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JP2008234844A - Polymer electrolyte membrane, its use, and forming method of polymer electrolyte membrane - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, its use, and forming method of polymer electrolyte membrane Download PDF

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JP2008234844A
JP2008234844A JP2007068178A JP2007068178A JP2008234844A JP 2008234844 A JP2008234844 A JP 2008234844A JP 2007068178 A JP2007068178 A JP 2007068178A JP 2007068178 A JP2007068178 A JP 2007068178A JP 2008234844 A JP2008234844 A JP 2008234844A
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electrolyte membrane
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polymer electrolyte
polymer
compound
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JP2007068178A
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Kota Kitamura
幸太 北村
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
Hiroki Yamaguchi
裕樹 山口
Masahiro Yamashita
全広 山下
Kosuke Sasai
孝介 佐々井
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Toyobo Co Ltd
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Toyobo Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane capable of suppressing methanol permeability without substantially deteriorating proton conductivity. <P>SOLUTION: In this polymer electrolyte membrane, a proton conductive polymer (a) having an acidic group and having a proton conductivity of 1 mS/cm or higher in water at 25°C is used as a matrix, and an organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS/cm or lower in water at 25°C is phase-separated and dispersed in a form of a particle having an average particle diameter of 0.1-10 μm. In the forming method of the polymer electrolyte membrane, a solution composition containing a polymer (c) in which an acidic group of the proton conductive polymer (a) forms a cation and a salt, the organic compound (c), and a solvent the boiling point of which is 300°C or lower, as an indispensable component is flow-casted on a substrate, the solvent is evaporated by heating until an amount of the solvent becomes 40% or smaller by weight to its solid content to make a self-supportive film in which at least a part of the organic compound (b) is phase-separated and dispersed in a film, and after that, it is treated by an acid. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質膜に関し、詳しくはメタノール透過性が低く、プロトン伝導性に優れた燃料電池用に好適な高分子電解質膜に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, and more particularly to a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell having low methanol permeability and excellent proton conductivity.

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。中でもメタノールなどの液体燃料を用いるものは、可搬性に優れ、小型化が可能であり、比較的簡便に製造できるため、携帯電話、コンピューター、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯電子機器類の電源や、屋外での移動用電源などとしての開発が行われている。   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. Among these, those using liquid fuels such as methanol are excellent in portability, can be downsized, and can be manufactured relatively easily. Therefore, power supplies for portable electronic devices such as mobile phones, computers, digital cameras, video cameras, etc. Development as a power source for outdoor use has been conducted.

しかしながら、一般に用いられている高分子電解質膜はプロトン伝導性と同時にメタノール透過性を示す。高分子電解質膜がプロトン伝導性を発現するためには、通常水が存在することが必要であるが、メタノールは水と親和性が高いため、高分子電解質膜を透過しやすいためである。メタノールが高分子電解質膜を透過して燃料極から空気極に移動すると、空気極で直接酸化されるため触媒効率が低下し出力が低下したり、燃料の消費が大きくなり発電容量が低下したりするなどの問題の原因となる。燃料電池用高分子電解質膜として広く用いられているパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含む膜は、メタノール透過性が大きい。そのため、燃料中のメタノール水溶液の濃度を大きくできず、発電効率を大きくできないなどの問題がおきる場合がある。   However, generally used polymer electrolyte membranes exhibit proton permeability and methanol permeability. In order for the polymer electrolyte membrane to exhibit proton conductivity, it is usually necessary for water to exist. However, methanol has a high affinity with water, and thus easily permeates the polymer electrolyte membrane. When methanol permeates the polymer electrolyte membrane and moves from the fuel electrode to the air electrode, it is directly oxidized at the air electrode, resulting in a decrease in catalyst efficiency and output, and fuel consumption increases and power generation capacity decreases. Cause problems. A membrane containing a perfluorocarbon sulfonic acid polymer widely used as a polymer electrolyte membrane for fuel cells has high methanol permeability. For this reason, there may be a problem that the concentration of the aqueous methanol solution in the fuel cannot be increased and the power generation efficiency cannot be increased.

一方で、ポリイミドやポリスルホンなどの耐熱性ポリマーに、スルホン酸基などのイオン性基を導入したポリマーを用いる、いわゆる炭化水素系高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー系高分子電解質膜に比べてメタノール透過性が小さいため、メタノール燃料電池への使用が期待されている(例えば特許文献1を参照)。   On the other hand, so-called hydrocarbon polymer electrolyte membranes that use polymers with ionic groups such as sulfonic acid groups introduced into heat-resistant polymers such as polyimide and polysulfone are compared to perfluorocarbon sulfonic acid polymer polymer electrolyte membranes. Because of its low methanol permeability, it is expected to be used for methanol fuel cells (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、炭化水素系高分子電解質膜においても、プロトン伝導性を大きくしようとするとメタノール透過性も大きくなる。プロトン伝導性を保持しつつメタノール透過性を低下させるために、ポリマー構造の改良によって水による膨潤性を低下させることが行われている(例えば特許文献2を参照)。また、プロトン伝導性ポリマーの膨潤を抑制するために、架橋性の別のポリマーと複合化した高分子電解質膜も提案されている(例えば特許文献3を参照)。しかしながら、このような構成の場合、架橋性ポリマーの反応の制御が困難であり、高分子電解質膜としての特性や形状の均一性や再現性に問題を起こす場合がある。   However, even in a hydrocarbon polymer electrolyte membrane, methanol permeability increases as proton conductivity increases. In order to reduce methanol permeability while maintaining proton conductivity, water swelling has been reduced by improving the polymer structure (see, for example, Patent Document 2). In addition, in order to suppress swelling of the proton conductive polymer, a polymer electrolyte membrane combined with another crosslinkable polymer has also been proposed (see, for example, Patent Document 3). However, in such a configuration, it is difficult to control the reaction of the crosslinkable polymer, which may cause problems in the properties and uniformity of shape and reproducibility of the polymer electrolyte membrane.

高分子電解質膜に水酸基を有する化合物を添加し、プロトン伝導性ポリマーの酸性基(例えばスルホン酸基)と水酸基の間に結合を形成させることによって、メタノール透過を抑制する技術も提案されている(例えば特許文献4を参照)。しかしながら高分子電解質膜の酸性基を架橋することはプロトン伝導性を大幅に損なうため、高分子電解質膜としての性能が低下する問題を有している。   There has also been proposed a technique for suppressing methanol permeation by adding a compound having a hydroxyl group to the polymer electrolyte membrane and forming a bond between the acidic group (for example, sulfonic acid group) of the proton conductive polymer and the hydroxyl group ( For example, see Patent Document 4). However, cross-linking the acidic group of the polymer electrolyte membrane significantly impairs proton conductivity, and thus has a problem that the performance as the polymer electrolyte membrane is lowered.

また、高分子電解質膜に、水酸基を含む化合物を配合することは既に公知である。例えば、ポリビニルアルコールを含む高分子電解質膜(特許文献5を参照)、フェノール性水酸基を有する化合物を含む高分子電解質膜(特許文献6または7を参照)などを挙げることができる。また、特許文献2には、プロトン伝導性ポリマーに対してフェノール樹脂を配合することができることも記載されている。しかしながらこれらの文献においては、メタノール透過性の抑制効果についての記載がなく、また、膜内のモルフォロジーについては、なんら考慮されておらず、メタノール透過抑制性は、不十分なものでしかなかった。   In addition, it is already known to add a compound containing a hydroxyl group to the polymer electrolyte membrane. Examples thereof include a polymer electrolyte membrane containing polyvinyl alcohol (see Patent Document 5) and a polymer electrolyte membrane containing a compound having a phenolic hydroxyl group (see Patent Document 6 or 7). Patent Document 2 also describes that a phenol resin can be blended with the proton conductive polymer. However, in these documents, there is no description about the effect of suppressing methanol permeability, and no consideration is given to the morphology in the membrane, and the methanol permeability inhibitory property is only insufficient.

特表2004−509224号公報JP-T-2004-509224 特開2004−149779号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-149779 特開2006−059694号公報JP 2006-059694 A 特開2006−031970号公報JP 2006-031970 A 特開2003−020415号公報JP 2003-020415 A 特開2003−201403号公報JP 2003-201403 A 特開2001−118591号公報JP 2001-118591 A

本発明は従来技術の課題を背景になされたもので、プロトン伝導性を大幅に低下させずにメタノール透過性を抑制しようとするものであり、メタノール透過性が低く、プロトン伝導性に優れた高分子電解質膜を提供しようとするものである。   The present invention has been made against the background of the problems of the prior art, and is intended to suppress methanol permeability without significantly lowering proton conductivity, and has low methanol permeability and high proton conductivity. A molecular electrolyte membrane is to be provided.

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、プロトン伝導性ポリマーをマトリックスとして、非プロトン伝導性の成分が粒子状に存在する高分子電解質膜が、優れたメタノール透過性を有することを見出した。さらに、非プロトン伝導性成分が、メタノールに不溶であったり、フェノール性水酸基を含む化合物であったり、粒子径が特定の範囲であったりすれば、さらに良いことを見出した。また、非プロトン伝導性の化合物成分の一部はプロトン伝導性ポリマーと混和してマトリックスを形成し、残りは相分離して粒子状に存在していることが好ましいことも見出した。特に非プロトン伝導性の化合物が広い分子量分布を有する重合体であれば好ましく、重合体がフェノール性水酸基を有する化合物であるとより好ましく、特定構造の樹脂であればなお好ましいことも見出した。このような高分子電解質膜は、プロトン伝導性ポリマーの酸性基を塩にした状態で、非プロトン伝導性化合物との溶液にし、溶媒を除去して自立性の膜にした後、酸で処理することによって得られ、その際、非プロトン伝導性の化合物に広い分子量分布を有する重合体を用いることがより好ましいことを見出した。以上の見出した知見より、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that a polymer electrolyte membrane in which a proton-conductive polymer is used as a matrix and a non-proton conductive component is present in the form of particles has excellent methanol permeability. I found out. Furthermore, it has been found that it is better if the aprotic conductive component is insoluble in methanol, a compound containing a phenolic hydroxyl group, or the particle diameter is in a specific range. It has also been found that it is preferable that a part of the non-proton conductive compound component is mixed with the proton conductive polymer to form a matrix, and the rest are phase-separated and exist in the form of particles. In particular, it has been found that the non-proton conductive compound is preferably a polymer having a wide molecular weight distribution, more preferably a compound having a phenolic hydroxyl group, and still more preferably a resin having a specific structure. Such a polymer electrolyte membrane is made into a solution with a non-proton conductive compound in a state in which the acidic group of the proton conductive polymer is made into a salt, and after removing the solvent to form a self-supporting membrane, it is treated with an acid. In this case, it was found that it is more preferable to use a polymer having a wide molecular weight distribution as the aprotic conductive compound. Based on the findings found above, the present invention has finally been completed. That is, the present invention

(1)
酸性基を有し、25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上であるプロトン伝導性ポリマー(a)をマトリックスとし、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が平均粒径0.01〜10μmの範囲の粒状に相分離分散していることを特徴とする高分子電解質膜。
(1)
An organic compound having an acidic group and a proton conductive polymer (a) having a proton conductivity in water at 25 ° C. of 1 mS / cm or more and having a proton conductivity in water of 25 ° C. of 0.1 mS / cm or less. A polymer electrolyte membrane, wherein the compound (b) is phase-separated and dispersed in the form of particles having an average particle size of 0.01 to 10 μm.

(2)
前記有機化合物(b)が、25℃におけるメタノールへの溶解度が1重量%以下で、かつ25℃におけるN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度が1重量%以上である(1)に記載の高分子電解質膜。
(2)
The polymer according to (1), wherein the organic compound (b) has a solubility in methanol at 25 ° C. of 1% by weight or less and a solubility in N-methyl-2-pyrrolidone at 25 ° C. of 1% by weight or more. Electrolyte membrane.

(3)
前記有機化合物(b)が、分子量300以上の化合物である(1)又は(2)いずれかに記載の高分子電解質膜。
(3)
The polymer electrolyte membrane according to either (1) or (2), wherein the organic compound (b) is a compound having a molecular weight of 300 or more.

(4)
前記有機化合物(b)の高分子電解質膜における含有量が、2〜50重量%である(1)〜(3)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(4)
The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (3), wherein the content of the organic compound (b) in the polymer electrolyte membrane is 2 to 50% by weight.

(5)
前記有機化合物(b)が、水酸基、アルコキシ基、シアノ基、アミド基からなる群より選ばれる1種以上の極性基を有する化合物を構成成分の少なくとも一つとする重合体である(1)〜(4)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(5)
The organic compound (b) is a polymer comprising at least one compound having at least one polar group selected from the group consisting of a hydroxyl group, an alkoxy group, a cyano group and an amide group as a constituent component (1) to ( 4) The polymer electrolyte membrane according to any one of the above.

(6)
極性基が、フェノール性水酸基である(1)〜(5)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(6)
The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (5), wherein the polar group is a phenolic hydroxyl group.

(7)
前記有機化合物(b)が、フェノール樹脂、アルキルフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の樹脂である(1)〜(6)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(7)
The high organic compound (b) according to any one of (1) to (6), wherein the organic compound (b) is at least one resin selected from the group consisting of a phenol resin, an alkylphenol resin, a phenol aralkyl resin, and a phenol cycloalkyl resin. Molecular electrolyte membrane.

(8)
高分子電解質膜中の前記プロトン伝導性ポリマー(a)に対する前記有機化合物(b)の組成比において、膜中心部の値に対する膜表面の値が80〜120%の範囲にある(1)〜(7)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(8)
In the composition ratio of the organic compound (b) to the proton conductive polymer (a) in the polymer electrolyte membrane, the value of the membrane surface with respect to the value at the center of the membrane is in the range of 80 to 120% (1) to ( 7) The polymer electrolyte membrane according to any one of the above.

(9)
前記有機化合物(b)の一部が、前記プロトン伝導性ポリマー(a)からなるマトリックス中で溶解又は反応し、残部が相分離分散してなる(1)〜(8)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(9)
A part of the organic compound (b) is dissolved or reacted in a matrix composed of the proton conductive polymer (a), and the remainder is phase-separated and dispersed. Polymer electrolyte membrane.

(10)
前記有機化合物(b)が、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にある分子量分布を有する化合物である(1)〜(9)のいずれかに記載の高分子電解質膜。
(10)
The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (9), wherein the organic compound (b) is a compound having a molecular weight distribution in which the ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight is between 10 and 100.

