such that the ion exchange capacity of the polymer electrolyte of the present invention is 0.30 meq / g or more, particularly 0.35 meq / g or more, but 3.00 meq. It is desirable to sulfonate or phosphonate so that it is less than / g. Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the finally obtained polyelectrolyte, the ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer, or the sulfonation rate or phosphonation rate in the polymer block (A) in the block copolymer Can be calculated using analytical means such as acid value titration method, infrared spectroscopic spectrum measurement, nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.

本発明で用いられるブロック共重合体の、第2の製造法は、イオン伝導性基を有する少なくとも1つの単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。ブロック共重合体がビニル系ブロック共重合体である場合のイオン伝導性基を有する単量体としては、芳香族系ビニル系化合物にイオン伝導性基が結合した単量体が好ましい。具体的には、o、mもしくはp−アルキルスチレンスルホン酸、α−アルキル−o−、m−もしくはp−アルキル−スチレンスルホン酸、α−アルキル−ビニルナフタレンスルホン酸、α−アルキル−ビニルアントラセンスルホン酸、α−アルキル−ビニルピレンスルホン酸、o−、m−もしくはp−アルキルスチレンホスホン酸、α−アルキル−o−、m−もしくはp−アルキル−スチレンホスホン酸、α−アルキル− ビニルナフタレンホスホン酸、α−アルキル−ビニルアントラセンホスホン酸、α−アルキル−ビニルピレンホスホン酸等が挙げられる。   The second production method of the block copolymer used in the present invention is a method for producing a block copolymer using at least one monomer having an ion conductive group. When the block copolymer is a vinyl block copolymer, the monomer having an ion conductive group is preferably a monomer in which an ion conductive group is bonded to an aromatic vinyl compound. Specifically, o, m or p-alkylstyrene sulfonic acid, α-alkyl-o-, m- or p-alkyl-styrenesulfonic acid, α-alkyl-vinylnaphthalenesulfonic acid, α-alkyl-vinylanthracenesulfone Acid, α-alkyl-vinylpyrenesulfonic acid, o-, m- or p-alkylstyrene phosphonic acid, α-alkyl-o-, m- or p-alkyl-styrenephosphonic acid, α-alkyl-vinylnaphthalenephosphonic acid , Α-alkyl-vinylanthracenephosphonic acid, α-alkyl-vinylpyrenephosphonic acid and the like.

イオン伝導性基を含有する単量体としては、共役アルカジエン化合物にイオン伝導性基が結合した単量体も用いることができる。具体的には、1,3−ブタジエン−1−スルホン酸、1,3−ブタジエン−2−スルホン酸、イソプレン−1−スルホン酸、イソプレン−2−スルホン酸、1,3−ブタジエン−1−ホスホン酸、1,3−ブタジエン−2−ホスホン酸、イソプレン−1−ホスホン酸、イソプレン−2−ホスホン酸等が挙げられる。   As the monomer containing an ion conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to a conjugated alkadiene compound can also be used. Specifically, 1,3-butadiene-1-sulfonic acid, 1,3-butadiene-2-sulfonic acid, isoprene-1-sulfonic acid, isoprene-2-sulfonic acid, 1,3-butadiene-1-phosphone Examples include acid, 1,3-butadiene-2-phosphonic acid, isoprene-1-phosphonic acid, and isoprene-2-phosphonic acid.

イオン伝導性基を含有する単量体としてはまた、ビニルスルホン酸、α−アルキル−ビニルスルホン酸、ビニルアルキルスルホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルスルホン酸、ビニルホスホン酸、α−アルキル−ビニルホスホン酸、ビニルアルキルホスホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルホスホン酸等も用いることができる。イオン伝導性を含有する単量体としては、さらに、イオン伝導性基が結合した(メタ)アクリル系単量体も用いることができる。具体的には、メタクリル酸、アクリル酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸等が挙げられる。   Examples of the monomer containing an ion conductive group include vinyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl sulfonic acid, vinyl alkyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl sulfonic acid, vinyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl phosphone. Acid, vinyl alkyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl phosphonic acid and the like can also be used. As the monomer containing ion conductivity, a (meth) acrylic monomer to which an ion conductive group is bonded can also be used. Specific examples include methacrylic acid, acrylic acid, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, and the like.

イオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、o−、m−もしくはp−アルキルスチレンスルホン酸ナトリウム、あるいはα−メチル−o−、m−もしくはp−アルキルスチレンスルホン酸ナトリウムを用いて重合体を製造することで、所望のイオン伝導性基を導入できる。又、適当な方法でイオン交換することにより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体を得ることができる。   The ion conductive group may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, by producing a polymer using sodium o-, m- or p-alkylstyrene sulfonate, or sodium α-methyl-o-, m- or p-alkylstyrene sulfonate, the desired ionic conductivity can be obtained. A group can be introduced. Moreover, the block copolymer which made the sulfonic acid group into the salt form can be obtained by ion-exchange by a suitable method.

本発明に用いられる金属リン酸塩は、原料として、M(ここで、Mは長周期型周期律表第4族及び第14族の元素からなる群より選択される1種以上の元素である)を含有する化合物と、J(ここで、Jは長周期型周期律表第3族、第13族、第5族及び第15族の元素からなる群より選択される1種以上の元素である)を含有する化合物と、Pを含有する化合物から製造される。該金属リン酸塩は、実質的に以下の式(1)で表されることが好ましい:
1−x (1)
(式中、xは0.001〜0.5の数値を表し、M及びJは前記と同義である)。
The metal phosphate used in the present invention is, as a raw material, M (where M is one or more elements selected from the group consisting of elements of groups 4 and 14 of the long-period periodic table) And a compound containing J (where J is one or more elements selected from the group consisting of elements of Group 3, Group 13, Group 5 and Group 15 of the Long Periodic Periodic Table) And a compound containing P). The metal phosphate is preferably substantially represented by the following formula (1):
M 1-x J x P 2 O 7 (1)
(In the formula, x represents a numerical value of 0.001 to 0.5, and M and J are as defined above).

実質的に式(1)で表されるとは、式(1)の組成比、すなわちM:J:P:Oのモル比である(1−x):x:2:7において、本発明における該金属リン酸塩による効果を阻害しない範囲で、P及びOの割合である2及び7がそれぞれ若干増減されていてもよいことを意味する。若干とは、用いるM及びJの種類にもよるが、通常それぞれ±10%程度以内で、すなわちリン原子のモル比が1.8〜2.2、酸素原子のモル比が6.3〜7.7の範囲内でそれぞれ独立に変動してもよいことを意味する。である。ただし、この増減の程度は、なるべく小さいことが好ましい。   What is substantially represented by the formula (1) is the composition ratio of the formula (1), that is, the molar ratio of M: J: P: O (1-x): x: 2: 7. In the range which does not inhibit the effect by this metal phosphate in, it means that 2 and 7 which are the ratio of P and O may be slightly increased / decreased, respectively. Depending on the type of M and J used, the amount is usually within about ± 10%, that is, the molar ratio of phosphorus atoms is 1.8 to 2.2, and the molar ratio of oxygen atoms is 6.3 to 7 It means that it may vary independently within the range of .7. It is. However, the degree of increase / decrease is preferably as small as possible.

Mとしては第4族に属する金属としてのTi、Zr、Hf等、及び第14族に属する金属としてのSi、Ge、Sn、Pb等が挙げられ、Jとしては第3族に属する金属としてのSc、Y、La、Ce、Yb等、第13族に属する金属としてのB、Al、Ga、In等、第5族に属する金属としてのV、Nb、Ta等、第15族に属する金属としてのSb、Bi等が挙げられる。MとしてはTi、Zr、Hf、Si、Ge、Sn及びPbが好ましく、JとしてはAl及びInが好ましい。   Examples of M include Ti, Zr, Hf, etc. as metals belonging to Group 4, and Si, Ge, Sn, Pb, etc., as metals belonging to Group 14, and J, as metals belonging to Group 3 As metals belonging to Group 15, such as Sc, Y, La, Ce, Yb, etc., B, Al, Ga, In, etc. as metals belonging to Group 13, V, Nb, Ta, etc. as metals belonging to Group 5 Sb, Bi and the like. M is preferably Ti, Zr, Hf, Si, Ge, Sn and Pb, and J is preferably Al and In.

Mを含有する化合物としては、Mの種類によって、適宜選択すればよいが、酸化物を用いるか、又は水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩など高温で分解及び/又は酸化して酸化物になり得るものを用いることができる。MとしてTi、Zr、Ge又はSnを用いる場合、Mを含有する化合物として、塩化チタン(IV)、ヨウ化チタン(IV)、酸化チタン(IV)、チタン(IV)エトキシド、臭化ジルコニウム(IV)、塩化ジルコニウム(IV)、酸化ジルコニウム(IV)、炭酸ジルコニウム(IV)、ジルコニウム(IV)エトキシド、臭化ゲルマニウム(IV)、ヨウ化ゲルマニウム(IV)、酸化ゲルマニウム(IV)、酢酸スズ(IV)、フッ化スズ(IV)、塩化スズ(IV)、臭化スズ(IV)、ヨウ化スズ(IV)、酸化スズ(IV)、及びこれらの水和物を例示することができる。上記化合物の中でも、コスト、及び高温時の分解及び/又は酸化により生じる副生成物の安全性の観点から、酸化物又はその水和物を好ましく用いることができる。   The compound containing M may be appropriately selected depending on the kind of M, but an oxide is used, or decomposition and / or oxidation is performed at a high temperature such as hydroxide, carbonate, nitrate, halide, oxalate, etc. Thus, an oxide capable of becoming an oxide can be used. When Ti, Zr, Ge, or Sn is used as M, compounds containing M include titanium (IV) chloride, titanium (IV) iodide, titanium (IV) oxide, titanium (IV) ethoxide, zirconium bromide (IV ), Zirconium chloride (IV), zirconium oxide (IV), zirconium carbonate (IV), zirconium (IV) ethoxide, germanium bromide (IV), germanium iodide (IV), germanium oxide (IV), tin acetate (IV) ), Tin (IV) fluoride, tin (IV) chloride, tin (IV) bromide, tin (IV) iodide, tin (IV) oxide, and hydrates thereof. Among the above compounds, oxides or hydrates thereof can be preferably used from the viewpoint of cost and safety of by-products generated by decomposition and / or oxidation at high temperature.

Pを含有する化合物としては、リン酸、ホスホン酸等が挙げられ、M及びJとの反応性の観点から、リン酸が好ましい。リン酸の供給源としては、通常50%以上の濃リン酸水溶液を用いるが、操作性の観点から、80〜90%の濃リン酸水溶液が好ましい。   Examples of the compound containing P include phosphoric acid and phosphonic acid, and phosphoric acid is preferable from the viewpoint of reactivity with M and J. As the phosphoric acid supply source, a concentrated phosphoric acid aqueous solution of 50% or more is usually used, but an 80-90% concentrated phosphoric acid aqueous solution is preferable from the viewpoint of operability.

Jを含有する化合物としては、公知の化合物から適宜選択すればよいが、具体的には、酸化物を用いるか、又は水酸化物、ハロゲン化物、硝酸塩、酢酸塩、炭酸塩、アルコキシド(エトキシド、イソプロポキシド等)、シュウ酸塩など高温で分解及び/又は酸化して酸化物になり得るものを用いればよい。JとしてSc、Y、La、Yb、B、Al、Ga、In又はBiを用いる場合、Jを含有する化合物としては、酢酸スカンジウム(III)、炭酸スカンジウム(III)、フッ化スカンジウム(III)、塩化スカンジウム(III)、ヨウ化スカンジウム(III)、硝酸スカンジウム(III)、酸化スカンジウム(III)、酢酸イットリウム(III)、フッ化イットリウム(III)、塩化イットリウム(III)、臭化イットリウム(III)、硝酸イットリウム(III)、シュウ酸イットリウム(III)、酸化イットリウム(III)、イットリウム(III)イソプロポキシド、酢酸ランタン、炭酸ランタン(III)、フッ化ランタン(III)、塩化ランタン(III)、臭化ランタン(III)、ヨウ化ランタン(III)、硝酸ランタン(III)、シュウ酸ランタン(III)、酸化ランタン(III)、酢酸イッテルビウム、炭酸イッテルビウム(III)、フッ化イッテルビウム、塩化イッテルビウム(III)、臭化イッテルビウム(III)、ヨウ化イッテルビウム(III)、硝酸イッテルビウム(III)、シュウ酸イッテルビウム(III)、酸化イッテルビウム(III)、フッ化ホウ素(III)、塩化ホウ素(III)、臭化ホウ素(III)、酸化ホウ素(III)、炭酸アルミニウム(III)、フッ化アルミニウム(III)、塩化アルミニウム(III)、臭化アルミニウム(III)、ヨウ化アルミニウム(III)、硝酸アルミニウム(III)、シュウ酸アルミニウム(III)、酸化アルミニウム(III)、水酸化アルミニウム(III)、アルミニウム(III)エトキシド、アルミニウム(III)イソプロポキシド、α―Al、γ―Al、フッ化ガリウム(III)、塩化ガリウム(III)、臭化ガリウム(III)、硝酸ガリウム(III)、酸化ガリウム(III)、酢酸インジウム(III)、塩化インジウム(III)、臭化インジウム(III)、ヨウ化インジウム(III)、硝酸インジウム(III)、酸化インジウム(III)、水酸化インジウム(III)、インジウム(III)イソプロポキシド、酢酸ビスマス(III)、フッ化ビスマス(III)、塩化ビスマス(III)、臭化ビスマス(III)、ヨウ化ビスマス(III)、硝酸ビスマス(III)、酸化ビスマス(III)、及びこれらの水和物を例示することができる。上記化合物の中でも、コスト、及び高温時の分解及び/又は酸化により生じる副生成物の安全性の観点から、酸化物、水酸化物、又はその水和物を好ましく用いることができる。The compound containing J may be appropriately selected from known compounds. Specifically, an oxide is used, or a hydroxide, halide, nitrate, acetate, carbonate, alkoxide (ethoxide, Isopropoxide or the like), oxalate, or the like that can be decomposed and / or oxidized at high temperature to form an oxide may be used. When Sc, Y, La, Yb, B, Al, Ga, In, or Bi is used as J, compounds containing J include scandium (III) acetate, scandium (III) carbonate, scandium fluoride (III), Scandium chloride (III), scandium iodide (III), scandium nitrate (III), scandium oxide (III), yttrium acetate (III), yttrium fluoride (III), yttrium chloride (III), yttrium bromide (III) , Yttrium nitrate (III), yttrium oxalate (III), yttrium oxide (III), yttrium (III) isopropoxide, lanthanum acetate, lanthanum carbonate (III), lanthanum fluoride (III), lanthanum chloride (III), Lanthanum (III) bromide, lanthanum iodide (III), lanthanum nitrate (III), lanthanum oxalate (III), lanthanum oxide (III), ytterbium acetate, ytterbium carbonate (III), ytterbium fluoride, ytterbium chloride (III), ytterbium bromide (III), iodine Ytterbium (III), ytterbium nitrate (III), ytterbium oxalate (III), ytterbium oxide (III), boron fluoride (III), boron chloride (III), boron bromide (III), boron oxide (III) , Aluminum carbonate (III), aluminum fluoride (III), aluminum chloride (III), aluminum bromide (III), aluminum iodide (III), aluminum nitrate (III), aluminum oxalate (III), aluminum oxide ( III , Aluminum hydroxide (III), aluminum (III) ethoxide, aluminum (III) isopropoxide, α-Al 2 O 3, γ-Al 2 O 3, fluorinated gallium (III), gallium chloride (III), odor Gallium (III) iodide, gallium nitrate (III), gallium oxide (III), indium (III) acetate, indium (III) chloride, indium (III) bromide, indium (III) iodide, indium (III) nitrate, Indium (III) oxide, indium (III) hydroxide, indium (III) isopropoxide, bismuth acetate (III), bismuth (III) fluoride, bismuth chloride (III), bismuth bromide (III), bismuth iodide (III), bismuth nitrate (III), bismuth oxide (III), and These hydrates can be exemplified. Among the above compounds, oxides, hydroxides, or hydrates thereof can be preferably used from the viewpoints of cost and safety of by-products generated by decomposition and / or oxidation at high temperature.

上記の原料を用いて、以下の(a)および(b)の工程をこの順で含むようにして金属リン酸塩を製造することができる:
(a)Mを含有する化合物とJを含有する化合物とPを含有する化合物、例えばリン酸とを反応させ、反応物を得る工程、
(b)該反応物を熱処理する工程。
Using the above raw materials, a metal phosphate can be produced by including the following steps (a) and (b) in this order:
(A) a step of reacting a compound containing M, a compound containing J and a compound containing P, such as phosphoric acid, to obtain a reaction product,
(B) A step of heat-treating the reactant.

工程(a)において、反応温度は、合成する金属リン酸塩の組成によって適宜選択し、通常200〜400℃の範囲の温度で行う。250〜350℃の範囲の温度で行うことが好ましく、MがTi、Zr、Ge又はSnを含有し、かつ、JがSc、Y、La、Yb、B、Al、Ga、In又はBiを含有する場合は270〜330℃がより好ましい。また反応時においては、攪拌することにより混合を十分に行うのがよい。得られる反応物の操作性の観点で、反応物の適切な粘度を維持し固化を防ぐ意味で、反応時に適量の水を添加することが有効な場合もある。反応時間は、合成する金属リン酸塩の組成によって適宜選択し、可能な限り長時間であるのがよい。ただし生産性を考慮すると、1〜50時間の範囲であることが好ましく、MがTi、Zr、Ce又はSnを含有し、かつ、JがSc、Y、La、Yb、B、Al、Ga、In又はBiを含有する場合には1〜20時間の範囲であることがより好ましい。   In the step (a), the reaction temperature is appropriately selected depending on the composition of the metal phosphate to be synthesized, and is usually performed at a temperature in the range of 200 to 400 ° C. Preferably, the temperature is in the range of 250 to 350 ° C., M contains Ti, Zr, Ge, or Sn, and J contains Sc, Y, La, Yb, B, Al, Ga, In, or Bi When it does, 270-330 degreeC is more preferable. Further, during the reaction, it is preferable to sufficiently mix by stirring. From the viewpoint of the operability of the resulting reactant, it may be effective to add an appropriate amount of water during the reaction in order to maintain an appropriate viscosity of the reactant and prevent solidification. The reaction time is appropriately selected according to the composition of the metal phosphate to be synthesized, and should be as long as possible. However, considering productivity, it is preferably in the range of 1 to 50 hours, M contains Ti, Zr, Ce or Sn, and J is Sc, Y, La, Yb, B, Al, Ga, In the case of containing In or Bi, it is more preferably in the range of 1 to 20 hours.

