JP2008078128A - POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE, ITS LAMINATE, AND METHOD FOR PRODUCING THEM - Google Patents
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Abstract
【課題】連続工程上ハンドリングし易いように電解質膜表面の両面の水に対する濡れ性の差が小さい電解質膜を提供する。また、さらには電極をつける工程において、膜−電極界面での接合性が高くなるように、電解質膜の両面共に濡れ性の高い膜を提供する。
【解決手段】高分子電解質膜の一方の面の水接触角と他方の面の水接触角との差が30°以下であるイオン伝導性高分子電解質膜を製造する。当該製造方法は、主鎖及び/又は側鎖に芳香族基を有し、且つ該芳香族基にイオン交換基を有するイオン伝導性高分子を含む高分子電解質を溶媒に溶解した高分子電解質溶液を調製する工程;及び、該高分子電解質溶液を、支持基材上に流延塗布し、該支持基材上に高分子電解質膜が積層した積層体を形成する工程;を含む。得られた積層体から支持基材を除去することにより、高分子電解質膜が得られる。
【選択図】なしProvided is an electrolyte membrane having a small difference in wettability with respect to water on both surfaces of the electrolyte membrane so that it can be easily handled in a continuous process. Furthermore, in the step of attaching the electrode, a film having high wettability is provided on both surfaces of the electrolyte membrane so that the bondability at the membrane-electrode interface is enhanced.
An ion conductive polymer electrolyte membrane in which a difference between a water contact angle on one side of a polymer electrolyte membrane and a water contact angle on the other side is 30 ° or less is manufactured. The production method includes a polymer electrolyte solution in which a polymer electrolyte having an aromatic group in a main chain and / or a side chain and containing an ion conductive polymer having an ion exchange group in the aromatic group is dissolved in a solvent. And a step of casting the polymer electrolyte solution onto a support substrate to form a laminate in which a polymer electrolyte membrane is laminated on the support substrate. A polymer electrolyte membrane is obtained by removing the supporting substrate from the obtained laminate.
[Selection figure] None
Description
本発明は、高分子電解質膜に関する。より詳しくは固体高分子型燃料電池の電解質膜として使用する高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane. More specifically, the present invention relates to a polymer electrolyte membrane used as an electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、水素と酸素の化学的反応により発電させる発電装置であり、次世代エネルギーの一つとして電気機器産業や自動車産業等の分野において大きく期待されている。該固体高分子型燃料電池内の隔膜として従来用いられてきた、ナフィオン(デュポン社の登録商標)に代表されるフッ素系高分子電解質に代わって、耐熱性やガスバリア性に優れる炭化水素系高分子電解質が近年注目されてきている(特許文献1)。 BACKGROUND ART A polymer electrolyte fuel cell is a power generation device that generates power by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is highly expected in fields such as the electric equipment industry and the automobile industry as one of the next generation energy. A hydrocarbon polymer excellent in heat resistance and gas barrier properties, instead of a fluorine polymer electrolyte represented by Nafion (registered trademark of DuPont), which has been conventionally used as a diaphragm in the solid polymer fuel cell In recent years, electrolytes have attracted attention (Patent Document 1).
炭化水素系高分子電解質膜を工業的に製造するためには、高特性かつ高品質を保持しつつ連続的に製膜していくことが重要である。例えば芳香族系高分子電解質については、溶媒に溶解させて流延塗布後、乾燥せしめる、所謂溶液キャスト法による製膜方法が一般的である(特許文献2〜5)。 In order to industrially produce a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, it is important to continuously form the membrane while maintaining high characteristics and high quality. For example, an aromatic polymer electrolyte is generally formed by a so-called solution casting method in which the polymer is dissolved in a solvent, casted, and dried (Patent Documents 2 to 5).
固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜の製造過程(製膜)に係る前記溶液キャスト法においては、溶液状態で基材上に塗布し、溶媒乾燥を行い、更に水中浸漬による溶媒除去を行い、水乾燥を行うといった工程を経て、膜が製造される。このように複雑な工程を経て膜が製造される過程において、工業的には、高分子電解質膜を連続的に製造することが求められる。そのため、得られる高分子電解質膜のハンドリング性が容易であることが重要視される。例えば高分子電解質膜の両面の性状がほぼ同等であり、どちらも同様に扱えることは重要である。 In the solution casting method relating to the production process (film formation) of a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, the solution is applied onto a substrate in a solution state, dried with a solvent, and further subjected to solvent removal by immersion in water. The film is manufactured through a process of performing water drying. In the process of producing a membrane through such complicated processes, it is industrially required to continuously produce a polymer electrolyte membrane. Therefore, importance is attached to the ease of handling of the obtained polymer electrolyte membrane. For example, it is important that the properties of both surfaces of the polymer electrolyte membrane are almost the same, and both can be handled in the same manner.
また、前記のようにして得られた高分子電解質膜の両面に電極を付けて、膜−電極接合体を製造する工程において、膜−電極界面での接合性が重要であり、両面共に電極との親和性の高い表面性状を有する高分子電解質膜が重要となっている。 In addition, in the process of manufacturing a membrane-electrode assembly by attaching electrodes to both sides of the polymer electrolyte membrane obtained as described above, the bondability at the membrane-electrode interface is important. A polymer electrolyte membrane having a surface property with high affinity is important.
従って本発明では、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜を工業的に製造することに鑑みて、連続工程上ハンドリングが容易であり、さらには、膜−電極接合体の製造工程において、膜−電極界面での接合性が高くなるような高分子電解質膜を提供する。 Therefore, in the present invention, in view of industrially producing a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, it is easy to handle on a continuous process, and moreover, in the process of producing a membrane-electrode assembly, Provided is a polymer electrolyte membrane having high bonding properties at the membrane-electrode interface.
前記課題を達成するため、本発明者らは鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。本発明は、以下に記載したイオン伝導性高分子電解質膜、当該高分子電解質膜を含む積層体、及び、それらの製造方法を提供するものである。まず、本発明は、下記[1]の積層体の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present inventors have intensively studied, and as a result, completed the present invention. The present invention provides an ion conductive polymer electrolyte membrane described below, a laminate including the polymer electrolyte membrane, and methods for producing them. First, this invention provides the manufacturing method of the laminated body of following [1].
[1]高分子電解質膜の一方の面の水に対する接触角と他方の面の水に対する接触角との差が30°以下であるイオン伝導性高分子電解質膜が、該高分子電解質膜の何れかの面が支持基材と接合した状態で、該支持基材上に積層された積層体を製造する方法であって、
以下の各工程:
主鎖及び/又は側鎖に芳香族基を有し、且つ該芳香族基に直接結合又は他の原子もしくは原子団を介して間接的に結合したイオン交換基を有するイオン伝導性高分子を含む高分子電解質を溶媒に溶解した高分子電解質溶液を調製する工程;及び、
該高分子電解質溶液を、支持基材上に流延塗布し、該支持基材上に高分子電解質膜を積層する工程;
を含むことを特徴とする積層体の製造方法
[1] An ion conductive polymer electrolyte membrane in which the difference between the contact angle with respect to water on one surface of the polymer electrolyte membrane and the contact angle with water on the other surface is 30 ° or less is any of the polymer electrolyte membranes. In a state where the surface is bonded to the support substrate, a method for producing a laminate laminated on the support substrate,
The following steps:
Includes an ion conductive polymer having an aromatic group in the main chain and / or side chain and having an ion exchange group directly bonded to the aromatic group or indirectly bonded through another atom or atomic group Preparing a polymer electrolyte solution in which the polymer electrolyte is dissolved in a solvent; and
A step of casting and applying the polymer electrolyte solution onto a supporting substrate, and laminating a polymer electrolyte membrane on the supporting substrate;
A process for producing a laminate comprising:
さらに本発明は、前記[1]に係る好適な実施形態として、下記の[2]、[3]を提供する。
[2]前記支持基材の流延塗布される表面が金属又は金属酸化物により形成されていることを特徴とする[1]に記載の積層体の製造方法
Furthermore, the present invention provides the following [2] and [3] as preferred embodiments according to the above [1].
[2] The method for producing a laminate according to [1], wherein a surface of the supporting substrate to be cast-coated is formed of a metal or a metal oxide.
[3]前記支持基材が連続支持基材であって、表面に金属又は金属酸化物を含むフィルムであることを特徴とする[1]又は[2]に記載の積層体の製造方法 [3] The method for producing a laminate according to [1] or [2], wherein the support substrate is a continuous support substrate and is a film containing a metal or a metal oxide on the surface.
流延塗布により、高分子電解質膜の両面の接触角差を小さくすることが容易な支持基材としては、流延塗布される表面が金属又は金属酸化物で形成された支持基材が適しており、工業的利用の観点から、連続支持基材であって、表面に金属又は金属酸化物を含むフィルムが用いられる。 As a support substrate that can easily reduce the contact angle difference between both surfaces of the polymer electrolyte membrane by casting, a support substrate in which the surface to be cast is formed of metal or metal oxide is suitable. From the viewpoint of industrial use, a film that is a continuous support substrate and contains a metal or metal oxide on the surface is used.
また、本発明は前記いずれかの製造方法において、下記の[4]〜[15]を提供する。
[4]前記イオン伝導性高分子が、主鎖に芳香族環を有し、且つ、該芳香族環に直接結合又は他の原子もしくは原子団を介して間接的に結合したイオン交換基を有することを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の積層体の製造方法
In addition, the present invention provides the following [4] to [15] in any one of the production methods.
[4] The ion-conducting polymer has an aromatic ring in the main chain, and an ion-exchange group bonded directly to the aromatic ring or indirectly through another atom or atomic group. The manufacturing method of the laminated body in any one of [1]-[3] characterized by the above-mentioned
[5]前記イオン伝導性高分子が、側鎖を有することを特徴とする[4]に記載の積層体の製造方法
[6]前記イオン伝導性高分子が、主鎖に芳香族環を有し、かつ芳香族環側鎖を有してもよく、主鎖の芳香環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有することを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[7]前記イオン交換基がスルホン酸基であることを特徴とする[4]〜[6]のいずれかに記載の積層体の製造方法。
[8]前記イオン伝導性高分子が、下記一般式(1a)〜(4a)
[5] The method for producing a laminate according to [4], wherein the ion conductive polymer has a side chain. [6] The ion conductive polymer has an aromatic ring in the main chain. And may have an aromatic ring side chain, and at least one of the aromatic ring of the main chain or the aromatic ring of the side chain has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring [ [1] The method for producing a laminate according to any one of [3] [7] The laminate according to any one of [4] to [6], wherein the ion exchange group is a sulfonic acid group. Manufacturing method.
[8] The ion conductive polymer may have the following general formulas (1a) to (4a):
(式中、Ar1〜Ar9は、互いに独立に、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有してもよい2価の芳香族基を表す。該主鎖の芳香族環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したプロトン交換基を有する。
Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。pは0、1又は2を表し、q、rは互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を有する繰り返し単位1種以上と、
下記一般式(1b)〜(4b)
(In the formula, Ar 1 to Ar 9 each independently represent a divalent aromatic group having an aromatic ring in the main chain and further having a side chain having an aromatic ring. At least one of the aromatic ring of the chain or the aromatic ring of the side chain has a proton exchange group directly bonded to the aromatic ring.
Z and Z ′ each independently represent one of CO and SO 2 , and X, X ′ and X ″ each independently represent one of O and S. Y represents a direct bond or the following general formula (10) And p represents 0, 1 or 2, and q and r each independently represent 1, 2 or 3.
One or more repeating units having an ion exchange group selected from:
The following general formulas (1b) to (4b)
(式中、Ar11〜Ar19は、互いに独立に側鎖としての置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表す。Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。p’は0、1又は2を表し、q’、r’は互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を実質的に有さない繰り返し単位1種以上とを有することを特徴とする[1]〜[7]のいずれかに記載の積層体の製造方法
(式中、R1及びR2は互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基を表し、R1とR2が連結して環を形成していてもよい。)
(In the formula, Ar 11 to Ar 19 each independently represent a divalent aromatic group optionally having a substituent as a side chain. Z and Z ′ are each independently CO or SO 2 . X, X ′, and X ″ each independently represent O or S. Y represents a direct bond or a group represented by the following general formula (10). P ′ is 0, 1 or 2 and q ′ and r ′ each independently represent 1, 2 or 3.)
The method for producing a laminate according to any one of [1] to [7], comprising at least one repeating unit substantially free of ion exchange groups selected from
(In the formula, R 1 and R 2 are independently of each other a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and an optionally substituted substituent having 1 to 10 carbon atoms. An alkoxy group, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an optionally substituted carbon Represents an acyl group of 2 to 20, and R 1 and R 2 may be linked to form a ring.)
[9]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するポリマーセグメント(A)を一つ以上、及びイオン交換基を実質的に有さないポリマーセグメント(B)を一つ以上有する共重合体である[1]〜[8]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[10]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)、及びイオン交換基を実質的に有さないブロック(B)からなる、ブロック共重合体であることを特徴とする[1]〜[9]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[9] A copolymer in which the ion conductive polymer has at least one polymer segment (A) having an ion exchange group and at least one polymer segment (B) having substantially no ion exchange group. [10] The method for producing a laminate according to any one of [1] to [8] [10] The ion conductive polymer substantially has a block (A) having an ion exchange group and an ion exchange group. A method for producing a laminate according to any one of [1] to [9], wherein the laminate is a block copolymer comprising a block (B) that is not used.
