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JP2008277241A - Method of manufacturing polymer electrolyte membrane - Google Patents

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JP2008277241A JP2007245050A JP2007245050A JP2008277241A JP 2008277241 A JP2008277241 A JP 2008277241A JP 2007245050 A JP2007245050 A JP 2007245050A JP 2007245050 A JP2007245050 A JP 2007245050A JP 2008277241 A JP2008277241 A JP 2008277241A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane in which unevenness of thickness, wrinkles, and irregularities are hardly caused and which is improved in morphology stability of membrane and stability of membrane characteristics. <P>SOLUTION: The method of forming the polymer electrolyte membrane includes: a spread step (A1) in which ionic group-contained polymer electrolyte solution is flowed and spread on a support to form a spread membrane; a drying step (A2) of evaporating solvent from the spread membrane; and a desolvation step (A3) of extracting the solvent by a liquid in which the dried membrane is mixed in a solvent of the ionic group-contained polymer electrolyte. In the method, the step (A2) and the step (A3) are carried out without separating the membrane from the support. In the drying step (A2), the polymer electrolyte membrane is dried so that it becomes a self-supporting membrane of solvent content 15-30 mass% in the range of the following formula (I) as to the relation of the coating thickness factor T of the polymer electrolyte solution and the drying speed R1 (g/m<SP>2</SP>×min.). 2≤R<SB>1</SB>×T≤56 (I), provided that R<SB>1</SB>expresses a drying speed (g/m<SP>2</SP>xmin.), T expresses a coating thickness (μm)/300(μm) of the polymer electrolyte solution. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane.

近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有するため、電気自動車や分散発電などの電源装置としての開発が進んできている。   In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Above all, polymer electrolyte fuel cells using polymer electrolyte membranes have high energy density, and because they have features such as being easy to start and stop because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing.

高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。これら特性を支配する要因として電解質膜の厚みムラやシワ、凹凸が影響することがわかっている。   As the polymer solid electrolyte membrane, a proton conductive ion exchange membrane is usually used. In addition to proton conductivity, the polymer solid electrolyte membrane must have characteristics such as fuel permeation deterrence and mechanical strength that prevent permeation of hydrogen and the like of the fuel. It has been found that unevenness of thickness, wrinkles, and unevenness of the electrolyte membrane influence as a factor governing these characteristics.

従来、シワや凹凸を解消する手段として膜に張力をかけて乾燥する方法が報告されている(例えば、特許文献1)が、固定部分周辺と固定部分から最も離れた部分では厚みが不均一になる問題があった。また、乾燥時のみの固定ではそれ以前の工程で発生したシワや凹凸を十分解消できない問題もあった。
特に、高分子電解質の溶媒溶液を支持体上に流延後、脱溶媒して製膜する、いわゆる溶液製膜で製造される高分子固体電解質膜は、膜形状の安定化のみならず、膜の形態安定性、膜特性の安定性などの向上が求められている。
特開2003−192805号公報
Conventionally, as a means for eliminating wrinkles and unevenness, a method of drying by applying tension to the film has been reported (for example, Patent Document 1), but the thickness is uneven at the periphery of the fixed portion and the portion farthest from the fixed portion. There was a problem. In addition, there is a problem that wrinkles and irregularities generated in the previous process cannot be sufficiently eliminated by fixing only during drying.
In particular, a polymer solid electrolyte membrane produced by so-called solution casting, in which a solvent solution of a polymer electrolyte is cast on a support and then desolvated to form a membrane, not only stabilizes the membrane shape but also membranes. There is a need to improve the stability of the morphology and the stability of the film properties.
JP 2003-192805 A

本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。すなわち、本発明の目的は、厚みムラやシワ、凹凸が生じにくい安定な製膜法で、かつ膜の形態安定性、膜特性の安定性などを向上させた高分子電解質膜の製造方法を提供することである。   The present invention has been made against the background of such prior art problems. That is, an object of the present invention is to provide a method for producing a polymer electrolyte membrane which is a stable film formation method in which unevenness in thickness, wrinkles, and unevenness is unlikely to occur, and the stability of the film morphology and film characteristics is improved. It is to be.

本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
[1] イオン性基含有高分子電解質溶液を支持体上に流延して流延膜とする流延工程(A)、前記流延膜から溶媒を蒸発させる乾燥工程(A)及び前記乾燥膜を前記イオン性基含有高分子電解質の溶媒と混和する液体で溶媒を抽出する脱溶媒工程(A)からなり、工程(A)及び工程(A)を、膜を支持体から剥離することなく実施する高分子電解質膜の形成方法において、乾燥工程(A)における高分子電解質溶液の塗工厚み係数Tと乾燥速度R(g/m・分)との関係が、下記式(I)の範囲で溶媒含有率15〜30質量%の自己支持性膜となるまで乾燥することを特徴とする高分子電解質膜の形成方法。
2≦R・T≦56 (I)
(ただし、R:乾燥速度(g/m・分)、
T:高分子電解質溶液の塗工厚み(μm)/300(μm) )
[2] 脱溶媒工程(A)における脱溶媒速度R(g/m・分)を、1〜20g/m・分にして、溶媒含有率8質量%未満まで脱溶媒する[1]に記載の高分子電解質膜の形成方法。
[3] 前記[1]又は[2]で形成された高分子電解質膜を支持体に付着させたまま、無機酸含有酸性液に接触させてイオン性基を酸型に変換する酸処理工程(B)、前記酸処理膜中の遊離の酸を除去する酸除去工程(C)及び前記酸除去膜を乾燥する乾燥工程(D)を有する高分子電解質膜の製造方法であって、前記(B)から(D)までの工程を、高分子電解質膜を支持体から剥離することなく処理することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。に記載の高分子電解質膜の製造方法。
[4] 前記[3]で得られた高分子電解質膜中のDSC法による平均細孔径が、0.1〜10nmである高分子電解質膜の製造方法。
[5] イオン性基含有高分子電解質が、一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位を含むポリアリーレンエーテル系化合物である[1]〜[4]のいずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法。

Figure 2008277241
(ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基又はケトン基、XはH及び/又は1価のカチオン種、Zは直接結合、エーテル結合及びチオエーテル結合から選ばれる少なくとも1種である。)
Figure 2008277241
(ただし、Ar’は2価の芳香族基、Z’は直接結合、エーテル結合及びチオエーテル結合から選ばれる少なくとも1種である。) As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following means, and have reached the present invention.
That is, this invention consists of the following structures.
[1] A casting step (A 1 ) in which an ionic group-containing polymer electrolyte solution is cast on a support to form a cast membrane, a drying step (A 2 ) in which a solvent is evaporated from the cast membrane, and the above It comprises a desolvation step (A 3 ) of extracting the solvent with a liquid miscible with the solvent of the ionic group-containing polymer electrolyte, and the steps (A 2 ) and (A 3 ) are separated from the support by the membrane. In the method for forming a polymer electrolyte membrane carried out without peeling, the relationship between the coating thickness coefficient T of the polymer electrolyte solution and the drying rate R 1 (g / m 2 · min) in the drying step (A 2 ) A method for forming a polymer electrolyte membrane, comprising drying until a self-supporting membrane having a solvent content of 15 to 30% by mass within the range of the following formula (I) is obtained.
2 ≦ R 1・ T ≦ 56 (I)
(However, R 1 : Drying rate (g / m 2 · min),
T: Coating thickness of polymer electrolyte solution (μm) / 300 (μm))
[2] The desolvation rate R 2 (g / m 2 · min) in the desolvation process (A 3), 1~20g / m in the 2-minute, desolvation until the solvent content of less than 8% [1 ] The formation method of the polymer electrolyte membrane of description.
[3] An acid treatment step in which the polymer electrolyte membrane formed in the above [1] or [2] is attached to a support and is contacted with an inorganic acid-containing acidic solution to convert an ionic group into an acid type ( B), a method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an acid removal step (C) for removing free acid in the acid-treated membrane and a drying step (D) for drying the acid removal membrane, ) To (D) are processed without peeling the polymer electrolyte membrane from the support. The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane as described in any one of.
[4] A method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane obtained in [3] has an average pore diameter of 0.1 to 10 nm by a DSC method.
[5] The ionic group-containing polymer electrolyte according to any one of [1] to [4], wherein the ionic group-containing polymer electrolyte is a polyarylene ether compound including the structural units represented by the general formula (1) and the general formula (2). A method for producing a polymer electrolyte membrane.
Figure 2008277241
(However, Ar is a divalent aromatic group, Y is a sulfone group or a ketone group, X is H and / or a monovalent cationic species, Z is at least one selected from a direct bond, an ether bond and a thioether bond. .)
Figure 2008277241
(However, Ar ′ is a divalent aromatic group, and Z ′ is at least one selected from a direct bond, an ether bond and a thioether bond.)

本発明によれば、支持体に密着して溶媒を含む膜において、膜中の溶媒の膜表面(支持体の反対側)への溶媒の移動、拡散を制御できるため、膜の形状の安定化、バラツキを低減化ができ、さらには、膜特性の安定化、バラツキの低減化が可能である。
また、膜厚が160μm以下の極薄の高分子電解質膜であっても、膜全面で厚みムラが小さく、シワ及び凹凸が少ない、均一で形態安定性に優れた高分子電解質膜を製造することができる。さらに、膜内部の細孔径を制御できることから、膜特性、特に透過性能が安定した高分子電解質膜を製造することができる。特に、軟化温度が90℃以上、好ましくは140〜250℃の高分子電解質の場合に有効である。
According to the present invention, in the film containing the solvent in close contact with the support, the movement and diffusion of the solvent to the film surface (opposite side of the support) can be controlled, so that the shape of the film is stabilized. The variation can be reduced, and the film characteristics can be stabilized and the variation can be reduced.
In addition, even for an ultrathin polymer electrolyte membrane having a thickness of 160 μm or less, a uniform polymer electrolyte membrane excellent in shape stability is produced with less thickness unevenness, less wrinkles and unevenness on the entire surface of the membrane. Can do. Furthermore, since the pore diameter inside the membrane can be controlled, a polymer electrolyte membrane having stable membrane characteristics, particularly permeation performance, can be produced. This is particularly effective in the case of a polymer electrolyte having a softening temperature of 90 ° C. or higher, preferably 140 to 250 ° C.