工程(a)において得られる反応物は、ペースト状のものであり、工程(b)において該反応物を熱処理することで、金属リン酸塩を得ることができる。熱処理の温度としては、合成する金属リン酸塩の組成によって適宜選択し、500〜800℃の範囲で行うことが好ましく、MがTi、Zr、Ge又はSnである場合、及び/又はJがSc、Y、La、Yb、B、Al、Ga、In又はBiである場合は600〜700℃の範囲がより好ましく、630〜680℃の範囲がさらにより好ましい。熱処理の時間は、合成する金属リン酸塩の組成によって適宜選択し、1〜20時間の範囲であることが好ましく、MがTi、Zr、Ge又はSnである場合、及び/又はJがSc、Y、La、Yb、B、Al、Ga、In又はBiである場合は1〜5時間の範囲がより好ましく、2〜5時間の範囲がより一層好ましい。   The reaction product obtained in the step (a) is in a paste form, and the metal phosphate can be obtained by heat-treating the reaction product in the step (b). The temperature of the heat treatment is appropriately selected depending on the composition of the metal phosphate to be synthesized, and is preferably performed in the range of 500 to 800 ° C., when M is Ti, Zr, Ge or Sn, and / or J is Sc. , Y, La, Yb, B, Al, Ga, In, or Bi, a range of 600 to 700 ° C is more preferable, and a range of 630 to 680 ° C is even more preferable. The heat treatment time is appropriately selected depending on the composition of the metal phosphate to be synthesized, and is preferably in the range of 1 to 20 hours. When M is Ti, Zr, Ge or Sn, and / or J is Sc, In the case of Y, La, Yb, B, Al, Ga, In or Bi, the range of 1 to 5 hours is more preferable, and the range of 2 to 5 hours is even more preferable.

本発明の態様1の電解質ひいては電解質膜を構成する共重合体と金属リン酸塩の質量比は、成膜性、膜強度、イオン伝導度、MCO等の要求性能の観点から、適宜選択することが重要である。金属リン酸塩の質量比が小さすぎる場合、イオン伝導度が向上する効果が十分に得られない傾向にある。一方、金属リン酸塩の質量比が大きすぎる場合、湿潤時における電解質膜の膜強度、寸法安定性、形態安定性が低下する傾向にある。上記した観点から、本発明の態様1の電解質ひいては電解質膜における共重合体と金属リン酸塩の質量比は、99:1〜30:70であることが好ましく、70:30〜30:70がより好ましく、50:50〜30:70であることがより一層好ましい。   The mass ratio of the electrolyte constituting the first aspect of the present invention, and thus the copolymer constituting the electrolyte membrane and the metal phosphate, should be appropriately selected from the viewpoint of required performance such as film formability, membrane strength, ionic conductivity, and MCO. is important. When the mass ratio of the metal phosphate is too small, the effect of improving the ionic conductivity tends to be insufficient. On the other hand, when the mass ratio of the metal phosphate is too large, the membrane strength, dimensional stability, and morphological stability of the electrolyte membrane tend to decrease when wet. From the above viewpoint, the mass ratio of the copolymer and the metal phosphate in the electrolyte and thus the electrolyte membrane of Embodiment 1 of the present invention is preferably 99: 1 to 30:70, and 70:30 to 30:70 is More preferably, it is more preferable that it is 50: 50-30: 70.

本発明の態様2の電解質ひいては電解質膜を構成する共重合体と金属リン酸塩の質量比は、成膜性、膜強度、イオン伝導度等の要求性能の観点から、適宜選択することが重要である。金属リン酸塩の質量比が小さすぎる場合、イオン伝導度が向上する効果が十分に得られない傾向にある。一方、金属リン酸塩の質量比が大きすぎる場合、湿潤時における電解質膜の膜強度、寸法安定性、形態安定性が低下する傾向にある。上記した観点から、並びに態様2の本発明に特有の観点、すなわち高温で低湿度もしくは無加湿の条件下においても、高いプロトン伝導性を発現させるという観点から、本発明の態様2の電解質ひいては電解質膜における共重合体と金属リン酸塩の質量比は、80:20〜1:99であることが好ましく、70:30〜5:95がより好ましく、50:50〜10:90であることがより一層好ましい。   It is important that the mass ratio of the electrolyte constituting the second aspect of the present invention, that is, the copolymer constituting the electrolyte membrane and the metal phosphate is appropriately selected from the viewpoint of required performance such as film formability, membrane strength, and ionic conductivity. It is. When the mass ratio of the metal phosphate is too small, the effect of improving the ionic conductivity tends to be insufficient. On the other hand, when the mass ratio of the metal phosphate is too large, the membrane strength, dimensional stability, and morphological stability of the electrolyte membrane tend to decrease when wet. From the viewpoints described above and from the viewpoint specific to the present invention of Embodiment 2, that is, from the viewpoint of developing high proton conductivity even under conditions of high temperature, low humidity, or no humidification, the electrolyte of Embodiment 2 of the present invention and the electrolyte The mass ratio of the copolymer to the metal phosphate in the membrane is preferably 80:20 to 1:99, more preferably 70:30 to 5:95, and 50:50 to 10:90. Even more preferred.

本発明の態様3の電解質ひいては電解質膜を構成する共重合体と金属リン酸塩の質量比は、成膜性、膜強度、イオン伝導度、MCO等の要求性能の観点に加えて、電解質として使用する燃料電池の運転条件に応じて、適宜選択することが重要である。金属リン酸塩の質量比が小さすぎる場合、イオン伝導度が向上する効果が十分に得られない傾向にあり、金属リン酸塩の質量比が大きすぎる場合、湿潤時における電解質膜の膜強度、寸法安定性、形態安定性が低下する傾向にある。上記した観点から、100℃以下の温度で作動し、加湿水素又はメタノール水溶液を燃料として供給する燃料電池、及び100℃以下の温度で作動し、低加湿水素又はメタノール蒸気を燃料として供給する燃料電池に用いる場合には、本発明の態様3の電解質ひいては電解質膜における共重合体と金属リン酸塩の質量比は、99:1〜30:70であることが好ましく、70:30〜30:70がより好ましく、50:50〜30:70であることがより一層好ましい。また、100℃以上の温度で作動し、低加湿水素、無加湿水素又は炭化水素を燃料として供給する燃料電池に用いる場合には、本発明の態様3の電解質ひいては電解質膜における共重合体と金属リン酸塩の質量比は、80:20〜1:99であることが好ましく、70:30〜5:95がより好ましく、50:50〜10:90であることがより一層好ましい。   The mass ratio of the copolymer constituting the electrolyte of Embodiment 3 of the present invention and the electrolyte membrane to the metal phosphate is not limited to the required performance such as film formability, membrane strength, ionic conductivity, MCO, etc. It is important to select appropriately according to the operating conditions of the fuel cell to be used. If the mass ratio of the metal phosphate is too small, the effect of improving the ionic conductivity tends to be insufficient, and if the mass ratio of the metal phosphate is too large, the membrane strength of the electrolyte membrane when wet, Dimensional stability and form stability tend to decrease. From the above viewpoint, a fuel cell that operates at a temperature of 100 ° C. or less and supplies a humidified hydrogen or methanol aqueous solution as a fuel, and a fuel cell that operates at a temperature of 100 ° C. or less and supplies a low humidified hydrogen or methanol vapor as a fuel. When used in the present invention, the mass ratio of the copolymer and the metal phosphate in the electrolyte and thus the electrolyte membrane of aspect 3 of the present invention is preferably 99: 1 to 30:70, and 70:30 to 30:70. Is more preferable, and it is still more preferable that it is 50: 50-30: 70. When used in a fuel cell that operates at a temperature of 100 ° C. or higher and supplies low-humidified hydrogen, non-humidified hydrogen, or hydrocarbon as fuel, the copolymer and metal in the electrolyte and thus the electrolyte membrane of the third aspect of the present invention The mass ratio of the phosphate is preferably 80:20 to 1:99, more preferably 70:30 to 5:95, and still more preferably 50:50 to 10:90.

本発明の態様3の電解質を構成する金属リン酸塩の粒径は、イオン伝導度、MCO等の要求性能に加え、膜強度及び成形性の観点から、適宜選択することが望ましい。金属リン酸塩の粒径が大きすぎる場合には、共重合体のイオンチャンネルとの接触面積が低下し、金属リン酸塩粒子間距離が長くなることから、イオン伝導効率が低減する傾向にある。加えて、電解質膜表面のラフネス、及び凹凸が大きくなるために、電極との接合性が低下し、電極と電解質膜との界面に生じる接触抵抗が増加する。一方、金属リン酸塩の粒径がが小さすぎる場合には、後述する複合膜作製時において、粒子間に生じる相互作用のため、共重合体、及び金属リン酸塩からなる混合液の粘度が著しく増加し、製膜が困難となる。また、イオン伝導性の発現に必要な金属リン酸塩の結晶構造を維持することが困難となるため、イオン伝導効率が低下する傾向にある。上記した観点から、本発明の態様3の電解質における金属リン酸塩の平均粒径は、10nm〜1μmであることが必要であり、20nm〜500nmであることが好ましく、30nm〜300nmであることがより好ましい。   The particle size of the metal phosphate constituting the electrolyte of aspect 3 of the present invention is desirably selected as appropriate from the viewpoints of film strength and moldability in addition to required performance such as ion conductivity and MCO. When the particle size of the metal phosphate is too large, the contact area with the ion channel of the copolymer is reduced, and the distance between the metal phosphate particles is increased, so that the ion conduction efficiency tends to be reduced. . In addition, since the roughness and unevenness of the electrolyte membrane surface are increased, the bondability with the electrode is lowered, and the contact resistance generated at the interface between the electrode and the electrolyte membrane is increased. On the other hand, when the particle size of the metal phosphate is too small, the viscosity of the mixed solution composed of the copolymer and the metal phosphate is reduced due to the interaction that occurs between the particles during the preparation of the composite film described later. It increases remarkably and film formation becomes difficult. Moreover, since it becomes difficult to maintain the crystal structure of the metal phosphate necessary for the expression of ion conductivity, the ion conduction efficiency tends to decrease. From the above viewpoint, the average particle size of the metal phosphate in the electrolyte of aspect 3 of the present invention needs to be 10 nm to 1 μm, preferably 20 nm to 500 nm, and preferably 30 nm to 300 nm. More preferred.

本発明の態様3の電解質に含まれる金属リン酸塩の平均粒径は、以下に例示する手法で測定することができる:
(1)電解質の電子顕微鏡観察画像において、金属リン酸塩粒子100個の長径を測定し、その平均値を金属リン酸塩の平均粒径とする手法、
(2)電解質の電子顕微鏡観察画像において、プラニメトリック法(電子顕微鏡観察画像上で面積(A)の既知の円を描き、円内の粒子数nと円周にかかった粒子数nから以下の式によって単位面積あたりの粒子数Nを求める。N=(n+1/2n)/(A/m)ここで、mは電子顕微鏡観察画像の倍率である。1/Nが1個の粒子の占める面積であるから、粒子径は円相当径で2/√(πN)、正方形の一辺とすると1/√Nで得られる。)より金属リン酸塩の平均粒子径を測定する手法
等、複合電解質を測定資料とする手法。
The average particle diameter of the metal phosphate contained in the electrolyte of the embodiment 3 of the present invention can be measured by the following exemplified method:
(1) In the electron microscope observation image of the electrolyte, a method of measuring the long diameter of 100 metal phosphate particles and setting the average value as the average particle diameter of the metal phosphate,
(2) In the electron microscopic observation image of the electrolyte, planimetric method (drawing a known circular area (A) on the electron microscope image, the number of particles applied to the particle number n c and the circumference of the circle n i .N Request particle number n G per unit area by the following equation from G = (n c + 1 / 2n i) / (a / m 2) here, m is the magnification of the electron microscope image .1 / since N G is an area occupied by one particle, 2 / √ particle diameter particles having a circle equivalent diameter (πN G), when the side of the square obtained in 1 / √N G.) than the metal phosphate Techniques that use composite electrolytes as measurement data, such as techniques for measuring average particle diameter.

電解質に含まれるブロック重合体を溶解するが、金属リン酸塩を溶解しない溶媒と電解質とを混合し、得られる溶解したブロック重合体と溶解しない金属リン酸塩を含む液を、
(3)静的光散乱法により測定し、そのメジアン径を金属リン酸塩の平均粒径とする手法、(4)動的光散乱法により測定し、そのメジアン径を金属リン酸塩の平均粒径とする手法、(5)レーザー回析式粒度分布測定装置を用いて測定し、レーザー回折により算出された粒度分布から金属リン酸塩の平均粒径を算出する手法、
(6)電気的検知法を用いて測定し、測定される体積平均粒径を金属リン酸塩の平均粒径とする手法、
(7)上記(3)〜(6)の測定手法において、金属リン酸塩粒子が凝集あるいは沈降することを防ぐため、適切な方法で該金属リン酸塩の分散状態を良好に保つ処理を施した後、あるいは該処理を施しながら測定を行う手法。
(8)電解質に含まれるブロック重合体を溶解するが、金属リン酸塩を溶解しない溶媒と電解質とを混合し、得られる溶解したブロック重合体と溶解しない金属リン酸塩を含む液から金属リン酸塩のみを回収した後、該金属リン酸塩をふるい分けし、得られる粒径分布から金属リン酸塩の平均粒径を求める手法。
本発明の態様3においては、これらの手法のうち、(3)の静的光散乱法により測定した、金属リン酸塩のメジアン径を該金属リン酸塩の平均粒径として用いている。より具体的には、粒径測定装置(HORIBA(株)製LA−950)を用いて測定した、金属リン酸塩のメジアン径を該金属リン酸塩の平均粒径として用いた。
A solution containing a dissolved block polymer and an insoluble metal phosphate is prepared by mixing an electrolyte with a solvent that does not dissolve the metal phosphate but dissolves the block polymer contained in the electrolyte.
(3) Measured by static light scattering method, median diameter is average particle size of metal phosphate, (4) Measured by dynamic light scattering method, median diameter is averaged of metal phosphate (5) A method for measuring the average particle size of the metal phosphate from the particle size distribution calculated by laser diffraction, measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device,
(6) Measured using an electrical detection method, and the volume average particle size measured is the average particle size of the metal phosphate,
(7) In the measurement methods (3) to (6) described above, in order to prevent the metal phosphate particles from aggregating or settling, a proper method is used to maintain a good dispersion state of the metal phosphate. A method in which measurement is performed after or while performing the treatment.
(8) Mixing a solvent that does not dissolve the metal phosphate but dissolves the block polymer contained in the electrolyte and the electrolyte, and obtains the metal phosphorus from the solution containing the dissolved block polymer and the metal phosphate that does not dissolve. After recovering only the acid salt, the metal phosphate is sieved, and the average particle size of the metal phosphate is determined from the obtained particle size distribution.
In aspect 3 of the present invention, among these methods, the median diameter of the metal phosphate measured by the static light scattering method of (3) is used as the average particle diameter of the metal phosphate. More specifically, the median diameter of the metal phosphate measured using a particle size measuring device (LA-950 manufactured by HORIBA Ltd.) was used as the average particle diameter of the metal phosphate.

本発明の電解質ひいては電解質膜は、本発明の効果を損わない限り、各種添加剤、例えば、軟化剤、安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維、無機充填剤等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。   The electrolyte of the present invention and the electrolyte membrane are not limited to the effects of the present invention, and various additives such as softeners, stabilizers, light stabilizers, antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments , Dyes, brighteners, carbon fibers, inorganic fillers and the like may be used alone or in combination of two or more.

軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等が挙げられる。
安定剤は、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤等を包含し、具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2,−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。
無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。
Examples of the softener include petroleum softeners such as paraffinic, naphthenic or aromatic process oils, paraffin, vegetable oil softeners, plasticizers, and the like.
Stabilizers include phenol-based stabilizers, sulfur-based stabilizers, phosphorus-based stabilizers, and the like. Specific examples include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerythryl-tetrakis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1,3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) Benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate] 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2, -thio-diethylenebi [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamide), 3, 5-di-t-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3 Phenolic compounds such as-(3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy] -1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane Stabilizer; pentaerythrityl tetrakis (3-lauryl thiopropionate), distearyl 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropione And sulfur stabilizers such as dimyristyl 3,3′-thiodipropionate; trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasterylpentaerythritol diphosphite, Examples thereof include phosphorus stabilizers such as bis (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) pentaerythritol diphosphite.
Specific examples of the inorganic filler include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina.

本発明の電解質ひいては電解質膜におけるブロック共重合体及び金属リン酸塩の合計含有量は、イオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより一層好ましい。   From the viewpoint of ion conductivity, the total content of the block copolymer and the metal phosphate in the electrolyte of the present invention, and in the electrolyte membrane, is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. 90% by mass or more is even more preferable.

本発明で使用するブロック共重合体、金属リン酸塩及び使用する場合の添加剤を用いて本発明の高分子電解質膜を調製する手法としては、例えば、以下の(c)及び(d)の工程をこの順で含む方法を例示できる:
(c)ブロック共重合体、金属リン酸塩及び使用する場合の添加剤を含む混合液を得る工程、及び
(d)該混合液を用いて電解質膜を得る工程。
なお、膜化しないで本発明の高分子電解質を得ることも可能であり、上記(c)の工程の後、上記(d)の工程を参考にして操作を行うことにより、本発明の高分子電解質を得ることができる。
Examples of the method for preparing the polymer electrolyte membrane of the present invention using the block copolymer, metal phosphate and additive used in the present invention include the following (c) and (d): A method comprising the steps in this order can be illustrated:
(C) A step of obtaining a mixed solution containing a block copolymer, a metal phosphate and an additive when used, and (d) a step of obtaining an electrolyte membrane using the mixed solution.
In addition, it is also possible to obtain the polymer electrolyte of the present invention without forming a film. After the step (c), the polymer electrolyte of the present invention is obtained by performing an operation with reference to the step (d). An electrolyte can be obtained.