[11]少なくとも2つ以上の相にミクロ相分離した構造を有する高分子電解質膜が得られることを特徴とする[1]〜[10]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[12]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)及び、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)からなる、ブロック共重合体であり、且つ、イオン交換基を有するブロック(A)の密度が高い相と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)の密度が高い相とを含むミクロ相分離構造を有する高分子電解質膜が得られることを特徴とする[1]〜[11]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[11] A method for producing a laminate according to any one of [1] to [10], wherein a polymer electrolyte membrane having a structure microphase-separated into at least two or more phases is obtained [12] The ion conductive polymer is a block copolymer comprising a block (A) having an ion exchange group and a block (B) having substantially no ion exchange group, and has an ion exchange group. A polymer electrolyte membrane having a microphase separation structure including a phase having a high density of the block (A) and a phase having a high density of the block (B) substantially not having an ion exchange group is obtained. The method for producing a laminate according to any one of [1] to [11]
[13]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とをそれぞれ一つ以上有し、イオン交換基を有するブロック(A)が、下記一般式(4a’)
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar9は2価の芳香族基を表し、ここで2価の芳香族基は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。Ar9は主鎖を構成する芳香環に直接又は側鎖を介してイオン交換基を有する。)
で表される繰返し構造を有し、且つ、
イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)が下記一般式(1b’)、(2b’)、(3b’)
(式中、nは5以上の整数を表す。Ar11〜Ar18は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基、炭素数6〜18のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。その他の符号は、前記一般式(1b)〜(3b)のものと同じである。)
で表される繰返し構造から選ばれる1種以上を有することを特徴とする[1]〜[12]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[13] The ion-conducting polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) having substantially no ion exchange group, and has an ion exchange group. Block (A) is represented by the following general formula (4a ′)
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 9 represents a divalent aromatic group, wherein the divalent aromatic group has a fluorine atom and optionally has 1 carbon atom. Or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. The aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms or the optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms may be substituted, Ar 9 may be directly or on the side of the aromatic ring constituting the main chain. It has an ion exchange group through the chain.)
And having a repeating structure represented by:
The block (B) having substantially no ion exchange group is represented by the following general formulas (1b ′), (2b ′), (3b ′)
(In the formula, n represents an integer of 5 or more. Ar 11 to Ar 18 each independently represent a divalent aromatic group, and these divalent aromatic groups are alkyls having 1 to 18 carbon atoms. Group, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. The same as those in the general formulas (1b) to (3b).
The method for producing a laminate according to any one of [1] to [12], comprising at least one selected from a repeating structure represented by
[14]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とをそれぞれ一つ以上有し、且つ、イオン交換基を有するブロック(A)において、イオン交換基が主鎖芳香族環に直接結合していることを特徴とする[1]〜[13]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[15]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とをそれぞれ一つ以上有し、且つ、イオン交換基を有するブロック(A)及びイオン交換基を実質的に有さないブロック(B)がいずれも、ハロゲン原子を含む置換基を実質的に有さないことを特徴とする[1]〜[14]のいずれかに記載の積層体の製造方法
[14] The ion conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) having substantially no ion exchange group, and the ion exchange group. In the block (A) having a structure, the ion-exchange group is directly bonded to the main chain aromatic ring. [15] The method for producing a laminate according to any one of [1] to [13] The ion conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) having substantially no ion exchange group, and a block having an ion exchange group ( Any one of [1] to [14], wherein A) and the block (B) substantially not having an ion exchange group substantially have no substituent containing a halogen atom. Method for producing the laminate as described
また、本発明は前記いずれかの製造方法から、下記の[16]〜[37]を提供する。
[16]前記[1]〜[15]のいずれかに記載された製造方法により得られた積層体から前記支持基材を除去する工程を含むことを特徴とする高分子電解質膜の製造方法
[17]前記支持基材の除去後に、高分子電解質膜表面の両面共に表面処理する工程を含まないことを特徴とする[16]に記載の高分子電解質膜の製造方法
In addition, the present invention provides the following [16] to [37] from any one of the above production methods.
[16] A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising a step of removing the support substrate from the laminate obtained by the production method according to any one of [1] to [15]. [17] The method for producing a polymer electrolyte membrane according to [16], which does not include a step of performing a surface treatment on both sides of the surface of the polymer electrolyte membrane after the support substrate is removed.
[18]前記[1]〜[15]のいずれかに記載された製造方法により得られた積層体 [18] A laminate obtained by the production method described in any one of [1] to [15]
[19]前記[16]又は[17]に記載された製造方法により得られた高分子電解質膜
[20]少なくとも1種のイオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜であって、該高分子電解質膜の少なくともいずれかの面が表面処理が行われておらず、且つ、該高分子電解質膜の一方の面の水に対する接触角と他方の面の水に対する接触角との差が30°以下であることを特徴とするイオン伝導性高分子電解質膜
[21]前記高分子電解質膜の両面共に表面処理が行われていないことを特徴とする[20]に記載のイオン伝導性高分子電解質膜
[19] Polymer electrolyte membrane obtained by the production method described in [16] or [17] [20] A polymer electrolyte membrane containing at least one ion-conductive polymer, the polymer The surface of at least one of the electrolyte membranes is not surface-treated, and the difference between the contact angle with water on one side of the polymer electrolyte membrane and the contact angle with water on the other side is 30 ° or less. [21] The ion conductive polymer electrolyte membrane according to [20], wherein both surfaces of the polymer electrolyte membrane are not subjected to surface treatment.
[22]該膜の一方の面及び他方の面のいずれの水に対する接触角も10°以上60°以下であることを特徴とする[20]又は[21]に記載の高分子電解質膜 [22] The polymer electrolyte membrane according to [20] or [21], wherein the contact angle with respect to water on one side and the other side of the membrane is 10 ° or more and 60 ° or less
[23]前記イオン伝導性高分子が、主鎖に芳香族環を有し、且つ、該芳香族環に直接結合又は他の原子もしくは原子団を介して間接的に結合したイオン交換基を有することを特徴とする[20]〜[22]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[24]前記イオン伝導性高分子が、側鎖を有することを特徴とする[23]に記載の高分子電解質膜
[25]前記イオン伝導性高分子が、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有しても良く、主鎖の芳香環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有することを特徴とする[20]〜[22]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[26]前記イオン交換基がスルホン酸基であることを特徴とする[23]〜[25]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[23] The ion-conducting polymer has an aromatic ring in the main chain, and an ion-exchange group bonded directly to the aromatic ring or indirectly through another atom or atomic group. [24] The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [22] [24] The polymer according to [23], wherein the ion conductive polymer has a side chain. Electrolyte membrane [25] The ion conductive polymer may have an aromatic ring in the main chain, and may further have a side chain having an aromatic ring, and the main chain aromatic ring or the side chain aromatic ring. At least one of the polymer electrolyte membranes according to any one of [20] to [22], which has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring. [26] The ion exchange group is a sulfonic acid group. The high content according to any one of [23] to [25], Electrolyte membrane
[27]前記イオン伝導性高分子が、下記一般式(1a)〜(4a)
(式中、Ar1〜Ar9は、互いに独立に、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有してもよい2価の芳香族基を表す。該主鎖の芳香族環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有する。
Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。pは0、1又は2を表し、q、rは互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を有する繰り返し単位1種以上と、
下記一般式(1b)〜(4b)
(式中、Ar11〜Ar19は、互いに独立に側鎖としての置換基を有していてもよい2価の芳香族炭素基を表す。Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。p’は0、1又は2を表し、q’、r’は互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を実質的に有さない繰り返し単位1種以上とを有することを特徴とする[20]〜[26]のいずれかに記載の高分子電解質膜
(式中、R1及びR2は互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基を表し、R1とR2が連結して環を形成していてもよい。)
[27] The ion conductive polymer may have the following general formulas (1a) to (4a):
(In the formula, Ar 1 to Ar 9 each independently represent a divalent aromatic group having an aromatic ring in the main chain and further having a side chain having an aromatic ring. At least one of the aromatic ring of the chain or the aromatic ring of the side chain has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring.
Z and Z ′ each independently represent one of CO and SO 2 , and X, X ′ and X ″ each independently represent one of O and S. Y represents a direct bond or the following general formula (10) And p represents 0, 1 or 2, and q and r each independently represent 1, 2 or 3.
One or more repeating units having an ion exchange group selected from:
The following general formulas (1b) to (4b)
(In the formula, Ar 11 to Ar 19 each independently represent a divalent aromatic carbon group which may have a substituent as a side chain. Z and Z ′ are independently of each other CO and SO 2 . X, X ′, and X ″ each independently represent O or S. Y represents a group represented directly or by the following general formula (10). P ′ is 0, 1 or 2 and q ′ and r ′ each independently represent 1, 2 or 3.)
The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [26], comprising one or more repeating units substantially free of ion-exchange groups selected from
(In the formula, R 1 and R 2 are independently of each other a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and an optionally substituted substituent having 1 to 10 carbon atoms. An alkoxy group, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an optionally substituted carbon Represents an acyl group of 2 to 20, and R 1 and R 2 may be linked to form a ring.)
[28]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するポリマーセグメント(A)及び、イオン交換基を実質的に有さないポリマーセグメント(B)からなる、共重合体であることを特徴とする[20]〜[27]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[29]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)及び、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)からなる、ブロック共重合体であることを特徴とする[20]〜[27]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[28] The ion-conductive polymer is a copolymer comprising a polymer segment (A) having an ion exchange group and a polymer segment (B) having substantially no ion exchange group. The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [27] [29] The ion-conductive polymer substantially does not have a block (A) having an ion exchange group and an ion exchange group. The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [27], which is a block copolymer comprising the block (B)
[30]該膜が少なくとも2つ以上の相にミクロ相分離した構造を有することを特徴とする[20]〜[29]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[31]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)及び、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)からなる、ブロック共重合体であり、且つ、該膜がイオン交換基を有するブロック(A)の密度が高い相と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)の密度が高い相を含むミクロ相分離構造を有することを特徴とする[20]〜[30]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[30] The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [29], wherein the membrane has a microphase-separated structure into at least two or more phases. [31] The high ion conductivity A block is a block copolymer in which a molecule is composed of a block (A) having an ion exchange group and a block (B) substantially having no ion exchange group, and the membrane has a block having an ion exchange group ( Any one of [20] to [30], which has a microphase separation structure including a phase having a high density of A) and a phase having a high density of the block (B) having substantially no ion exchange group The polymer electrolyte membrane according to
[32]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とをそれぞれ一つ以上有し、イオン交換基を有するブロック(A)が、下記一般式(4a’)。
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar9は2価の芳香族基を表し、ここで2価の芳香族基は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。Ar9は主鎖を構成する芳香環に直接又は側鎖を介してイオン交換基を有する。)
で表される繰返し構造を有し、且つ、
イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)が下記一般式(1b’)、(2b’)、(3b’)
(式中、nは5以上の整数を表す。Ar11〜Ar18は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基、炭素数6〜18のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。その他の符号は、前記一般式(1b)〜(3b)のものと同じである。)
で表される繰返し構造から選ばれる1種以上とを有することを特徴とする[20]〜[31]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[32] The ion-conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) having substantially no ion exchange group, and has an ion exchange group. The block (A) is represented by the following general formula (4a ′).
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 9 represents a divalent aromatic group, wherein the divalent aromatic group has a fluorine atom and optionally has 1 carbon atom. Or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. The aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms or the optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms may be substituted, Ar 9 may be directly or on the side of the aromatic ring constituting the main chain. It has an ion exchange group through the chain.)
And having a repeating structure represented by:
The block (B) having substantially no ion exchange group is represented by the following general formulas (1b ′), (2b ′), (3b ′)
(In the formula, n represents an integer of 5 or more. Ar 11 to Ar 18 each independently represent a divalent aromatic group, and these divalent aromatic groups are alkyls having 1 to 18 carbon atoms. Group, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. The same as those in the general formulas (1b) to (3b).
