JPWO2010067743A1 - Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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Abstract

【課題】高い寸法安定性、及び低湿度下における高いプロトン伝導性(低抵抗)を兼ね備え、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池に用いたとき、低湿度下においても高い出力特性を得ることが可能であり、加えて耐久性、電極との良好な接合性も兼ね備えた電解質膜、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を提供する。【解決手段】複数の高分子電解質膜を積層してなり、該電解質膜の少なくとも1つが1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、少なくとも1つが0.70〜1.60meq/gのイオン交換容量を有し、前記構成電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(I)を含有する電解質積層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を提供する。【選択図】なしThe present invention has high dimensional stability and high proton conductivity (low resistance) under low humidity, and when used in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel, high output characteristics are obtained even under low humidity. In addition, there are provided an electrolyte membrane having durability and good bonding properties with an electrode, and a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane. A plurality of polymer electrolyte membranes are laminated, at least one of the electrolyte membranes has an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g, and at least one of 0.70 to 1.60 meq / g. Contains a block copolymer (I) having an ion exchange capacity, and at least one of the constituent electrolyte membranes comprising a polymer block (A) having an ion conductive group and a flexible polymer block (B) as constituent components Provided are an electrolyte laminated film, a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane. [Selection figure] None

Description

本発明は、電解質積層膜、並びに該電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrolyte laminate film, a membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminate film, and a polymer electrolyte fuel cell.

近年、エネルギー・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、燃料電池技術は、これら新エネルギー技術の柱の1つとして数えられている。特に固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、小型軽量化などの観点から、電気自動車用の駆動電源や携帯機器用の電源、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。また燃料として水素を用いるものは、出力、経済性などの観点から幅広い用途展開が期待されている。   In recent years, fuel cell technology has been counted as one of the pillars of these new energy technologies as a fundamental solution to energy and environmental problems, and as a central energy conversion system in the future hydrogen energy era. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are used for stationary power sources for electric vehicles, portable power devices, and households that use electricity and heat simultaneously from the viewpoint of miniaturization and weight reduction. Application to other power supply devices is under consideration. In addition, those using hydrogen as a fuel are expected to be used in a wide range of applications from the viewpoint of output and economy.

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、プロト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)に燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極)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, a catalyst layer containing carbon powder carrying a white metal catalyst and an ion conductive binder made of a polymer electrolyte is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane having proton 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 fuel gas to one electrode (fuel electrode) and supplying an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode). 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.

これらの固体高分子型燃料電池は、一般的には、定常運転しているのではなく、起動、運転、停止を繰り返し行うものである。運転時、高分子電解質膜は湿潤下にあるものの、停止した際には湿度低下がおきやすい。そのため、低湿度下(乾燥時)と湿潤時の寸法変化や力学特性変化が小さく、また、低湿度下でも高いプロトン伝導性を有する電解質膜が望まれている。   In general, these polymer electrolyte fuel cells are not steadily operated, but are repeatedly activated, operated, and stopped. During operation, the polymer electrolyte membrane is wet, but when it stops, the humidity tends to drop. Therefore, there is a demand for an electrolyte membrane that is small in dimensional change and mechanical property change under low humidity (during drying) and when wet, and that has high proton conductivity even under low humidity.

一般的に、固体高分子型燃料電池用電解質膜としては、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。ナフィオンは低湿度下におけるイオン伝導性に優れるため、初期段階では良好な出力を得ることが可能であるが、乾燥時と湿潤時の寸法変化が大きいため、長期発電試験中には性能が低下しやすい傾向にある。
これら特性を改善するために、α分散温度付近で同時二軸延伸を行う延伸工程、熱処理工程させた膜を積層させた電解質膜が開発されている(特許文献1)。しかしながら、製造工程が煩雑になるだけでなく、乾燥時と湿潤時の寸法変化を十分低減させるには至っていない。加えて、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, Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont), which is a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, is used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell because it is chemically stable. ing. Nafion is excellent in ionic conductivity under low humidity, so it is possible to obtain good output in the initial stage.However, since the dimensional change between dry and wet is large, the performance deteriorates during long-term power generation tests. It tends to be easy.
In order to improve these characteristics, an electrolyte membrane has been developed in which a film subjected to simultaneous biaxial stretching near the α dispersion temperature and a film subjected to a heat treatment process are laminated (Patent Document 1). However, not only the manufacturing process becomes complicated, but also the dimensional change between drying and wetting has not been sufficiently reduced. In addition, since Nafion is a fluorine-based polymer, environmental considerations are necessary during synthesis and disposal, and it is expensive. Therefore, development of new electrolyte membrane is desired

非フッ素系ポリマーをベースとしたイオン伝導性高分子の開発については既にいくつかの取り組みが成されている。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)(特許文献2)が開発されている。低湿度下で良好な出力を得るために、低湿度下でのプロトン伝導性を高くする、即ちイオン交換容量を高くする必要があるが、その場合、パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子と同様、乾燥時と湿潤時の寸法変化が大きくなるため、長期発電試験中には性能が低下しやすい傾向にある。
寸法安定性を改善するために、メタノールを燃料とする燃料電池用の電解質膜として好適なイオン伝導性ブロック共重合体を多価アミンやラジカルによって架橋した電解質膜も検討されている(特許文献3)。しかしながら、これらは架橋部位のラジカル耐性が不十分であることから、水素を燃料とする燃料電池において、信頼性や寿命に欠ける。
一方、イオン交換容量の低い(好ましくは0.7meq/g未満)高分子膜とイオン交換容量の高い(好ましくは0.7meq/g以上)高分子膜を積層した電解質膜も提案されている(特許文献4)。この電解質膜は、寸法安定性やメタノールバリア性に優れているものの、低湿度下でのプロトン伝導性や発電特性に優れる構成については開示されていない。
このように、水素燃料を用いる固体電解質型燃料電池において寸法安定性を低く保ったまま、低湿度下での良好な発電特性を得ることができていないのが現状である。
Several efforts have already been made for the development of ion conductive polymers based on non-fluorine polymers. For example, polyether ether ketone (PEEK) (Patent Document 2), which is a heat-resistant aromatic polymer, has been developed. In order to obtain good output under low humidity, it is necessary to increase proton conductivity under low humidity, that is, to increase the ion exchange capacity. In that case, as with the perfluorocarbon sulfonic acid polymer, Since the dimensional change between time and wet becomes large, the performance tends to decrease during the long-term power generation test.
In order to improve dimensional stability, an electrolyte membrane in which an ion conductive block copolymer suitable as an electrolyte membrane for a fuel cell using methanol as a fuel is cross-linked with a polyvalent amine or a radical has been studied (Patent Document 3). ). However, since these have insufficient radical resistance at the cross-linked sites, they lack reliability and life in fuel cells using hydrogen as a fuel.
On the other hand, an electrolyte membrane is also proposed in which a polymer membrane having a low ion exchange capacity (preferably less than 0.7 meq / g) and a polymer membrane having a high ion exchange capacity (preferably 0.7 meq / g or more) are laminated ( Patent Document 4). Although this electrolyte membrane is excellent in dimensional stability and methanol barrier property, a configuration excellent in proton conductivity and power generation characteristics under low humidity is not disclosed.
As described above, in the solid oxide fuel cell using hydrogen fuel, the current power generation characteristics under low humidity cannot be obtained while keeping the dimensional stability low.

特開2005−108537号公報JP 2005-108537 A 特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特開2007−258003号公報JP 2007-258003 A WO2007/086309号公報WO2007 / 086309

本発明の目的は、高い寸法安定性、及び低湿度下における高いプロトン伝導性(低抵抗)を兼ね備え、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池に用いたとき、低湿度下においても高い出力特性を得ることが可能であり、加えて耐久性、電極との良好な接合性も兼ね備えた電解質膜、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を提供することにある。   The object of the present invention is to combine high dimensional stability and high proton conductivity (low resistance) under low humidity, and when used in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel, high output even under low humidity. To provide an electrolyte membrane capable of obtaining characteristics and also having durability and good bondability with an electrode, and a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane It is in.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、構成電解質膜として少なくとも2つの高分子電解質膜を積層してなる電解質積層膜であって、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、さらに、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが0.70〜1.60meq/gのイオン交換容量を有し、前記構成電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(I)を含有することを特徴とする電解質積層膜を電解質膜として提供すること、またこれを含んでなる膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することで上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention are electrolyte laminated films obtained by laminating at least two polymer electrolyte membranes as constituent electrolyte membranes, and at least one of the polymer electrolyte membranes. One has an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g, and at least one of the polymer electrolyte membranes has an ion exchange capacity of 0.70 to 1.60 meq / g, and at least one of the constituent electrolyte membranes. Provided as an electrolyte membrane an electrolyte laminate film comprising a block copolymer (I) comprising a polymer block (A) having an ion conductive group and a flexible polymer block (B) as constituent components In addition, the inventors have found that the above problems can be solved by providing a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell comprising the same, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、構成電解質膜として少なくとも2つの高分子電解質膜を積層してなる電解質積層膜であって、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、さらに、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが0.70〜1.60meq/gのイオン交換容量を有し、前記構成電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(I)を含有することを特徴とする電解質積層膜に関する。
構成電解質膜が2つである場合には、互いに異なるイオン交換容量を有し、構成電解質膜が3つ以上である場合には、そのうち少なくとも2つが互いに異なるイオン交換容量を有する。
That is, the present invention is an electrolyte laminate film in which at least two polymer electrolyte membranes are laminated as a constituent electrolyte membrane, and at least one of the polymer electrolyte membranes has an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g. Furthermore, at least one of the polymer electrolyte membranes has an ion exchange capacity of 0.70 to 1.60 meq / g, and at least one of the constituent electrolyte membranes has a polymer block (A) having an ion conductive group And a block copolymer (I) containing a flexible polymer block (B) as a constituent component.
When there are two constituent electrolyte membranes, they have different ion exchange capacities, and when there are three or more constituent electrolyte membranes, at least two of them have different ion exchange capacities.

前記電解質積層膜においては、構成電解質膜の少なくとも2つがブロック共重合体(I)を含有する電解質膜であることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、ブロック共重合体(I)を含有する構成電解質膜の少なくとも1つが、1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、さらに、ブロック共重合体(I)を含有する構成電解質膜の少なくとも1つが、0.70〜1.60meq/gのイオン交換容量を有することが好ましい。
前記電解質積層膜は、その構成電解質膜として少なくとも3つの高分子電解質膜を積層してなり、前記電解質積層膜の最外層をなす2つの構成電解質膜が、共に前記1.60meq/gより高いイオン交換容量を有する高分子電解質膜である電解質積層膜であることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロックであることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、重合体ブロック(A)に占める芳香族ビニル系化合物単位の割合が50質量%以上であることが好ましい。
In the electrolyte laminated film, at least two of the constituent electrolyte films are preferably electrolyte films containing the block copolymer (I).
In the electrolyte laminated film, at least one of the constituent electrolyte films containing the block copolymer (I) has an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g, and further contains the block copolymer (I). It is preferable that at least one of the constituent electrolyte membranes has an ion exchange capacity of 0.70 to 1.60 meq / g.
The electrolyte laminate film is formed by laminating at least three polymer electrolyte membranes as constituent electrolyte membranes, and two constituent electrolyte membranes constituting the outermost layer of the electrolyte laminate membrane are ions higher than 1.60 meq / g. An electrolyte laminated film that is a polymer electrolyte film having an exchange capacity is preferable.
In the electrolyte laminated film, the polymer block (A) is preferably a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit.
In the said electrolyte laminated film, it is preferable that the ratio of the aromatic vinyl-type compound unit which occupies for a polymer block (A) is 50 mass% or more.

前記電解質積層膜においては、重合体ブロック(A)が、実質的にイオン伝導性基を有さず拘束相として機能する拘束ブロック(A1)とイオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)からなっていることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、前記重合体ブロック(A)において、拘束ブロック(A1)が、後記一般式(a)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックであり、イオン伝導性ブロック(A2)が後記一般式(b)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックであることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、重合体ブロック(B)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なる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましい。
In the electrolyte laminated film, the polymer block (A) has substantially no ion conductive group and has a constraining block (A1) that functions as a constraining phase and an ion conductive block (A2) having an ion conductive group. It is preferable that it consists of.
In the electrolyte laminated film, in the polymer block (A), the constraining block (A1) is a polymer block having an aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (a) as a main repeating unit. The ion conductive block (A2) is preferably a polymer block having an aromatic vinyl compound unit represented by the following general formula (b) as a main repeating unit.
In the electrolyte laminate film, the polymer block (B) 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, or a carbon number having 4 to 8 carbon atoms. A conjugated alkadiene unit, a conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bond has been hydrogenated, and 4 to 8 carbon atoms. A polymer block composed of at least one repeating unit selected from the group consisting of a conjugated alkadiene unit and a conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms is preferred.

前記電解質積層膜においては、重合体ブロック(A1)と重合体ブロック(A2)との質量比が85:15〜20:80であることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が95:5〜5:95であることが好ましい。
前記電解質積層膜においては、前記イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基であることが好ましい。
本発明は、また、前記電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体に関する。
本発明は、また、前記膜−電極接合体を含んでなる固体高分子型燃料電池に関する。
In the said electrolyte laminated film, it is preferable that mass ratio of a polymer block (A1) and a polymer block (A2) is 85: 15-20: 80.
In the electrolyte laminated film, the mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is preferably 95: 5 to 5:95.
In the electrolyte laminated film, the ion conductive group is preferably a group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). .
The present invention also relates to a membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminate film.
The present invention also relates to a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.

本発明の電解質積層膜において、少なくとも1つの構成電解質膜が含有するブロック共重合体(I)中の重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、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、プロトン等のイオンの通り道となる。また、重合体ブロック(B)の存在により、ブロック共重合体(I)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あたって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。フレキシブルな重合体ブロック(B)はアルケン単位や共役アルカジエン単位などから構成される。
なお、本発明において「ミクロ相分離」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)以下である相分離を意味するものとする。
In the electrolyte laminate film of the present invention, the polymer block (A) and the polymer block (B) in the block copolymer (I) contained in at least one constituent electrolyte membrane cause microphase separation, and the polymer block (A) and polymer block (B) have a property to gather together, and since polymer block (A) has an ion conductive group, an ion channel is formed by the gathering of polymer blocks (A). It becomes a passage for ions such as protons. In addition, the presence of the polymer block (B) makes the block copolymer (I) elastic and flexible as a whole, and the moldability (assembly) is assured in the production of membrane-electrode assemblies and solid polymer fuel cells. , Bondability, tightenability, etc.). The flexible polymer block (B) is composed of an alkene unit or a conjugated alkadiene unit.
In the present invention, “microphase separation” means phase separation in a microscopic sense, and more specifically, means phase separation in which the formed domain size is less than or equal to the wavelength of visible light (3800 to 7800 mm). It shall be.