工程(c)において、本発明の電解質を構成するブロック共重合体を、適当な溶媒と混合して該ブロック共重合体を溶解もしくは懸濁せしめ、該溶液もしくは懸濁液に金属リン酸塩及び使用する場合の添加剤を添加し、機械的に攪拌、混練することにより、金属リン酸塩の凝集塊を解砕し、共重合体溶液もしくは懸濁液に金属リン酸塩及び使用する場合の添加剤を均一に分散させた混合液を調製する。このとき使用する溶媒は、ブロック共重合体及び金属リン酸塩並びに使用する場合の添加剤の構造を破壊することなく、キャストもしくはコートが可能な程度の粘度の溶液を調製することが可能なものであれば特に限定されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール類、及びこれらの混合溶媒等を例示できる。ブロック共重合体の構成、分子量、イオン交換容量等に応じて、上記に例示した溶媒の中から、1種又は2種以上を適宜選択し、使用することができる。ここで、機械的な攪拌、混練により金属リン酸塩を解砕する手法としては、(1)ブロック共重合体、及び金属リン酸塩を含む混合液を攪拌機、ボールミル、ビーズミル、乳化機、超音波処理機、薄膜回転型攪拌機、高圧衝突型粉砕機等を用いて混練する方法、(2)金属リン酸塩を衝突型粉砕機、ハンマー式粉砕機等を用いて粉砕した後にブロック共重合体との混合液を調製する方法、及び(3)ブロック共重合体、及び金属リン酸塩を混練機(ミキシングロール、ニーダー、インテンシィブミキサー等)、一軸混練機(単軸スクリュー押出機、特殊単軸押出機等)、二軸混練機(同方向回転押出機、異方向回転押出機、ローター式押出機、スクリュー型押出機等)を用いて混練した後に混合液を調製する方法を例として挙げることができ、上記に示す方法の中から2種類以上の方法を組み合わせて処理を行ってもよい。   In step (c), the block copolymer constituting the electrolyte of the present invention is mixed with an appropriate solvent to dissolve or suspend the block copolymer, and the solution or suspension is mixed with a metal phosphate and Add additives for use, mechanically stir and knead to break up metal phosphate agglomerates, and then use metal phosphate and copolymer in suspension or copolymer solution A mixed solution in which the additive is uniformly dispersed is prepared. The solvent used at this time is capable of preparing a solution having a viscosity capable of being cast or coated without destroying the structure of the block copolymer, the metal phosphate, and the additive used. If it is, it will not specifically limit. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Examples thereof include ethers such as hydrogen and tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol and isobutyl alcohol, and mixed solvents thereof. Depending on the configuration of the block copolymer, the molecular weight, the ion exchange capacity, etc., one or more of the solvents exemplified above can be appropriately selected and used. Here, as a method of crushing the metal phosphate by mechanical stirring and kneading, (1) a mixed solution containing the block copolymer and the metal phosphate is mixed with a stirrer, a ball mill, a bead mill, an emulsifier, A method of kneading using a sonicator, a thin-film rotary stirrer, a high-pressure collision type pulverizer, etc., (2) Block copolymer after pulverizing metal phosphate using a collision type pulverizer, a hammer type pulverizer, etc. And (3) block copolymer and metal phosphate kneader (mixing roll, kneader, intensive mixer, etc.), uniaxial kneader (single screw extruder, special single screw) An example is a method of preparing a mixed liquid after kneading using an extruder, etc.), a twin-screw kneader (same direction rotary extruder, different direction rotary extruder, rotor type extruder, screw type extruder, etc.) Can Processing may be performed in combination of two or more methods from the methods described above.

工程(d)において、工程(c)で得られた共重合体、金属リン酸塩及び使用する場合の添加剤の混合液を、PET、ガラス等の板状体にキャストするか又はコーターやアプリケーター等を用いて塗布し、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得る方法や、熱プレス成形、ロール成形、押出し成形等の公知の方法を用いて電解質膜を得る方法などを用いて電解質膜を得ることができる。溶媒除去の条件は、ブロック共重合体中のスルホン酸基等のイオン伝導性基が脱落する温度以下で、溶媒を完全に除去できる条件であれば任意に選択することが可能である。所望の物性を発現させるため、複数の温度を任意に組み合わせたり、通風気下と真空下等を任意に組み合わせてもよい。具体的には、室温〜60℃程度の真空条件下で、数時間予備乾燥した後、100℃以上の真空条件下、好ましくは100〜120℃で12時間程度の乾燥条件で溶媒を除去する方法、60〜140℃の通風気下、数分〜数時間程度の乾燥条件で溶媒を除去する方法等を例示できるが、これらに限定されるものではない。また、得られた電解質膜の上に、新たに、同じもしくは異なるブロック共重合体を含む溶液もしくは懸濁液、あるいはかかるブロック共重合体、金属リン酸塩及び使用する場合の添加剤を含む混合液を塗布して乾燥することにより積層化させてもよい。また、上記のようにして得られた、同じもしくは異なる電解質膜同士を熱ロール成形等で圧着させて積層化させてもよい。   In step (d), the mixture of the copolymer, metal phosphate and additive used in step (c) is cast into a plate-like body such as PET or glass, or a coater or applicator. Etc., and removing the solvent under appropriate conditions, a method for obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness, and a known method such as hot press molding, roll molding, extrusion molding, etc. An electrolyte membrane can be obtained using a method for obtaining the electrolyte membrane. The conditions for removing the solvent can be arbitrarily selected as long as the conditions allow the solvent to be completely removed at a temperature equal to or lower than the temperature at which ion conductive groups such as sulfonic acid groups in the block copolymer are removed. In order to express desired physical properties, a plurality of temperatures may be arbitrarily combined, or a combination of ventilation and vacuum may be arbitrarily combined. Specifically, after preliminary drying for several hours under vacuum conditions of room temperature to 60 ° C., the solvent is removed under vacuum conditions of 100 ° C. or higher, preferably 100 to 120 ° C. for about 12 hours. A method of removing the solvent under drying conditions of about several minutes to several hours under a draft of 60 to 140 ° C. can be exemplified, but is not limited thereto. In addition, a solution or suspension containing the same or different block copolymer or a mixture containing such a block copolymer, a metal phosphate, and an additive when used is newly added on the obtained electrolyte membrane. You may make it laminate | stack by apply | coating a liquid and drying. Further, the same or different electrolyte membranes obtained as described above may be laminated by being pressure-bonded by hot roll molding or the like.

本発明の電解質からなる膜の厚みは用途に応じて適宜選択される。例えば、該膜を固体高分子型燃料電池用電解質膜として使用する場合、必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が5〜200μm程度であることが好ましい。膜厚が5μm未満である場合には、膜の機械的強度や、水素ガス、メタノール等の燃料の遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が200μmを超えて厚い場合には、膜の電気抵抗が大きくなり、電池の発電特性が低くなる傾向がある。したがって、該膜厚はより好ましくは10〜100μmであり、より一層好ましくは20〜60μmである。   The thickness of the membrane made of the electrolyte of the present invention is appropriately selected according to the application. For example, when the membrane is used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, the thickness is preferably about 5 to 200 μm from the viewpoint of required performance, membrane strength, handling properties, and the like. When the film thickness is less than 5 μm, the mechanical strength of the film and the barrier properties of fuels such as hydrogen gas and methanol tend to be insufficient. On the other hand, when the film thickness exceeds 200 μm, the electric resistance of the film increases and the power generation characteristics of the battery tend to decrease. Therefore, the film thickness is more preferably 10 to 100 μm, and still more preferably 20 to 60 μm.

次に、本発明の電解質膜を用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、イオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで1対の接合体をそれぞれの触媒層を内側にして、電解質膜の両側にホットプレスなどにより接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、電解質膜の両面及び/又は1対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、1対のこの基材フィルム上の触媒層を電解質膜の両側に加熱圧着により転写し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、イオン伝導性基をNaなどの金属との塩にした状態で行い、接合後の酸処理によってプロトン型に戻す処理を行ってもよい。   Next, a membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane of the present invention will be described. The production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an ion conductive binder is applied on the gas diffusion layer by a printing method or a spray method and dried. A method of forming a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then joining a pair of joined bodies to each side of the electrolyte membrane by hot pressing, etc. Is applied to both sides of the electrolyte membrane by a printing method or a spray method, dried to form catalyst layers, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As yet another production method, a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of the electrolyte membrane and / or the catalyst layer surface of the pair of gas diffusion electrodes, and the electrolyte membrane and the catalyst layer surface are bonded to each other, There is a method of joining by pressure bonding or the like. In this case, the solution or suspension may be applied to either the electrolyte membrane or the catalyst layer surface, or may be applied to both. As another manufacturing method, first, the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer, and then a pair of base films on the base film is formed. There is a method in which a catalyst layer is transferred to both sides of an electrolyte membrane by thermocompression bonding, a base film is peeled to obtain a joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and a gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. is there. In these methods, an ion conductive group may be in a salt state with a metal such as Na, and a treatment for returning to a proton type by acid treatment after bonding may be performed.

上記膜−電極接合体を構成するイオン伝導性バインダーとしては、例えば、「Nafion」(登録商標、DuPont社製)や「Gore−select」(登録商標、ゴア社製) などの既存のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーからなるイオン伝導性バインダー、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリエーテルケトンからなるイオン伝導性バインダー、リン酸や硫酸を含浸したポリベンズイミダゾールからなるイオン伝導性バインダー等を用いることができる。また、本発明の電解質の主成分であるブロック共重合体からイオン伝導性バインダーを作製してもよい。なお、電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、ガス拡散電極と接触する電解質膜と同一もしくは類似の構造を有するイオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。   Examples of the ion conductive binder constituting the membrane-electrode assembly include existing perfluorocarbon sulfones such as “Nafion” (registered trademark, manufactured by DuPont) and “Gore-select” (registered trademark, manufactured by Gore). An ion conductive binder made of an acid polymer, an ion conductive binder made of sulfonated polyethersulfone or sulfonated polyetherketone, an ion conductive binder made of polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid can be used. . Moreover, you may produce an ion conductive binder from the block copolymer which is a main component of the electrolyte of this invention. In order to further enhance the adhesion between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an ion conductive binder having the same or similar structure as the electrolyte membrane in contact with the gas diffusion electrode.

上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材/触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは2種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は、10〜300オングストロームである。これらの触媒はカーボン等の導電材/触媒担体に担持させた方が触媒使用量を少なくすることができ、コスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤を含ませてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。   The constituent material of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is not particularly limited as the conductive material / catalyst support, and examples thereof include carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The catalyst metal may be any metal that promotes the oxidation reaction of fuel such as hydrogen and methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, palladium, etc., or alloys thereof, for example, platinum-ruthenium alloys are mentioned. Of these, platinum and platinum alloys are often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. It is more advantageous in terms of cost if these catalysts are supported on a conductive material such as carbon / catalyst support because the amount of catalyst used can be reduced. The catalyst layer may contain a water repellent as necessary. Examples of the water repellent include various thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene copolymer, and polyether ether ketone.

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

上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。本発明の電解質膜を用いた燃料電池においては、低湿条件におけるセル抵抗の低減、及び高出力化、加えてDMFCにおけるMCOの低減、及び高出力化が可能である。   A polymer electrolyte fuel obtained by inserting the membrane-electrode assembly obtained by the above-described method between a conductive separator material that also serves as a gas supply flow path to the electrode and the electrode chamber separation. A battery is obtained. The membrane-electrode assembly of the present invention uses a pure hydrogen type using hydrogen as a fuel gas, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and hydrogen obtained by reforming natural gas. Natural gas reforming type, gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, direct methanol type using methanol directly, etc. can be used as a membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells. is there. In the fuel cell using the electrolyte membrane of the present invention, it is possible to reduce the cell resistance and increase the output under the low humidity condition, and also to reduce the MCO and increase the output in the DMFC.

以下、参考例、実施例及び比較例、並びに固体高分子型燃料電池用プロトン伝導性電解質膜としての性能試験及びその結果を示して本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。なお、以下の記載は本発明の態様1、態様2、及び態様3の順に行うが、表は最後にまとめて掲げる。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to reference examples, examples and comparative examples, performance tests as proton conductive electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells, and the results thereof. It is not limited. In addition, although the following description is performed in order of the aspect 1, aspect 2, and aspect 3 of this invention, a table | surface is put together collectively at the end.

参考例1
ポリスチレン(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))からなるブロック共重合体(SEBS)の製造
重合体ブロック(A)を形成させるために、芳香族ビニル系化合物としてスチレンを用い、重合体ブロック(B)を形成させるために、ブタジエンを用いて、既報の方法(特開平2005−281373)と同様の方法で、ポリスチレン−b−ポリブタジエン−b−ポリスチレン(以下SBSと略記する)を合成した。得られたSBSの数平均分子量は69700であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は60.4%、スチレン単位の含有量は39.6質量%であった。合成したSBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において50℃で7時間水素添加反応を行い、ポリスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリスチレン(以下SEBSと略記する)を得た。得られたSEBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.7%であった。
Reference example 1
Production of block copolymer (SEBS) consisting of polystyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In order to form polymer block (A), as an aromatic vinyl compound In order to form the polymer block (B) using styrene, polystyrene-b-polybutadiene-b-polystyrene (hereinafter referred to as SBS) was used in the same manner as the previously reported method (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-281373) using butadiene. (Abbreviated) was synthesized. The number average molecular weight of the obtained SBS was 69700, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement was 60.4%, and the content of styrene units was 39.6% by mass. After preparing a cyclohexane solution of the synthesized SBS and charging it into a pressure-resistant vessel with sufficient nitrogen substitution, a hydrogenation reaction was performed at 50 ° C. for 7 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. To obtain polystyrene-b-hydrogenated polybutadiene-b-polystyrene (hereinafter abbreviated as SEBS). The hydrogenation proportion of the obtained SEBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.7%.

参考例2
ポリスチレン(重合体ブロック(A))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体の製造
1000mLナスフラスコに、脱水シクロヘキサン576ml及びsec−ブチルリチウム(1.3M−シクロヘキサン溶液)1.6mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン28.7ml、スチレン8.1ml、イソプレン81.6ml、スチレン8.0ml、4−tert―ブチルスチレン28.3mlの順に逐次添加し、50℃で重合させることにより、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、tBSSIStBSと略記する場合がある)を合成した。得られたtBSSIStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は102800であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は93.7%、スチレン単位の含有量は11質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は42質量%であった。合成したtBSSIStBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において60℃で7時間水素添加反応を行い、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、tBSSEPStBSと略記する場合がある)を得た。得られたtBSSEPStBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.9%であった。
Reference example 2
Production of block copolymer consisting of polystyrene (polymer block (A)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (C)) 1000 mL eggplant A flask was charged with 576 ml of dehydrated cyclohexane and 1.6 ml of sec-butyllithium (1.3 M-cyclohexane solution), and then 28.7 ml of 4-tert-butylstyrene, 8.1 ml of styrene, 81.6 ml of isoprene, 8. Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene-b- by sequentially adding 0 ml and 28.3 ml of 4-tert-butylstyrene sequentially and polymerizing at 50 ° C. Poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter tBSSIStBS If the abbreviated there) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 102800, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 93.7%, the content of styrene units is 11% by mass, The content of 4-tert-butylstyrene units was 42% by mass. A cyclohexane solution of synthesized tBSSIStBS was prepared, charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen, and then subjected to a hydrogenation reaction at 60 ° C. for 7 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. Poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter sometimes abbreviated as tBSSEPStBS) Got. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

参考例3
ポリスチレン(重合体ブロック(A))、水添ポリイソプレン(重合体ブロック(B))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体の製造
1000mLナスフラスコに、脱水シクロヘキサン576ml及びsec−ブチルリチウム(1.3M−シクロヘキサン溶液)1.9mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン24.0ml、スチレン19.8ml、イソプレン101ml、スチレン19.7ml、4−tert―ブチルスチレン23.8mlの順に逐次添加し、50℃で重合させることにより、tBSSIStBSを合成した。得られたtBSSIStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は102500であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は93.8%、スチレン単位の含有量は24質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は27質量%であった。合成したtBSSIStBSのシクロヘキサン溶液を調製し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において60℃で8時間水素添加反応を行い、tBSSEPStBSを得た。得られたtBSSEPStBSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.8%であった。
Reference example 3
Production of block copolymer consisting of polystyrene (polymer block (A)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (C)) 1000 mL eggplant A flask was charged with 576 ml of dehydrated cyclohexane and 1.9 ml of sec-butyllithium (1.3M-cyclohexane solution), and then 24.0 ml of 4-tert-butylstyrene, 19.8 ml of styrene, 101 ml of isoprene, 19.7 ml of styrene, TBSSIStBS was synthesized by sequentially adding 23.8 ml of 4-tert-butylstyrene and polymerizing the mixture at 50 ° C. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 102500, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 93.8%, the content of styrene units is 24% by mass, The content of 4-tert-butylstyrene units was 27% by mass. Prepare a synthesized cyclohexane solution of tBSSIStBS, charge it into a pressure vessel fully purged with nitrogen, and then use a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst for 8 hours at 60 ° C. in a hydrogen atmosphere. To obtain tBSSEPStBS. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.8%.

参考例4
スルホン化SEBSの合成
塩化メチレン153ml中、0℃にて無水酢酸76.7mlと硫酸34.3mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例1で得られたSEBS100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン960mlを加え、35℃にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて8時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分は、90℃の蒸留水で3 0分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SEBSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から36.1mol%、イオン交換容量は0.96meq/gであった。
Reference example 4
Synthesis of Sulfonated SEBS A sulfonating reagent was prepared by reacting acetic anhydride 76.7 ml and sulfuric acid 34.3 ml at 0 ° C. in 153 ml of methylene chloride. On the other hand, 100 g of SEBS obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer and then purged with nitrogen. Then, 960 ml of methylene chloride was added and dissolved by stirring at 35 ° C. for 4 hours. I let you. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring for 8 hours at 35 ° C., the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes, and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SEBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated SEBS was 36.1 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.96 meq / g.

