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JP2005350658A - Polymer electrolyte material, and polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell produced by using the same - Google Patents

Polymer electrolyte material, and polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell produced by using the same Download PDF

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JP2005350658A
JP2005350658A JP2005131122A JP2005131122A JP2005350658A JP 2005350658 A JP2005350658 A JP 2005350658A JP 2005131122 A JP2005131122 A JP 2005131122A JP 2005131122 A JP2005131122 A JP 2005131122A JP 2005350658 A JP2005350658 A JP 2005350658A
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polymer
polymer electrolyte
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hydrocarbon
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Daisuke Izuhara
大輔 出原
Masaya Adachi
眞哉 足立
Masataka Nakamura
正孝 中村
Nobuaki Ito
伸明 伊藤
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Toray Industries Inc
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Toray Industries Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte material having excellent solvent resistance and high proton conductivity as well as low fuel crossover and giving a polymer electrolyte fuel cell achieving high output and high energy density, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell composed of the electrolyte material. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte material is at least composed of a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer wherein the haze of the polymer electrolyte material is ≤30% in hydrated state. The polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell are produced by using the polymer electrolyte material. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高出力および高エネルギー容量を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材ならびにそれを用いた高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte material excellent in practical use capable of achieving high output and high energy capacity, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the same. .

燃料電池は、排出物が少なく、かつ高エネルギー効率で環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low environmental burden. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

高分子電解質型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと記載する)も注目されている。DMFCは、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells that use hydrogen gas as fuel (hereinafter referred to as PEFC), direct methanol fuel cells that supply methanol directly (hereinafter referred to as DMFC) It is also attracting attention. Although the DMFC has a lower output than the conventional PEFC, the fuel is liquid and does not use a reformer. Therefore, the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long. is there.

燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソード間のイオン伝導体となる電解質膜とが、膜―電極複合体(MEA)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえば、高分子電解質型燃料電池のアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。   In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs and an electrolyte membrane serving as an ionic conductor between the anode and the cathode constitute a membrane-electrode complex (MEA), and this MEA is separated by a separator. The sandwiched cell is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode substrate (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. ing. For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as hydrogen gas reacts with a catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons flow to the polymer electrolyte membrane. Conducted with. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is reacted with protons conducted from the polymer electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material in the catalyst layer of the cathode electrode to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity.

特に、高分子電解質型燃料電池の中でも、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用高分子電解質膜においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFC用の高分子電解質膜に要求される性能に加えて、メタノールなどの燃料透過抑制も要求される。高分子電解質膜のメタノール透過は、メタノールクロスオーバー(MCO)、ケミカルショートとも呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率が低下するという問題を引き起こす。   In particular, among polymer electrolyte fuel cells, the polymer electrolyte membrane for DMFC using an organic solvent such as methanol as the fuel has the performance required for the conventional polymer electrolyte membrane for PEFC using hydrogen gas as the fuel. In addition, fuel permeation suppression such as methanol is also required. Methanol permeation of the polymer electrolyte membrane, also called methanol crossover (MCO) or chemical short, causes a problem that the battery output and energy efficiency are lowered.

これまで、高分子電解質型燃料電池の電解質膜においては、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーである“ナフィオン”(“Nafion”、デュポン社の登録商標。以下同様。)が用いられてきた。しかし、“ナフィオン”は多段階合成を経て製造されるパーフルオロ系ポリマーであるため非常に高価なものとなっており、かつ、クラスター構造を形成するために、水と親和性の高いメタノールなどの燃料が電解質膜を透過しやすい、すなわち燃料クロスオーバーが大きいという課題があった。また、膨潤によって膜の機械強度が低下するという問題、さらに、使用後の廃棄処理の問題や材料のリサイクルが困難といった課題もあった。そこで、これら高分子電解質型燃料電池の実用化のためには、安価で燃料クロスオーバーの抑制された高分子電解質材が市場から望まれていた。   In the past, for example, “Nafion” (“Nafion”, a registered trademark of DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, has been used in an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. However, “Nafion” is a perfluoro polymer produced through multi-step synthesis, so it is very expensive, and in order to form a cluster structure, it has a high affinity with water such as methanol. There is a problem that the fuel easily permeates the electrolyte membrane, that is, the fuel crossover is large. In addition, there is a problem that the mechanical strength of the film is reduced due to swelling, a problem of disposal treatment after use, and a problem that recycling of the material is difficult. Therefore, in order to put these polymer electrolyte fuel cells into practical use, polymer electrolyte materials that are inexpensive and have suppressed fuel crossover have been desired from the market.

非パーフルオロ系ポリマーをベースとした高分子電解質材についても既にいくつかの取り組みがなされている。1950年代には、スチレン系の陽イオン交換樹脂が検討された。しかしながら、通常燃料電池に使用する際の形態である膜としての強度が十分ではなかったため、十分な電池寿命を得るには至らなかった。   Some efforts have already been made on polymer electrolyte materials based on non-perfluoropolymers. In the 1950s, styrene-based cation exchange resins were studied. However, since the strength as a membrane, which is a form when used in a normal fuel cell, was not sufficient, a sufficient battery life could not be obtained.

スルホン化芳香族ポリエーテルエーテルケトンを高分子電解質材に用いた燃料電池の検討もなされている。例えば、有機溶媒に難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(以降、PEEKと略称することがある。)が、高度にスルホン化することにより有機溶媒に可溶となり成膜が容易になることが知られている(非特許文献1参照。)。しかしながら、これらのスルホン化PEEKは、同時に親水性も向上し、水溶性となったり、あるいは吸水時の強度低下などを引き起こす。燃料電池は、通常燃料と酸素の反応により水を副生するか、あるいはDMFCにおいては燃料自体がメタノール水溶液であることから、特にかかるスルホン化PEEKが水溶性となる場合にはそのまま燃料電池用電解質へ利用するには適さない。   A fuel cell using a sulfonated aromatic polyetheretherketone as a polymer electrolyte material has also been studied. For example, it is known that aromatic polyetheretherketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEEK), which is sparingly soluble in organic solvents, becomes soluble in organic solvents and becomes easy to form when highly sulfonated. (See Non-Patent Document 1). However, these sulfonated PEEKs simultaneously improve hydrophilicity, become water-soluble, or cause a decrease in strength during water absorption. The fuel cell usually produces water as a by-product by the reaction of fuel and oxygen, or in DMFC, the fuel itself is a methanol aqueous solution. Therefore, when such sulfonated PEEK becomes water-soluble, the electrolyte for the fuel cell is used as it is. Not suitable for use.

また、非特許文献2には芳香族ポリエーテルスルホンであるPSF(UDELP−1700)やPESのスルホン化物について記載されている(非特許文献2参照)。当該文献にはスルホン化PSFは完全に水溶性となり、電解質としての評価ができないと記載されている。また、当該文献においては、スルホン化PESは水溶性とはならないけれども、高吸水率の問題から架橋構造の導入を提案している。   Non-Patent Document 2 describes PSF (UDELP-1700), which is an aromatic polyethersulfone, and a sulfonated product of PES (see Non-Patent Document 2). This document describes that sulfonated PSF is completely water-soluble and cannot be evaluated as an electrolyte. Further, in this document, although sulfonated PES is not water-soluble, the introduction of a crosslinked structure is proposed because of the problem of high water absorption.

このように、これまで知られる高分子電解質材は、いずれも上述した高プロトン伝導性、燃料クロスオーバー抑制効果、経済性を全て同時に満たすものではなく、更に高度な要求を満たす高分子電解質材の開発が待ち望まれていた。   As described above, none of the polymer electrolyte materials known so far does not satisfy all of the above-mentioned high proton conductivity, fuel crossover suppression effect, and economic efficiency, but is a polymer electrolyte material that satisfies higher requirements. Development was awaited.

この要求を満足させるための試みとして、イオン性基を有するポリマーと他のポリマーとの複合も提案されている。この方法は単純で共重合、又はIPN(Interpenetrating Polymer Network)といった方法よりも便利な技術である。分子レベルで混合された均一な高分子ブレンド物は、元の複数のポリマーのいずれとも性質の全く異なる新しい材料を生み出す可能性を有している。しかし、異なる高分子が均一に混じり合うのは大変まれである。概して、同一の溶媒を使用して調製されたとしても、高分子は均一に混合しないものである。なかでも、イオン性基を有するポリマーは通常親水性であり、一方メタノールなどの燃料水溶液中での膨潤を抑制可能なポリマーは疎水性であることから、これら異なる2種類のポリマーが均一に混じり合うといった例はこれまで公表されていない。   As an attempt to satisfy this requirement, a composite of a polymer having an ionic group and another polymer has been proposed. This method is simple and more convenient than copolymerization or IPN (Interpenetrating Polymer Network). Uniform polymer blends mixed at the molecular level have the potential to create new materials that are completely different in nature from any of the original polymers. However, it is very rare for different polymers to mix uniformly. In general, polymers are not homogeneously mixed even if prepared using the same solvent. Among them, the polymer having an ionic group is usually hydrophilic, while the polymer capable of suppressing swelling in an aqueous fuel solution such as methanol is hydrophobic, so that these two different polymers are uniformly mixed. Such an example has not been published so far.

また、高分子が均一に混合しない場合、ブレンド物は相分離して不十分な機械強度をもたらす。たとえミクロな相分離であっても、ほとんどの場合に不十分な相互作用が相間で生じるか、あるいは元の高分子の性質が反映され、十分な燃料クロスオーバー抑制効果が得られない。   Also, if the polymers do not mix uniformly, the blend will phase separate resulting in insufficient mechanical strength. Even in the case of micro phase separation, in most cases, insufficient interaction occurs between phases, or the properties of the original polymer are reflected, and a sufficient fuel crossover suppression effect cannot be obtained.

ブレンド高分子電解質材についても既にいくつかの取り組みがなされている。例えば、スルホン化ポリフェニレンオキシド(以降、S−PPOと略称することがある。)とポリフッ化ビニリデン(以降、PVDFと略称することがある。)を様々な混合比でブレンドした高分子電解質材が紹介されている(特許文献1)。また、スルホン酸基を有するブロック共重合体と芳香族ポリイミドをブレンドした高分子電解質材も紹介されている(特許文献2)。しかし、当該文献中でこれらのブレンド電解質材は半透明あるいは白色あるいは淡黄色不透明であると記載され、メタノールクロスオーバー等についての記述はないが、このような相分離構造を有し、ヘーズの大きいブレンド電解質材では我々の知る限り、十分なメタノールクロスオーバー抑制効果は期待できない。   Some efforts have already been made for blended polymer electrolyte materials. For example, a polymer electrolyte material in which sulfonated polyphenylene oxide (hereinafter sometimes abbreviated as S-PPO) and polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes abbreviated as PVDF) are blended at various mixing ratios is introduced. (Patent Document 1). A polymer electrolyte material obtained by blending a block copolymer having a sulfonic acid group and an aromatic polyimide has also been introduced (Patent Document 2). However, in this document, these blend electrolyte materials are described as being translucent, white or light yellow opaque, and there is no description about methanol crossover, etc., but having such a phase separation structure and large haze. As far as we know, blend electrolyte materials cannot be expected to have a sufficient methanol crossover suppression effect.

さらに、燃料電池は、通常電極層上に高分子電解質材が形成されてなるものである。従来、電極と高分子電解質材とを一体形成するには、予め水素還元触媒を担持したカーボンを調製し、その触媒ペーストをカーボンペーパーに塗布、熱処理した電極層を形成し、フィルム状の高分子電解質材を2枚の電極層で挟みホットプレスで成形して、アノード/高分子電解質膜/カソードの三層接合を行っていた。   Furthermore, a fuel cell is usually formed by forming a polymer electrolyte material on an electrode layer. Conventionally, in order to integrally form an electrode and a polymer electrolyte material, a carbon carrying a hydrogen reduction catalyst is prepared in advance, the catalyst paste is applied to carbon paper, a heat treated electrode layer is formed, and a film-like polymer is formed. The electrolyte material was sandwiched between two electrode layers and molded by hot pressing to perform three-layer joining of anode / polymer electrolyte membrane / cathode.

しかし、このような三層接合方法では、各層の密着性に劣る、三層の一体化に時間がかかる、1層ごと個別に形成するため量産化には適していないなどの技術上の問題があった。また、炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材は、該ポリマーの熱可塑性が不十分であり、電極層との界面抵抗が大きく、十分な発電特性が得られないという問題もあった。   However, in such a three-layer joining method, there are technical problems such as inferior adhesion of each layer, and it takes time to integrate the three layers, and each layer is formed individually and is not suitable for mass production. there were. In addition, the polymer electrolyte material based on a hydrocarbon-based polymer has a problem that the thermoplasticity of the polymer is insufficient, the interface resistance with the electrode layer is large, and sufficient power generation characteristics cannot be obtained.

そこで、高分子電解質膜を形成した後、触媒ペーストを高分子電解質膜上に塗布し、乾燥することによる方法が提案されている。しかしながら、前述した炭化水素系ポリマーをベースとした高分子電解質材は、触媒ペーストを塗布した際に、膜が溶解したり、あるいはクラックや変形が発生し、発電性能が十分に発現しないという不具合があった。このことから、高分子電解質型燃料電池の実用化のためには、安価で、成形加工が容易でありながら、耐溶剤性にも優れた高分子電解質材の開発も望まれていた。
「ポリマー」(Polymer), 1987, vol. 28, 1009. 「ジャーナル オブ メンブレン サイエンス」 (Journal of Membrane Science), 83 (1993) 211-220. 特開2002−294087号公報 特開2002−260687号公報
Therefore, a method has been proposed in which after the polymer electrolyte membrane is formed, a catalyst paste is applied onto the polymer electrolyte membrane and dried. However, the above-mentioned polymer electrolyte material based on a hydrocarbon-based polymer has a problem that when the catalyst paste is applied, the film dissolves or cracks or deformation occurs, and the power generation performance is not sufficiently exhibited. there were. For this reason, in order to put a polymer electrolyte fuel cell into practical use, it has been desired to develop a polymer electrolyte material that is inexpensive, easy to mold, and excellent in solvent resistance.
"Polymer", 1987, vol. 28, 1009. "Journal of Membrane Science", 83 (1993) 211-220. JP 2002-294087 A JP 2002-260687 A

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐溶剤性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度を達成することができる高分子電解質材、およびそれからなる高分子電解質膜、膜電極複合体ならびに高分子電解質型燃料電池を提供せんとするものである。   In view of the background of the prior art, the present invention achieves both high proton conductivity and low fuel crossover, excellent solvent resistance, and high output and high energy density when used as a polymer electrolyte fuel cell. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte material that can be achieved, and a polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell comprising the same.