(11)
前記プロトン伝導性ポリマー(a)からなるマトリックス中で溶解又は反応してなる前記有機化合物(b)が、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間の、分子量の低い成分である(1)〜(10)に記載の高分子電解質膜。
(11)
The organic compound (b) obtained by dissolving or reacting in the matrix composed of the proton conductive polymer (a) is a low molecular weight component having a ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight of 10 to 100. The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (10).

(12)
高分子電解質膜の動的粘弾性法で測定したガラス転移温度が、プロトン伝導性ポリマー(a)のみからなる高分子電解質膜の動的粘弾性法で測定したガラス転移温度よりも5℃以上低い(1)〜(9)に記載の高分子電解質膜。
(12)
The glass transition temperature measured by the dynamic viscoelasticity method of the polymer electrolyte membrane is 5 ° C. or more lower than the glass transition temperature measured by the dynamic viscoelasticity method of the polymer electrolyte membrane consisting only of the proton conductive polymer (a). The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (9).

(13)
(1)〜(12)のいずれかの高分子電解質膜を用いた膜/電極接合体。
(13)
A membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (12).

(14)
(1)〜(13)のいずれかの膜/電極接合体を用いた燃料電池。
(14)
A fuel cell using the membrane / electrode assembly according to any one of (1) to (13).

(15)
25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上である前記プロトン伝導性ポリマー(a)の酸性基がカチオンと塩を形成したポリマー(c)、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)、及び沸点が300℃以下の溶媒を必須の構成成分として含有する溶液組成物を、基板上に流延し、加熱によって、溶媒量が固形分に対して40重量%以下になるまで溶媒を蒸発させ、前記有機化合物(b)の少なくとも一部を膜中に相分離分散させた自己支持性の膜とした後、酸で処理することを特徴とする(1)〜(12)いずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法。
(15)
Polymer (c) in which the acidic group of the proton conductive polymer (a) having a proton conductivity in water at 25 ° C. of 1 mS / cm or more forms a salt with a cation, and the proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS A solution composition containing an organic compound (b) having a boiling point of not more than / cm and a solvent having a boiling point of not more than 300 ° C. as an essential constituent is cast on a substrate, and the amount of solvent is reduced relative to the solid content by heating. The solvent is evaporated to 40 wt% or less to form a self-supporting membrane in which at least a part of the organic compound (b) is phase-separated and dispersed in the membrane, and then treated with an acid ( A method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of 1) to (12).

(16)
前記有機化合物(b)が、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にある重合体である(15)に記載の高分子電解質膜の製造方法。
(16)
The method for producing a polymer electrolyte membrane according to (15), wherein the organic compound (b) is a polymer having a ratio of a weight average molecular weight to a number average molecular weight of 10 to 100.

本発明による高分子電解質膜は、プロトン伝導性の低下は最小限にとどめつつ、メタノール透過性を大きく抑制することができる。特に、プロトン伝導性ポリマーが炭化水素系プロトン伝導性ポリマーの場合に顕著な効果を示す。
よって、本発明による高分子電解質膜は、プロトン伝導性に優れ、かつメタノール透過性を抑制できるため、メタノールを燃料とする燃料電池に用いた場合に、出力を向上させたり、高濃度のメタノール溶液を燃料に用いてエネルギー密度を高めたり、発電容量を向上させたりするなど、優れた効果を有する。また、膜/電極接合体を製造する際の電極との接合性が向上するため抵抗が減少し出力を向上させることができる。
The polymer electrolyte membrane according to the present invention can greatly suppress methanol permeability while minimizing a decrease in proton conductivity. In particular, a remarkable effect is exhibited when the proton conductive polymer is a hydrocarbon proton conductive polymer.
Therefore, since the polymer electrolyte membrane according to the present invention is excellent in proton conductivity and can suppress methanol permeability, when used in a fuel cell using methanol as a fuel, the output can be improved or a high-concentration methanol solution can be used. Is used as a fuel to increase the energy density and improve the power generation capacity. Further, since the bondability with the electrode at the time of manufacturing the membrane / electrode assembly is improved, the resistance is reduced and the output can be improved.

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明における重量とは、質量を意味し、mSは、0.001S(ジーメンス)のことである。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. In addition, the weight in this invention means mass and mS is 0.001S (Siemens).

本発明は、酸性基を有し、25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上であるプロトン伝導性ポリマー(a)をマトリックスとし、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が平均粒径0.01〜10μmの範囲の粒状に相分離分散して存在していることを特徴とする高分子電解質膜である。
プロトン伝導性ポリマー(a)とは、分子中に酸性基を有し、25℃の水中において1mS/cm以上のプロトン伝導性を示すポリマーを意味し、例えば、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基、ビススルホニルイミド基、ビスカルボニルイミド基などの酸性基を有するポリマーを用いることができる。例えば、ナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロアルキルカーボンスルホン酸ポリマーや、部分フッ素化スルホン化ポリスチレンなどのフッ素系プロトン伝導性ポリマーや、炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを例として挙げることができる。プロトン伝導性ポリマー(a)の25℃の水中におけるプロトン伝導性の好ましい上限は特にないが、製造のしやすさと他の物性とのバランスから500mS/cm以下が適当である。
In the present invention, a proton conductive polymer (a) having an acidic group and having a proton conductivity of 1 mS / cm or more in water at 25 ° C. is used as a matrix, and the proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS / cm. The polymer electrolyte membrane is characterized in that the following organic compound (b) is present by being phase-separated and dispersed in a granular form having an average particle size of 0.01 to 10 μm.
The proton conductive polymer (a) means a polymer having an acidic group in the molecule and showing proton conductivity of 1 mS / cm or more in water at 25 ° C., for example, sulfonic acid group, phosphonic acid group, phosphorus A polymer having an acidic group such as an acid group, a bissulfonylimide group, or a biscarbonylimide group can be used. For example, perfluoroalkyl carbon sulfonic acid polymers represented by Nafion (registered trademark), fluorine-based proton conductive polymers such as partially fluorinated sulfonated polystyrene, and hydrocarbon-based proton conductive polymers can be mentioned as examples. . There is no particular upper limit for the proton conductivity of the proton conducting polymer (a) in water at 25 ° C., but 500 mS / cm or less is suitable in terms of the balance between ease of production and other physical properties.

本発明におけるプロトン伝導性ポリマー(a)は、0.1〜5.0meq/gのイオン交換容量を有することが好ましく、0.5〜2.5meq/gのイオン交換容量を有することがより好ましい。さらに、0.5〜1.5meq/gのイオン交換容量を有することがより好ましく、0.7〜1.3meq/gのイオン交換容量を有することがさらに好ましい。イオン交換容量の小さいプロトン伝導性ポリマーほど、メタノール透過性が小さくなる。イオン交換容量の大きいプロトン伝導性ポリマーほどプロトン伝導性は大きくなる。   The proton conductive polymer (a) in the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.1 to 5.0 meq / g, and more preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 2.5 meq / g. . Furthermore, it is more preferable to have an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g, and it is more preferable to have an ion exchange capacity of 0.7 to 1.3 meq / g. Proton conducting polymers with smaller ion exchange capacity have lower methanol permeability. The proton conductive polymer having a larger ion exchange capacity has a higher proton conductivity.

本発明の高分子電解質膜におけるプロトン伝導性ポリマー(a)は、炭化水素系プロトン伝導性ポリマーであることが好ましい。炭化水素系高分子電解質膜は、フッ素系高分子電解質膜に比べて、ハロゲンを含まないことや、有害な排出物が少ないこと、コストを小さくできることなどの利点を有しているためである。炭化水素系高分子電解質膜は、チタン酸繊維と複合化することによって、前記の欠点を克服することができる。炭化水素系プロトン伝導性ポリマーとは、主な構造が酸素原子、硫黄原子、窒素原子などのヘテロ原子を含んでいてもよい炭化水素系高分子から主になっており、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンイミド基、リン酸基、カルボキシル基などの酸性のイオン性基を有するものをいう。イオン性基としては、スルホン酸基やスルホンイミド基などの強酸基であるとプロトン伝導性が高くなるため好ましく、ホスホン酸基やリン酸基では、高温低湿度の状態でもプロトン伝導性を示すため好ましい。炭化水素系高分子は、一部にフッ素や臭素などのハロゲン元素や、リンなど、他の元素を含んでいてもよい。   The proton conductive polymer (a) in the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably a hydrocarbon proton conductive polymer. This is because the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane has advantages such as being free of halogen, having less harmful emissions, and being able to reduce costs, as compared with the fluorine-based polymer electrolyte membrane. A hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane can overcome the above-mentioned drawbacks by compounding with a titanate fiber. The hydrocarbon-based proton-conducting polymer is mainly composed of a hydrocarbon-based polymer whose main structure may contain a hetero atom such as an oxygen atom, a sulfur atom, or a nitrogen atom. A group having an acidic ionic group such as a group, a sulfonimide group, a phosphoric acid group or a carboxyl group. As the ionic group, a strong acid group such as a sulfonic acid group or a sulfonimide group is preferable because proton conductivity increases, and a phosphonic acid group or a phosphoric acid group exhibits proton conductivity even under high temperature and low humidity conditions. preferable. The hydrocarbon polymer may partially contain other elements such as halogen elements such as fluorine and bromine and phosphorus.

本発明の炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを構成するポリマーの具体的な例としては、ポリアリーレン、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアリーレンエーテルスルフィド、ポリアリーレンエーテルニトリル、ポリアリーレンエーテルニトリルスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリベンザゾール、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドなどの耐熱性ポリマーを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the polymer constituting the hydrocarbon proton conductive polymer of the present invention include polyarylene, polyarylene ether, polyarylene sulfide, polyarylene ether sulfide, polyarylene ether nitrile, polyarylene ether nitrile sulfide, polysulfone. , Heat-resistant polymers such as polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polyimide, polybenzazole, polyetherimide, polyamide, and polyamideimide, but are not limited thereto. is not.

中でも、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアリーレンエーテルスルフィド、ポリアリーレンエーテルニトリル、ポリアリーレンエーテルニトリルスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンが、さらに好ましい例として挙げることができるがこれらに限定されるものではない。   Among them, polyarylene ether, polyarylene sulfide, polyarylene ether sulfide, polyarylene ether nitrile, polyarylene ether nitrile sulfide, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyetherketone, polyetheretherketone are more preferable examples. It can be mentioned, but is not limited to these.

本発明における炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、主として芳香族系のポリマーから構成されていることが好ましいが、部分的に脂肪族基を有していてもよい。例えば、側鎖や主鎖の少なくとも一部が脂肪族基で構成されていてもよい。   The hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention is preferably mainly composed of an aromatic polymer, but may partially have an aliphatic group. For example, at least part of the side chain or main chain may be composed of an aliphatic group.

本発明における炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、スルホン酸基を含有し、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サイド、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及びポリエーテルケトン系などのポリマーのうち、少なくとも1種を含むポリアリーレンエーテル系化合物、ポリアリーレンスルフィド系化合物及びポリアリーレン系化合物のいずれかを構成成分とすることが好ましい。これらのポリマーは、合成が容易であり、溶媒への溶解性が良く、耐熱性や機械的特性にも優れているためである。   The hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention contains a sulfonic acid group, and includes at least one of polymers such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone. It is preferable that any one of a polyarylene ether compound, a polyarylene sulfide compound, and a polyarylene compound is used as a constituent component. This is because these polymers are easy to synthesize, have good solubility in solvents, and are excellent in heat resistance and mechanical properties.

本発明における炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、0.5〜3.0meq/gのイオン交換容量を有することが好ましく、0.5〜2.5meq/gのイオン交換容量を有することがより好ましく、0.5〜1.5meq/gのイオン交換容量を有することがさらに好ましく、0.7〜1.3meq/gのイオン交換容量を有することがさらに好ましい。   The hydrocarbon-based proton conductive polymer in the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 3.0 meq / g, more preferably 0.5 to 2.5 meq / g. It is more preferable to have an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g, and it is more preferable to have an ion exchange capacity of 0.7 to 1.3 meq / g.

本発明における炭化水素系プロトン伝導性ポリマーの好ましい態様は、下記一般式(1)で表される構造から選ばれる1種以上の構造、及び下記一般式(2)で表される構造から選ばれる1種以上の構造を有するポリマーからなる群より選ばれる1種以上のポリマーから構成されている炭化水素系プロトン伝導性ポリマーである。   A preferred embodiment of the hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention is selected from one or more structures selected from the structure represented by the following general formula (1) and a structure represented by the following general formula (2). It is a hydrocarbon-based proton conductive polymer composed of one or more polymers selected from the group consisting of polymers having one or more structures.

[一般式(1)及び(2)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、Rは炭素数1〜10のアルキレン基、オキシアルキレン基、アリール基及び直接結合(−SOY基の)のうちのいずれかを、R及びRは、それぞれ独立して、硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよい炭素数が2〜20である、アルキレン基、アラルキル基、芳香族基からなる群より選ばれる1種以上の基を、Arは電子吸引性基を有する2価の芳香族基を、Z又はZ’は酸素原子又は硫黄原子のいずれかを、m1及びm2は、ポリマー分子中における、それぞれの構造単位のモル数で1〜1000の整数を表す。] [In General Formulas (1) and (2), X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and R 1 represents the number of carbon atoms. Any one of 1 to 10 alkylene groups, oxyalkylene groups, aryl groups and direct bonds (of the —SO 3 Y group), R 2 and R 3 each independently include a sulfur atom or an oxygen atom. One or more groups selected from the group consisting of an alkylene group, an aralkyl group, and an aromatic group, which may have 2 to 20 carbon atoms, Ar 1 is a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group Z or Z ′ represents either an oxygen atom or a sulfur atom, and m1 and m2 each represents an integer of 1 to 1000 in terms of the number of moles of each structural unit in the polymer molecule. ]

本発明における炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、一般式(1)又は(2)で表される構造単位の範囲内において複数の構造単位を含んでいてもよい。また、一般式(1)で表される構造単位と、一般式(2)で表される構造単位との結合様式は特に限定されるものではなく、ランダムに結合していてもよいし、一般式(1)及び一般式(2)で表されるものうちのいずれかの構造単位が連続したブロック構造や、一般式(1)で表される構造単位が連続したブロックと一般式(2)で表される構造単位が連続したブロック構造とが結合した形態であってもよく、一般式(1)で表される構造単位と一般式(2)で表される構造単位が交互に結合していてもよい。   The hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention may contain a plurality of structural units within the range of the structural unit represented by the general formula (1) or (2). Moreover, the coupling | bonding mode of the structural unit represented by General formula (1) and the structural unit represented by General formula (2) is not specifically limited, You may couple | bond together at random. A block structure in which any one of the structural units represented by formula (1) and general formula (2) is continuous, or a block in which the structural unit represented by general formula (1) is continuous and general formula (2) The structural unit represented by general formula (1) and the structural unit represented by general formula (2) may be combined alternately. It may be.