参考例5
スルホン化SEBSの合成
塩化メチレン37.8ml中、0℃にて無水酢酸18.9mlと硫酸8.5mlとを反応させてスルホン化試薬を調製した。一方、参考例1で得られたSEBS100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン960mlを加え、35℃にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、スルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて2時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分は、90℃の蒸留水で3 0分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SEBSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から17.8mol%、イオン交換容量は0.49meq/gであった。
Reference Example 5
Synthesis of Sulfonated SEBS A sulfonating reagent was prepared by reacting 18.9 ml of acetic anhydride and 8.5 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 37.8 ml of methylene chloride. On the other hand, 100 g of SEBS obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer and then purged with nitrogen. Then, 960 ml of methylene chloride was added and dissolved by stirring at 35 ° C. for 4 hours. I let you. After dissolution, the sulfonation reagent was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 2 hours, the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes, and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SEBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated SEBS was 17.8 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.49 meq / g.

参考例6
スルホン化tBSSEPStBSの合成
参考例2で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン860mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン101ml中、0℃にて無水酢酸50.7mlと硫酸22.7mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて14時間攪拌後、1Lの蒸留水中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSの4−tert−ブチルスチレン単位はスルホン化されず、スチレン単位のみスルホン化された。スチレン単位中のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から100mol%、イオン交換容量は0.97meq/gであった。
Reference Example 6
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 100 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, and after replacing with nitrogen, 860 ml of methylene chloride was added. The mixture was stirred at 35 ° C. for 2 hours for dissolution. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 50.7 ml of acetic anhydride and 22.7 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 101 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 14 hours, the polymer solution was poured into 1 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The 4-tert-butylstyrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was not sulfonated, and only the styrene unit was sulfonated. The sulfonation rate of the benzene ring in the styrene unit was 100 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.97 meq / g.

参考例7
スルホン化tBSSEPStBSの合成
参考例3で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン956mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン226ml中、0℃にて無水酢酸113mlと硫酸50.4mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて12時間攪拌後、1Lの蒸留水中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSの4−tert−ブチルスチレン単位はスルホン化されず、スチレン単位のみスルホン化された。スチレン単位中のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から100mol%、イオン交換容量は1.94meq/gであった。
Reference Example 7
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 100 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 3 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, and after nitrogen substitution, 956 ml of methylene chloride was added, The mixture was stirred at 35 ° C. for 2 hours for dissolution. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 113 ml of acetic anhydride and 50.4 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 226 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring for 12 hours at 35 ° C., the polymer solution was poured into 1 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The 4-tert-butylstyrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was not sulfonated, and only the styrene unit was sulfonated. The sulfonation rate of the benzene ring in the styrene unit was 100 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.94 meq / g.

参考例8
スルホン化tBSSEPStBSの合成
参考例3で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン956mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン32.1ml中、0℃にて無水酢酸16.1mlと硫酸7.2mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて4時間攪拌後、1Lの蒸留水中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSSEPStBSを得た。得られたスルホン化tBSSEPStBSの4−tert−ブチルスチレン単位はスルホン化されず、スチレン単位のみスルホン化された。スチレン単位中のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から19.0mol%、イオン交換容量は0.42meq/gであった。
Reference Example 8
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 100 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 3 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, and after nitrogen substitution, 956 ml of methylene chloride was added, The mixture was stirred at 35 ° C. for 2 hours for dissolution. After dissolution, a sulfonating reagent obtained by reacting 16.1 ml of acetic anhydride and 7.2 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 32.1 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 4 hours, the polymer solution was poured into 1 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSSEPStBS. The 4-tert-butylstyrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was not sulfonated, and only the styrene unit was sulfonated. The sulfonation rate of the benzene ring in the styrene unit was 19.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.42 meq / g.

上記各参考例等を始めとする本発明の態様1において、イオン交換容量の測定は以下の手法により行った。
各参考例で得られたブロック共重合体を試料として、該試料を密閉できるガラス容器中に秤量(a(g))し、そこに過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を、フェノールフタレイン液を指示薬とし、0.01NのNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(b(ml))した。イオン交換容量は、次式により求めた。
イオン交換容量(meq/g)=(0.01×b×f)/a
本発明の態様2及び態様3におけるブロック共重合体のイオン交換容量の測定も上記と同様にして行った。
In Embodiment 1 of the present invention including each of the above reference examples, the ion exchange capacity was measured by the following method.
Using the block copolymer obtained in each Reference Example as a sample, the sample was weighed (a (g)) in a glass container capable of being sealed, and an excess amount of a saturated aqueous sodium chloride solution was added thereto and stirred overnight. . Hydrogen chloride generated in the system was titrated (b (ml)) with a 0.01N NaOH standard aqueous solution (titer f) using a phenolphthalein solution as an indicator. The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity (meq / g) = (0.01 × b × f) / a
The ion exchange capacity of the block copolymer in Embodiments 2 and 3 of the present invention was also measured in the same manner as described above.

参考例9
金属リン酸塩の調製
和光純薬製SnO、和光純薬製Al(OH)、和光純薬製HPO及び純水をビーカー中で混合し、ペースト状になるまで約300℃にてスターラーで攪拌した。得られたペーストをアルミナ製角サヤに移し、電気炉にて650℃で2.5時間固相反応させた。その後,得られた仮焼体を乳鉢と乳棒にて粉砕し、Sn0.95Al0.05粉体を得た。なお、SnOとAl(OH)との仕込み比は95:5であり、HPOの仕込み量は蛍光X線回折法(XRF)によってカチオン種及びリンを定量し、リンとカチオン種とのモル比(P/(Sn+Al)が2.0になるように、調整した。
Reference Example 9
Preparation of Metal Phosphate SnO 2 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Al (OH) 3 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, H 3 PO 4 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, and pure water are mixed in a beaker and heated to about 300 ° C. until a paste is formed And stirred with a stirrer. The obtained paste was transferred to an alumina square sheath and subjected to a solid phase reaction at 650 ° C. for 2.5 hours in an electric furnace. Thereafter, the obtained calcined body was pulverized with a mortar and pestle to obtain Sn 0.95 Al 0.05 P 2 O 7 powder. The charge ratio of SnO 2 and Al (OH) 3 is 95: 5, and the charge amount of H 3 PO 4 is determined by quantifying the cation species and phosphorus by fluorescent X-ray diffractometry (XRF). The molar ratio (P / (Sn + Al)) was adjusted to 2.0.

参考例10
ポリスチレン(重合体ブロック(A))及びポリ(4−tert−ブチルスチレン)(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体の製造
1000mLナスフラスコに、脱水シクロヘキサン448ml及びsec−ブチルリチ
ウム(1.3M−シクロヘキサン溶液)2.1mlを仕込んだ後、4−tert−ブチル
スチレン33.4ml、スチレン62.3ml、4−tert―ブチルスチレン31.8mlの順に逐次添加し、それぞれ50℃で重合させることにより、ポリ(4−tert―ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert―ブチルスチレン)(以下、tBSStBSと略記する)を合成した。得られたtBSStBSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は72000であり、H−NMR測定から求めたスチレン単位の含有量は49質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は51質量%であった。
Reference Example 10
Production of block copolymer consisting of polystyrene (polymer block (A)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (C)) Into a 1000 mL eggplant flask, 448 ml of dehydrated cyclohexane and sec-butyllithium (1 .3M-cyclohexane solution) 2.1 ml was charged, and then 33.4 ml of 4-tert-butylstyrene, 62.3 ml of styrene, and 31.8 ml of 4-tert-butylstyrene were sequentially added and polymerized at 50 ° C., respectively. Thus, poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as tBSStBS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSStBS is 72000, the content of styrene units determined from 1 H-NMR measurement is 49% by mass, and the content of 4-tert-butylstyrene units is 51. It was mass%.

参考例11
スルホン化tBSStBSの合成
参考例10で得られたブロック共重合体(tBSStBS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン953mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン58.5ml中、0℃にて無水酢酸29.3mlと硫酸13.1mlとを反応させて得られたスルホン化試薬を5分かけて徐々に滴下した。35℃にて6時間攪拌後、1Lの蒸留水中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化tBSStBSを得た。得られたスルホン化tBSStBSの4−tert−ブチルスチレン単位はスルホン化されず、スチレン単位のみスルホン化された。スチレン単位中のベンゼン環のスルホン化率はH−NMR分析から50.0mol%、イオン交換容量は1.99meq/gであった。
Reference Example 11
Synthesis of Sulfonated tBSStBS 100 g of the block copolymer (tBSStBS) obtained in Reference Example 10 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and then purged with nitrogen, after which 953 ml of methylene chloride was added, The mixture was stirred at 35 ° C. for 2 hours for dissolution. After dissolution, a sulfonating reagent obtained by reacting 29.3 ml of acetic anhydride and 13.1 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 58.5 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at 35 ° C. for 6 hours, the polymer solution was poured into 1 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated tBSStBS. The 4-tert-butylstyrene unit of the obtained sulfonated tBSStBS was not sulfonated, and only the styrene unit was sulfonated. The sulfonation rate of the benzene ring in the styrene unit was 50.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.99 meq / g.

参考例12
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S-PEEK)の合成
ポリエーテルエーテルケトン(ヴィクトレックス社製 Victrex450P AB7572)30gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、濃硫酸300mlを加え、30℃にて120時間反応させた。反応後、2Lの氷冷水中に攪拌液しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してS-PEEKを得た。得られたS-PEEKのスルホン化率はH−NMR分析から65.0mol%、イオン交換容量は1.83meq/gであった。
Reference Example 12
Synthesis of Sulfonated Polyether Ether Ketone (S-PEEK) 30 g of polyether ether ketone (Victrex 450P AB7572 manufactured by Victrex) was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, and then purged with nitrogen. 300 ml of concentrated sulfuric acid was added and reacted at 30 ° C. for 120 hours. After the reaction, the polymer solution was poured into 2 L of ice-cold water with stirring, and the polymer was solidified and precipitated. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water. Finally, the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain S-PEEK. The sulfonation rate of the obtained S-PEEK was 65.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.83 meq / g.

実施例1−1
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例4で得られたスルホン化SEBS(IEC(イオン交換容量)=0.96meq/g)の10質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をスルホン化SEBS/金属リン酸塩の質量比が90/10となるよう添加した。上記したスルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液を、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ40μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.44μm、モード径は1.36μmであった。
Example 1-1
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and production of composite membrane 10% by mass of toluene / isobutyl alcohol of sulfonated SEBS (IEC (ion exchange capacity) = 0.96 meq / g) obtained in Reference Example 4 (Mass ratio 8/2) A solution was prepared, and the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was added to the solution so that the mass ratio of sulfonated SEBS / metal phosphate was 90/10. The sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution described above was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer, and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication four times, the sulfonated SEBS / metal phosphate mixture was applied to a release-treated PET film ["Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd.] The film was coated with a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently dried under vacuum to obtain a film having a thickness of 40 μm. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.44 μm and the mode diameter was 1.36 μm.

実施例1−2
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例4で得られたスルホン化SEBS(IEC=0.96meq/g)と金属リン酸塩の質量比を50/50とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ35μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.53μm、モード径は1.38μmであった。
実施例1−3
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例5で得られたスルホン化SEBS(IEC=0.49meq/g)を使用し、該スルホン化SEBSと金属リン酸塩の質量比を50/50とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ30μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.24μm、モード径は1.32μmであった。
Example 1-2
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane The mass ratio of sulfonated SEBS (IEC = 0.96 meq / g) obtained in Reference Example 4 to metal phosphate was 50/50. A film having a thickness of 35 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1 except that. As a result of particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.53 μm, and the mode diameter was 1.38 μm.
Example 1-3
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane Using sulfonated SEBS (IEC = 0.49 meq / g) obtained in Reference Example 5, the sulfonated SEBS and metal phosphate were used. A film with a thickness of 30 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1 except that the mass ratio of was 50/50. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.24 μm, and the mode diameter was 1.32 μm.

実施例1−4
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)の14質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩の質量比が90/10となるよう添加した。得られたスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ32μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.38μm、モード径は1.32μmであった。
Example 1-4
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane 14% by mass of toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8 /%) of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 2) A solution was prepared, and the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was added to this solution so that the mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate was 90/10. The obtained sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication four times, the sulfonated SEBS / metal phosphate mixture was coated on the Toyobo Ester Film K1504 to a thickness of about 350 μm and sufficiently dried at room temperature. By sufficiently vacuum drying, a film having a thickness of 32 μm was obtained. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.38 μm, and the mode diameter was 1.32 μm.

実施例1−5
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)と金属リン酸塩の質量比を80/20とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ34μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.34μm、モード径は1.32μmであった。
実施例1−6
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)と金属リン酸塩の質量比を70/30とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ35μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.36μm、モード径は1.32μmであった。
Example 1-5
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane Mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 to metal phosphate was 80/20 A film having a thickness of 34 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1 except that. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.34 μm, and the mode diameter was 1.32 μm.
Example 1-6
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane Mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 to metal phosphate was 70/30 A film having a thickness of 35 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1 except that. As a result of particle size measurement by static light scattering (LA-950 manufactured by HORIBA was used), the median diameter of the metal phosphate was 3.36 μm, and the mode diameter was 1.32 μm.

実施例1−7
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)と金属リン酸塩の質量比を50/50とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ38μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.28μm、モード径は1.33μmであった。
実施例1−8
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)と金属リン酸塩の質量比を30/70とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ36μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.26μm、モード径は1.27μmであった。
Example 1-7
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane Mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 and metal phosphate was 50/50 Except for the above, a film having a thickness of 38 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.28 μm, and the mode diameter was 1.33 μm.
Example 1-8
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane Mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 to metal phosphate was 30/70 Except for the above, a film having a thickness of 36 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1. As a result of particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.26 μm, and the mode diameter was 1.27 μm.

実施例1−9
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=1.94meq/g)の12質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩の質量比が90/10となるよう添加した。得られたスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ34μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.24μm、モード径は1.31μmであった。
Example 1-9
Preparation of Sulfonated tBSSEPStBS / Metal Phosphate Mixed Solution and Preparation of Composite Membrane 12% by mass of toluene / isobutyl alcohol (mass ratio: 7 /%) of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 1.94 meq / g) obtained in Reference Example 7. 3) A solution was prepared, and the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was added to this solution so that the mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate was 90/10. The obtained sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication four times, the sulfonated SEBS / metal phosphate mixture was coated on the Toyobo Ester Film K1504 to a thickness of about 350 μm and sufficiently dried at room temperature. By sufficiently vacuum drying, a film having a thickness of 34 μm was obtained. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.24 μm, and the mode diameter was 1.31 μm.

実施例1−10
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=1.94meq/g)と金属リン酸塩の質量比を50/50とした以外は、実施例1−1と同様の操作により、厚さ43μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.25μm、モード径は1.24μmであった。
Example 1-10
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane Mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 1.94 meq / g) obtained in Reference Example 7 and metal phosphate was 50/50 A film having a thickness of 43 μm was obtained by the same operation as in Example 1-1 except that. As a result of particle size measurement by static light scattering (LA-950 manufactured by HORIBA was used), the median diameter of the metal phosphate was 3.25 μm, and the mode diameter was 1.24 μm.

実施例1−11
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例8で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.42meq/g)の16質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩の質量比が90/10となるよう添加した。得られたスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ34μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.42μm、モード径は1.31μmであった。
Example 1-11
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane 16% by mass of toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8 / 2) A solution was prepared, and the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was added to this solution so that the mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate was 90/10. The obtained sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication four times, the sulfonated SEBS / metal phosphate mixture was coated on the Toyobo Ester Film K1504 to a thickness of about 350 μm and sufficiently dried at room temperature. By sufficiently vacuum drying, a film having a thickness of 34 μm was obtained. As a result of particle size measurement by static light scattering (LA-950 manufactured by HORIBA was used), the median diameter of the metal phosphate was 3.42 μm and the mode diameter was 1.31 μm.

比較例1−1
PTFE/金属リン酸塩複合膜の調製、及び複合膜の作製
参考例9で得られた金属リン酸塩と、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粉末(三井デュポンフロロケミカル(株)製、テフロン6−J)を、PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比が90/10となる比率で乳鉢を用いて一塊になるまでよく練りこみ、ローラー延伸器を用いて圧延して厚さ30μmの膜を得た。
比較例1−2
PTFE/金属リン酸塩複合膜の調製、及び複合膜の作製
PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比を50/50とした以外は、比較例1−1と同様の操作により、厚さ30μmの膜を得た。
比較例1−3
PTFE/金属リン酸塩複合膜の調製、及び複合膜の作製
PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比を30/70とした以外は、比較例1−1と同様の操作により、厚さ30μmの膜を得た。
Comparative Example 1-1
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane and preparation of composite membrane The metal phosphate obtained in Reference Example 9 and PTFE (polytetrafluoroethylene) powder (manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd., Teflon 6-6) J) is kneaded well with a mortar at a ratio of PTFE powder / metal phosphate of 90/10 until it becomes a lump, and rolled using a roller stretcher to obtain a film having a thickness of 30 μm. It was.
Comparative Example 1-2
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane and preparation of composite membrane A thickness of 30 μm was obtained in the same manner as in Comparative Example 1-1 except that the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 50/50. A membrane was obtained.
Comparative Example 1-3
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane and preparation of composite membrane A thickness of 30 μm was obtained in the same manner as in Comparative Example 1-1 except that the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 30/70. A membrane was obtained.

比較例1−4
SEBS/金属リン酸塩複合膜の調製、及び複合膜の作製
参考例1で得られたSEBSの10質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をSEBS/金属リン酸塩の質量比が30/70となるよう添加した。上記したSEBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を8回繰り返した後、SEBS/金属リン酸塩混合溶液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ42μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.68μm、モード径は1.44μmであった。
Comparative Example 1-4
Preparation of SEBS / metal phosphate composite membrane and preparation of composite membrane A 10% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of SEBS obtained in Reference Example 1 was prepared. The metal phosphate obtained in 9 was added so that the mass ratio of SEBS / metal phosphate was 30/70. The above-mentioned SEBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication eight times, the SEBS / metal phosphate mixed solution was coated on the Toyobo Ester Film K1504 with a thickness of about 350 μm, and sufficiently dried at room temperature. A film having a thickness of 42 μm was obtained by vacuum drying. As a result of particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.68 μm, and the mode diameter was 1.44 μm.