本発明の電解質積層膜は、高い寸法安定性、及び低湿度下における高いプロトン伝導性(低抵抗)を兼ね備え、該電解質積層膜を電解質膜として含んでなる膜−電極接合体は水素を燃料とする固体高分子型燃料電池に用いることで、低湿度下においても高い出力特性を得ることが可能であり、耐久性、電極との良好な接合性にも優れる。   The electrolyte laminated membrane of the present invention has high dimensional stability and high proton conductivity (low resistance) under low humidity, and the membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminated membrane as an electrolyte membrane uses hydrogen as a fuel. When used in a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to obtain high output characteristics even under low humidity, and excellent durability and good bondability with electrodes.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の電解質積層膜の構成電解質膜である高分子電解質膜の少なくとも1つが含有するブロック共重合体(I)は、その特性を充分発揮するために少なくともこれを含有する高分子電解質膜の50〜100質量%の割合で含有されることが好ましく、70質量%以上で含有されることがより好ましく、90質量%以上で含有されることがより一層好ましい。該高分子電解質膜の他の構成成分としては、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体、共役アルカジエンを主たる繰り返し単位とする重合体及びその水素添加物、アルケンを主たる繰り返し単位とする重合体、(メタ)アクリル酸エステルを主たる繰り返し単位とする重合体、ビニルエステルを主たる繰り返し単位とする重合体、ビニルエーテルを主たる繰り返し単位とする重合体、ポリエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリトリアジンなどの他の高分子材料、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、無機充填剤等の各種添加剤などが挙げられる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The block copolymer (I) contained in at least one of the polymer electrolyte membranes which are constituent electrolyte membranes of the electrolyte laminated membrane of the present invention is at least 50 of the polymer electrolyte membrane containing the block copolymer (I) in order to sufficiently exhibit its characteristics. It is preferable to contain in the ratio of -100 mass%, It is more preferable to contain at 70 mass% or more, It is much more preferable to contain at 90 mass% or more. As other constituents of the polymer electrolyte membrane, a polymer having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit, a polymer having a conjugated alkadiene as a main repeating unit, a hydrogenated product thereof, an alkene as a main repeating unit, , Polymer having (meth) acrylic acid ester as the main repeating unit, polymer having vinyl ester as the main repeating unit, polymer having vinyl ether as the main repeating unit, polyether ketone, polysulfide, polyphosphazene, polyphenylene , Polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyamide, polyimide, polyurea, polysulfone, polysulfonate, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polyphenylquinoxaline, polysiloxane Other polymer materials such as phosphorus and polytriazine, softeners, stabilizers, light stabilizers, antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments, dyes, whitening agents, carbon fibers, inorganic fillers And various other additives.

ブロック共重合体(I)はイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするが、重合体ブロック(A)としては、芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロック、ポリカーボネートブロック、ポリアミドブロック、ポリイミドブロック、ポリ尿素ブロック、ポリスルホンブロック、ポリスルホネートブロック、ポリベンゾオキサゾールブロック、ポリベンゾチアゾールブロック、ポリフェニルキノキサリンブロック、ポリキノリンブロック、ポリトリアジンブロック等が挙げられ、中でも芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロック、ポリエーテルケトンブロック、ポリスルフィドブロック、ポリホスファゼンブロック、ポリフェニレンブロック、ポリベンゾイミダゾールブロック、ポリエーテルスルホンブロック、ポリフェニレンオキシドブロック等が好ましく、合成が容易であるという観点から芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロックがより好ましい。
上記の芳香族ビニル系化合物における芳香環は炭素環式芳香環であるのが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環等が挙げられる。これら芳香族ビニル系化合物の具体例として、α−炭素が3級炭素である場合には、スチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−n−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−n−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−t−ブチルスチレン、4−n−オクチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,5−ジメチルスチレン、3,5−ジメチルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、2−メトキシスチレン、3−メトキシスチレン、4−メトキシスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンなどの芳香族ビニル系化合物が挙げられる。
また、α−炭素が4級炭素である場合には、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基もしくはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物等を挙げることができ、具体的には、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン、α−メチル−4−t−ブチルスチレン、1,1−ジフェニルエチレン等が挙げられる。 これらは各単独で又は2種以上組み合わせて使用できるが、中でもスチレン、α−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレンが好ましい。これらの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。
The block copolymer (I) comprises an ion conductive group-containing polymer block (A) and a flexible polymer block (B) as constituent components. As the polymer block (A), an aromatic vinyl compound is used. Polymer block whose unit is the main repeating unit, polyether ketone block, polysulfide block, polyphosphazene block, polyphenylene block, polybenzimidazole block, polyethersulfone block, polyphenylene oxide block, polycarbonate block, polyamide block, polyimide block, poly Urea block, polysulfone block, polysulfonate block, polybenzoxazole block, polybenzothiazole block, polyphenylquinoxaline block, polyquinoline block, Litriazine block, etc., among them, polymer block mainly comprising aromatic vinyl compound unit, polyetherketone block, polysulfide block, polyphosphazene block, polyphenylene block, polybenzimidazole block, polyethersulfone block, A polyphenylene oxide block or the like is preferable, and a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit is more preferable from the viewpoint of easy synthesis.
The aromatic ring in the aromatic vinyl compound is preferably a carbocyclic aromatic ring, and examples thereof include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, and a pyrene ring. As specific examples of these aromatic vinyl compounds, when α-carbon is tertiary carbon, styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, 4-isopropylstyrene 4-n-propylstyrene, 4-isopropylstyrene, 4-n-butylstyrene, 4-isobutylstyrene, 4-t-butylstyrene, 4-n-octylstyrene, 2,4-dimethylstyrene, 2,5- Aromatic vinyl compounds such as dimethyl styrene, 3,5-dimethyl styrene, 2,4,6-trimethyl styrene, 2-methoxy styrene, 3-methoxy styrene, 4-methoxy styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene and the like can be mentioned.
Further, when the α-carbon is a quaternary carbon, a hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n- Substituted with a butyl group, isobutyl group, sec-butyl group or tert-butyl group), a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or a phenyl group. Specific examples include aromatic vinyl compounds, such as α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-4-ethylstyrene, α-methyl-4-t-butylstyrene. 1,1-diphenylethylene and the like. These can be used singly or in combination of two or more. Among them, styrene, α-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α-methyl-2-methylstyrene Is preferred. The form in the case of copolymerizing two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で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。かかる他の単量体としては、例えば、炭素数4〜8の共役アルカジエン(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)、炭素数2〜8のアルケン(エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。上記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 polymer block (A) may contain one or more other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include conjugated alkadienes 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-butadiene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene, etc.), alkenes having 2 to 8 carbon atoms (ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1-octene, 2-octene, etc.), (meth) acrylic acid ester (Methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate) Le, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The form of copolymerization with the other monomer must be random copolymerization.

重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位である場合には、重合体ブロック(B)とのミクロ相分離がより起こり易くなり、その結果イオン伝導性を高めることができる。この場合、芳香族ビニル系化合物単位は、最終的に得られる高分子電解質積層膜に十分なイオン伝導性を付与するために、重合体ブロック(A)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。   When the polymer block (A) is a repeating unit mainly composed of an aromatic vinyl compound unit, microphase separation from the polymer block (B) is more likely to occur, and as a result, ion conductivity can be increased. . In this case, the aromatic vinyl compound unit preferably occupies 50% by mass or more of the polymer block (A) in order to impart sufficient ion conductivity to the finally obtained polymer electrolyte laminate film, It is more preferable to occupy 70% by mass or more, and even more preferable to occupy 90% by mass or more.

各重合体ブロック(A)の分子量は、電解質積層膜の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択することができる。分子量が大きい場合、電解質積層膜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(I)の成形、製膜が困難になり、分子量が小さい場合、ミクロ相分離構造、しいては、イオンチャンネルを形成しにくくなるため、イオン伝導性を示さなくなる傾向にあり、また力学特性が低くなる傾向にあることから、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。各重合体ブロック(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、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、1,000〜1,000,000の範囲から選択されるのが好ましく、2,000〜250,000の範囲から選択されるのがより好ましく、3,000〜100,000の範囲から選択されるのがより一層好ましい。     The molecular weight of each polymer block (A) can be appropriately selected depending on the properties of the electrolyte laminated film, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties of the electrolyte laminate film tend to be high. However, when the molecular weight is too large, it becomes difficult to form and form the block copolymer (I). In this case, it is difficult to form an ion channel, and thus there is a tendency that ion conductivity is not exhibited, and mechanical characteristics tend to be low. Therefore, it is important to appropriately select a molecular weight according to required performance. The molecular weight of each polymer block (A) in the state where the ion conductive group is not introduced is usually selected from the range of 1,000 to 1,000,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene. Preferably, it is selected from the range of 2,000-250,000, and more preferably selected from the range of 3,000-100,000.

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)の変化などが更に小さくなる傾向にある。   The polymer block (A) may be crosslinked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. By introducing cross-linking, the ion channel phase formed by the polymer block (A) is less likely to swell, and the change in mechanical properties (such as tensile properties) between drying and wetting tends to be further reduced.

本発明で用いることのできるイオン伝導性基としては特に限定はなく、イオン伝導性を有する通常極性の官能基を用いることができ、アニオン及び/又はカチオンとの親和性が高いもの、特に官能基の一部がイオンとして解離しやすいものが好適であり、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基、4級アンモニウム塩、ピリジンの4級塩のなどが挙げられる。特にプロトン性官能基又は該プロトン性官能基のプロトンを他のイオンと交換した塩はプロトン伝導性に優れ、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基並びにそれらの塩などが挙げられる。イオン伝導性、導入しやすさ、価格などの観点からスルホン酸基及びホスホン酸基並びにそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基の種類や濃度を適宜選択することでイオン交換容量を調節することができる。   The ion conductive group that can be used in the present invention is not particularly limited, and a normal polar functional group having ion conductivity can be used, and those having a high affinity with anions and / or cations, particularly functional groups. Those which are easily dissociated as ions are preferred, and examples thereof include sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxylic acid groups, quaternary ammonium salts, and quaternary salts of pyridine. In particular, a salt obtained by exchanging a protonic functional group or a proton of the protonic functional group with another ion is excellent in proton conductivity, and examples thereof include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group, and salts thereof. From the viewpoints of ion conductivity, ease of introduction, cost, etc., sulfonic acid groups and phosphonic acid groups and their salts are preferably used. The ion exchange capacity can be adjusted by appropriately selecting the type and concentration of the ion conductive group.

また、重合体ブロック(A)は、実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)とイオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)からなっていてもよい。重合体ブロック(A1)と重合体ブロック(A2)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A1)同士と重合体ブロック(A2)同士とがそれぞれ集合する性質がある。重合体ブロック(A1)は、発電する雰囲気下で、拘束機能を発現する必要があることから、該重合体ブロックは、ホモポリマーとなった場合に、そのガラス転移点あるいは軟化点が40℃以上、好ましくは70℃以上、より好ましくは80℃以上の拘束ブロックである。重合体ブロック(A2)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A2)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。ここで、拘束ブロック(A1)、イオン伝導性ブロック(A2)を構成する単量体単位としては前記重合体ブロック(A)を構成できる単量体単位から選択できる。   Further, the polymer block (A) may be composed of a constraining block (A1) having substantially no ion conductive group and an ion conductive block (A2) having an ion conductive group. The polymer block (A1) and the polymer block (A2) have a property of causing microphase separation, and the polymer blocks (A1) and the polymer blocks (A2) are aggregated. Since the polymer block (A1) needs to exhibit a restraining function in an atmosphere where power is generated, the polymer block has a glass transition point or softening point of 40 ° C. or higher when it becomes a homopolymer. The constraint block is preferably 70 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher. Since the polymer block (A2) has an ion conductive group, an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A2) and becomes a passage for protons. Here, the monomer unit constituting the constraining block (A1) and the ion conductive block (A2) can be selected from monomer units that can constitute the polymer block (A).

拘束ブロック(A1)とイオン伝導性ブロック(A2)との比率に特に限定はないが、イオン伝導性基を導入する前の単量体単位の比率として、85:15〜0:100であることが好ましく、それぞれのブロックの特性を充分引き出すことができる点では、85:15〜20:80であることがより好ましく、80:20〜20:80であることがより一層好ましく、ブロック共重合体(I)が低分子量(例えば50,000以下)であり、すなわち成形性、製膜性などに優れる構成においてもそれぞれのブロックの特性を充分引き出すことができる点では、75:25〜25:75が最も好ましい。   The ratio of the constraining block (A1) and the ion conductive block (A2) is not particularly limited, but the ratio of the monomer units before introducing the ion conductive group is 85:15 to 0: 100. Is preferable, and is preferably 85:15 to 20:80, more preferably 80:20 to 20:80, from the viewpoint that the characteristics of each block can be sufficiently extracted. 75:25 to 25:75 in that (I) has a low molecular weight (for example, 50,000 or less), that is, the characteristics of each block can be sufficiently extracted even in a configuration excellent in moldability, film forming property, and the like. Is most preferred.

実質的にイオン伝導性基を有さない拘束ブロック(A1)は、下記一般式(a)   The restraint block (A1) having substantially no ion conductive group is represented by the following general formula (a).

Figure 2010067743
Figure 2010067743

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立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のアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから構成される。(Wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, at least one of which is carbon It represents a polymer block having an aromatic vinyl compound unit represented by the formula (1 to 8) as a main repeating unit.