一般式(1)における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。 X in the general formula (1) is preferably an —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 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 is preferably O because it has advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z is preferably S because oxidation resistance is improved.

一般式(1)におけるRは炭素数1〜10のアルキレン基、オキシアルキレン基、アリール基、直接結合のいずれかを表すが、アルキレン基であるとプロトン伝導性が向上するため好ましい。また、スルホン酸基とベンゼン環が直接結合している直接結合であると、熱やラジカルなどに対するスルホン酸基の安定性が高まり、プロトン伝導性にも優れるため、より好ましい。アルキレン基は、分岐を有するものよりも、直鎖のものが好ましい。アルキレン基の炭素数は1〜5がより好ましく、3〜4がより好ましい。具体的には、n−プロピレン基、n−ブチレン基が好ましい。オキシアルキレン基の炭素数は1〜5がより好ましく、3〜4がより好ましい。具体的には、オキシ−n−プロピレン基、オキシ−n−ブチレン基が好ましい。アリール基としては、オキシフェニレン基、フェニレン基、などを挙げることができる。 R 1 in the general formula (1) represents an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms, an oxyalkylene group, an aryl group, or a direct bond. An alkylene group is preferable because proton conductivity is improved. In addition, a direct bond in which a sulfonic acid group and a benzene ring are directly bonded is more preferable because stability of the sulfonic acid group with respect to heat, radicals, and the like is increased and proton conductivity is excellent. The alkylene group is preferably a straight chain rather than a branched one. As for carbon number of an alkylene group, 1-5 are more preferable, and 3-4 are more preferable. Specifically, an n-propylene group and an n-butylene group are preferable. 1-5 are more preferable and, as for carbon number of an oxyalkylene group, 3-4 are more preferable. Specifically, an oxy-n-propylene group and an oxy-n-butylene group are preferable. Examples of the aryl group include an oxyphenylene group and a phenylene group.

一般式(1)における、下記一般式(3);   In the general formula (1), the following general formula (3);

で表される部分構造の具体例を以下に示すが、これらに限定されるわけではなく、スルホン酸基の一部及び全部が1価の陽イオンを形成しているものも含む。下記の部分構造のうち、化学式3A、3B、3C、及び3Dがより好ましく、化学式3A及び化学式3Bがさらに好ましい。   Specific examples of the partial structure represented by formula (1) are shown below, but are not limited thereto, and include those in which a part and all of the sulfonic acid groups form a monovalent cation. Of the following partial structures, Chemical Formulas 3A, 3B, 3C, and 3D are more preferable, and Chemical Formulas 3A and 3B are more preferable.

一般式(1)及び(2)におけるR及びRは、それぞれ独立して、硫黄原子又は酸素原子を含んでいてもよい炭素数が2〜20である、アルキレン基、アラルキル基、芳香族基からなる群より選ばれる1種以上の基である。R及びRの例としては、ベンゼン環、ピリジン環などの芳香環、ナフタレン環、アントラセン環などの縮合多環芳香族基や、芳香族基が、直接結合、脂肪族基、スルホン基、エーテル基、スルフィド基、パーフルオロアルキル基及び芳香族基を含む脂肪族基で複数連結した基や、脂肪族基や、芳香族基を含む脂肪族基などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。一般式(1)及び(2)におけるR及びRは、複数の構造からなっていてもよい。 R 2 and R 3 in the general formulas (1) and (2) are each independently an alkylene group, an aralkyl group or an aromatic group having 2 to 20 carbon atoms which may contain a sulfur atom or an oxygen atom. One or more groups selected from the group consisting of groups. Examples of R 2 and R 3 include aromatic rings such as a benzene ring and a pyridine ring, condensed polycyclic aromatic groups such as a naphthalene ring and an anthracene ring, and an aromatic group having a direct bond, an aliphatic group, a sulfone group, Examples include, but are not limited to, a group connected by an aliphatic group including an ether group, a sulfide group, a perfluoroalkyl group and an aromatic group, an aliphatic group, and an aliphatic group including an aromatic group. It is not something. R 2 and R 3 in the general formulas (1) and (2) may have a plurality of structures.

一般式(1)及び(2)におけるR及びRの例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。 Examples of R 1 and R 2 in the general formulas (1) and (2) are shown below, but are not limited thereto.

一般式(1)及び(2)におけるR及びRの例として記した上記の構造の中でも、化学式4E、4AVの構造単位は、高分子電解質膜の膨潤を抑制するため好ましい。また、化学式4F、4G、4N、4O、4U、4Yなどの構造は高分子電解質膜の軟化温度を低下させるため電極触媒層との接合性が向上し好ましい。化学式4AX、4AYで表される構造も高分子電解質膜の軟化温度を低下させるため電極触媒層との接合性が向上し好ましい。さらに化学式4AY〜4BNで表される構造は、電極触媒層との接合性が向上すると共に耐久性を向上させるため好ましい、また、化学式4AO、4AI、4AN、4AQ、4Xで表される構造は、メタノール透過性を抑制するため好ましい。また、化学式4I、4J、4Kで表される構造は、燃料電池におけるフラディングを抑制するため好ましい。また、化学式4BOで表される構造は、高分子電解質膜の耐久性を向上させるため好ましい。なお、R20及びR21が化学式4AY〜4BNで表される構造の場合は、一般式(9)及び(10)におけるZ及びZ’が硫黄原子であることが好ましい。化学式4Nにおけるoは2〜10の整数を表す。 Among the structures described as examples of R 2 and R 3 in the general formulas (1) and (2), the structural units represented by the chemical formulas 4E and 4AV are preferable because they suppress swelling of the polymer electrolyte membrane. In addition, the structures of chemical formulas 4F, 4G, 4N, 4O, 4U, 4Y, etc. are preferable because the softening temperature of the polymer electrolyte membrane is lowered to improve the bondability with the electrode catalyst layer. The structures represented by the chemical formulas 4AX and 4AY are also preferable because the softening temperature of the polymer electrolyte membrane is lowered, so that the bonding property with the electrode catalyst layer is improved. Furthermore, the structure represented by the chemical formulas 4AY to 4BN is preferable because the bondability with the electrode catalyst layer is improved and the durability is improved, and the structure represented by the chemical formulas 4AO, 4AI, 4AN, 4AQ, and 4X is This is preferable because methanol permeability is suppressed. Further, the structures represented by the chemical formulas 4I, 4J, and 4K are preferable because they suppress flooding in the fuel cell. The structure represented by the chemical formula 4BO is preferable because it improves the durability of the polymer electrolyte membrane. In the case of the structure R 20 and R 21 is represented by the chemical formula 4AY~4BN, it is preferred formula (9) and (10) Z and Z 'in is a sulfur atom. O in Chemical Formula 4N represents an integer of 2 to 10.

一般式(1)及び(2)におけるR及びRは複数の基から構成されていてもよいが、好ましい組み合わせとしては、化学式4Eで表される構造と、化学式4F、4G、4N、4O、4U、4Y、4AX、4AY、4AY〜4BNで表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造との組み合わせ、化学式4F、4G、4N、4O、4U、4Yで表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造と、4AY〜4BNで表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造との組み合わせ、化学式4AO、4AI、4AN、4AQ、4Xで表される構造からなる群より選ばれる1種以上の構造と、及び、4AY〜4BNで表される構造から群より選ばれる1種以上の構造との組み合わせが好ましい。また、前記の好ましい構造、及び好ましい構造の組み合わせに、化学式4I、4J、4Kをさらに組み合わせることによってフラッディング抑制効果を、化学式4BOで表される構造をさらに組み合わせることによって耐久性向上効果を、それぞれ得ることができる。 R 2 and R 3 in the general formulas (1) and (2) may be composed of a plurality of groups. As a preferable combination, a structure represented by the chemical formula 4E and a chemical formula 4F, 4G, 4N, 4O In combination with one or more structures selected from the group consisting of structures represented by 4U, 4Y, 4AX, 4AY, 4AY-4BN, from structures represented by chemical formulas 4F, 4G, 4N, 4O, 4U, 4Y A combination of one or more structures selected from the group consisting of and one or more structures selected from the group consisting of structures represented by 4AY to 4BN, a structure represented by the chemical formulas 4AO, 4AI, 4AN, 4AQ, 4X A combination of at least one structure selected from the group consisting of and one or more structures selected from the group from the structures represented by 4AY to 4BN is preferable. Further, the above-mentioned preferred structure and the preferred combination of the structures are combined with chemical formulas 4I, 4J, and 4K to obtain a flooding suppression effect, and further combined with the structure represented by chemical formula 4BO to obtain a durability improvement effect. be able to.

一般式(2)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 (2) 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.

一般式(2)におけるArの構造の例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。 It shows an example of the structure of Ar 1 in the general formula (2) below, but is not limited thereto.

一般式(2)におけるArの好ましい構造は、化学式5A〜5Dで表される構造であり、中でも化学式5C及び5Dで表される構造がより好ましく、さらに化学式5Dで表される構造が好ましい。化学式5A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5B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5C又は5D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5Dの構造がより好ましい。一般式(10)におけるArは、複数の構造からなっていてもよく、複数の構造から構成される場合には、化学式5A〜5Dからなる群より選ばれる2種以上の構造や、化学式5A〜5Dからなる群より選ばれる1種以上の構造と化学式5E〜5Pからなる群より選ばれる1種以上の構造の組み合わせが好ましい。 A preferred structure of Ar 1 in the general formula (2) is a structure represented by the chemical formulas 5A to 5D, among which the structures represented by the chemical formulas 5C and 5D are more preferable, and the structure represented by the chemical formula 5D is more preferable. The structure of Chemical Formula 5A is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of the chemical formula 5B is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to enhance the bonding property with the electrode or impart photocrosslinkability. The structure of Chemical Formula 5C or 5D is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 5D is more preferable. Ar 2 in the general formula (10) may be composed of a plurality of structures, and when composed of a plurality of structures, two or more structures selected from the group consisting of chemical formulas 5A to 5D, or a chemical formula 5A A combination of at least one structure selected from the group consisting of -5D and at least one structure selected from the group consisting of chemical formulas 5E-5P is preferred.

本発明におけるプロトン伝導性ポリマー(a)を構成するポリマーは、例えば、電子吸引性基で活性化された芳香族ジハロゲン化合物や芳香族ジニトロ化合物からなる群より選ばれる2種以上の化合物と、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物、アルキルジチオール化合物からなる群より選ばれる1種以上の化合物とを、塩基性化合物の存在下、加熱することによって芳香族求核置換反応により重合することができる。   Examples of the polymer constituting the proton conductive polymer (a) in the present invention include two or more compounds selected from the group consisting of aromatic dihalogen compounds and aromatic dinitro compounds activated with an electron-withdrawing group, and bisphenol. One or more compounds selected from the group consisting of a compound, a bisthiophenol compound, and an alkyldithiol compound can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction by heating in the presence of a basic compound.

電子吸引性基で活性化された芳香族ジハロゲン化合物のうち、イオン性基を有するものとしては、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スルホン、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。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ケトン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(ブチルスルホン酸)カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)カリウム4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)カリウム4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)カリウム4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ビス(フェニルスルホン酸)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、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’−ジケトン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジケトン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンが好ましく、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がより好ましい。   Among aromatic dihalogen compounds activated with an electron-withdrawing group, those having an ionic group include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4, 4'-difluorodiphenyl sulfone, 3,3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and their sulfonic acid groups are monovalent cations Examples include salts with seeds. 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 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone. 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-sodium disulfonate-4,4 ′ -Difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4 '-Dichlorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate 4,4'-difluorodi Phenylsulfone, potassium 3,3′-disulfonate 4,4′-difluorodiphenyl ketone, sodium 3,3′-bis (butylsulfonate) -4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (butyl) Sulfonic acid) sodium-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (butylsulfonic acid) sodium-4,4′-dichlorodiphenylketone, 3,3′-bis (butylsulfonic acid) sodium-4 , 4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (butylsulfonic acid) sodium-4,4′-difluorodiphenylketone, 3,3′-bis (butylsulfonic acid) potassium 4,4′-dichlorodiphenylsulfone 3,3′-bis (butylsulfonic acid) potassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone 3,3′-bis (butylsulfonic acid) potassium 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-bis (butylsulfonic acid) potassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-bis ( Butylsulfonic acid) potassium 4,4′-difluorodiphenyl ketone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) sodium-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) sodium-4 , 4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) sodium-4,4′-dichlorodiphenylketone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) sodium-4,4′-difluorodiphenyl Sulfone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) sodium-4,4′-difluorodiphenyl Ketone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) potassium 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) potassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (Phenylsulfonic acid) potassium 4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) potassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′-bis (phenylsulfonic acid) potassium 4, 4'-difluorodiphenyl ketone, and the like, such as sodium 3,3'-disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, sodium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylsulfone, 3 , 3′-diketonate sodium-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′- Sodium ketonate-4,4′-difluorodiphenyl ketone is preferred, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone Is more preferable.

イオン性基を含有しない、活性化芳香族ジハロゲン化合物としては、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、3,3’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジクロロビフェニル、3,3’−ビス(トリフルオロメチル)−p−ターフェニル、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。中でも好ましいのは、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であり、2,6−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がさらに好ましい。   The activated aromatic dihalogen compound containing no ionic group includes 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4, 4'-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, 3,3'-bis (trifluoromethyl) -4, 4'-dichlorobiphenyl, 3,3'-bis (trifluoromethyl) -p-terphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction Dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like can also be used. Among these, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6 are preferable. -Difluorobenzonitrile is more preferred.