比較例1−5
tBSSEPStBS/金属リン酸塩複合膜の調製、及び複合膜の作製
参考例2で得られたtBSSEPStBSの14質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をtBSSEPStBS/金属リン酸塩の質量比が30/70となるよう添加した。得られたtBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を8回繰り返した後、tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ35μmの膜を得た。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.53μm、モード径は1.41μmであった。
Comparative Example 1-5
Preparation of tBSSEPStBS / metal phosphate composite membrane and preparation of composite membrane A 14% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of tBSSEPStBS obtained in Reference Example 2 was prepared. The metal phosphate obtained in 9 was added so that the mass ratio of tBSSEPStBS / metal phosphate was 30/70. The obtained tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and ultrasonic treatment 8 times, a tBS SEPStBS / metal phosphate mixed solution was coated on a Toyobo Ester film K1504 with a thickness of about 350 μm and sufficiently dried at room temperature. A film having a thickness of 35 μm was obtained by vacuum drying. As a result of particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.53 μm, and the mode diameter was 1.41 μm.

比較例1−6
スルホン化SEBSの製膜
参考例4で得られたスルホン化SEBS(IEC=0.96meq/g)の10質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ35μmの膜を得た。
比較例1−7
スルホン化SEBSの製膜
参考例5で得られたスルホン化SEBS(IEC=0.49meq/g)を用いた以外は、比較例1−8と同様の操作により、厚さ30μmの膜を得た。
Comparative Example 1-6
Sulfonated SEBS of film in Reference Example 4 obtained sulfonated SEBS (IEC = 0.96meq / g) of 10 wt% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) was prepared, Toyobo ester film above K1504 The film was coated with a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently dried under vacuum to obtain a film having a thickness of 35 μm.
Comparative Example 1-7
Except for using the film obtained in Reference Example 5 sulfonated SEBS sulfonated SEBS (IEC = 0.49meq / g) is the same manner as in Comparative Example 1-8, to obtain a film having a thickness of 30μm .

比較例1−8
スルホン化tBSSEPStBSの製膜
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)の14質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ31μmの膜を得た。
比較例1−9
スルホン化tBSSEPStBSの製膜
参考例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=1.94meq/g)の12質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ29μmの膜を得た。
Comparative Example 1-8
A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 for film formation of sulfonated tBSSEPStBS was prepared on Toyobo Ester Film K1504. The film was coated with a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently dried under vacuum to obtain a film having a thickness of 31 μm.
Comparative Example 1-9
A 12% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 1.94 meq / g) obtained in Reference Example 7 for film formation of sulfonated tBSSEPStBS was prepared on Toyobo Ester Film K1504. The film was coated with a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently dried under vacuum to obtain a film having a thickness of 29 μm.

比較例1−10
スルホン化tBSSEPStBSの製膜
参考例8で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.42meq/g)の16質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、東洋紡エステルフィルムK1504上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。
比較例1−11
パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質膜として、DuPont社ナフィオンフィルム(Nafion117)を選択した。
Comparative Example 1-10
A 16% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.42 meq / g) obtained in Reference Example 8 for film formation of sulfonated tBSSEPStBS was prepared on Toyobo Ester Film K1504. The film was coated with a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently dried under vacuum to obtain a film with a thickness of 30 μm.
Comparative Example 1-11
As a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane, a DuPont Nafion film (Nafion 117) was selected.

比較例1−12
スルホン化tBSStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例11で得られたスルホン化tBSStBSの15質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をスルホン化tBSStBS/金属リン酸塩の質量比が30/70となるよう添加した。得られたスルホン化tBSStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を8回繰り返した後、スルホン化tBSStBS/金属リン酸塩混合液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約200μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ38μmの膜を得た。作製したスルホン化tBSStBS/金属リン酸塩複合膜は、基材から剥がす際に破断するほど膜強度が乏しかった。基材からの剥離が不可能であったため、基材をつけたまま、基材とは反対側の面に電極を設置して、交流インピーダンス法によりイオン伝導度を測定した。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は3.62μm、モード径は1.55μmであった。
Comparative Example 1-12
Preparation of sulfonated tBSStBS / metal phosphate mixed solution and production of composite membrane Prepared 15% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of sulfonated tBSStBS obtained in Reference Example 11. To this solution, the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was added so that the mass ratio of sulfonated tBSStBS / metal phosphate was 30/70. The obtained sulfonated tBSStBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication eight times, a sulfonated tBSStBS / metal phosphate mixed solution was coated on Toyobo Ester Film K1504 at a thickness of about 200 μm and sufficiently dried at room temperature. By sufficiently vacuum drying, a film having a thickness of 38 μm was obtained. The produced sulfonated tBSStBS / metal phosphate composite membrane had such a low membrane strength that it was broken when peeled off from the substrate. Since peeling from the substrate was impossible, an electrode was placed on the surface opposite to the substrate while the substrate was attached, and the ionic conductivity was measured by the AC impedance method. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 3.62 μm, and the mode diameter was 1.55 μm.

比較例1−13
スルホン化tBSStBS/金属リン酸塩―PTFE複合膜の作製
比較例1−12で得られたスルホン化tBSStBS/金属リン酸塩複合電解質とPTFE(三井デュポンフロロケミカル(株)製テフロン6−J)を乳鉢にて混練後、圧延することで製膜を試みた。PTFEの質量%を23%とすることで厚み565μmの膜を得た。
Comparative Example 1-13
Preparation of Sulfonated tBSStBS / Metal Phosphate-PTFE Composite Membrane The sulfonated tBSStBS / metal phosphate composite electrolyte obtained in Comparative Example 1-12 and PTFE (Teflon 6-J manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) Film formation was attempted by rolling after kneading in a mortar. A film having a thickness of 565 μm was obtained by setting the mass% of PTFE to 23%.

比較例1−14
S-PEEK/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製
参考例12で得られたS-PEEKの20質量%ジメチルスルホキシド溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をS-PEEK/金属リン酸塩の質量比が30/70となるよう添加した。得られたS-PEEK/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を8回繰り返した後、S-PEEK/金属リン酸塩混合液を、東洋紡エステルフィルムK1504上に約200μmの厚みでコートし、100℃で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ60μmの膜を得た。作製したS-PEEL/金属リン酸塩複合膜は、基材から剥がす際に破断するほど膜強度が乏しかった。基材からの剥離が不可能であったため、基材をつけたまま、基材とは反対側の面に電極を設置して、交流インピーダンス法によりイオン伝導度を測定した。静的光散乱による粒径測定の結果(HORIBA製LA−950使用)、金属リン酸塩のメジアン径は5.51μm、モード径は6.28μmであった。
Comparative Example 1-14
Preparation of S-PEEK / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane A 20% by mass dimethyl sulfoxide solution of S-PEEK obtained in Reference Example 12 was prepared, and this solution was obtained in Reference Example 9. The metal phosphate was added so that the mass ratio of S-PEEK / metal phosphate was 30/70. The obtained S-PEEK / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring the magnetic stirrer and sonication eight times, the S-PEEK / metal phosphate mixture was coated on the Toyobo Ester film K1504 to a thickness of about 200 μm and sufficiently dried at 100 ° C. Thereafter, the film was sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 60 μm. The produced S-PEEL / metal phosphate composite film had such a low film strength that it was broken when peeled off from the substrate. Since peeling from the substrate was impossible, an electrode was placed on the surface opposite to the substrate while the substrate was attached, and the ionic conductivity was measured by the AC impedance method. As a result of the particle size measurement by static light scattering (using LA-950 manufactured by HORIBA), the median diameter of the metal phosphate was 5.51 μm, and the mode diameter was 6.28 μm.

比較例1−15
S-PEEK/金属リン酸塩―PTFE複合膜の作製
比較例1−14で得られたS-PEEK/金属リン酸塩複合電解質とPTFE(三井デュポンフロロケミカル(株)製テフロン6−J)を乳鉢にて混練後、圧延することで製膜を試みた。PTFEの質量%を58%とすることで厚み2mmの膜が得られた。
Comparative Example 1-15
Preparation of S-PEEK / Metal Phosphate-PTFE Composite Membrane S-PEEK / Metal Phosphate Composite Electrolyte obtained in Comparative Example 1-14 and PTFE (Teflon 6-J manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) Film formation was attempted by rolling after kneading in a mortar. A film having a thickness of 2 mm was obtained by setting the mass% of PTFE to 58%.

実施例1−1〜1−11及び比較例1−1〜1−11の電解質膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
以下の試験において、試料には本発明の態様1の各実施例又は比較例で得られた電解質膜を使用した。
Performance test of electrolyte membranes of Examples 1-1 to 1-11 and Comparative Examples 1-1 to 1-11 as electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells The electrolyte membrane obtained in each example or comparative example was used.

1)膜のイオン伝導度の測定
1cm×4cmの試料を1対の白金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを、温度40℃もしくは65℃及び相対湿度30、50、70もしくは90%に調節した恒温恒湿器内、又は温度40℃の水中に設置し、交流インピーダンス法により膜のイオン伝導度を測定した。
2)メタノール透過速度の測定
メタノール透過速度は、電解質膜をH型セルの中央にセットし、生じた2つのスペースの片側に55mlの3M(モル/リットル)のメタノール水溶液を、他方のスペースに55mlの純水を注入し、25℃で攪拌しながら、電解質膜を通って純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフィーを用いて測定することで算出した(電解質膜の面積は、4.5cm)。
1) Measurement of ion conductivity of membrane A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of platinum electrodes and attached to an open cell. Place the measurement cell in a constant temperature and humidity chamber adjusted to a temperature of 40 ° C or 65 ° C and a relative humidity of 30, 50, 70 or 90%, or in water at a temperature of 40 ° C, and measure the ionic conductivity of the membrane by the AC impedance method. It was measured.
2) Measurement of methanol permeation rate Methanol permeation rate was determined by setting the electrolyte membrane in the center of the H-shaped cell, 55 ml of 3M (mol / liter) aqueous methanol solution on one side of the two spaces, and 55 ml on the other space. Was calculated by measuring the amount of methanol diffusing into the pure water through the electrolyte membrane using gas chromatography while stirring at 25 ° C. (the area of the electrolyte membrane was 4). .5 cm 2 ).

3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Pt−Ru合金触媒担持カーボンに、Nafionの5質量%メタノール溶液を、Pt−Ru合金とNafionとの質量比が2:1になるように添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストを転写シートに塗布し、24時間乾燥させて、アノード側の触媒シートを作製した。また、Pt触媒担持カーボンに、低級アルコールと水との混合溶媒中へのNafionの5質量%溶液を、Pt触媒とNafionとの質量比が2:1になるように添加混合し、均一に分散されたペーストを調製し、アノード側と同様の方法にてカソード側の触媒シートを作製した。上記本発明の態様1で作製した電解質膜を、上記2種類の触媒シートでそれぞれ膜と触媒面とが向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(130℃、1.5MPa、8min)により膜と触媒シートとを接合させた。最後にステンレス板及び耐熱性フィルムを外し、転写シートを剥離して膜−電極接合体を作製した。ついで作製した膜−電極接合体を、2枚のカーボンペーパーで挟み、その外側を2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 5% by mass methanol solution of Nafion was added to and mixed with the Pt—Ru alloy catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of the Pt—Ru alloy to Nafion was 2: 1 to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was applied to a transfer sheet and dried for 24 hours to prepare an anode side catalyst sheet. Also, a 5% by mass solution of Nafion in a mixed solvent of lower alcohol and water was added to and mixed with Pt catalyst-supported carbon so that the mass ratio of Pt catalyst to Nafion was 2: 1, and dispersed uniformly. The prepared paste was prepared, and a cathode side catalyst sheet was prepared in the same manner as the anode side. The electrolyte membrane produced in the first aspect of the present invention is sandwiched between the two types of catalyst sheets so that the membrane and the catalyst surface face each other, and the outside is sandwiched between two heat resistant films and two stainless steel plates in order. The membrane and the catalyst sheet were joined by hot pressing (130 ° C., 1.5 MPa, 8 min). Finally, the stainless steel plate and the heat resistant film were removed, and the transfer sheet was peeled off to produce a membrane-electrode assembly. Next, the membrane-electrode assembly produced was sandwiched between two sheets of carbon paper, the outside was sandwiched between two conductive separators that also function as gas supply channels, and the outside of the two collector plates And an evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced by sandwiching the two clamp plates.

4)低湿条件における水素を用いた燃料電池用単セルの性能評価
実施例1−7、実施例1−8及び比較例1−10で得られた電解質膜を用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料には水素を用い、酸化剤には酸素を用いた。セル温度を65℃とし、水素及び酸素共に気相温度が40℃となるようにバブラ温度を設定し、電解質膜がさらされる相対湿度が30%となるように調整した。水素:250ml/min、酸素:250ml/minの条件下にて試験した。
5)メタノールを用いた燃料電池用単セルの性能評価
実施例1−10及び比較例1−11で得られた電解質膜を用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料には3Mメタノール水溶液を用い、酸化剤には酸素を用いた。MeOH:1.0ml/min、酸素:174ml/minの条件下、セル温度40℃にて試験した。
4) Performance evaluation of single cell for fuel cell using hydrogen under low-humidity conditions Solid polymer fuel prepared using the electrolyte membranes obtained in Example 1-7, Example 1-8 and Comparative Example 1-10 The output performance of the single cell for battery was evaluated. Hydrogen was used as the fuel and oxygen was used as the oxidant. The cell temperature was 65 ° C., the bubbler temperature was set so that the gas phase temperature of both hydrogen and oxygen was 40 ° C., and the relative humidity to which the electrolyte membrane was exposed was adjusted to 30%. The test was conducted under the conditions of hydrogen: 250 ml / min and oxygen: 250 ml / min.
5) Performance Evaluation of Single Cell for Fuel Cell Using Methanol Output performance of the single cell for polymer electrolyte fuel cell prepared using the electrolyte membranes obtained in Example 1-10 and Comparative Example 1-11 evaluated. A 3M aqueous methanol solution was used as the fuel, and oxygen was used as the oxidant. The test was conducted at a cell temperature of 40 ° C. under the conditions of MeOH: 1.0 ml / min and oxygen: 174 ml / min.

高分子電解質膜としての性能試験の結果
・実施例1−3〜1−6、1−9及び1−11並びに比較例1−1〜1−10で作製した電解質膜の40℃水中におけるイオン伝導度を表1に、
・実施例1−1及び1−2並びに比較例1−8で作製した膜の40℃相対湿度30〜90%におけるイオン伝導度を表2に、
・実施例1−7、1−8及び1−10並びに比較例1−8及び1−9で作製した膜、並びに比較例1−11のNafion117の65℃相対湿度30〜90%におけるイオン伝導度を表3及び図1に、
・実施例1−7及び1−8並びに比較例1−8で作製した膜、並びに比較例1−11のNafion117をそれぞれ用いて作製した固体高分子型燃料電池用単セルの、セル温度65℃及び相対湿度30%での水素を用いた燃料電池発電性能試験の結果を表4及び図2に、
・実施例1−2、1−4〜1−9及び1−11並びに比較例1−1〜1−6及び1−8〜1−10で作製した膜のメタノール透過速度(μmol/cmminに換算)を表5に、
・実施例1−10及び比較例1−9で作製した膜をそれぞれ用いて作製した固体高分子型燃料電池用単セルの、セル温度40℃での3Mメタノール水溶液を用いた燃料電池発電性能試験の結果を表6及び図3に、
・実施例1−8及び1−10で作製した膜の65℃、相対湿度30〜90%におけるイオン伝導度を、比較例1−12〜1−15で作製した膜の65℃、相対湿度30〜90%におけるイオン伝導度と対比して、表7及び図4に示す。
なお、評価した燃料電池性能に関しては、1.25A時のセル抵抗を測定し、5A時のMCOを測定した。
Results of Performance Test as Polymer Electrolyte Membrane- Ionic Conduction of Electrolyte Membranes Prepared in Examples 1-3 to 1-6, 1-9 and 1-11 and Comparative Examples 1-1 to 1-10 in 40 ° C. Water Degrees in Table 1
Table 2 shows the ionic conductivity of the films produced in Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Example 1-8 at 40 ° C. and a relative humidity of 30 to 90%.
-Ionic conductivity at 30-90% relative humidity of 65 ° C relative to membranes prepared in Examples 1-7, 1-8 and 1-10 and Comparative Examples 1-8 and 1-9, and Nafion 117 of Comparative Example 1-11 In Table 3 and FIG.
-Cell temperature of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced using the membranes produced in Examples 1-7 and 1-8 and Comparative Example 1-8 and Nafion 117 of Comparative Example 1-11, respectively. Table 4 and FIG. 2 show the results of the fuel cell power generation performance test using hydrogen at a relative humidity of 30%.
The methanol permeation rate (μmol / cm 2 min of the membranes produced in Examples 1-2, 1-4 to 1-9 and 1-11 and Comparative Examples 1-1 to 1-6 and 1-8 to 1-10 In Table 5
A fuel cell power generation performance test using a 3M methanol aqueous solution at a cell temperature of 40 ° C. for a single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced using the membrane produced in each of Examples 1-10 and Comparative Example 1-9 The results are shown in Table 6 and FIG.
The ion conductivity at 65 ° C. and a relative humidity of 30 to 90% of the membranes prepared in Examples 1-8 and 1-10 is 65 ° C. and the relative humidity of 30 of the membranes manufactured in Comparative Examples 1-12 to 1-15. Table 7 and FIG. 4 show the ionic conductivity at ˜90%.
In addition, regarding the evaluated fuel cell performance, the cell resistance at 1.25 A was measured, and the MCO at 5 A was measured.

表1において、実施例1−3と比較例1−7、実施例1−11と比較例1−10との対比から、10質量%の金属リン酸塩を複合化することにより、電解質膜のイオン伝導度が向上することを確認した。また、実施例1−1及び1−2と比較例1−6、実施例1−4〜1−6と比較例1−8、実施例1−9と比較例1−9との対比から、ブロック共重合体の有するイオン伝導性基が多い場合には、水中におけるイオン伝導度は大きく増減しない傾向にあることが判明した。一方、従来バインダーとして適しているとされるPTFE(比較例1−1〜1−3)では、0.01S/cm以上のイオン伝導度を発現するために70質量%以上の金属リン酸塩を加える必要があった。また、イオン伝導性基を有さない共重合体を用いた場合にも、PTFEと同様の傾向となった(比較例1−4、1−5)。   In Table 1, from the comparison between Example 1-3 and Comparative Example 1-7, and Example 1-11 and Comparative Example 1-10, 10% by mass of metal phosphate was combined to form an electrolyte membrane. It was confirmed that the ionic conductivity was improved. Further, from comparison between Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Example 1-6, Examples 1-4 to 1-6 and Comparative Example 1-8, and Examples 1-9 and Comparative Example 1-9, It was found that when the block copolymer has a large number of ion conductive groups, the ionic conductivity in water does not tend to increase or decrease significantly. On the other hand, PTFE (Comparative Examples 1-1 to 1-3), which is conventionally suitable as a binder, contains 70 mass% or more of metal phosphate in order to express ionic conductivity of 0.01 S / cm or more. It was necessary to add. Moreover, also when the copolymer which does not have an ion conductive group was used, it became the tendency similar to PTFE (Comparative Examples 1-4 and 1-5).