本発明は、上記課題を解決するため次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の高分子電解質材は、少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーからなる高分子電解質材であって、該高分子電解質材の含水状態のヘーズが30%以下であることを特徴とするものである。また、本発明の高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池は、かかる高分子電解質材を用いて構成されていることを特徴とするものである。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the polymer electrolyte material of the present invention is a polymer electrolyte material comprising at least a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer, and the haze of the water content of the polymer electrolyte material is 30% or less. It is characterized by being. In addition, the polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly, and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention are configured using such a polymer electrolyte material.

本発明によれば、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐溶剤性に優れた、高出力および高エネルギー容量を達成することができる実用性に優れた高分子電解質材およびその製造方法、ならびにそれを用いた高性能な高分子電解質膜、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a polymer electrolyte material excellent in practicality capable of achieving a high output and a high energy capacity, which has both high proton conductivity and low fuel crossover, excellent solvent resistance, and production thereof It is possible to provide a method, and a high-performance polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the method.

本発明は、前記課題、つまり高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立し、耐溶剤性に優れる上に、高分子電解質型燃料電池としたときに高出力、高エネルギー密度を達成することができる高分子電解質材について、鋭意検討し、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーとを少なくとも含んで構成されてなる高分子電解質材において、該高分子電解質材が、含水状態で透明に近いか、または、温溶媒中で不溶性を示すものである場合、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。   The present invention achieves the above-mentioned problems, that is, high proton conductivity and low fuel crossover, excellent solvent resistance, and achieves high output and high energy density when used as a polymer electrolyte fuel cell. In the polymer electrolyte material comprising at least a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer, the polymer electrolyte material is transparent in a water-containing state. It has been sought to solve such a problem all at once when it is close to or insoluble in a hot solvent.

本発明の高分子電解質材は、少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーからなり、その高分子電解質材の含水状態におけるヘーズが30%以下であることを特徴とするものである。   The polymer electrolyte material of the present invention is characterized by comprising at least a hydrocarbon-based polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer, and the haze of the polymer electrolyte material in a water-containing state is 30% or less. .

本発明者らは、少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーからなり、含水状態のヘーズが30%以下である高分子電解質材が、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制の両立に有効であること、および前記高分子電解質材の膜性能が高分子電解質材の均一性や透明性、すなわち含水状態のヘーズによって左右されることを見出し、本発明に到達した。   The inventors of the present invention provide a polymer electrolyte material comprising at least a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer, and having a water-containing haze of 30% or less, achieving both high proton conductivity and suppression of fuel crossover. And the membrane performance of the polymer electrolyte material was found to be influenced by the uniformity and transparency of the polymer electrolyte material, that is, the haze in a water-containing state, and the present invention was reached.

本発明でいう含水状態のヘーズとは、次のようにして測定した値とする。試料としては、含水状態、すなわち25℃の純水中に24時間浸漬した高分子電解質膜を使用し、表面の水滴を拭き取った後、全自動直読ヘーズコンピューター(スガ試験機(株)社製:HGM−2DP)によって測定した値である。なお、膜厚は10〜500μmの範囲で任意に選択することができる。   The water-containing haze as used in the present invention is a value measured as follows. As a sample, a polymer electrolyte membrane immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours was used as a sample. After wiping off water droplets on the surface, a fully automatic direct reading haze computer (manufactured by Suga Test Instruments Co., Ltd.): HGM-2DP). The film thickness can be arbitrarily selected within the range of 10 to 500 μm.

また、本発明でいうイオン性基を有する炭化水素系ポリマーとは、パーフルオロ系ポリマー以外のイオン性基を有するポリマーのことを意味している。ここで、パーフルオロ系ポリマーとは、該ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。本明細書においては、ポリマー中のアルキル基および/またはアルキレン基の水素の85%以上がフッ素原子で置換されたポリマーを、パーフルオロ系ポリマーと定義する。本発明のイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの代表例としては、Nafion(R)(デュポン社製)、フレミオン(R)(旭硝子社製)およびアシプレックス(R)(旭化成社製)などの市販品を挙げることができる。これらのイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーの構造は下記一般式(N1)で表すことができる。   Further, the hydrocarbon polymer having an ionic group in the present invention means a polymer having an ionic group other than a perfluoro polymer. Here, the perfluoro polymer means a polymer in which most or all of the hydrogen atoms of the alkyl group and / or alkylene group in the polymer are substituted with fluorine atoms. In the present specification, a polymer in which 85% or more of hydrogen of an alkyl group and / or an alkylene group in a polymer is substituted with a fluorine atom is defined as a perfluoro polymer. Representative examples of the perfluoro polymer having an ionic group of the present invention include Nafion (R) (manufactured by DuPont), Flemion (R) (manufactured by Asahi Glass) and Aciplex (R) (manufactured by Asahi Kasei). A commercial item can be mentioned. The structure of the perfluoro polymer having these ionic groups can be represented by the following general formula (N1).

Figure 2005350658
Figure 2005350658

[式(N1)中、n1、n2はそれぞれ独立に自然数を表す。k1およびk2はそれぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
これらイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーは、ポリマー中の疎水性部分と親水性部分が明確な相構造を形成するために、含水状態ではポリマー中にクラスターと呼ばれる水のチャンネルが形成される。この水チャンネル中はメタノールなどの燃料の移動が容易であり、燃料クロスオーバー低減が望めない。
[In formula (N1), n 1 and n 2 each independently represents a natural number. k 1 and k 2 each independently represent an integer of 0 to 5. ]
In the perfluoro-based polymer having these ionic groups, a hydrophobic portion and a hydrophilic portion in the polymer form a clear phase structure, so that a water channel called a cluster is formed in the polymer in a water-containing state. In such a water channel, fuel such as methanol can easily move, and a reduction in fuel crossover cannot be expected.

一方、本発明は少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーからなり、含水状態のヘーズを30%以下に抑えることにより、高プロトン伝導度と低燃料クロスオーバーを両立しうるものである。本発明の高分子電解質材において、メタノールなどの燃料クロスオーバー低減が達成された要因は現段階で明確ではないが、次のように推測される。つまり、通常容易にメタノールなどの燃料水溶液に膨潤してしまうイオン性基を有するポリマーの分子鎖が、メタノールなどの燃料水溶液に全く膨潤しない、剛直な複素環状ポリマーに分子レベルで混和されることにより、分子レベルで拘束され、高分子電解質材のメタノールなどの燃料水溶液に対する膨潤が抑制されて燃料クロスオーバーが低減し、膜の強度低下も抑えられるものと推測される。   On the other hand, the present invention comprises at least a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer, and can suppress both the water content haze to 30% or less, and can achieve both high proton conductivity and low fuel crossover. is there. In the polymer electrolyte material of the present invention, the cause of the fuel crossover reduction such as methanol is not clear at this stage, but is presumed as follows. That is, the molecular chain of a polymer having an ionic group that easily swells in an aqueous fuel solution such as methanol is mixed with a rigid heterocyclic polymer that does not swell at all in an aqueous fuel solution such as methanol at the molecular level. It is presumed that the polymer electrolyte is restrained at the molecular level, the swelling of the polymer electrolyte material with respect to the aqueous fuel solution such as methanol is suppressed, the fuel crossover is reduced, and the strength of the membrane is also suppressed.

すなわち、従来のイオン性基を有するポリマーを単独で高分子電解質材として用いた場合、プロトン伝導性を高めるためにイオン性基の含有量を増加すると、高分子電解質材が膨潤し、内部に大きな水のクラスターができ易く、高分子電解質材中にいわゆる自由水が多くなる。かかる自由水中には、メタノールなどの燃料の移動が容易に行なわれるため、メタノールなどの燃料クロスオーバーは抑制され難い。   That is, when a conventional polymer having an ionic group is used alone as a polymer electrolyte material, if the content of the ionic group is increased in order to increase proton conductivity, the polymer electrolyte material swells and a large amount is formed inside. Water clusters are easily formed, and so-called free water increases in the polymer electrolyte material. In such free water, the movement of fuel such as methanol is easily performed, so that the crossover of fuel such as methanol is difficult to be suppressed.

本発明のイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーからなる高分子電解質材は、これら両方のポリマーを相溶させるために、必要に応じて相溶化剤を混合するのが好ましい。すなわち、本発明の高分子電解質材は、光学的透明性などの特性に関して均質性を示すことが期待されるので、その含水状態のヘーズを30%以下に制御する必要があり、さらに、プロトン伝導性および燃料クロスオーバー抑制効果の点からより好ましくは、該含水状態のヘーズを20%以下に制御するのがよい。かかる含水状態のヘーズが30%を越える場合には、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと、複素環状ポリマーは均一に混合せず、相分離したりし、これらの相間の影響か、あるいは元のイオン性基を有するポリマーの性質が反映され、十分なプロトン伝導性、燃料クロスオーバー抑制効果、耐溶剤性が得られない。また、前記複素環状ポリマーの性質も反映され、十分なプロトン伝導性が得られない場合もある。また、膜電極複合体作製時の高分子電解質膜に対するアノード電極とカソード電極の位置決めの観点からも、高分子電解質膜は含水状態のヘーズが30%以下のものがより好ましく用いられる。   The polymer electrolyte material composed of the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer of the present invention is preferably mixed with a compatibilizing agent as necessary in order to make both of these polymers compatible. That is, since the polymer electrolyte material of the present invention is expected to exhibit homogeneity with respect to characteristics such as optical transparency, it is necessary to control the haze of its water content to 30% or less, and further, proton conduction More preferably, the haze in the water-containing state is controlled to 20% or less from the viewpoint of the property and the effect of suppressing the fuel crossover. When the haze in the water-containing state exceeds 30%, the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer are not uniformly mixed and phase-separated, the influence between these phases, or the original The properties of the polymer having an ionic group are reflected, and sufficient proton conductivity, fuel crossover suppressing effect, and solvent resistance cannot be obtained. In addition, the properties of the heterocyclic polymer are also reflected, and sufficient proton conductivity may not be obtained. Further, from the viewpoint of positioning of the anode electrode and the cathode electrode with respect to the polymer electrolyte membrane during the production of the membrane electrode composite, it is more preferable to use a polymer electrolyte membrane having a water-containing haze of 30% or less.

かかる本発明の高分子電解質材は、製造コストおよび燃料クロスオーバー抑制効果の点から、耐溶剤性に優れる、すわわち50℃のN−メチルピロリドンに5時間浸漬後の重量減が30重量%以下であることがより好ましい。さらに好ましくは、重量減が20重量%以下である。重量減が30%を越える場合は、燃料クロスオーバー抑制効果が不十分であったり、高分子電解質膜に直接、触媒ペーストを塗工して膜電極複合体を作製することが困難となり、製造コストが増大するだけでなく、触媒層との界面抵抗が大きくなり、十分な発電特性が得られない場合がある。   Such a polymer electrolyte material of the present invention is excellent in solvent resistance from the viewpoint of production cost and fuel crossover suppression effect, that is, a weight loss after being immersed in N-methylpyrrolidone at 50 ° C. for 5 hours is 30% by weight. The following is more preferable. More preferably, the weight loss is 20% by weight or less. If the weight loss exceeds 30%, the fuel crossover suppression effect is insufficient, or it becomes difficult to apply a catalyst paste directly to the polymer electrolyte membrane to produce a membrane electrode assembly, resulting in production costs. Not only increases, but also the interface resistance with the catalyst layer increases, and sufficient power generation characteristics may not be obtained.

かかる高分子電解質材のN−メチルピロリドンに対する重量減は、次の方法で測定する。   The weight loss of the polymer electrolyte material relative to N-methylpyrrolidone is measured by the following method.

すなわち、検体となる高分子電解質材(約0.1g)を純水で洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定する。高分子電解質材を1000倍重量のN−メチルピロリドンに浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら50℃、5時間加熱する。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行う。濾過時に1000倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させる。残渣を40℃で24時間真空乾燥して重量を測定することにより、重量減を算出する。 That is, a polymer electrolyte material (about 0.1 g) serving as a specimen is washed with pure water and then vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer electrolyte material was immersed in N- methylpyrrolidone 1000 times by weight, in a closed vessel, with stirring 50 ° C., heated for 5 hours. Next, filtration is performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. At the time of filtration, the filter paper and the residue are washed with the same solvent 1000 times weight, and the eluate is sufficiently eluted in the solvent. Weight loss is calculated by vacuum drying the residue at 40 ° C. for 24 hours and measuring the weight.

ところで、通常、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーは、イオン性基の耐熱性の低さから溶融製膜が困難であるため、膜の製造コストや成形加工の容易さの点から、溶液製膜で製膜することが好ましく、溶剤に可溶性であることが好ましいものである。   By the way, normally, hydrocarbon polymers having ionic groups are difficult to melt and form due to the low heat resistance of the ionic groups. It is preferable to form a film, and it is preferable to be soluble in a solvent.

一方、高分子電解質膜に触媒層を設ける方法としては、高分子電解質膜に直接、触媒ペーストを塗工する方法が、界面抵抗低減の点から通常より好ましいと考えられるが、その際、耐溶剤性に劣る高分子電解質膜である場合には、膜が溶解したり、クラックあるいは変形が起き、本来の膜性能が発現できない場合が多い。さらに、高分子電解質膜を積層膜にする場合には、高分子電解質膜に直接、次のポリマー溶液を塗工する方法が広く採用されるが、同様に膜が溶解あるいは変形し、本来の膜性能が発現できないという問題があった。   On the other hand, as a method for providing a catalyst layer on the polymer electrolyte membrane, a method of directly applying a catalyst paste to the polymer electrolyte membrane is considered to be more preferable from the viewpoint of reducing interface resistance. When the polymer electrolyte membrane is inferior in properties, the membrane often dissolves, cracks or deforms, and the original membrane performance cannot be expressed in many cases. Furthermore, when the polymer electrolyte membrane is a laminated film, a method of directly applying the following polymer solution directly to the polymer electrolyte membrane is widely adopted. There was a problem that performance could not be expressed.