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、4,4’−ビフェノール、4,4’−ジメルカプトビフェニル、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)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)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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、4−ヘキシルレゾルシノール、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、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、4,4’−チオジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、1,3−ベンゼンジチオール、1,4−ベンゼンジチオール、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トレン−10−オキサイド、4,4’−ビフェノール、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、4,4’−チオジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4−エチルレゾルシノール、4−ヘキシルレゾルシノール、2−ヘキシルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2−オクダデシルハイドロキノン、2−ターシャリーブチルハイドロキノン、2,5−ジターシャリーブチルハイドロキノン、2,5−ジターシャリーアミルハイドロキノン、2,2’−ジヘキシル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、1−オクチル−2,6−ジヒドロキシナフタレン、2−ヘキシル−1,5−ジヒドロキシナフタレン、などが挙げられるがこれらに限定されることなく、上記の電子吸引性基で活性化された芳香族ジハロゲン化合物や芳香族ジニトロ化合物と反応し得る化合物であれば用いることができる。   Examples of the bisphenol compound or bisthiophenol compound include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 4,4′-biphenol, 4 , 4'-dimercaptobiphenyl, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) Methane, 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, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4-hexyl resorcinol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) Hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 4,4′-thiodiphenol, 4,4′-oxydiphenol, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane, 2, 2-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 1,3-benzenedithiol, 1,4-benzenedithiol, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10- Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenant -10-oxide, 4,4′-biphenol, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane, 4,4′-thiodiphenol, 4, 4′-oxydiphenol, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4-ethylresorcinol, 4-hexylresorcinol, 2-hexylhydroquinone, 2-octylhydroquinone, 2-octadecylhydroquinone, 2-tertiarybutylhydroquinone, 2,5-ditertiary butyl hydroquinone, 2,5-ditertiary amyl hydroquinone, 2,2′-dihexyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 1-octyl-2,6-dihydroxynaphthalene, 2-hexyl-1, 5-dihydroxynaphthalene, etc. However, the present invention is not limited thereto, and any compound that can react with the aromatic dihalogen compound or aromatic dinitro compound activated with the electron-withdrawing group can be used.

アルキルジチオール化合物の例としては、1,2−エタンジチオール、1,3−プロパンジチオール、1,2−プロパンジチオール、1,4−ブタンジチオール、2,3−ジヒドロキシ−1,4−ブタンジチオール、1,5−ペンタンジチオール、1,6−ヘキサンジチオール、1,7−ヘプタンジチオール、1,8−オクタンジチオール、1,9−ノナンジチオール、1,10−デカンジチオール、1,11−ウンデカンジチオール、1,12−ドデカンジチオール、1,13−トリデカンジチオール、1,14−テトラデカンジチオール、1,15−ペンタデカンジチオール、1,16−ヘキサデカンジチオール、1,17−ヘプタデカンジチオール、1,18−オクタデカンジチオール、1,19−ノナデカンジチオール、1,20−イコサンジチオール、3,6−ジオキサ−1,8−オクタンジチオール、3,7−ジチア−1,9−ノナンジチオール、3−チア−1,5−ペンタンジチオール、2,3−ジヒドロキシ−1,4−ブタンジチオール、1,4−ビス(メルカプトメチル)ベンゼン、1,3−ビス(メルカプトメチル)ベンゼン、1,2−ビス(メルカプトメチル)ベンゼンなどが挙げられるがこれらに限定されることなく、上記の電子吸引性基で活性化された芳香族ジハロゲン化合物や芳香族ジニトロ化合物と反応し得る化合物であれば用いることができる。   Examples of alkyldithiol compounds include 1,2-ethanedithiol, 1,3-propanedithiol, 1,2-propanedithiol, 1,4-butanedithiol, 2,3-dihydroxy-1,4-butanedithiol, , 5-pentanedithiol, 1,6-hexanedithiol, 1,7-heptanedithiol, 1,8-octanedithiol, 1,9-nonanedithiol, 1,10-decanedithiol, 1,11-undecanedithiol, 1, 12-dodecanedithiol, 1,13-tridecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol, 1,15-pentadecanedithiol, 1,16-hexadecanedithiol, 1,17-heptadecanedithiol, 1,18-octadecanedithiol, 1 , 19-nonadecanedithiol, 1,20- Cosanedithiol, 3,6-dioxa-1,8-octanedithiol, 3,7-dithia-1,9-nonanedithiol, 3-thia-1,5-pentanedithiol, 2,3-dihydroxy-1,4- Examples include butanedithiol, 1,4-bis (mercaptomethyl) benzene, 1,3-bis (mercaptomethyl) benzene, 1,2-bis (mercaptomethyl) benzene, and the like. Any compound that can react with an aromatic dihalogen compound or an aromatic dinitro compound activated with an electron-withdrawing group can be used.

本発明に用いるプロトン伝導性ポリマー(a)を芳香族求核置換反応により重合する場合、活性化芳香族ジハロゲン化合物及び活性化ジニトロ芳香族化合物からなる群より選ばれる2種以上の化合物と、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物及びアルキルジチオール化合物からなる群より選ばれる1種以上の化合物を加えて、塩基性化合物の存在下で加熱して反応させることで重合体を得ることができる。モノマー中の、反応性のハロゲン基又はニトロ基と、反応性のヒドロキシ基又はメルカプト基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるポリマーの重合度を調整することができるが、好ましくは0.8〜1.2であり、より好ましくは0.9〜1.1であり、0.95〜1.05であるとさらに好ましく、1であると最も高重合度のポリマーを得ることができる。   When the proton conductive polymer (a) used in the present invention is polymerized by aromatic nucleophilic substitution reaction, two or more compounds selected from the group consisting of activated aromatic dihalogen compounds and activated dinitroaromatic compounds, and bisphenol A polymer can be obtained by adding one or more compounds selected from the group consisting of a compound, a bisthiophenol compound and an alkyldithiol compound, and heating and reacting in the presence of a basic compound. By setting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group to the reactive hydroxy group or mercapto group in the monomer to an arbitrary molar ratio, the degree of polymerization of the resulting polymer can be adjusted. Is 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, more preferably 0.95 to 1.05, and 1 to obtain a polymer with the highest degree of polymerization. Can do.

重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、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、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。   The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.

また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物、及びアルキルジチオール化合物を、フェニルイソシアネートなどのイソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、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とを直接反応させることもできる。   In the above polymerization reaction, a bisphenol compound, a bisthiophenol compound, and an alkyldithiol compound are reacted with an isocyanate compound such as phenyl isocyanate without using a basic compound, and an activated dihalogen aromatic. A compound or a dinitroaromatic compound can also be directly reacted.

塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造にし得るものであれば、これらに限定されず使用することができる。塩基性化合物は、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物及びアルキルジチオール化合物の、水酸基及びメルカプチト基に対して、アルカリ金属として100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくは、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物、及びアルキルジチオール化合物の、水酸基及びメルカプチト基に対して、アルカリ金属として105〜125モル%の範囲である。塩基性化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。   Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., but those capable of converting aromatic diols and aromatic dimercapto compounds into active phenoxide structures If it is, it can be used without being limited to these. The basic compound can be polymerized satisfactorily by using an amount of 100 mol% or more as an alkali metal with respect to the hydroxyl group and mercapto group of the bisphenol compound, bisthiophenol compound and alkyldithiol compound, preferably bisphenol It is the range of 105-125 mol% as an alkali metal with respect to a hydroxyl group and a mercapto group of a compound, a bisthiophenol compound, and an alkyldithiol compound. An excessive amount of the basic compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.

芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてポリマー溶液を得ることもできる。   In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration. In addition, a polymer solution can be obtained by removing by-product salts by filtration.

また、本発明の高分子電解質膜に用いるプロトン伝導性ポリマー(a)は、後で述べる方法により測定した対数粘度が0.1dL/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/gよりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dL/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   Further, the proton conductive polymer (a) used in the polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a logarithmic viscosity of 0.1 dL / g or more measured by a method described later. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5 dL / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

本発明において、プロトン伝導性ポリマー(a)を構成するポリマーが、酸素原子及び硫黄原子からなる群より選ばれる1種以上の原子が両端に結合したフェニレン基を有していると、前記フェノール性水酸基を有する重合体との混和性が向上するため好ましい。このような構造は、原料に、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−チオビスフェノール、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4’−ジクロロジフェニルエーテル、4,4’−ジクロロジフェニルスルフィド、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィドなどの化合物を用いることでポリマーに導入することができる。   In the present invention, when the polymer constituting the proton conductive polymer (a) has a phenylene group in which one or more atoms selected from the group consisting of an oxygen atom and a sulfur atom are bonded to both ends, This is preferable because the miscibility with the polymer having a hydroxyl group is improved. Such a structure includes 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-thiobisphenol, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dichloro as raw materials. It can introduce | transduce into a polymer by using compounds, such as a diphenyl ether, 4,4'- dichloro diphenyl sulfide, 4,4'- diamino diphenyl ether, and 4,4'- diamino diphenyl sulfide.

25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)は、実質的にプロトン伝導性を有さない化合物が好ましい。プロトン伝導性は、公知の任意の方法によって測定することができるが、後記するように交流インピーダンス法で測定することが好ましい。該有機化合物(b)のプロトン伝導性は、膜状に成形したものや、ペレット状に圧縮成形したものによって測定することができる。25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)の25℃の水中におけるプロトン伝導性の好ましい下限は特にないが、製造のしやすさと他の物性とのバランスから0.000001mS/cm以上が適当である。
25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)は、25℃におけるメタノールへの溶解度が1重量%以下で、かつ25℃におけるN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度が1重量%以上であることが好ましい。メタノールへの溶解度が大きいと、高分子電解質膜のメタノールによる膨潤が大きくなり、メタノール透過が大きくなってしまうためである。メタノールに対する溶解度は、より好ましくは0.5重量%以下であり、0.1重量%以下であるとさらに好ましく、実質的に不溶であることが最も好ましい。また、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)は、燃料電池における発電反応の生成物である水に溶解しないことが好ましい。
The organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in water at 25 ° C. is preferably a compound having substantially no proton conductivity. The proton conductivity can be measured by any known method, but it is preferably measured by the AC impedance method as described later. The proton conductivity of the organic compound (b) can be measured by a film-shaped product or a pellet-shaped product. There is no particular lower limit for the proton conductivity in water at 25 ° C. of the organic compound (b) whose proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS / cm or less, but there is a balance between ease of production and other physical properties. To 0.000001 mS / cm or more is suitable.
The organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in water at 25 ° C. has a solubility in methanol of 1% by weight or less at 25 ° C., and with respect to N-methyl-2-pyrrolidone at 25 ° C. The solubility is preferably 1% by weight or more. This is because if the solubility in methanol is large, swelling of the polymer electrolyte membrane due to methanol increases and methanol permeation increases. The solubility in methanol is more preferably 0.5% by weight or less, further preferably 0.1% by weight or less, and most preferably substantially insoluble. The organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is preferably not dissolved in water that is a product of a power generation reaction in the fuel cell.

また、極性の化合物である前記のプロトン伝導性ポリマー(a)を主体とするマトリックス中に、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)を粒子状に相分離分散させるためには、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)がプロトン伝導性と適度な親和性を有していることが好ましい。その点において、プロトン伝導性ポリマーの多くを溶解することのできるN−メチル−2−ピロリドンに対して、1重量%以上の溶解度を有する化合物であれば、例えば、プロトン伝導性ポリマー(a)とプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)とを、N−メチル−2−ピロリドンに溶解した溶液を得ることができ、プロトン伝導性ポリマーを主体とするマトリックス中に、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)をミクロな粒子状に分散した高分子電解質膜を得ることが容易になるため好ましい。N−メチ−2−ピロリドンに対する溶解度は、5重量%以上であることがより好ましく、20重量%以上であることがなお好ましく、50重量%以上であることがさらに好ましい。   In addition, the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is phase-separated and dispersed in the form of particles in a matrix mainly composed of the proton conductive polymer (a) which is a polar compound. It is preferable that the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less has a moderate affinity with the proton conductivity. In that respect, any compound having a solubility of 1% by weight or more with respect to N-methyl-2-pyrrolidone capable of dissolving much of the proton conductive polymer, for example, the proton conductive polymer (a) and A solution in which the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone can be obtained. This is preferable because it becomes easy to obtain a polymer electrolyte membrane in which the organic compound (b) having a conductivity of 0.1 mS / cm or less is dispersed in the form of micro particles. The solubility in N-methy-2-pyrrolidone is more preferably 5% by weight or more, still more preferably 20% by weight or more, and further preferably 50% by weight or more.

25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)の分子量は300以上であることが好ましい。300よりも小さいと、マトリックス中にうまく粒子状構造を形成できないか、できたとしても高分子電解質膜の機械強度が低下する場合があるためである。より好ましくは1000以上の分子量を有することが好ましい。   The molecular weight of the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in water at 25 ° C. is preferably 300 or more. If it is smaller than 300, the particulate structure cannot be formed well in the matrix, or even if it can, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane may decrease. More preferably, it has a molecular weight of 1000 or more.

本発明の高分子電解質膜において、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)の含有量は2〜50重量%であることが好ましい。2重量%未満であると、十分なメタノール透過抑制効果が得られない場合があるためである。また、50重量%以上であると、高分子電解質膜の機械強度が低下する場合があるためである。より好ましくは3〜30重量%の範囲である。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the content of the organic compound (b) whose proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS / cm or less is preferably 2 to 50% by weight. This is because if it is less than 2% by weight, a sufficient methanol permeation suppressing effect may not be obtained. Moreover, it is because the mechanical strength of a polymer electrolyte membrane may fall that it is 50 weight% or more. More preferably, it is in the range of 3 to 30% by weight.

本発明の高分子電解質膜中において、粒子状に存在している25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)からなる相は、その平均粒径が0.01〜10μmの範囲であることが好ましい。平均粒径が0.01μm未満であるとメタノール透過抑制効果が小さい場合があるためである。また、平均粒径が10μm以上であると、高分子電解質膜の機械強度が低下したり、高分子電解質膜のプロトン伝導性が不均一になったりする場合があるので好ましくない。より好ましい範囲は、0.1〜5μmの範囲である。平均粒径は公知の任意の方法で求めることができるが、例えば、高分子電解質膜の断面を金属化合物や金属イオンで処理してプロトン伝導性ポリマーを染色した後、透過型電子顕微鏡で観察することによって、その画像から求めることができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the phase composed of the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in water at 25 ° C. existing in the form of particles has an average particle size of 0. It is preferably in the range of 0.01 to 10 μm. This is because if the average particle size is less than 0.01 μm, the methanol permeation suppression effect may be small. Further, if the average particle size is 10 μm or more, the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane may be reduced, or the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane may be uneven, which is not preferable. A more preferable range is 0.1 to 5 μm. The average particle diameter can be determined by any known method. For example, the cross section of the polymer electrolyte membrane is treated with a metal compound or metal ion to stain the proton conductive polymer, and then observed with a transmission electron microscope. Thus, it can be obtained from the image.