表2から、実施例1−1及び1−2と比較例1−6との対比より、本発明の態様1の電解質より得られた電解質膜を用いることで、低湿条件下におけるイオン伝導度が向上できることを確認した。また、表3から、実施例1−7及び1−8と比較例1−8との対比より、金属リン酸塩の質量比が50質量%から70質量%に増加することでイオン伝導度が向上することを確認した。イオン伝導度の向上は、相対湿度が低い場合において顕著であり、実施例1−10と比較例1−11との対比より、本発明の態様1の電解質膜が、一般に低湿条件下におけるイオン伝導度に優れるとされるNafion117(比較例1−11)よりも高いイオン伝導度を示すことが明らかとなった。上記した内容から、本発明の態様1の電解質が低湿条件において抵抗を低減できることが明らかである。   From Table 2, from the comparison between Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Example 1-6, by using the electrolyte membrane obtained from the electrolyte of aspect 1 of the present invention, the ionic conductivity under low humidity conditions is It was confirmed that it could be improved. Moreover, from Table 3, the ion conductivity is increased by increasing the mass ratio of the metal phosphate from 50 mass% to 70 mass% from the comparison between Examples 1-7 and 1-8 and Comparative Example 1-8. Confirmed to improve. The improvement in ionic conductivity is significant when the relative humidity is low, and the comparison between Example 1-10 and Comparative Example 1-11 shows that the electrolyte membrane of aspect 1 of the present invention generally has ionic conductivity under low humidity conditions. It was revealed that the ionic conductivity is higher than that of Nafion 117 (Comparative Example 1-11), which is considered to be excellent in temperature. From the above description, it is clear that the electrolyte of aspect 1 of the present invention can reduce resistance under low humidity conditions.

表4から、比較例1−8で得られた電解質膜に対し、実施例1−7及び1−8で得られた電解質膜は、低湿条件下で水素を用いた燃料電池発電において、低湿条件下で金属リン酸塩が電解質膜のイオン伝導度を補償するため、セル抵抗が低減し、最大出力密度が向上することが明らかである。上記した内容から、本発明の態様1の電解質から得られる電解質膜を用いることで、低湿条件下において水素を燃料として動作する燃料電池の発電性能を向上できることが明らかとなった。また、発電試験後の単セルを解体したところ、本発明の態様1の電解質を用いて得られた電解質膜を使用した膜―電極接合体では剥離等が全くみられず、接合性にも優れていることが明らかとなった。   From Table 4, with respect to the electrolyte membrane obtained in Comparative Example 1-8, the electrolyte membranes obtained in Examples 1-7 and 1-8 were used in fuel cell power generation using hydrogen under low humidity conditions. It is clear that the metal phosphate compensates for the ionic conductivity of the electrolyte membrane, so that the cell resistance is reduced and the maximum power density is improved. From the above description, it has been clarified that the power generation performance of a fuel cell that operates using hydrogen as a fuel under low humidity conditions can be improved by using the electrolyte membrane obtained from the electrolyte of aspect 1 of the present invention. In addition, when the single cell after the power generation test was disassembled, the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane obtained by using the electrolyte according to aspect 1 of the present invention did not show any peeling or the like, and had excellent bondability. It became clear that.

表5において、実施例1−2と比較例1−6、実施例1−4〜1−8と比較例1−8、実施例1−9と比較例1−9、実施例1−11と比較例1−10との対比から、金属リン酸塩との複合化によるメタノール透過速度(MCO)の大幅な増加はみられなかった。加えて、表2における実施例1−2と比較例1−6との対比、及び表3における実施例1−7及び1−8と比較例1−8との対比より、金属リン酸塩との複合化により低湿条件下でのイオン伝導度が向上していることから、本発明の態様1の電解質は、MCOの値を同程度に維持しつつ、低湿条件下でのイオン伝導度を向上させることができることが判明した。一方、従来バインダーとして適しているとされるPTFEを用いた比較例1−1及び1−2では、イオン伝導度が低いにも関わらず(表1)、MCOが大きな値となった(表5)。比較例1−1に関しては、MCOの値は小さいものの(表5)、同程度のMCO値である実施例1−11及び比較例1−10に比べてイオン伝導度が著しく低いため(表1)、電解質膜として十分な機能を発現しない。また、イオン伝導性基を有さないSEBS、tBSSEPEtBS(比較例1−4、1−5)も同様の傾向となった(表1及び表5)が、PTFEに比し緻密な電解質膜を形成できるため、同質量比の金属リン酸塩を有している場合でもMCOが低くなった(表5における比較例1−4及び1−5と比較例1−3との比較)。加えて、実施例1−8と比較例1−5との対比から、金属リン酸塩質量比が同等であっても、共重合体がイオン伝導性基を有することにより、金属リン酸塩のリン酸基と共重合体のイオン伝導性基との間で水素結合等の相互作用を発現するため、より緻密な電解質膜を形成でき、MCOが低減した(表5)。上記した内容から、本発明の態様1の電解質膜は低湿条件下における高いイオン伝導度と、MCO抑制とを両立できることが明らかである。   In Table 5, Example 1-2 and Comparative Example 1-6, Examples 1-4 to 1-8, Comparative Example 1-8, Example 1-9, Comparative Example 1-9, and Example 1-11 From the comparison with Comparative Example 1-10, there was no significant increase in methanol permeation rate (MCO) due to complexation with metal phosphate. In addition, from the comparison between Example 1-2 and Comparative Example 1-6 in Table 2, and the comparison between Examples 1-7 and 1-8 and Comparative Example 1-8 in Table 3, the metal phosphate and Since the ionic conductivity under low humidity conditions is improved by the composite, the electrolyte of aspect 1 of the present invention improves the ionic conductivity under low humidity conditions while maintaining the same MCO value. It was found that it can be made. On the other hand, in Comparative Examples 1-1 and 1-2 using PTFE, which is considered to be suitable as a conventional binder, the MCO has a large value (Table 5) despite the low ionic conductivity (Table 1). ). Regarding Comparative Example 1-1, although the MCO value is small (Table 5), the ionic conductivity is remarkably lower than those of Examples 1-11 and Comparative Examples 1-10, which have comparable MCO values (Table 1). ), Does not exhibit sufficient function as an electrolyte membrane. In addition, SEBS and tBSSEPEtBS (Comparative Examples 1-4 and 1-5) having no ion conductive group showed the same tendency (Tables 1 and 5), but formed a dense electrolyte membrane as compared with PTFE. Therefore, even when it had the metal phosphate of the same mass ratio, MCO became low (Comparison with Comparative Examples 1-4 and 1-5 in Table 5 and Comparative Example 1-3). In addition, from the comparison between Example 1-8 and Comparative Example 1-5, even if the metal phosphate mass ratio is the same, the copolymer has an ion conductive group, so that Since an interaction such as hydrogen bonding is expressed between the phosphate group and the ion conductive group of the copolymer, a denser electrolyte membrane can be formed and the MCO is reduced (Table 5). From the above description, it is clear that the electrolyte membrane of aspect 1 of the present invention can achieve both high ionic conductivity under low humidity conditions and MCO suppression.

表6から、実施例1−10と比較例1−9との対比より、本発明の態様1の電解質から得られた電解質膜は、DMFC発電時において、セル抵抗を同等に維持すると共に、MCOを低減し、最大出力密度を向上できることが明らかである。MCO低減は、電解質膜中の金属リン酸塩もプロトン伝導を担うため、従来の高分子電解質膜で水を介したプロトン伝導が起こる際に生じる電気浸透現象を抑制することができ、電気浸透により移動する水に引きずられるメタノールが低減するために得られた効果であると解される。また、最大出力密度の向上は、MCOが低減したことに加え、上記した電気浸透現象が抑制されたことにより、カソードの酸素拡散阻害、ひいては出力低下をもたらすフラッディング現象が抑制されたことに起因すると解される。また、発電試験後の単セルを解体したところ、本発明の態様1の電解質を用いて得られた電解質膜を使用した膜―電極接合体には剥離等全くみられず、接合性にも優れていることが明らかとなった。   From Table 6, by comparing Example 1-10 with Comparative Example 1-9, the electrolyte membrane obtained from the electrolyte of aspect 1 of the present invention maintains the cell resistance at the same time during DMFC power generation, and has an MCO. It is clear that the maximum power density can be improved. In MCO reduction, the metal phosphate in the electrolyte membrane is also responsible for proton conduction, so the electroosmosis phenomenon that occurs when proton conduction through water occurs in conventional polymer electrolyte membranes can be suppressed. It is understood that this is an effect obtained by reducing the amount of methanol dragged by the moving water. In addition to the reduction in MCO, the increase in the maximum power density is attributed to the suppression of the above-described electroosmosis phenomenon, which suppresses the flooding phenomenon that inhibits the oxygen diffusion of the cathode and consequently reduces the output. It is understood. Further, when the single cell after the power generation test was disassembled, the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane obtained by using the electrolyte of aspect 1 of the present invention did not show any peeling and excellent bonding properties. It became clear that.

表7において、実施例1−8と比較例1−12、1−14との対比から、金属リン酸塩の質量比が同等であった場合、重合体のイオン交換容量が低いにも関わらず、実施例1−8の複合膜の低湿条件下におけるイオン伝導度が高いことが確認された。また、実施例1−10と比較例1−12、1−14との対比から、重合体のイオン交換容量が同等であった場合、金属リン酸塩の質量%が低いにも関わらず、広い湿度範囲において実施例1−10の複合膜のイオン伝導度が高いことが確認された。イオン伝導性基を有さない柔軟相を有することにより、膜強度が増加することに加えて、クラックやボイドがなく緻密で、かつ金属リン酸塩が均一に分散した複合膜が得られるためである。比較例1−13、1−15において自立膜を得るためにPTFEを添加することでイオン伝導度が大幅に低下したことからも、結着材を必要とせずに緻密で強度の高い自立膜が得られる本発明の電解質、及び電解質膜が有用であることが明らかとなった。     In Table 7, from the comparison between Example 1-8 and Comparative Examples 1-12 and 1-14, when the mass ratio of the metal phosphate was the same, despite the low ion exchange capacity of the polymer It was confirmed that the composite membrane of Example 1-8 had high ionic conductivity under low humidity conditions. Further, from the comparison between Example 1-10 and Comparative Examples 1-12 and 1-14, when the ion exchange capacity of the polymer was the same, it was wide although the mass% of the metal phosphate was low. It was confirmed that the ionic conductivity of the composite membrane of Example 1-10 was high in the humidity range. In addition to increasing the film strength by having a flexible phase that does not have an ion conductive group, it is possible to obtain a composite film that is dense without cracks and voids and in which metal phosphates are uniformly dispersed. is there. In Comparative Examples 1-13 and 1-15, PTFE was added to obtain a free-standing film, and the ionic conductivity was greatly reduced. Therefore, a dense and high-strength free-standing film without the need for a binder was obtained. It was revealed that the obtained electrolyte of the present invention and the electrolyte membrane are useful.

実施例2−1
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液の調製、及び複合膜の作製−1
参考例4で得られたスルホン化SEBS(イオン交換容量=0.96meq/g)の10質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例9で得られた金属リン酸塩をスルホン化SEBS/金属リン酸塩の質量比が10/90となるよう添加した。上記したスルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液を、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」;以下同様]上にコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで膜を得た。粒径測定(静的光散乱による粒径測定、HORIBA製LA−950使用;以下同様)の結果、金属リン酸塩のメジアン径は3.44μm、モード径は1.36μmであった。
Example 2-1
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-1
A 10% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated SEBS (ion exchange capacity = 0.96 meq / g) obtained in Reference Example 4 was prepared, and this solution was obtained in Reference Example 9. The resulting metal phosphate was added so that the mass ratio of sulfonated SEBS / metal phosphate was 10/90. The above sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer, and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and ultrasonic treatment four times, the sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution was subjected to a release-treated PET film ["Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd .; The film was obtained by sufficiently drying at room temperature and then vacuum drying. As a result of particle size measurement (particle size measurement by static light scattering, LA-950 made by HORIBA; the same applies hereinafter), the median diameter of the metal phosphate was 3.44 μm and the mode diameter was 1.36 μm.

実施例2−2
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液の調製、及び複合膜の作製―2
スルホン化SEBS/金属リン酸塩の質量比を20/80としたこと以外は、実施例2−1と同様の操作により膜を得た。粒径測定の結果、金属リン酸塩のメジアン径は3.53μm、モード径は1.38μmであった。
実施例2−3
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液の調製、及び複合膜の作製―3
スルホン化SEBS/金属リン酸塩の質量比を30/70としたこと以外は、実施例2−1と同様の操作により膜を得た。粒径測定の結果、金属リン酸塩のメジアン径は3.24μm、モード径は1.32μmであった。
Example 2-2
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-2
A membrane was obtained by the same operation as in Example 2-1, except that the mass ratio of sulfonated SEBS / metal phosphate was 20/80. As a result of the particle size measurement, the median diameter of the metal phosphate was 3.53 μm, and the mode diameter was 1.38 μm.
Example 2-3
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-3
A membrane was obtained by the same operation as in Example 2-1, except that the mass ratio of sulfonated SEBS / metal phosphate was 30/70. As a result of the particle size measurement, the median diameter of the metal phosphate was 3.24 μm, and the mode diameter was 1.32 μm.

実施例2−4
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液の調製、及び複合膜の作製―4
スルホン化SEBS/金属リン酸塩の質量比を50/50としたこと以外は、実施例2−1と同様の操作により膜を得た。粒径測定の結果、金属リン酸塩のメジアン径は3.26μm、モード径は1.27μmであった。
実施例2−5
スルホン化SEBS/金属リン酸塩混合溶液の調製、及び複合膜の作製―5
スルホン化SEBS/金属リン酸塩の質量比を75/25としてこと以外は、実施例2−1と同様の操作により膜を得た。粒径測定の結果、金属リン酸塩のメジアン径は3.38μm、モード径は1.32μmであった。
Example 2-4
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-4
A membrane was obtained by the same operation as in Example 2-1, except that the mass ratio of sulfonated SEBS / metal phosphate was 50/50. As a result of the particle size measurement, the median diameter of the metal phosphate was 3.26 μm, and the mode diameter was 1.27 μm.
Example 2-5
Preparation of sulfonated SEBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-5
A membrane was obtained in the same manner as in Example 2-1, except that the mass ratio of sulfonated SEBS / metal phosphate was 75/25. As a result of the particle size measurement, the median diameter of the metal phosphate was 3.38 μm, and the mode diameter was 1.32 μm.

比較例2−1
PTFE/金属リン酸塩複合膜の作製―1
参考例9で得られた金属リン酸塩と、PTFE粉末(三井デュポンフロロケミカル(株)製、テフロン6−J)を、PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比が10/90となる比率で乳鉢を用いて一塊になるまでよく練りこみ、ローラー延伸器を用いて圧延して膜を得た。
比較例2−2
PTFE/金属リン酸塩複合膜の作製―2
PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比を20/80としたこと以外は、比較例2−1と同様の操作により膜を得た。
Comparative Example 2-1
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane-1
The metal phosphate obtained in Reference Example 9 and PTFE powder (manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd., Teflon 6-J) were used at a ratio where the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 10/90. It kneaded well until it became a lump using a mortar, and it rolled using the roller stretcher, and obtained the film | membrane.
Comparative Example 2-2
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane-2
A membrane was obtained by the same operation as in Comparative Example 2-1, except that the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 20/80.

比較例2−3
PTFE/金属リン酸塩複合膜の作製―3
PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比を30/70としたこと以外は、比較例2−1と同様の操作により膜を得た。
比較例2−4
PTFE/金属リン酸塩複合膜の作製―4
PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比を50/50としたこと以外は、比較例2−1と同様の操作により膜を得た。
比較例2−5
PTFE/金属リン酸塩複合膜の作製−5
PTFE粉末/金属リン酸塩の質量比を75/25としたこと以外は、比較例2−1と同様の操作により膜を得た。
Comparative Example 2-3
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane-3
A membrane was obtained by the same operation as in Comparative Example 2-1, except that the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 30/70.
Comparative Example 2-4
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane -4
A membrane was obtained by the same operation as in Comparative Example 2-1, except that the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 50/50.
Comparative Example 2-5
Preparation of PTFE / metal phosphate composite membrane-5
A membrane was obtained in the same manner as in Comparative Example 2-1, except that the mass ratio of PTFE powder / metal phosphate was 75/25.

比較例2−6
PTFE膜の作製
PTFE粉末を乳鉢を用いて一塊になるまでよく練りこみ、ローラー延伸器を用いて圧延して膜を得た。
比較例2−7
スルホン化SEBSの製膜
参考例4で得られたスルホン化SEBS(イオン交換容量=0.96meq/g)の10質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム上にコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで膜を得た。
Comparative Example 2-6
Preparation of PTFE film PTFE powder was well kneaded into a lump using a mortar and rolled using a roller stretcher to obtain a film.
Comparative Example 2-7
Sulfonated SEBS of film in Reference Example 4 obtained sulfonated SEBS (ion exchange capacity = 0.96meq / g) 10 wt% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) was prepared and releasing process The coated film was coated on a used PET film, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently vacuum dried to obtain a film.