まず、本発明の高分子電解質膜を形成する工程は、イオン性基含有高分子電解質溶液を支持体上に流延して流延膜とする流延工程(A)、前記流延膜から溶媒を蒸発させる乾燥工程(A)及び前記乾燥膜を前記イオン性基含有高分子電解質の溶媒と混和する液体で溶媒を抽出する脱溶媒工程(A)からなり、工程(A)及び工程(A)を、膜を支持体から剥離することなく実施することが重要である。
さらに、乾燥工程(A)における高分子電解質溶液の塗工厚み係数Tと後述する方法により測定した乾燥速度R(g/m・分)との関係が、下記式(I)の範囲で溶媒含有率15〜30質量%の自己支持性膜となるまで乾燥することが特徴である。
2≦R・T≦56 (I)
(ただし、R:乾燥速度(g/m・分)、
T:高分子電解質溶液の塗工厚み(μm)/300(μm) )
First, the step of forming the polymer electrolyte membrane of the present invention includes a casting step (A 1 ) in which an ionic group-containing polymer electrolyte solution is cast on a support to form a casting membrane, from the casting membrane. A drying step (A 2 ) for evaporating the solvent, and a desolvation step (A 3 ) for extracting the solvent with a liquid miscible with the solvent of the ionic group-containing polymer electrolyte. The steps (A 2 ) and It is important to carry out the step (A 3 ) without peeling off the membrane from the support.
Furthermore, the relationship between the coating thickness coefficient T of the polymer electrolyte solution in the drying step (A 2 ) and the drying rate R 1 (g / m 2 · min) measured by the method described later is within the range of the following formula (I). It is characterized by drying until it becomes a self-supporting membrane having a solvent content of 15 to 30% by mass.
2 ≦ R 1・ T ≦ 56 (I)
(However, R 1 : Drying rate (g / m 2 · min),
T: Coating thickness of polymer electrolyte solution (μm) / 300 (μm))

・Tが、56を超える状態では、発泡が発生したり、流延膜の表面部のみが急激に乾燥してしまい、その後の支持体側(膜内部)の溶媒の除去が困難になったりする。また、R・Tが、2未満では、生産性の点で問題がある。
・Tの好ましい範囲は、10〜50であり、この範囲であると、乾燥による発泡の発生や膜表面の急激な乾燥や荒れを回避でき、品位に優れた高分子電解質膜を提供でき、また、膜の品位と生産性とのバランスの点でも好ましい。
・Tの範囲が、2〜30であると、高分子電解質膜中の平均細孔径(DSC法による)が、0.1〜10nmの範囲内で、細孔径のバラツキが小さくなり、膜の形態安定性以外にも、イオン伝導性を維持した状態でメタノール透過抑止性を向上させるといった膜特性がさらに良好になりやすい。
In the state where R 1 · T exceeds 56, foaming occurs, or only the surface portion of the casting membrane dries rapidly, and the subsequent removal of the solvent on the support side (inside the membrane) becomes difficult. To do. Further, if R 1 · T is less than 2, there is a problem in terms of productivity.
The preferred range of R 1 · T is 10 to 50. If it is within this range, it is possible to avoid the occurrence of foaming due to drying and rapid drying or roughening of the membrane surface, and to provide a polymer electrolyte membrane with excellent quality. Moreover, it is also preferable from the viewpoint of the balance between the quality of the membrane and the productivity.
When the range of R 1 · T is 2 to 30, the average pore size (by DSC method) in the polymer electrolyte membrane is within the range of 0.1 to 10 nm, and the variation in pore size becomes small, and the membrane In addition to the morphological stability, membrane properties such as improving methanol permeation deterrence while maintaining ionic conductivity are likely to be further improved.

・Tを上記の範囲にするには、支持体側の溶媒をムラ無くスムーズに膜表面へ拡散させることが重要であり、空気などの雰囲気温度、処理時間、風量、風速、溶液の塗工厚み、溶媒の種類、電解質ポリマーの種類、イオン性基の量などに応じて、それぞれ適正な条件を選択することで達成することができる。
例えば、温度としては、用いる溶媒の種類にもよるが、用いる溶媒の沸点の100℃以下の温度で膜の溶媒含有率が15〜30質量%となるまで乾燥させて自己支持性を得たり、支持体側の膜の溶媒含有率が15〜30質量%となった時点で、用いる溶媒の沸点の70℃以下までの温度でさらに溶媒を除去させて、自己支持性を得られるまで乾燥するといった方法が適用できる。
風速としては、塗膜に対して垂直流であれば、0.5m/分や1.0m/分といった比較的緩やかな風速であることが、膜表面の均一性が得られ易い点で好ましい。平行流であれば、塗膜表面への物理的な衝突はないため、10m/分や20m/分といった風速でも発泡の生じない乾燥速度であれば適用可能である。
In order to make R 1 · T within the above range, it is important that the solvent on the support side is smoothly diffused to the film surface without unevenness. Atmosphere temperature such as air, treatment time, air volume, wind speed, solution coating This can be achieved by selecting appropriate conditions according to the thickness, the type of solvent, the type of electrolyte polymer, the amount of ionic groups, and the like.
For example, depending on the type of solvent used, the temperature may be dried at a temperature of 100 ° C. or lower of the boiling point of the solvent used until the solvent content of the membrane is 15 to 30% by mass to obtain self-supporting property, When the solvent content of the membrane on the support side is 15 to 30% by mass, the solvent is further removed at a temperature up to 70 ° C., which is the boiling point of the solvent used, and drying is performed until self-supporting properties are obtained. Is applicable.
The wind speed is preferably a relatively gentle wind speed of 0.5 m / min or 1.0 m / min as long as the flow is perpendicular to the coating film from the viewpoint that the film surface uniformity can be easily obtained. If the flow is parallel, there is no physical collision with the surface of the coating film, and therefore any drying speed that does not cause foaming is applicable even at a wind speed of 10 m / min or 20 m / min.

流延工程(A)における高分子電解質の溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。 Examples of the polymer electrolyte solvent in the casting step (A 1 ) include aprotic polarities such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, and hexamethylphosphonamide. A suitable solvent can be selected from alcohols such as methanol and ethanol, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate.

支持体としてはポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、テフロン(登録商標)などの樹脂フィルム及び樹脂シート、ガラスなどが使用できるが、水を含む溶媒及び酸に耐え得るものであれば特に限定されることは無い。また、支持体がコロナ処理や鏡面処理などにより表面改質されていてもよい。   As the support, resin films and resin sheets such as polyethylene, polyester, nylon, and Teflon (registered trademark), glass, and the like can be used. However, the support is not particularly limited as long as it can withstand a solvent containing water and an acid. . Further, the support may be surface-modified by corona treatment or mirror treatment.

キャスティングする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2500μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μm、さらに好ましくは50〜1000μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いと電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2500μmよりも厚いと不均一な電解質膜ができやすくなる傾向にある。
溶液のキャスティング厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャスティングした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温で行い、後に昇温させる方法がある
。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。
The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2500 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers, More preferably, it is 50-1000 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the shape as an electrolyte membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2500 μm, a non-uniform electrolyte membrane tends to be easily formed.
A known method can be used as a method for controlling the casting thickness of the solution. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. A more uniform film can be obtained from the cast solution by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, there is a method in which the first stage is performed at a low temperature and the temperature is raised later. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time.

支持体上の流延膜は、支持体とともに乾燥工程(A)に送られる。乾燥工程(A)における溶媒の除去法は、加熱処理や減圧処理による乾燥が電解質膜の均一性の観点からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することが好ましい。溶媒の70%以上が除去され、流延膜が自己支持性を発現するまで乾燥することが好ましい。
また、溶液の粘度が高い場合には、支持体や溶液を加熱して高温でキャスティングすると溶液の粘度が低下して容易にキャスティングすることができる。
The cast film on the support is sent to the drying step (A 2 ) together with the support. As the method for removing the solvent in the drying step (A 2 ), drying by heat treatment or reduced pressure treatment is preferable from the viewpoint of the uniformity of the electrolyte membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and a quality change of a compound or a solvent, it is preferable to dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. It is preferable to dry until 70% or more of the solvent is removed and the cast film exhibits self-supporting properties.
Further, when the viscosity of the solution is high, when the support or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed.

自己支持性を発現するまで流延膜を乾燥して得られた膜は、さらに、支持体とともにイオン性基含有高分子電解質の溶媒と混和する液体で脱溶媒する脱溶媒工程(A)に送られる。
イオン性基含有高分子電解質の溶媒と混和する液体とは、溶媒と混和し、脱溶媒できるものであれば特に限定されないが、水が好ましい。
The membrane obtained by drying the cast membrane until it exhibits self-supporting property is further subjected to a solvent removal step (A 3 ) in which the membrane is removed with a liquid that is miscible with the solvent of the ionic group-containing polymer electrolyte together with the support. Sent.
The liquid miscible with the solvent of the ionic group-containing polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is miscible with the solvent and can be desolvated, but water is preferable.

本発明においては、膜形成工程(A)で形成された膜は、さらに、支持体とともに無機酸含有酸性液に接触させてイオン性基を酸型に変換する酸処理工程(B)で処理される。酸処理工程(B)における無機酸とは、塩酸、硝酸、硫酸などの水溶液を使用することができる。酸性水溶液に接触させる際の温度は特に限定されない。
その結果、膜を支持体から剥離することなく酸性水溶液に接触させることが可能となり、膜全面が支持体で固定され、膜平面方向の膨潤が抑制され、厚みムラやシワの発生を低減することができる。
In the present invention, the film formed in the film forming step (A) is further treated in an acid treatment step (B) in which an ionic group is converted into an acid form by contacting with an inorganic acid-containing acidic solution together with a support. The As the inorganic acid in the acid treatment step (B), an aqueous solution of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or the like can be used. The temperature at the time of making it contact with acidic aqueous solution is not specifically limited.
As a result, the membrane can be brought into contact with an acidic aqueous solution without peeling from the support, the entire surface of the membrane is fixed by the support, swelling in the plane of the membrane is suppressed, and thickness unevenness and wrinkle generation are reduced. Can do.

酸処理工程(B)を通過した酸処理膜は、次いで、膜中の遊離の酸を除去する酸除去工程(C)を通過し、さらに酸除去膜は、乾燥工程(D)で乾燥される。
酸処理膜中の過剰な酸を、膜を支持体から剥離することなく除去する工程は、水に接触させることが好ましい。水に接触させる方法としては、シャワーなどの流水に接触させる方法、水に浸漬する方法など特に限定されない。また、水との接触を繰り返し行っても構わない。この際、接触に用いる水に塩が含まれていると酸性基が金属塩に再度変換される可能性があるので、少なくとも、イオン交換水のようなイオン除去処理を行った水を使用することが望ましい。
The acid-treated membrane that has passed through the acid treatment step (B) then passes through an acid removal step (C) that removes free acid in the membrane, and the acid-removed membrane is further dried in the drying step (D). .
The step of removing excess acid in the acid-treated film without peeling the film from the support is preferably brought into contact with water. The method of contacting with water is not particularly limited, such as a method of contacting with running water such as a shower, a method of immersing in water, and the like. Further, contact with water may be repeated. At this time, if the salt used in the contact contains salt, the acidic group may be converted back to the metal salt, so at least use water that has been subjected to ion removal treatment, such as ion-exchanged water. Is desirable.