The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [31], having at least one selected from the repeating structure represented by
[33]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とをそれぞれ一つ以上有し、且つ、イオン交換基を有するブロック(A)において、イオン交換基が主鎖芳香族環に直接結合していることを特徴とする[20]〜[32]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[34]前記イオン伝導性高分子が、イオン交換基を有するブロック(A)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とをそれぞれ一つ以上有し、且つ、イオン交換基を有するブロック(A)及びイオン交換基を実質的に有さないブロック(B)が共に、ハロゲン原子を含む置換基を実質的に有さないことを特徴とする[20]〜[33]のいずれかに記載の高分子電解質膜
[33] The ion conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) substantially not having an ion exchange group, and the ion exchange group. The polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [32], wherein the ion-exchange group is directly bonded to the main chain aromatic ring in the block (A) having [34] The conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) substantially not having an ion exchange group, and a block having an ion exchange group (A ) And the block (B) substantially free of ion exchange groups both have substantially no substituent containing a halogen atom, according to any one of [20] to [33] Polymer electrolyte membrane
[35]前記[20]〜[34]のいずれかに記載された高分子電解質膜が、該支持基材上に積層された積層体
[36]前記支持基材の高分子電解質膜と接合した表面が金属又は金属酸化物により形成されていることを特徴とする[35]に記載の積層体
[37]前記支持基材が連続支持基材であって、表面に金属又は金属酸化物を含むフィルムである[35]又は[36]に記載の積層体
[35] A laminate in which the polymer electrolyte membrane according to any one of [20] to [34] is laminated on the support substrate. [36] The polymer electrolyte membrane of the support substrate is joined. The laminate according to [35], wherein the surface is formed of a metal or a metal oxide. [37] The support substrate is a continuous support substrate, and the surface includes a metal or a metal oxide. The laminate according to [35] or [36], which is a film
本発明によれば、溶液キャスト法により高分子電解質膜を製膜する際に、高分子電解質溶液を適切な支持基材の表面に流延することによって、両面の表面性状がほぼ同等の高分子電解質膜を得ることを可能とする。したがって、高分子電解質膜の連続生産において、該膜の表裏の性状を勘案して、それぞれ異なった処理を行なわなくともよい。そのため、工業生産上、極めてハンドリング性が良好である高分子電解質膜を提供できる。また、製膜後に表面処理等の煩雑な後加工を行わなくても、該高分子電解質膜に電極を付けて膜−電極接合体を製造したとき、膜−電極間に良好な接合性を有する膜−電極接合体を得ることができる。したがって、高機能型の固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜として、工業的に有利な膜となる。 According to the present invention, when a polymer electrolyte membrane is formed by a solution casting method, a polymer electrolyte solution is cast on the surface of an appropriate support substrate, whereby a polymer having substantially the same surface properties on both sides is obtained. It is possible to obtain an electrolyte membrane. Therefore, in the continuous production of the polymer electrolyte membrane, different treatments need not be performed in consideration of the properties of the front and back of the membrane. Therefore, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane having extremely good handling properties in industrial production. In addition, when a membrane-electrode assembly is produced by attaching an electrode to the polymer electrolyte membrane without complicated post-processing such as surface treatment after film formation, the membrane-electrode assembly has good bondability. A membrane-electrode assembly can be obtained. Therefore, it is an industrially advantageous membrane as a polymer electrolyte membrane for a high-functional type solid polymer fuel cell.
以下、本発明に係る高分子電解質膜について具体的に説明する。高分子電解質とは、少なくとも1種のイオン伝導性高分子を含有する電解質樹脂であり、該高分子電解質からなる膜を高分子電解質膜と称する。該高分子電解質膜は、イオン伝導性高分子を50重量%以上、好ましくは70重量%以上、特に好ましくは90重量%以上の割合で含んでいることが好ましい。
イオン伝導性高分子とは、イオン交換基を有する高分子であって、固体高分子型燃料電池の電解質膜として用いたときに、イオン伝導、特にプロトン伝導に係る基を有する高分子であることを意味する。
Hereinafter, the polymer electrolyte membrane according to the present invention will be specifically described. The polymer electrolyte is an electrolyte resin containing at least one ion conductive polymer, and a film made of the polymer electrolyte is referred to as a polymer electrolyte film. The polymer electrolyte membrane preferably contains an ion conductive polymer in a proportion of 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, particularly preferably 90% by weight or more.
The ion conductive polymer is a polymer having an ion exchange group, and is a polymer having a group related to ion conduction, particularly proton conduction, when used as an electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell. Means.
本発明の高分子電解質膜においてイオン伝導性を担うイオン交換基の導入量は、イオン交換容量で表して、0.5meq/g〜4.0meq/gが好ましく、更に好ましくは1.0meq/g〜2.8meq/gである。該イオン交換基導入量を示すイオン交換容量が0.5meq/g以上であると、イオン伝導性がより高くなり、燃料電池用の高分子電解質としての機能がより優れるので好ましい。一方、イオン交換基導入量を示すイオン交換容量が4.0meq/g以下であると、耐水性がより良好となるので好ましい。 In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the amount of ion exchange groups responsible for ion conductivity is preferably 0.5 meq / g to 4.0 meq / g, more preferably 1.0 meq / g, expressed as ion exchange capacity. ~ 2.8 meq / g. When the ion exchange capacity indicating the amount of ion exchange groups introduced is 0.5 meq / g or more, the ion conductivity becomes higher and the function as a polymer electrolyte for a fuel cell is more preferable. On the other hand, when the ion exchange capacity indicating the amount of ion exchange groups introduced is 4.0 meq / g or less, the water resistance becomes better, which is preferable.
本発明の高分子電解質膜は、少なくとも1種のイオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜であって、該高分子電解質膜の少なくともいずれかの面が表面処理が行われておらず、且つ、該高分子電解質膜の一方の面の水に対する接触角と他方の面の水に対する接触角との差が30°以下であることを特徴とする。両面の水に対する接触角の差は、好ましくは20°以下であり、さらに好ましくは10°以下である。
両面の水に対する接触角の差が30°以内であれば、高分子電解質膜の表裏の表面性状を特に勘案することなく、該高分子電解質膜を加工し易いことから、ハンドリング性に優れたものとなる。例えば、固体高分子型燃料電池用の膜−電極接合体を製造する上で、該高分子電解質膜の表裏に同様の処理を行うことで容易に膜−電極接合体を製造することができる。このように、高分子電解質膜を加工する処理において、該膜の表裏の表面性状はより同等であることが望ましく、その観点からは、該膜において両面の水に対する接触角の差は小さい方がより好ましい。
また、該膜の一方の面及び他方の面のいずれの水に対する接触角も10°以上60°以下であることが好ましく、より好ましくは20°以上50°以下である。
これら両面の水に対する接触角が10°以上であれば、高分子電解質膜表面の吸水時の形態安定性に優れるため好ましい。
また、両面の水に対する接触角が60°以下であれば、製造した高分子電解質膜と、燃料電池用電極との接合性が強くなるため好ましい。
The polymer electrolyte membrane of the present invention is a polymer electrolyte membrane containing at least one ion-conducting polymer, and at least any surface of the polymer electrolyte membrane is not subjected to surface treatment, and The difference between the contact angle of water on one surface of the polymer electrolyte membrane and the contact angle of water on the other surface is 30 ° or less. The difference between the contact angles of both surfaces with respect to water is preferably 20 ° or less, and more preferably 10 ° or less.
If the difference in contact angle with water on both sides is within 30 °, the polymer electrolyte membrane is easy to process without special consideration of the surface properties of the front and back surfaces of the polymer electrolyte membrane. It becomes. For example, when a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell is produced, the membrane-electrode assembly can be easily produced by performing the same treatment on the front and back of the polymer electrolyte membrane. Thus, in the processing of processing the polymer electrolyte membrane, it is desirable that the surface properties of the front and back sides of the membrane are more equal, and from this point of view, the difference in the contact angle with respect to water on both sides of the membrane is smaller. More preferred.
Further, the contact angle with respect to water on either one surface or the other surface of the membrane is preferably 10 ° or more and 60 ° or less, and more preferably 20 ° or more and 50 ° or less.
A contact angle of 10 ° or more with respect to water on both surfaces is preferable because the form stability of the polymer electrolyte membrane surface upon water absorption is excellent.
Moreover, if the contact angle with respect to the water of both surfaces is 60 degrees or less, since the joining property of the manufactured polymer electrolyte membrane and the electrode for fuel cells becomes strong, it is preferable.
高分子電解質膜の一方の面及び他方の面の水に対する接触角は、高分子電解質膜への表面処理等の後加工をしていない高分子電解質膜の値である。
表面処理等の後加工処理を施さない膜は、製膜工程の工程数を減らすことができて、工業的に非常に有用である。また、表面処理等を行うと、膜表面が化学的又は物理的な劣化を起こす場合もあり、表面処理等を施さない方が好ましい。
本発明によれば、溶液キャスト法により高分子電解質膜を製膜する際に、高分子電解質溶液を適切な支持基材の表面に流延することによって、製膜後に表面処理等の後加工を行わなくても、高分子電解質膜の両面の接触角差を30°以下にすることができる。すなわち、溶液キャスト法による製膜後に、両面共に特別な表面処理を行わなくても、膜の両面の親水性の差を十分に小さくすることができる。
The contact angle with respect to water of one surface and the other surface of the polymer electrolyte membrane is a value of the polymer electrolyte membrane that is not subjected to post-processing such as surface treatment on the polymer electrolyte membrane.
A film that is not subjected to post-processing treatment such as surface treatment can reduce the number of film forming steps, and is very useful industrially. Further, when surface treatment or the like is performed, the film surface may cause chemical or physical deterioration, and it is preferable not to perform the surface treatment or the like.
According to the present invention, when a polymer electrolyte membrane is formed by the solution casting method, the polymer electrolyte solution is cast on the surface of an appropriate support substrate, thereby performing post-processing such as surface treatment after film formation. Even if it does not perform, the contact angle difference of both surfaces of a polymer electrolyte membrane can be 30 degrees or less. That is, the difference in hydrophilicity between both surfaces of the film can be sufficiently reduced without performing special surface treatment on both surfaces after film formation by the solution casting method.
表面処理等の後加工をしていないということは、流延を含む製膜工程で得られた膜の表面状態が、当該流延工程後に追加的な変化を受けていないということである。
表面処理とは、例えばコロナ処理やプラズマ処理等の親水化処理や、フッ素処理等の撥水化処理等が挙げられる。親水化処理が行われた表面は、通常、親水基が付与されていたり、或いは、微細な凹凸を有する粗面となっている。また、撥水化処理が行われた表面は、通常、撥水基が付与されている。
従って、表面処理が行われていない高分子電解質膜の状態の具体例としては、当該高分子電解質膜が本来有している官能基以外の官能基が表面に付与されていない、或いは、当該高分子電解質膜が本来有している官能基であるが、その存在量が変化していない(官能基の量が増えていない又は減っていない)、あるいは、製膜工程後に意図的に粗面化されていないといった状態が挙げられる。このように表面処理とは、高分子電解質膜に対して不可逆的な変化を生じさせる処理を表す。従って、高分子電解質膜を構成する高分子電解質において、イオン交換反応に係る処理は、イオン交換自体が可逆反応であることから、前記表面処理の範疇には含まれない。
The fact that post-processing such as surface treatment is not performed means that the surface state of the film obtained in the film forming process including casting has not undergone additional changes after the casting process.
Examples of the surface treatment include hydrophilic treatment such as corona treatment and plasma treatment, and water repellency treatment such as fluorine treatment. The surface subjected to the hydrophilization treatment is usually a rough surface to which a hydrophilic group is added or has fine irregularities. Further, the surface subjected to the water repellent treatment is usually provided with a water repellent group.
Therefore, as a specific example of the state of the polymer electrolyte membrane that has not been surface-treated, a functional group other than the functional group originally possessed by the polymer electrolyte membrane is not provided on the surface, or The molecular electrolyte membrane has functional groups that are inherently present, but their abundance has not changed (the amount of functional groups has not increased or decreased), or is intentionally roughened after the film forming process. The state that it is not done is mentioned. Thus, the surface treatment represents a treatment that causes an irreversible change in the polymer electrolyte membrane. Therefore, in the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte membrane, the treatment related to the ion exchange reaction is not included in the category of the surface treatment because the ion exchange itself is a reversible reaction.
本発明の高分子電解質膜を製造する方法として、溶液状態より製膜する方法(いわゆる溶液キャスト法)が特に好ましく使用される。
具体的には、少なくとも一種以上のイオン伝導性高分子を、必要に応じてイオン伝導性高分子以外の高分子、添加剤等の他の成分と共に適当な溶媒に溶解し、その高分子電解質溶液をある特定の基材上に流延塗布(キャスト製膜)し、溶媒を除去することにより製膜されることが好ましい。
高分子電解質溶液を調製する際は、2種以上のイオン伝導性高分子を別々に溶媒に添加したり、或いは、イオン伝導性高分子と他の成分を別々に溶媒に添加するなど、高分子電解質を構成する2種以上の成分を別々に溶媒に添加し、溶解することで、高分子電解質溶液を調製してもよい。
As a method for producing the polymer electrolyte membrane of the present invention, a method of forming a membrane from a solution state (so-called solution casting method) is particularly preferably used.
Specifically, at least one ion-conducting polymer is dissolved in a suitable solvent together with other components such as a polymer other than the ion-conducting polymer and additives as necessary, and the polymer electrolyte solution The film is preferably formed by casting (casting) on a specific base material and removing the solvent.
When preparing a polyelectrolyte solution, two or more types of ion-conducting polymers are separately added to the solvent, or the ion-conducting polymer and other components are separately added to the solvent. The polymer electrolyte solution may be prepared by separately adding and dissolving two or more components constituting the electrolyte in a solvent.
製膜に用いる溶媒は、イオン伝導性高分子及び必要に応じて添加される他の成分が溶解可能であり、その後に除去し得るものであるならば特に制限はなく、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非プロトン性極性溶媒、あるいはジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、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。これらは単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。中でも、DMSO、DMF、DMAc、NMP等がポリマーの溶解性が高く好ましい。 The solvent used for film formation is not particularly limited as long as it can dissolve the ion-conductive polymer and other components added as necessary and can be removed thereafter. Dimethylformamide (DMF), Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), or chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene Alcohols such as methanol, ethanol and propanol, alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether Used to apply. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary. Among these, DMSO, DMF, DMAc, NMP, and the like are preferable because of high polymer solubility.