これに対して、本発明の耐溶剤性に優れる高分子電解質材は、N−メチルピロリドンに対してほとんど膨潤すらしないものであり、触媒層との界面抵抗も低減でき、かつ製造コストを大幅に低減できる優れた高分子電解質材となると考えられる。   On the other hand, the polymer electrolyte material excellent in solvent resistance of the present invention hardly swells with respect to N-methylpyrrolidone, can reduce the interface resistance with the catalyst layer, and greatly increases the production cost. This is considered to be an excellent polymer electrolyte material that can be reduced.

本発明の高分子電解質材において、前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記複素環状ポリマーの組成比率は、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと前記複素環状ポリマーの合計量に対して、複素環状ポリマーを20〜80重量%含むことがより好ましい。複素環状ポリマーを20重量%未満しか含まない場合には、燃料クロスオーバー抑制効果や耐溶剤性が不足する場合があり、80重量%を越えて含む場合には、十分なプロトン伝導度が得られない傾向がある。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the composition ratio of the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer is based on the total amount of the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer. More preferably, it contains 20 to 80% by weight of the heterocyclic polymer. If the amount of the heterocyclic polymer is less than 20% by weight, the fuel crossover suppressing effect and the solvent resistance may be insufficient. If the amount exceeds 80% by weight, sufficient proton conductivity is obtained. There is no tendency.

次に、本発明に使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーについて説明する。なお、本発明においては、かかるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーは2種以上のポリマーを同時に使用しても構わない。   Next, the hydrocarbon polymer having an ionic group used in the present invention will be described. In the present invention, as the hydrocarbon polymer having such an ionic group, two or more kinds of polymers may be used simultaneously.

本発明に使用されるイオン性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基は下記一般式(f1)で表される基、スルホンイミド基は下記一般式(f2)で表される基[式中Rは任意の原子団を表す。]、硫酸基は下記一般式(f3)で表される基、ホスホン酸基は下記一般式(f4)で表される基、リン酸基は下記一般式(f5)または(f6)で表される基、カルボン酸基は下記一般式(f7)で表される基を意味する。   The ionic group used in the present invention is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but is preferably one having proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is a group represented by the following general formula (f1), the sulfonimide group is a group represented by the following general formula (f2) [wherein R represents an arbitrary atomic group. The sulfuric acid group is represented by the following general formula (f3), the phosphonic acid group is represented by the following general formula (f4), and the phosphoric acid group is represented by the following general formula (f5) or (f6). And the carboxylic acid group means a group represented by the following general formula (f7).

Figure 2005350658
Figure 2005350658

かかるイオン性基は前記官能基(f1)〜(f7)が塩となっている場合を含むものとする。前記塩を形成するカチオンとしては、任意の金属カチオン、NR4 +(Rは任意の有機基)等を例として挙げることができる。金属カチオンの場合、その価数等特に限定されるものではなく、使用することができる。好ましい金属イオンの具体例を挙げるとすれば、Li、Na、K、Rh、Mg、Ca、Sr、Ti、Al、Fe、Pt、Rh、Ru、Ir、Pd等が挙げられる。中でも、高分子電解質材としては、安価で、容易にプロトン置換可能なNa、Kがより好ましく使用される。 Such ionic groups include cases where the functional groups (f1) to (f7) are salts. Examples of the cation forming the salt include an arbitrary metal cation, NR 4 + (R is an arbitrary organic group), and the like. In the case of a metal cation, the valence and the like are not particularly limited and can be used. Specific examples of preferable metal ions include Li, Na, K, Rh, Mg, Ca, Sr, Ti, Al, Fe, Pt, Rh, Ru, Ir, and Pd. Among these, Na and K which are inexpensive and can be easily proton-substituted are more preferably used as the polymer electrolyte material.

これらのイオン性基は前記高分子電解質材中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基を有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。   Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer electrolyte material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

高分子電解質材中のスルホン酸基の量は、スルホン酸基密度(mmol/g)の値として示すことができる。本発明における高分子電解質材のスルホン酸基密度は、プロトン伝導性および燃料クロスオーバー、機械強度の点から0.1〜5.0mmol/gであることが好ましく、さらに好ましくは、0.5〜3.0mmol/g、燃料クロスオーバーの点から最も好ましくは0.8〜2.0mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.1mmol/gより低いと、プロトン伝導性が低いため十分な発電特性が得られないことがあり、5.0mmol/gより高いと燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な耐水性および含水時の機械的強度が得られないことがある。   The amount of sulfonic acid group in the polymer electrolyte material can be shown as a value of sulfonic acid group density (mmol / g). The sulfonic acid group density of the polymer electrolyte material in the present invention is preferably 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably 0.5 to 5.0 in terms of proton conductivity, fuel crossover, and mechanical strength. 3.0 mmol / g, and most preferably 0.8 to 2.0 mmol / g from the point of fuel crossover. When the sulfonic acid group density is lower than 0.1 mmol / g, sufficient proton generation characteristics may not be obtained due to low proton conductivity. In addition, sufficient water resistance and mechanical strength when containing water may not be obtained.

ここで、スルホン酸基密度とは、高分子電解質材1グラムあたりに導入されたスルホン酸基のモル数であり、値が大きいほどスルホン酸基の量が多いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定により求めることが可能である。これらの中でも測定の容易さから、元素分析法を用いることが好ましいが、スルホン酸基以外の硫黄源を含む場合などは、中和滴定法によりスルホン酸基密度を求めることもできる。   Here, the sulfonic acid group density is the number of moles of sulfonic acid groups introduced per gram of the polymer electrolyte material, and the larger the value, the greater the amount of sulfonic acid groups. The sulfonic acid group density can be determined by elemental analysis or neutralization titration. Among these, the elemental analysis method is preferably used from the viewpoint of easiness of measurement, but when a sulfur source other than the sulfonic acid group is included, the sulfonic acid group density can also be obtained by a neutralization titration method.

本発明に使用されるイオン性基を有するポリマーとしては、燃料クロスオーバー抑制効果および製造コストの点で、炭化水素系ポリマーがより好ましく用いられる。“ナフィオン”(R)(デュポン社製)のようなパーフルオロ系ポリマーを用いた場合には、前述の通り、高価な上、クラスター構造を形成するために、燃料クロスオーバー抑制効果に限界があり、高エネルギー容量を必要とされる高分子電解質型燃料電池の実用化は非常に困難となる。   As the polymer having an ionic group used in the present invention, a hydrocarbon-based polymer is more preferably used from the viewpoint of the fuel crossover suppressing effect and the production cost. When a perfluoro-based polymer such as “Nafion” (R) (manufactured by DuPont) is used, as described above, it is expensive and has a limit to the fuel crossover suppression effect because it forms a cluster structure. Therefore, it is very difficult to put a polymer electrolyte fuel cell that requires a high energy capacity into practical use.

また、本発明に使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーとしては、成形加工の容易さおよび製造コストの点から、溶剤可溶性の非架橋ポリマーがより好ましく用いられる。   In addition, as the hydrocarbon-based polymer having an ionic group used in the present invention, a solvent-soluble non-crosslinked polymer is more preferably used from the viewpoint of ease of molding and production cost.

ここで、架橋ポリマーとは、熱に対しての流動性が実質的に無いポリマーか、溶剤に対して実質的に不溶のポリマーを意味する。また、非架橋ポリマーとは架橋ポリマーでないことを意味する。その判定は、以下の方法でするものとする。   Here, the cross-linked polymer means a polymer that has substantially no fluidity to heat or a polymer that is substantially insoluble in a solvent. Further, the non-crosslinked polymer means that it is not a crosslinked polymer. The determination is made by the following method.

検体となるポリマー(約0.1g)を純水で洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定する。ポリマーを100倍重量の溶剤に浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら70℃、40時間加熱する。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行う。濾過時に100倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させる。濾液を乾固させ、溶出分の重量を求める。溶出重量が初期重量の10%未満の場合は、その溶剤に対して実質的に不溶と判定する。この試験をトルエン、ヘキサン、N−メチルピロリドン、メタノールおよび水の5種類の溶剤について行い、全ての溶剤で実質的に不溶と判定された場合に、そのポリマーは架橋ポリマーであるとして判定し、架橋ポリマーでないものを非架橋ポリマーと判定する。   A sample polymer (about 0.1 g) is washed with pure water and then vacuum dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer is immersed in a 100-fold weight solvent and heated in a sealed container at 70 ° C. for 40 hours with stirring. Next, filtration is performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. During filtration, the filter paper and the residue are washed with the same solvent of 100 times weight, and the eluate is sufficiently eluted in the solvent. Dry the filtrate and determine the weight of the elution. When the elution weight is less than 10% of the initial weight, it is determined to be substantially insoluble in the solvent. This test was carried out for five types of solvents such as toluene, hexane, N-methylpyrrolidone, methanol and water. When it was determined that all the solvents were substantially insoluble, the polymer was determined to be a crosslinked polymer, Those that are not polymers are determined as non-crosslinked polymers.

イオン性基を有する炭化水素系ポリマーの例を以下(E−1)および(E−2)に例示する。
(E−1)ビニル重合系モノマーから得られる高分子
例えばアクリル酸、メタアクリル酸、ビニル安息香酸、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、マレイン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スルホプロピル(メタ)アクリレート、エチレングリコールメタクリレートホスフェートなどに代表されるイオン性基を有するビニル重合系モノマーから得られる高分子が挙げられる。このようなイオン性基を有するビニル重合系モノマーとイオン性基を持たないモノマーを共重合させた高分子も好適である。
Examples of the hydrocarbon polymer having an ionic group are illustrated in (E-1) and (E-2) below.
(E-1) Polymer obtained from vinyl polymerization monomer, for example, acrylic acid, methacrylic acid, vinyl benzoic acid, vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, maleic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfone Examples thereof include a polymer obtained from a vinyl polymerization monomer having an ionic group represented by acid, sulfopropyl (meth) acrylate, ethylene glycol methacrylate phosphate and the like. A polymer obtained by copolymerizing such a vinyl polymerization monomer having an ionic group and a monomer having no ionic group is also suitable.

かかるイオン性基を持たないモノマーとしては、ビニル重合性官能基を有する化合物であれば特に限定なく用いることができる。好ましくは(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチルなどの(メタ)アクリル酸エステル系化合物、スチレン、α−メチルスチレン、アミノスチレン、クロロメチルスチレンなどのスチレン系化合物、(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N−アクリロイルモルホリン、N−メチルアクリルアミドなどの(メタ)アクリルアミド系化合物、N−フェニルマレイミド、N−ベンジルマレイミド、N−シクロヘキシルマレイミド、N−イソプロピルマレイミドなどのマレイミド系化合物等が挙げられる。   As the monomer having no ionic group, any compound having a vinyl polymerizable functional group can be used without particular limitation. Preferably methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, dodecyl (meth) acrylate, (meth) acrylic (Meth) acrylic acid ester compounds such as benzyl acid, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, styrene compounds such as styrene, α-methylstyrene, aminostyrene, chloromethylstyrene, (meth) acrylonitrile, (meth) Males such as (meth) acrylamide compounds such as acrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N-acryloylmorpholine, N-methylacrylamide, N-phenylmaleimide, N-benzylmaleimide, N-cyclohexylmaleimide, N-isopropylmaleimide Bromide based compounds.

また、イオン性基を持たないビニル重合系モノマーから得られる高分子にイオン性基を導入した高分子も好適である。イオン性基を導入する方法については公知の方法を適用できるが、例を挙げると、まず、ホスホン酸基の導入は、例えば Polymer Preprints, Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。つぎに、リン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する高分子のリン酸エステル化によって可能である。カルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する高分子を酸化することによって可能である。硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する高分子の硫酸エステル化によって可能である。スルホン酸基を導入する方法としては、例えば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。具体的には、例えば、高分子をクロロホルム等のハロゲン化炭化水素系溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。かかるスルホン化剤には高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。また例えばエポキシ基を有する高分子の場合には J. Electrochem. Soc., Vol.143, No.9, 2795-2799(1996) に記載の方法によってスルホン化することができる。これらの方法により高分子をスルホン化する場合におけるスルホン化の度合いは、スルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御することができる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。   A polymer obtained by introducing an ionic group into a polymer obtained from a vinyl polymerization monomer having no ionic group is also suitable. As a method for introducing an ionic group, a known method can be applied. For example, first, a phosphonic acid group can be introduced by a method described in Polymer Preprints, Japan, 51, 750 (2002), etc. It is. Next, introduction of a phosphate group is possible by, for example, phosphoric esterification of a polymer having a hydroxyl group. Carboxylic acid groups can be introduced, for example, by oxidizing a polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group. The introduction of a sulfate group is possible by, for example, sulfate esterification of a polymer having a hydroxyl group. As a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 is known. Specifically, for example, the polymer is sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a halogenated hydrocarbon solvent such as chloroform, or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. Can do. The sulfonating agent is not particularly limited as long as it can sulfonate a polymer, and in addition to the above, sulfur trioxide and the like can be used. For example, a polymer having an epoxy group can be sulfonated by the method described in J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 9, 2795-2799 (1996). When the polymer is sulfonated by these methods, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.

かかるイオン性基を有するポリマーが架橋ポリマーであれば、燃料クロスオーバー抑制のためには有利であるが、製造コストが高くなる場合が多い。ビニル重合系モノマーから得られる高分子を架橋させる場合には、ビニル重合系モノマーの中で重合性官能基を複数有するものを架橋剤として共重合させればよい。ビニル重合系モノマーの中でビニル重合性官能基を複数有するものを一部例示すれば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールポリ(メタ)アクリレートなどの(メタ)アクリル酸エステル系化合物、ジビルベンゼン、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェニルなどのスチレン系化合物、メチレンビス(メタ)アクリルアミドなどの(メタ)アクリルアミド系化合物、フェニレンビスマレイミド、p,p’−オキシビス(フェニル−N−マレイミド)などのマレイミド系化合物等である。   If the polymer having such an ionic group is a crosslinked polymer, it is advantageous for suppressing fuel crossover, but the production cost is often increased. When the polymer obtained from the vinyl polymerization monomer is crosslinked, a vinyl polymerization monomer having a plurality of polymerizable functional groups may be copolymerized as a crosslinking agent. Some examples of vinyl polymerization monomers having a plurality of vinyl polymerizable functional groups include ethylene glycol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate, polyethylene glycol di (Meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, dipropylene glycol di (meth) acrylate, tripropylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, pentaerythritol (Meth) acrylate compounds such as tetra (meth) acrylate and dipentaerythritol poly (meth) acrylate, dibilbenzene, divinylnaphthalene, dibi Styrene compounds such as Le biphenyl, methylenebis (meth) acrylamide (meth) acrylamide compound, phenylene bismaleimide, p, p'-oxybis (phenyl -N- maleimide) a maleimide-based compounds such as.