実施例2−1〜2−5及び比較例2−1〜2−7で得られた膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
以下の試験において、試料には本発明の態様2の各実施例又は比較例で得られた電解質膜を使用した。
1)膜強度の測定
実施例2−1〜2−5、及び比較例2−1、2−2、2−4〜2−7で得られた膜に関して、試料をダンベル状に成形して、引張速度500mm/minの条件で引張強度及び破断伸度を測定した。
2)膜のイオン伝導度の測定
実施例2−1〜2−5、及び比較例2−1〜2−5、2−7で得られた膜に関して、1cm×4cmの試料を一対の白金電極で挟み、開放系セルに装着し、150℃、無加湿条件下において、交流インピーダンス法により膜のイオン伝導度を測定した。
Performance Test of Membranes Obtained in Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1 to 2-7 as an Electrolyte Membrane for a Polymer Electrolyte Fuel Cell In the following tests, a sample is an aspect of the present invention. The electrolyte membrane obtained in each Example 2 or Comparative Example 2 was used.
1) Measurement of film strength For the films obtained in Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1, 2-2, 2-4 to 2-7, the sample was formed into a dumbbell shape, Tensile strength and elongation at break were measured under conditions of a tensile speed of 500 mm / min.
2) Measurement of ion conductivity of membrane Regarding the membranes obtained in Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1 to 2-5 and 2-7, a sample of 1 cm × 4 cm was paired with a pair of platinum electrodes. The membrane was attached to an open cell, and the ionic conductivity of the membrane was measured by the AC impedance method under a non-humidified condition at 150 ° C.

3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
固体高分子型燃料電池用の評価セルとしての単セルを、電解質膜として上記本発明の態様2で作製した電解質膜を用いた以外、本発明の態様1における固体高分子型燃料電池用単セルの作製と同様にして作製した。
4)150℃、無加湿条件下における開回路電圧(OCV)、及び膜抵抗の測定
実施例2−2及び比較例2−2で得られた電解質膜を用いて燃料電池単セルを組立て、150℃、無加湿条件下におけるOCV、及び膜抵抗の膜厚依存性を測定した。尚、OCV測定は、水素:250ml/min、酸素:250ml/minの条件下に実施した。
3) Manufacture of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell The present invention except that the single cell as an evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell is the electrolyte membrane prepared in the above-described aspect 2 of the present invention as an electrolyte membrane. It was produced in the same manner as the production of the single cell for the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 1.
4) Measurement of open circuit voltage (OCV) under non-humidified conditions at 150 ° C. and membrane resistance A fuel cell single cell was assembled using the electrolyte membranes obtained in Example 2-2 and Comparative Example 2-2. The film thickness dependence of OCV and film resistance under the condition of 0 ° C. and no humidification was measured. The OCV measurement was performed under the conditions of hydrogen: 250 ml / min and oxygen: 250 ml / min.

高分子電解質膜としての性能試験の結果
実施例2−1〜2−5、及び比較例2−1、2−2、2−4〜2−7で作製した膜の引張強度及び破断伸度を表8に、
実施例2−1〜2−5、及び比較例2−1〜2−5及び2−7で作製した膜の150℃、無加湿条件におけるイオン伝導度を表9及び図5に、
実施例2−2、及び比較例2−2で作製した膜の、150℃、無加湿条件における開回路電圧(OCV)、及び膜抵抗値の膜厚依存性を表10及び図6に、それぞれ示す。
As a result of the performance test as a polymer electrolyte membrane, the tensile strength and elongation at break of the membranes produced in Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1, 2-2, 2-4 to 2-7 are shown. In Table 8,
Table 9 and FIG. 5 show the ionic conductivity of the films prepared in Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1 to 2-5 and 2-7 at 150 ° C. and no humidification.
Table 10 and FIG. 6 show the film thickness dependence of the open circuit voltage (OCV) and the film resistance value of the films prepared in Example 2-2 and Comparative Example 2-2 at 150 ° C. and no humidification, respectively. Show.

表8において、実施例2−1〜2−5と比較例2−1、2−2、2−4〜2−7との対比から、従来バインダーとして適しているとされるPTFEを用いた複合膜に比べ、本発明の態様2の複合電解質膜は、幅広い金属リン酸塩質量比において、高い引張強度及び破断伸度を有していることが明らかである。   In Table 8, a composite using PTFE, which is considered to be suitable as a conventional binder from the comparison between Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1, 2-2, 2-4 to 2-7 As compared with the membrane, it is clear that the composite electrolyte membrane of aspect 2 of the present invention has high tensile strength and elongation at break in a wide range of metal phosphate mass ratios.

表9において、実施例2−1〜2−5と比較例2−1〜2−5との対比から、本発明の態様2の複合膜は、イオン伝導性基を含む重合体ブロック(A)から形成されるイオンチャンネルが、150℃、無加湿条件下においても金属リン酸塩間のイオン伝導を補償するため、PTFEをバインダーに用いた複合膜に比べ、特に金属リン酸塩質量比が70%未満となる場合に高いイオン伝導度を示した。表8に示した膜強度からも、本発明の態様2の複合電解質膜は、膜強度とイオン伝導度を両立することが可能であり、燃料電池用電解質膜として優れることが明らかとなった。 In Table 9, from the comparison between Examples 2-1 to 2-5 and Comparative Examples 2-1 to 2-5, the composite membrane of aspect 2 of the present invention is a polymer block (A) containing an ion conductive group. Since the ion channel formed from the above compensates ionic conduction between the metal phosphates even at 150 ° C. and without humidification, the metal phosphate mass ratio is particularly 70 as compared with the composite membrane using PTFE as a binder. When it was less than%, high ionic conductivity was exhibited. Also from the membrane strength shown in Table 8, it was clarified that the composite electrolyte membrane of aspect 2 of the present invention can achieve both membrane strength and ionic conductivity and is excellent as an electrolyte membrane for fuel cells.

表10において、実施例2−2と比較例2−2との対比から、本発明の態様2の複合電解質膜は、優れた膜強度及び優れた成形性に加えて、イオン伝導性基を含む重合体ブロック(A)から形成されるイオンチャンネルにより金属リン酸塩間イオン伝導の補償が可能であることから、電解質膜膜厚を薄くした場合にもピンホール、欠陥、亀裂等が生じないため水素及び酸素バリア性に優れ、その結果、膜厚が薄い場合にも開回路電圧(OCV)を高く維持することができた。また、膜厚を薄くできることで、膜抵抗を低減することができた。したがって、本発明の態様2の複合電解質膜は、セル電圧を高く維持し得ると共に、抵抗の低い優れた電解質膜であり、本発明の態様2の電解質膜を用いた燃料電池は高出力を達成し得ることが明らかである。   In Table 10, from the comparison between Example 2-2 and Comparative Example 2-2, the composite electrolyte membrane of aspect 2 of the present invention contains an ion conductive group in addition to excellent membrane strength and excellent moldability. Since ion conduction between metal phosphates can be compensated by ion channels formed from the polymer block (A), pinholes, defects, cracks, etc. do not occur even when the electrolyte membrane thickness is reduced. As a result, the open circuit voltage (OCV) was maintained high even when the film thickness was small. In addition, the film resistance could be reduced by reducing the film thickness. Therefore, the composite electrolyte membrane of aspect 2 of the present invention is an excellent electrolyte membrane that can maintain a high cell voltage and has low resistance, and the fuel cell using the electrolyte membrane of aspect 2 of the present invention achieves high output. Obviously it can.

参考例13
金属リン酸塩の調製―2(ナノテック製SnO を用いたSn 0.95 Al 0.05 粉体の合成)
ナノテック製SnOを用いたこと以外は、参考例9と同様の操作により、Sn0.95Al0.05粉体を得た。
Reference Example 13
Preparation of metal phosphate-2 ( Synthesis of Sn 0.95 Al 0.05 P 2 O 7 powder using SnO 2 manufactured by Nanotech )
Sn 0.95 Al 0.05 P 2 O 7 powder was obtained in the same manner as in Reference Example 9 except that Nanotech SnO 2 was used.

実施例3−1
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製−1
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC(イオン交換容量)=0.97meq/g)の14質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、この溶液に、参考例13で得られた金属リン酸塩をスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩の質量比が50/50となるよう添加した。上記したスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」;以下同様]上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。得られた電解質膜をトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)中に入れてスルホン化tBSSEPStBSを溶解し、得られる懸濁液を用いて静的光散乱による粒径測定(HORIBA製LA−950使用;以下同様)を行ったところ、金属リン酸塩のメジアン径は92nm、モード径は85nmであった。
Example 3-1
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-1
A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (IEC (ion exchange capacity) = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 was prepared. The metal phosphate obtained in 13 was added so that the mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate was 50/50. The sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution described above was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and ultrasonic treatment four times, the sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution was subjected to a release-treated PET film ["Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo Co., Ltd .; The film was coated to a thickness of about 350 μm, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 30 μm. The obtained electrolyte membrane was put in toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) to dissolve sulfonated tBSSEPStBS, and particle size measurement by static light scattering (LA-950 made by HORIBA) was performed using the resulting suspension. When used, the same applies hereinafter), the median diameter of the metal phosphate was 92 nm, and the mode diameter was 85 nm.

実施例3−2
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製−2
参考例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=1.94meq/g)の12質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、この溶液に、参考例13で得られた金属リン酸塩をスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩の質量比が50/50となるよう添加した。上記したスルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液を、離形処理済みPETフィルム上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ34μmの膜を得た。得られた電解質膜をトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)中に入れてスルホン化tBSSEPStBSを溶解し、得られる懸濁液を用いて静的光散乱による粒径測定を行ったところ、金属リン酸塩のメジアン径は71nm、モード径は69nmであった。
Example 3-2
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-2
A 12% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 1.94 meq / g) obtained in Reference Example 7 was prepared, and this solution was obtained in Reference Example 13. The metal phosphate was added so that the mass ratio of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate was 50/50. The sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution described above was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication four times, the sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution was coated on the release-treated PET film to a thickness of about 350 μm and allowed to dry sufficiently at room temperature. After that, the film was sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 34 μm. The obtained electrolyte membrane was put in toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) to dissolve sulfonated tBSSEPStBS, and the particle size was measured by static light scattering using the resulting suspension. The median diameter of the phosphate was 71 nm, and the mode diameter was 69 nm.

実施例1−12
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製−3
参考例9で得られた金属リン酸塩を用いた以外は、実施例3−1と同様の操作により、厚さ38μmの膜を得た。得られた電解質膜をトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)中に入れてスルホン化tBSSEPStBSを溶解し、得られる懸濁液を用いて静的光散乱による粒径測定を行ったところ、金属リン酸塩のメジアン径は3.26μm、モード径は1.27μmであった。
実施例1−13
スルホン化tBSSEPStBS/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製−4
参考例9で得られた金属リン酸塩を用いた以外は、実施例3−2と同様の操作により、厚さ34μmの膜を得た。得られた電解質膜をトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)中に入れてスルホン化tBSSEPStBSを溶解し、得られる懸濁液を用いて静的光散乱による粒径測定を行ったところ、金属リン酸塩のメジアン径は3.24μm、モード径は1.31μmであった。
Example 1-12
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-3
A film having a thickness of 38 μm was obtained in the same manner as in Example 3-1, except that the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was used. The obtained electrolyte membrane was put in toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) to dissolve sulfonated tBSSEPStBS, and the particle size was measured by static light scattering using the resulting suspension. The median diameter of the phosphate was 3.26 μm, and the mode diameter was 1.27 μm.
Example 1-13
Preparation of sulfonated tBSSEPStBS / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-4
A film having a thickness of 34 μm was obtained in the same manner as in Example 3-2 except that the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was used. The obtained electrolyte membrane was put in toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) to dissolve sulfonated tBSSEPStBS, and the particle size was measured by static light scattering using the resulting suspension. The median diameter of the phosphate was 3.24 μm, and the mode diameter was 1.31 μm.

比較例3−1
スルホン化tBSSEPStBSの製膜−1
参考例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=0.97meq/g)の14質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ31μmの膜を得た。
比較例3−2
スルホン化tBSSEPStBSの製膜−2
参考例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(IEC=1.94meq/g)の12質量%トルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させることで、厚さ29μmの膜を得た。
Comparative Example 3-1
Film formation-1 of sulfonated tBSSEPStBS
A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 0.97 meq / g) obtained in Reference Example 6 was prepared, and about 350 μm of the release-treated PET film was prepared. The film was coated with a thickness, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 31 μm.
Comparative Example 3-2
Film formation of sulfonated tBSSEPStBS-2
A 12% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (IEC = 1.94 meq / g) obtained in Reference Example 7 was prepared, and about 350 μm of the release-treated PET film was prepared. The film was coated with a thickness, sufficiently dried at room temperature, and then sufficiently vacuum-dried to obtain a film having a thickness of 29 μm.

比較例3−3
Nafion/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製−1
デュポン社製のNafionの分散液に、参考例9で得られた金属リン酸塩を、Nafion/金属リン酸塩の質量比が50/50になるように添加した。得られたNafion/金属リン酸塩混合液を、マグネチックスターラーを用いて30分攪拌し、超音波処理を30分施した。マグネチックスターラーによる攪拌と、超音波処理を4回繰り返した後、Nafion/金属リン酸塩混合液を、離形処理済みPETフィルム上に約350μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させたのち、十分真空乾燥させたが、ひび割れが多数生じ、自立膜を得ることができなかった。なお、Nafion/金属リン酸塩混合液を用いて静的光散乱による粒径測定を行ったところ、金属リン酸塩のメジアン径は3.14μm、モード径は1.41μmであった。
Comparative Example 3-3
Preparation of Nafion / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-1
To the dispersion of Nafion manufactured by DuPont, the metal phosphate obtained in Reference Example 9 was added so that the mass ratio of Nafion / metal phosphate was 50/50. The obtained Nafion / metal phosphate mixed solution was stirred for 30 minutes using a magnetic stirrer and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. After stirring with a magnetic stirrer and sonication four times, the Nafion / metal phosphate mixture was coated on the release-treated PET film to a thickness of about 350 μm and sufficiently dried at room temperature. Although it was sufficiently vacuum-dried, many cracks were generated and a self-supporting film could not be obtained. In addition, when the particle size measurement by static light scattering was performed using the Nafion / metal phosphate mixed solution, the median diameter of the metal phosphate was 3.14 μm and the mode diameter was 1.41 μm.

比較例3−4
Nafion/金属リン酸塩混合液の調製、及び複合膜の作製−2
参考例13で得られた金属リン酸塩を用いた以外は、比較例3−3と同様の操作により複合膜の作製を試みたが、ひび割れが多数生じ、自立膜を得ることができなかった。なお、Nafion/金属リン酸塩混合液を用いて静的光散乱による粒径測定を行ったところ、金属リン酸塩のメジアン径は75nm、モード径は71nmであった。
Comparative Example 3-4
Preparation of Nafion / metal phosphate mixed solution and preparation of composite membrane-2
Except for using the metal phosphate obtained in Reference Example 13, an attempt was made to produce a composite film by the same operation as in Comparative Example 3-3, but many cracks occurred and a self-supporting film could not be obtained. . In addition, when the particle size measurement by static light scattering was performed using the Nafion / metal phosphate mixed solution, the median diameter of the metal phosphate was 75 nm and the mode diameter was 71 nm.

実施例3−1及び3−2並びに実施例1−12〜1−13、比較例3−1〜3−2の電解質膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
以下の試験において、試料には本発明の態様3の各実施例又は比較例で得られた電解質膜を使用した。
Performance tests of the electrolyte membranes of Examples 3-1 and 3-2 and Examples 1-12 to 1-13 and Comparative Examples 3-1 to 3-2 as electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells In the following tests The sample used was the electrolyte membrane obtained in each example or comparative example of aspect 3 of the present invention.

1)膜からのリン酸溶出量測定
実施例3−2及び実施例1−13で作製した電解質膜0.1gを、50ml、80℃の蒸留水に24時間浸漬した。電解質膜を浸漬した液中のリン酸イオンを、イオンクロマトグラフ(DX−320、DIONEX)により定量した。
2)膜のイオン伝導度の測定
1cm×4cmの試料を1対の白金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを、温度65℃及び相対湿度30、50、70もしくは90%に調節した恒温恒湿器内に設置し、交流インピーダンス法により膜のイオン伝導度を測定した。
3)メタノール透過速度の測定
メタノール透過速度は、電解質膜をH型セルの中央にセットし、生じた2つのスペースの片側に55mlの3M(モル/リットル)のメタノール水溶液を、他方のスペースに55mlの純水を注入し、25℃で攪拌しながら、電解質膜を通って純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフィーを用いて測定することで算出した(電解質膜の面積:4.5cm)。
1) Measurement of phosphoric acid elution amount from membrane The electrolyte membrane 0.1 g produced in Example 3-2 and Example 1-13 was immersed in distilled water of 50 ml and 80 ° C. for 24 hours. Phosphate ions in the liquid in which the electrolyte membrane was immersed were quantified by ion chromatography (DX-320, DIONEX).
2) Measurement of ion conductivity of membrane A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of platinum electrodes and attached to an open cell. The measurement cell was installed in a constant temperature and humidity chamber adjusted to a temperature of 65 ° C. and a relative humidity of 30, 50, 70, or 90%, and the ionic conductivity of the membrane was measured by an AC impedance method.
3) Measurement of methanol permeation rate Methanol permeation rate was determined by placing the electrolyte membrane in the center of the H-shaped cell, 55 ml of 3M (mol / liter) aqueous methanol solution on one side of the two spaces, and 55 ml on the other space. Was calculated by measuring the amount of methanol diffusing through the electrolyte membrane into the pure water using gas chromatography while stirring at 25 ° C. (area of the electrolyte membrane: 4. 5 cm 2 ).

4)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
固体高分子型燃料電池用の評価セルとしての単セルを、電解質膜として上記本発明の態様3で作製した電解質膜を用いた以外、本発明の態様1における固体高分子型燃料電池用単セルの作製と同様にして作製した。
5)低湿条件における水素を用いた燃料電池用単セルの性能評価
実施例3−1、実施例1−12及び比較例3−1で得られた電解質膜をそれぞれ用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料には水素を用い、酸化剤には酸素を用いた。セル温度を65℃とし、水素及び酸素共に気相温度が40℃となるようにバブラ温度を設定し、電解質膜がさらされる相対湿度が30%となるように調整した。水素:250ml/min、酸素:250ml/minの条件下にて試験した。
6)メタノールを用いた燃料電池用単セルの性能評価
実施例3−2、実施例1−13及び比較例3−2で得られた電解質膜を用いて作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料には3Mメタノール水溶液を用い、酸化剤には酸素を用いた。MeOH:1.0ml/min、酸素:174ml/minの条件下、セル温度40℃にて試験した。
4) Manufacture of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell The present invention except that the single cell as an evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell is the electrolyte membrane prepared in the third aspect of the present invention as an electrolyte membrane. It was produced in the same manner as the production of the single cell for the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 1.
5) Performance evaluation of single cell for fuel cell using hydrogen under low humidity conditions Solid polymer type prepared using the electrolyte membranes obtained in Example 3-1, Example 1-12 and Comparative Example 3-1, respectively. The output performance of the single cell for fuel cell was evaluated. Hydrogen was used as the fuel and oxygen was used as the oxidant. The cell temperature was 65 ° C., the bubbler temperature was set so that the gas phase temperature for both hydrogen and oxygen was 40 ° C., and the relative humidity to which the electrolyte membrane was exposed was adjusted to 30%. The test was conducted under the conditions of hydrogen: 250 ml / min and oxygen: 250 ml / min.
6) Performance evaluation of single cell for fuel cell using methanol Single unit for polymer electrolyte fuel cell produced using electrolyte membrane obtained in Example 3-2, Example 1-13 and Comparative Example 3-2 The output performance of the cell was evaluated. A 3M aqueous methanol solution was used as the fuel, and oxygen was used as the oxidant. The test was conducted at a cell temperature of 40 ° C. under the conditions of MeOH: 1.0 ml / min and oxygen: 174 ml / min.