本発明で製造する高分子電解質膜について、耐酸化性や耐ラジカル性等の化学的安定性を高めるために、本発明の効果を妨げない程度に高分子電解質に化学的安定剤を添加してもよい。添加する安定剤としては、酸化防止剤等が挙げられ、例えば特開2003−201403号公報、特開2003−238678号公報及び特開2003−282096号公報に例示されているような添加剤が挙げられる。あるいは、特開2005−38834号公報及び特開2006−66391号公報に記載されている下式
(r=1〜2.5、s=0〜0.5、繰り返し単位の添え字数字は繰り返し単位のモル分率を示す。)
(r=1〜2.5、s=0〜0.5、繰り返し単位の添え字数字は繰り返し単位のモル分率を示す。)
で示されるホスホン酸基含有ポリマーを化学的安定化剤として含有することができる。なお、上式において「−(P(O)(OH)2)r」及び「−(Br)s」の表記は、ビフェニリレンオキシ単位当たりに、ホスホン酸基が平均r個あり、ブロモ基が平均s個あることを意味する。
添加する化学的安定剤含有量は全体の20wt%以内が好ましく、それを超えて含有すると、高分子電解質膜の特性が低下する可能性がある。
In order to increase the chemical stability of the polymer electrolyte membrane produced by the present invention, such as oxidation resistance and radical resistance, a chemical stabilizer is added to the polymer electrolyte to the extent that the effects of the present invention are not hindered. Also good. Examples of the stabilizer to be added include antioxidants and the like, for example, additives as exemplified in JP2003-201403, JP2003-238678, and JP2003-282096. It is done. Alternatively, the following formulas described in JP-A-2005-38834 and JP-A-2006-66391
(R = 1 to 2.5, s = 0 to 0.5, the subscript number of the repeating unit indicates the mole fraction of the repeating unit.)
(R = 1 to 2.5, s = 0 to 0.5, the subscript number of the repeating unit indicates the mole fraction of the repeating unit.)
The phosphonic acid group-containing polymer represented by can be contained as a chemical stabilizer. In the above formula, “-(P (O) (OH) 2 ) r ” and “— (Br) s ” are represented by an average of r phosphonic acid groups per biphenylyleneoxy unit, and bromo groups Means there are s on average.
The content of the chemical stabilizer to be added is preferably within 20 wt% of the whole, and if it exceeds this content, the properties of the polymer electrolyte membrane may be lowered.
本発明において流延塗布に用いる支持基材は、連続製膜し得る基材を用いるのが好ましい。連続製膜し得る基材とは、巻物として保持できてある程度の湾曲等の外力下でも割れたりせずに耐えうる基材を指す。
連続製膜し得る基材とは、紙管やプラスチック管に巻きつけて巻物状の形態をとり得る基材のことを指し、生産性が向上するため工業的に有利となる。基材の幅が100mm以上、かつ長さが10m以上のものが好ましい。より好ましくは、基材の幅が150mm以上、かつ長さが50m以上のものをいう。さらに好ましくは、基材の幅が200mm以上、かつ長さが100m以上のものをいう。また、巻物の状態で固定した後、連続的に繰り出し又は巻き取りをし得る基材をいう。一般に、ガラス板や金属板等、屈曲性に劣ったり、屈曲時に割れたりする基材は好ましくない。
In the present invention, it is preferable to use a base material that can be continuously formed as the support base material used for casting application. The base material that can be continuously formed refers to a base material that can be held as a scroll and can endure without cracking even under an external force such as a certain degree of curvature.
The base material that can be continuously formed refers to a base material that can be wound around a paper tube or a plastic tube to take a roll-like form, which is industrially advantageous because productivity is improved. A substrate having a width of 100 mm or more and a length of 10 m or more is preferable. More preferably, the substrate has a width of 150 mm or more and a length of 50 m or more. More preferably, the substrate has a width of 200 mm or more and a length of 100 m or more. Moreover, after fixing in the state of a roll, the base material which can be continuously drawn out or wound up is said. In general, a substrate that is inferior in flexibility or cracked when bent, such as a glass plate or a metal plate, is not preferable.
流延塗布する基材としては、キャスト製膜時の乾燥条件に耐えうる耐熱性や寸法安定性を有するものが好ましく、また上記記載の溶媒に対する耐溶剤性や耐水性を有する基材が好ましい。また、塗布乾燥後に、高分子電解質膜と基材とが強固に接着せず、剥離し得る基材が好ましい。ここでいう「耐熱性や寸法安定性を有する」とは、高分子電解質溶液を流延塗布後、溶媒除去のために乾燥オーブンを用いて乾燥する場合に、熱変形しないことをいう。また、「耐溶剤性を有する」とは、高分子電解質溶液中の溶媒によって基材自身が実質的に溶け出さないことをいう。また、「耐水性を有する」とは、pHが4.0〜7.0の水溶液中において、基材自身が実質的に溶け出さないことをいう。更に「耐溶剤性を有する」及び「耐水性を有する」とは、溶媒や水に対して化学劣化を起こさないことや、膨潤や収縮を起こさず寸法安定性が良いことも含む概念である。 As the substrate to be cast-coated, those having heat resistance and dimensional stability that can withstand the drying conditions during casting are preferable, and substrates having solvent resistance and water resistance to the above-mentioned solvents are preferable. Moreover, the base material which a polymer electrolyte membrane and a base material do not adhere | attach firmly but can peel after application | coating drying is preferable. Here, “having heat resistance and dimensional stability” means that the polymer electrolyte solution is not thermally deformed when the polymer electrolyte solution is cast and dried using a drying oven to remove the solvent. Further, “having solvent resistance” means that the substrate itself is not substantially dissolved by the solvent in the polymer electrolyte solution. Further, “having water resistance” means that the substrate itself does not substantially dissolve in an aqueous solution having a pH of 4.0 to 7.0. Further, “having solvent resistance” and “having water resistance” are concepts including not causing chemical deterioration with respect to a solvent and water, and having good dimensional stability without causing swelling or shrinkage.
該フィルム表面の水に対する接触角の制御について、説明する。該フィルムの表面の濡れ性は、高分子電解質と基材との組み合わせによって決まり、接触角の差として表される。ここで、高分子電解質としては、単独重合体よりも共重合体の方が好ましく、共重合体の中でもブロック共重合体を用いるとより好ましい。ブロック共重合体の中でも、ミクロ相分離構造を発現した場合は、特に好ましい。好ましい理由として、例えばミクロ相分離構造では微視的凝集体を有するため、高分子電解質と基材との間で親和性や斥力等の強い相互作用を受けて、接触角が制御されるという仮説が考えられる。 Control of the contact angle of the film surface with respect to water will be described. The wettability of the film surface is determined by the combination of the polymer electrolyte and the substrate, and is expressed as a difference in contact angle. Here, as the polymer electrolyte, a copolymer is preferable to a homopolymer, and it is more preferable to use a block copolymer among the copolymers. Among the block copolymers, it is particularly preferable when a microphase separation structure is expressed. The hypothesis is that, for example, the microphase-separated structure has microscopic aggregates, so that the contact angle is controlled by receiving strong interactions such as affinity and repulsive force between the polymer electrolyte and the substrate. Can be considered.
流延塗布により、高分子電解質膜の両面の水に対する接触角の差を小さくすることが容易な支持基材としては、流延塗布される表面が金属又は金属酸化物で形成された支持基材が適している。
流延塗布する基材表面の材質として、金属層又は金属酸化物層から成る基材が挙げられる。具体的には、金属層について、例えばアルミニウム、銅、鉄、ステンレス鋼(SUS)、金、銀、白金、又はこれらのアロイ化物が挙げられる。金属酸化物層について、例えば上記金属の酸化物、珪素酸化物等が挙げられる。
これらの金属又は金属酸化物は、単独で支持し得るものでもよく、また樹脂製フィルムの上にラミネート、蒸着又はスパッタリング等によって形成されてもよい。樹脂製フィルムとしては、例えばオレフィン系フィルム、ポリエステル系フィルム、ポリアミド系フィルム、ポリイミド系フィルム、フッ素系フィルム等が挙げられる。中でもポリエステル系フィルムやポリイミド系フィルムは、耐熱性、耐寸法安定性、耐溶剤性等に優れるため好ましい。ポリエステル系フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、芳香族ポリエステル等が挙げられ、中でもポリエチレンテレフタレートは特性に留まらず、汎用性やコスト面からも、工業的に好ましい。
樹脂製フィルム層と、金属薄膜層又は金属酸化物薄膜層の組み合わせの内、樹脂製フィルム層がポリエチレンテレフタレートから成り、金属薄膜層又は金属酸化物薄膜層がアルミニウムラミネート層、アルミニウム蒸着層、アルミナ蒸着層、シリカ蒸着層、アルミナ−シリカ二元蒸着層等から成る組み合わせが好ましい。これらの積層フィルムは、一般に包装材料用途として用いられている積層フィルム等が挙げられる。
アルミナ蒸着を施したポリエチレンテレフタレートフィルムとしては、例えば東レフィルム加工社製のアルミナ蒸着フィルムであるバリアロックス(商品名)等が挙げられ、またシリカ蒸着を施したポリエチレンテレフタレートフィルムとしては、尾池工業社製のMOS(商品名)等が挙げられ、アルミナ−シリカ二元蒸着を施したポリエチレンテレフタレートフィルムとしては、東洋紡社製のエコシアール(商品名)等が挙げられる。
As a support substrate that can easily reduce the difference in water contact angle between both surfaces of a polymer electrolyte membrane by casting, a support substrate in which the surface to be cast is formed of a metal or metal oxide Is suitable.
Examples of the material of the substrate surface to be cast applied include a substrate made of a metal layer or a metal oxide layer. Specific examples of the metal layer include aluminum, copper, iron, stainless steel (SUS), gold, silver, platinum, and alloys thereof. Examples of the metal oxide layer include oxides of the above metals and silicon oxides.
These metals or metal oxides may be supported alone or may be formed on a resin film by lamination, vapor deposition or sputtering. Examples of the resin film include an olefin film, a polyester film, a polyamide film, a polyimide film, and a fluorine film. Of these, polyester films and polyimide films are preferable because they are excellent in heat resistance, dimensional stability, solvent resistance, and the like. Examples of the polyester film include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, and aromatic polyester. Among them, polyethylene terephthalate is not limited to properties, and is industrially preferable from the viewpoint of versatility and cost.
Of the combination of the resin film layer and the metal thin film layer or metal oxide thin film layer, the resin film layer is made of polyethylene terephthalate, and the metal thin film layer or metal oxide thin film layer is an aluminum laminate layer, aluminum vapor deposition layer, alumina vapor deposition A combination comprising a layer, a silica vapor deposition layer, an alumina-silica binary vapor deposition layer, and the like is preferable. Examples of these laminated films include laminated films generally used for packaging materials.
Examples of the polyethylene terephthalate film subjected to alumina vapor deposition include Barrier Rocks (trade name) which is an alumina vapor deposition film manufactured by Toray Film Processing Co., Ltd., and examples of the polyethylene terephthalate film subjected to silica vapor deposition include Oike Kogyo Co., Ltd. Examples of the polyethylene terephthalate film subjected to alumina-silica binary vapor deposition include Ecosial (trade name) manufactured by Toyobo Co., Ltd. and the like.
また、表面に金属又は金属酸化物を含むフィルムは、長く連続した可撓性基材の形態を取りうるので、巻物として保持、利用することができ、高分子電解質膜の連続製膜を行なう場合にも好適に用いられる。 In addition, a film containing a metal or metal oxide on the surface can take the form of a long and continuous flexible base material, so that it can be held and used as a scroll, and a continuous production of a polymer electrolyte membrane is performed. Also preferably used.
基材について、用途に応じて支持基材表面の濡れ性を変え得るような表面処理を施してもよい。ここでいう支持基材表面の濡れ性を変え得る処理とは、コロナ処理やプラズマ処理等の親水化処理や、フッ素処理等の撥水化処理等、一般的手法が挙げられる。 About a base material, you may give surface treatment which can change the wettability of the support base material surface according to a use. Examples of the treatment that can change the wettability of the supporting substrate surface include general techniques such as a hydrophilic treatment such as corona treatment and plasma treatment, and a water repellent treatment such as fluorine treatment.
以上の製膜工程を経て、支持基材上に高分子電解質膜が積層された積層体が得られる。この積層体は、それを構成する高分子電解質膜が、その表裏面の親水性に、ほとんど差異がなく、該高分子電解質膜の膜の両面どちらも同様に扱えるため、製膜工程並びに得られた高分子電解質膜の加工工程でのハンドリング性に優れている。
積層体は、そのまま保管、流通させてもよい。支持基材が可撓性基材である場合には、積層体を巻物状の形態で取り扱うこともできる。
Through the film forming process described above, a laminate in which a polymer electrolyte membrane is laminated on a support base material is obtained. In this laminate, the polymer electrolyte membrane constituting it has almost no difference in the hydrophilicity of the front and back surfaces, and both sides of the membrane of the polymer electrolyte membrane can be handled in the same manner. Excellent handling in the process of processing polymer electrolyte membranes.
The laminate may be stored and distributed as it is. When the support substrate is a flexible substrate, the laminate can also be handled in the form of a scroll.