かかるビニル重合系モノマーから得られるポリマーを製造する場合には、モノマー組成物には、重合をしやすくするために、パーオキサイド系やアゾ系に代表される熱重合開始剤や、光重合開始剤が添加されるのが一般的である。   In the case of producing a polymer obtained from such a vinyl polymerization monomer, the monomer composition includes a thermal polymerization initiator typified by a peroxide type or an azo type, or a photopolymerization initiator in order to facilitate polymerization. Is generally added.

熱重合を行う場合は、所望の反応温度に対して最適な分解特性を有するものを選択して使用する。一般的には10時間半減期温度が40〜100℃の過酸化物系開始剤が好適であり、かかる開始剤によりひび割れのない高分子電解質材を製造することができる。   In the case of performing thermal polymerization, one having an optimum decomposition characteristic for a desired reaction temperature is selected and used. In general, a peroxide-based initiator having a 10-hour half-life temperature of 40 to 100 ° C. is suitable, and a polymer electrolyte material free from cracks can be produced with such an initiator.

光重合開始剤としては、ベンゾフェノンのようなカルボニル化合物とアミン併用系や、メルカプタン化合物、ジスルフィド化合物などを挙げることができる。   Examples of the photopolymerization initiator include a carbonyl compound such as benzophenone and an amine combined system, a mercaptan compound, a disulfide compound, and the like.

これらの重合開始剤は単独または混合して用いられ、およそ1重量%くらいまでの量で使用される。   These polymerization initiators are used alone or in combination, and are used in an amount of up to about 1% by weight.

重合方法、成形方法としては、公知の方法を使用することができる。例えば、板間重合法、およびコーティング等の方法で薄膜状にしたモノマー組成物を不活性ガスまたは減圧雰囲気下で重合する方法などである。   As a polymerization method and a molding method, known methods can be used. For example, there are a method of polymerizing a monomer composition formed into a thin film by a method such as inter-plate polymerization and coating in an inert gas or a reduced-pressure atmosphere.

一例として板間重合法について、次に説明する。まず、モノマー組成物を2枚の板状モールドの空隙に充填する。そして光重合あるいは熱重合を行って膜状に賦型する。板状モールドは、樹脂、ガラス、セラミックス、金属等で製作されているが、光重合の場合は光学的に透明な素材が用いられ、通常は樹脂またはガラスが使用される。必要に応じて膜に一定の厚みを与えかつ充填したモノマー組成物の液モレを防止する目的を有するガスケットを併用してもよい。空隙にモノマー組成物を充填した板状モールドは、続いて紫外線のような活性光線を照射されるか、オーブンや液槽に入れて加熱されて重合される。光重合の後に加熱重合したり、逆に加熱重合後に光重合する両者を併用する方法もありうる。光重合の場合は、例えば水銀ランプや捕虫灯を光源とする紫外線を多く含む光を短時間(通常は1時間以下)照射するのが一般的である。熱重合を行う場合には、室温付近から徐々に昇温し、数時間ないし数十時間かけて60℃〜200℃の温度まで高めて行く条件が、均一性、品位を保持し、かつ再現性を高めるために好まれる。
(E−2)アニオン性基を有し主鎖に芳香環を有するポリマー
主鎖に芳香環を有するポリマー(以下、芳香族炭化水素系ポリマーと記載する場合がある)であって、イオン性基を有するものである。
As an example, the interplate polymerization method will be described below. First, the monomer composition is filled in the gap between two plate molds. Then, photopolymerization or thermal polymerization is performed to form a film. The plate-shaped mold is made of resin, glass, ceramics, metal, etc., but in the case of photopolymerization, an optically transparent material is used, and usually resin or glass is used. If necessary, a gasket having the purpose of giving a certain thickness to the film and preventing liquid leakage of the filled monomer composition may be used in combination. The plate mold in which the monomer composition is filled in the voids is subsequently irradiated with actinic rays such as ultraviolet rays, or is heated in an oven or a liquid tank to be polymerized. There may be a method in which both heat polymerization is carried out after photopolymerization, or conversely, photopolymerization after heat polymerization is used in combination. In the case of photopolymerization, it is common to irradiate light containing a large amount of ultraviolet light using, for example, a mercury lamp or insect trap as a light source for a short time (usually 1 hour or less). When thermal polymerization is performed, the temperature is gradually raised from around room temperature and the temperature is raised to 60 ° C. to 200 ° C. over several hours to several tens of hours, maintaining uniformity and quality, and reproducibility. Is preferred to enhance.
(E-2) Polymer having an anionic group and having an aromatic ring in the main chain A polymer having an aromatic ring in the main chain (hereinafter sometimes referred to as an aromatic hydrocarbon polymer), which is an ionic group It is what has.

主鎖構造は、芳香環を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばエンジニアリングプラスチックとして使用されるような十分な機械強度を有する物が好ましい。例えば米国特許第5,403,675号明細書、特開2001−192531号公報および特開2002−293889号公報などに記載のあるポリフェニレン系高分子は好適な例である。   The main chain structure is not particularly limited as long as it has an aromatic ring, but a material having sufficient mechanical strength such as used as an engineering plastic is preferable. For example, polyphenylene polymers described in US Pat. No. 5,403,675, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-192531, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-293889 are suitable examples.

さらには、少なくとも主鎖にイオン性基とは異なる1種類以上の極性基を有する高分子が好ましい。この理由は、主鎖近傍への水の配位を促し不凍水量を増やすことによって、高プロトン伝導性を与え、燃料クロスオーバーを低減できるためであると推定される。   Furthermore, a polymer having at least one polar group different from the ionic group in the main chain is preferable. The reason for this is presumed to be that high proton conductivity can be provided and fuel crossover can be reduced by promoting the coordination of water in the vicinity of the main chain and increasing the amount of antifreeze water.

極性基とは、特に限定されるものではないが、水が配位できる官能基が好ましい。この様な極性基としては下記一般式(g1)で表されるスルホニル基、一般式(g2)で表されるオキシ基、一般式(g3)で表されるチオ基、一般式(g4)で表されるカルボニル基、一般式(g5)で表されるホスフィンオキシド基(式中、R1は1価の有機基を表す。)、一般式(g6)で表されるホスホン酸エステル基(式中、R2は1価の有機基を表す。)、一般式(g7)で表されるエステル基、一般式(g8)で表されるアミド基(式中、R3は1価の有機基を表す。)、一般式(g9)で表されるイミド基および一般式(g10)で表されるホスファゼン基(式中、R4およびR5は1価の有機基を表す。)などが好適である。 Although it does not specifically limit with a polar group, The functional group which can coordinate water is preferable. Examples of such a polar group include a sulfonyl group represented by the following general formula (g1), an oxy group represented by the general formula (g2), a thio group represented by the general formula (g3), and a general formula (g4). A carbonyl group represented by formula, a phosphine oxide group represented by formula (g5) (wherein R 1 represents a monovalent organic group), a phosphonate ester group represented by formula (g6) (formula R 2 represents a monovalent organic group), an ester group represented by the general formula (g7), an amide group represented by the general formula (g8) (wherein R 3 represents a monovalent organic group) And an imide group represented by the general formula (g9) and a phosphazene group represented by the general formula (g10) (wherein R 4 and R 5 represent a monovalent organic group). It is.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

そのような極性基を有するポリマーの中でも、下記一般式(P1)   Among polymers having such a polar group, the following general formula (P1)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

(ここで、Z1、Z2は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。Y1は電子吸引性基を表す。Y2はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0〜2の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水素系ポリマー、および下記一般式(P3)
(Here, Z 1 and Z 2 each represents an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. Y 1 represents an electron-withdrawing group. Y 2 represents O or S.) A and b each independently represents an integer of 0 to 2, provided that a and b are not 0 at the same time.)
An aromatic hydrocarbon polymer having a repeating unit represented by the following general formula (P3)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

(ここで、Z5、Z6は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。)
で示される繰返し単位を有するポリイミドから選ばれることが好ましい。
(Here, Z 5 and Z 6 each represents an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups.)
It is preferably selected from polyimides having a repeating unit represented by:

5として好ましい有機基は、下記一般式(Z5−1)〜一般式(Z5−4)で示される有機基であり、・BR>マ加水分解性の点で最も好ましいのは、一般式(Z5−1)で示される有機基である。これらは置換されていてもよい。 Preferred organic groups as Z 5 are organic groups represented by the following general formula (Z5-1) to general formula (Z5-4), and most preferred in terms of hydrolyzability: An organic group represented by Z5-1). These may be substituted.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

6として好ましい有機基は下記一般式(Z6−1)〜一般式(Z6−10)で示される有機基である。これらは置換されていてもよい。 Preferred organic groups as Z 6 are organic groups represented by the following general formulas (Z6-1) to (Z6-10). These may be substituted.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

高分子電解質材としては耐加水分解性に優れている点で下記一般式(P1)で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水素系ポリマーがより好ましい。かかる一般式(P1)で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水素系ポリマーの中でも、一般式(P1−1)〜一般式(P1−9)で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水素系ポリマーは特に好ましい。プロトン伝導度の高さ、製造の容易さの点では一般式(P1−6)〜一般式(P1−9)で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水素系ポリマーが最も好ましい。   As the polymer electrolyte material, an aromatic hydrocarbon polymer having a repeating unit represented by the following general formula (P1) is more preferable from the viewpoint of excellent hydrolysis resistance. Among the aromatic hydrocarbon polymers having the repeating unit represented by the general formula (P1), the aromatic hydrocarbon polymer having the repeating unit represented by the general formula (P1-1) to the general formula (P1-9). Is particularly preferred. An aromatic hydrocarbon polymer having a repeating unit represented by formulas (P1-6) to (P1-9) is most preferable from the viewpoint of high proton conductivity and ease of production.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

1として好ましい有機基は、フェニレン基およびナフチレン基である。これらは置換されていてもよい。 Preferred organic groups as Z 1 are a phenylene group and a naphthylene group. These may be substituted.

2として好ましい有機基はフェニレン基、ナフチレン基ならびに下記一般式(Z2−1)〜一般式(Z2−14)で示される有機基である。これらは置換されていてもよい。これらの中でも一般式(Z2−7)〜一般式(Z2−14)で示される有機基は、燃料透過抑制効果に優れるために特に好ましく、本発明の高分子電解質はZ2として一般式(Z2−7)〜一般式(Z2−14)で示される有機基のうち少なくとも1種類を含有することが好ましい。一般式(Z2−7)〜一般式(Z2−14)で示される有機基の中でも最も好ましいのは一般式(Z2−7)および(Z2−8)で示される有機基である。 Preferred organic groups as Z 2 are a phenylene group, a naphthylene group, and organic groups represented by the following general formulas (Z2-1) to (Z2-14). These may be substituted. The organic group represented by the Among these general formulas (Z2-7) ~ Formula (Z2-14), particularly preferred for excellent fuel permeation suppressing effect, the polymer electrolyte of the present invention have the general formula as Z 2 (Z2 It is preferable to contain at least one of organic groups represented by -7) to general formula (Z2-14). Of the organic groups represented by the general formulas (Z2-7) to (Z2-14), the organic groups represented by the general formulas (Z2-7) and (Z2-8) are most preferable.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

一般式(P1−4)および一般式(P1−9)におけるR1で示される有機基の好ましい例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、ビニル基、アリル基、ベンジル基、フェニル基、ナフチル基、フェニルフェニル基などである。工業的な入手の容易さの点ではR1として最も好ましいのはフェニル基である。 Preferred examples of the organic group represented by R 1 in the general formula (P1-4) and the general formula (P1-9) include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a norbornyl group, A vinyl group, an allyl group, a benzyl group, a phenyl group, a naphthyl group, a phenylphenyl group, and the like. From the viewpoint of industrial availability, the most preferable R 1 is a phenyl group.

これら芳香族炭化水素系ポリマーに対してイオン性基を導入する方法は、イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法と、高分子反応でイオン性基を導入する方法が挙げられる。   Examples of a method for introducing an ionic group into these aromatic hydrocarbon polymers include a method of polymerizing using a monomer having an ionic group and a method of introducing an ionic group by a polymer reaction.

イオン性基を有するモノマーを用いて重合する方法としては、繰り返し単位中にイオン性基を有したモノマーを用いれば良く、必要により適当な保護基を導入して重合後脱保護基を行えばよい。かかる方法は例えば Journal of Membrane Science, 197(2002) 231-242 に記載がある。   As a method of polymerizing using a monomer having an ionic group, a monomer having an ionic group in a repeating unit may be used, and if necessary, an appropriate protecting group may be introduced to perform a deprotecting group after polymerization. . Such a method is described in, for example, Journal of Membrane Science, 197 (2002) 231-242.

高分子反応でイオン性基を導入する方法について例を挙げて説明すると、芳香族系高分子へのホスホン酸基の導入は、例えばPolymer Preprints, Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。芳香族系高分子へのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子のリン酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子へのカルボン酸基の導入は、例えばアルキル基やヒドロキシアルキル基を有する芳香族系高分子を酸化することによって可能である。芳香族系高分子への硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有する芳香族系高分子の硫酸エステル化によって可能である。芳香族系高分子をスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。具体的には、例えば、芳香族系高分子をクロロホルム等の溶媒中でクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族系高分子をスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族系高分子をスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。芳香族系高分子へのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基とスルホンアミド基を反応させる方法によって可能である。   The method for introducing an ionic group in a polymer reaction will be described with an example. The introduction of a phosphonic acid group into an aromatic polymer is described in, for example, Polymer Preprints, Japan, 51, 750 (2002) Is possible. Introduction of a phosphate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, phosphoric esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into an aromatic polymer can be performed by oxidizing an aromatic polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group, for example. Introduction of a sulfate group into an aromatic polymer can be achieved by, for example, sulfate esterification of an aromatic polymer having a hydroxyl group. As a method for sulfonating an aromatic polymer, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 is known. Specifically, for example, an aromatic polymer can be sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in a solvent such as chloroform, or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. . The sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic polymer, and sulfur trioxide or the like can be used in addition to the above. When the aromatic polymer is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer can be achieved, for example, by a method of reacting a sulfonic acid group and a sulfonamide group.