一般式(a)において、Rで表される炭素数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、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。R〜Rで表される炭素数1〜8のアルキル基は、それぞれ独立に、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、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、ヘキシル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基などが挙げられる。一般式(a)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、これらは1種または2種以上組み合わせて用いてもよい。これら2種以上を重合(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。In the general formula (a), the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms represented by R 1 may be linear or branched, and is methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, sec-butyl. Group, isobutyl group, tert-butyl group and the like. The alkyl group having 1 to 8 carbon atoms represented by R 2 to R 4 may be independently linear or branched, and is methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, sec-butyl. Group, isobutyl group, tert-butyl group, pentyl group, isopentyl group, neopentyl group, tert-pentyl group, hexyl group, 1-methylpentyl group, heptyl group, octyl group and the like. Preferable specific examples of the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (a) include p-methylstyrene unit, 4-tert-butylstyrene unit, p-methyl-α-methylstyrene unit, 4-tert. -Butyl- (alpha) -methylstyrene unit etc. are mentioned, These may be used 1 type or in combination of 2 or more types. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more of these may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A1)は、拘束相としての機能を妨げない範囲内で、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、炭素数2〜8のアルケン、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエステル、ビニルエーテル等が挙げられる。これらの具体例は前述の重合体ブロック(A)の説明におけると同様である。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。
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(A1)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。
The polymer block (A1) may contain one or more other monomer units in addition to the aromatic vinyl compound unit as long as the function as a constraining phase is not hindered. Examples of the monomer that gives such other monomer unit include conjugated alkadienes having 4 to 8 carbon atoms, alkenes having 2 to 8 carbon atoms, (meth) acrylic acid esters, vinyl esters, vinyl ethers, and the like. Specific examples thereof are the same as in the description of the polymer block (A) described above. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.
From the viewpoint of fulfilling the function as a constrained phase, the above-mentioned aromatic vinyl compound unit preferably accounts for 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass of the polymer block (A1). It is even more preferable to occupy% or more.

各重合体ブロック(A1)の分子量は、本発明における高分子電解質膜を構成する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(I)の成形、製膜が困難になり、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。該分子量はポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、800〜500,000の範囲から選択されるのが好ましく、2000〜150,000の範囲から選択されるのがより好ましく、3000〜50,000の範囲から選択されるのがより一層好ましい。   The molecular weight of each polymer block (A1) is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane in the present invention, the 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. However, when the molecular weight is too large, it is difficult to form and form the block copolymer (I), and when the molecular weight is small, the mechanical properties tend to be low. Therefore, it is important to appropriately select the molecular weight according to the required performance. The molecular weight is usually preferably selected from the range of 800 to 500,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene, more preferably selected from the range of 2000 to 150,000, and preferably 3000 to 50,000. Even more preferably, it is selected from a range.

また、イオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)は下記の一般式(b)   The ion conductive block (A2) having an ion conductive group is represented by the following general formula (b).

Figure 2010067743
Figure 2010067743

(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)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックから構成できる。(In the formula, Ar 1 represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have 1 to 3 substituents, and R 5 represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or 1 to 3). It represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have one substituent) and a polymer block having a main repeating unit.

一般式(b)におけるArで表される炭素数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、ピレニル基等が挙げられ、フェニル基及びナフチル基が好ましく、フェニル基がより好ましい。このアリール基の芳香環に直接結合し得る任意的な1〜3個の置換基としては、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、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基等)などが挙げられる。一般式(b)におけるRで表される炭素数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、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。R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、ピレニル基等が挙げられ、このアリール基の芳香環に直接結合し得る任意的な1〜3個の置換基としては、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、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基等)などが挙げられる。
一般式(b)で表される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。
一般式(b)で表される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。
Examples of the aryl group having 6 to 14 carbon atoms represented by Ar 1 in the general formula (b) include a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthryl group, an anthryl group, an indenyl group, a biphenylyl group, and a pyrenyl group. And a naphthyl group is preferable, and a phenyl group is more preferable. The optional 1 to 3 substituents that can be directly bonded to the aromatic ring of the aryl group are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group, propyl group). Group, isopropyl group, butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, etc.). The alkyl group having 1 to 4 carbon atoms represented by R 5 in the general formula (b) may be linear or branched, and is methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, sec-butyl group. , Isobutyl group, tert-butyl group and the like. Examples of the aryl group having 6 to 14 carbon atoms that may have 1 to 3 substituents in R 5 include a phenyl group, a naphthyl group, a phenanthryl group, an anthryl group, an indenyl group, a biphenylyl group, and a pyrenyl group. The optional 1 to 3 substituents that can be directly bonded to the aromatic ring of the aryl group are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, ethyl group). Group, propyl group, isopropyl group, butyl group, sec-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, etc.).
Specific examples of the aromatic vinyl compound that gives the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (b) include styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl phenanthrene, vinyl biphenyl, α-methyl styrene, 1-methyl. Examples include -1-naphthylethylene and 1-methyl-1-biphenylylethylene, and styrene and α-methylstyrene are particularly preferable.
The aromatic vinyl compound that gives the aromatic vinyl compound unit represented by the general formula (b) 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(A2)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、炭素数2〜8のアルケン、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエステル、ビニルエーテル等が挙げられる。これらの具体例は前述の重合体ブロック(A)の説明におけると同様である。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。
重合体ブロック(A2)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 polymer block (A2) may contain one or more other monomer units in addition to the aromatic vinyl compound unit within a range not impairing the effects of the present invention. Examples of the monomer that gives such other monomer unit include conjugated alkadienes having 4 to 8 carbon atoms, alkenes having 2 to 8 carbon atoms, (meth) acrylic acid esters, vinyl esters, vinyl ethers, and the like. Specific examples thereof are the same as in the description of the polymer block (A) described above. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.
The proportion of the aromatic vinyl compound unit contained in the polymer block (A2) is preferably 50 mol% or more, more preferably 60 mol% or more from the viewpoint of imparting sufficient ion conductivity, It is still more preferable that it is 80 mol% or more.

各重合体ブロック(A2)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、500〜500,000の範囲から選択されるのが好ましく、1000〜100,000の範囲から選択されるのがより好ましく、2000〜50,000の範囲から選択されるのがより一層好ましい。   The molecular weight of each polymer block (A2) 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 in terms of polystyrene The molecular weight is usually preferably selected from the range of 500 to 500,000, more preferably selected from the range of 1000 to 100,000, and more preferably selected from the range of 2000 to 50,000. Even more preferred.

また、重合体ブロック(A2)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せてもよい。架橋を導入することにより、乾燥時と湿潤時の寸法や力学特性(引張特性)の変化が更に小さくなる傾向にある。   The polymer block (A2) may be crosslinked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. By introducing cross-linking, changes in dimensions and mechanical properties (tensile properties) between drying and wetting tend to be further reduced.

本発明の高分子電解質積層膜で使用するブロック共重合体(I)は、重合体ブロック(A)以外に、フレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とする。重合体ブロック(B)は柔軟相を形成する。重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、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、プロトンの通り道となる。かかる重合体ブロック(B)を有することによってブロック共重合体(I)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)等が改善される。ここでいうフレキシブルな重合体ブロック(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。   The block copolymer (I) used in the polymer electrolyte laminate film of the present invention comprises a flexible polymer block (B) as a constituent component in addition to the polymer block (A). The polymer block (B) forms a flexible phase. The polymer block (A) and the polymer block (B) undergo a microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) have a property of gathering together, and the polymer block (A ) Has an ion conductive group, so that an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons. By having such a polymer block (B), the block copolymer (I) 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 flexible 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.

フレキシブルな重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位を構成することができる単量体としては炭素数2〜8のアルケン、炭素数5〜8のシクロアルケン、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素数4〜8の共役アルカジエン及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数4〜8の共役アルカジエン、炭素−炭素二重結合の1つが水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、(メタ)アクリル酸エステル、ビニルエステル類、ビニルエーテル類等が挙げられ、これらは各単独で又は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、共役アルカジエンの場合には1,2−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−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。   Monomers that can constitute the repeating unit constituting the flexible polymer block (B) include alkenes having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkenes having 5 to 8 carbon atoms, and vinylcycloalkenes having 7 to 10 carbon atoms. A conjugated alkadiene having 4 to 8 carbon atoms and a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms in which one of the carbon-carbon double bonds is hydrogenated, and a carbon-carbon double bond 4 to 8 conjugated alkadienes in which one of them is hydrogenated, conjugated cycloalkadienes having 5 to 8 carbon atoms in which one of the carbon-carbon double bonds is hydrogenated, (meth) acrylic acid esters, vinyl esters Vinyl ethers and the like, and these 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 in the case of conjugated alkadiene, it is a 1,2-bond. 1,4-bonds may be used, and the ratio of 1,2-bonds to 1,4-bonds is not particularly limited as long as the glass transition point or softening point is 50 ° C. or lower.

重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、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炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明の高分子電解質積層膜を用いた膜−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。When the repeating unit constituting the polymer block (B) has a carbon-carbon double bond as in the case of a vinylcycloalkene unit, a conjugated alkadiene unit or a conjugated cycloalkadiene unit, the present invention From the standpoint of improving the power generation performance and heat deterioration resistance of the membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte laminate film, it is preferable that 30 mol% or more of such carbon-carbon double bonds are hydrogenated. More preferably, 50 mol% or more is hydrogenated, and more preferably 80 mol% or more is hydrogenated. 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.

重合体ブロック(B)は、得られるブロック共重合体(I)に、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、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−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4〜8の共役アルカジエン単位、及び炭素−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種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位、及び炭素−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種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数2〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位、及び炭素−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種の繰返し単位からな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であり、共役アルカジエン単位として最も好ましいのは1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。   The polymer block (B) has 2 to 2 carbon atoms from the viewpoint of giving the resulting block copolymer (I) elasticity and, in turn, good moldability in the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell. 8 alkene units, 5 to 8 carbon cycloalkene units, 7 to 10 vinyl cycloalkene units, 4 to 8 conjugated alkadiene units, 5 to 8 conjugated cycloalkadiene units, carbon- 7-10 carbon vinylcycloalkene units in which some or all of the carbon double bonds have been hydrogenated, 4 to 8 carbon conjugated alkadiene units in which some or all of the carbon-carbon double bonds have been hydrogenated And a polymer comprising at least one repeating unit selected from conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated. Preferably, it is a rock, a alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a conjugated alkadiene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a conjugate having 4 to 8 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated. More preferably, it is a polymer block composed of at least one repeating unit selected from alkadiene units, and is an alkene unit having 2 to 6 carbon atoms, a conjugated alkadiene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a carbon-carbon double bond. It is even more preferable that the polymer block is composed of at least one repeating unit selected from conjugated alkadiene units having 4 to 8 carbon atoms partially or wholly hydrogenated. In the above, the most preferable alkene unit is an isobutene unit, and the most preferable conjugated alkadiene unit is a 1,3-butadiene unit and / or an isoprene unit.

上記で炭素数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。   As the alkene having 2 to 8 carbon atoms, ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1 -Octene, 2-octene and the like, and cyclopentene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene and cyclooctene, and vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms as vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, Examples thereof include vinylcycloheptene and vinylcyclooctene. Examples of the conjugated alkadiene having 4 to 8 carbon atoms include 1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2 , 3-Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1, -Butadiene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene and the like are mentioned, and examples of the conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentadiene and 1,3-cyclohexadiene. .

また、重合体ブロック(B)は、上記単量体以外に、ブロック共重合体(I)に弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損わない範囲で他の単量体、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル系化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物等を含んでいてもよい。この場合上記単量体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、上記単量体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。   In addition to the above monomers, the polymer block (B) may contain other monomers as long as the purpose of the polymer block (B) to give elasticity to the block copolymer (I) is not impaired. For example, it may contain aromatic vinyl compounds such as styrene and vinyl naphthalene; halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride. In this case, the copolymerization form of the monomer and other monomer needs to be random copolymerization. The amount of such other monomer used is preferably less than 50% by weight, more preferably less than 30% by weight, based on the total of the above monomers and other monomers. It is still more preferable that it is less than mass%.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とするブロック共重合体(I)の構造は特に限定されないが、重合体ブロック(A)は複数あることが望ましく、重合体ブロック(B)の少なくとも1つの両端は、ブロック共重合体(I)の末端でないことが望ましい。例としてA−B−A型トリブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体とA−B型ジブロック共重合体との混合物、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)、(B−A)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)等が挙げられる。これらのブロック共重合体(I)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。   The structure of the block copolymer (I) having the polymer block (A) and the polymer block (B) as constituent components is not particularly limited, but it is desirable that there are a plurality of polymer blocks (A). It is desirable that at least one end of (B) is not a terminal of the block copolymer (I). Examples include an ABA type triblock copolymer, an ABBA type triblock copolymer and an AB type diblock copolymer, an ABBA type tetrablock copolymer. Polymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (A-B) nX-type star copolymer (X is And (BA) nX type star copolymer (X represents a coupling agent residue). These block copolymers (I) may be used alone or in combination of two or more.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は95:5〜5:95であるのが好ましく、90:10〜10:90であるのがより好ましく、65:35〜10:90であるのがより一層好ましい。この質量比が95:5〜5:95である場合には、ミクロ相分離により重合体ブロック(A)の形成するイオンチャンネルがシリンダー状ないし連続相となるのに有利であって、実用上十分なイオン伝導性が発現し、また疎水性である重合体ブロック(B)の割合が適切となって優れた耐水性が発現する。   The mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is preferably 95: 5 to 5:95, more preferably 90:10 to 10:90, and 65:35 to 10 : 90 is even more preferable. When this mass ratio is 95: 5 to 5:95, it is advantageous for the ion channel formed by the polymer block (A) to become a cylindrical or continuous phase by microphase separation, which is practically sufficient. Excellent ionic conductivity is exhibited, and the ratio of the polymer block (B) that is hydrophobic is appropriate, and excellent water resistance is exhibited.

本発明で用いるブロック共重合体(I)が重合体ブロック(A1)、重合体ブロック(A2)及び重合体ブロック(B)から構成される場合、該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A2−B−A2型トリブロック共重合体、A2−B−A1−A2テトラブロック共重合体、B−A2−B−A1テトラブロック共重合体、A2−B−A1−Bテトラブロック共重合体、A1−B−A1−A2テトラブロック共重合体、A2−B−A2−A1テトラブロック共重合体、A2−A1−B−A1−A2ペンタブロック共重合体、A1−A2−B−A2−A1ペンタブロック共重合体、A2−A1−B−A2−A1ペンタブロック共重合体、A1−B−A2−B−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A1−A2−Bペンタブロック共重合体、A2−B−A1−A2−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A1−B−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A2−B−A1ペンタブロック共重合体、A2−B−A2−A1−Bペンタブロック共重合体、B−A2−B−A2−A1ペンタブロック共重合体、B−A2−B−A1−A2ペンタブロック共重合体、B−A2−B−A1−Bペンタブロック共重合体、A1−A2−A1−B−A1ペンタブロック共重合体等が挙げられる。   When the block copolymer (I) used in the present invention is composed of the polymer block (A1), the polymer block (A2) and the polymer block (B), the structure of the block copolymer is not particularly limited. As examples, A2-B-A2-type triblock copolymer, A2-B-A1-A2 tetrablock copolymer, B-A2-B-A1 tetrablock copolymer, A2-B-A1-B tetra Block copolymer, A1-B-A1-A2 tetrablock copolymer, A2-B-A2-A1 tetrablock copolymer, A2-A1-B-A1-A2 pentablock copolymer, A1-A2- B-A2-A1 pentablock copolymer, A2-A1-B-A2-A1 pentablock copolymer, A1-B-A2-B-A1 pentablock copolymer, A2-B-A1-A2-B Penta Lock copolymer, A2-B-A1-A2-A1 pentablock copolymer, A2-B-A1-B-A1 pentablock copolymer, A2-B-A2-B-A1 pentablock copolymer, A2-B-A2-A1-B pentablock copolymer, B-A2-B-A2-A1 pentablock copolymer, B-A2-B-A1-A2 pentablock copolymer, B-A2-B -A1-B pentablock copolymer, A1-A2-A1-B-A1 pentablock copolymer, etc. are mentioned.