25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)は、水酸基、アルコキシ基、シアノ基、アミド基からなる群より選ばれる1種以上の極性基を有する化合物を構成成分の少なくとも一つとする重合体であることが好ましい。上記のような極性基を有した化合物を含有していると、プロトン伝導性ポリマーとの親和性が向上するためである。極性基の中では、水酸基、アルコキシ基、シアノ基が好ましく、水酸基、アルコキシ基がより好ましく、水酸基がなお好ましい。さらに水酸基は芳香族性基に結合していることが好ましい、フェノール性水酸基であることがより好ましい。フェノール性水酸基を有する化合物は、適度な極性を有するのでプロトン伝導性ポリマーと混和しやすく、混合した高分子電解質膜を作製しやすいためである。   The organic compound (b) whose proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS / cm or less is a compound having one or more polar groups selected from the group consisting of a hydroxyl group, an alkoxy group, a cyano group, and an amide group. It is preferable that the polymer be at least one component. This is because when the compound having the polar group as described above is contained, the affinity with the proton conductive polymer is improved. Among polar groups, a hydroxyl group, an alkoxy group, and a cyano group are preferable, a hydroxyl group and an alkoxy group are more preferable, and a hydroxyl group is still more preferable. Furthermore, the hydroxyl group is preferably bonded to an aromatic group, more preferably a phenolic hydroxyl group. This is because a compound having a phenolic hydroxyl group has an appropriate polarity, so that it can be easily mixed with the proton-conductive polymer and a mixed polymer electrolyte membrane can be easily produced.

25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)の例としては、フェノール樹脂、アルキルフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂、ポリ(エチレン/ビニルアルコール)共重合体、ポリアクリルアミド共重合体、ポリシアノアクリレート共重合体、ポリ(4−シアノスチレン)京重合体、アルコキシ化フェノール樹脂、アルコキシ化アルキルフェノール樹脂、アルコキシ化フェノールアラルキル樹脂、アルコキシ化フェノールシクロアルキル樹脂などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。中でもフェノール樹脂、アルキルフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂がメタノール透過の抑制性で優れている点で好ましく、アルキルフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂がより好ましい。   Examples of the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in water at 25 ° C. include phenol resin, alkylphenol resin, phenol aralkyl resin, phenol cycloalkyl resin, and poly (ethylene / vinyl alcohol). Polymer, polyacrylamide copolymer, polycyanoacrylate copolymer, poly (4-cyanostyrene) Kyoto polymer, alkoxylated phenol resin, alkoxylated alkylphenol resin, alkoxylated phenol aralkyl resin, alkoxylated phenol cycloalkyl resin, etc. However, it is not limited to these. Among them, a phenol resin, an alkylphenol resin, a phenol aralkyl resin, and a phenol cycloalkyl resin are preferable in terms of excellent methanol permeation suppression, and an alkylphenol resin and a phenol aralkyl resin are more preferable.

本発明の高分子電解質膜において、25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上であるプロトン伝導性ポリマー(a)に対する、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)の組成比は、膜中心部の値に対して膜表面の値が80〜120%の範囲にあることが好ましい。表面と膜内部で組成比の異なりが大きいと、高分子電解質膜の変形や特性の低下の原因となるため好ましくない。組成比は任意の方法で分析することができるが、例えば、全反射型赤外分光分析器を用いて測定することができる。その場合、膜内部は、かみそりなどで、高分子電解質膜を膜面方向に割断した後、割断面について測定することによって測定を行うことができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS / cm or less with respect to the proton conductive polymer (a) whose proton conductivity in water at 25 ° C. is 1 mS / cm or more. The composition ratio of the organic compound (b) is preferably such that the value on the film surface is in the range of 80 to 120% relative to the value at the center of the film. A large difference in composition ratio between the surface and the inside of the membrane is not preferable because it causes deformation of the polymer electrolyte membrane and deterioration of properties. The composition ratio can be analyzed by an arbitrary method, and can be measured using, for example, a total reflection infrared spectroscopic analyzer. In that case, the inside of the membrane can be measured by measuring the fractured surface after cleaving the polymer electrolyte membrane in the membrane surface direction with a razor or the like.

また、プロトン伝導性ポリマー(a)からなるマトリックスが、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)を含んでいると、メタノール透過の抑制性が高まることから好ましい。マトリックスに、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が含まれているかどうかは、組成分析、X線分析、顕微IR、DSC、熱機械分析などの公知の任意の方法によって判断することができる。例えば、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)の融点又はガラス転移温度が、プロトン伝導性のそれよりも低い場合には、高分子電解質膜の軟化温度やガラス転移温度を測定し、プロトン伝導性ポリマーのみからなる高分子電解質膜の軟化温度やガラス転移温度よりも低いと、マトリックス中にも含まれているト判断することができる。高分子電解質膜の軟化温度やガラス転移温度は公知の任意の方法で測定することができるが、例えば、動的粘弾性法で温度を変化させて弾性率を測定し、貯蔵弾性率に対する損失弾性率の比(tanδ)のピーク温度をガラス転移温度として、貯蔵弾性率が大きく低下を開始する付近の変曲点を軟化温度として、それぞれ求めることができる。   Further, when the matrix made of the proton conductive polymer (a) contains an organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in water at 25 ° C., the methanol permeation suppression property is enhanced. To preferred. Whether the matrix contains the organic compound (b) having proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is determined by any known method such as composition analysis, X-ray analysis, microscopic IR, DSC, thermomechanical analysis, etc. Can be judged by. For example, when the melting point or glass transition temperature of the organic compound (b) having proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is lower than that of proton conductivity, the softening temperature or glass transition temperature of the polymer electrolyte membrane When the temperature is lower than the softening temperature or the glass transition temperature of the polymer electrolyte membrane made of only the proton conductive polymer, it can be determined that it is also contained in the matrix. The softening temperature and glass transition temperature of the polymer electrolyte membrane can be measured by any known method. For example, the elastic modulus is measured by changing the temperature by the dynamic viscoelasticity method, and the loss elasticity relative to the storage elastic modulus is measured. The peak temperature of the ratio of ratios (tan δ) can be determined as the glass transition temperature, and the inflection point in the vicinity where the storage elastic modulus starts to greatly decrease can be determined as the softening temperature.

プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)は、分子量分布を有する化合物であり、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にあると好ましい。さらに、分子量が低い成分がプロトン伝導性ポリマーからなるマトリックスに含まれていることが好ましく、分子量が高い成分が粒子状の相を形成していることがより好ましい。プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が分子量分布を有する場合、その数平均分子量は300〜10000の範囲であり、重量平均分子量は3000〜1000000の範囲であることが好ましい。   The organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is a compound having a molecular weight distribution, and the ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight is preferably between 10 and 100. Furthermore, it is preferable that a component having a low molecular weight is contained in a matrix made of a proton conductive polymer, and it is more preferable that a component having a high molecular weight forms a particulate phase. When the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less has a molecular weight distribution, the number average molecular weight is in the range of 300 to 10,000, and the weight average molecular weight is in the range of 3000 to 1000000. preferable.

本発明で規定された構造を有する高分子電解質膜の製造方法を以下に説明する。本発明の高分子電解質膜は、プロトン伝導性ポリマー(a)と、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)とを、溶解した溶液を基板上に流延し、溶媒を除去することによって得ることができる。その際、溶媒として、プロトン伝導性ポリマー(a)と、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)との両方を溶解することができると好ましい。溶媒が、いずれかの成分を溶解できないと均一な溶液が得られず、成形に支障をきたすためである。また溶媒の沸点は300℃未満であることが好ましい。これは、沸点が300℃以下の溶媒であると、例えば加熱によって除くことができ、除去が容易になるためである。沸点を持たないか、著しく高い溶媒であると、除去するために、プロトン伝導性ポリマー(a)と、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が不溶で、溶媒と混和することができる別の溶媒に浸漬するなどの処理が必要になり、高分子電解質膜が多孔性になるなど、好ましい高分子電解質膜が得られないためである。   A method for producing a polymer electrolyte membrane having a structure defined in the present invention will be described below. The polymer electrolyte membrane of the present invention is obtained by casting a solution obtained by dissolving a proton conductive polymer (a) and an organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less onto a substrate, Can be obtained by removing. At that time, it is preferable that both the proton conductive polymer (a) and the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less can be dissolved as a solvent. This is because if the solvent cannot dissolve any of the components, a uniform solution cannot be obtained, which hinders molding. The boiling point of the solvent is preferably less than 300 ° C. This is because if the solvent has a boiling point of 300 ° C. or lower, it can be removed by heating, for example, and the removal becomes easy. In order to remove a solvent having no boiling point or a remarkably high solvent, the proton conductive polymer (a) and the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less are insoluble. This is because a treatment such as immersing in another solvent that can be mixed is required, and the polymer electrolyte membrane becomes porous, so that a preferable polymer electrolyte membrane cannot be obtained.

溶媒を除去するための方法は加熱が好ましく、加熱するための手段は、遠赤外線ヒーター、赤外線ヒーター、マイクロウエーブ加熱機、熱風、基板の加熱など、公知の任意の方法によって行うことができるが、熱風による除去が簡便で効率が高いため好ましい。溶液を流延した後、加熱して膜が自立性を有するまで溶媒除去することが好ましい。高分子電解質膜における溶媒量を40重量%以下にすれば、自立性を有する膜を得ることができる。このときの溶媒量は10〜30重量%であるとより好ましい。10重量%以下であると、基材からの剥離が困難になり、製造が困難になったり、品位が低下したりする場合があるためである。さらに、プロトン伝導性ポリマーは、その酸性基がカチオンと塩を形成していることが好ましい。これは、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)を粒子状に形成させるためと、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が酸性基によって副反応を起こすことを防ぐためである。プロトン伝導性ポリマーの酸性基がカチオンと塩を形成していると、極性が増加し、溶媒の除去に伴い、適度な相分離が進行し、本発明のような高次構造を得ることができる。カチオンとしては、Na、K、Liなど、アルカリ金属イオンが好ましい。プロトン伝導性の酸性基は、自己支持性の膜とした後、余分な溶媒を除去し、酸で処理することによって、酸性基とすることができる。膜から溶媒を除去するには、加熱してもよいが、残存量が小さくなると除去速度が低下するので、水などの、プロトン伝導性ポリマーと0.1mS/cm以下である有機化合物とが不溶であり、溶媒とは混和する物質によって抽出することが好ましい。酸処理に用いる酸としては、硫酸、塩酸、過塩素酸、メタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸など、強酸を用いることができ、硫酸や塩酸が好ましい。また、酸は、水溶液として用いることが好ましく、その濃度は0.1〜5mol/Lであることが好ましい。酸処理後は、過剰の酸を除去するため、水などで十分に洗浄するか、塩酸などの揮発性の酸を用いる場合には加熱するなどすることが好ましい。   The method for removing the solvent is preferably heating, and the heating means can be performed by any known method such as far infrared heater, infrared heater, microwave heater, hot air, substrate heating, etc. Removal with hot air is preferred because it is simple and efficient. After casting the solution, the solvent is preferably removed by heating until the film is self-supporting. If the amount of solvent in the polymer electrolyte membrane is 40% by weight or less, a self-supporting membrane can be obtained. The amount of solvent at this time is more preferably 10 to 30% by weight. It is because peeling from a base material will become difficult that it is 10 weight% or less, manufacture may become difficult, or a quality may fall. Further, the proton conductive polymer preferably has an acidic group forming a salt with a cation. This is because the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is formed into particles and the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is formed by an acidic group. This is to prevent side reactions. When the acidic group of the proton conductive polymer forms a salt with a cation, the polarity increases, and with the removal of the solvent, an appropriate phase separation proceeds and a higher order structure as in the present invention can be obtained. . As the cation, alkali metal ions such as Na, K, and Li are preferable. The proton-conductive acidic group can be converted into an acidic group by forming a self-supporting membrane and then removing the excess solvent and treating with an acid. In order to remove the solvent from the membrane, heating may be performed. However, since the removal rate decreases when the residual amount is small, the proton conductive polymer such as water and the organic compound having a concentration of 0.1 mS / cm or less are insoluble. And extraction with a substance miscible with the solvent is preferred. As the acid used for the acid treatment, a strong acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid, methanesulfonic acid, trifluoroacetic acid and the like can be used, and sulfuric acid and hydrochloric acid are preferable. Moreover, it is preferable to use an acid as aqueous solution, and it is preferable that the density | concentration is 0.1-5 mol / L. After the acid treatment, in order to remove excess acid, it is preferable to wash thoroughly with water or the like, or to heat when using a volatile acid such as hydrochloric acid.

前記の本発明の高分子電解質膜の作製方法において、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が、分子量分布を有し、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にある重合体であると、マトリックスに該有機化合物の一部を含む高分子電解質膜を得ることができるので、より好ましい。   In the method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention, the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less has a molecular weight distribution, and the ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight is 10. It is more preferable that the polymer is between ˜100 because a polymer electrolyte membrane containing a part of the organic compound in the matrix can be obtained.

本発明における、25℃におけるメタノールへの溶解度が1重量%以下である有機化合物(b)の好ましい態様の一つとして、フェノール性水酸基含有樹脂からなる群より選ばれる1種以上の化合物を挙げることができる。前記フェノール性水酸基含有樹脂とは、フェノール性水酸基含有化合物を構成成分とする重合体であり、フェノール性水酸基、すなわち芳香族環に直接結合した水酸基を有する化合物残基が、直接もしくは他の基によって連結された構造を有する重合体を例として示すことができるが、これらに限定されるものではない。   One preferred embodiment of the organic compound (b) having a solubility in methanol at 25 ° C. of 1% by weight or less in the present invention is one or more compounds selected from the group consisting of phenolic hydroxyl group-containing resins. Can do. The phenolic hydroxyl group-containing resin is a polymer having a phenolic hydroxyl group-containing compound as a constituent component, and a phenolic hydroxyl group, that is, a compound residue having a hydroxyl group directly bonded to an aromatic ring is directly or by another group. A polymer having a linked structure can be shown as an example, but is not limited thereto.