次に、前記複素環状ポリマーについて説明を加える。   Next, explanation will be given on the heterocyclic polymer.

本発明でいう複素環状ポリマーとは、繰り返し単位中に複素環を含むポリマーのことを意味し、複素環とは、ヘテロ原子、すなわちO、S、N原子のいずれかを1個以上有する環のことを意味する。かかる複素環はポリマー中の主鎖にあっても、側鎖にあっても構わないが、機械強度の点から主鎖に複素環を含む複素環状ポリマーであるのがより好ましい。

かかる複素環として具体的な例としては、下記の下記一般(h1)〜(h12)、ならびにこれらの全水素付加物、部分水素付加物を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。これらの複素環は高分子電解質材中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。
The heterocyclic polymer in the present invention means a polymer containing a heterocyclic ring in a repeating unit, and the heterocyclic ring is a ring having one or more heteroatoms, that is, one of O, S, and N atoms. Means that. Such a heterocyclic ring may be in the main chain or in the side chain in the polymer, but from the viewpoint of mechanical strength, a heterocyclic polymer containing a heterocyclic ring in the main chain is more preferable.

Specific examples of the heterocyclic ring include, but are not limited to, the following general (h1) to (h12) as well as the total hydrogen adduct and partial hydrogen adduct thereof. . Two or more kinds of these heterocyclic rings can be contained in the polymer electrolyte material, and may be preferable by combining them.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

該複素環状ポリマーは、燃料クロスオーバーを抑制することに有効である必要があることから、40℃の10Mメタノール水溶液に対して不溶であることが好ましく、そのため主鎖に複素環を含むポリマーがより好ましい。不溶であるとは、高分子電解質膜を40℃の10Mメタノール水溶液に8時間浸漬した後、濾紙で濾過し、濾液から検出される複素環状ポリマーの量が、高分子電解質膜全体に含まれる複素環状ポリマーの量の5重量%以下であることを意味する。なお、ここでは燃料としてメタノール水溶液を想定したが、メタノール水溶液に対する挙動は他の燃料に対しても共通しており、一般性を有する。   Since the heterocyclic polymer needs to be effective in suppressing fuel crossover, it is preferably insoluble in a 10 M aqueous methanol solution at 40 ° C. Therefore, a polymer containing a heterocyclic ring in the main chain is more preferable. preferable. Insoluble means that the polymer electrolyte membrane is immersed in a 10 M aqueous methanol solution at 40 ° C. for 8 hours and then filtered through a filter paper. The amount of the heterocyclic polymer detected from the filtrate is the amount of the complex polymer contained in the entire polymer electrolyte membrane. Meaning 5% by weight or less of the amount of the cyclic polymer. In addition, although methanol aqueous solution was assumed here as fuel, the behavior with respect to methanol aqueous solution is common also to other fuels, and has generality.

また、該複素環状ポリマーは、耐溶剤性を付与できればさらに好ましいことから、50℃のN−メチルピロリドンに対して不溶であることがさらに好ましい。不溶であるとは、高分子電解質膜を50℃のN−メチルピロリドンに5時間浸漬した後、濾紙で濾過し、濾液から検出される複素環状ポリマーの量が、高分子電解質膜全体に含まれる複素環状ポリマーの量の5重量%以下であることを意味する。なお、ここでは高分子電解質材用溶剤の例として、N−メチルピロリドンを想定したが、N−メチルピロリドンに対する挙動は他の溶剤に対しても共通しており、一般性を有する。   Moreover, since this heterocyclic polymer is more preferable if it can provide solvent resistance, it is more preferable that it is insoluble with respect to N-methylpyrrolidone at 50 ° C. Insoluble means that the polymer electrolyte membrane is immersed in N-methylpyrrolidone at 50 ° C. for 5 hours and then filtered through filter paper, and the amount of the heterocyclic polymer detected from the filtrate is contained in the entire polymer electrolyte membrane. Meaning 5% by weight or less of the amount of the heterocyclic polymer. In this case, N-methylpyrrolidone is assumed as an example of the solvent for the polymer electrolyte material, but the behavior with respect to N-methylpyrrolidone is common to other solvents and has generality.

次に、本発明に使用される複素環状ポリマーについて具体的に説明する。本発明に使用される複素環状ポリマーは、使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと実質的に均一に混和し、得られる高分子電解質材のヘーズが30%以下であれば、特に限定されるものではない。プロトン伝導性を大きく損なうことなく、燃料クロスオーバー抑制効果があり、機械強度および耐溶剤性に優れたポリマーをより好ましく用いることができる。   Next, the heterocyclic polymer used in the present invention will be specifically described. The heterocyclic polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it is substantially uniformly mixed with the hydrocarbon polymer having an ionic group to be used, and the resulting polymer electrolyte material has a haze of 30% or less. Is not to be done. A polymer having an effect of suppressing fuel crossover and excellent in mechanical strength and solvent resistance can be used more preferably without significantly degrading proton conductivity.

その具体例としては、ポリフラン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリピリジン、ポリオキサゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミダゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリピラゾール、ポリベンズピラゾール、ポリオキサジアゾール、オキサジアゾール環含有ポリマー、ポリチアジアゾール、チアジアゾール環含有ポリマー、ポリトリアゾール、トリアゾール環含有ポリマー、ポリアミック酸、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホンなどの炭化水素系ポリマーなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また複数種類のポリマーを併用してもかまわない。なかでも、耐溶剤性、成形加工性の点で、ポリオキサゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリチアゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミダゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリピラゾール、ポリベンズピラゾール、ポリオキサジアゾール、オキサジアゾール環含有ポリマー、ポリチアジアゾール、チアジアゾール環含有ポリマー、ポリトリアゾール、トリアゾール環含有ポリマー、ポリイミドが好ましく、工業製品入手の容易さの点からポリオキサゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリイミダゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリイミドがさらに好ましく、相溶性、耐溶剤性の点からポリイミドが最も好ましく使用される。また、複素環状ポリマーとしては、燃料クロスオーバー抑制効果、膨潤抑制効果、ならびに耐溶剤性の点から、溶剤不溶性ポリマーがより好ましいが、溶剤不溶性ポリマーを用いる場合は、製造コストを考慮し、前駆体ポリマーとして溶液製膜が可能で熱処理、あるいは閉環促進剤等の何らかの処理により、閉環し、溶剤不溶化するポリマーを用いることが最も好ましい。   Specific examples thereof include polyfuran, polythiophene, polypyrrole, polypyridine, polyoxazole, polybenzoxazole, polythiazole, polybenzthiazole, polyimidazole, polybenzimidazole, polypyrazole, polybenzpyrazole, polyoxadiazole, oxadiazole. Ring-containing polymers, polythiadiazoles, thiadiazole ring-containing polymers, polytriazoles, triazole ring-containing polymers, polyamic acids, polyimides, polyetherimides, polyimide sulfones and other hydrocarbon polymers, etc., but are not limited to these Absent. A plurality of types of polymers may be used in combination. Among them, in terms of solvent resistance and molding processability, polyoxazole, polybenzoxazole, polythiazole, polybenzthiazole, polyimidazole, polybenzimidazole, polypyrazole, polybenzpyrazole, polyoxadiazole, oxadiazole Ring-containing polymers, polythiadiazoles, thiadiazole ring-containing polymers, polytriazoles, triazole ring-containing polymers, and polyimides are preferred, and polyoxazoles, polybenzoxazoles, polyimidazoles, polybenzimidazoles, and polyimides are more preferable from the viewpoint of easy availability of industrial products. Preferably, polyimide is most preferably used in terms of compatibility and solvent resistance. In addition, the heterocyclic polymer is more preferably a solvent-insoluble polymer from the viewpoints of a fuel crossover suppressing effect, a swelling suppressing effect, and a solvent resistance. However, when a solvent-insoluble polymer is used, the precursor is considered in consideration of production costs. As the polymer, it is most preferable to use a polymer that can be formed into a solution and can be ring-closed and insolubilized by heat treatment or some kind of treatment such as a ring-closure accelerator.

なかでも、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーとの相溶性、機械強度、耐溶剤性と溶剤可溶性の両立の点から、ポリイミドならびにその前駆体であるポリアミック酸が最も好ましく用いられる。ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸は、アミド基に加え、カルボン酸基を有するため、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーとの相溶性が極めて良好である。   Among these, polyimide and its precursor polyamic acid are most preferably used from the viewpoint of compatibility with the hydrocarbon-based polymer having an ionic group, mechanical strength, solvent resistance and solvent solubility. The polyamic acid, which is a polyimide precursor, has a carboxylic acid group in addition to an amide group, and therefore has very good compatibility with a hydrocarbon polymer having an ionic group.

ここで、好ましい高分子電解質材の作製方法の一例を挙げれば、ナトリウムなどのアルカリ金属で置換されたイオン性基を有する炭化水素系ポリマーとポリイミドの前駆体であるポリアミック酸を溶液状態で混ぜ、支持体上にキャストして自己支持性のポリアミック酸複合高分子電解質材を得た後、前記ポリアミック酸を加熱イミド化、さらにイオン性基をプロトン置換することによって製造することができる。かかる方法により作製した高分子電解質材は、高プロトン伝導性と燃料クロスオーバー抑制を両立することができるだけでなく、溶液製膜が可能であることから、製造コストが極めて安く、さらに閉環イミド化の効果により、耐溶剤性も付与することができるので、高分子電解質膜に対して触媒ペーストの直接塗工が可能で、膜電極複合体の製造コストも大幅に低減可能であるため、最も好ましく利用することができる。   Here, as an example of a preferable method for producing a polymer electrolyte material, a hydrocarbon polymer having an ionic group substituted with an alkali metal such as sodium and a polyamic acid which is a polyimide precursor are mixed in a solution state, It can be produced by casting on a support to obtain a self-supporting polyamic acid composite polymer electrolyte material, followed by heat imidization of the polyamic acid and proton substitution of the ionic group. The polymer electrolyte material produced by such a method not only can achieve both high proton conductivity and suppression of fuel crossover, but also enables solution film formation. The solvent resistance can be imparted due to the effect, so the catalyst paste can be directly applied to the polymer electrolyte membrane, and the production cost of the membrane electrode assembly can be greatly reduced, so it is most preferably used. can do.

次に、本発明に使用されるポリイミド、ならびにその前駆体であるポリアミック酸について具体的に説明する。本発明に使用されるポリアミック酸、およびイミドは、使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと実質的に均一に混和し、燃料クロスオーバー抑制効果があり、耐溶剤性を付与できるポリマーであれば、特に限定されるものではない。かかるポリイミドとしては、ポリアミック酸の状態では可溶性であり、閉環イミド化後のポリイミドで、かつ、溶剤不溶性のポリマーがより好ましく用いられる。   Next, the polyimide used for this invention and the polyamic acid which is its precursor are demonstrated concretely. The polyamic acid and imide used in the present invention are polymers that are substantially uniformly mixed with the hydrocarbon polymer having an ionic group and have a fuel crossover suppressing effect and can impart solvent resistance. If there is, it will not be specifically limited. As such a polyimide, a polymer that is soluble in the state of polyamic acid, is a polyimide after ring-closing imidization, and is insoluble in a solvent is more preferably used.

前記ポリアミック酸は公知の方法により合成が可能である。例えば、低温中でテトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物を反応させる方法、テトラカルボン酸二無水物とアルコールとによりジエステルを得、その後アミンと縮合剤の存在下で反応させる方法、テトラカルボン酸二無水物とアルコールとによりジエステルを得、その後残りのジカルボン酸を酸クロリド化し、アミンと反応させる方法などで合成することができる。   The polyamic acid can be synthesized by a known method. For example, a method of reacting a tetracarboxylic dianhydride and a diamine compound at a low temperature, a method of obtaining a diester by tetracarboxylic dianhydride and an alcohol, and then reacting in the presence of an amine and a condensing agent; It can be synthesized by a method in which a diester is obtained with an anhydride and an alcohol, and then the remaining dicarboxylic acid is acid chlorideed and reacted with an amine.

かかる酸二無水物の具体的としては、ピロメリット酸二無水物、3,3’、4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,3,3’,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、1,1−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、1,1−ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)エタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(2,3−ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)スルホン二無水物、ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)エーテル二無水物、1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5,6−ピリジンテトラカルボン酸二無水物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物などの芳香族テトラカルボン酸二無水物や、ブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物などの脂肪族のテトラカルボン酸二無水物などを挙げることができる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて使用される。   Specific examples of the acid dianhydride include pyromellitic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 2,3,3 ′, 4′-biphenyltetracarboxylic acid. Dianhydride, 2,2 ′, 3,3′-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 2,2 ′, 3,3′- Benzophenone tetracarboxylic dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane dianhydride, 2,2-bis (2,3-dicarboxyphenyl) propane dianhydride, 1,1- Bis (3,4-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, 1,1-bis (2,3-dicarboxyphenyl) ethane dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) methane dianhydride, bis (2,3-dicarboki Phenyl) methane dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) sulfone dianhydride, bis (3,4-dicarboxyphenyl) ether dianhydride, 1,2,5,6-naphthalene tetracarboxylic acid Anhydride, 2,3,6,7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,3,5,6-pyridinetetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride Aromatic tetracarboxylic dianhydrides such as 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride, butanetetracarboxylic dianhydride, 1,2,3,4-cyclo Examples thereof include aliphatic tetracarboxylic dianhydrides such as pentanetetracarboxylic dianhydride. These are used alone or in combination of two or more.