本発明で使用するブロック共重合体(I)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 (I) 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.

本発明で用いるブロック共重合体(I)の数平均分子量は特に制限されないが、イオン伝導性基が導入されていない状態でのポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜1,000,000が好ましく、15,000〜700,000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 (I) used in the present invention is not particularly limited, but is usually 10,000 to 1,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene in a state where no ion conductive group is introduced. 15,000 is preferable, 15,000 to 700,000 is more preferable, and 20,000 to 500,000 is even more preferable.

本発明の高分子電解質積層膜を構成するブロック共重合体(I)は重合体ブロック(A)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、該高分子電解質積層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)にするのはブロック共重合体全体の耐ラジカル性を向上させるのに特に有効であるためである。The block copolymer (I) constituting the polymer electrolyte laminate film of 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 laminate film can express sufficient ionic conductivity, but 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 the polymer block (A) because it is particularly effective for improving the radical resistance of the entire block copolymer.

イオン伝導性基の重合体ブロック(A)中への導入位置については特に制限はないが、重合体ブロック(A)が繰返し単位中に芳香環を含む場合は、イオンチャンネル形成を容易にする観点から、該芳香環に導入するのが好ましい。   The introduction position of the ion conductive group into the polymer block (A) is not particularly limited, but when the polymer block (A) contains an aromatic ring in the repeating unit, the viewpoint of facilitating ion channel formation. Therefore, it is preferably introduced into the aromatic ring.

イオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体(I)の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用の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、通常、ブロック共重合体(I)のイオン交換容量が0.70meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.80meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体(I)の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耐水性が不十分になる傾向となるので、4.0meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of ion-conducting group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the resulting block copolymer (I), etc., but has sufficient ion conductivity to be used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. In order to express, it is usually preferable that the ion exchange capacity of the block copolymer (I) is 0.70 meq / g or more, and 0.80 meq / g or more. It is more preferable. The upper limit of the ion exchange capacity of the block copolymer (I) is 4.0 meq / g or less because if the ion exchange capacity becomes too large, the hydrophilicity tends to increase and the water resistance becomes insufficient. preferable.

本発明で用いられるブロック共重合体(I)の製造法に関しては、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、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が好ましい。   The production method of the block copolymer (I) used in the present invention is not particularly limited, and a known method can be used, but after producing a block copolymer having no ion conductive group, A method of bonding an ion conductive group is preferable.

重合体ブロック(A)又は(B)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)又は(B)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、アニオン重合法、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、フレキシブルな成分からなる重合体ブロック(B)と重合体ブロック(A)と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、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。   Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, Although it is appropriately selected from coordination polymerization method and the like, radical polymerization method, anionic polymerization method and cationic polymerization method are preferably selected from the viewpoint of industrial ease. In particular, the so-called living polymerization method is preferable from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding between the polymer block (B) and the polymer block (A) made of flexible components, and specifically living A radical polymerization method, a living anion polymerization method, and a living cation polymerization method are preferred.

製造法の具体例として、ポリ(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)と重合体ブロック(B)との結合の容易さ等からリビングアニ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。
(1)テトラヒドロフラン溶媒中でジアニオン系開始剤を用いて共役アルカジエン重合後に、―78℃の温度条件下でα−メチルスチレンを逐次重合させA−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1969),2(5),453−458)、
(2)α−メチルスチレンをアニオン系開始剤を用いてバルク重合を行った後に、共役アルカジエンを逐次重合させ、その後テトラクロロシラン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、(A−B)nX型ブロック共重合体を得る方法(Kautsch.Gummi,Kunstst.,(1984),37(5),377−379; Polym.Bull.,(1984),12,71−77)、
As a specific example of the production method, a production method of a block copolymer comprising a polymer block (A) composed of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) composed of a conjugated alkadiene will be described. In this case, it is preferable to produce by a living anionic polymerization method from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding between the polymer block (A) and the polymer block (B), and the following specific examples A typical synthesis example is shown.
(1) A method of obtaining an ABA block copolymer by sequentially polymerizing α-methylstyrene under a temperature condition of −78 ° C. after conjugated alkadiene polymerization using a dianionic initiator in a tetrahydrofuran solvent (Macromolecules , (1969), 2 (5), 453-458),
(2) α-methylstyrene is subjected to bulk polymerization using an anionic initiator, then conjugated alkadiene is sequentially polymerized, and then a coupling reaction is performed with a coupling agent such as tetrachlorosilane, and (AB) nX Method for obtaining a type block copolymer (Kautsch. Gummi, Kunstst., (1984), 37 (5), 377-379; Polym. Bull., (1984), 12, 71-77),

(3)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を重合させた後、カップリング剤を添加して、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
(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(重合体ブロック(A2)を構成する単量体)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を重合させ、得られるα−メチルスチレン重合体ブロックと共役アルカジエン重合体ブロックからなるブロック共重合体のリビングポリマーに重合体ブロック(A1)を構成する単量体を重合させてA2−B−A1型ブロック共重合体を得る方法。
(3) An organic lithium compound in a nonpolar solvent is used as an initiator, and 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. A polymer obtained by polymerizing α-methylstyrene, conjugated alkadiene to the resulting living polymer, and then adding a coupling agent to obtain an ABA block copolymer.
(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 (a monomer constituting the polymer block (A2)) is polymerized, and the resulting living polymer is polymerized with a conjugated alkadiene. From the resulting α-methylstyrene polymer block and the conjugated alkadiene polymer block, A method for obtaining an A2-B-A1 type block copolymer by polymerizing a monomer constituting the polymer block (A1) to a living block copolymer.

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(A1)、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(A2)及び共役アルカジエンからなる重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体あるいはグラフト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(A1)、(B)及び(A2)の結合の容易さ等からリビングアニオン重合法が好ましく、次のような具体的な合成例が示される。
(5)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A1−B−A2型ブロック共重合体を得る方法、(6)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A1−A2−B−A2−A1型ブロック共重合体を得る方法、
Specific examples of the production method include a polymer block (A1) having an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene as a main repeating unit, a polymer block (A2) comprising styrene or α-methylstyrene, and a conjugated alkadiene. A method for producing a block copolymer or graft copolymer having a polymer block (B) comprising the above as a constituent component will be described. In this case, the living anion polymerization method is preferable from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding of the polymer blocks (A1), (B) and (A2), and the following specific synthesis examples Is shown.
(5) 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. (6) Aromatic compounds such as 4-tert-butylstyrene using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent at a temperature of 10 to 100 ° C. A method in which a vinyl compound is polymerized and then styrene and conjugated alkadiene are sequentially polymerized, and then a coupling agent such as phenyl benzoate is added to obtain an A1-A2-B-A2-A1 type block copolymer,

(7)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A1−B−A1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、A1−B(−g−A2)−A1型ブロック・グラフト共重合体を得る方法、
(8)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てA2−B−A1型ブロック共重合体、及び同様の手法で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、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てA2−A1−B−A1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。
(7) Using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent, under a temperature condition of 10 to 100 ° C., an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene, a conjugated alkadiene, 4-tert-butylstyrene, etc. A1-B-A1 type block copolymer is prepared by sequential polymerization of aromatic vinyl compounds and an anionic polymerization initiator system (anionic polymerization initiator / N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine) is added. And then lithiating the conjugated alkadiene unit and then polymerizing styrene to obtain an A1-B (-g-A2) -A1 type block / graft copolymer,
(8) 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 or 4-tert-butylstyrene to produce an A2-B-A1 type block copolymer, and a similar technique Α-methylstyrene is polymerized in step A2, and the resulting living polymer is sequentially polymerized with an aromatic vinyl compound such as 4-tert-butylstyrene, an aromatic vinyl compound such as conjugated alkadiene, 4-tert-butylstyrene, and the like. A method of obtaining a -A1-B-A1 type block copolymer can be employed / applied.

このようにして製造されたブロック共重合体は、重合体ブロック(B)を構成する炭素数4〜8の共役アルカジエン単位の二重結合の水素添加反応に供される。該水素添加反応の方法としては、アニオン重合等で得られたブロック共重合体の溶液を耐圧容器に仕込み、Ni/Al系等のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において水素添加反応を行う方法を例示できる。   The block copolymer thus produced is subjected to a hydrogenation reaction of double bonds of conjugated alkadiene units having 4 to 8 carbon atoms constituting the polymer block (B). As a method of the hydrogenation reaction, a solution of a block copolymer obtained by anionic polymerization or the like is charged into a pressure vessel, and a hydrogenation reaction is performed in a hydrogen atmosphere using a Ziegler type hydrogenation catalyst such as a Ni / Al type. The method of performing can be illustrated.

次に、得られた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 obtained 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.

得られたブロック共重合体のスルホン化物を含む反応溶液から、スルホン化物を固形物として取り出す方法としては、水中に反応溶液を注ぎスルホン化物を沈殿させた後に溶媒を常圧留去する方法や、反応溶液中に停止剤の水を徐々に添加し懸濁せしめ、スルホン化物を析出させた後に溶媒を常圧留去する方法などが挙げられるが、スルホン化物が微分散化し、その後の水での洗浄効率が高くなる観点から、反応溶液中に停止剤の水を徐々に添加し、懸濁せしめ、スルホン化物を析出させる方法が好適に用いられる。   As a method for removing the sulfonated product as a solid from the reaction solution containing the sulfonated product of the block copolymer, a method of pouring the reaction solution into water and precipitating the sulfonated product, and then distilling off the solvent at atmospheric pressure, Stopper water is gradually added and suspended in the reaction solution, and the sulfonated product is precipitated, and then the solvent is distilled off at atmospheric pressure. From the viewpoint of increasing the washing efficiency, a method of gradually adding and suspending the stopper water in the reaction solution to precipitate the sulfonated product is suitably used.

得られた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 a phosphonic acid group into the obtained 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、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.70meq/g以上、特に0.80meq/g以上になるまで、しかし、4.0meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化されることが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。スルホン化また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、もしくはブロック共重合体における芳香族ビニル系化合物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。The degree of sulfonation or phosphonation is, as already mentioned, until the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.70 meq / g or more, especially 0.80 meq / g or more, but 4.0 meq / g or less. It is desirable to be sulfonated or phosphonated so that Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer, or the sulfonation rate or phosphonation rate in the aromatic vinyl compound in the block copolymer is determined by acid value titration, infrared spectroscopic measurement, nuclear It can be calculated using an analytical means such as magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.

本発明の電解質積層膜を構成する電解質膜の少なくとも2つは互いに異なるイオン交換容量を有することが、電解質積層膜として高い寸法安定性と低湿度下における高いプロトン伝導性(低抵抗)を兼ね備えるものとするために重要である。すなわち、構成電解質膜が2つである場合には、互いに異なるイオン交換容量を有し、構成電解質膜が3つ以上である場合には、そのうち少なくとも2つが互いに異なるイオン交換容量を有する。   The electrolyte laminate film of the present invention has at least two electrolyte membranes having different ion exchange capacities so that the electrolyte laminate membrane has both high dimensional stability and high proton conductivity (low resistance) under low humidity. Is important to. That is, when there are two constituent electrolyte membranes, they have different ion exchange capacities, and when there are three or more constituent electrolyte membranes, at least two of them have different ion exchange capacities.

本発明の電解質積層膜が固体高分子型燃料電池用の電解質積層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、構成電解質膜である高分子電解質膜の少なくとも1つのイオン交換容量が1.60meq/gより高いことが必要であり、1.70meq/g以上であることが好ましい。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耐水性が不十分になる傾向となるので、4.0meq/g以下であるのが好ましい。また、十分な寸法安定性も兼ね備えるためには、構成電解質膜である高分子電解質膜の少なくとも1つのイオン交換容量が0.70〜1.60meq/gの範囲内にあることが必要であり、0.80〜1.50meq/gであることが好ましい。イオン交換容量が小さくなりすぎると低湿度下におけるプロトン伝導性が低下する傾向となる。   In order for the electrolyte laminate membrane of the present invention to exhibit sufficient ion conductivity for use as an electrolyte laminate membrane for a polymer electrolyte fuel cell, at least one ion exchange of the polymer electrolyte membrane which is a constituent electrolyte membrane The capacity needs to be higher than 1.60 meq / g, and preferably 1.70 meq / g or more. The upper limit of the ion exchange capacity is preferably 4.0 meq / g or less because if the ion exchange capacity becomes too large, the hydrophilicity tends to increase and the water resistance becomes insufficient. Further, in order to have sufficient dimensional stability, it is necessary that at least one ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane which is a constituent electrolyte membrane is in a range of 0.70 to 1.60 meq / g, It is preferably 0.80 to 1.50 meq / g. If the ion exchange capacity becomes too small, proton conductivity tends to decrease under low humidity.

本発明の電解質積層膜を構成する電解質膜として、低湿度下での高い発電特性を引き出す上で、電解質膜と電極との間の抵抗を小さくすることが重要である。この観点から、本発明の電解質積層膜は、構成電解質膜として少なくとも3つの高分子電解質膜を積層してなり、前記電解質積層膜の最外層をなす2つの構成電解質膜が、共に前記1.60meq/gより高いイオン交換容量を有する高分子電解質膜であることが好ましい。   As the electrolyte membrane constituting the electrolyte laminated film of the present invention, it is important to reduce the resistance between the electrolyte membrane and the electrode in order to bring out high power generation characteristics under low humidity. From this point of view, the electrolyte laminate film of the present invention is formed by laminating at least three polymer electrolyte membranes as constituent electrolyte membranes, and the two constituent electrolyte membranes constituting the outermost layer of the electrolyte laminate membrane are both 1.60 meq. A polymer electrolyte membrane having an ion exchange capacity higher than / g is preferred.