水酸基を有する化合物残基を連結する基としては、メチレン基、エチレン基、炭素数3以上のアルキレン基、アルケニレン基、アラルキレン基、スルフィド基、エーテル基、カルボニル基、スルホニル基、スルホン基などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。フェノール性水酸基含有化合物同士が連結されている場合には、実質的に連結に寄与する原子の数は1であることが好ましい(例えば、メチレン基、1,1−エチレン基、2,2−プロピレン基、スルフィド基、エーテル基、カルボニル基、スルホニル基、スルホン基など)。フェノール性水酸基含有化合物がエチレン基で連結されている場合には、フェノール性水酸基含有化合物が同一の炭素原子に結合していることが好ましい。連結基が炭素数3以上のアルキレン基の場合には、アルキル基が環状構造を有していることが好ましい。また、フェノール性水酸基含有化合物は、環状アルキレン基や、アラルキレン基で結合していても好ましい。あるいは、フェノール性水酸基含有化合物と芳香族化合物とが、メチレン基、1,1−エチレン基、2,2−プロピレン基、スルフィド基、エーテル基、カルボニル基、スルホニル基、スルホン基などで連結した構造であっても好ましい。連結基がアラルキレン基の場合には、芳香族基に結合したメチレン基、又はアルキル基で置換されたメチレン基によって、フェノール性水酸基含有化合物と結合していることが好ましい。フェノール性水酸基含有化合物が、1,2−エチレン基で結合しているような場合(例えば、ポリ(4−ヒドロキシスチレン)など)のような場合、メタノールへの溶解度が大きくなり、高分子電解質膜のメタノール透過性を抑制するという課題を達成することができなくなることがある。   Examples of the group linking a compound residue having a hydroxyl group include a methylene group, an ethylene group, an alkylene group having 3 or more carbon atoms, an alkenylene group, an aralkylene group, a sulfide group, an ether group, a carbonyl group, a sulfonyl group, and a sulfone group. However, it is not limited to these. When the phenolic hydroxyl group-containing compounds are linked to each other, the number of atoms substantially contributing to the linkage is preferably 1 (for example, methylene group, 1,1-ethylene group, 2,2-propylene). Group, sulfide group, ether group, carbonyl group, sulfonyl group, sulfone group, etc.). When the phenolic hydroxyl group-containing compound is linked with an ethylene group, the phenolic hydroxyl group-containing compound is preferably bonded to the same carbon atom. When the linking group is an alkylene group having 3 or more carbon atoms, the alkyl group preferably has a cyclic structure. In addition, the phenolic hydroxyl group-containing compound is preferably bonded with a cyclic alkylene group or an aralkylene group. Alternatively, a structure in which a phenolic hydroxyl group-containing compound and an aromatic compound are linked by a methylene group, 1,1-ethylene group, 2,2-propylene group, sulfide group, ether group, carbonyl group, sulfonyl group, sulfone group, etc. Even preferred. When the linking group is an aralkylene group, it is preferably bonded to the phenolic hydroxyl group-containing compound by a methylene group bonded to an aromatic group or a methylene group substituted with an alkyl group. When the phenolic hydroxyl group-containing compound is bonded with a 1,2-ethylene group (for example, poly (4-hydroxystyrene)), the solubility in methanol increases, and the polymer electrolyte membrane In some cases, it is impossible to achieve the problem of suppressing methanol permeability.

前記フェノール性水酸基含有樹脂の例として、フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂、アルキルフェノール樹脂、フェノールテルペン樹脂、アラルキル基置換フェノール樹脂、フェニル基置換フェノール樹脂、フェノキシ基置換フェノール樹脂などを挙げることができ、中でもフェノールアラルキル樹脂は溶解性や混合性に優れるため好ましい樹脂の一つである。これらの樹脂を用いた場合、プロトン伝導性ポリマーの軟化温度が低下し、ホットプレスによる電極との接合など、加工性が改善されるという副次的な効果もある。   Examples of the phenolic hydroxyl group-containing resin include a phenol aralkyl resin, a phenol cycloalkyl resin, an alkyl phenol resin, a phenol terpene resin, an aralkyl group-substituted phenol resin, a phenyl group-substituted phenol resin, and a phenoxy group-substituted phenol resin. Among them, a phenol aralkyl resin is one of preferable resins because of its excellent solubility and mixing properties. When these resins are used, there is also a secondary effect that the softening temperature of the proton conductive polymer is lowered and the workability is improved, such as bonding with an electrode by hot pressing.

前記フェノール性水酸基含有樹脂は、25℃におけるN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度が1重量%以上であることが好ましい。N−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度は、10重量%以上であることが好ましく、20重量%であるとより好ましい。前記フェノール性水酸基含有樹脂のフェノール性水酸基量は、0.001〜0.01mol/gの範囲にあることが好ましく、0.005〜0.01mol/gの範囲にあることがより好ましい。前記フェノール性水酸基含有樹脂の分子量は100〜1000000の範囲にあることが好ましい。分子量が低いほど高分子電解質膜との混和性が向上する傾向があるので好ましいが、脱落性が大きくなったり、高分子電解質膜の機械特性が低下したりする場合もある。分子量が大きいほど、高分子電解質膜の機械特性は向上するが、高分子電解質膜との親和性が低下したりする場合がある。プロトン伝導性ポリマー(a)に対する前記フェノール性水酸基含有化合物の重合体の量は、プロトン伝導性ポリマーの2〜50重量%の範囲であることが好ましく、3〜20重量%の範囲であることがさらに好ましい。プロトン伝導性ポリマーは特に限定されるものではないが、炭化水素系プロトン伝導性ポリマーであるとメタノール透過抑制効果が大きいため好ましく、芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーであるとメタノール透過抑制効果がさらに大きいためより好ましい。   The phenolic hydroxyl group-containing resin preferably has a solubility in N-methyl-2-pyrrolidone at 25 ° C. of 1% by weight or more. The solubility in N-methyl-2-pyrrolidone is preferably 10% by weight or more, and more preferably 20% by weight. The phenolic hydroxyl group content of the phenolic hydroxyl group-containing resin is preferably in the range of 0.001 to 0.01 mol / g, and more preferably in the range of 0.005 to 0.01 mol / g. The molecular weight of the phenolic hydroxyl group-containing resin is preferably in the range of 100 to 1000000. The lower the molecular weight, the better the miscibility with the polymer electrolyte membrane, which is preferable. However, there are cases where the detachability increases and the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane may decrease. As the molecular weight increases, the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane improve, but the affinity with the polymer electrolyte membrane may decrease. The amount of the polymer of the phenolic hydroxyl group-containing compound relative to the proton conductive polymer (a) is preferably in the range of 2 to 50% by weight, and in the range of 3 to 20% by weight of the proton conductive polymer. Further preferred. The proton conductive polymer is not particularly limited, but a hydrocarbon proton conductive polymer is preferable because of its large methanol permeation suppressing effect, and an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer is effective for suppressing methanol permeation. It is more preferable because it is larger.

本発明における高分子電解質膜において、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下の有機化合物(b)として前記フェノール性水酸基含有化合物を構成成分とする重合体(樹脂)が、プロトン伝導性ポリマー(a)からなるマトリックス中に粒子状に存在した高分子電解質膜が特にメタノール透過性抑制性に優れる機構は明らかではないが、前記重合体が、メタノールに対して溶解度が低い(好ましくは溶解しない)ので、膜内での粒子状物がメタノール透過を抑制している推察される。また、前記フェノール性水酸基含有化合物が分子量分布を有しているとさらに良好なメタノール阻止性を示すことから、低分子成分のマトリックスへの適度の混和と、ミクロな粒子状に存在する前記フェノール性水酸基含有化合物とが相乗的に作用して、優れた効果を示していると推察される。また、プロトン伝導性ポリマー(a)との親和性には、フェノール性水酸基が寄与していると推察される。すなわち、スルホン酸基、ホスホン酸基などの酸性基や、塩基性基などの極性基を有するプロトン伝導性ポリマーは、極性の高い物質と混合しやすいので、極性のフェノール性水酸基を有する前記重合体は、プロトン伝導性ポリマーと適度に混和して効力を発揮していると推察される。もしメタノールに対して溶解性の低い化合物であっても、プロトン伝導性ポリマー(a)に対して親和性が低ければ、高分子電解質膜において均一に分散することが困難になり、メタノール透過抑制効果が得られないばかりか、膜への成形に支障をきたす可能性が非常に高い。また、フェノール性水酸基の代わりに、他の極性基、例えばカルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、イミノ基などを有する重合体で、メタノールに対する溶解度が前記の範囲のものであると、本発明の重合体と同様に、高分子電解質膜におけるメタノール透過抑制性を発揮する可能性がある。   In the polymer electrolyte membrane according to the present invention, a polymer (resin) having the phenolic hydroxyl group-containing compound as a constituent component as an organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is a proton conductive polymer (a It is not clear how the polymer electrolyte membrane existing in the form of a matrix in the matrix is excellent in methanol permeability inhibition, but the polymer has low solubility (preferably not soluble) in methanol. It is assumed that the particulate matter in the membrane suppresses methanol permeation. In addition, since the phenolic hydroxyl group-containing compound has a molecular weight distribution, it exhibits a better methanol blocking property. Therefore, the phenolic compound present in a microparticulate form with appropriate mixing with a low molecular component matrix. It is presumed that the hydroxyl group-containing compound acts synergistically to show an excellent effect. Moreover, it is guessed that the phenolic hydroxyl group contributes to affinity with a proton conductive polymer (a). That is, since the proton conductive polymer having an acidic group such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group or a polar group such as a basic group is easily mixed with a highly polar substance, the polymer having a polar phenolic hydroxyl group is used. Is presumed to be effective by mixing appropriately with a proton-conductive polymer. Even if the compound is poorly soluble in methanol, if the affinity for the proton conducting polymer (a) is low, it becomes difficult to uniformly disperse in the polymer electrolyte membrane, and the methanol permeation inhibiting effect Is not only obtained, but also very likely to hinder the formation of the film. Further, in the present invention, a polymer having another polar group, for example, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, an imino group, etc., instead of the phenolic hydroxyl group, having a solubility in methanol within the above range. Like the polymer, there is a possibility of exhibiting methanol permeation suppression in the polymer electrolyte membrane.

本発明におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として好適に用いることができるフェノールアラルキル樹脂とは、フェノール性の水酸基を有する基、すなわち芳香族基に水酸基が結合した基と、アラルキル基、すなわち芳香族基と非芳香族性の炭化水素基からなる基とが結合して、主となる構造単位を形成している樹脂のことをいう。フェノール性の水酸基を有する基は、フェノールに限定されるわけではなく、クレゾール、エチルフェノール、プロピルフェノール、ブチルフェノールなどのフェノール誘導体や、ビスフェノールA、ビスフェノールS、ビスフェノールB、ビスフェノールH、ビフェノール、及びそれらの誘導体などのポリフェノール化合物や、ナフトール、ナフトジオールなどのナフトール化合物などに由来する基も含む。アラルキル基は、芳香族基に対して、置換基を有していてもよい二つのメチレン基を有する基を表し、キシリデン基、α、α’−ジメチルキシリデン基、メチレン基を有するナフタレン誘導体、メチレン基を有するビフェニル誘導体などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。   The phenol aralkyl resin that can be suitably used as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in the present invention is a group having a phenolic hydroxyl group, that is, a hydroxyl group bonded to an aromatic group. A resin in which a group and an aralkyl group, that is, a group composed of an aromatic group and a non-aromatic hydrocarbon group, are combined to form a main structural unit. The group having a phenolic hydroxyl group is not limited to phenol, phenol derivatives such as cresol, ethylphenol, propylphenol, butylphenol, bisphenol A, bisphenol S, bisphenol B, bisphenol H, biphenol, and their Groups derived from polyphenol compounds such as derivatives and naphthol compounds such as naphthol and naphthdiol are also included. The aralkyl group represents a group having two methylene groups which may have a substituent with respect to the aromatic group, and a xylidene group, α, α′-dimethylxylidene group, a naphthalene derivative having a methylene group, Examples thereof include, but are not limited to, biphenyl derivatives having a methylene group.

フェノールアラルキル樹脂は、上記のフェノール性水酸基を有する化合物と、アラルキル基化合物とを縮合反応させることによって得ることができる。例えば、フェノール性水酸基を有する化合物に対して、芳香族ジビニル化合物や、ビニル基とハロメチル基を有する芳香族化合物や、ビス(ハロメチル)芳香族化合物や、ビス(メトキシメチル)芳香族化合物や、ビス(ヒドロキシメチル)芳香族化合物などを、トルエンスルホン酸、塩酸、硫酸、しゅう酸、リン酸、マレイン酸などの酸性物質や、塩化アルミニウム、塩化第一錫、塩化亜鉛、三フッ化ほう素エーテラート、硫酸ジメチルなどのフリーデルクラフツ触媒の存在下で反応させることによって得ることができる。反応温度は30〜150℃の間で、原料の種類や重合度に応じて適宜選択することができる。触媒量は0.001〜5重量%の間で、触媒の種類や、反応温度、原料に応じて適宜選択することができる。原料は、溶融状態で反応させてもよいし、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどの溶媒中で行うこともできる。   The phenol aralkyl resin can be obtained by subjecting the compound having a phenolic hydroxyl group and an aralkyl group compound to a condensation reaction. For example, with respect to a compound having a phenolic hydroxyl group, an aromatic divinyl compound, an aromatic compound having a vinyl group and a halomethyl group, a bis (halomethyl) aromatic compound, a bis (methoxymethyl) aromatic compound, (Hydroxymethyl) aromatic compounds such as toluenesulfonic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, oxalic acid, phosphoric acid, maleic acid, etc., aluminum chloride, stannous chloride, zinc chloride, boron trifluoride etherate, It can be obtained by reacting in the presence of a Friedel-Crafts catalyst such as dimethyl sulfate. The reaction temperature can be appropriately selected between 30 and 150 ° C. according to the type of raw material and the degree of polymerization. The amount of the catalyst can be appropriately selected between 0.001 to 5% by weight, depending on the type of catalyst, the reaction temperature, and the raw material. The raw material may be reacted in a molten state, or may be carried out in a solvent such as diethyl ketone, methyl ethyl ketone, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone.

フェノール性水酸基を有する化合物に対して、ビニル基はフェノール性水酸基を有する化合物のベンゼン環に対してα位で付加重合する。また、クロロメチル基などのハロメチル基はHClを、メトキシメチル基はメタノールを、ヒドロキシメチル基は水を、それぞれ脱離して重合する。このようなフェノールアラルキル樹脂の製造方法は、例えば、特公昭47−6510号公報、特公昭48−10960号公報、特開昭61−221284号公報、特開昭61−296024号公報、特開昭63−238129号公報、特開平5−78457号公報、特開2000−53740号公報に記載されている。反応後の樹脂組成物は、そのまま用いてもよいし、減圧蒸留や再沈によって未反応物やオリゴマー、モノマーの変性物などを除去して用いてもよいし、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどの適当な溶媒に溶解して用いてもよい。   For a compound having a phenolic hydroxyl group, the vinyl group undergoes addition polymerization at the α-position with respect to the benzene ring of the compound having a phenolic hydroxyl group. Further, halomethyl groups such as chloromethyl groups are polymerized by eliminating HCl, methoxymethyl groups methanol, and hydroxymethyl groups water. Examples of the method for producing such a phenol aralkyl resin include, for example, Japanese Patent Publication No. 47-6510, Japanese Patent Publication No. 48-10960, Japanese Patent Publication No. 61-212284, Japanese Patent Publication No. 61-296024, Japanese Patent Publication No. 63-238129, JP-A-5-78457, and JP-A-2000-53740. The resin composition after the reaction may be used as it is, or may be used after removing unreacted substances, oligomers, modified monomers, etc. by distillation under reduced pressure or reprecipitation, or diethyl ketone, methyl ethyl ketone, N, N -You may melt | dissolve and use in suitable solvents, such as a dimethylacetamide and N-methyl-2- pyrrolidone.