上記積層体から支持基材を除去することによって、高分子電解質膜が得られる。支持基材は、通常、積層体から剥離することで除去すればよい。
本発明における高分子電解質膜の厚みは、特に制限はないが10〜300μmが好ましい。膜厚が10μm以上の膜では実用的な強度がより優れるため好ましく、300μm以下の膜では膜抵抗が小さくなり、電気化学デバイスの特性がより向上する傾向にあるので好ましい。膜厚は、溶液の濃度及び基板上への塗布厚により制御できる。
A polymer electrolyte membrane is obtained by removing the supporting substrate from the laminate. What is necessary is just to remove a support base material by peeling from a laminated body normally.
Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the polymer electrolyte membrane in this invention, 10-300 micrometers is preferable. A film having a film thickness of 10 μm or more is preferable because practical strength is more excellent, and a film having a film thickness of 300 μm or less is preferable because the film resistance is decreased and the characteristics of the electrochemical device tend to be further improved. The film thickness can be controlled by the concentration of the solution and the coating thickness on the substrate.
本発明により得られる高分子電解質膜は、製膜後に表面処理等の後加工を行わなくても、該膜の一方の面の水に対する接触角と他方の面の水に対する接触角との差が、30°以下であるという特徴を有している。
この高分子電解質膜は、膜表面に表裏がなくて高分子電解質膜の膜の両面どちらも同様に扱えるため、製膜工程でのハンドリング性に優れており、工業的に有利である。
The polymer electrolyte membrane obtained by the present invention has a difference between the contact angle with water on one side of the membrane and the contact angle with water on the other side without performing post-processing such as surface treatment after film formation. , 30 ° or less.
This polymer electrolyte membrane has no front and back surfaces and can be handled in the same manner on both sides of the membrane of the polymer electrolyte membrane. Therefore, the polymer electrolyte membrane is excellent in handling property in the film forming process and is industrially advantageous.
本発明におけるイオン伝導性高分子は、主鎖に芳香族環を有し、かつ、該芳香族環に直接結合又は他の原子もしくは原子団を介して間接的に結合したイオン交換基を有することが好ましい。
本発明におけるイオン伝導性高分子は、側鎖を有していてもよい。
本発明におけるイオン伝導性高分子は、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有しても良く、主鎖の芳香環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有することが好ましい。
前記イオン交換基は、カチオン交換基であることが好ましい。
The ion conductive polymer in the present invention has an aromatic ring in the main chain and an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring or indirectly bonded through another atom or atomic group. Is preferred.
The ion conductive polymer in the present invention may have a side chain.
The ion conductive polymer in the present invention has an aromatic ring in the main chain and may further have a side chain having an aromatic ring, and at least one of the main chain aromatic ring or the side chain aromatic ring. It is preferable that one has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring.
The ion exchange group is preferably a cation exchange group.
本発明の高分子電解質膜は、炭化水素系高分子電解質膜、すなわち炭化水素系イオン伝導性高分子を含む高分子電解質からなる膜であることが好ましい。
炭化水素系高分子電解質は、炭化水素系イオン伝導性高分子を50重量%以上含有していることが好ましく、好ましくは70重量%以上、特に好ましくは90重量%以上の割合で含んでいることが好ましい。ただし、本発明の効果を妨げない範囲で、別の高分子、炭化水素系ではないイオン伝導性高分子及び添加剤等が含まれていてもよい。
The polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably a hydrocarbon polymer electrolyte membrane, that is, a membrane made of a polymer electrolyte containing a hydrocarbon ion conductive polymer.
The hydrocarbon-based polymer electrolyte preferably contains 50% by weight or more of the hydrocarbon-based ion conductive polymer, preferably 70% by weight or more, particularly preferably 90% by weight or more. Is preferred. However, as long as the effect of the present invention is not hindered, other polymers, non-hydrocarbon ion conductive polymers, additives, and the like may be included.
炭化水素系イオン伝導性高分子は、典型的にはフッ素を全く含まないが、部分的にフッ素置換されていてもよい。炭化水素系イオン伝導性高分子としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリパラフェニレン、ポリイミド、等の芳香族主鎖を有するエンジニアリング樹脂や、ポリエチレン、ポリスチレン等の汎用樹脂、またはこれらを形成する繰返し単位を複数種組み合わせて有する共重合体にイオン交換基が導入されてなる高分子が挙げられる。特に、主鎖に芳香族環を有することが好ましいので、前記のようなエンジニアリング樹脂、または当該エンジニアリング樹脂を構成する繰返し単位を複数種組み合わせて有する樹脂にイオン交換基が導入されてなる高分子が、より耐熱性に優れた高分子電解質膜が得られるので好ましい。
イオン交換基としては、スルホン酸基(−SO3H)、カルボン酸基(−COOH)、リン酸基(−OP(O)(OH)2)、ホスホン酸基(−P(O)(OH)2)、スルホニルイミド基(−SO2−NH−SO2−)等のカチオン交換基が好ましく、中でもスルホン酸基が好ましい。
また、炭化水素系高分子電解質は、フッ素系高分子電解質と比較して安価であるという利点を有する。
The hydrocarbon-based ion conductive polymer typically does not contain any fluorine, but may be partially fluorine-substituted. Examples of the hydrocarbon ion conductive polymer include an aromatic main chain such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyether ether sulfone, polyparaphenylene, and polyimide. Examples include engineering resins having a general-purpose resin such as polyethylene and polystyrene, or polymers obtained by introducing ion exchange groups into a copolymer having a combination of a plurality of repeating units forming these. In particular, since it is preferable to have an aromatic ring in the main chain, a polymer in which an ion exchange group is introduced into the engineering resin as described above or a resin having a combination of a plurality of repeating units constituting the engineering resin is provided. It is preferable because a polymer electrolyte membrane having more excellent heat resistance can be obtained.
Examples of the ion exchange group include a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxylic acid group (—COOH), a phosphoric acid group (—OP (O) (OH) 2 ), and a phosphonic acid group (—P (O) (OH). 2 ), a cation exchange group such as a sulfonylimide group (—SO 2 —NH—SO 2 —) is preferable, and a sulfonic acid group is particularly preferable.
Further, the hydrocarbon-based polymer electrolyte has an advantage that it is less expensive than the fluorine-based polymer electrolyte.
本発明で用いる高分子電解質は、イオン交換基を有する繰り返し単位と、イオン交換基を有しない繰り返し単位からなる共重合体が、上述のように水に対する接触角を制御しやすいため、好ましい。該共重合体の共重合様式は、ランダム共重合、ブロック共重合、グラフト共重合、交互共重合のいずれでも、またはこのような共重合様式を組み合わせてなる共重合体でもよいが、より接触角を制御し易い点において、イオン交換基を有するポリマーセグメント(A)、及びイオン交換基を実質的に有さないポリマーセグメント(B)とを、それぞれ一つ以上有するブロック共重合体、グラフト共重合体等がより好ましい。更に好ましくはブロック共重合体が挙げられる。 As the polymer electrolyte used in the present invention, a copolymer comprising a repeating unit having an ion exchange group and a repeating unit having no ion exchange group is preferable because the contact angle with water can be easily controlled as described above. The copolymerization mode of the copolymer may be any of random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, alternating copolymerization, or a copolymer obtained by combining such copolymerization modes. A block copolymer having at least one polymer segment (A) having an ion exchange group and a polymer segment (B) having substantially no ion exchange group, and a graft copolymer. A coalescence or the like is more preferable. More preferably, a block copolymer is mentioned.
なお、本発明において、セグメント又はブロックが「イオン交換基を有する」とは、イオン交換基が、繰り返し単位1個あたりで平均0.5個以上含まれているセグメント又はブロックであることを意味し、繰り返し単位1個あたりで平均1.0個以上含まれているとより好ましい。
一方、これらが「イオン交換基を実質的に有しない」とは、イオン交換基が、繰り返し単位1個あたりで平均0.5個未満であるセグメント又はブロックであることを意味し、繰り返し単位1個あたりで平均0.1個以下であるとより好ましく、平均0.05個以下であるとさらに好ましい。
In the present invention, the term “having an ion exchange group” means that the segment or block is a segment or block containing an average of 0.5 or more ion exchange groups per repeating unit. More preferably, an average of 1.0 or more per repeating unit is included.
On the other hand, these "substantially have no ion exchange group" mean that the ion exchange group is a segment or block having an average of less than 0.5 per repeating unit, and repeating unit 1 The average per piece is more preferably 0.1 or less, and the average is more preferably 0.05 or less.
本発明で用いる高分子電解質がブロック共重合体を含む場合、該ブロック共重合体がイオン交換基を有するブロック(A)及びイオン交換基を実質的に有さないブロック(B)とを、それぞれ一つ以上有するものが好ましい。 When the polymer electrolyte used in the present invention contains a block copolymer, the block copolymer has a block (A) having an ion exchange group and a block (B) having substantially no ion exchange group, What has 1 or more is preferable.
本発明で用いる高分子電解質がブロック共重合体を含む場合、高分子電解質膜がミクロ相分離構造を形成し得るものが好ましい。ここでいうミクロ相分離構造とは、ブロック共重合体やグラフト共重合体において、異種のポリマーセグメント同士が化学結合で結合されていることにより、分子鎖サイズのオーダーでの微視的相分離が生じてできる構造を指す。例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)で見た場合に、イオン交換基を有するブロック(A)の密度が高い微細な相(ミクロドメイン)と、イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)の密度が高い微細な相(ミクロドメイン)とが混在し、各ミクロドメイン構造のドメイン幅すなわち恒等周期が数nm〜数100nmであるような構造を指す。好ましくは5nm〜100nmのミクロドメイン構造を有するものが挙げられる。 When the polymer electrolyte used in the present invention contains a block copolymer, it is preferable that the polymer electrolyte membrane can form a microphase separation structure. The microphase separation structure here refers to the microscopic phase separation in the order of the molecular chain size by dissociating different polymer segments with chemical bonds in the block copolymer or graft copolymer. Refers to the resulting structure. For example, when viewed with a transmission electron microscope (TEM), the block (A) having an ion exchange group has a fine phase (microdomain) having a high density, and a block having substantially no ion exchange group (B ) And a fine phase (microdomain) having a high density, and the domain width of each microdomain structure, that is, the identity period is a few nm to a few hundred nm. Those having a microdomain structure of 5 nm to 100 nm are preferable.
本発明の高分子電解質に用いられるイオン伝導性高分子としては、例えば特開2005−126684号公報及び特開2005−139432号公報に準拠する構造が挙げられる。 Examples of the ion conductive polymer used in the polymer electrolyte of the present invention include structures conforming to JP-A-2005-126684 and JP-A-2005-139432.
より具体的には、本発明のイオン伝導性高分子は、繰り返し単位として、上記の一般式(1a)、(2a)、(3a)、(4a)の何れか1種以上と、上記の一般式(1b)、(2b)、(3b)、(4b)の何れか1種以上とを含むことが好ましく、重合の形式としてはブロック共重合、交互共重合、及びランダム共重合等が挙げられる。 More specifically, the ion conductive polymer of the present invention includes, as a repeating unit, any one or more of the above general formulas (1a), (2a), (3a), and (4a), and the above general It is preferable to include any one or more of formulas (1b), (2b), (3b), and (4b), and examples of the polymerization mode include block copolymerization, alternating copolymerization, and random copolymerization. .
本発明において、好ましいブロック共重合体としては、上記一般式(1a)、(2a)、(3a)、(4a)から選ばれるイオン交換基を有する繰り返し単位からなるブロック1種以上と、上記一般式(1b)、(2b)、(3b)、(4b)から選ばれるイオン交換基を実質的に有さない繰り返し単位からなるブロック1種以上とを有するものが挙げられるが、より好ましくは、下記のブロックを有する共重合体が挙げられる。 In the present invention, preferable block copolymers include one or more blocks composed of repeating units having an ion exchange group selected from the above general formulas (1a), (2a), (3a) and (4a), and the above general Although what has 1 or more types of blocks which consist of a repeating unit which does not have an ion exchange group substantially chosen from Formula (1b), (2b), (3b), (4b) is mentioned, More preferably, Examples include copolymers having the following blocks.
<ア>.(1a)の繰り返し単位からなるブロックと、(1b)の繰り返し単位からなるブロック、
<イ>.(1a)の繰り返し単位からなるブロックと、(2b)の繰り返し単位からなるブロック、
<ウ>.(2a)の繰り返し単位からなるブロックと、(1b)の繰り返し単位からなるブロック、
<エ>.(2a)の繰り返し単位からなるブロックと、(2b)の繰り返し単位からなるブロック、
<A>. A block composed of the repeating unit (1a) and a block composed of the repeating unit (1b);
<I>. A block composed of the repeating unit (1a) and a block composed of the repeating unit (2b),
<U>. A block composed of the repeating unit (2a) and a block composed of the repeating unit (1b);
<D>. A block composed of the repeating unit (2a) and a block composed of the repeating unit (2b);
<オ>.(3a)の繰り返し単位からなるブロックと、(1b)の繰り返し単位からなるブロック、
<カ>.(3a)の繰り返し単位からなるブロックと、(2b)の繰り返し単位からなるブロック、
<キ>.(4a)の繰り返し単位からなるブロックと、(1b)の繰り返し単位からなるブロック、
<ク>.(4a)の繰り返し単位からなるブロックと、(2b)の繰り返し単位からなるブロックなど
<O>. A block composed of the repeating unit (3a) and a block composed of the repeating unit (1b);
<F>. A block composed of the repeating unit (3a) and a block composed of the repeating unit (2b);
<Ki>. A block composed of the repeating unit (4a) and a block composed of the repeating unit (1b);
<K>. A block composed of the repeating unit (4a), a block composed of the repeating unit (2b), etc.