また、本発明の電解質積層膜を固体高分子型燃料電池用の電解質積層膜として使用するに際し、低湿度下における十分なイオン伝導性と高い寸法安定性を兼ね備えるものとするためには、イオン交換容量の大きい方の電解質膜のイオン交換容量とイオン交換容量の小さい方の電解質膜のイオン交換容量との差が0.05meq/g以上であることが好ましく、0.10meq/g以上であることがより好ましく、0.15meq/g以上であることがより一層好ましい。   In addition, when the electrolyte laminate film of the present invention is used as an electrolyte laminate film for a polymer electrolyte fuel cell, in order to have sufficient ion conductivity and high dimensional stability under low humidity, The difference between the ion exchange capacity of the electrolyte membrane having the larger capacity and the ion exchange capacity of the electrolyte membrane having the smaller capacity is preferably 0.05 meq / g or more, more preferably 0.10 meq / g or more. Is more preferably 0.15 meq / g or more.

なお、本発明電解質積層膜の全体としてのイオン交換容量は、十分なイオン伝導性と高い寸法安定性を兼ね備えるために、1.0〜3.0meq/gの範囲内にあることが好ましく、1.2〜2.7meq/gの範囲内にあることがより好ましく、1.3〜2.5meq/gの範囲内にあることがより一層好ましい。   In addition, the ion exchange capacity as a whole of the electrolyte laminated film of the present invention is preferably in the range of 1.0 to 3.0 meq / g in order to have sufficient ion conductivity and high dimensional stability. More preferably, it is in the range of 0.2 to 2.7 meq / g, and still more preferably in the range of 1.3 to 2.5 meq / g.

なお、上記観点から、ブロック共重合体(I)におけるスルホン化又はホスホン化の程度としては、イオン交換容量の大きい電解質膜の場合には、そのイオン交換容量が1.60meq/gより高くなるようにスルホン化又はホスホン化することが必要であり、1.70meq/g以上で4.0meq/g以下となるようにスルホン化又はホスホン化することが好ましく、イオン交換容量の小さい電解質膜の場合には、そのイオン交換容量が0.70〜1.60meq/gの範囲内となるようにスルホン化又はホスホン化することが必要であり、0.80〜1.50meq/g以下となるようにスルホン化又はホスホン化することが好ましい。スルホン化又はホスホン化された共重合体もしくはそれを含有する電解質膜のイオン交換容量、該共重合体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。From the above viewpoint, the degree of sulfonation or phosphonation in the block copolymer (I) is such that, in the case of an electrolyte membrane having a large ion exchange capacity, the ion exchange capacity is higher than 1.60 meq / g. In the case of an electrolyte membrane having a small ion exchange capacity, it is preferable to sulfonate or phosphonate to 1.70 meq / g or more and 4.0 meq / g or less. Needs to be sulfonated or phosphonated so that its ion exchange capacity is in the range of 0.70 to 1.60 meq / g, and the sulfone is adjusted to 0.80 to 1.50 meq / g or less. Or phosphonation. The ion exchange capacity of a sulfonated or phosphonated copolymer or an electrolyte membrane containing the copolymer, the sulfonation rate or phosphonation rate of the copolymer is determined by acid value titration method, infrared spectroscopic measurement, nuclear magnetic resonance It can be calculated using an analysis means such as spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.

本発明の電解質積層膜を構成する電解質膜の少なくとも2つがブロック共重合体(I)を含有するものであって、ブロック共重合体(I)含有電解質膜の少なくとも1つが1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、ブロック共重合体(I)含有電解質膜の少なくとも1つが0.70〜1.60meq/gの範囲内のイオン交換容量を有することが、低湿度下における十分なイオン伝導性と高い寸法安定性を兼ね備える観点から、好ましい。   At least two of the electrolyte membranes constituting the electrolyte laminate film of the present invention contain the block copolymer (I), and at least one of the block copolymer (I) -containing electrolyte membranes is from 1.60 meq / g. Sufficient ions under low humidity have a high ion exchange capacity and at least one of the block copolymer (I) -containing electrolyte membranes has an ion exchange capacity in the range of 0.70 to 1.60 meq / g. From the viewpoint of combining conductivity and high dimensional stability, it is preferable.

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、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, a block copolymer having a sulfonic acid group in a salt form can be obtained by ion exchange by an appropriate method.

本発明の電解質積層膜は、構成電解質膜として、ブロック共重合体(I)を含有する膜以外に、他のイオン伝導性基含有高分子の少なくとも1種を含有する膜を有していてもよい。かかる他のイオン伝導性基含有高分子の例としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルカルボン酸及びポリビニルホスホン酸等のアイオノマー;ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン/エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン等のパーフルオロカーボンポリマーにスルホン酸基、ホスホン酸基及びカルボキシル基の少なくとも1種を導入したもの;ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等のエンジニアリングプラスチックにスルホン酸基、ホスホン酸基及びカルボキシル基の少なくとも1種を導入したものなどを挙げることができる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン及びポリエーテルケトンは、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合もしくはケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含む。他のイオン伝導性基含有高分子は、さらに、スルホン酸基、ホスホン酸基及びカルボキシル基の少なくとも1種を含むイオン交換樹脂であってもよい。   The electrolyte laminate film of the present invention may have a film containing at least one other ion-conducting group-containing polymer in addition to the film containing the block copolymer (I) as the constituent electrolyte film. Good. Examples of such other ion conductive group-containing polymers include ionomers such as polystyrene sulfonic acid, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl carboxylic acid, and polyvinyl phosphonic acid; polytetrafluoroethylene, tetrafluoro Perfluorocarbon polymers such as ethylene / ethylene copolymer, tetrafluoroethylene / perfluoro (alkyl vinyl ether) copolymer, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride, sulfonic acid group, phosphonic acid group and carboxyl Introducing at least one kind of group: polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, poly Examples include engineering plastics such as rylene polymers, polyaryl ketones, polyether ketones, polybenzoxazoles, polybenzthiazoles, and polyimides into which at least one of sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and carboxyl groups is introduced. . Polysulfone, polyethersulfone and polyetherketone as used herein are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond or a ketone bond in the molecular chain. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, polyketone Includes ether ketone sulfone. The other ion conductive group-containing polymer may be an ion exchange resin further containing at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxyl group.

本発明の電解質積層膜は、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。   As long as the effect of the present invention is not impaired, the electrolyte laminated film of the present invention is various additives such as a softening agent, a stabilizer, a light stabilizer, an antistatic agent, a release agent, a flame retardant, a foaming agent, a pigment, Dyes, brighteners, carbon fibers, inorganic fillers and the like may be contained 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.

本発明の電解質積層膜におけるブロック共重合体(I)の含有量は、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 content of the block copolymer (I) in the electrolyte laminated film of the present invention is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass. The above is even more preferable.

本発明の電解質積層膜は、固体高分子型燃料電池用電解質膜として必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が5〜500μm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、膜の機械的強度やガスの遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が500μmを超えて厚い場合には、膜抵抗が大きくなり、充分なプロトン伝導性が発現しないため、電池の発電特性が低くなる傾向がある。該膜厚はより好ましくは11〜300μmであり、より一層好ましくは15〜80μmである。   The electrolyte laminated film of the present invention preferably has a film thickness of about 5 to 500 μm from the viewpoints of performance, film strength, handling properties and the like required as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. When the film thickness is less than 5 μm, the mechanical strength of the film and the gas barrier property tend to be insufficient. On the contrary, when the film thickness is thicker than 500 μm, the membrane resistance increases and sufficient proton conductivity does not appear, so that the power generation characteristics of the battery tend to be lowered. The film thickness is more preferably 11 to 300 μm, and even more preferably 15 to 80 μm.

本発明の電解質積層膜における個々の膜の厚さは特に制限されないが、イオン交換容量が高い方の高分子電解質膜、すなわちイオン交換容量が1.60meq/gより高い高分子電解質膜の一層の厚さは2〜20μmであるのが好ましく、4〜15μmであるのがより好ましく、イオン交換容量が低い方の高分子電解質膜、すなわちイオン交換容量が0.70〜1.60meq/gである高分子電解質膜の一層の厚さは3〜40μmであるのが好ましく、7〜35μmであるのがより好ましい。また、本発明の電解質積層膜におけるイオン交換容量が高い方の高分子電解質膜の合計膜厚とイオン交換容量が低い方の高分子電解質膜の合計膜厚との比も特に制限されないが、(イオン交換容量が高い方の高分子電解質膜の合計膜厚)/(イオン交換容量が低い方の高分子電解質膜の合計膜厚)として、0.2〜8.8が好ましく、0.3〜3.6がより好ましい。   The thickness of the individual membranes in the electrolyte laminated membrane of the present invention is not particularly limited, but the polymer electrolyte membrane having a higher ion exchange capacity, that is, a polymer electrolyte membrane having a higher ion exchange capacity than 1.60 meq / g The thickness is preferably 2 to 20 μm, more preferably 4 to 15 μm, and the polymer electrolyte membrane having a lower ion exchange capacity, that is, the ion exchange capacity is 0.70 to 1.60 meq / g. The thickness of one layer of the polymer electrolyte membrane is preferably 3 to 40 μm, and more preferably 7 to 35 μm. Further, the ratio of the total film thickness of the polymer electrolyte membrane having a higher ion exchange capacity and the total film thickness of the polymer electrolyte film having a lower ion exchange capacity in the electrolyte laminated film of the present invention is not particularly limited, The total film thickness of the polymer electrolyte membrane having a higher ion exchange capacity) / (total film thickness of the polymer electrolyte membrane having a lower ion exchange capacity) is preferably 0.2 to 8.8, preferably 0.3 to 3.6 is more preferable.

本発明の電解質積層膜の調製方法については、かかる調製のための通常の方法であればいずれの方法も採用できる。例えば、本発明の電解質積層膜の構成材料(ブロック共重合体(I)、上記したその他のイオン伝導性基含有高分子、上記した添加剤など)を適当な溶媒と混合して、5質量%以上の該ブロック共重合体もしくは上記したその他のイオン伝導性基含有高分子の溶液又は懸濁液を調製した後、離形処理済みのPETフィルム等に、コーターやアプリケーター等を用いて塗布した後、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得る溶液塗工方法や、ポリテトラフルオロエチレンシート等に5質量%以下の該ブロック共重合体(I)もしくは上記したその他のイオン伝導性基含有高分子の溶液又は懸濁液をキャストした後、1〜数日かけて溶媒を徐々に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キャスト法や、熱プレス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の方法を用いて成膜する方法などを用いることができるが、良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、溶液塗工方法が好適に用いられる。
上記いずれかの成膜方法を用いて電解質積層膜を得るには、上記成膜方法によって得られた電解質膜層の上に、さらに上記いずれかの成膜方法で別の層を形成すればよい。また、上記いずれかの成膜方法によって得られる電解質膜を複数枚重ねて、熱ロール成形等で圧着させて積層化させることで電解質積層膜としてもよい。
As the method for preparing the electrolyte laminated film of the present invention, any method can be adopted as long as it is a normal method for such preparation. For example, the constituent material of the electrolyte laminated film of the present invention (block copolymer (I), the above-mentioned other ion-conducting group-containing polymer, the above-mentioned additive, etc.) is mixed with a suitable solvent, and 5% by mass. After preparing a solution or suspension of the above block copolymer or other ion-conducting group-containing polymer as described above, and then applying it to a PET film that has been subjected to a release treatment using a coater or applicator The solution coating method for obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness by removing the solvent under appropriate conditions, the polytetrafluoroethylene sheet or the like in 5% by mass or less of the block copolymer (I) or the above-mentioned After casting a solution or suspension of another ion-conducting group-containing polymer, the solvent is gradually removed over 1 to several days to obtain an electrolyte membrane having a desired thickness. Stroke method, a method of forming a film using a known method such as hot press molding, roll molding, extrusion molding, etc. can be used, but from the viewpoint of easily preparing an electrolyte membrane having good strength and flexibility, A solution coating method is preferably used.
In order to obtain an electrolyte laminated film using any one of the above film forming methods, another layer may be formed on the electrolyte film layer obtained by the above film forming method by any one of the above film forming methods. . Moreover, it is good also as an electrolyte laminated film by laminating | stacking a plurality of electrolyte membranes obtained by any one of the said film-forming methods, and crimping | bonding and laminating by hot roll shaping | molding etc.

このとき使用する溶媒は、ブロック共重合体(I)の構造を破壊することなく、溶液塗工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制限されない。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、あるいはこれらの混合溶媒等が例示できる。ブロック共重合体(I)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種以上の組合せを適宜選択し使用することができるが、特に良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、トルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソプロピルアルコールの混合溶媒、シクロヘキサンとイソブチルアルコールの混合溶媒、テトラヒドロフラン溶媒、テトラヒドロフランとメタノールの混合溶媒が好ましく、特に、トルエンとイソブチルアルコールの混合溶媒、トルエンとイソプロピルアルコールの混合溶媒が好ましい。   The solvent used at this time is not particularly limited as long as it can prepare a solution having a viscosity that allows solution coating without destroying the structure of the block copolymer (I). 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, or mixed solvents thereof. Depending on the composition of the block copolymer (I), the molecular weight, the ion exchange capacity, etc., one or a combination of two or more of the above-exemplified solvents can be appropriately selected and used. From the viewpoint of easy preparation of an electrolyte membrane having sufficient strength and flexibility, a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol, a mixed solvent of toluene and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isopropyl alcohol, a mixed solvent of cyclohexane and isobutyl alcohol, a tetrahydrofuran solvent A mixed solvent of tetrahydrofuran and methanol is preferable, and a mixed solvent of toluene and isobutyl alcohol and a mixed solvent of toluene and isopropyl alcohol are particularly preferable.