本発明におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として好適に用いることができるフェノールシクロアルキル樹脂とは、フェノール性の水酸基を有する基、すなわち芳香族基に水酸基が結合した基と、シクロアルキル基とが結合して、主となる構造単位を形成している樹脂のことをいう。フェノール性の水酸基を有する基は、フェノールに限定されるわけではなく、クレゾール、エチルフェノール、プロピルフェノール、ブチルフェノールなどのフェノール誘導体や、ビスフェノールA、ビスフェノールS、ビスフェノールB、ビスフェノールH、ビフェノール、及びそれらの誘導体などのポリフェノール化合物や、ナフトール、ナフトジオールなどのナフトール化合物などに由来する基も含む。シクロアルキル基としては、シクロブタン基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ジシクロヘプタン基、ジシクロノナン基、トリシクロデシル基などを挙げることができる。   The phenol cycloalkyl resin which can be suitably used as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in the present invention is a group having a phenolic hydroxyl group, that is, a hydroxyl group bonded to an aromatic group. And a cycloalkyl group bonded to each other to form a main structural unit. The group having a phenolic hydroxyl group is not limited to phenol, phenol derivatives such as cresol, ethylphenol, propylphenol, butylphenol, bisphenol A, bisphenol S, bisphenol B, bisphenol H, biphenol, and their Groups derived from polyphenol compounds such as derivatives and naphthol compounds such as naphthol and naphthdiol are also included. Examples of the cycloalkyl group include a cyclobutane group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a dicycloheptane group, a dicyclononane group, and a tricyclodecyl group.

フェノールシクロアルキル樹脂は、上記のフェノール性水酸基を有する化合物と、シクロアルキル基化合物とを縮合反応させることによって得ることができる。例えば、フェノール性水酸基を有する化合物に対して、ジシクロペンタジエン、シクロテルペン、ピネン、シクロブタジエン、シクロペンタジエン、シクロヘキサジエン、ジシクロヘプタジエン、ジシクロノナジエンや、ジビニルシクロアルキル化合物や、ビニル基とハロメチル基を有するシクロアルキル化合物や、ビス(ハロメチル)シクロアルキル化合物や、ビス(メトキシメチル)シクロアルキル化合物や、ビス(ヒドロキシメチル)シクロアルキル化合物などを、トルエンスルホン酸、塩酸、硫酸、しゅう酸、リン酸、マレイン酸などの酸性物質や、塩化アルミニウム、塩化第一錫、塩化亜鉛、三フッ化ほう素エーテラート、硫酸ジメチルなどのフリーデルクラフツ触媒の存在下で反応させることによって得ることができる。反応温度は30〜150℃の間で、原料の種類や重合度に応じて適宜選択することができる。触媒量は0.001〜5重量%の間で、触媒の種類や、反応温度、原料に応じて適宜選択することができる。原料は、溶融状態で反応させてもよいし、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどの溶媒中で行うこともできる。フェノール性水酸基を有する化合物に対して、ビニル基はフェノール性水酸基を有する化合物のベンゼン環に対してα位で付加重合する。また、クロロメチル基などのハロメチル基はHClを、メトキシメチル基はメタノールを、ヒドロキシメチル基は水を、それぞれ脱離して重合する。このようなフェノールアラルキル樹脂の製造方法は、例えば、米国特許3536734号に記載されている。反応後の樹脂組成物は、そのまま用いてもよいし、減圧蒸留や再沈によって未反応物やオリゴマー、モノマーの変性物などを除去して用いてもよいし、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンなどの適当な溶媒に溶解して用いてもよい。   The phenol cycloalkyl resin can be obtained by subjecting the compound having a phenolic hydroxyl group and a cycloalkyl group compound to a condensation reaction. For example, for a compound having a phenolic hydroxyl group, dicyclopentadiene, cycloterpene, pinene, cyclobutadiene, cyclopentadiene, cyclohexadiene, dicycloheptadiene, dicyclononadiene, divinyl cycloalkyl compound, vinyl group and A cycloalkyl compound having a halomethyl group, a bis (halomethyl) cycloalkyl compound, a bis (methoxymethyl) cycloalkyl compound, a bis (hydroxymethyl) cycloalkyl compound, etc., are added with toluenesulfonic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, oxalic acid, It can be obtained by reacting in the presence of an acidic substance such as phosphoric acid or maleic acid, or a Friedel-Crafts catalyst such as aluminum chloride, stannous chloride, zinc chloride, boron trifluoride etherate or dimethyl sulfate. The reaction temperature can be appropriately selected between 30 and 150 ° C. according to the type of raw material and the degree of polymerization. The amount of the catalyst can be appropriately selected between 0.001 to 5% by weight, depending on the type of catalyst, the reaction temperature, and the raw material. The raw material may be reacted in a molten state, or may be carried out in a solvent such as diethyl ketone, methyl ethyl ketone, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone. For a compound having a phenolic hydroxyl group, the vinyl group undergoes addition polymerization at the α-position with respect to the benzene ring of the compound having a phenolic hydroxyl group. Further, halomethyl groups such as chloromethyl groups are polymerized by eliminating HCl, methoxymethyl groups methanol, and hydroxymethyl groups water. A method for producing such a phenol aralkyl resin is described in, for example, US Pat. No. 3,536,734. The resin composition after the reaction may be used as it is, or may be used after removing unreacted substances, oligomers, modified monomers, etc. by distillation under reduced pressure or reprecipitation, or diethyl ketone, methyl ethyl ketone, N, N -You may melt | dissolve and use in suitable solvents, such as a dimethylacetamide and N-methyl-2- pyrrolidone.

フェノールアラルキル樹脂及びフェノールシクロアルキル樹脂は、分子量が100〜1000000の間にあることが好ましい。より好ましく200〜500000の間である。数平均分子量に対する重量平均分子量の比は10〜100の間にあるとより好ましい。また、前記樹脂は、実質的に線状の重合体であることが好ましい。多数の分岐構造や、網状構造を有する樹脂であると、プロトン伝導性ポリマー(a)との混和性が低下する可能性がある。前記樹脂は、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホンなど、一般的なプロトン伝導性ポリマーを溶解することのできる溶媒に、溶解することができると、溶液で混合することができるので好ましい。プロトン伝導性ポリマー(a)と前記樹脂が同一の溶媒に混合しない場合には、溶融状態で混合することもできる。   The phenol aralkyl resin and the phenol cycloalkyl resin preferably have a molecular weight of 100 to 1,000,000. More preferably, it is between 200 and 500,000. The ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight is more preferably between 10 and 100. The resin is preferably a substantially linear polymer. If the resin has a large number of branched structures or a network structure, the miscibility with the proton conductive polymer (a) may be lowered. The resin is dissolved in a solvent capable of dissolving a general proton conductive polymer such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, and diphenyl sulfone. It is preferable to be able to do so because it can be mixed in a solution. When the proton conductive polymer (a) and the resin are not mixed in the same solvent, they can be mixed in a molten state.

フェノールアラルキル樹脂及びフェノールシクロアルキル樹脂は、メタノールに対する25℃での溶解度が10重量%以下であることが好ましく、1重量%以下であることがより好ましい。メタノールに対して溶解性が大きいものであると、メタノール透過の抑制性能が低下する場合がある。高分子電解質膜に対する、前記樹脂の量は、2〜50重量%であることが好ましく、2〜20重量%であることがより好ましい。前記樹脂の量が、プロトン伝導性ポリマーに対して2重量%未満であると、メタノール透過の抑制効果が十分に得られないことがあるため好ましくない。また、100重量%を超えると、高分子電解質膜の機械特性が低下する場合があるため好ましくない。前記樹脂の含有量は、抽出法、NMR法などによって分析することができる。   The phenol aralkyl resin and the phenol cycloalkyl resin preferably have a solubility in methanol at 25 ° C. of 10% by weight or less, and more preferably 1% by weight or less. If the solubility in methanol is large, the methanol permeation suppression performance may be reduced. The amount of the resin relative to the polymer electrolyte membrane is preferably 2 to 50% by weight, and more preferably 2 to 20% by weight. If the amount of the resin is less than 2% by weight based on the proton conductive polymer, the effect of suppressing methanol permeation may not be obtained sufficiently, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 100% by weight, the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane may deteriorate, which is not preferable. The content of the resin can be analyzed by an extraction method, an NMR method, or the like.

フェノールアラルキル樹脂及びフェノールシクロアルキル樹脂は、フェノール性水酸基の量が1〜10mmol/gの範囲であることが好ましく、より好ましくは1〜7.5mmol/g、さらに好ましくは2〜6mmol/g、特に好ましくは、2.5〜5mmol/gの範囲である。フェノール性水酸基の量が1mmol/g未満であると、プロトン伝導性ポリマーとの混合性が低下し、高分子電解質膜としての均一性に問題が生じる場合がある。フェノール性水酸基の量が7.5mmol/gを超えると、メタノール透過の抑制効果が十分に得られないことがあるため好ましくない。フェノール性水酸基の量は、NMR法、酸無水物による水酸基の定量法、酸化還元滴定法など、任意の方法で定量することができる。高分子電解質膜をそのまま分析することもできるし、前記樹脂を抽出した後で分析することもできる。   The phenol aralkyl resin and the phenol cycloalkyl resin preferably have a phenolic hydroxyl group content in the range of 1 to 10 mmol / g, more preferably 1 to 7.5 mmol / g, still more preferably 2 to 6 mmol / g, particularly Preferably, it is the range of 2.5-5 mmol / g. When the amount of the phenolic hydroxyl group is less than 1 mmol / g, the mixing property with the proton conductive polymer is lowered, and there may be a problem in uniformity as a polymer electrolyte membrane. When the amount of the phenolic hydroxyl group exceeds 7.5 mmol / g, the methanol permeation suppressing effect may not be sufficiently obtained, which is not preferable. The amount of the phenolic hydroxyl group can be quantified by an arbitrary method such as an NMR method, a hydroxyl group quantification method using an acid anhydride, or an oxidation-reduction titration method. The polymer electrolyte membrane can be analyzed as it is or after the resin is extracted.

フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂及びアルキルフェノール樹脂などの、フェノール性水酸基含有化合物を構成成分とする重合体(フェノール性水酸基含有樹脂)は、フェノール性水酸基が、プロトン伝導性ポリマーの酸性基と、実質的に結合を形成しないことが好ましい。結合を形成しているかどうかは、高分子電解質膜について、IR測定やNMR測定を行い、遊離の水酸基の有無を確認することによって行うことができる。前記樹脂単体で検出されたOH由来のピークあるいはシグナルが、高分子電解質膜についても検出されれば、結合を形成していないことを示している。また、高分子電解質膜のイオン交換容量を測定し、理論量(高分子電解質膜に含まれるプロトン伝導性ポリマーについての量)と実測値に差があるかどうかで判断することができる。理論量と実測値が同等であれば、結合はないと判断することができる。また、プロトン伝導性ポリマー(a)を溶解することのできる溶媒に、高分子電解質膜を浸漬して溶解するかどうかを観察することでも判断できる。高分子電解質膜が良好に溶解すれば、結合はないと判断でき、溶解せず膨潤するにとどまったり、一部がゲル状に残存したりするようであれば、結合があると判断することができる。前記した本発明の高分子電解質膜の製造方法を用いれば、そのような高分子電解質膜を得ることができる。   A polymer (phenolic hydroxyl group-containing resin) containing a phenolic hydroxyl group-containing compound, such as a phenol aralkyl resin, a phenol cycloalkyl resin, and an alkylphenol resin, has a phenolic hydroxyl group substantially different from an acidic group of a proton conductive polymer. It is preferable that no bond is formed. Whether or not a bond is formed can be determined by performing IR measurement or NMR measurement on the polymer electrolyte membrane and confirming the presence or absence of a free hydroxyl group. If the peak or signal derived from OH detected by the resin alone is also detected for the polymer electrolyte membrane, it indicates that no bond is formed. In addition, the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane is measured, and it can be determined whether there is a difference between the theoretical amount (the amount of proton conductive polymer contained in the polymer electrolyte membrane) and the actual measurement value. If the theoretical amount and the actually measured value are equivalent, it can be determined that there is no coupling. It can also be judged by observing whether or not the polymer electrolyte membrane is dissolved in a solvent capable of dissolving the proton conductive polymer (a). If the polymer electrolyte membrane dissolves satisfactorily, it can be determined that there is no bond. If the polymer electrolyte membrane does not dissolve and only swells or remains partially gelled, it can be determined that there is a bond. it can. Such a polymer electrolyte membrane can be obtained by using the above-described method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention.

本発明のプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)としては、フェノールアラルキル樹脂の方が、フェノールシクロアルキル樹脂よりも、メタノール透過性の抑制性能が高くすることが可能になるので好ましい。本発明において、フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂及びアルキルフェノール樹脂が高分子電解質膜のメタノール透過性を抑制する機構は定かではないが、単にフェノール性水酸基を有する化合物(例えば、ポリ(4−ヒドロキシルスチレン)や、フェノール系酸化防止剤類)では、フェノールアラルキル樹脂、アルキルフェノール樹脂、又はフェノールシクロアルキル樹脂のような、顕著な透過抑制効果は見られないことから、疎水性のアルキル基、アラルキル基、又はシクロアルキル基がメタノール透過を抑制すると共に、極性基であるフェノール性水酸基がプロトン伝導性ポリマーとの混合性を高めるため、プロトン伝導性ポリマー(a)と前記樹脂との混合性が確保されているためではないかと推察される。さらに粒子状の相分離構造が、メタノール透過抑制に寄与していると推察される。   As the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less according to the present invention, the phenol aralkyl resin can have higher methanol permeability suppression performance than the phenol cycloalkyl resin. This is preferable. In the present invention, the mechanism by which the phenol aralkyl resin, phenol cycloalkyl resin and alkyl phenol resin suppress the methanol permeability of the polymer electrolyte membrane is not clear, but it is simply a compound having a phenolic hydroxyl group (for example, poly (4-hydroxylstyrene). ) And phenolic antioxidants), such as a phenol aralkyl resin, an alkylphenol resin, or a phenolcycloalkyl resin, since there is no significant permeation suppression effect, a hydrophobic alkyl group, an aralkyl group, or Since the cycloalkyl group suppresses methanol permeation and the phenolic hydroxyl group, which is a polar group, increases the mixing property with the proton conductive polymer, the mixing property between the proton conductive polymer (a) and the resin is ensured. It is guessed that it is for this purpose. Furthermore, it is surmised that the particulate phase separation structure contributes to methanol permeation suppression.