更に好ましくは、上記の<イ>、<ウ>、<エ>、<キ>、<ク>などを有するものである。特に好ましくは、上記の<キ>、<ク>などを有するものである。 More preferably, it has <i>, <c>, <d>, <d>, <d>, etc. described above. Particularly preferred are those having the above-mentioned <K>, <K> and the like.
本発明において、より好ましいブロック共重合体としては、(4a)の繰り返し数、すなわち上記の一般式(4a')におけるmは5以上の整数を表し、5〜1000の範囲が好ましく、更に好ましくは10〜500である。mの値が5以上であれば、燃料電池用の高分子電解質として、プロトン伝導度が十分であるので好ましい。mの値が1000以下であれば、製造がより容易であるので好ましい。 In the present invention, as a more preferable block copolymer, the number of repetitions of (4a), that is, m in the general formula (4a ′) represents an integer of 5 or more, preferably in the range of 5 to 1000, more preferably. 10-500. A value of m of 5 or more is preferable because proton conductivity is sufficient as a polymer electrolyte for a fuel cell. If the value of m is 1000 or less, it is preferable because production is easier.
式(4a')におけるAr9は、2価の芳香族基を表す。2価の芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン、1,4−フェニレン等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル、1,4−ナフタレンジイル、1,5−ナフタレンジイル、1,6−ナフタレンジイル、1,7−ナフタレンジイル、2,6−ナフタレンジイル、2,7−ナフタレンジイル等の2価の縮環系芳香族基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイル等のヘテロ芳香族基等が挙げられる。好ましくは2価の単環性芳香族基である。 Ar 9 in formula (4a ′) represents a divalent aromatic group. Examples of the divalent aromatic group include divalent monocyclic aromatic groups such as 1,3-phenylene and 1,4-phenylene, 1,3-naphthalenediyl, 1,4-naphthalenediyl, 1, Divalent condensed aromatic groups such as 5-naphthalenediyl, 1,6-naphthalenediyl, 1,7-naphthalenediyl, 2,6-naphthalenediyl, 2,7-naphthalenediyl, pyridinediyl, quinoxalinediyl, Examples include heteroaromatic groups such as thiophenediyl. A divalent monocyclic aromatic group is preferred.
また、Ar9は、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。 Ar 9 may have an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an optionally substituted alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituent. It is substituted with an aryl group having 6 to 18 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms which may have a substituent. May be.
Ar9は、主鎖を構成する芳香環に少なくとも一つのイオン交換基を有する。イオン交換基として、上述のとおり、酸性基(カチオン交換基)がより好ましく、スルホン酸基が特に好ましい。 Ar 9 has at least one ion exchange group in the aromatic ring constituting the main chain. As described above, as the ion exchange group, an acidic group (cation exchange group) is more preferable, and a sulfonic acid group is particularly preferable.
これらのイオン交換基は、部分的にあるいは全てが金属イオンなどで交換されて塩を形成していてもよいが、燃料電池用高分子電解質膜などとして使用する際には、実質的に全てが遊離酸の状態であることが好ましい。 These ion exchange groups may be partially or wholly exchanged with metal ions to form a salt, but when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, substantially all of them are exchanged. The free acid state is preferred.
式(4a')で示される繰り返し構造の好ましい例としては、下記式が挙げられる。 Preferable examples of the repeating structure represented by the formula (4a ′) include the following formula.
また、本発明において、より好ましいブロック共重合体としては、(1b)〜(3b)の繰り返し数、すなわち上記の一般式(1b’)〜(3b’)におけるnは5以上の整数を表し、5〜1000の範囲が好ましく、更に好ましくは10〜500である。nの値が5以上であれば、燃料電池用の高分子電解質として、イオン伝導度が十分であるので好ましい。nの値が1000以下であれば、製造がより容易であるので好ましい。
式(1b’)〜(3b’)におけるAr11〜Ar18は、互いに独立な2価の芳香族基を表す。2価の芳香族基としては、例えば、1,3−フェニレン、1,4−フェニレン等の2価の単環性芳香族基、1,3−ナフタレンジイル、1,4−ナフタレンジイル、1,5−ナフタレンジイル、1,6−ナフタレンジイル、1,7−ナフタレンジイル、2,6−ナフタレンジイル、2,7−ナフタレンジイル等の2価の縮環系芳香族基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイル等のヘテロ芳香族基等が挙げられる。好ましくは2価の単環性芳香族基である。
また、Ar11〜Ar18は、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基、炭素数6〜18のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。
In the present invention, as a more preferable block copolymer, the number of repetitions of (1b) to (3b), that is, n in the above general formulas (1b ′) to (3b ′) represents an integer of 5 or more, The range of 5-1000 is preferable, More preferably, it is 10-500. A value of n of 5 or more is preferable because the ion conductivity is sufficient as a polymer electrolyte for a fuel cell. If the value of n is 1000 or less, it is preferable because production is easier.
Ar 11 to Ar 18 in the formulas (1b ′) to (3b ′) represent divalent aromatic groups independent of each other. Examples of the divalent aromatic group include divalent monocyclic aromatic groups such as 1,3-phenylene and 1,4-phenylene, 1,3-naphthalenediyl, 1,4-naphthalenediyl, 1, Divalent condensed aromatic groups such as 5-naphthalenediyl, 1,6-naphthalenediyl, 1,7-naphthalenediyl, 2,6-naphthalenediyl, 2,7-naphthalenediyl, pyridinediyl, quinoxalinediyl, Examples include heteroaromatic groups such as thiophenediyl. A divalent monocyclic aromatic group is preferred.
Ar 11 to Ar 18 are each an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms, or 2 to 2 carbon atoms. It may be substituted with 20 acyl groups.
イオン伝導性高分子の具体例としては、例えば下記の構造が挙げられる。 Specific examples of the ion conductive polymer include, for example, the following structures.
なお、上記(1)〜(26)において、「Block」の表記は、括弧内の繰り返し単位からなるブロックを有するブロック共重合体であることを意味する。また、かかるブロック同士は、直接結合している形態でもよく、適当な原子又は原子団で連結している形態でもよい。 In addition, in said (1)-(26), the description of "Block" means that it is a block copolymer which has the block which consists of the repeating unit in a parenthesis. Further, such blocks may be in a directly connected form or may be connected in a suitable atom or atomic group.
より好ましいイオン伝導性高分子としては、例えば上記の(2)、(7)、(8)、(16)、(18)、(22)〜(25)等が挙げられ、特に好ましくは(16)、(18)、(22)、(23)、(25)等が挙げられる。 More preferable ion conductive polymers include, for example, the above (2), (7), (8), (16), (18), (22) to (25), and particularly preferably (16 ), (18), (22), (23), (25) and the like.
イオン伝導性高分子が、上記ブロック共重合体である場合、イオン交換基を有するブロック(A)及びイオン交換基を実質的に有さないブロック(B)がいずれも、ハロゲン原子を含む置換基を実質的に有していないことが、特に好ましい。ハロゲン原子として、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素が挙げられる。
ここで「ハロゲン原子を含む置換基を実質的に有していない」とは、イオン伝導性高分子の繰り返し単位あたりハロゲン原子を0.05個以上有していないことを意味する。
一方で、置換基として有していてもよい例としては、以下のものが挙げられる。例えばアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アリールオキシ基、アシル基等が挙げられ、好ましくはアルキル基が挙げられる。これらの置換基は炭素数1〜20が好ましく、メチル基、エチル基、メトキシ基、エトキシ基、フェニル基、ナフチル基、フェノキシ基、ナフチルオキシ基、アセチル基、プロピオニル基、等炭素数が少ない置換基が挙げられる。
ブロック共重合体がハロゲン原子を含む場合、例えば燃料電池作動中にフッ化水素や塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素等が発生し、燃料電池部材を腐食する可能性があり、好ましくない。
When the ion conductive polymer is the block copolymer, both the block (A) having an ion exchange group and the block (B) having substantially no ion exchange group both contain a halogen atom. It is particularly preferable that substantially no Examples of the halogen atom include fluorine, chlorine, bromine and iodine.
Here, “substantially not having a substituent containing a halogen atom” means having no more than 0.05 halogen atoms per repeating unit of the ion conductive polymer.
On the other hand, the following may be mentioned as examples that may be included as a substituent. For example, an alkyl group, an alkoxy group, an aryl group, an aryloxy group, an acyl group, etc. are mentioned, Preferably an alkyl group is mentioned. These substituents preferably have 1 to 20 carbon atoms, such as methyl group, ethyl group, methoxy group, ethoxy group, phenyl group, naphthyl group, phenoxy group, naphthyloxy group, acetyl group, propionyl group, etc. Groups.
When the block copolymer contains a halogen atom, for example, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide or the like may be generated during operation of the fuel cell, which may corrode the fuel cell member, which is not preferable.
また、プロトン伝導性高分子の分子量は、ポリスチレン換算の数平均分子量で表して、5000〜1000000であることが好ましく、15000〜400000であることが特に好ましい。 In addition, the molecular weight of the proton conductive polymer is preferably 5000 to 1000000, and particularly preferably 15000 to 400000, expressed as a number average molecular weight in terms of polystyrene.
本発明により得られる高分子電解質膜は、様々な分野での利用が期待される。
例えば、本発明の高分子電解質は、燃料電池等の電気化学デバイスの隔膜として使用することができる。この高分子電解質膜は、膜の両面共に燃料電池用電極とのなじみが良いので、燃料電池用電解質膜としての特性に優れており、利用価値が高い。
燃料電池用電解質膜として使用される場合、膜の両面の親水性に差がほとんどないため、表裏に関係なく使用でき、工業的に有利である。また、電極をつける後工程において、膜と電極との親和性が高いため、膜−電極界面での接合性が高くなる効果も期待できる。
従って本発明の製造方法により製造された高分子電解質膜は、高機能型の固体高分子型燃料電池用高分子電解質として、工業的に有利な膜となる。
The polymer electrolyte membrane obtained by the present invention is expected to be used in various fields.
For example, the polymer electrolyte of the present invention can be used as a diaphragm for electrochemical devices such as fuel cells. Since this polymer electrolyte membrane has good compatibility with the electrode for fuel cells on both sides of the membrane, it is excellent in characteristics as an electrolyte membrane for fuel cells and has high utility value.
When used as an electrolyte membrane for a fuel cell, since there is almost no difference in hydrophilicity between both sides of the membrane, it can be used regardless of the front and back, and is industrially advantageous. In addition, since the affinity between the membrane and the electrode is high in the post-process for attaching the electrode, an effect of improving the bonding property at the membrane-electrode interface can be expected.
Therefore, the polymer electrolyte membrane produced by the production method of the present invention is an industrially advantageous membrane as a high-performance polymer electrolyte for solid polymer fuel cells.
次に本発明の膜を用いる燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、プロトン伝導性高分子電解質膜の両面に、触媒及び集電体としての導電性物質を接合することにより製造することができる。
ここで触媒としては、水素又は酸素との酸化還元反応を活性化できるものであれば特に制限はなく、公知のものを用いることができるが、白金又は白金系合金の微粒子を用いることが好ましい。白金又は白金系合金の微粒子はしばしば活性炭や黒鉛などの粒子状又は繊維状のカーボンに担持されて用いられ、好ましく用いられる。
また、カーボンに担持された白金を、高分子電解質としてのパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂のアルコール溶液と共に混合してペースト化したものを、ガス拡散層及び/又は高分子電解質膜及び/又は高分子電解質複合膜に塗布・乾燥することにより触媒層が得られる。具体的な方法としては例えば、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209 に記載されている方法等の公知の方法を用いることができる。
ここで、高分子電解質としてのパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂の代わりに、本発明の、プロトン伝導性高分子電解質を用い、触媒組成物として用いることもできる。
集電体としての導電性物質に関しても公知の材料を用いることができるが、多孔質性のカーボン織布、カーボン不織布又はカーボンペーパーが、原料ガスを触媒へ効率的に輸送するために好ましい。
このようにして製造された本発明の燃料電池は、燃料として水素ガス、改質水素ガス、メタノールを用いる各種の形式で使用可能である。
Next, a fuel cell using the membrane of the present invention will be described.
The fuel cell of the present invention can be produced by bonding a catalyst and a conductive material as a current collector to both sides of a proton conductive polymer electrolyte membrane.
Here, the catalyst is not particularly limited as long as it can activate a redox reaction with hydrogen or oxygen, and a known catalyst can be used. However, it is preferable to use fine particles of platinum or a platinum-based alloy. The fine particles of platinum or a platinum-based alloy are often used by being supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite.
In addition, a gas diffusion layer and / or polymer electrolyte membrane and / or polymer electrolyte obtained by mixing platinum supported on carbon with an alcohol solution of a perfluoroalkylsulfonic acid resin as a polymer electrolyte into a paste. A catalyst layer is obtained by applying and drying the composite membrane. As a specific method, for example, J. et al. Electrochem. Soc. : Known methods such as those described in Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209 can be used.
Here, instead of the perfluoroalkylsulfonic acid resin as the polymer electrolyte, the proton conductive polymer electrolyte of the present invention can be used as a catalyst composition.
A known material can be used for the conductive material as the current collector, but porous carbon woven fabric, carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable for efficiently transporting the raw material gas to the catalyst.