乾燥工程(D)においても、高分子電解質膜を支持体から剥離することなく水分を除去する。乾燥法は特に限定されないが、風乾させることが好ましい。風乾させる方法としては高分子電解質膜に風を当てたり、また、風を当てることなく、放置することでも乾燥できる。風は加熱されていても構わない。また、支持体側から熱を加えることにより乾燥させることもできる。
乾燥工程(D)を終えたあとの膜中の残存溶媒含有率は、1質量%未満であることが好ましく、より好ましくは、そのままではNMRでは検出できない程度の残存溶媒含有率である。
Also in the drying step (D), moisture is removed without peeling the polymer electrolyte membrane from the support. The drying method is not particularly limited, but is preferably air-dried. As a method of air-drying, the polymer electrolyte membrane can be dried by applying air or leaving it without applying air. The wind may be heated. Moreover, it can also be dried by applying heat from the support side.
The residual solvent content in the film after finishing the drying step (D) is preferably less than 1% by mass, and more preferably the residual solvent content is such that it cannot be detected by NMR as it is.

本発明の製造方法の特徴は、前記(B)から(D)までの工程を、膜を支持体から剥離することなく実施することにある。このことによって、水を含む溶媒に膜が接触する工程においても、膜が膨潤、変形する等の問題がなくなり、高分子電解質膜全面で厚みムラ、シワ及び凹凸が少なく、均一な高分子電解質膜を得ることができる。   The production method of the present invention is characterized in that the steps (B) to (D) are carried out without peeling the membrane from the support. As a result, even when the membrane is in contact with a solvent containing water, there is no problem such as swelling and deformation of the membrane, and there is little thickness unevenness, wrinkles and unevenness on the entire surface of the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane is uniform. Can be obtained.

本発明の高分子電解質膜は、目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、プロトン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には3〜200μmであること
が好ましく、5〜150μmであることがさらに好ましく、特に好ましくは5〜100μmである。高分子電解質膜の厚みが3μmより薄いと高分子電解質膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いと高分子電解質膜が頑丈となりすぎ、ハンドリングが難しくなる傾向にある。
The polymer electrolyte membrane of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, it is preferably 3 to 200 μm, more preferably 5 to 150 μm, and particularly preferably 5 to 100 μm. If the thickness of the polymer electrolyte membrane is less than 3 μm, handling of the polymer electrolyte membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 200 μm, the polymer electrolyte membrane becomes too strong and handling Tend to be difficult.

本発明における高分子電解質膜を形成するポリマーは公知の高分子電解質を用いることができる。
例えば、芳香族炭化水素系のイオン性基含有ポリマーとしては、ポリマー主鎖に芳香族あるいは芳香環とエーテル結合、スルホン結合、イミド結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合、カーボネート結合及びケトン結合から選択される少なくとも1種以上の結合基を有する構造を持つ非フッ素系のイオン伝導性ポリマーであり、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、及びそれらの誘導体の少なくとも1種が導入されているポリマーが挙げられる。
なお、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボシキル基などの官能基をポリマーに含むことで、ポリマーのイオン伝導性が発現される。この中で特に有効に作用する官能基は、スルホン酸基である。また、ここでいうポリスルホン、ポエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造に限定するものではない。
As the polymer for forming the polymer electrolyte membrane in the present invention, a known polymer electrolyte can be used.
For example, as an aromatic hydrocarbon-based polymer containing an ionic group, an aromatic or aromatic ring and ether bond, sulfone bond, imide bond, ester bond, amide bond, urethane bond, sulfide bond, carbonate bond and Non-fluorine ion conductive polymer having a structure having at least one linking group selected from ketone bonds, such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene , Polyarylene-based polymer, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, polyimide, etc. A polymer containing a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group, and at least one of those derivatives is a polymer which has been introduced.
In addition, the ionic conductivity of a polymer is expressed by including functional groups, such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxyl group, in a polymer. Among these, a functional group that acts particularly effectively is a sulfonic acid group. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. as used herein are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in their molecular chains. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and is not limited to a specific polymer structure.

上記官能基を含有するポリマーのうち、特に芳香環上にスルホン酸基を持つポリマーは、上記例のような骨格を持つポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族系炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、Solid State Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。本発明のイオン性基含有ポリマー、特にイオン伝導性がスルホン酸基であるポリマーを得るためには、これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。   Among the polymers containing the functional group, a polymer having a sulfonic acid group on the aromatic ring can be obtained by reacting a polymer having a skeleton as in the above example with an appropriate sulfonating agent. Examples of such sulfonating agents include those using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid that have been reported as examples of introducing sulfonic acid groups into aromatic hydrocarbon polymers (for example, Solid State Ionics, 106, P.219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P.295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 721 (1984), J. Polym. Sci., Polym. Chem., 23, P. 1231 (1985)) and the like are effective. In order to obtain the ionic group-containing polymer of the present invention, in particular, a polymer whose ion conductivity is a sulfonic acid group, it can be carried out by using these reagents and selecting reaction conditions according to each polymer. . Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189.

また、上記芳香族炭化水素系イオン性基含有ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種に酸性基を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基やホスホン酸基を含有するジアミンを用いて酸性基含有ポリイミドとすることが出来る。芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾール、芳香族テトラミンと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズイミダゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することにより酸性基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾールとすることが出来る。芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することが出来る。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られた酸性基含有ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましい。   The aromatic hydrocarbon ionic group-containing polymer can also be synthesized using a monomer containing an acidic group in at least one of the monomers used for polymerization. For example, in a polyimide synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an acidic group-containing polyimide is obtained by using a diamine containing a sulfonic acid group or a phosphonic acid group as at least one of the aromatic diamines. I can do it. Polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, polybenzimidazole synthesized from aromatic tetramine and aromatic dicarboxylic acid In this case, an acid group-containing polybenzoxazole, polybenzthiazole, or polybenzimidazole can be obtained by using a sulfonic acid group-containing dicarboxylic acid or a phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid as at least one kind of aromatic dicarboxylic acid. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. I can do it. At this time, it is preferable to use a sulfonic acid group-containing dihalide rather than a sulfonic acid group-containing diol because the degree of polymerization tends to be high and the thermal stability of the obtained acidic group-containing polymer is high.

芳香族炭化水素系イオン性基含有ポリマーは、スルホン酸基含有ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン系ポリマーなどのポリアリーレンエーテル系化合物、ポリアリーレン系化合物であることがより好ましい。   Aromatic hydrocarbon ionic group-containing polymers are polyarylene ether compounds such as sulfonic acid group-containing polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone polymers, and polyarylene compounds. More preferably.

ポリアリーレンエーテル系化合物、ポリアリーレン系化合物の中で、下記のポリマーがより好ましい。
すなわち、一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位を含むポリアリーレンエーテル系化合物である。

Figure 2008277241
(ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基又はケトン基、XはH及び/又は1価のカチオン種、Zは直接結合、エーテル結合及びチオエーテル結合から選ばれる少なくとも1種である。)
Figure 2008277241
(ただし、Ar’は2価の芳香族基、Z’は直接結合、エーテル結合及びチオエーテル結合から選ばれる少なくとも1種である。)
一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位のポリマー中の比率(モル比)は、ポリマー組成より計算することができるスルホン酸基含有量で示すと、0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、イオン伝導膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合にはイオン伝導膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。より好ましくは0.6〜3.0meq/gである。 Among the polyarylene ether compounds and polyarylene compounds, the following polymers are more preferable.
That is, it is a polyarylene ether compound containing the structural units represented by general formula (1) and general formula (2).
Figure 2008277241
(However, Ar is a divalent aromatic group, Y is a sulfone group or a ketone group, X is H and / or a monovalent cationic species, Z is at least one selected from a direct bond, an ether bond and a thioether bond. .)
Figure 2008277241
(However, Ar ′ is a divalent aromatic group, and Z ′ is at least one selected from a direct bond, an ether bond and a thioether bond.)
When the ratio (molar ratio) in the polymer of the structural units represented by the general formula (1) and the general formula (2) is expressed by the sulfonic acid group content that can be calculated from the polymer composition, 0.3 to 3. It is preferably in the range of 5 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that sufficient ion conductivity is not exhibited when used as an ion conductive membrane, and when it is greater than 3.5 meq / g, the ion conductive membrane is not heated and humidified. When the conditions are met, membrane swelling tends to be too large to be suitable for use. More preferably, it is 0.6-3.0 meq / g.

また、芳香族炭化水素系イオン性基含有ポリマーの中で特に好ましいのは、一般式3で表される繰り返し単位を有するものである。

Figure 2008277241
[一般式3において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基、直接結合のいずれかを、n
1は1以上の整数を表す。] Among the aromatic hydrocarbon-based ionic group-containing polymers, those having a repeating unit represented by the general formula 3 are particularly preferable.
Figure 2008277241
[In General Formula 3, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 1 represents either an O or S atom. , Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, or a direct bond,
1 represents an integer of 1 or more. ]

一般式3において、Xは−S(=O)−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、電解質膜に光架橋性を付与したりすることができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。ZはO原子であるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n1は1〜30の範囲にあることが好ましく、n1が3以上の場合には、n1が異なる複数の単位が含まれていてもよい。Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基、直接結合を表し、O原子、S原子であるとより接合性がより改良されるため好ましい。n1が3以上の場合はZがO原子であると、高分子電解質膜にした場合の電極触媒層との接合性が特に向上するため好ましい。 In the general formula 3, it is preferable that X is a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to further enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 1 is preferably an O atom because there are advantages such as less polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 1 is preferably S because oxidation resistance is improved. n1 is preferably in the range of 1 to 30, and when n1 is 3 or more, a plurality of units having different n1 may be included. Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, a direct bond, It is preferable because the bondability is further improved. n1 When in the case of 3 or more is Z 2 is O atom, preferably in particular for improving bondability between the electrode catalyst layer in the case of the polymer electrolyte membrane.