また、ジアミンの具体的な例としては、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,4’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、3,4’−ジアミノジフェニルスルヒド、4,4’−ジアミノジフェニルスルヒド、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、ベンジン、m−フェニレンジアミン、P−フェニレンジアミン、1,5−ナフタレンジアミン、2,6−ナフタレンジアミン、ビス(4−アミノフェノキシフェニル)スルホン、ビス(3−アミノフェノキシフェニル)スルホン、ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス{4−(4−アミノフェノキシ)フェニル}エーテル、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ジエチル−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジエチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’,3,3’−テトラメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、3,3’,4,4’−テトラメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ジ(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンおよびその誘導体、あるいはこれらの芳香族環にアルキル基やハロゲン原子で置換した化合物や、脂肪族のシクロヘキシルジアミン、メチレンビスシクロヘキシルアミンなどが挙げられる。これらは単独で又は2種以上を組み合わせて使用される。   Specific examples of diamines include 3,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenyl ether, 3,4'-diaminodiphenylmethane, 4,4'-diaminodiphenylmethane, and 3,4'-diaminodiphenyl. Sulfone, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 3,4′-diaminodiphenylsulfide, 4,4′-diaminodiphenylsulfide, 1,4-bis (4-aminophenoxy) benzene, benzine, m-phenylenediamine , P-phenylenediamine, 1,5-naphthalenediamine, 2,6-naphthalenediamine, bis (4-aminophenoxyphenyl) sulfone, bis (3-aminophenoxyphenyl) sulfone, bis (4-aminophenoxy) biphenyl, bis {4- (4-Aminophenoxy) fe Ether}, 1,4-bis (4-aminophenoxy) benzene, 2,2′-dimethyl-4,4′-diaminobiphenyl, 2,2′-diethyl-4,4′-diaminobiphenyl, 3,3 '-Dimethyl-4,4'-diaminobiphenyl, 3,3'-diethyl-4,4'-diaminobiphenyl, 2,2', 3,3'-tetramethyl-4,4'-diaminobiphenyl, 3, 3 ′, 4,4′-tetramethyl-4,4′-diaminobiphenyl, 2,2′-di (trifluoromethyl) -4,4′-diaminobiphenyl, 9,9-bis (4-aminophenyl) Fluorene and its derivatives, or compounds in which these aromatic rings are substituted with alkyl groups or halogen atoms, aliphatic cyclohexyldiamine, methylenebiscyclohexylamine, etc. . These are used alone or in combination of two or more.

これらのなかでも、燃料クロスオーバー抑制効果、耐溶剤性、および機械強度の点から下記一般式(P2)で示される繰り返し単位を有する芳香族ポリイミドがより好ましく使用される。   Among these, an aromatic polyimide having a repeating unit represented by the following general formula (P2) is more preferably used from the viewpoint of the fuel crossover suppressing effect, solvent resistance, and mechanical strength.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

(ここで、Z3、Z4は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。)
なかでも、より好ましいポリアミック酸としては、パラフェニレンジアミン、ベンジジン誘導体、4,4´−ジアミノジフェニルエーテル、3,4´−ジアミノジフェニルエーテル、ビスアミノフェノキシベンゼン類、ジアミノベンズアニリド類などの芳香族ジアミン成分と、ピロメリット酸酸二無水物に代表されるピロメリット酸類、3,3’−4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸またはその二無水物、3,3’−4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸またはその二無水物などの芳香族テトラカルボン酸類化合物とを、溶媒中で重合させることによって得られ、耐溶剤性に優れたポリイミドをより好ましく用いることができる。
(Here, Z 3 and Z 4 represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more types of groups.)
Among these, more preferable polyamic acids include aromatic diamine components such as paraphenylenediamine, benzidine derivatives, 4,4′-diaminodiphenyl ether, 3,4′-diaminodiphenyl ether, bisaminophenoxybenzenes, diaminobenzanilides, and the like. , Pyromellitic acid represented by pyromellitic dianhydride, 3,3′-4,4′-biphenyltetracarboxylic acid or its dianhydride, 3,3′-4,4′-benzophenonetetracarboxylic acid Alternatively, polyimide obtained by polymerizing an aromatic tetracarboxylic acid compound such as its dianhydride in a solvent and having excellent solvent resistance can be used more preferably.

前記の重合で使用する溶媒としては、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドンおよびジメチルスルホンなどが挙げられ、これらを単独あるいは混合して使用するのが好ましい。   Solvents used in the polymerization include dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone and dimethyl Examples thereof include sulfone, and these are preferably used alone or in combination.

前記の重合で得られるポリアミック酸は、前記溶媒中に10〜30重量%の割合となるように調製する。   The polyamic acid obtained by the polymerization is prepared so as to have a ratio of 10 to 30% by weight in the solvent.

本発明の高分子電解質材において、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーとは、均一に混じり合っていることが燃料クロスオーバー抑制およびプロトン伝導性のために好ましい。イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーが均一に混じり合っている状態とは、前記2種類のポリマーが含水状態においても実質的に相分離構造を取らずに混じり合っている状態である。前記2種類のポリマーが実質的に均一に混じり合っていることの確認は、高分子電解質材の含水状態のヘーズを測定することによって可能である。高分子電解質材の含水状態のヘーズを測定し、ヘーズが30%を越える場合には、該高分子電解質材の例えば、親水部分と疎水部分による相分離のドメインサイズが、可視光波長サイズ以上となっており、前記2種類のポリマーが実質的に均一に混じり合っていないと判断する。ヘーズが30%以下である場合は、前記2種類のポリマーが実質的に、分子レベルで均一に混和し、複素環状ポリマーとの相互作用によってイオン性基を有する炭化水素系ポリマーの分子鎖の運動が制限された状態、すなわちイオン性基を有する炭化水素系ポリマーの分子鎖が拘束された状態になると考えられる。イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーが実質的に均一に混じり合った状態では、互いの高分子鎖どうしが十分にからみ合っている状態と考えられ、互いの動きを拘束し、燃料透過を妨げたり、溶剤に対する溶解を妨げるものと考えられる。   In the polymer electrolyte material of the present invention, the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer are preferably mixed uniformly for fuel crossover suppression and proton conductivity. The state in which the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer are uniformly mixed is a state in which the two types of polymers are mixed without substantially taking a phase separation structure even in a water-containing state. is there. Confirmation that the two types of polymers are mixed substantially uniformly is possible by measuring the water content haze of the polymer electrolyte material. When the haze of the polymer electrolyte material in a water-containing state is measured and the haze exceeds 30%, for example, the domain size of the phase separation between the hydrophilic portion and the hydrophobic portion of the polymer electrolyte material is not less than the visible light wavelength size. Therefore, it is determined that the two types of polymers are not substantially uniformly mixed. When the haze is 30% or less, the movement of the molecular chain of the hydrocarbon polymer having the ionic group due to the interaction with the heterocyclic polymer in which the two types of polymers are substantially uniformly mixed at the molecular level. Is considered to be restricted, that is, the molecular chain of the hydrocarbon polymer having an ionic group is constrained. In a state where the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer are substantially uniformly mixed, it is considered that the polymer chains are sufficiently entangled with each other, restraining each other's movement, It is considered that the fuel permeation is prevented or the solvent is dissolved.

イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーが実質的に均一に混じり合った状態を実現するための方法としては、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーの両方をポリマー溶液の状態にて混ぜ合わせたり、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーのうち少なくともいずれか一方を前駆体(モノマー、オリゴマー、または前駆体ポリマー)の状態にて混ぜ合わせ、その後、重合あるいは反応を行って高分子電解質材を作製する方法などがある。なかでも、成形加工の容易さ、製造コストから、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーを前駆体の状態にて混ぜ合わせ、その後、製膜後、前記前駆体ポリマーを閉環させる工程を経ることにより、高分子電解質材を作製する方法が最も好ましい。   As a method for realizing a state in which a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer are substantially uniformly mixed, both a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer are polymer solutions. Or at least one of a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer in the state of a precursor (monomer, oligomer, or precursor polymer), and then polymerization. Alternatively, there is a method of producing a polymer electrolyte material by performing a reaction. Among them, from the viewpoint of ease of molding processing and production cost, a step of mixing a hydrocarbon polymer having an ionic group and a heterocyclic polymer in a precursor state, and then ring-closing the precursor polymer after film formation The method of producing the polymer electrolyte material by going through is most preferable.

本発明においては、相溶性が不十分であるならば必要に応じて相溶化剤を用いることができる。使用される相溶化剤としては、使用されるイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーを相溶させるものであれば、特に限定されるものではなく、たとえば直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩やアルキル硫酸エステル塩などの界面活性剤、水酸基、エステル基、アミド基、イミド基、ケトン基、スルホン基、エーテル基、スルホン酸基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基などの極性基を有する有機化合物およびポリマーが挙げられる。   In the present invention, if the compatibility is insufficient, a compatibilizing agent can be used as necessary. The compatibilizer used is not particularly limited as long as it compatibilizes the hydrocarbon polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer to be used. For example, linear alkylbenzene sulfonate and Surfactant such as alkyl sulfate salt, hydroxyl group, ester group, amide group, imide group, ketone group, sulfone group, ether group, sulfonic acid group, sulfuric acid group, phosphonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group, etc. Examples include organic compounds and polymers having polar groups.

本発明の高分子電解質材を燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用される。しかしながら、本発明の高分子電解質材は、膜状に限定されるものではなく、その形状としては、前述の膜状の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状など、使用用途によって様々な形態をとりうる。本発明の高分子電解質材を膜へ転化する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜する方法あるいは溶融状態より製膜する方法等が可能である。前者では、たとえば、該高分子電解質材をN,N−ジメチルアセトアミド等の溶媒に溶解し、その溶液をガラス板等の上に流延塗布し、溶媒を除去することにより製膜する方法が例示できる。製膜に用いる溶媒は、高分子を溶解し、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン(DMI)、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、あるいはエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これらの溶媒と併用しても良い溶媒としては、メタノール、エタノールに代表されるアルコール類、アセトン、2−ブタノンに代表されるケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルに代表されるエステル類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンに代表されるエーテル類、トリエチルアミン、エチレンジアミンに代表されるアミン類などが挙げられ使用される。膜厚は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。溶融状態より製膜する場合は、溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等が可能である。   When the polymer electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in a membrane state. However, the polymer electrolyte material of the present invention is not limited to a film shape, and the shape is not limited to the above-mentioned film shape, but is used for plate, fiber, hollow fiber, particle, lump, etc. Can take various forms. The method for converting the polymer electrolyte material of the present invention into a membrane is not particularly limited, but a method of forming a film from a solution state or a method of forming a film from a molten state is possible. In the former, for example, a method of forming a film by dissolving the polymer electrolyte material in a solvent such as N, N-dimethylacetamide, casting the solution on a glass plate or the like, and removing the solvent is exemplified. it can. The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it dissolves the polymer and can be removed thereafter. N, N-dimethylacetamide (DMAc), N, N-dimethylformamide (DMF), N- Aprotic polar solvents such as methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), hexamethylphosphontriamide, or ethylene glycol monomethyl ether; An alkylene glycol monoalkyl ether such as ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, or propylene glycol monoethyl ether is preferably used. Examples of solvents that may be used in combination with these solvents include methanol, alcohols typified by ethanol, acetone, ketones typified by 2-butanone, ethyl acetate, esters typified by butyl acetate, diethyl ether, Examples include tetrahydrofuran, ethers typified by dioxane, triethylamine, amines typified by ethylenediamine, and the like. The film thickness can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. In the case of forming a film from a molten state, a melt press method or a melt extrusion method can be used.

高分子電解質膜の厚みは、特に制限はないが、1〜500μmのものが好ましく使用される。実用に耐える膜の強度を得るには1μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減、つまり発電性能の向上のためには500μmより薄い方が好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm. A thickness of more than 1 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 500 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, to improve power generation performance.

また、本発明の高分子電解質材には、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤、等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で含んでいても構わない。   In addition, the polymer electrolyte material of the present invention may contain additives such as plasticizers, stabilizers, mold release agents, etc. used in ordinary polymers within a range not contrary to the object of the present invention. I do not care.

本発明の膜電極複合体(MEA)は、本発明の高分子電解質材を用いて構成されるものである。かかる膜電極複合体は、本発明の高分子電解質材を用いて構成される高分子電解質部品からなる。かかる高分子電解質部品としては、高分子電解質膜および/または電極触媒層が挙げられる。   The membrane electrode assembly (MEA) of the present invention is constituted using the polymer electrolyte material of the present invention. Such a membrane electrode assembly is composed of a polymer electrolyte component constituted by using the polymer electrolyte material of the present invention. Examples of such a polymer electrolyte component include a polymer electrolyte membrane and / or an electrode catalyst layer.

該電極触媒層は、電極反応を促進する電極触媒、電子伝導体、イオン伝導体などを含む層である。かかる電極触媒層に含まれる電極触媒としては例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金などの貴金属触媒が好ましく用いられる。これらの内の1種類を単独で用いてもよいし、合金、混合物など、2種類以上を併用してもよい。   The electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst that promotes an electrode reaction, an electron conductor, an ion conductor, and the like. As the electrode catalyst contained in the electrode catalyst layer, for example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium and gold is preferably used. One of these may be used alone, or two or more of them, such as alloys and mixtures, may be used in combination.

かかる電極触媒層に用いられるイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)としては、一般的に、種々の有機、無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、イオン伝導性を向上するスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン性基を有するポリマー(イオン伝導性ポリマー)が好ましく用いられる。なかでも、メタノールなどの燃料に対する不溶性の観点から、本発明の高分子電解質材が特に好ましく用いられる。これらのイオン伝導性ポリマーは、溶液または分散液の状態で電極触媒層中に設ける。この際に、ポリマを溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、イオン伝導性ポリマーの溶解性の点から極性溶媒が好ましい。   In general, various organic and inorganic materials are known as substances having ion conductivity (ion conductor) used in such an electrode catalyst layer. However, when used in a fuel cell, the ion conductivity is improved. A polymer having an ionic group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group (ion conductive polymer) is preferably used. Among these, the polymer electrolyte material of the present invention is particularly preferably used from the viewpoint of insolubility in fuel such as methanol. These ion conductive polymers are provided in the electrode catalyst layer in the state of a solution or a dispersion. At this time, the solvent for dissolving or dispersing the polymer is not particularly limited, but a polar solvent is preferable from the viewpoint of the solubility of the ion conductive polymer.