また、溶液塗工方法における溶媒除去の条件は、ブロック共重合体(I)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、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、100〜140℃程度の熱風乾燥にて2〜4分にて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、25〜40℃程度の雰囲気下、真空乾燥にて1〜12時間程度乾燥する方法などが挙げられる。良好な強度と柔軟性を有する電解質膜を調製しやすい観点から、60〜100℃程度の熱風乾燥にて4分以上かけて溶媒を除去する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、100℃程度の熱風乾燥にて数分かけて乾燥する方法や、25℃程度で1〜3時間程度、予備乾燥させた後、25〜40℃程度の雰囲気下、真空乾燥にて1〜12時間程度乾燥する方法などが好適に用いられる。   In addition, the solvent removal conditions in the solution coating method are arbitrarily selected as long as the conditions are such that the ion conductive groups such as sulfonic acid groups of the block copolymer (I) can be removed and the solvent can be completely removed. Is possible. 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, a method of removing the solvent by hot air drying at about 60 to 100 ° C. over 4 minutes, a method of removing the solvent in 2 to 4 minutes by hot air drying at about 100 to 140 ° C., After pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours and then drying with hot air drying at about 100 ° C. for several minutes, or after pre-drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, 25 Examples include a method of drying for about 1 to 12 hours by vacuum drying in an atmosphere of about 40 ° C. From the viewpoint of easy preparation of an electrolyte membrane having good strength and flexibility, a method of removing the solvent over 4 minutes or more by hot air drying at about 60 to 100 ° C., or about 1 to 3 hours at about 25 ° C. After drying, it is dried by hot air drying at about 100 ° C. over several minutes, or after preliminary drying at about 25 ° C. for about 1 to 3 hours, and then vacuum drying in an atmosphere of about 25-40 ° C. For example, a method of drying for about 1 to 12 hours is preferably used.

次に、本発明の電解質積層膜を用いた膜−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触媒層を内側にして、電解質積層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積層膜の両側に塗布し、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、電解質積層膜の両面及び/又は1対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質積層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積層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積層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 laminate film 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. Forming a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then joining the pair of joined bodies to each side of the electrolyte laminated film by hot pressing, etc. Is applied to both sides of the electrolyte laminated film by a printing method or a spray method, dried to form a catalyst layer, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As another manufacturing method, a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of the electrolyte laminated film and / or the catalyst layer surface of a pair of gas diffusion electrodes, and the electrolyte laminated film and the catalyst layer surface are bonded together. There is a method of joining by thermocompression bonding. 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. The catalyst layer is transferred to both sides of the electrolyte laminate film by thermocompression bonding, and the base film is peeled to obtain a joined body of the electrolyte laminate film and the catalyst layer, and the gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. There is a way. 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、デュポン社製)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、本発明の電解質積層膜を構成するブロック共重合体(I)からイオン伝導性バインダーを作製してもよい。なお、電解質積層膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、ガス拡散電極と密着する面の構成電解質膜と同一材料から形成した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 perfluorosulfones 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 (I) which comprises the electrolyte laminated film of this invention. In order to further enhance the adhesion between the electrolyte laminated film and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an ion conductive binder formed of the same material as the constituent electrolyte film on the surface in close 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は少なく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が含まれていてもよい。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. When these catalysts are supported on a conductive material such as carbon / catalyst support, the amount of catalyst used is small and it is advantageous in terms of cost. 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。
本発明の電解質積層膜、膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池は、経済的で、環境に優しく、高い寸法安定性と低湿度下における高いイオン伝導性を兼ね備えており、低湿度下においても高い出力特性を発揮することができ、更には優れた耐久性を発揮し得る。
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.
The electrolyte laminated film, membrane-electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell of the present invention are economical, environmentally friendly, and have both high dimensional stability and high ionic conductivity under low humidity. Can exhibit high output characteristics and can also exhibit excellent durability.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by these Examples.

参考例1
ポリα−メチルスチレン(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))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(WO 02/40611号)と同様の方法で、ポリα−メチルスチレン−b−ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下mSBmSと略記する)を合成した。得られたmSBmSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は78000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は55%、α−メチルスチレン単位の含有量は28.0質量%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したmSBmS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80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリα−メチルスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下mSEBmSと略記する)を得た。得られたmSEBmS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、99.3%であり、残存の二重結合割合は0.7%であった。
Reference example 1
Production of block copolymer comprising poly α-methylstyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In the same manner as the previously reported method (WO 02/40611), A poly α-methylstyrene-b-polybutadiene-b-polyα-methylstyrene type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSBmS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained mSBmS is 78000, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 55%, and the content of α-methylstyrene unit is 28.0. It was mass%. Further, it was found by composition analysis by 1 H-NMR spectrum measurement that α-methylstyrene was not substantially copolymerized in the polybutadiene block.
Prepare a synthesized cyclohexane solution of mSBmS, charge it into a pressure-resistant vessel that has been sufficiently purged with nitrogen, and then use a Ni / Al Ziegler-type hydrogenation catalyst for 5 hours at 80 ° C. in a hydrogen atmosphere. To obtain a poly α-methylstyrene-b-hydrogenated polybutadiene-b-polyα-methylstyrene type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSEBmS). When the hydrogenation rate of the obtained mSEBmS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.3% and the residual double bond ratio was 0.7%.

参考例2
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、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(A1)からなるブロック共重合体の製造
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン819ml及びsec−ブチルリチウム(1.25M−シクロヘキサン溶液)1.71mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン19.8ml、スチレン27.7mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させ、次いでイソプレン80.4ml、スチレン26.6ml、及び4−tert−ブチルスチレン18.1mlを逐次添加し、60℃で逐次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)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86050であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は32.9質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は29.8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70℃で8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)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 (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) In a 1400 mL autoclave Then, 819 ml of dehydrated cyclohexane and 1.71 ml of sec-butyllithium (1.25 M-cyclohexane solution) were charged, and then 19.8 ml of 4-tert-butylstyrene and 27.7 ml of styrene were successively added and polymerized successively at 50 ° C. Then, 80.4 ml of isoprene, 26.6 ml of styrene, and 18.1 ml of 4-tert-butylstyrene were successively added and polymerized successively at 60 ° C. to thereby obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene- b-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly ( 4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as tBSSIStBS) was synthesized, and the number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS was 86050, which was obtained from 1 H-NMR measurement. -Bond amount was 94.0%, styrene unit content was 32.9% by mass, and 4-tert-butylstyrene unit content was 29.8% by mass.
After preparing a cyclohexane solution of the synthesized tBSSIStBS and charging it in a pressure vessel sufficiently purged with nitrogen, a hydrogenation reaction was performed at 70 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. To obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter abbreviated as tBSSEPStBS). . 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(A2))、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(A1))からなるブロック共重合体の製造
1Lオートクレーブに、脱水シクロヘキサン578ml及びsec−ブチルリチウム(1.15M−シクロヘキサン溶液)1.78mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン32.2ml、スチレン13.5ml、イソプレン81.6ml、スチレン13.5ml、及び4−tert−ブチルスチレン32.2mlを逐次添加し、50℃で逐次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)(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103600であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は17.0質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は41.0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50℃で8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)(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、99.9%であった。
Reference example 3
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) 1L autoclave To this, 578 ml of dehydrated cyclohexane and 1.78 ml of sec-butyllithium (1.15 M-cyclohexane solution) were charged, and then 32.2 ml of 4-tert-butylstyrene, 13.5 ml of styrene, 81.6 ml of isoprene, and 13.5 ml of styrene. , And 32.2 ml of 4-tert-butylstyrene, and successively polymerized at 50 ° C., thereby poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene-b— Poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSISt BS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 103600, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 17.0 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 41.0% by mass.
A cyclohexane solution of synthesized tBSSIStBS was prepared and charged into a pressure-resistant vessel that had been sufficiently purged with nitrogen. Then, a hydrogenation reaction was performed at 50 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

参考例4
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、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(A1))からなるブロック共重合体の製造
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン820ml及びsec−ブチルリチウム(1.25M−シクロヘキサン溶液)1.56mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン18.1ml、スチレン29.2mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させ、次いでイソプレン80.4ml、スチレン28.1ml、及び4−tert−ブチルスチレン16.6mlを逐次添加し、60℃で逐次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)(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38910であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は94.0%、スチレン単位の含有量は37.5質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は22.0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70℃で8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)(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、99.9%であった。
Reference example 4
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) 1400 mL autoclave Into this, 820 ml of dehydrated cyclohexane and 1.56 ml of sec-butyllithium (1.25 M-cyclohexane solution) were added, and then 18.1 ml of 4-tert-butylstyrene and 29.2 ml of styrene were successively added, and polymerization was successively performed at 50 ° C. And then sequentially adding 80.4 ml of isoprene, 28.1 ml of styrene, and 16.6 ml of 4-tert-butylstyrene, followed by sequential polymerization at 60 ° C. to obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene. -B-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSIStBS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 38910, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 94.0%, and the content of styrene units is 37.5 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 22.0% by mass.
After preparing a cyclohexane solution of the synthesized tBSSIStBS and charging it in a pressure vessel sufficiently purged with nitrogen, a hydrogenation reaction was performed at 70 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

参考例5
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、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(A1))からなるブロック共重合体の製造
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン576ml及びsec−ブチルリチウム(1.15M−シクロヘキサン溶液)1.86mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン24.0ml、スチレン19.8mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させ、次いでイソプレン101.0ml、スチレン19.7ml、及び4−tert−ブチルスチレン23.8mlを逐次添加し、60℃で逐次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)(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113960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24.2質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は27.6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70℃で8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)(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 5
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) 1400 mL autoclave To the mixture, 576 ml of dehydrated cyclohexane and 1.86 ml of sec-butyllithium (1.15 M-cyclohexane solution) were added, and then 24.0 ml of 4-tert-butylstyrene and 19.8 ml of styrene were sequentially added, followed by sequential polymerization at 50 ° C. And then sequentially adding 101.0 ml of isoprene, 19.7 ml of styrene and 23.8 ml of 4-tert-butylstyrene and polymerizing sequentially at 60 ° C. to obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene. -B-polyisoprene-b-polystyrene-b-po Li (4-tert-butylstyrene) (tBSSIStBS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 113960, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 93.8%, and the content of styrene units is 24.2 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 27.6% by mass.
After preparing a cyclohexane solution of the synthesized tBSSIStBS and charging it in a pressure vessel sufficiently purged with nitrogen, a hydrogenation reaction was performed at 70 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.8%.

参考例6
ポリスチレン(重合体ブロック(A2))、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(A1))からなるブロック共重合体の製造
1400mLオートクレーブに、脱水シクロヘキサン576ml及びsec−ブチルリチウム(1.15M−シクロヘキサン溶液)1.58mlを仕込んだ後、4−tert−ブチルスチレン28.7ml、スチレン8.7mlを逐次添加し、50℃で逐次重合させ、次いでイソプレン81.6ml、スチレン8.0ml、及び4−tert−ブチルスチレン28.3mlを逐次添加し、60℃で逐次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)(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109570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10.9質量%、4−tert−ブチルスチレン単位の含有量は42.8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70℃で8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)(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、99.9%であった。
Reference Example 6
Production of block copolymer comprising polystyrene (polymer block (A2)), hydrogenated polyisoprene (polymer block (B)) and poly (4-tert-butylstyrene) (polymer block (A1)) 1400 mL autoclave To the mixture, 576 ml of dehydrated cyclohexane and 1.58 ml of sec-butyllithium (1.15 M-cyclohexane solution) were added, and then 28.7 ml of 4-tert-butylstyrene and 8.7 ml of styrene were sequentially added, followed by sequential polymerization at 50 ° C. And then sequentially adding 81.6 ml of isoprene, 8.0 ml of styrene, and 28.3 ml of 4-tert-butylstyrene, and sequentially polymerizing at 60 ° C. to obtain poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene. -B-polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4 -Tert-butylstyrene) (tBSSIStBS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained tBSSIStBS is 109570, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 93.8%, and the content of styrene units is 10.9 mass. %, 4-tert-butylstyrene unit content was 42.8% by mass.
After preparing a cyclohexane solution of the synthesized tBSSIStBS and charging it in a pressure vessel sufficiently purged with nitrogen, a hydrogenation reaction was performed at 70 ° C. for 8 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. And poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (tBSSEPStBS) was obtained. The hydrogenation rate of the obtained tBSSEPStBS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement and found to be 99.9%.

製造例1
(1)スルホン化mSEBmSの合成
参考例1で得られたブロック共重合体(mSEBmS)70g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563mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン385.0ml中、0℃にて無水酢酸162mlと硫酸122ml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。室温にて72時間拌後、停止剤としての蒸留水を30ml添加した。その後、攪拌下、1.2Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.2L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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mSEBmSを得た。得られたスルホン化mSEBmSのα−メチル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99.9mol%、イオン交換容量は1.91meq/gであった。
Production Example 1
(1) Synthesis of sulfonated mSEBmS 70 g of the block copolymer (mSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, and then 563 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at room temperature. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 162 ml of acetic anhydride and 122 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 385.0 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 72 hours, 30 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.2 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution with stirring to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.2 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the polymer collected at the end was vacuum-dried to obtain sulfonated mSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated mSEBmS was 99.9 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.91 meq / g.

製造例2
スルホン化mSEBmSの合成
参考例1で得られたブロック共重合体(mSEBmS)70g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563mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン123.0ml中、0℃にて無水酢酸51.7mlと硫酸39.0ml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時間拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、1.3Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.3L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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mSEBmSのα−メチル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72.0mol%、該スルホン化mSEBmSのイオン交換容量は1.44meq/gであった。
Production Example 2
Synthesis of Sulfonated mSEBmS 70 g of the block copolymer (mSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, after which 563 ml of methylene chloride was added, Stir at room temperature to dissolve. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 51.7 ml of acetic anhydride and 39.0 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 123.0 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring for 4 hours at 35 ° C., 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.3 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.3 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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 α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated mSEBmS was 72.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated mSEBmS was 1.44 meq / g.

製造例3
スルホン化mSEBmSの合成
参考例1で得られたブロック共重合体(mSEBmS)70g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563mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン31.0ml中、0℃にて無水酢酸12.9mlと硫酸9.8ml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時間拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、1.3Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.3L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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mSEBmSのα−メチル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22.5mol%、該スルホン化mSEBmSのイオン交換容量は0.49meq/gであった。
Production Example 3
Synthesis of Sulfonated mSEBmS 70 g of the block copolymer (mSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, after which 563 ml of methylene chloride was added, Stir at room temperature to dissolve. After dissolution, a sulfonating reagent obtained by reacting 12.9 ml of acetic anhydride and 9.8 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 31.0 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring for 4 hours at 35 ° C., 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.3 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.3 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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 α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated mSEBmS was 22.5 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated mSEBmS was 0.49 meq / g.

製造例4
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)40g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500mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン147.5ml中、0℃にて無水酢酸73.7mlと硫酸33.0ml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。室温にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を20ml添加した。その後、0.7Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.3L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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100mol%、該スルホン化tBSSEPStBSのイオン交換容量は2.50meq/gであった。
Production Example 4
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 40 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and after replacing with nitrogen, 500 ml of methylene chloride was added. Stir at room temperature to dissolve. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 73.7 ml of acetic anhydride and 33.0 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 147.5 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 72 hours, 20 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 0.7 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to coagulate and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.3 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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. From the 1 H-NMR analysis, the sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 100 mol%, and the ion exchange capacity of the sulfonated tBSSEPStBS was 2.50 meq / g.