一般式3で表される繰り返し単位を有するイオン性基含有ポリマーは、さらに一般式4で表される繰り返し単位をさらに含有していることが好ましい。

Figure 2008277241
[一般式4において、Arは二価の芳香族基を、ZはO原子又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基、直接結合のいずれかを、n2は1以上の整数を表す。] It is preferable that the ionic group-containing polymer having a repeating unit represented by the general formula 3 further contains a repeating unit represented by the general formula 4.
Figure 2008277241
[In General Formula 4, Ar 1 represents a divalent aromatic group, Z 3 represents either an O atom or an S atom, Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, -C (CF 3) 2 - group, -CH 2 - group, a cyclohexyl group, either a direct bond, n2 is an integer of 1 or more. ]

一般式4において、ZはO原子であるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがS原子であると耐酸化性が向上するため好ましい。n2は1〜30の範囲にあることが好ましく、n2が3以上の場合には、n2が異なる複数の単位が含まれていてもよい。Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基、直接結合を表し、O原子、S原子であるとより接合性がより改良されるため好ましい。n2が3以上の場合はZがO原子であると、高分子電解質膜にした場合の電極触媒層との接合性が特に向上するため好ましい。 In the general formula 4, it is preferable that Z 3 is an O atom because there are advantages such as little coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 3 is preferably an S atom since the oxidation resistance is improved. n2 is preferably in the range of 1 to 30, and when n2 is 3 or more, a plurality of units different in n2 may be included. Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, a direct bond, and an O atom or an S atom. It is preferable because the bondability is further improved. n2 When the case 3 or more is Z 4 is O atom, preferably in particular for improving bondability between the electrode catalyst layer in the case of the polymer electrolyte membrane.

本発明における高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーが、主として、一般式1で表される繰り返し単位と、一般式2で表される繰り返し単位で構成される場合には、それぞれのモル比は、7:93〜70:30の範囲であることが好ましい。モル比が7:93とは、一般式1で表される繰り返し単位のモル数を7としたとき、一般式2で表される繰り返し単位のモル数が93であることを表す。70:30のモル比よりも一般式1で表される繰り返し単位が多くなると、高分子電解質膜としたときの燃料透過性が大きくなる場合があり好ましくない。7:93のモル比よりも一般式1で表される繰り返し単位が少なくなると、高分子電解質膜としたときのプロトン伝導性が低下して抵抗が増大するため好ましくない。10:90〜50:50の範囲であることがより好ましい。10:90〜40:60の範囲であることがさらに好ましい。本発明におけるイオン性基含有ポリマーは、一般式1及び一般式2で表される繰り返し単位を有することによって適切な軟化温度を有し、高分子電解質膜としたときに良好な電極との接合性を示す。   When the ionic group-containing polymer constituting the polymer electrolyte membrane in the present invention is mainly composed of a repeating unit represented by the general formula 1 and a repeating unit represented by the general formula 2, The ratio is preferably in the range of 7:93 to 70:30. The molar ratio of 7:93 means that when the number of moles of the repeating unit represented by the general formula 1 is 7, the number of moles of the repeating unit represented by the general formula 2 is 93. When the number of repeating units represented by the general formula 1 is larger than the molar ratio of 70:30, the fuel permeability when used as a polymer electrolyte membrane may increase, which is not preferable. When the number of repeating units represented by the general formula 1 is less than the molar ratio of 7:93, it is not preferable because the proton conductivity when the polymer electrolyte membrane is made decreases and the resistance increases. The range of 10:90 to 50:50 is more preferable. More preferably, it is in the range of 10:90 to 40:60. The ionic group-containing polymer in the present invention has an appropriate softening temperature by having the repeating unit represented by the general formula 1 and the general formula 2, and has good bondability with an electrode when a polymer electrolyte membrane is formed. Indicates.

一般式4におけるArは、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 Ar 1 in the general formula 4 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.

Arの好ましい構造は、化学式5〜8で表される構造である。化学式5の構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式6の構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式7又は8の構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式8の構造がより好ましい。化学式5〜8の中でも化学式8の構造が最も好ましい。

Figure 2008277241
A preferred structure of Ar 1 is a structure represented by chemical formulas 5-8. The structure of Chemical Formula 5 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of Chemical Formula 6 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to increase the bonding property with the electrode and impart photocrosslinking properties. The structure of Chemical Formula 7 or 8 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 8 is more preferable. Among the chemical formulas 5 to 8, the structure of the chemical formula 8 is most preferable.
Figure 2008277241

本発明の高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーのさらに好ましい態様の一つは、高分子電解質膜が主として、一般式3で表される構造と、一般式4で表される構造で構成され、かつ一般式3におけるZ及びZがいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上であるイオン性基含有ポリマーである。このようなイオン性基含有ポリマーを用いると、電極との接合性が特に向上するため好ましい。 One of the more preferable embodiments of the ionic group-containing polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention is that the polymer electrolyte membrane mainly has a structure represented by the general formula 3 and a structure represented by the general formula 4. It is an ionic group-containing polymer that is constituted and that both Z 1 and Z 2 in the general formula 3 are O atoms, and n1 is 3 or more. It is preferable to use such an ionic group-containing polymer because the bondability with the electrode is particularly improved.

前記のイオン性基含有ポリマーのさらに好ましい態様の一つは、一般式4における、Z及びZがいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上であるとより好ましい。このようなイオン性基含有ポリマーを用いると、電極との接合性がより一層向上するため好ましい。 One of the more preferable embodiments of the ionic group-containing polymer is more preferably that in Formula 4, Z 3 and Z 4 are both O atoms, and n2 is 3 or more. It is preferable to use such an ionic group-containing polymer because the bondability with the electrode is further improved.

本発明の高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーのさらに好ましい態様の一つは、一般式3及び一般式5に加えて、一般式9で表される繰り返し単位を有するイオン性基含有ポリマーである。一般式1及び一般式4で表される繰り返し単位に加え、一般式9で表される繰り返し単位をさらに有していることが、高分子電解質膜としたときの膜の形態安定性を高めることができるため好ましい。

Figure 2008277241
[一般式9において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。] One of the more preferable embodiments of the ionic group-containing polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention includes an ionic group-containing polymer having a repeating unit represented by the general formula 9 in addition to the general formula 3 and the general formula 5. It is a polymer. In addition to the repeating units represented by the general formula 1 and the general formula 4, further having the repeating unit represented by the general formula 9 improves the morphological stability of the membrane when a polymer electrolyte membrane is obtained. Is preferable.
Figure 2008277241
[In General Formula 9, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. To express. ]

一般式9において、Xは−S(=O)−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を
さらに高めたり、電解質膜に光架橋性を付与したりすることができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。ZはO原子であるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがSであると耐酸化性が向上するため好ましい。
In General Formula 9, it is preferable that X is a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to further enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 5 is preferably an O atom because it has advantages such as less coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 5 is preferably S because oxidation resistance is improved.

本発明の高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーが、一般式3、4及び9で表される繰り返し単位を有している場合には、Z及びZが、O原子又はS原子であり、かつ、n1が1であると、高分子電解質膜とした場合の電極触媒層との接合性と、膜の形態安定性がより良好になるので好ましい。また、Z及びZが、O原子又はS原子であり、かつ、n2が1であると、高分子電解質膜とした場合の電極触媒層との接合性と、膜の形態安定性がさらに良好になるので好ましい。 When the ionic group-containing polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention has repeating units represented by the general formulas 3, 4 and 9, Z 1 and Z 2 are O atoms or S It is preferable that it is an atom and n1 is 1, since the bonding property with the electrode catalyst layer in the case of a polymer electrolyte membrane and the morphological stability of the membrane become better. Further, when Z 3 and Z 4 are O atoms or S atoms and n2 is 1, the bondability with the electrode catalyst layer in the case of a polymer electrolyte membrane and the morphological stability of the membrane are further increased. Since it becomes favorable, it is preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーは、一般式3、4及び9で表される繰り返し単位に加え、一般式10で表される繰り返し単位をさらに有していると、高分子電解質膜としたときに、電極触媒層との接合性と、膜の形態安定性を大きく向上することができるためよりより好ましい。

Figure 2008277241
[一般式10において、Arは2価の芳香族基を、ZはO原子又はS原子のいずれかを表す。] In addition to the repeating units represented by the general formulas 3, 4 and 9, the ionic group-containing polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention further has a repeating unit represented by the general formula 10. When a polymer electrolyte membrane is used, it is more preferable because the bondability with the electrode catalyst layer and the morphological stability of the membrane can be greatly improved.
Figure 2008277241
[In General Formula 10, Ar 2 represents a divalent aromatic group, and Z 6 represents either an O atom or an S atom. ]

一般式10におけるZはO原子であるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。ZがS原子であると耐酸化性が向上するため好ましい。化学式10におけるArは、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 Z 6 in the general formula 10 is preferably an O atom because there are advantages such as little coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 6 is preferably an S atom because the oxidation resistance is improved. Ar 2 in Chemical Formula 10 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.

Arの好ましい構造は、化学式5〜8で表される構造である。化学式5の構造はイオン性基含有ポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式6の構造はイオン性基含有ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式7又は8の構造はイオン性基含有ポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式8の構造がより好ましい。化学式5〜8の中でも化学式8の構造が最も好ましい。 A preferred structure of Ar 2 is a structure represented by chemical formulas 5-8. The structure of Chemical Formula 5 is preferable because it can increase the solubility of the ionic group-containing polymer. The structure of Chemical Formula 6 is preferable because it lowers the softening temperature of the ionic group-containing polymer to further enhance the bonding property with the electrode or impart photocrosslinkability. The structure of Chemical Formula 7 or 8 is preferable because the swelling of the ionic group-containing polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 8 is more preferable. Among the chemical formulas 5 to 8, the structure of the chemical formula 8 is most preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーが、一般式3、5、9及び10でそれぞれ表される繰り返し単位を全て有している場合は、それぞれの繰り返し単位のモル%、及びその他の繰り返し単位のモル%が下記数式1〜3を満たすことが好ましい。   When the ionic group-containing polymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention has all the repeating units represented by the general formulas 3, 5, 9, and 10, respectively, mol% of each repeating unit, And it is preferable that mol% of other repeating units satisfy | fill the following Numerical formulas 1-3.

0.9≦(n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7)≦1.0・・・(数式1)
0.05≦(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)≦0.7・・・(数式2)
0.01≦(n4+n6)/(n3+n4+n5+n6)≦0.95・・・(数式3)
(上記数式中、n3は一般式9で表される繰り返し単位のモル%を、n4は一般式3で表される繰り返し単位のモル%を、n5は一般式10で表される繰り返し単位のモル%を、n6は一般式4で表される繰り返し単位のモル%を、n7はその他の繰り返し単位のモル%を、それぞれ表す。)
0.9 ≦ (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) ≦ 1.0 (Expression 1)
0.05 ≦ (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≦ 0.7 (Expression 2)
0.01 ≦ (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≦ 0.95 (Equation 3)
(In the above formula, n3 represents the mol% of the repeating unit represented by the general formula 9, n4 represents the mol% of the repeating unit represented by the general formula 3, and n5 represents the mol of the repeating unit represented by the general formula 10. %, N6 represents the mol% of the repeating unit represented by the general formula 4, and n7 represents the mol% of the other repeating unit.)