かかる高分子電解質材を燃料電池として用いる際の高分子電解質材と電極の接合法については特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。しかしながら、本発明中の膜には、耐溶剤性に優れることを特徴としており、そういった場合には高分子電解質膜に触媒ペーストを直接塗工する方法が好ましく利用することができる。   There are no particular limitations on the method of joining the polymer electrolyte material and the electrode when such a polymer electrolyte material is used as a fuel cell, and known methods (for example, the chemical plating method described in Electrochemistry, 1985, 53, 269. Electrochem. Soc .: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209. can be applied. However, the film in the present invention is characterized by excellent solvent resistance. In such a case, a method of directly applying a catalyst paste to the polymer electrolyte film can be preferably used.

本発明の高分子電解質材は、種々の用途に適用可能である。例えば、体外循環カラム、人工皮膚などの医療用途、ろ過用用途、イオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途に適用可能である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等が挙げられるが、中でも燃料電池が最も好ましい。さらに燃料電池のなかでも高分子電解質型燃料電池に好適であり、これには水素を燃料とするものとメタノールなどの有機化合物を燃料とするものがあり、炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池に特に好ましく用いられる。炭素数1〜6の有機化合物としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルが好ましく、メタノールが最も好ましく使用される。   The polymer electrolyte material of the present invention can be applied to various uses. For example, it can be applied to medical applications such as extracorporeal circulation columns and artificial skin, applications for filtration, ion exchange resin applications, various structural materials, and electrochemical applications. Among these, it can be preferably used for various electrochemical applications. Examples of the electrochemical application include a fuel cell, a redox flow battery, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, and the like, among which the fuel cell is most preferable. Further, among fuel cells, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and there are those using hydrogen as a fuel and those using an organic compound such as methanol as a fuel. It is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from a mixture of water and water as fuel. As the organic compound having 1 to 6 carbon atoms, alcohols having 1 to 3 carbon atoms such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and dimethyl ether are preferable, and methanol is most preferably used.

さらに、本発明の高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、掃除機等の家電、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。   Furthermore, the application of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, TVs, radios, music players, digital cameras, video cameras, game machines, headsets, DVD players, various human-type and animal-type robots for industrial use, vacuum cleaners, etc. It is preferably used as an electric power supply source for automobiles such as home appliances such as automobiles, passenger cars, buses, trucks, and mobiles such as ships and railways.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.

(1)スルホン酸基密度
検体となる膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬し、40℃で24時間真空乾燥した後、元素分析により測定した。炭素、水素、窒素の分析は全自動元素分析装置varioEL、硫黄の分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定で実施した。ポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Sulfonic Acid Group Density A film-like sample serving as a specimen was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours, and then measured by elemental analysis. Carbon, hydrogen, and nitrogen were analyzed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, and sulfur was analyzed by a flask combustion method and barium acetate titration. The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of the polymer.

(2)プロトン伝導度
膜状の試料を25℃の30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
(2) Proton conductivity After immersing the membrane-like sample in a 30 wt% methanol aqueous solution at 25 ° C for 24 hours, the membrane sample is taken out in an atmosphere of 25 ° C and relative humidity of 50-80%, and protons are obtained as quickly as possible by the constant potential AC impedance method. Conductivity was measured.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用した。サンプルは、φ2mmおよびφ10mmの2枚の円形電極(ステンレス製)間に加重1kgをかけて挟持した。有効電極面積は0.0314cm2である。サンプルと電極の界面には、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の15%水溶液を塗布した。25℃において、交流振幅50mVの定電位インピーダンス測定を行い、膜厚方向のプロトン伝導度を求めた。 As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. The sample was sandwiched between two circular electrodes (made of stainless steel) of φ2 mm and φ10 mm with a weight of 1 kg. The effective electrode area is 0.0314 cm 2 . A 15% aqueous solution of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) was applied to the interface between the sample and the electrode. At 25 ° C., a constant potential impedance measurement with an AC amplitude of 50 mV was performed to determine proton conductivity in the film thickness direction.

(3)メタノール透過量
膜状の試料を30重量%メタノール水溶液に24時間浸漬した後、20℃において30重量%メタノール水溶液を用いて測定した。
(3) Methanol Permeation A film-like sample was immersed in a 30% by weight methanol aqueous solution for 24 hours and then measured at 20 ° C. using a 30% by weight methanol aqueous solution.

H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水(60mL)を入れ、他方のセルには30重量%メタノール水溶液(60mL)を入れた。セルの容量は各80mLであった。また、セル間の開口部面積は1.77cm2であった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間、2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間あたりのメタノール透過量を求めた。 A sample membrane was sandwiched between the H-type cells, pure water (60 mL) was placed in one cell, and 30 wt% aqueous methanol solution (60 mL) was placed in the other cell. The cell capacity was 80 mL each. Moreover, the opening part area between cells was 1.77 cm < 2 >. Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time was determined from the slope of the graph.

(4)高分子電解質膜のヘーズ測定法
試料としては、含水状態、すなわち25℃で、1000倍重量の純水中に24時間浸漬した高分子電解質膜を使用し、表面の水滴を拭き取った後、全自動直読ヘーズコンピューター(スガ試験機(株)社製:HGM−2DP)を使用し、曇価(Hz%)を測定した。
(4) Haze measurement method of polymer electrolyte membrane As a sample, a polymer electrolyte membrane immersed in 1000 times weight pure water at 25 ° C. for 24 hours was used as a sample, and water droplets on the surface were wiped off. The haze value (Hz%) was measured using a fully automatic direct reading haze computer (manufactured by Suga Test Instruments Co., Ltd .: HGM-2DP).

(5)N−メチルピロリドンに対する重量減
検体となる高分子電解質材(約0.1g)を純水で十分に洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定した。。高分子電解質材を1000倍重量のN−メチルピロリドンに浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら50℃、5時間加熱した。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行った。濾過時に1000倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させた。残渣を40℃で24時間真空乾燥して重量を測定することにより、重量減を算出した。
(5) Weight reduction with respect to N-methylpyrrolidone A polymer electrolyte material (about 0.1 g) as a specimen was sufficiently washed with pure water, and then vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. . The polymer electrolyte material was immersed in 1000 times weight of N-methylpyrrolidone and heated in a sealed container at 50 ° C. for 5 hours with stirring. Next, filtration was performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. During filtration, the filter paper and the residue were washed with the same solvent 1000 times weight, and the eluate was sufficiently eluted in the solvent. The residue was vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours and the weight was measured to calculate the weight loss.

(6)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(6) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Tosoh's HLC-8022GPC is used as an integrated device of an ultraviolet detector and a differential refractometer, and Tosoh's TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) is used as the GPC column. N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.

比較例1
市販の“ナフィオン”(R)117膜(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、MCOおよびヘーズ、N−メチルピロリドンに対する重量減を評価した。“ナフィオン11”7膜は100℃の5%過酸化水素水中にて30分、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した。評価結果は表1にまとめた。
Comparative Example 1
A commercially available “Nafion” (R) 117 membrane (manufactured by DuPont) was used to evaluate ionic conductivity, MCO and haze, and weight loss relative to N-methylpyrrolidone. The “Nafion 11” 7 membrane was immersed in 5% hydrogen peroxide water at 100 ° C. for 30 minutes and then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and then thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. The evaluation results are summarized in Table 1.

比較例2
スルホン化PPO(S−PPO)の合成はPPOとして三菱ガス化学社製YPX−100Lを用い、J. Appl. Polym. Sci., 29, 4017 (1984).記載の方法で、スルホン化PPO/PVDFのブレンド高分子電解質材を作製した。
Comparative Example 2
For the synthesis of sulfonated PPO (S-PPO), YPX-100L manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd. was used as PPO, and the method described in J. Appl. Polym. Sci., 29, 4017 (1984). A blend polymer electrolyte material was prepared.

このスルホン化PPOのスルホン酸基密度は3.0mmol/gであった。N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解させたS−PPOと、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解させたPVDF(呉羽化学社製W#1100))をS−PPO/PVDF=8/2(重量比)で混合し、1時間室温で攪拌した。混合溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて3時間乾燥し、溶媒を除去した。得られた膜は、膜厚200μmであり、白濁した柔軟な膜であった。この高分子電解質材のスルホン酸基密度は2.4mmol/gであった。評価結果は表1にまとめた。“ナフィオン”117に比べイオン伝導度は優れるものの、メタノールクロスオーバー抑制効果はなかった。   The sulfonate group density of the sulfonated PPO was 3.0 mmol / g. S-PPO / PVDF = 8/2 containing S-PPO dissolved in N, N-dimethylacetamide (DMAc) and PVDF dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) (W # 1100 manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd.) (Weight ratio) and stirred for 1 hour at room temperature. The mixed solution was cast on a glass substrate and dried at 100 ° C. for 3 hours to remove the solvent. The obtained film had a film thickness of 200 μm and was a soft film with white turbidity. The polymer electrolyte material had a sulfonic acid group density of 2.4 mmol / g. The evaluation results are summarized in Table 1. Although ionic conductivity was superior to “Nafion” 117, there was no methanol crossover suppression effect.

合成例1
下記式(G1)で表されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンの合成
Synthesis example 1
Synthesis of disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the following formula (G1)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1gを発煙硫酸(50%SO3)150mL中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、上記式(G1)で示されるジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。 109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) at 100 ° C. for 10 hours. Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The obtained precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone represented by the above formula (G1).

合成例2
下記式(G2)で表されるポリマーの合成
Synthesis example 2
Synthesis of a polymer represented by the following formula (G2)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
炭酸カリウム6.9g、4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール14.1g、および4,4'−ジフルオロベンゾフェノン4.4g、および上記合成例1で得たジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン8.4gを用いて、N−メチルピロリドン(NMP)中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、上記式(G2)で示されるポリマーを得た。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.7mmol/g、重量平均分子量は22万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
6.9 g of potassium carbonate, 14.1 g of 4,4 ′-(9H-fluorene-9-ylidene) bisphenol, and 4.4 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and disodium 3,3 ′ obtained in Synthesis Example 1 above Polymerization was performed at 190 ° C. in N-methylpyrrolidone (NMP) using 8.4 g of disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain a polymer represented by the above formula (G2). The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.7 mmol / g and a weight average molecular weight of 220,000.

比較例3
合成例2で得たポリマー(Na型)をN−メチルピロリドンを溶媒とする25重量%溶液とし、当該溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて4時間乾燥して溶媒を除去した。さらに、窒素ガス雰囲気下、200〜325℃まで1時間かけて昇温し、325℃で10分間加熱する条件で熱処理した後、放冷した。1N塩酸に1日間以上浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に1日間以上浸漬して充分洗浄した。得られた膜は膜厚70μmであり、淡黄色透明の柔軟な膜であった。
Comparative Example 3
The polymer (Na type) obtained in Synthesis Example 2 was made into a 25 wt% solution using N-methylpyrrolidone as a solvent, the solution was cast on a glass substrate and dried at 100 ° C. for 4 hours to remove the solvent. did. Furthermore, it heated up on 200-325 degreeC over 1 hour in nitrogen gas atmosphere, and heat-processed on the conditions heated at 325 degreeC for 10 minutes, Then, it stood to cool. After immersing in 1N hydrochloric acid for 1 day or longer to perform proton substitution, it was immersed in a large excess of pure water for 1 day or longer and washed thoroughly. The obtained film had a thickness of 70 μm and was a light yellow transparent flexible film.

評価結果は表1にまとめた。比較例1の“ナフィオン”117に比べ、プロトン伝導性および燃料遮断性に優れていた。しかし、耐溶剤性に劣っていた。   The evaluation results are summarized in Table 1. Compared with “Nafion” 117 of Comparative Example 1, the proton conductivity and the fuel blocking property were excellent. However, the solvent resistance was poor.

実施例1
N−メチルピロリドン(NMP)に溶解させた合成例2で得た前記式(G2)のポリマーと、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解させたポリアミック酸(東レ株式会社製“トレニース”#3000)を、G2/ポリアミック酸=6/4(重量比)で混合し、1時間室温で攪拌した。混合溶液をガラス基板上に流延塗布し、100℃にて30分予備乾燥後、窒素ガス雰囲気下、200〜325℃まで1時間かけて昇温し、325℃で10分間加熱する条件で熱処理した後、放冷した。1N塩酸に1日間以上浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に1日間以上浸漬して充分洗浄した。
Example 1
The polymer of the formula (G2) obtained in Synthesis Example 2 dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP), and a polyamic acid dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) (“Trenis” # 3000 manufactured by Toray Industries, Inc.) Were mixed with G2 / polyamic acid = 6/4 (weight ratio) and stirred at room temperature for 1 hour. The mixed solution is cast-coated on a glass substrate, pre-dried at 100 ° C. for 30 minutes, then heated to 200 to 325 ° C. over 1 hour in a nitrogen gas atmosphere, and heat treated under the conditions of heating at 325 ° C. for 10 minutes. And then allowed to cool. After immersing in 1N hydrochloric acid for 1 day or longer to perform proton substitution, it was immersed in a large excess of pure water for 1 day or longer and washed thoroughly.

得られた膜は膜厚15μmであり、スルホン酸基密度は1.0mmol/gであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐溶剤性に優れていた。   The obtained membrane had a thickness of 15 μm, and the sulfonic acid group density was 1.0 mmol / g. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in solvent resistance.

実施例2
G2/ポリアミック酸の重量比をG2/ポリアミック酸=4/6に変えた以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。
Example 2
A film was prepared by the method described in Example 1 except that the weight ratio of G2 / polyamic acid was changed to G2 / polyamic acid = 4/6.

得られた膜は膜厚10μmであり、スルホン酸基密度は0.7mmol/gであった。評価結果は表1にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐溶剤性に優れていた。   The obtained membrane had a thickness of 10 μm and the sulfonic acid group density was 0.7 mmol / g. The evaluation results are summarized in Table 1. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in solvent resistance.

比較例4
G2/ポリアミック酸の重量比をG2/ポリアミック酸=0/10に変えた以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。得られた膜は膜厚10μmであった。評価結果は表1にまとめた。プロトン伝導性は全くなかった。耐溶剤性には優れていた。
Comparative Example 4
A film was prepared by the method described in Example 1 except that the weight ratio of G2 / polyamic acid was changed to G2 / polyamic acid = 0/10. The obtained film was 10 μm thick. The evaluation results are summarized in Table 1. There was no proton conductivity. Excellent solvent resistance.