製造例5
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)50g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500mlを加え、室温25℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン63.7ml中、0℃にて無水酢酸31.9mlと硫酸14.2ml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。室温にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を10ml添加した。その後、1.0Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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99mol%、イオン交換容量は1.47meq/gであった。
Production Example 5
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 50 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 replacing with nitrogen, 500 ml of methylene chloride was added. The mixture was dissolved by stirring at room temperature of 25 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfonating reagent obtained by reacting 31.9 ml of acetic anhydride and 14.2 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 63.7 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 72 hours, 10 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.0 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.0 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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 sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 99 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.47 meq / g.

製造例6
スルホン化tBSSEPStBSの合成
参考例4で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)40g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584mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン172.2ml中、0℃にて無水酢酸86.1mlと硫酸38.5ml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。室温にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を20ml添加した。その後、1.0Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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99.6mol%、該スルホン化tBSSEPStBSのイオン交換容量は2.80meq/gであった。
Production Example 6
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 40 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 4 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and after replacing with nitrogen, 584 ml of methylene chloride was added. Stir at room temperature to dissolve. After dissolution, a sulfonating reagent obtained by reacting 86.1 ml of acetic anhydride and 38.5 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 172.2 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring at room temperature for 72 hours, 20 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 1.0 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.0 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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 sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 99.6 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated tBSSEPStBS was 2.80 meq / g.

製造例7
スルホン化tBSSEPStBSの合成
参考例5で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)50g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360mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン148.7ml中、0℃にて無水酢酸74.3mlと硫酸33.2ml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。室温にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を15ml添加した。その後、1.0Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を1.0L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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97mol%、該スルホン化tBSSEPStBSのイオン交換容量は1.89meq/gであった。
Production Example 7
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 50 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 5 was vacuum-dried for 1 hour in a glass reaction vessel equipped with a stirrer, and after replacing with nitrogen, 360 ml of methylene chloride was added. Stir at room temperature to dissolve. After dissolution, a sulfonation reagent obtained by reacting 74.3 ml of acetic anhydride and 33.2 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 148.7 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring for 72 hours at room temperature, 15 ml of stop water distilled water was added. Thereafter, 1.0 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 1.0 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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 sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 97 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated tBSSEPStBS was 1.89 meq / g.

製造例8
スルホン化tBSSEPStBSの合成
参考例6で得られたブロック共重合体(tBSSEPStBS)20g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176mlを加え、室温にて攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン26.0ml中、0℃にて無水酢酸13.0mlと硫酸5.8ml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。室温にて72時間攪拌後、停止剤の蒸留水を5ml添加した。その後、0.8Lの蒸留水を重合体溶液にゆっくり注ぎ、重合体を凝固析出させた。塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、ろ過した。ろ過により得られた固形分をビーカーに移し、蒸留水を0.8L添加して、攪拌下で洗浄を行った後、ろ過回収を行った。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51.3mol%、該スルホン化tBSSEPStBSのイオン交換容量は0.52meq/gであった。
Production Example 8
Synthesis of Sulfonated tBSSEPStBS 20 g of the block copolymer (tBSSEPStBS) obtained in Reference Example 6 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. Then, 176 ml of methylene chloride was added, Stir at room temperature to dissolve. After dissolution, a sulfonating reagent obtained by reacting 13.0 ml of acetic anhydride and 5.8 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 26.0 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 5 minutes. After stirring for 72 hours at room temperature, 5 ml of distilled water as a stopper was added. Thereafter, 0.8 L of distilled water was slowly poured into the polymer solution to solidify and precipitate the polymer. The methylene chloride was removed by distillation at atmospheric pressure, followed by filtration. The solid content obtained by filtration was transferred to a beaker, 0.8 L of distilled water was added, and washing was performed with stirring, followed by filtration and recovery. 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 sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated tBSSEPStBS was 51.3 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity of the sulfonated tBSSEPStBS was 0.52 meq / g.

実施例1
(1)電解質積層膜の作製
製造例4で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.50meq/g)の16質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、離形処理済み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75μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第一層を形成し、厚さ8μmの膜(A)を得た。
ついで、製造例5で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量1.47meq/g)の14質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比75/25)溶液を調製し、膜(A)上に約200μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第二層を形成し、厚さ22μmの積層膜(B)を得た。
ついで、製造例4で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.50meq/g)の16質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、積層膜(B)上に約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第三層を形成し、厚さ29μmの積層膜(C)を得た。
(2)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10質量%水分散液を、Pt−Ru合金触媒担持カーボンとNafionとの質量比が1:1になるように添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストをカーボンペーパーの片面に均一に塗布した。130℃で30分乾燥させ、アノード用の電極を作製した。また、Pt触媒担持カーボンに、Nafionの10質量%溶液を、Pt触媒担持カーボンとNafionとの質量比が1:0.75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用電極を作製した。(1)で作製した電解質積層膜を、上記2種類の電極でそれぞれ膜と触媒面とが向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(130℃、20kg/cm2、8min)により膜−電極接合体を作製した。ついで作製した膜−電極接合体を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 1
(1) Preparation of electrolyte laminated film A 16% by mass toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.50 meq / g) obtained in Production Example 4 was prepared and separated. The first layer is formed by coating the PET film [Toyobo Ester Film K1504] manufactured by Toyobo Co., Ltd. with a thickness of about 75 μm and drying in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes. A film (A) having a thickness of 8 μm was obtained.
Next, a 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 75/25) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 1.47 meq / g) obtained in Production Example 5 was prepared, and about The film was coated with a thickness of 200 μm and dried at 100 ° C. for 4 minutes with a hot air dryer to form a second layer, whereby a 22 μm thick laminated film (B) was obtained.
Next, a 16% by mass toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.50 meq / g) obtained in Production Example 4 was prepared, and the solution was formed on the laminated membrane (B). The film was coated with a thickness of about 100 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to form a third layer, whereby a 29 μm thick laminated film (C) was obtained.
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 10% by weight aqueous dispersion of Nafion in Pt-Ru alloy catalyst-carrying carbon is added and mixed so that the mass ratio of Pt-Ru alloy catalyst-carrying carbon and Nafion is 1: 1, and the paste is uniformly dispersed. Was prepared. This paste was uniformly applied to one side of the carbon paper. The electrode for anode was produced by drying at 130 ° C. for 30 minutes. Further, a 10% by mass solution of Nafion is added to and mixed with Pt catalyst-carrying carbon so that the mass ratio of Pt catalyst-carrying carbon and Nafion is 1: 0.75 to prepare a uniformly dispersed paste. A cathode electrode was prepared in the same manner as the anode side. The electrolyte laminate film prepared in (1) is sandwiched between the two types of electrodes so that the membrane and the catalyst face each other, and the outside is sandwiched between two heat-resistant films and two stainless steel plates in order, and hot pressing is performed. A membrane-electrode assembly was produced by (130 ° C., 20 kg / cm 2, 8 min). Next, the membrane-electrode assembly produced is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside is sandwiched between two current collector plates and two clamping plates. An evaluation cell for a molecular fuel cell was produced.

実施例2
(1)電解質積層膜の作製
製造例1で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.91meq/g)の7質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比6/4)溶液を調製し、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150μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第一層を形成し、厚さ6μmの膜(A)を得た。
ついで、製造例2で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.44meq/g)の14質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、膜(A)上に約275μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第二層を形成し、厚さ35μmの積層膜(B)を得た。
ついで、製造例1で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.91meq/g)の7質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比6/4)溶液を調製し、積層膜(B)上に約200μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第三層を形成し、厚さ41μmの積層膜(C)を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた積層膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 2
(1) Preparation of electrolyte laminated membrane A 7% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 6/4) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.91 meq / g) obtained in Production Example 1 was prepared and separated. The first layer is formed by coating the PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] with a thickness of about 150 μm and drying with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes. A film (A) having a thickness of 6 μm was obtained.
Next, a 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.44 meq / g) obtained in Production Example 2 was prepared, and about The film was coated at a thickness of 275 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes with a hot air dryer to form a second layer, whereby a 35 μm thick laminated film (B) was obtained.
Next, a 7% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 6/4) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.91 meq / g) obtained in Production Example 1 was prepared, and the solution was formed on the laminated film (B). The film was coated with a thickness of about 200 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to form a third layer, thereby obtaining a laminated film (C) having a thickness of 41 μm.
(2) Production of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained laminated film was used. did.

実施例3
(1)電解質積層膜の作製
製造例5で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量1.47meq/g)の14質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比75/25)溶液を調製し、離形処理済み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100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第一層を形成し、厚さ8μmの膜(A)を得た。
ついで、製造例4で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.50meq/g)の16質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、膜(A)上に約150μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第二層を形成し、厚さ24μmの積層膜(B)を得た。
ついで、製造例5で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量1.47meq/g)の14質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比75/25)溶液を調製し、電解質積層膜(B)上に約100μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第三層を形成し、厚さ32μmの電解質積層膜(C)を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた積層膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Example 3
(1) Preparation of electrolyte laminated film A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 75/25) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 1.47 meq / g) obtained in Production Example 5 was prepared and separated. Form-treated PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] is coated with a thickness of about 100 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to form the first layer. A film (A) having a thickness of 8 μm was obtained.
Next, a 16% by mass toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.50 meq / g) obtained in Production Example 4 was prepared, and about The film was coated with a thickness of 150 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes with a hot air dryer to form a second layer, thereby obtaining a laminated film (B) having a thickness of 24 μm.
Next, a 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 75/25) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 1.47 meq / g) obtained in Production Example 5 was prepared, and the electrolyte laminated membrane (B) was The film was coated at a thickness of about 100 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to form a third layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (C) having a thickness of 32 μm.
(2) Production of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained laminated film was used. did.

比較例1
(1)固体高分子燃料電池用電解質膜の作製
製造例4で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.50meq/g)の18質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、離形処理済み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、100℃で4分間乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 1
(1) Production of electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell 18% by mass toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.50 meq / g) obtained in Production Example 4 A 30 μm thick film was obtained by coating with a thickness of about 350 μm on a PET film [Toyobo “Toyobo Ester Film K1504” manufactured by Toyobo Co., Ltd.] and drying at 100 ° C. for 4 minutes. It was.
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained membrane was used. .

比較例2
(1)電解質膜の作製
製造例5で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量1.47meq/g)の17質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比75/25)溶液を調製し、離形処理済み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300μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、厚さ30μmの膜を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 2
(1) Preparation of electrolyte membrane A 17% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 75/25) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 1.47 meq / g) obtained in Production Example 5 was prepared and released. A coated PET film [“Toyobo Ester Film K1504” manufactured by Toyobo Co., Ltd.] is coated with a thickness of about 300 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to obtain a film having a thickness of 30 μm. It was.
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained membrane was used. .

比較例3
(1)電解質膜の作製
製造例1で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.91meq/g)の6質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比6/4)溶液を調製し、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250μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、厚さ11μmの膜を得た。得られた膜の上に同様の処法により、2回重ね塗りすることにより、厚さ29μmの膜を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 3
(1) Production of electrolyte membrane A 6% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 6/4) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.91 meq / g) obtained in Production Example 1 was prepared and released. A treated PET film [“Toyobo Ester Film K1504” manufactured by Toyobo Co., Ltd.] is coated with a thickness of about 250 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to obtain a film having a thickness of 11 μm. It was. On the obtained film, a film having a thickness of 29 μm was obtained by applying it twice in the same manner.
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained membrane was used. .

比較例4
(1)電解質膜の作製
製造例2で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.44meq/g)の14質量%のトルエン/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[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約275μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、厚さ29μmの膜を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 4
(1) Preparation of electrolyte membrane A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.44 meq / g) obtained in Production Example 2 was prepared and released. A coated PET film [“Toyobo Ester Film K1504” manufactured by Toyobo Co., Ltd.] is coated at a thickness of about 275 μm and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to obtain a film having a thickness of 29 μm. It was.
(2) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained membrane was used. .

比較例5
(1)電解質積層膜の作製
製造例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.80meq/g)の12.5質量%のトルエン/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[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約75μmの厚みでコートし、100℃で4分間乾燥させることで、第一層を形成し、厚さ7μmの電解質膜(A)を得た。
ついで、製造例4で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.50meq/g)の19質量%のトルエン/イソプロピルアルコール(質量比5/5)溶液を調製し、電解質膜(A)上に約275μmの厚みでコートし、100℃で4分間乾燥させることで、第二層を形成し、厚さ37μmの電解質積層膜(B)を得た。
ついで、製造例6で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量2.80meq/g)の12.5質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、電解質積層膜(B)上に約100μmの厚みでコートし、100℃で4分間乾燥させることで、第三層を形成し、厚さ43μmの電解質積層膜(C)を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた積層膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 5
(1) Production of electrolyte laminated film A 12.5 mass% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.80 meq / g) obtained in Production Example 6 was prepared. The first layer was formed by coating with a thickness of about 75 μm on a PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] having been subjected to a release treatment, and dried at 100 ° C. for 4 minutes to form a first layer having a thickness of 7 μm. The electrolyte membrane (A) was obtained.
Next, a 19% by mass toluene / isopropyl alcohol (mass ratio 5/5) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.50 meq / g) obtained in Production Example 4 was prepared, and the solution was applied on the electrolyte membrane (A). The film was coated at a thickness of about 275 μm and dried at 100 ° C. for 4 minutes to form a second layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (B) having a thickness of 37 μm.
Subsequently, a 12.5 mass% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 2.80 meq / g) obtained in Production Example 6 was prepared, and an electrolyte laminated film (B ) Was coated at a thickness of about 100 μm and dried at 100 ° C. for 4 minutes to form a third layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (C) having a thickness of 43 μm.
(2) Production of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained laminated film was used. did.