(n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7)が0.9よりも小さいと、高分子電解質膜としたときに良好な特性が得られないため好ましくない。より好ましいのは0.95〜1.0の範囲である。   When (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) is smaller than 0.9, good characteristics cannot be obtained when a polymer electrolyte membrane is obtained, which is not preferable. More preferred is a range of 0.95 to 1.0.

(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)が0.05よりも小さくなると、高分子電解質膜としたときに十分なプロトン伝導性が得られないため好ましくない。また、0.9よりも大きいと高分子電解質膜としたときの膨潤性が著しく大きくなるため好ましくない。より好ましい範囲は0.1〜0.7の範囲である。   When (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is smaller than 0.05, it is not preferable because sufficient proton conductivity cannot be obtained when a polymer electrolyte membrane is obtained. On the other hand, if it is larger than 0.9, the swellability of the polymer electrolyte membrane is remarkably increased, which is not preferable. A more preferred range is from 0.1 to 0.7.

(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)は0.07〜0.5の範囲であることが好ましく、0.1〜0.4の範囲であることがより好ましい。0.5よりも大きいと、燃料透過性が大きくなる場合があり好ましくない。0.07よりも小さいと、プロトン伝導性が低下して抵抗が増大するため好ましくない。   (N3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is preferably in the range of 0.07 to 0.5, and more preferably in the range of 0.1 to 0.4. If it is larger than 0.5, the fuel permeability may increase, which is not preferable. If it is smaller than 0.07, the proton conductivity decreases and the resistance increases, which is not preferable.

(n4+n6)/(n3+n4+n5+n6)が0.01よりも少ないと、高分子電解質膜としたときに電極触媒層との接合性が低下するため好ましくない。0.95よりも大きいと、高分子電解質膜としたときの膨潤性が大きくなりすぎる場合があるため好ましくない。0.05〜0.8がより好ましい範囲である。0.4〜0.8の範囲であることがさらに好ましい。   When (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) is less than 0.01, it is not preferable because the bonding property with the electrode catalyst layer is lowered when a polymer electrolyte membrane is formed. If it is greater than 0.95, the swellability of the polymer electrolyte membrane may become too large, which is not preferable. 0.05 to 0.8 is a more preferable range. More preferably, it is in the range of 0.4 to 0.8.

なお、本発明におけるイオン性基含有ポリマーにおいて、上記各一般式で表される各繰り返し単位の結合様式は特に限定されるものではなく、ランダム結合、交互結合、連続したブロック構造での結合など、いずれでもよい。   In the ionic group-containing polymer of the present invention, the bonding mode of each repeating unit represented by each general formula is not particularly limited, and includes random bonding, alternating bonding, bonding in a continuous block structure, and the like. Either is acceptable.

本発明における上記イオン性基含有ポリマーの合成方法としては、公知の方法を採用でき、特に限定されないが、合成に用いる原料モノマーの好ましい例として、下記一般式11〜13で表される構造のモノマーを挙げることができる。さらに、一般式14で表される構造のモノマーをさらに用いると、膜の形態安定性など物理的な特性が向上するため好ましい。   As a method for synthesizing the ionic group-containing polymer in the present invention, a known method can be adopted and is not particularly limited. However, as a preferable example of a raw material monomer used for synthesis, a monomer having a structure represented by the following general formulas 11 to 13 Can be mentioned. Furthermore, it is preferable to further use a monomer having a structure represented by the general formula 14 because physical properties such as film form stability are improved.

Figure 2008277241
Figure 2008277241

一般式11〜14において、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z及びZ10は、それぞれ独立してCl原子、F原子、I原子、Br原子、ニトロ基のいずれかを、Z及びZ11は、それぞれ独立してOH基、SH基、−O−NH−C(=O)−R基、−S−NH−C(=O)−R基のいずれかを[Rは芳香族又は脂肪族の炭化水素基を表す。]、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、 −C(CF−基、−CH−基、シクロヘキシル基、直接結合のいずれかを、Arは分子中に、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などの電子吸引性基を有する芳香族基を表す。 In General Formulas 11 to 14, X is a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is H or a monovalent cation, and Z 7 and Z 10 are each independently Any one of Cl atom, F atom, I atom, Br atom and nitro group, Z 8 and Z 11 are each independently OH group, SH group, —O—NH—C (═O) —R group. , -S-NH-C (= O) -R group [R represents an aromatic or aliphatic hydrocarbon group. Z 9 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, or a direct bond, and Ar 4 Represents an aromatic group having an electron-withdrawing group such as a perfluoroalkyl group such as a sulfone group, a carbonyl group, a sulfonyl group, a phosphine group, a cyano group or a trifluoromethyl group, a nitro group or a halogen group in the molecule.

一般式11で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。
一般式11で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。
Specific examples of the compound represented by the general formula 11 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 ′. -Disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfobutyl-4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3'-disulfobutyl -4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 3,3'-disulfobutyl-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfobutyl-4,4'-difluorodiphenyl ketone, and their sulfonic acid groups are 1 Examples include salts with valent cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto.
Examples of the compound represented by the general formula 11 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfone. Sodium salt-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylketone, 3, 3′-potassium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-potassium disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-potassium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl Examples include ketones and potassium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone.

一般式12で表される化合物の具体例としては、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−オキシビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどを挙げることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4,4’−ビフェノール、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(下記化学式15で表される構造のもの)が好ましい。化学式15においては、nは1以上の整数からなり、nの異なる成分が混合されたものでも良い。これらの化合物は、一般式式(1)におけるArで表されるユニットを構成する。   Specific examples of the compound represented by the general formula 12 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, and 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane. 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-oxybisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4,4′-biphenol, terminal hydroxyl group-containing Phenylene ether oligomer (the structure represented by the following chemical formula 15 ) Is preferable. In Chemical Formula 15, n is an integer of 1 or more, and may be a mixture of n different components. These compounds constitute a unit represented by Ar in the general formula (1).

Figure 2008277241
Figure 2008277241

一般式12で表される構造のモノマーは、イオン性基含有ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊を抑制したり、ガラス転移温度を低下させて電極触媒層との接合性を向上させたりするなどの効果をもたらすことができる。   The monomer having the structure represented by the general formula 12 increases the flexibility of the ionic group-containing polymer, suppresses breakage against deformation, or lowers the glass transition temperature to improve the bondability with the electrode catalyst layer. It can bring about effects such as.

一般式13で表される化合物としては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基を有する化合物を挙げることができる。具体例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   Examples of the compound represented by the general formula 13 include compounds having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen or nitro group on the same aromatic ring and an electron-withdrawing group for activating it. Specific examples include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 ′. -Difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction A group dihalogen compound, an aromatic dinitro compound, an aromatic dicyano compound, and the like can also be used.

一般式14で表される化合物の例としては、4,4’−ビフェノール、4、4’−ジメルカプトビフェノールなどを挙げることができ、4,4’−ビフェノールが好ましい。   Examples of the compound represented by the general formula 14 include 4,4'-biphenol, 4,4'-dimercaptobiphenol, and 4,4'-biphenol is preferable.

上述の芳香族求核置換反応において、一般式11〜14で表される化合物とともに他の各種活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。   In the above aromatic nucleophilic substitution reaction, other various activated dihalogen aromatic compounds, dinitroaromatic compounds, bisphenol compounds, bisthiophenol compounds may be used in combination with the compounds represented by the general formulas 11-14. it can.

その他のビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の例としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、フェノールフタレイン、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナンスレン−10−オキサイド等が挙げられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオール又は各種芳香族ジチオールを使用することもでき、上記の化合物に限定されるものではない。これらの化合物は、一般式式(1)におけるArで表されるユニットを構成する。   Examples of other bisphenol compounds or bisthiophenol compounds include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, and bis (4-hydroxyphenyl). ) Sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4- Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane , Hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 1,4-benze Examples include dithiol, 1,3-benzenedithiol, phenolphthalein, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphenanthrene-10-oxide. In addition, various aromatic diols or various aromatic dithiols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used, and are not limited to the above compounds. . These compounds constitute a unit represented by Ar in the general formula (1).

本発明におけるイオン性基含有高分子電解質膜の製造方法においては、上記の活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物や芳香族ジオール類又は芳香族ジチオール類を原料とし、塩基性化合物の存在下で、公知の芳香族求核置換反応により重合して得られるポリマーで、対数粘度が0.1〜2.0dL/gで、軟化温度が90℃以上のものが好ましく、さらに軟化温度が140〜250℃のものがより好ましい。   In the method for producing an ionic group-containing polymer electrolyte membrane in the present invention, the activated dihalogen aromatic compound, dinitro aromatic compound, aromatic diol or aromatic dithiol is used as a raw material in the presence of a basic compound. A polymer obtained by polymerization by a known aromatic nucleophilic substitution reaction, preferably having a logarithmic viscosity of 0.1 to 2.0 dL / g and a softening temperature of 90 ° C. or higher, and further having a softening temperature of 140 to The thing of 250 degreeC is more preferable.

以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、各種測定は次のように行った。
<ポリマーの溶液粘度>
ポリマー粉末を0.5g/dLの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。
<ポリマーの軟化温度>
5mm幅の酸型の膜を、チャック幅10mmで、50℃から250℃まで2℃/分で加熱しながら、10Hzの動歪を与えて動的粘弾性を、Rheogel E−4000(東機産業社製)を用いて測定した。E’が大きく低下する変曲点の温度を軟化温度とした。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described using examples, but the present invention is not limited to these examples. Various measurements were performed as follows.
<Solution viscosity of polymer>
The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dL, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / c was evaluated. (Ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration).
<Softening temperature of polymer>
While heating a 5 mm wide acid-type film at a chuck width of 10 mm from 50 ° C. to 250 ° C. at a rate of 2 ° C./min, a dynamic strain of 10 Hz is applied to give dynamic viscoelasticity, Rheogel E-4000 (Toki Sangyo) The measurement was performed using The temperature at the inflection point at which E ′ greatly decreased was defined as the softening temperature.