The fuel cell of the present invention thus produced can be used in various forms using hydrogen gas, reformed hydrogen gas, and methanol as fuel.
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、更に特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明に係わる物性測定方法を以下に示す。 EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. The physical property measuring method according to the present invention is shown below.
(イオン交換容量の測定)
測定に供する高分子電解質膜を、加熱温度105℃に設定されたハロゲン水分率計を用いて、乾燥重量を求めた。次いで、この高分子電解質膜を0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、更に50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この高分子電解質膜が浸漬された溶液に、0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定を行い、中和点を求めた。そして、高分子電解質膜の乾燥重量と上記の中和に要した塩酸の量から、高分子電解質膜のイオン交換容量(単位:meq/g)を算出した。
(Measurement of ion exchange capacity)
The dry weight of the polymer electrolyte membrane to be measured was determined using a halogen moisture meter set at a heating temperature of 105 ° C. Next, this polymer electrolyte membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, and then 50 mL of ion-exchanged water was further added and left for 2 hours. Thereafter, titration was performed by gradually adding 0.1 mol / L hydrochloric acid to the solution in which the polymer electrolyte membrane was immersed, and the neutralization point was determined. Then, the ion exchange capacity (unit: meq / g) of the polymer electrolyte membrane was calculated from the dry weight of the polymer electrolyte membrane and the amount of hydrochloric acid required for the neutralization.
(GPCの測定)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、下記条件でポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)を測定した。なお、移動相(溶離液)としては以下のいずれかを用いて測定した。
[移動相1]DMAc(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
[移動相2]DMF(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
(Measurement of GPC)
The number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene were measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions. In addition, it measured using either of the following as a mobile phase (eluent).
[Mobile phase 1] DMAc (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
[Mobile phase 2] DMF (LiBr added to 10 mmol / dm 3 )
(接触角の測定)
各実施例又は比較例の高分子電解質膜について、支持基材から剥離した状態で、23℃50%RH雰囲気下で24時間静置させた後、接触角計(CA−A型 協和界面科学株式会社製)を用いて膜表面の水滴に対する接触角を液滴法により求めた。直径2.0mmの水滴を高分子電解質膜に滴下後、5秒後の接触角を値として用いた。
(Measurement of contact angle)
The polymer electrolyte membrane of each Example or Comparative Example was allowed to stand in a 23 ° C. 50% RH atmosphere for 24 hours in a state where it was peeled off from the support substrate, and then contact angle meter (CA-A type Kyowa Interface Science Co., Ltd.) The contact angle of the film surface with water droplets was determined by the droplet method. The contact angle 5 seconds after dropping a water droplet having a diameter of 2.0 mm on the polymer electrolyte membrane was used as a value.
(TEM観察方法)
各実施例又は比較例の高分子電解質膜について、染色用水溶液(濃度 ヨウ化カリウム 15%, ヨウ素 5%)に室温で30分浸し、あらかじめ予備硬化を進めておいたエポキシ樹脂により包埋した。更にミクロトームにより室温・乾式の条件下で厚さ60nmの切片を切り出した。得られた切片をCuメッシュ上に採取し、透過型電子顕微鏡(日立製作所製 H9000NAR)で加速電圧300kVで観察した。
(TEM observation method)
The polymer electrolyte membrane of each Example or Comparative Example was immersed in an aqueous dyeing solution (concentration potassium iodide 15%, iodine 5%) at room temperature for 30 minutes, and embedded with an epoxy resin that had been previously cured in advance. Further, a 60 nm thick section was cut out by a microtome under room temperature and dry conditions. The obtained sections were collected on a Cu mesh and observed with a transmission electron microscope (H9000NAR manufactured by Hitachi, Ltd.) at an acceleration voltage of 300 kV.
(触媒インク及び転写シートの製造法)
市販の5重量%ナフィオン溶液(溶媒:水と低級アルコールの混合物)6mLに50重量%白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を0.83g投入し、さらにエタノールを9mL加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで5時間攪拌し、触媒インクを得た。
上記触媒インクを、ドクターブレードを用いてテフロン(登録商標)シート上に塗布し、80℃オーブンで1時間乾燥して溶媒を除去し、転写シートを得た。
(Catalyst ink and transfer sheet manufacturing method)
0.83 g of platinum-supported carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat) carrying 50% by weight of platinum in 6 mL of a commercially available 5% by weight Nafion solution (solvent: mixture of water and lower alcohol) was added, and ethanol was further added. 9 mL was added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a catalyst ink.
The catalyst ink was applied onto a Teflon (registered trademark) sheet using a doctor blade, dried in an oven at 80 ° C. for 1 hour to remove the solvent, and a transfer sheet was obtained.
(電解質膜と電極との接合性試験)
各実施例又は比較例の高分子電解質膜を縦5cm×横5cmに切り出し、水中に浸漬させて取り出した後、電解質膜と転写シートを重ね合わせて、上下2枚のSUS板で挟み、熱プレスを行った(プレス条件:100kgf/cm2、100℃、10分間)。電極が電解質膜面内にむら無く転写されている場合、「○」とし、電極が一部剥がれていたりむらがあった場合、「×」とした。
(Jointness test between electrolyte membrane and electrode)
The polymer electrolyte membrane of each Example or Comparative Example was cut into a length of 5 cm × 5 cm, taken out by being immersed in water, the electrolyte membrane and the transfer sheet were overlapped, and sandwiched between two upper and lower SUS plates, and hot press (Press conditions: 100 kgf / cm 2 , 100 ° C., 10 minutes). When the electrode was uniformly transferred within the electrolyte membrane surface, “◯” was given, and when the electrode was partially peeled or uneven, “x” was given.
(合成例1)
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO142.2重量部、トルエン55.6重量部、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム5.7重量部、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン
(Synthesis Example 1)
Under an argon atmosphere, in a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 142.2 parts by weight of DMSO, 55.6 parts by weight of toluene, 5.7 parts by weight of sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate, and the following polyether which is terminal chloro type Sulfone
(住友化学製スミカエクセルPES5200P)2.1重量部、2,2’−ビピリジル9.3重量部を入れて攪拌した。その後バス温を100℃まで昇温し、減圧下でトルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、65℃に冷却後、常圧に戻した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)15.4重量部を加え、70℃に昇温し、同温度で5時間攪拌した。放冷後、反応液を大量のメタノールに注ぐことによりポリマーを析出させ濾別。その後6mol/L塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする下記ポリアリーレン系ブロック共重合体3.0重量部(IEC=2.2meq/g、Mn=103000、Mw=257000[移動相2])を得た。 (Sumitomo Chemical Sumika Excel PES5200P) 2.1 parts by weight and 2,2'-bipyridyl 9.3 parts by weight were added and stirred. Thereafter, the bath temperature was raised to 100 ° C., and the toluene in the system was azeotropically dehydrated by heating and distilling under reduced pressure. After cooling to 65 ° C., the pressure was returned to normal pressure. Next, 15.4 parts by weight of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added thereto, the temperature was raised to 70 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 5 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of methanol to precipitate a polymer, which is filtered off. Thereafter, washing and filtration operations with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, followed by washing with water until the filtrate became neutral and drying under reduced pressure to obtain 3.0 parts by weight of the following polyarylene block copolymer ( IEC = 2.2 meq / g, Mn = 103000, Mw = 257000 [mobile phase 2]).
(製膜条件1)
キャスト製膜について、連続乾燥炉を用いて行った。すなわち、高分子電解質溶液を、膜厚可変型ドクターブレードを用いて所望の膜厚へと調整し、支持基材上に連続的に流延塗布して、連続的に乾燥炉へと入れていき、大部分の溶媒を除去した。乾燥条件を下記に記す。
乾燥条件:温度80℃、時間66分
(なお、温度は乾燥炉の設定温度を指し、時間はキャスト製膜された
高分子電解質膜が乾燥炉に入炉してから出炉するまでの時間を指す。)
乾燥後の高分子電解質膜をイオン交換水で水洗を行って溶媒を完全に除去した。この膜を2N塩酸に2時間浸漬後、再度イオン交換水で水洗せしめて、更に風乾することで、高分子電解質膜を作製した。
(Film forming condition 1)
Cast film formation was performed using a continuous drying furnace. That is, the polymer electrolyte solution is adjusted to a desired film thickness using a doctor blade with a variable film thickness, continuously cast on a support substrate, and continuously put into a drying furnace. Most of the solvent was removed. The drying conditions are described below.
Drying conditions: temperature 80 ° C, time 66 minutes
(Temperature refers to the set temperature of the drying furnace, time is cast film
It refers to the time from when the polymer electrolyte membrane enters the drying furnace until it exits. )
The polymer electrolyte membrane after drying was washed with ion exchange water to completely remove the solvent. This membrane was immersed in 2N hydrochloric acid for 2 hours, then washed again with ion-exchanged water, and further air-dried to produce a polymer electrolyte membrane.
実施例1
合成例1で得られた、ポリアリーレン系ブロック共重合体(IEC=2.2meq/g、Mn=103000、Mw=257000[移動相2]、なおIECはイオン交換容量、Mnはポリスチレン換算の数平均分子量、Mwはポリスチレン換算の重量平均分子量を示す。以下の実施例においても同様である。)をBCP−1とする。BCP−1をDMSOに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材に巾300mm、長さ1000mのシリカ蒸着PET(尾池工業社製、膜厚12μm)を用いて、製膜条件1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Example 1
Polyarylene block copolymer obtained in Synthesis Example 1 (IEC = 2.2 meq / g, Mn = 103000, Mw = 257000 [mobile phase 2], where IEC is the ion exchange capacity, and Mn is the number in terms of polystyrene. The average molecular weight and Mw are polystyrene-equivalent weight average molecular weights, and the same applies to the following examples). BCP-1 was dissolved in DMSO to prepare a solution having a concentration of 10 wt%. A polymer electrolyte having a film thickness of about 30 μm was formed by the method of film forming condition 1 using a silica-deposited PET (manufactured by Oike Kogyo Co., Ltd., film thickness 12 μm) having a width of 300 mm and a length of 1000 m on the support substrate A membrane was prepared. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
実施例2
合成例1で得られたポリアリーレン系ブロック共重合体(BCP−1)と特開2005−38834号公報参考例3に記載の方法を参考にして合成した、下図に示すようなホスホン酸基含有ポリマー(AD−1とする)との混合物(重量比90対10)をDMSOに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材に巾300mm、長さ1000mのアルミニウムシート(膜厚200μm)を用いて、製膜例1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Example 2
Synthesized with reference to the polyarylene block copolymer (BCP-1) obtained in Synthesis Example 1 and the method described in Reference Example 3 of JP-A-2005-38834, containing phosphonic acid groups as shown in the following figure A mixture (weight ratio 90:10) with a polymer (referred to as AD-1) was dissolved in DMSO to prepare a solution having a concentration of 10 wt%. A polymer electrolyte membrane having a film thickness of about 30 μm was produced from the resulting solution by the method of Example 1 using an aluminum sheet (thickness: 200 μm) having a width of 300 mm and a length of 1000 m as a supporting substrate. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
(r=1.9、s=0.0、繰り返し単位の添え字数字は繰り返し単位のモル分率を示す。)
(R = 1.9, s = 0.0, the subscript number of the repeating unit indicates the mole fraction of the repeating unit.)
実施例3
合成例1の重合方法に準拠して合成した、BCP−1と合成ロットが異なるブロック共重合体(IEC=2.2meq/g、Mn=116000、Mw=228000[移動相2]:BCP−2)と特開2006−66391号公報(〔0059〕)に記載の方法を参考にして合成した、下図に示すようなホスホン酸基含有ポリマー(AD−2とする)との混合物(重量比90対10)をDMSOに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材に巾300mm、長さ1000mのアルミナ蒸着PET(膜厚100μm)を用いて、製膜例1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Example 3
A block copolymer (IEC = 2.2 meq / g, Mn = 16000, Mw = 228000 [mobile phase 2]) synthesized according to the polymerization method of Synthesis Example 1 and having a different synthesis lot from BCP-1: BCP-2 ) And a phosphonic acid group-containing polymer (referred to as AD-2) as shown in the following figure, synthesized with reference to the method described in JP-A-2006-66391 ([0059]) (weight ratio of 90 pairs) 10) was dissolved in DMSO to prepare a solution having a concentration of 10 wt%. A polymer electrolyte membrane having a thickness of about 30 μm was produced from the obtained solution by the method of Example 1 using alumina-deposited PET (thickness: 100 μm) having a width of 300 mm and a length of 1000 m as a supporting substrate. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
(r=1.6、s=0.0、繰り返し単位の添え字数字は繰り返し単位のモル分率を示す。)
(R = 1.6, s = 0.0, the subscript number of the repeating unit indicates the mole fraction of the repeating unit.)
実施例4
特開2005−206807号公報(〔0059〕)に記載の方法を参考にして合成した、下図に示すようなスルホン酸基含有ブロック共重合体(IEC=1.8meq/g、Mn=60000、Mw=420000[移動相1])を合成し(BCP−3とする)、NMPに溶解して、濃度が13.5wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材に巾300mm、長さ1000mのアルミナ蒸着PET(膜厚100μm)を用いて、製膜条件1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Example 4
A sulfonic acid group-containing block copolymer (IEC = 1.8 meq / g, Mn = 60000, Mw) as shown in the following figure, synthesized with reference to the method described in JP-A-2005-206807 ([0059]) = 420,000 [mobile phase 1]) was synthesized (referred to as BCP-3) and dissolved in NMP to prepare a solution having a concentration of 13.5 wt%. A polymer electrolyte membrane having a film thickness of about 30 μm was produced from the obtained solution by the method of film formation condition 1 using alumina-deposited PET (film thickness: 100 μm) having a width of 300 mm and a length of 1000 m as a supporting substrate. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
(繰り返し単位の添え字数字は繰り返し単位のモル分率を示す。)
(The subscript number of the repeating unit indicates the mole fraction of the repeating unit.)