高分子電解質膜としての性能試験の結果
・実施例3−2実施例1−13で作製した電解質膜のリン酸溶出量を表11に、
・実施例3−2、実施例1−13及び比較例3−2で作製した電解質膜の65℃相対湿度30〜90%におけるイオン伝導度を表12に、
・実施例3−2、実施例1−13及び比較例3−2で作製した電解質膜のメタノール透過速度(μmol/cmminに換算)を表13に、
・実施例3−1、実施例1−12及び比較例3−1で作製した電解質膜をそれぞれ用いて作製した固体高分子型燃料電池用単セルの、セル温度65℃及び相対湿度30%での水素を用いた燃料電池発電性能試験の結果を表14及び図7に、
・実施例3−2、実施例1−13及び比較例3−2で作製した膜をそれぞれ用いて作製した固体高分子型燃料電池用単セルの、セル温度40℃での3Mメタノール水溶液を用いた燃料電池発電性能試験の結果を表15及び図8に示す。
なお、評価した燃料電池性能に関しては、1.25A時のセル抵抗を測定し、5A時のMCOを測定した。
As a result of the performance test as a polymer electrolyte membrane- Example 3-2 The phosphate elution amount of the electrolyte membrane produced in Example 1-13 is shown in Table 11.
Table 12 shows the ionic conductivity of the electrolyte membranes prepared in Example 3-2, Example 1-13, and Comparative Example 3-2 at 65 ° C. and 30 to 90% relative humidity.
Table 13 shows the methanol permeation rate (converted to μmol / cm 2 min) of the electrolyte membranes prepared in Example 3-2, Example 1-13, and Comparative Example 3-2.
-A single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced using the electrolyte membrane produced in Example 3-1, Example 1-12 and Comparative Example 3-1, respectively, at a cell temperature of 65 ° C and a relative humidity of 30%. Table 14 and FIG. 7 show the results of the fuel cell power generation performance test using hydrogen of
A 3M methanol aqueous solution at a cell temperature of 40 ° C. of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced using the membrane produced in Example 3-2, Example 1-13 and Comparative Example 3-2, respectively. The results of the fuel cell power generation performance test are shown in Table 15 and FIG.
In addition, regarding the evaluated fuel cell performance, the cell resistance at 1.25 A was measured, and the MCO at 5 A was measured.

表11において、実施例3−2と実施例1−13との対比から、同質量%の金属リン酸塩を複合化した場合、該金属リン酸塩の粒径(静的光散乱により測定したメジアン径)が3.24μmから71nmに小粒径化されることにより、リン酸溶出量が低減することを確認した。金属リン酸塩を小粒径化すると、ブロック共重合体の有するイオン伝導性基部位と接触する面積が増加して複合膜が緻密化し、金属リン酸塩とブロック共重合体のイオン伝導性基との間で水素結合が形成され、それによりリン酸の溶出が抑制されると推定される。   In Table 11, from the comparison between Example 3-2 and Example 1-13, when the same mass% of metal phosphate was combined, the particle size of the metal phosphate (measured by static light scattering) It was confirmed that the elution amount of phosphoric acid was reduced by reducing the median diameter from 3.24 μm to 71 nm. When the particle size of the metal phosphate is reduced, the area in contact with the ion conductive group site of the block copolymer increases, the composite membrane becomes dense, and the ion conductive group of the metal phosphate and the block copolymer is increased. It is presumed that a hydrogen bond is formed between the phosphoric acid and the phosphoric acid.

表12における実施例3−2と実施1−13及び比較例3−2との対比から、金属リン酸塩の使用によるイオン伝導度向上効果は、金属リン酸塩が小粒径化された場合にも、ほぼ同程度に維持されるといえる。   From the comparison between Example 3-2, Example 1-13 and Comparative Example 3-2 in Table 12, the effect of improving the ionic conductivity due to the use of the metal phosphate is obtained when the metal phosphate is reduced in particle size. However, it can be said that the same level is maintained.

表13における実施例3−2と実施1−13及び比較例3−2との対比から、金属リン酸塩が小粒径化されることによりメタノールクロスオーバーが低減することが明らかである。これは、ブロック共重合体のイオン伝導性基と金属リン酸塩との間で水素結合が形成され、複合膜が緻密になったためと推定される。   From the comparison between Example 3-2, Example 1-13, and Comparative Example 3-2 in Table 13, it is clear that methanol crossover is reduced by reducing the particle size of the metal phosphate. This is presumably because a hydrogen bond was formed between the ion conductive group of the block copolymer and the metal phosphate, and the composite membrane became dense.

表14における実施例3−1と実施例1−12及び比較例3−1との対比から、金属リン酸塩の小粒径化により、低湿条件下でのセル抵抗低減効果が増加し、最大出力密度が向上することが明らかである。また、発電試験後の単セルを解体したところ、本発明の態様3の電解質を用いて得られた電解質膜を使用した膜―電極接合体には剥離等が全くみられず、該電解質膜が接合性にも優れていることが明らかとなった。   From the comparison between Example 3-1 and Example 1-12 and Comparative Example 3-1 in Table 14, the effect of reducing cell resistance under low humidity conditions is increased by reducing the particle size of the metal phosphate. It is clear that the power density is improved. Further, when the single cell after the power generation test was disassembled, no peeling or the like was observed in the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane obtained by using the electrolyte of aspect 3 of the present invention. It became clear that the bondability was also excellent.

表15における実施例3−2と実施例1−13及び比較例3−2との対比より、金属リン酸塩の小粒径化により、セル抵抗を同等に維持しつつ、発電中のメタノールクロスオーバー(MCO)が低減され、最大出力密度が向上することが明らかである。MCOの低減は、電解質膜中の金属リン酸塩もプロトン伝導を担うため、従来の高分子電解質膜で水を介したプロトン伝導が起こる際に生じる電気浸透現象を抑制することができ、電気浸透により移動する水に引きずられるメタノールが低減するために得られた効果であると推定される。また、最大出力密度の向上は、MCOが低減したことに加え、上記した電気浸透現象が抑制されたことにより、カソードの酸素拡散阻害、ひいては出力低下をもたらすフラッディング現象が抑制されたことに起因すると推定される。金属リン酸塩の小粒径化により、上記した効果がより一層発現されたため、DMFC発電性能が向上している。また、発電試験後の単セルを解体したところ、本発明の態様3の電解質を用いて得られた電解質膜を使用した膜―電極接合体には剥離等全くみられず、該電解質膜が接合性にも優れていることが明らかとなった。   From the comparison between Example 3-2, Example 1-13 and Comparative Example 3-2 in Table 15, by reducing the particle size of the metal phosphate, the methanol resistance during power generation is maintained while maintaining the same cell resistance. It is clear that over (MCO) is reduced and maximum power density is improved. The reduction in MCO can suppress the electroosmosis phenomenon that occurs when proton conduction through water occurs in the conventional polymer electrolyte membrane because the metal phosphate in the electrolyte membrane is also responsible for proton conduction. It is estimated that this is an effect obtained by reducing the amount of methanol dragged by the moving water. In addition to the reduction in MCO, the increase in the maximum power density is attributed to the suppression of the above-described electroosmosis phenomenon, which suppresses the flooding phenomenon that inhibits the oxygen diffusion of the cathode and consequently reduces the output. Presumed. Since the above-described effects are further manifested by reducing the particle size of the metal phosphate, the DMFC power generation performance is improved. In addition, when the single cell after the power generation test was disassembled, no peeling or the like was observed in the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane obtained by using the electrolyte of aspect 3 of the present invention. It became clear that it was excellent also in the property.

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本発明の態様1の電解質膜の低湿条件下におけるイオン伝導度を示す図である(実施例1−7、1−8及び1−10、並びに比較例1−8、1−9及び1−11)。It is a figure which shows the ionic conductivity in low humidity conditions of the electrolyte membrane of aspect 1 of this invention (Examples 1-7, 1-8, and 1-10, and Comparative Examples 1-8, 1-9, and 1-11) ). 膜−電極接合体がさらされる環境が65℃相対湿度30%となるように調整した水素を燃料として用いた、本発明の態様1の燃料電池用単セルの電流−セル電圧を示す図である(実施例1−7及び1−8、並びに比較例1−8及び1−11)。It is a figure which shows the electric current-cell voltage of the single cell for fuel cells of the aspect 1 of this invention which used hydrogen adjusted so that the environment which a membrane-electrode assembly is exposed to 65 degreeC relative humidity 30% was used as a fuel. (Examples 1-7 and 1-8, and Comparative Examples 1-8 and 1-11). セル温度を40℃とし、3Mメタノール水溶液を燃料として用い、酸素を酸化剤として用いた、本発明の態様1の燃料電池単セルの電流−出力密度を示す図である(実施例1−10及び比較例1−9)。It is a figure which shows the electric current-power density of the fuel cell single cell of the aspect 1 of this invention which used cell temperature as 40 degreeC, used 3M methanol aqueous solution as a fuel, and oxygen as an oxidizing agent (Example 1-10 and Comparative Example 1-9). 本発明の態様1の電解質膜の40℃、相対湿度30〜90%におけるイオン伝導度を示す図である(実施例1−8、実施例1−10、及び比較例1−12〜1−15)。It is a figure which shows the ionic conductivity in 40 degreeC and 30-90% of relative humidity of the electrolyte membrane of aspect 1 of this invention (Example 1-8, Example 1-10, and Comparative Examples 1-12 to 1-15) ).

150℃、無加湿条件におけるイオン伝導度と、本発明の態様2の電解質膜中に含まれる金属リン酸塩質量比(=金属リン酸塩/(ブロック共重合体もしくはPTFE)質量比)との関係を示す図である(実施例2−1〜2−5、及び比較例2−1〜2−5及び2−7)。The ion conductivity in 150 degreeC and non-humidification conditions, and the metal phosphate mass ratio (= metal phosphate / (block copolymer or PTFE) mass ratio) contained in the electrolyte membrane of the aspect 2 of this invention It is a figure which shows a relationship (Examples 2-1 to 2-5, and Comparative Examples 2-1 to 2-5, and 2-7). 150℃、無加湿条件における開回路電圧(OCV)、及び膜抵抗と、本発明の態様2の電解質膜膜厚との関係を示す図である(実施例2−2、及び比較例2−2)。It is a figure which shows the relationship between the open circuit voltage (OCV) in 150 degreeC and non-humidification conditions, and membrane resistance, and the electrolyte membrane film thickness of the aspect 2 of this invention (Example 2-2 and Comparative Example 2-2). ). 膜―電極接合体がさらされる環境が65℃相対湿度30%となるように調整した水素を燃料として用い、酸素を酸化剤として用いた、本発明の態様3の燃料電池用単セルの電流―セル電圧を示す図である(実施例3−1、実施例1−12及び比較例3−1)。Current of the single cell for a fuel cell according to the third aspect of the present invention using hydrogen adjusted as an environment in which the membrane-electrode assembly is exposed to 65 ° C. and a relative humidity of 30%, and oxygen as an oxidant— It is a figure which shows a cell voltage (Example 3-1, Example 1-12, and Comparative Example 3-1). セル温度を40℃とし、3Mメタノール水溶液を燃料として用い、酸素を酸化剤として用いた、本発明の態様3の燃料電池単セルの電流―出力密度を示す図である(実施例3−2、実施例1−13及び比較例3−2)。It is a figure which shows the electric current-power density of the fuel cell single cell of aspect 3 of this invention which used cell temperature as 40 degreeC, 3M methanol aqueous solution as a fuel, and oxygen as an oxidizing agent (Example 3-2, Example 1-13 and Comparative Example 3-2).

Claims (16)

互いに相分離する重合体ブロック(A)及び(B)を構成成分とするブロック共重合体であって、重合体ブロック(A)はイオン伝導性基を有し、重合体ブロック(B)は柔軟相を形成し、イオン伝導性基は実質上重合体ブロック(A)のみに存在するブロック共重合体、及びイオン伝導性を有する金属リン酸塩を含有する組成物からなる電解質。   A block copolymer comprising polymer blocks (A) and (B) that are phase-separated from each other, wherein the polymer block (A) has an ion conductive group and the polymer block (B) is flexible. An electrolyte comprising a composition comprising a block copolymer which forms a phase and the ion conductive group is substantially present only in the polymer block (A), and a metal phosphate having ion conductivity. 該ブロック共重合体/該金属リン酸塩の質量比が99/1〜30/70である請求項1記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1, wherein the mass ratio of the block copolymer / the metal phosphate is 99/1 to 30/70. 該ブロック共重合体/該金属リン酸塩の質量比が80/20〜1/99である請求項1記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1, wherein the mass ratio of the block copolymer / the metal phosphate is 80/20 to 1/99. 該金属リン酸塩の平均粒子径が10nm〜1μmである請求項1記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1, wherein the metal phosphate has an average particle size of 10 nm to 1 μm. 該ブロック共重合体/該金属リン酸塩の質量比が99/1〜30/70である請求項4記載の電解質。   The electrolyte according to claim 4, wherein a mass ratio of the block copolymer / the metal phosphate is 99/1 to 30/70. イオン伝導性を有する金属リン酸塩が、M(ここで、Mは長周期型周期律表第4族及び第14族の元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である)、P及びOを含有する化合物であって、Mの一部がドーピング元素J(ここで、Jは長周期型周期律表第3族、第13族、第5族及び第15族の元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である)で置換されている化合物である請求項1記載の電解質。   A metal phosphate having ionic conductivity is M (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Group 4 and Group 14 elements of the Long Periodic Table), P and A compound containing O, wherein a part of M is a doping element J (where J is a group consisting of elements of Group 3, Group 13, Group 5 and Group 15 of the long-period periodic table) 2. The electrolyte according to claim 1, which is a compound substituted with at least one selected element. イオン伝導性を有する金属リン酸塩が、実質的に式(1)
1−x (1)
(式中、MはSn、 Ti、Si、Ge、Pb、Zr及びHfよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、JはAl及びInから選ばれる少なくとも1種の元素であり、xは0.001〜0.5の数値を表す)で表される請求項1記載の電解質。
A metal phosphate having ionic conductivity is substantially of formula (1)
M 1-x J x P 2 O 7 (1)
(Wherein M is at least one element selected from the group consisting of Sn, Ti, Si, Ge, Pb, Zr and Hf, J is at least one element selected from Al and In, and x Represents an integer of 0.001 to 0.5).
式(1)の組成比、すなわちM:J:P:Oのモル比である(1−x):x:2:7において、P及びOの割合である2及び7がそれぞれ10%以内で増減している請求項7記載の電解質。   In the composition ratio of the formula (1), that is, the molar ratio of M: J: P: O (1-x): x: 2: 7, the ratios of P and O are 2 and 7 within 10%, respectively. The electrolyte according to claim 7, wherein the electrolyte is increased or decreased. 該ブロック共重合体が、ビニル系ブロック共重合体である請求項1記載の電解質。   The electrolyte according to claim 1, wherein the block copolymer is a vinyl block copolymer. 重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系重合体ブロック(Aa)であり、重合体ブロック(B)が柔軟相を形成するビニル系重合体ブロック(Ba)であって、ビニル系重合体ブロック(Ba)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、並びに炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりからなる群から選ばれる少なくとも1種の単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロックである請求項9記載の電解質。   The polymer block (A) is an aromatic vinyl polymer block (Aa), the polymer block (B) is a vinyl polymer block (Ba) forming a flexible phase, and the vinyl polymer block ( Ba) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, a conjugated alkadiene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a conjugate having 5 to 8 carbon atoms. A cycloalkadiene unit, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated, a conjugated alkadiene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a conjugate having 5 to 8 carbon atoms 10. The electrolyte according to claim 9, which is a polymer block having at least one unit selected from the group consisting of cycloalkadiene units as a main repeating unit. 該ブロック共重合体が、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)と異なり、かつ、これらと相分離し、実質的にイオン伝導性基有さない重合体ブロックであって、拘束相として機能する重合体ブロック(C)をさらなる構成成分として含む請求項1記載の電解質。   The block copolymer is a polymer block which is different from the polymer block (A) and the polymer block (B), and phase-separates from these and has substantially no ion conductive group, The electrolyte according to claim 1, comprising a polymer block (C) functioning as a further constituent component. 重合体ブロック(C)が下記一般式(II)
Figure 2010047329
(式中、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表すが、少なくとも1つは炭素数1〜8のアルキル基であり、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位から選ばれる少なくとも1種の単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロックである請求項11記載の電解質。
The polymer block (C) is represented by the following general formula (II)
Figure 2010047329
(In the formula, R 2 to R 4 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, but at least one is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 5 is a hydrogen atom or carbon. 12. The electrolyte according to claim 11, which is a polymer block having a main repeating unit of at least one unit selected from aromatic vinyl compound units represented by formula (1-4).
イオン伝導性基が−SOM、−COOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基である請求項1記載の電解質。Ion-conducting group is -SO 3 M, (wherein, M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) -COOM or -PO 3 HM electrolyte according to claim 1, wherein the group represented by. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の電解質からなる燃料電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for fuel cells which consists of an electrolyte of any one of Claims 1-13. 請求項14記載の電解質膜を使用した膜ー電極接合体。   A membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane according to claim 14. 請求項15記載の膜ー電極接合体を使用した固体高分子型燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 15.
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