<乾燥速度>
支持体上の流延膜を各種乾燥条件で乾燥して得られた各種乾燥膜を、ジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させ、各溶液をH−NMRにより積算回数128回の条件でNMRスペクトル分析して溶媒量を求め、ポリマー質量に対する残溶媒量から、単位時間・単位面積当りの蒸発量を算出し、乾燥速度を算出した。またここで言う乾燥速度は、熱による材料予熱期間及び構造形成に寄与する減率乾燥期間以外の定率的な乾燥が進んでいる状態での速度を意味する。
<Drying speed>
Various dry membranes obtained by drying the cast membrane on the support under various drying conditions are dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO), and each solution is subjected to NMR spectrum analysis under the condition of 128 times of integration by H-NMR. The amount of solvent was determined, the amount of evaporation per unit time / unit area was calculated from the amount of residual solvent relative to the polymer mass, and the drying rate was calculated. Moreover, the drying speed said here means the speed | rate in the state in which the constant-rate drying is progressing except the material preheating period by heat | fever, and the decremental drying period which contributes to structure formation.

<脱溶媒速度>
支持体上の乾燥膜を各種脱溶媒条件で脱溶媒して得られた各種脱溶媒膜を、ジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させ、各溶液をH−NMRにより積算回数128回の条件でNMRスペクトル分析して溶媒量を求め、ポリマー質量に対する溶媒含有量から、単位時間・単位面積辺りの含有溶媒の減少量を算出し、脱溶媒速度を算出した。またここで言う脱溶媒速度は、前記イオン性基含有高分子電解質の溶媒と混和する液体と乾燥工程後に含まれる前記イオン性基含有高分子電解質膜中の溶媒とが、定率的に変換し合っている状態での速度を意味する。
<Desolvation rate>
Various desolvation membranes obtained by desolvating the dry membrane on the support under various desolvation conditions were dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO), and each solution was subjected to NMR spectrum under the condition of 128 times of integration by H-NMR. The amount of solvent was determined by analysis, and the amount of solvent decrease per unit time / unit area was calculated from the solvent content relative to the polymer mass, and the solvent removal rate was calculated. Further, the solvent removal rate referred to here means that the liquid miscible with the solvent of the ionic group-containing polymer electrolyte and the solvent in the ionic group-containing polymer electrolyte membrane contained after the drying step are converted at a constant rate. It means speed in the state.

<電解質膜の膜厚>
高分子電解質膜の厚みは、支持体から剥離した後、市販のマイクロメーター(Mitutoyo製マイクロメーター、0.001mm)を用いて測定した。室温が20℃で湿度が30±5%RHにコントロールされた測定室内で24時間以上静置した高分子電解質膜を5×5cmの大きさに切断したサンプルに対して、20箇所の厚みを測定し、その平均値を厚みとし、標準偏差値にて厚みムラの程度を示した。
<Film thickness of electrolyte membrane>
The thickness of the polymer electrolyte membrane was measured using a commercially available micrometer (Mitutoyo micrometer, 0.001 mm) after peeling from the support. Measure the thickness of 20 locations on a sample of a polymer electrolyte membrane that has been allowed to stand for at least 24 hours in a measurement chamber controlled at room temperature of 20 ° C and humidity of 30 ± 5% RH for 5 x 5 cm. The average value was the thickness, and the degree of thickness unevenness was indicated by the standard deviation value.

<電解質膜の凹凸測定>
高分子電解質膜の凹凸の測定は、市販の三次元非接触表面形状計測装置(菱化システム
マイクロマップ)を用いて測定した。室温が20℃で湿度が30±5%RHにコントロールされた測定室内で24時間以上静置した高分子電解質膜を3×3cmの大きさに切断し、その両面について形状を観察、最大凸部と最大凹部の高さの差R3を測定した。
<Measurement of unevenness of electrolyte membrane>
The unevenness of the polymer electrolyte membrane was measured using a commercially available three-dimensional non-contact surface shape measuring device (Ryoka System Micromap). The polymer electrolyte membrane, which has been allowed to stand for 24 hours or more in a measurement chamber controlled at a room temperature of 20 ° C. and a humidity of 30 ± 5% RH, is cut to a size of 3 × 3 cm, and the shape is observed on both sides. And the difference R3 in the height of the maximum recess was measured.

<DSC法による平均細孔径>
イオン交換膜を20℃の水に2日間浸漬して膨潤させた後、30〜50mgをサンプリングし、密閉型の示差走査熱量分析(DSC)用のアルミパンに詰め、クリンプした。その際、表面に付着した水をキムワイプで拭き取って除去した。
DSCの温度プログラムとしては、まず室温から−100℃まで50℃/分の速度で冷却し、−100℃で10分間保持した。その後、2.5℃/分の速度で15℃まで昇温し、昇温時に現れたバルク水の融解温度と、凝固点降下を起こした水の融点の差を求め、これをΔTとした。求めたΔTから細孔理論に従って以下の式で細孔径を求め、10サンプルの最大径と最小径の差R4を測定した。
細孔径r(Å)=164/ΔT
<Average pore diameter by DSC method>
After the ion exchange membrane was immersed in water at 20 ° C. for 2 days to swell, 30 to 50 mg was sampled, packed in an aluminum pan for closed differential scanning calorimetry (DSC), and crimped. At that time, water adhering to the surface was removed by wiping with Kimwipe.
As a DSC temperature program, the temperature was first cooled from room temperature to −100 ° C. at a rate of 50 ° C./min, and held at −100 ° C. for 10 minutes. Thereafter, the temperature was raised to 15 ° C. at a rate of 2.5 ° C./min, and the difference between the melting temperature of the bulk water that appeared during the temperature rise and the melting point of the water that caused the freezing point depression was determined, and this was taken as ΔT. From the obtained ΔT, the pore diameter was determined by the following formula according to the pore theory, and the difference R4 between the maximum diameter and the minimum diameter of 10 samples was measured.
Pore diameter r (Å) = 164 / ΔT

<イオン交換容量(酸型)>
イオン交換容量(IEC)としては、イオン交換膜に存在する酸型の官能基量を測定した。まずサンプル調整として、サンプル片(5cm×5cm)を80℃のオーブンで窒素気流下2時間乾燥し、さらにシリカゲルを充填したデシケーター中で30分間放置冷却した後、乾燥質量を測定した(Ws)。次いで、200mLの密閉型のガラス瓶に、200mLの1M(モル/リットル)塩化ナトリウム−超純水溶液と秤量済みの前記サンプルを入れ、密閉したまま、室温で24時間攪拌した。次いで、溶液30mLを取り出し、10mM(モル/リットル)の水酸化ナトリウム水溶液(市販の標準溶液)で中和滴定し、滴定量(T)より下記式を用いて、IECを求めた。
IEC(meq/g)=10T/(30Ws)×0.2
(Tの単位:mL、Wsの単位:g)
<Ion exchange capacity (acid type)>
As the ion exchange capacity (IEC), the amount of acid type functional groups present in the ion exchange membrane was measured. First, as sample preparation, a sample piece (5 cm × 5 cm) was dried in an oven at 80 ° C. under a nitrogen stream for 2 hours, and further allowed to cool in a desiccator filled with silica gel for 30 minutes, and then the dry mass was measured (Ws). Next, 200 mL of 1 M (mol / liter) sodium chloride-ultra pure aqueous solution and the weighed sample were placed in a 200 mL sealed glass bottle, and stirred at room temperature for 24 hours while being sealed. Next, 30 mL of the solution was taken out, neutralized with a 10 mM (mol / L) aqueous sodium hydroxide solution (commercial standard solution), and IEC was determined from the titration (T) using the following formula.
IEC (meq / g) = 10 T / (30 Ws) × 0.2
(Unit of T: mL, unit of Ws: g)

<イオン伝導性>
イオン伝導性σは次のようにして測定した。
自作測定用プローブ(テトラフルオロエチレン樹脂製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、25℃の水中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。極間距離は、25℃の水中では1.5cmに、80℃、
95%RHでは1cmにそれぞれ設定した。
イオン伝導性[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
また、上記分析を10サンプルに対し行い、最大と最小の差R5を測定した。
<Ion conductivity>
The ion conductivity σ was measured as follows.
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin), the sample is held in water at 25 ° C, and the impedance between the platinum wires is set to SOLARTRON. It was measured by a company 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot. The distance between the electrodes is 1.5 cm in water at 25 ° C, 80 ° C,
At 95% RH, it was set to 1 cm.
Ion conductivity [S / cm] = 1 / membrane width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]
In addition, the above analysis was performed on 10 samples, and the maximum and minimum difference R5 was measured.

<メタノール透過速度及びメタノール透過係数>
プロトン交換膜のメタノール透過速度及びメタノール透過係数は、以下の方法で測定した。
25℃に調整した5M(モル/リットル)の濃度のメタノール水溶液(メタノール水溶液の調整には、市販の試薬特級グレードのメタノールと超純水(18MΩ・cm)を使用)に24時間浸漬したプロトン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mLの5モルの濃度のメタノール水溶液を、他方のセルに100mLの超純水を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、プロトン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフにより測定することで算出した(プロトン交換膜の面積は、2.0cm)。すなわち、超純水を入れたセルのメタノール濃度変化速度[Ct](mmol/L/s)より以下の式を用いて算出した。
メタノール透過速度[mmol/m/s]
=(Ct[mmol/L/s]× 0.1[L])/2×10−4[m
メタノール透過係数[mmol/m/s]
=メタノール透過速度[mmol/m/s]×膜厚[m]
また、上記分析を10サンプルに対し行い、最大と最小の差R6を測定した。
<Methanol permeation rate and methanol permeation coefficient>
The methanol permeation rate and methanol permeation coefficient of the proton exchange membrane were measured by the following methods.
Proton exchange immersed for 24 hours in a 5 M (mol / liter) methanol aqueous solution adjusted to 25 ° C. (Methanol aqueous solution is prepared using commercially available reagent-grade methanol and ultrapure water (18 MΩ · cm)) The membrane is sandwiched between H-type cells, 100 mL of a 5 molar aqueous methanol solution is injected into one side of the cell, 100 mL of ultrapure water is injected into the other cell, and the cells on both sides are stirred at 25 ° C. The amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the gas was measured by gas chromatography (the area of the proton exchange membrane was 2.0 cm 2 ). That is, it calculated using the following formula | equation from the methanol concentration change rate [Ct] (mmol / L / s) of the cell which put the ultrapure water.
Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s]
= (Ct [mmol / L / s] × 0.1 [L]) / 2 × 10 −4 [m 2 ]
Methanol permeability coefficient [mmol / m 2 / s]
= Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s] × film thickness [m]
Moreover, the said analysis was performed with respect to 10 samples and the largest and minimum difference R6 was measured.