実施例3および比較例5
実施例1の高分子電解質膜を用いて、次の方法により高分子電解質型燃料電池を作製し評価した。また、比較例1の市販の“ナフィオン”117膜も同様に高分子電解質型燃料電池を作製し評価した。
Example 3 and Comparative Example 5
Using the polymer electrolyte membrane of Example 1, a polymer electrolyte fuel cell was prepared and evaluated by the following method. In addition, a commercially available “Nafion” 117 membrane of Comparative Example 1 was similarly evaluated by producing a polymer electrolyte fuel cell.

2枚の炭素繊維クロス基材に20%PTFE水への浸漬による撥水処理を行ったのち、焼成して電極基材を作製した。1枚の電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンと市販の“Nafion”溶液(デュポン社製)からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、もう1枚の電極基材上に、Pt担持カーボンとNafion溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。   The two carbon fiber cloth base materials were subjected to a water repellent treatment by immersion in 20% PTFE water, and then fired to prepare an electrode base material. On one electrode substrate, an anode electrode catalyst coating solution made of Pt-Ru-supported carbon and a commercially available “Nafion” solution (manufactured by DuPont) is applied and dried to form an anode electrode and another electrode substrate. A cathode electrode catalyst coating solution composed of Pt-supported carbon and Nafion solution was coated on the material and dried to prepare a cathode electrode.

実施例1の高分子電解質膜を、先に作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることで膜−電極複合体(MEA)を作製した。このMEAをエレクトロケム社製セルにセットしアノード側に30%メタノール水溶液、カソード側に空気を流してMEA評価を行った。評価はMEAに定電流を流し、その時の電圧を測定した。電流を順次増加させ電圧が10mV以下になるまで測定を行った。各測定点での電流と電圧の積が出力となる。   The polymer electrolyte membrane of Example 1 was held between the anode electrode and the cathode electrode prepared earlier and heated and pressed to prepare a membrane-electrode assembly (MEA). This MEA was set in a cell manufactured by Electrochem, and the MEA was evaluated by flowing a 30% aqueous methanol solution on the anode side and air on the cathode side. In the evaluation, a constant current was passed through the MEA, and the voltage at that time was measured. The measurement was performed until the current was increased successively until the voltage became 10 mV or less. The product of the current and voltage at each measurement point is the output.

実施例1の高分子電解質膜を使用したMEAは、比較例1の“ナフィオン”117膜を使用したMEAより出力(mW/cm2)で2.2倍、エネルギー容量(Wh)で3.1倍の値を示し、優れた特性を有していた。 The MEA using the polymer electrolyte membrane of Example 1 was 2.2 times the output (mW / cm 2 ) and 3.1 times the energy capacity (Wh) than the MEA using the “Nafion” 117 membrane of Comparative Example 1. The value was doubled and had excellent characteristics.

実施例1〜2、比較例1〜4の各評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the evaluation results of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-4.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

合成例3
下記式(G3)で表されるポリマーの合成
Synthesis example 3
Synthesis of a polymer represented by the following formula (G3)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

(式中、*はその位置で上式の右端と下式の左端とが結合していることを表す。)
9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン14.1gを4,4’−ジヒドロキシテトラフェルメタン14.1gに変えた以外は合成例1に記載の方法で、上記式(G3)で示されるポリマーを得た。得られたポリマーのプロトン置換後のスルホン酸基密度は1.7mmol/g、重量平均分子量は2
0万であった。
(In the formula, * represents that the right end of the upper formula and the left end of the lower formula are connected at that position.)
It is represented by the above formula (G3) by the method described in Synthesis Example 1 except that 14.1 g of 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene is changed to 14.1 g of 4,4′-dihydroxytetrafermethane. A polymer was obtained. The resulting polymer had a sulfonic acid group density after proton substitution of 1.7 mmol / g and a weight average molecular weight of 2
It was 0,000.

合成例4
下記式(G4)で表されるポリアミック酸の合成
Synthesis example 4
Synthesis of polyamic acid represented by the following formula (G4)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン17.42gとピロメリット酸10.91gをN−メチルピロリドン(NMP)200mL中で反応させることにより、上記式(G4)で示されるポリアミック酸のNMP溶液を得た。   By reacting 17.42 g of 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene and 10.91 g of pyromellitic acid in 200 mL of N-methylpyrrolidone (NMP), NMP of the polyamic acid represented by the above formula (G4) A solution was obtained.

合成例5
下記式(G5)で表されるポリアミック酸の合成
Synthesis example 5
Synthesis of polyamic acid represented by the following formula (G5)

Figure 2005350658
Figure 2005350658

パラフェニレンジアミン10.81gと3,3’−4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物29.42gをN−メチルピロリドン(NMP)200mL中で反応させることにより、上記式(G5)で示されるポリアミック酸のNMP溶液を得た。   By reacting 10.81 g of paraphenylenediamine with 29.42 g of 3,3′-4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride in 200 mL of N-methylpyrrolidone (NMP), the above formula (G5) is obtained. An NMP solution of polyamic acid was obtained.

実施例4
イオン性基を有する炭化水素系ポリマーとして、前記式(G2)で表されるポリマーの代わりに前記式(G3)で表されるポリマーを使用した以外は実施例1に記載の方法で膜の作製を行った。
Example 4
Production of a membrane by the method described in Example 1 except that the polymer represented by the formula (G3) was used instead of the polymer represented by the formula (G2) as the hydrocarbon polymer having an ionic group. Went.

得られた膜は膜厚15μmであり、スルホン酸基密度は1.0mmol/gであった。評価結果は表2にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐溶剤性に優れていた。   The obtained membrane had a thickness of 15 μm, and the sulfonic acid group density was 1.0 mmol / g. The evaluation results are summarized in Table 2. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in solvent resistance.

実施例5
ポリアミック酸として、東レ株式会社製“トレニース”#3000の代わりに前記式(G4)で表されるポリマーを使用した以外は実施例4に記載の方法で膜の作製を行った。
Example 5
A film was prepared by the method described in Example 4 except that a polymer represented by the above formula (G4) was used as the polyamic acid instead of “Trenice” # 3000 manufactured by Toray Industries, Inc.

得られた膜は膜厚15μmであり、スルホン酸基密度は1.0mmol/gであった。評価結果は表2にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。   The obtained membrane had a thickness of 15 μm, and the sulfonic acid group density was 1.0 mmol / g. The evaluation results are summarized in Table 2. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great.

実施例6
ポリアミック酸として、東レ株式会社製“トレニース”#3000の代わりに前記式(G5)で表されるポリマーを使用した以外は実施例4に記載の方法で膜の作製を行った。
Example 6
A film was prepared by the method described in Example 4 except that the polymer represented by the formula (G5) was used in place of “Trenice” # 3000 manufactured by Toray Industries, Inc. as the polyamic acid.

得られた膜は膜厚15μmであり、スルホン酸基密度は1.0mmol/gであった。評価結果は表2にまとめた。高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、耐溶剤性に優れていた。   The obtained membrane was 15 μm thick, and the sulfonic acid group density was 1.0 mmol / g. The evaluation results are summarized in Table 2. While maintaining high proton conductivity, the effect of suppressing methanol crossover was great. Moreover, it was excellent in solvent resistance.

実施例4〜6の各評価結果を表2に示す。   Table 2 shows the evaluation results of Examples 4 to 6.

実施例4〜6で得られた高分子電解質材はいずれも高プロトン伝導性を維持したまま、メタノールクロスオーバーの抑制効果が大きかった。また、含水時のヘーズが30%以下であった。実施例4および6で得られた高分子電解質材は耐溶剤性にも優れていた。   The polymer electrolyte materials obtained in Examples 4 to 6 all had a great effect of suppressing methanol crossover while maintaining high proton conductivity. Moreover, the haze at the time of water | moisture content was 30% or less. The polymer electrolyte materials obtained in Examples 4 and 6 were excellent in solvent resistance.

Figure 2005350658
Figure 2005350658

本発明によって得られる高分子電解質材は、種々
の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特にメタノール水溶液を燃料とする燃料電池に好適である。
The polymer electrolyte material obtained by the present invention can be applied to various electrochemical devices (for example, a fuel cell, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, etc.). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel.

本発明によって得られる高分子電解質材を用いた高分子電解質型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラ、テレビ、ラジオ、ミュージックプレーヤー、ゲーム機、ヘッドセット、DVDプレーヤーなどの携帯機器、産業用などの人型、動物型の各種ロボット、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源、据え置き型の発電機など従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらとのハイブリット電源として好ましく用いられる。
The application of the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte material obtained by the present invention is not particularly limited, but it is a mobile phone, personal computer, PDA, video camera, digital camera, television, radio, music player, game machine. , Portable devices such as headsets and DVD players, human-type and animal-type robots for industrial use, home appliances such as cordless vacuum cleaners, toys, electric bicycles, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships It is preferably used as a power supply source for a mobile body such as a railway, a conventional primary battery such as a stationary generator, an alternative to a secondary battery, or a hybrid power source with these.

Claims (16)

少なくともイオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーからなる高分子電解質材であって、該高分子電解質材の含水状態のヘーズが30%以下であることを特徴とする高分子電解質材。 A polymer electrolyte material comprising a hydrocarbon-based polymer having at least an ionic group and a heterocyclic polymer, wherein the polymer electrolyte material has a water-containing haze of 30% or less. 該高分子電解質材の50℃のN−メチルピロリドンに5時間浸漬後の重量減が30重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質材。 2. The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the polymer electrolyte material has a weight loss of not more than 30% by weight after being immersed in N-methylpyrrolidone at 50 ° C. for 5 hours. 該高分子電解質材が、イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと複素環状ポリマーの合計量に対し、該複素環状ポリマーを20〜80重量%含むことを特徴とする請求項1または2に記載の高分子電解質材。 3. The polymer electrolyte material according to claim 1, comprising 20 to 80% by weight of the heterocyclic polymer based on the total amount of the hydrocarbon-based polymer having an ionic group and the heterocyclic polymer. Polymer electrolyte material. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基から選ばれる少なくとも1種のイオン性基を有するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質材。 The hydrocarbon polymer having an ionic group has at least one ionic group selected from a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, a phosphoric acid group, and a carboxylic acid group. The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 3. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、少なくともスルホン酸基を有するものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質材。 The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrocarbon-based polymer having an ionic group has at least a sulfonic acid group. 請求項5において、該イオン性基を有する炭化水素系ポリマーのスルホン酸基密度が0.5〜3.0mmol/gであることを特徴とする高分子電解質材。 6. The polymer electrolyte material according to claim 5, wherein the hydrocarbon polymer having an ionic group has a sulfonic acid group density of 0.5 to 3.0 mmol / g. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが非架橋ポリマーであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の高分子電解質材。 The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the hydrocarbon polymer having an ionic group is a non-crosslinked polymer. 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、スルホニル基、オキシ基、チオ基、カルボニル基、ホスフィンオキシド基、ホスホン酸エステル基、エステル基、アミド基、イミド基およびホスファゼン基から選ばれる少なくとも1種の基を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質材。 The hydrocarbon polymer having an ionic group is at least one selected from a sulfonyl group, an oxy group, a thio group, a carbonyl group, a phosphine oxide group, a phosphonic acid ester group, an ester group, an amide group, an imide group, and a phosphazene group. The polymer electrolyte material according to any one of claims 1 to 7, which comprises 前記イオン性基を有する炭化水素系ポリマーが、下記一般式(P1)で示される繰返し単位を有する芳香族炭化水系ポリマーから選ばれる少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の高分子電解質材。
Figure 2005350658
(ここで、Z1、Z2は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表しても良い。Y1は電子吸引性基を表す。Y2はOまたはSを表す。aおよびbはそれぞれ独立に0〜2の整数を表し、ただしaとbは同時に0ではない。)
The hydrocarbon polymer having an ionic group comprises at least one selected from aromatic hydrocarbon polymers having a repeating unit represented by the following general formula (P1). A polymer electrolyte material according to any one of the above.
Figure 2005350658
(Here, Z 1 and Z 2 each represents an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more groups. Y 1 represents an electron-withdrawing group. Y 2 represents O or S.) A and b each independently represents an integer of 0 to 2, provided that a and b are not 0 at the same time.)
前記複素環状ポリマーが、ポリイミドであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の高分子電解質材。 The polymer electrolyte material according to claim 1, wherein the heterocyclic polymer is polyimide. 前記ポリイミドが、少なくとも下記一般式(P2)で示される繰返し単位を有するポリマーであることを特徴とする請求項10に記載の高分子電解質材。
Figure 2005350658
(ここで、Z3、Z4は芳香環を含む有機基を表し、それぞれが2種類以上の基を表してもよい。)
The polymer electrolyte material according to claim 10, wherein the polyimide is a polymer having at least a repeating unit represented by the following general formula (P2).
Figure 2005350658
(Here, Z 3 and Z 4 represent an organic group containing an aromatic ring, and each may represent two or more types of groups.)
請求項1〜12のいずれかに記載の高分子電解質材を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising the polymer electrolyte material according to claim 1. イオン性基を有する炭化水素系ポリマーと、複素環状ポリマーの前駆体からなる混合物を、製膜後、該複素環状ポリマーの前駆体を閉環せしめる工程を経ることにより、請求項12に記載の高分子電解質膜を製造することを特徴とする高分子電解質膜の製造法。 The polymer according to claim 12, after forming a mixture of a hydrocarbon polymer having an ionic group and a precursor of a heterocyclic polymer, and then ring-closing the precursor of the heterocyclic polymer. A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising producing an electrolyte membrane. 請求項1〜13のいずれかに記載の高分子電解質材あるいは高分子電解質膜を用いて構成されていることを特徴とする膜電極複合体。 A membrane electrode composite comprising the polymer electrolyte material or polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 13. 請求項1〜14のいずれかに記載の高分子電解質材あるいは高分子電解質膜を用いて構成されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte material or polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 14. 該高分子電解質型燃料電池が、炭素数1〜6の有機化合物、およびこれらと水の混合物から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接型燃料電池であることを特徴とする請求項15に記載の高分子電解質型燃料電池。
The polymer electrolyte fuel cell is a direct fuel cell using at least one selected from an organic compound having 1 to 6 carbon atoms and a mixture thereof with water as a fuel. The polymer electrolyte fuel cell as described.
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