比較例6
固体電解質型燃料電池用電解質積層膜の作製
製造例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量1.89meq/g)の12.5質量%のトルエン/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[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約100μmの厚みでコートし、100℃で4分間乾燥させることで、第一層を形成し、厚さ8μmの電解質膜(A)を得た。
ついで、製造例8で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量0.52meq/g)の16質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、電解質膜(A)上に約250μmの厚みでコートし、100℃で4分間乾燥させることで、第二層を形成し、厚さ37μmの電解質積層膜(B)を得た。
ついで、製造例7で得られたスルホン化tBSSEPStBS(イオン交換容量1.89meq/g)の12.5質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、電解質積層膜(B)上に約125μmの厚みでコートし、100℃で4分間乾燥させることで、第三層を形成し、厚さ44μmの電解質積層膜(C)を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた積層膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 6
Production of electrolyte laminated membrane for solid oxide fuel cell 12.5 mass% toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 1.89 meq / g) obtained in Production Example 7 The first layer is formed by coating with a thickness of about 100 μm on a PET film [Toyobo “Toyobo Ester Film K1504”, manufactured by Toyobo Co., Ltd.], and drying at 100 ° C. for 4 minutes. An electrolyte membrane (A) having a thickness of 8 μm was obtained.
Next, a 16% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 0.52 meq / g) obtained in Production Example 8 was prepared, and the solution was applied on the electrolyte membrane (A). The film was coated at a thickness of about 250 μm and dried at 100 ° C. for 4 minutes to form a second layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (B) having a thickness of 37 μm.
Next, a 12.5% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated tBSSEPStBS (ion exchange capacity 1.89 meq / g) obtained in Production Example 7 was prepared, and an electrolyte laminated film (B ) Was coated at a thickness of about 125 μm and dried at 100 ° C. for 4 minutes to form a third layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (C) having a thickness of 44 μm.
(2) Production of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained laminated film was used. did.

比較例7
(1)電解質積層膜の作製
製造例1で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.91meq/g)の7質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比6/4)溶液を調製し、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150μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第一層を形成し、厚さ6μmの電解質膜(A)を得た。
ついで、製造例3で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量0.49meq/g)の14質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、電解質膜(A)上に約275μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第二層を形成し、厚さ35μmの電解質積層膜(B)を得た。
ついで、製造例1で得られたスルホン化mSEBmS(イオン交換容量1.91meq/g)の7質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比6/4)溶液を調製し、電解質積層膜(B)上に約200μmの厚みでコートし、熱風乾燥機にて、100℃、4分間乾燥させることで、第三層を形成し、厚さ41μmの電解質積層膜(C)を得た。
(2)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
得られた積層膜を用いた以外は、実施例1−(2)と同様の条件にて固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
Comparative Example 7
(1) Preparation of electrolyte laminated membrane A 7% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 6/4) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.91 meq / g) obtained in Production Example 1 was prepared and separated. The first layer is formed by coating the PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] with a thickness of about 150 μm and drying with a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes. An electrolyte membrane (A) having a thickness of 6 μm was obtained.
Next, a 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 0.49 meq / g) obtained in Production Example 3 was prepared, and the solution was applied on the electrolyte membrane (A). The coating was applied at a thickness of about 275 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer to form a second layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (B) having a thickness of 35 μm.
Next, a 7% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 6/4) solution of the sulfonated mSEBmS (ion exchange capacity 1.91 meq / g) obtained in Production Example 1 was prepared, and the electrolyte laminated membrane (B) was Was coated with a thickness of about 200 μm, and dried in a hot air dryer at 100 ° C. for 4 minutes to form a third layer, thereby obtaining an electrolyte laminated film (C) having a thickness of 41 μm.
(2) Production of a single cell for a polymer electrolyte fuel cell An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced under the same conditions as in Example 1- (2) except that the obtained laminated film was used. did.

実施例及び比較例の高分子膜の性能試験及びその結果
以下の1)〜2)の試験において試料としては各実施例又は比較例で得られたスルホン化ブロック共重合体から調製した膜を使用した。
Performance Tests and Results of Polymer Membranes of Examples and Comparative Examples Membranes prepared from the sulfonated block copolymers obtained in the respective Examples or Comparative Examples were used as samples in the following tests 1) to 2). did.

1)線膨張率測定
1cm×4cmの試料を4時間蒸留水に浸漬した後に、長手方向の長さ(b)を計測し、以下の式により算出した。
線膨張率(%)=(b−4)/4×100
1) Measurement of linear expansion coefficient After immersing a sample of 1 cm x 4 cm in distilled water for 4 hours, the length (b) in the longitudinal direction was measured and calculated by the following formula.
Linear expansion coefficient (%) = (b-4) / 4 × 100

2)燃料電池用単セルの発電試験
(試験方法1)
燃料として水素を用い、酸化剤として酸素を用いた。水素の供給条件は、ストイキ1.5、加湿を30%R.Hとした。酸素の供給条件は、ストイキ2.0、加湿を30%R.Hとし、セル温度を70℃に設定して、実施例、比較例で作成した評価セルをセットした後、前処理することなく、発電試験を実施し、電流密度が0.2A/cm時点の電圧値を評価した。
(試験方法2)
燃料として水素を用い、酸化剤として空気を用いた。水素の供給条件は、ストイキ1.5、加湿を30%R.Hとした。空気の供給条件は、酸素換算のストイキ2.0、加湿を30%R.Hとし、セル温度を80℃とした。実施例、比較例で作成した評価セルをセットした後、一旦フル加湿でエージング氏、その後、30%加湿ガスを十分に流した後に発電試験を実施し、電流密度が0.4A/cm時点の電圧値を評価した。
2) Power generation test of single cell for fuel cell (Test method 1)
Hydrogen was used as the fuel and oxygen was used as the oxidant. The supply conditions of hydrogen were stoichiometric 1.5 and humidification 30% R.V. H. The oxygen supply conditions were stoichiometric 2.0 and humidification 30% R.V. H, set the cell temperature to 70 ° C., set the evaluation cells created in the examples and comparative examples, and then perform a power generation test without pretreatment, when the current density is 0.2 A / cm 2 The voltage value of was evaluated.
(Test method 2)
Hydrogen was used as the fuel and air was used as the oxidant. The supply conditions of hydrogen were stoichiometric 1.5 and humidification 30% R.V. H. The air supply conditions were oxygen equivalent stoichiometric 2.0 and humidification 30% R.V. H and the cell temperature was 80 ° C. After setting the evaluation cells created in the examples and comparative examples, once aged with full humidification, a power generation test was carried out after sufficiently flowing 30% humidified gas, and the current density was 0.4 A / cm 2 The voltage value of was evaluated.

上記性能試験の結果を表1に示す。   The results of the performance test are shown in Table 1.

Figure 2010067743
Figure 2010067743

実施例1と比較例1、2との比較、及び実施例2と比較例3、4との比較からわかるように、実施例1、及び2の積層膜は線膨張率を抑えたまま、相対湿度30%下においても優れた発電性能を示すことが確認された。また、比較例5からわかるように、イオン交換容量が1.6よりも大きい電解質膜から構成される電解質積層膜においては、相対湿度30%下においても優れた発電性能を示すものの、線膨張率は高くなる。比較例6からわかるように、イオン交換容量が1.6より大きい電解質膜とイオン交換容量が0.7よりも小さい電解質膜から構成される電解質積層膜においては、線膨張率は抑えられるものの、相対湿度30%下において発電試験を行うことが困難であった。比較例7からわかるように、イオン交換容量が0.7よりも小さい電解質膜を含む電解質積層膜においては、線膨張率は抑えられるものの、相対湿度30%下において発電試験を行うことが困難であった。
また、実施例1と実施例3の比較から、イオン交換容量の高い電解質膜を電極と接触する側に配置させた場合の方が、イオン交換容量の低い電解質膜を電極と接触する側に配置させた場合に比べ、優れた発電性能を示した。
As can be seen from the comparison between Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 and the comparison between Example 2 and Comparative Examples 3 and 4, the laminated films of Examples 1 and 2 were kept relative to each other while the linear expansion coefficient was suppressed. It was confirmed that excellent power generation performance was exhibited even at a humidity of 30%. Further, as can be seen from Comparative Example 5, the electrolyte laminated film composed of the electrolyte membrane having an ion exchange capacity larger than 1.6 shows excellent power generation performance even under a relative humidity of 30%, but the linear expansion coefficient. Becomes higher. As can be seen from Comparative Example 6, in the electrolyte laminated film composed of the electrolyte membrane having an ion exchange capacity larger than 1.6 and the electrolyte membrane having an ion exchange capacity smaller than 0.7, although the linear expansion coefficient is suppressed, It was difficult to conduct a power generation test at a relative humidity of 30%. As can be seen from Comparative Example 7, in the electrolyte laminated film including the electrolyte membrane having an ion exchange capacity smaller than 0.7, the linear expansion coefficient is suppressed, but it is difficult to perform the power generation test under a relative humidity of 30%. there were.
Further, from the comparison between Example 1 and Example 3, when the electrolyte membrane having a high ion exchange capacity is arranged on the side in contact with the electrode, the electrolyte membrane having a low ion exchange capacity is arranged on the side in contact with the electrode. Compared with the case where it was made to show, the power generation performance was excellent.

上記各種性能試験の結果から、本発明の高分子電解質積層膜は、高い寸法安定性に加え、低湿度下においても高い出力特性を得ることが可能である。また、電極との良好な接合性も優れるため、これを用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池の耐久性も優れると言える。   From the results of the above various performance tests, the polymer electrolyte laminated film of the present invention can obtain high output characteristics even under low humidity in addition to high dimensional stability. In addition, since excellent bondability with the electrode is also excellent, it can be said that the durability of the membrane-electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell using the same is also excellent.

Claims (15)

構成電解質膜として少なくとも2つの高分子電解質膜を積層してなる電解質積層膜であって、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、さらに、前記高分子電解質膜の少なくとも1つが0.70〜1.60meq/gのイオン交換容量を有し、前記構成電解質膜の少なくとも1つがイオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体(I)を含有することを特徴とする電解質積層膜。   An electrolyte laminate film comprising at least two polymer electrolyte membranes laminated as a constituent electrolyte membrane, wherein at least one of the polymer electrolyte membranes has an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g, and Polymer block (A) in which at least one of the molecular electrolyte membranes has an ion exchange capacity of 0.70 to 1.60 meq / g, and at least one of the constituent electrolyte membranes has an ion conductive group, and a flexible polymer block An electrolyte laminate film comprising a block copolymer (I) having (B) as a constituent component. 前記構成電解質膜の少なくとも2つがブロック共重合体(I)を含有する請求項1記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein at least two of the constituent electrolyte films contain a block copolymer (I). 前記ブロック共重合体(I)を含有する構成電解質膜の少なくとも1つが、1.60meq/gより高いイオン交換容量を有し、さらに、ブロック共重合体(I)を含有する構成電解質膜の少なくとも1つが、0.70〜1.60meq/gのイオン交換容量を有する請求項2に記載の電解質積層膜。   At least one of the constituent electrolyte membranes containing the block copolymer (I) has an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g, and at least one of the constituent electrolyte membranes containing the block copolymer (I) The electrolyte laminated film according to claim 2, wherein one has an ion exchange capacity of 0.70 to 1.60 meq / g. 前記電解質積層膜の構成電解質膜として少なくとも3つの高分子電解質膜を積層してなり、前記電解質積層膜の最外層をなす2つの構成電解質膜が、共に前記1.60meq/gより高いイオン交換容量を有する高分子電解質膜である請求項1記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminate film is formed by laminating at least three polymer electrolyte membranes as the constituent electrolyte membrane, and the two constituent electrolyte membranes constituting the outermost layer of the electrolyte laminate membrane both have an ion exchange capacity higher than 1.60 meq / g. The electrolyte laminated film according to claim 1, which is a polymer electrolyte film having 前記重合体ブロック(A)が芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰り返し単位とする重合体ブロックである請求項1記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the polymer block (A) is a polymer block having an aromatic vinyl compound unit as a main repeating unit. 前記重合体ブロック(A)に占める芳香族ビニル系化合物単位の割合が50質量%以上である請求項5記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 5, wherein a ratio of the aromatic vinyl compound unit in the polymer block (A) is 50% by mass or more. 前記重合体ブロック(A)が、実質的にイオン伝導性基を有さず拘束相として機能する拘束ブロック(A1)とイオン伝導性基を有するイオン伝導性ブロック(A2)からなる請求項1記載の電解質積層膜。   The said polymer block (A) consists of a restraint block (A1) which does not have an ion conductive group substantially, and functions as a restraint phase, and an ion conductive block (A2) which has an ion conductive group. Electrolyte laminated film. 前記重合体ブロック(A)において、前記拘束ブロック(A1)が、下記の一般式(a)
Figure 2010067743
(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立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のアルキル基を表す)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックであり、イオン伝導性ブロック(A2)が下記一般式(b)
Figure 2010067743
(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)で表される芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位として有する重合体ブロックである請求項7記載の電解質積層膜。
In the polymer block (A), the constraining block (A1) is represented by the following general formula (a):
Figure 2010067743
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, at least one of which is carbon (Representing an alkyl group of 1 to 8) as a main repeating unit, the ion conductive block (A2) is represented by the following general formula (b).
Figure 2010067743
(In the formula, Ar 1 represents an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have 1 to 3 substituents, and R 5 represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or 1 to 3). The electrolyte laminate according to claim 7, which is a polymer block having an aromatic vinyl compound unit represented by (optionally represented by an aryl group having 6 to 14 carbon atoms which may have one substituent) as a main repeating unit. film.
前記重合体ブロック(B)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なる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1記載の電解質積層膜。   The polymer block (B) 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 carbon number. 5 to 8 conjugated cycloalkadiene units, 7 to 10 vinylcycloalkene units in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated, 4 to 8 conjugated alkadiene units and carbon numbers The electrolyte laminated film according to claim 1, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from the group consisting of 5 to 8 conjugated cycloalkadiene units. 前記重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役アルカジエン単位、及び炭素−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種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項9記載の電解質積層膜。   The polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a conjugated alkadiene unit having 4 to 8 carbon atoms, and 4 to 8 carbon atoms in which a part or all of the carbon-carbon double bond is hydrogenated. The electrolyte laminate film according to claim 9, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated alkadiene units. 前記重合体ブロック(A1)と前記重合体ブロック(A2)との質量比が85:15〜20:80である請求項7記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 7, wherein a mass ratio of the polymer block (A1) to the polymer block (A2) is 85:15 to 20:80. 前記重合体ブロック(A)と前記重合体ブロック(B)との質量比が95:5〜5:95である請求項1記載の電解質積層膜。   The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein a mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) is 95: 5 to 5:95. 前記イオン伝導性基が−SOM又は−POHM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表される基である請求項1記載の電解質積層膜。The electrolyte laminated film according to claim 1, wherein the ion conductive group is a group represented by —SO 3 M or —PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion, or an alkali metal ion). 請求項1記載の電解質積層膜を含んでなる膜−電極接合体。   A membrane-electrode assembly comprising the electrolyte laminate film according to claim 1. 請求項14記載の膜−電極接合体を含んでなる固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 14.
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