比較例1
BCP−1をDMSOに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材として巾300mm、長さ30mのポリイミドフィルム(デュポン帝人社製、商品名カプトン)を用いて、製膜条件1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Comparative Example 1
BCP-1 was dissolved in DMSO to prepare a solution having a concentration of 10 wt%. A polymer electrolyte membrane having a film thickness of about 30 μm was formed by the method of film formation condition 1 using a polyimide film (manufactured by DuPont Teijin Co., Ltd., trade name Kapton) having a width of 300 mm and a length of 30 m as a supporting substrate. Produced. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
比較例2
BCP−1とホスホン酸基含有ポリマー(AD−1)との混合物(重量比90対10)をDMSOに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材として巾300mm、長さ500mのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東洋紡績社製、E5000グレード)を用いて、製膜例1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Comparative Example 2
A mixture of BCP-1 and a phosphonic acid group-containing polymer (AD-1) (weight ratio 90:10) was dissolved in DMSO to prepare a solution having a concentration of 10 wt%. Using the obtained solution as a supporting substrate, a polyethylene terephthalate (PET) film having a width of 300 mm and a length of 500 m (manufactured by Toyobo Co., Ltd., E5000 grade), a polymer having a film thickness of about 30 μm by the method of Film Formation Example An electrolyte membrane was produced. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
比較例3
BCP−3をNMPに溶解して、濃度が13.5wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材として巾300mm、長さ500mのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東洋紡社製、E5000グレード)を用いて、製膜条件1の方法で膜厚約30μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
Comparative Example 3
BCP-3 was dissolved in NMP to prepare a solution having a concentration of 13.5 wt%. Using the obtained solution as a supporting substrate, a polyethylene terephthalate (PET) film (Toyobo Co., Ltd., E5000 grade) having a width of 300 mm and a length of 500 m, a polymer electrolyte having a film thickness of about 30 μm by the method of film forming condition 1 A membrane was prepared. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
比較例4
BCP−1をDMSOに溶解して、濃度が10wt%の溶液を調製した。得られた溶液を、支持基材として巾300mm、長さ30mのPETフィルム(東洋紡績社製、E5000グレード)を用いて、製膜条件1の方法で膜厚約10μmの高分子電解質膜を作製した。TEM観察の結果、ミクロ相分離構造をとっており、親水相と疎水相が共に連続相を形成していることが分かった。
実施例1〜4、比較例1〜4で用いた高分子電解質組成物と、製膜時の支持基材種類を表1に記す。
Comparative Example 4
BCP-1 was dissolved in DMSO to prepare a solution having a concentration of 10 wt%. Using the obtained solution as a supporting base material, a PET film (Toyobo Co., Ltd., E5000 grade) having a width of 300 mm and a length of 30 m is used to produce a polymer electrolyte membrane having a film thickness of about 10 μm by the method of film forming condition 1. did. As a result of TEM observation, it was found that the structure had a microphase separation structure, and the hydrophilic phase and the hydrophobic phase both formed a continuous phase.
Table 1 shows the polymer electrolyte compositions used in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 and the types of supporting base materials at the time of film formation.
実施例1〜4、比較例1〜4の膜−電極間の接合試験について、下表に記す。
About the joining test between Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4 and the membrane-electrode, it describes in the following table | surface.
Claims (37)
以下の各工程:
主鎖及び/又は側鎖に芳香族基を有し、且つ該芳香族基に直接結合又は他の原子もしくは原子団を介して間接的に結合したイオン交換基を有するイオン伝導性高分子を含む高分子電解質を溶媒に溶解した高分子電解質溶液を調製する工程;及び、
該高分子電解質溶液を、支持基材上に流延塗布し、該支持基材上に高分子電解質膜を積層する工程;
を含むことを特徴とする積層体の製造方法。 An ion conductive polymer electrolyte membrane in which the difference between the contact angle with respect to water on one surface of the polymer electrolyte membrane and the contact angle with water on the other surface is 30 ° or less is any surface of the polymer electrolyte membrane. Is a method of manufacturing a laminate laminated on the support base material in a state of being bonded to the support base material,
The following steps:
Includes an ion conductive polymer having an aromatic group in the main chain and / or side chain and having an ion exchange group directly bonded to the aromatic group or indirectly bonded through another atom or atomic group Preparing a polymer electrolyte solution in which the polymer electrolyte is dissolved in a solvent; and
A step of casting and applying the polymer electrolyte solution onto a supporting substrate, and laminating a polymer electrolyte membrane on the supporting substrate;
The manufacturing method of the laminated body characterized by including.
(式中、Ar1〜Ar9は、互いに独立に、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有してもよい2価の芳香族基を表す。該主鎖の芳香族環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有する。
Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。pは0、1又は2を表し、q、rは互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を有する繰り返し単位1種以上と、
下記一般式(1b)〜(4b)
(式中、Ar11〜Ar19は、互いに独立に側鎖としての置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表す。Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。p’は0、1又は2を表し、q’、r’は互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を実質的に有さない繰り返し単位1種以上とを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の積層体の製造方法。
(式中、R1及びR2は互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基を表し、R1とR2が連結して環を形成していてもよい。) The ion conductive polymer has the following general formulas (1a) to (4a):
(In the formula, Ar 1 to Ar 9 each independently represent a divalent aromatic group having an aromatic ring in the main chain and further having a side chain having an aromatic ring. At least one of the aromatic ring of the chain or the aromatic ring of the side chain has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring.
Z and Z ′ each independently represent one of CO and SO 2 , and X, X ′ and X ″ each independently represent one of O and S. Y represents a direct bond or the following general formula (10) And p represents 0, 1 or 2, and q and r each independently represent 1, 2 or 3.
One or more repeating units having an ion exchange group selected from:
The following general formulas (1b) to (4b)
(In the formula, Ar 11 to Ar 19 each independently represent a divalent aromatic group optionally having a substituent as a side chain. Z and Z ′ are each independently CO or SO 2 . X, X ′, and X ″ each independently represent O or S. Y represents a direct bond or a group represented by the following general formula (10). P ′ is 0, 1 or 2 and q ′ and r ′ each independently represent 1, 2 or 3.)
It has 1 or more types of repeating units which do not have substantially the ion exchange group chosen from these, The manufacturing method of the laminated body in any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned.
(In the formula, R 1 and R 2 are independently of each other a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and an optionally substituted substituent having 1 to 10 carbon atoms. An alkoxy group, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an optionally substituted carbon Represents an acyl group of 2 to 20, and R 1 and R 2 may be linked to form a ring.)
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar9は2価の芳香族基を表し、ここで2価の芳香族基は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。Ar9は主鎖を構成する芳香環に直接又は側鎖を介してイオン交換基を有する。)
で表される繰返し構造を有し、且つ、
イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)が下記一般式(1b’)、(2b’)、(3b’)
(式中、nは5以上の整数を表す。Ar11〜Ar18は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基、炭素数6〜18のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。その他の符号は、前記一般式(1b)〜(3b)のものと同じである。)
で表される繰返し構造から選ばれる1種以上を有することを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の積層体の製造方法。 The ion-conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) having substantially no ion exchange group, and a block having an ion exchange group (A ) Is represented by the following general formula (4a ′)
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 9 represents a divalent aromatic group, wherein the divalent aromatic group has a fluorine atom and optionally has 1 carbon atom. Or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. The aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms or the optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms may be substituted, Ar 9 may be directly or on the side of the aromatic ring constituting the main chain. It has an ion exchange group through the chain.)
And having a repeating structure represented by:
The block (B) having substantially no ion exchange group is represented by the following general formulas (1b ′), (2b ′), (3b ′)
(In the formula, n represents an integer of 5 or more. Ar 11 to Ar 18 each independently represent a divalent aromatic group, and these divalent aromatic groups are alkyls having 1 to 18 carbon atoms. Group, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. The same as those in the general formulas (1b) to (3b).
It has 1 or more types chosen from the repeating structure represented by these. The manufacturing method of the laminated body in any one of Claims 1-12 characterized by the above-mentioned.
下記一般式(1a)〜(4a)
(式中、Ar1〜Ar9は、互いに独立に、主鎖に芳香族環を有し、さらに芳香族環を有する側鎖を有してもよい2価の芳香族基を表す。該主鎖の芳香族環か側鎖の芳香族環の少なくとも1つが該芳香族環に直接結合したイオン交換基を有する。
Z、Z’は互いに独立にCO、SO2のいずれかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sのいずれかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。pは0、1又は2を表し、q、rは互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を有する繰り返し単位1種以上と、
下記一般式(1b)〜(4b)
(式中、Ar11〜Ar19は、互いに独立に側鎖としての置換基を有していてもよい2価の芳香族基を表す。Z、Z’は互いに独立にCO、SO2の何れかを表し、X、X’、X”は互いに独立にO、Sの何れかを表す。Yは直接結合もしくは下記一般式(10)で表される基を表す。p’は0、1又は2を表し、q’、r’は互いに独立に1、2又は3を表す。)
から選ばれるイオン交換基を実質的に有さない繰り返し単位1種以上とを有することを特徴とする請求項20〜26のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(式中、R1及びR2は互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基を表し、R1とR2が連結して環を形成していてもよい。) The ion conductive polymer is
The following general formulas (1a) to (4a)
(In the formula, Ar 1 to Ar 9 each independently represent a divalent aromatic group having an aromatic ring in the main chain and further having a side chain having an aromatic ring. At least one of the aromatic ring of the chain or the aromatic ring of the side chain has an ion exchange group directly bonded to the aromatic ring.
Z and Z ′ each independently represent one of CO and SO 2 , and X, X ′ and X ″ each independently represent one of O and S. Y represents a direct bond or the following general formula (10) And p represents 0, 1 or 2, and q and r each independently represent 1, 2 or 3.
One or more repeating units having an ion exchange group selected from:
The following general formulas (1b) to (4b)
(In the formula, Ar 11 to Ar 19 each independently represents a divalent aromatic group optionally having a substituent as a side chain. Z and Z ′ are each independently CO or SO 2 . X, X ′, and X ″ each independently represent O or S. Y represents a direct bond or a group represented by the following general formula (10). P ′ is 0, 1 or 2 and q ′ and r ′ each independently represent 1, 2 or 3.)
27. The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 20 to 26, comprising one or more repeating units substantially free of ion exchange groups selected from the group consisting of:
(In the formula, R 1 and R 2 are independently of each other a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and an optionally substituted substituent having 1 to 10 carbon atoms. An alkoxy group, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, an optionally substituted aryl group having 6 to 18 carbon atoms, or an optionally substituted carbon Represents an acyl group of 2 to 20, and R 1 and R 2 may be linked to form a ring.)
(式中、mは5以上の整数を表し、Ar9は2価の芳香族基を表し、ここで2価の芳香族基は、フッ素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基、置換基を有していてもよい炭素数6〜18のアリールオキシ基又は置換基を有していてもよい炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。Ar9は主鎖を構成する芳香環に直接又は側鎖を介してイオン交換基を有する。)
で表される繰返し構造を有し、且つ、
イオン交換基を実質的に有さないブロック(B)が下記一般式(1b’)、(2b’)、(3b’)
(式中、nは5以上の整数を表す。Ar11〜Ar18は互いに独立に2価の芳香族基を表し、ここでこれらの2価の芳香族基は、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数6〜10のアリール基、炭素数6〜18のアリールオキシ基又は炭素数2〜20のアシル基で置換されていてもよい。その他の符号は、前記一般式(1b)〜(3b)のものと同じである。)
で表される繰返し構造から選ばれる1種以上を有することを特徴とする請求項20〜31のいずれかに記載の高分子電解質膜。 The ion-conductive polymer has at least one block (A) having an ion exchange group and one or more blocks (B) having substantially no ion exchange group, and a block having an ion exchange group (A ) Is the following general formula (4a ′).
(In the formula, m represents an integer of 5 or more, Ar 9 represents a divalent aromatic group, wherein the divalent aromatic group has a fluorine atom and optionally has 1 carbon atom. Or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms which may have a substituent, an aryl group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. The aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms or the optionally substituted acyl group having 2 to 20 carbon atoms may be substituted, Ar 9 may be directly or on the side of the aromatic ring constituting the main chain. It has an ion exchange group through the chain.)
And having a repeating structure represented by:
The block (B) having substantially no ion exchange group is represented by the following general formulas (1b ′), (2b ′), (3b ′)
(In the formula, n represents an integer of 5 or more. Ar 11 to Ar 18 each independently represent a divalent aromatic group, and these divalent aromatic groups are alkyls having 1 to 18 carbon atoms. Group, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 18 carbon atoms, or an acyl group having 2 to 20 carbon atoms. The same as those in the general formulas (1b) to (3b).
32. The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 20 to 31, wherein the polymer electrolyte membrane has one or more selected from a repeating structure represented by the formula:
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