<実施例1>
3,3'−ジスルホ−4,4'−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩579.1g、2,6−ジクロロベンゾニトリル675.4g、4,4'−ビフェノール941.9g、炭酸カリウム803.2g、N−メチル−2−ピロリドンを5438.9g入れて、窒素雰囲気下にて150℃で1時間撹拌した後、反応温度を200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させ、得られたポリマーを水中で40時間洗浄した後、乾燥した。このポリマーの対数粘度は1.11dL/g、軟化温度は245℃であった。
次いで、このポリマーを、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤として用い、ポリマー濃度が27質量%となるようにポリマー溶液を調整した。調整した溶液を、支持体のポリエチレンテレフタレートフィルム上に、ブレードコーターにてポリマー溶液の塗工厚みを300μm、450μm、600μmになるよう温度25℃で連続的に流延し、表1〜3に示す乾燥条件で乾燥させ、自己支持性を示すようになった膜の状態を調べた。また、乾燥膜を採取して、それぞれの膜中の溶媒含有量を測定した。
残存溶媒量をもとに膜のR:乾燥速度(g/m・分)を求め、R・Tを算出した。
得られた結果を表1〜3に示す。
なお、乾燥工程(A)後の製膜状態(膜の外観、表面品位)は、以下の3段階で評価した。
○:発泡やうねりが無く、表面形態が良好。
△:発泡やうねりは無いが、厚みムラが認められる。
×:発泡やうねりが有り、表面形態・厚みムラ共に不良。
<Example 1>
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt 579.1 g, 67,4 g of 2,6-dichlorobenzonitrile, 941.9 g of 4,4′-biphenol, 803.2 g of potassium carbonate, N -5438.9 g of methyl-2-pyrrolidone was added and stirred at 150 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere, and then the reaction was continued with the reaction temperature raised to 200 ° C. and the viscosity of the system sufficiently increased. . After standing to cool, it was precipitated in water into strands, and the resulting polymer was washed in water for 40 hours and then dried. The logarithmic viscosity of this polymer was 1.11 dL / g, and the softening temperature was 245 ° C.
Next, a polymer solution was prepared using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent so that the polymer concentration was 27% by mass. The prepared solution was continuously cast on a polyethylene terephthalate film as a support with a blade coater at a temperature of 25 ° C. so that the coating thickness of the polymer solution was 300 μm, 450 μm, and 600 μm, and shown in Tables 1 to 3 The state of the film which was dried under dry conditions and showed self-supporting property was examined. Moreover, the dry film | membrane was extract | collected and the solvent content in each film | membrane was measured.
Based on the amount of residual solvent, R 1 : drying rate (g / m 2 · min) of the film was determined, and R 1 · T was calculated.
The obtained results are shown in Tables 1-3.
In addition, the film forming state (film appearance, surface quality) after the drying step (A 2 ) was evaluated in the following three stages.
○: There is no foaming or undulation, and the surface form is good.
Δ: No foaming or undulation, but uneven thickness is observed.
X: There is foaming and undulation, and both the surface form and thickness unevenness are poor.

Figure 2008277241
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表1〜3で得られた膜について、引き続き、支持体からポリマー膜を剥がすことなく、塗工厚みに応じて、表4に示す条件で、純水浸漬による脱溶媒処理、20質量%硫酸水溶液浸漬によるイオン性基の酸型への変換、純水浸漬による遊離酸の除去、25℃での風乾の順で処理を施した。その後、支持体からポリマー膜を剥がして高分子電解質膜を得た。
得られた高分子電解質膜(実施例及び比較例の一部)についての評価結果を表5〜7に示す。
なお、乾燥工程(D)後の膜の外観、表面品位は、以下の3段階で評価した。
○:水滴痕やうねり、シワが無く、表面形態が良好。
△:水滴痕やうねり、シワは無いが、厚みムラが認められる。
×:水滴痕やうねり、シワが有り、表面形態・厚みムラ共に不良。
For the membranes obtained in Tables 1 to 3, the solvent removal treatment by immersion in pure water and a 20% by mass sulfuric acid aqueous solution were carried out under the conditions shown in Table 4 according to the coating thickness without peeling off the polymer membrane from the support. The treatment was performed in the order of conversion of the ionic group into an acid form by immersion, removal of free acid by immersion in pure water, and air drying at 25 ° C. Thereafter, the polymer membrane was peeled from the support to obtain a polymer electrolyte membrane.
The evaluation result about the obtained polymer electrolyte membrane (a part of an Example and a comparative example) is shown to Tables 5-7.
In addition, the external appearance and surface quality of the film after the drying step (D) were evaluated in the following three stages.
○: No trace of water droplets, undulations, wrinkles, and good surface morphology.
Δ: Water droplet traces, undulations, and wrinkles are not observed, but uneven thickness is observed.
X: There are water drop marks, waviness and wrinkles, and both the surface form and thickness unevenness are poor.

Figure 2008277241
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<実施例2>
結合水を取り除いた3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)38.8g、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)53.5g、4,4’−ビフェノール(略号:BP) 18.2g、4,4’−チオビスフェノール(略号:BPS) 64.0g、炭酸カリウム 59.4g、N−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP) 375.3gを原料とする以外は、実施例1と同様にして対数粘度1.37l/g、軟化温度250℃のポリマーを得た。
さらに、ポリマー濃度が26質量%となるようにポリマー溶液を調整し、以降は実施例1と同様にして塗工厚みが300μmにおける高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の評価結果を表8及び表9に示す。
<Example 2>
3,3′-Sodium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS) 38.8 g, 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 53.5 g after removing bound water, 4 , 4′-biphenol (abbreviation: BP) 18.2 g, 4,4′-thiobisphenol (abbreviation: BPS) 64.0 g, potassium carbonate 59.4 g, N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) 375. A polymer having a logarithmic viscosity of 1.37 l / g and a softening temperature of 250 ° C. was obtained in the same manner as in Example 1 except that 3 g was used as a raw material.
Further, the polymer solution was adjusted so that the polymer concentration was 26% by mass, and thereafter a polymer electrolyte membrane having a coating thickness of 300 μm was obtained in the same manner as in Example 1. The evaluation results of the obtained polymer electrolyte membrane are shown in Table 8 and Table 9.

Figure 2008277241
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<実施例3>
乾燥したS−DCDPS 81.0g、DCBN 72.9g、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(大日本インキ化学工業社製SPECIANOL DPE−PL;化学式15においてnが1〜8の成分を含む混合物でnの平均値は5である構造であるもの)(略号:DPE) 191.6g、炭酸カリウム89.5g、NMP 1116.1gを用い、反応時間を8時間にした他は、実施例1と同様にして対数粘度0.63dL/g、軟化温度182℃のポリマーを得た。
さらに、ポリマー濃度が30質量%となるようにポリマー溶液を調整し、以降は実施例1と同様にして塗工厚みが300μmにおける高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の評価結果を表10及び表11に示す。
<Example 3>
Dry S-DCDPS 81.0 g, DCBN 72.9 g, terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (SPECIANOL DPE-PL manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc .; The average value is 5) (abbreviation: DPE) 191.6 g, potassium carbonate 89.5 g, NMP 1116.1 g were used, and the reaction time was 8 hours. A polymer having a logarithmic viscosity of 0.63 dL / g and a softening temperature of 182 ° C. was obtained.
Further, the polymer solution was adjusted so that the polymer concentration was 30% by mass, and thereafter a polymer electrolyte membrane having a coating thickness of 300 μm was obtained in the same manner as in Example 1. The evaluation results of the obtained polymer electrolyte membrane are shown in Table 10 and Table 11.

Figure 2008277241
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Figure 2008277241
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<実施例4>
実施例1において、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩579.1gのかわりに3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン2ナトリウム塩536gを用いて同様にポリマーを合成した。得られたポリマーの対数粘度は0.87dL/gであった。
さらに、ポリマー濃度が28質量%となるようにポリマー溶液を調整し、以降は実施例1と同様にして塗工厚みが300μmにおける高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の品位に関する評価結果を表12及び表13に示す。
<Example 4>
In Example 1, 536 g of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylketone disodium salt was used in place of 579.1 g of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt. In the same manner, a polymer was synthesized. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 0.87 dL / g.
Further, the polymer solution was adjusted so that the polymer concentration was 28% by mass, and thereafter a polymer electrolyte membrane having a coating thickness of 300 μm was obtained in the same manner as in Example 1. Tables 12 and 13 show the evaluation results regarding the quality of the obtained polymer electrolyte membrane.

Figure 2008277241
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Figure 2008277241
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<実施例5>
9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン0.60g、ビスフェノールS1.00g、ジフルオロジフェニルスルホン1.45g、炭酸カルシウム0.91gを50ml四つ口フラスコに計り取り、窒素気流下で20mlのNMPを入れて、反応温度を175℃付近に設定して5時間程度反応を続けた。放冷の後、約100mlのメタノール中に再沈殿させ、ミキサーを用いて3回水洗処理をしてポリマーを得た。得られたポリマーの対数粘度は、0.61dL/gであった。ポリマー試料を濃硫酸(98%)とともに室温でマグネティックスターラーにより撹拌することで、スルホン化反応を行い、反応後、硫酸溶液を過剰の氷水中に投入して反応を止め、生じた沈殿を濾取、水洗して、スルホン酸基含有ポリマーを得た。
さらに、ポリマー濃度が30質量%となるようにポリマー溶液を調整し、以降は実施例1と同様にして塗工厚みが300μmにおける高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の品位に関する評価結果を表14及び表15に示す。
<Example 5>
Weigh out 0.90 g of 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 1.00 g of bisphenol S, 1.45 g of difluorodiphenyl sulfone, and 0.91 g of calcium carbonate in a 50 ml four-necked flask and 20 ml of NMP under a nitrogen stream. The reaction temperature was set at around 175 ° C. and the reaction was continued for about 5 hours. After standing to cool, it was reprecipitated in about 100 ml of methanol and washed with water three times using a mixer to obtain a polymer. The logarithmic viscosity of the obtained polymer was 0.61 dL / g. The polymer sample is stirred with concentrated sulfuric acid (98%) with a magnetic stirrer at room temperature to perform a sulfonation reaction. After the reaction, the sulfuric acid solution is poured into excess ice water to stop the reaction, and the resulting precipitate is collected by filtration. The polymer was washed with water to obtain a sulfonic acid group-containing polymer.
Further, the polymer solution was adjusted so that the polymer concentration was 30% by mass, and thereafter a polymer electrolyte membrane having a coating thickness of 300 μm was obtained in the same manner as in Example 1. Tables 14 and 15 show the evaluation results regarding the quality of the obtained polymer electrolyte membrane.

Figure 2008277241
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Figure 2008277241
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<実施例6>
3,3’,4,4‘−テトラアミノジフェニルスルホン15g、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム14g、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)205g、五酸化リン164gを重合容器に量り取る。窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温 した。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、200℃に昇温 して4時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いて3回水洗を繰り返した後の水浸漬ポリマーに炭酸ナトリウムを加えて中和し、更に水洗を繰り返して洗液のpHが中性となり変化しないことを確認した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。ポリマーの対数粘度は、1.92dL/gを示し、軟化温度は250℃以下には存在しなかった。
さらに、ポリマー濃度が20質量%となるようにポリマー溶液を調整し、以降は実施例1と同様にして塗工厚みが300μmにおける高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の品位に関する評価結果を表16及び表17に示す。
<Example 6>
Weigh 15 g of 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone, 14 g of monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate, 205 g of polyphosphoric acid (phosphorus pentoxide content 75%) and 164 g of phosphorus pentoxide in a polymerization vessel. take. The temperature was raised to 100 ° C. while flowing nitrogen and slowly stirring on an oil bath. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 4 hours. After completion of the polymerization, the mixture is allowed to cool, and water is added to take out the polymer. After repeating the water washing three times using a home mixer, the water-immersed polymer is neutralized by adding sodium carbonate, and further washed with water repeatedly. It was confirmed that the pH of the solution became neutral and did not change. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.92 dL / g, and the softening temperature was not below 250 ° C.
Furthermore, the polymer solution was adjusted so that the polymer concentration was 20% by mass, and thereafter a polymer electrolyte membrane having a coating thickness of 300 μm was obtained in the same manner as in Example 1. Tables 16 and 17 show the evaluation results regarding the quality of the obtained polymer electrolyte membrane.

Figure 2008277241
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Figure 2008277241
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<実施例7>
3,3’,4,4‘−テトラアミノジフェニルスルホン1.83g、2,5−ジカルボキシベンゼンスルホン酸モノナトリウム0.53g、3,5−ジカルボキシフェニルホスホン酸1.13g、ポリリン酸(五酸化リン含量75%)25g、五酸化リン20gを重合容器に量り取り、窒素を流し、オイルバス上ゆっくり撹拌しながら100℃まで昇温 した。100℃で1時間保持した後、150℃に昇温 して1時間、200℃に昇温 して6時間重合した。重合終了後放冷し、水を加えて重合物を取り出し、家庭用ミキサーを用いて3回水洗を繰り返した後の水浸漬ポリマーに炭酸ナトリウムを加えて中和し、更に水洗を繰り返して洗液のpHが中性となり変化しないことを確認した。得られたポリマーは80℃で終夜減圧乾燥した。ポリマーの対数粘度は、1.18dL/gを示し、軟化温度は250℃以下には存在しなかった。
さらに、ポリマー濃度が27質量%となるようにポリマー溶液を調整し、以降は実施例1と同様にして塗工厚みが300μmにおける高分子電解質膜を得た。得られた高分子電解質膜の品位に関する評価結果を表18及び表19に示す。
<Example 7>
1.83 g of 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylsulfone, 0.53 g of monosodium 2,5-dicarboxybenzenesulfonate, 1.13 g of 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, polyphosphoric acid (5 25 g of phosphorus oxide content (75%) and 20 g of phosphorus pentoxide were weighed in a polymerization vessel, and nitrogen was allowed to flow, and the temperature was raised to 100 ° C. while stirring slowly on an oil bath. After maintaining at 100 ° C. for 1 hour, the temperature was raised to 150 ° C. for 1 hour, and the temperature was raised to 200 ° C. and polymerized for 6 hours. After completion of the polymerization, the mixture is allowed to cool, and water is added to take out the polymer. After repeating the water washing three times using a home mixer, the water-immersed polymer is neutralized by adding sodium carbonate, and further washed with water repeatedly. It was confirmed that the pH of the solution became neutral and did not change. The obtained polymer was dried under reduced pressure at 80 ° C. overnight. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.18 dL / g and the softening temperature was not below 250 ° C.
Further, the polymer solution was adjusted so that the polymer concentration was 27% by mass, and thereafter a polymer electrolyte membrane having a coating thickness of 300 μm was obtained in the same manner as in Example 1. Tables 18 and 19 show the evaluation results regarding the quality of the obtained polymer electrolyte membrane.

Figure 2008277241
Figure 2008277241

Figure 2008277241
Figure 2008277241

実施例1〜7では、熱風による乾燥速度及び純水浸漬による脱溶媒速度を規定することで、膜全面で厚みムラが小さく、シワ及び凹凸が少ない、安定した膜品位を確保できていると共に、イオン伝導性やメタノール透過性といった膜特性も安定しており、高分子電解質膜として良好なことがわかる。一方、比較例1〜7では、熱風による乾燥速度が規定の範囲以外では、膜品位が確保できず、また、純水浸漬による脱溶媒速度も規定の範囲以外となると、膜品位が更に悪化する傾向があり、膜特性に関しても、バラツキが大きく、高分子電解質膜として不良なことがわかる。   In Examples 1 to 7, by prescribing the drying rate with hot air and the desolvation rate with pure water immersion, the thickness of the entire surface of the film is small, and there are few wrinkles and irregularities, ensuring a stable film quality, Membrane characteristics such as ion conductivity and methanol permeability are also stable, indicating that the polymer electrolyte membrane is good. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 7, the film quality cannot be secured unless the drying rate by hot air is outside the specified range, and the film quality is further deteriorated if the desolvation rate by pure water immersion is also outside the specified range. It can be seen that there is a tendency, and the membrane characteristics vary widely and are poor as a polymer electrolyte membrane.

本発明により、極薄で高分子電解質膜全面で厚みムラ、シワ及び凹凸が少なく、均一な高分子電解質膜を製造することができ、さらに、燃料の水素などの透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性を向上させることができ、固体高分子型燃料電池の発展に寄与することが期待される。
According to the present invention, it is possible to produce a uniform polymer electrolyte membrane that is extremely thin and has uniform thickness, wrinkles, and unevenness on the entire surface of the polymer electrolyte membrane, and further prevents the permeation of fuel to prevent the permeation of fuel such as hydrogen. Properties such as mechanical strength can be improved, and it is expected to contribute to the development of solid polymer fuel cells.

Claims (6)

イオン性基含有高分子電解質溶液を支持体上に流延して流延膜とする流延工程(A)、前記流延膜から溶媒を蒸発させる乾燥工程(A)及び前記乾燥膜を前記イオン性基含有高分子電解質の溶媒と混和する液体で溶媒を抽出する脱溶媒工程(A)からなり、工程(A)及び工程(A)を、膜を支持体から剥離することなく実施する高分子電解質膜の形成方法において、乾燥工程(A)における高分子電解質溶液の塗工厚み係数Tと乾燥速度R(g/m・分)との関係が、下記式(I)の範囲で溶媒含有率15〜30質量%の自己支持性膜となるまで乾燥することを特徴とする高分子電解質膜の形成方法。
2≦R・T≦56 (I)
(ただし、R:乾燥速度(g/m・分)、
T:高分子電解質溶液の塗工厚み(μm)/300(μm) )
A casting step (A 1 ) of casting an ionic group-containing polymer electrolyte solution on a support to form a casting membrane, a drying step (A 2 ) of evaporating the solvent from the casting membrane, and the drying membrane It comprises a desolvation step (A 3 ) in which the solvent is extracted with a liquid miscible with the solvent of the ionic group-containing polymer electrolyte, and the step (A 2 ) and the step (A 3 ) are separated from the support. In the method for forming a polymer electrolyte membrane, the relationship between the coating thickness coefficient T of the polymer electrolyte solution and the drying speed R 1 (g / m 2 · min) in the drying step (A 2 ) is expressed by the following formula ( A method for forming a polymer electrolyte membrane, comprising drying until a self-supporting membrane having a solvent content of 15 to 30% by mass in the range of I) is obtained.
2 ≦ R 1・ T ≦ 56 (I)
(However, R 1 : Drying rate (g / m 2 · min),
T: Coating thickness of polymer electrolyte solution (μm) / 300 (μm))
脱溶媒工程(A)における脱溶媒速度R(g/m・分)を、1〜20g/m・分にして、溶媒含有率8質量%未満まで脱溶媒する請求項1に記載の高分子電解質膜の形成方法。 The desolvation speed in removing of (A 3) R 2 (g / m 2 · min), in the from 1 to 20 g / m 2 · min, according to claim 1, desolvation until the solvent content of less than 8 wt% Of forming a polymer electrolyte membrane. 請求項1又は2で形成された高分子電解質膜を支持体に付着させたまま、無機酸含有酸性液に接触させてイオン性基を酸型に変換する酸処理工程(B)、前記酸処理膜中の遊離の酸を除去する酸除去工程(C)及び前記酸除去膜を乾燥する乾燥工程(D)を有する高分子電解質膜の製造方法であって、前記(B)から(D)までの工程を、高分子電解質膜を支持体から剥離することなく処理することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。   An acid treatment step (B) in which the polymer electrolyte membrane formed in claim 1 or 2 is brought into contact with an inorganic acid-containing acidic solution while the polymer electrolyte membrane is attached to a support to convert an ionic group into an acid form, the acid treatment A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising an acid removal step (C) for removing free acid in the membrane and a drying step (D) for drying the acid removal membrane, wherein (B) to (D) A process for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the step is performed without peeling the polymer electrolyte membrane from the support. 請求項3で得られた高分子電解質膜中のDSC法による平均細孔径が、0.1〜10nmである高分子電解質膜の製造方法。   The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane whose average pore diameter by DSC method in the polymer electrolyte membrane obtained by Claim 3 is 0.1-10 nm. 溶媒がN−メチル−2−ピロリドン、N、N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラメチルウレア、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミドから選ばれる少なくとも1種であり、溶媒と混和する液体が水である高分子電解質膜の製造方法。   The solvent is at least one selected from N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, tetramethylurea, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, A method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein the liquid to be mixed is water. イオン性基含有高分子電解質が、一般式(1)及び一般式(2)で示される構成単位を含むポリアリーレンエーテル系化合物である高分子電解質膜の製造方法。
Figure 2008277241
(ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基又はケトン基、XはH及び/又は1価のカチオン種、Zは直接結合、エーテル結合及びチオエーテル結合から選ばれる少なくとも1種である。)
Figure 2008277241
(ただし、Ar’は2価の芳香族基、Z’は直接結合、エーテル結合及びチオエーテル結合から選ばれる少なくとも1種である。)
The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane whose ionic group containing polymer electrolyte is a polyarylene ether type compound containing the structural unit shown by General formula (1) and General formula (2).
Figure 2008277241
(However, Ar is a divalent aromatic group, Y is a sulfone group or a ketone group, X is H and / or a monovalent cationic species, Z is at least one selected from a direct bond, an ether bond and a thioether bond. .)
Figure 2008277241
(However, Ar ′ is a divalent aromatic group, and Z ′ is at least one selected from a direct bond, an ether bond and a thioether bond.)
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