本発明における、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として用いるフェノールアラルキル樹脂及びフェノールシクロアルキル樹脂を製造するための原料のうち、フェノール性水酸基を有する化合物の例としては以下のような化合物を挙げることができるが、これらに限定されず、上記の条件に適合するフェノールアラルキル樹脂及びフェノールシクロアルキル樹脂を合成できるものであれば、任意の化合物を用いることができる。   Among the raw materials for producing the phenol aralkyl resin and phenol cycloalkyl resin used as the organic compound (b) having proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in the present invention, examples of the compound having a phenolic hydroxyl group are as follows: Although the following compounds can be exemplified, the present invention is not limited to these compounds, and any compound can be used as long as it can synthesize a phenol aralkyl resin and a phenol cycloalkyl resin that meet the above conditions.

例えば、フェノール、p−クレゾール、o−クレゾール、p−エチルフェノール、p−ターシャリーブチルフェノール、2,4−ジメチルフェノール、4−フェノキシフェノール、4−フェニルフェノール、4,4−ビフェノール、3,3’−ジメチル−4,4−ビフェノール、3,3’,5,5’−テトラメチル−4,4−ビフェノール、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオビスフェノール、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、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、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、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)アダマンタン、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トレン−10−オキサイド、2,2’−ジヘキシル−4,4’−ジヒドロキシビフェニル、ナフトール、ナフトジオールなどを挙げることができる。   For example, phenol, p-cresol, o-cresol, p-ethylphenol, p-tertiary butylphenol, 2,4-dimethylphenol, 4-phenoxyphenol, 4-phenylphenol, 4,4-biphenol, 3,3 ′ -Dimethyl-4,4-biphenol, 3,3 ', 5,5'-tetramethyl-4,4-biphenol, 4,4'-oxydiphenol, 4,4'-thiobisphenol, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxy-3-methylphenyl) propane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, 2,2-bis ( 4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 9,9-bis (4-hydro) Ciphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4 -Hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 1,3-bis (4-hydroxyphenyl) ) Adamantane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) adamantane 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide, 2,2′-dihexyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, naphthol, naphtho Examples include diols.

本発明におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として用いるフェノールアラルキル樹脂を製造するために、フェノール性水酸基を有する化合物と反応させる化合物としては、以下のような化合物を挙げることができるが、これらに限定されず、上記の条件に適合するフェノールアラルキル樹脂を合成できるものであれば、任意の化合物を用いることができる。   In order to produce a phenol aralkyl resin used as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in the present invention, the following compound is used as a compound to be reacted with a compound having a phenolic hydroxyl group. Although not limited thereto, any compound can be used as long as it can synthesize a phenol aralkyl resin that meets the above conditions.

例えば、p−ジビニルベンゼン、o−ジビニルベンゼン、p−ジビニルベンゼンとo−ジビニルベンゼンの混合物、ジビニルナフタレン、ジビニルビフェノール、ジビニルアントラセン、1,4−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、ビス(メトキシメチル)ナフタレン、4,4’−ビス(メトキシメチル)ビフェニル、ビス(メトキシメチル)アントラセン、1,4−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,4−ビス(ブロモメチル)ベンゼン、1,4−ビス(フルオロメチル)ベンゼン、1,4−ビス(ヨードメチル)ベンゼン、1,3−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,3−ビス(ブロモメチル)ベンゼン、1,3−ビス(フルオロメチル)ベンゼン、1,3−ビス(ヨードメチル)ベンゼン、ビス(クロロメチル)ナフタレン、ビス(ブロモメチル)ナフタレン、ビス(フルオロメチル)ナフタレン、ビス(ヨードメチル)ナフタレン、ビス(クロロメチル)アントラセン、ビス(ブロモメチル)アントラセン、ビス(フルオロメチル)アントラセン、ビス(ヨードメチル)アントラセン、ビス(クロロメチル)テトラフェニルメタン、ビス(ブロモメチル)テトラフェニルメタン、ビス(フルオロメチル)テトラフェニルメタン、ビス(ヨードメチル)テトラフェニルメタン、4,4’−(クロロメチル)ビフェニル、4,4’−(ブロモメチル)ビフェニル、4,4’−(フルオロメチル)ビフェニル、4,4’−(ヨードメチル)ビフェニル、1,4−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、ビス(ヒドロキシメチル)ナフタレン、ビス(ヒドロキシメチル)アントラセン、4,4−ビス(ヒドロキシメチル)ビフェニル、ビス(ヒドロキシメチル)テトラフェニルメタン、4−フルオロメチルスチレン、4−クロロメチルスチレン、4−ブロモメチルスチレン、4−ヨードメチルスチレン、3−フルオロメチルスチレン、3−クロロメチルスチレン、3−ブロモメチルスチレン、4−ヒドロキシメチルスチレン、3−ヒドロキシメチルスチレンなどを挙げることができる。   For example, p-divinylbenzene, o-divinylbenzene, a mixture of p-divinylbenzene and o-divinylbenzene, divinylnaphthalene, divinylbiphenol, divinylanthracene, 1,4-bis (methoxymethyl) benzene, 1,3-bis ( Methoxymethyl) benzene, bis (methoxymethyl) naphthalene, 4,4′-bis (methoxymethyl) biphenyl, bis (methoxymethyl) anthracene, 1,4-bis (chloromethyl) benzene, 1,4-bis (bromomethyl) Benzene, 1,4-bis (fluoromethyl) benzene, 1,4-bis (iodomethyl) benzene, 1,3-bis (chloromethyl) benzene, 1,3-bis (bromomethyl) benzene, 1,3-bis ( Fluoromethyl) benzene, 1,3-bis (iodomethyl) benze Bis (chloromethyl) naphthalene, bis (bromomethyl) naphthalene, bis (fluoromethyl) naphthalene, bis (iodomethyl) naphthalene, bis (chloromethyl) anthracene, bis (bromomethyl) anthracene, bis (fluoromethyl) anthracene, bis (iodomethyl) ) Anthracene, bis (chloromethyl) tetraphenylmethane, bis (bromomethyl) tetraphenylmethane, bis (fluoromethyl) tetraphenylmethane, bis (iodomethyl) tetraphenylmethane, 4,4 ′-(chloromethyl) biphenyl, 4, 4 '-(bromomethyl) biphenyl, 4,4'-(fluoromethyl) biphenyl, 4,4 '-(iodomethyl) biphenyl, 1,4-bis (hydroxymethyl) benzene, 1,3-bis (hydroxymethyl) ) Benzene, bis (hydroxymethyl) naphthalene, bis (hydroxymethyl) anthracene, 4,4-bis (hydroxymethyl) biphenyl, bis (hydroxymethyl) tetraphenylmethane, 4-fluoromethylstyrene, 4-chloromethylstyrene, 4 -Bromomethylstyrene, 4-iodomethylstyrene, 3-fluoromethylstyrene, 3-chloromethylstyrene, 3-bromomethylstyrene, 4-hydroxymethylstyrene, 3-hydroxymethylstyrene and the like can be mentioned.

本発明におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として用いるフェノールシクロアルキル樹脂を製造するために、フェノール性水酸基を有する化合物と反応させる化合物としては、以下のような化合物を挙げることができるが、これらに限定されず、上記の条件に適合するフェノールシクロアルキル樹脂を合成できるものであれば、任意の化合物を用いることができる。   In order to produce the phenol cycloalkyl resin used as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in the present invention, the following compound is used as the compound to be reacted with the compound having a phenolic hydroxyl group. However, the present invention is not limited thereto, and any compound can be used as long as it can synthesize a phenol cycloalkyl resin that meets the above conditions.

例えば、2,4−ジメチル−1,4−シクロブタジエン、1,3−シクロペンタジエン、1,4−シクロヘキサジエン、ジシクロペンタジエン、シクロテルペン、ピネン、ジシクロヘプタジエン、ジシクロノナジエン、ビス(クロロメチル)シクロヘキサン、ビス(ヒドロキシメチル)シクロヘキサン、ジビニルシクロヘキサンを挙げることができる。   For example, 2,4-dimethyl-1,4-cyclobutadiene, 1,3-cyclopentadiene, 1,4-cyclohexadiene, dicyclopentadiene, cycloterpene, pinene, dicycloheptadiene, dicyclononadiene, bis ( Chloromethyl) cyclohexane, bis (hydroxymethyl) cyclohexane, and divinylcyclohexane.

本発明における、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として用いるアルキルフェノール樹脂の例としては、o−又はp−クレゾールノボラック樹脂、ジメチルフェノールノボラック樹脂、ターシャリーブチルフェノールノボラック樹脂、クレゾールレゾール樹脂などを挙げることができる。クレゾールノボラック樹脂は、例えば、o−またはp−クレゾールとホルムアルデヒドを、酸性触媒の存在下で加熱して脱水縮合することによって得ることができる。アルキルフェノール樹脂は、アルキル基を置換基として有するフェノール誘導体を、ホルムアルデヒドなどの縮合剤と反応させて得ることができる。また、縮合剤との反応には水酸化ナトリウムなどの塩基性触媒を用いることもできるが、反応が進行しすぎると架橋反応が進行し、溶媒に不溶化するなど取り扱いが困難になる場合があるので好ましくない。酸性触媒を用いて、実質的に線状の重合体であることが好ましい。アルキルフェノール樹脂を得るための、アルキル置換フェノールとしては、o−クレゾール、p−クレゾール、m−クレゾール、ジメチルフェノール、トリメチルフェノール、エチルフェノール、ジエチルフェノール、トリエチルフェノール、プロピルフェノール、イソプロピルフェノール、ブチルフェノール、ターシャリーブチルフェノールなどを例として挙げられるがこれらに限定されるものではない。アルキル置換フェノールと反応させる縮合剤は、ホルムアルデヒド、ヘキサメチレンテトラミンなどを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。触媒に用いる酸性化合物としては、塩酸、硫酸、トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、メタンスルホン酸、リン酸、アルキルホスホン酸、ビニルホスホン酸などの強酸を挙げることができる。アルキル置換フェノールと縮合剤と触媒は、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ジエチルケトン、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの溶媒の存在下、あるいは非存在下で、還流条件下で加熱し反応させることができる。未反応の化合物や溶媒は、再沈殿、透析、蒸留、減圧蒸留などによって除去することができる。未反応の化合物はできるだけ除去しておくことが好ましい。   Examples of the alkylphenol resin used as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less in the present invention include o- or p-cresol novolak resin, dimethylphenol novolak resin, tertiary butylphenol novolak resin, Examples thereof include cresol resol resins. The cresol novolac resin can be obtained, for example, by dehydrating condensation by heating o- or p-cresol and formaldehyde in the presence of an acidic catalyst. The alkylphenol resin can be obtained by reacting a phenol derivative having an alkyl group as a substituent with a condensing agent such as formaldehyde. In addition, a basic catalyst such as sodium hydroxide can be used for the reaction with the condensing agent, but if the reaction proceeds too much, the crosslinking reaction proceeds and it may become difficult to handle such as insolubilization in a solvent. It is not preferable. It is preferably a substantially linear polymer using an acidic catalyst. As alkyl-substituted phenols for obtaining alkylphenol resins, o-cresol, p-cresol, m-cresol, dimethylphenol, trimethylphenol, ethylphenol, diethylphenol, triethylphenol, propylphenol, isopropylphenol, butylphenol, tertiary Examples include but are not limited to butylphenol. Examples of the condensing agent to be reacted with the alkyl-substituted phenol include, but are not limited to, formaldehyde and hexamethylenetetramine. Examples of the acidic compound used for the catalyst include strong acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, toluenesulfonic acid, benzenesulfonic acid, methanesulfonic acid, phosphoric acid, alkylphosphonic acid, and vinylphosphonic acid. The alkyl-substituted phenol, the condensing agent, and the catalyst can be reacted by heating under reflux conditions in the presence or absence of a solvent such as methyl ethyl ketone, cyclohexanone, diethyl ketone, tetrahydrofuran, or dioxane. Unreacted compounds and solvents can be removed by reprecipitation, dialysis, distillation, vacuum distillation or the like. It is preferable to remove unreacted compounds as much as possible.

本発明における、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として、用いるアラルキル基置換フェノール樹脂、フェニル基置換フェノール樹脂、フェノキシ基置換フェノール樹脂などの置換フェノール樹脂は、アラルキル基置換フェノール、フェニル基置換フェノール、フェノキシ基置換フェノールなどの置換フェノールを、ホルムアルデヒドなどの縮合剤と反応させることによって得ることができる。これらの樹脂は前記のアルキル置換フェノール樹脂と同様にして合成することができる。原料として用いることのできるフェノール化合物としては、2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−フェニルプロパン、メチルフェニルフェノール、フェニルフェノール(ヒドロキシビフェニル)、フェノキシフェノール(ヒドロキシジフェニルエーテル)などを挙げることができるがこれらに限定されるものではない。   In the present invention, as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less, a substituted phenol resin such as an aralkyl group-substituted phenol resin, a phenyl group-substituted phenol resin, or a phenoxy group-substituted phenol resin is used as an aralkyl group. It can be obtained by reacting a substituted phenol such as a substituted phenol, a phenyl group-substituted phenol, or a phenoxy group-substituted phenol with a condensing agent such as formaldehyde. These resins can be synthesized in the same manner as the above alkyl-substituted phenol resins. Examples of the phenol compound that can be used as a raw material include 2- (4-hydroxyphenyl) -2-phenylpropane, methylphenylphenol, phenylphenol (hydroxybiphenyl), and phenoxyphenol (hydroxydiphenyl ether). It is not limited to.

本発明における、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)として用いるフェノールアラルキル樹脂及びフェノールシクロアルキル樹脂は、フェノール性水酸基を有する化合物を過剰にして反応させ、末端がフェノール性水酸基を有する化合物であるオリゴマーを、ホルムアルデヒドなどのジアルデヒド化合物と脱水縮合することによって製造することもできる。   In the present invention, the phenol aralkyl resin and phenol cycloalkyl resin used as the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less are reacted with an excess of a compound having a phenolic hydroxyl group, and the terminal is phenolic. An oligomer which is a compound having a hydroxyl group can also be produced by dehydration condensation with a dialdehyde compound such as formaldehyde.

本発明の高分子電解質膜は、0.1〜3.0meq/gのイオン交換容量を有することが好ましく、0.5〜2.0meq/gのイオン交換容量を有することがより好ましい。さらに、0.5〜1.5meq/gのイオン交換容量を有することがより好ましく、0.7〜1.3meq/gのイオン交換容量を有することがさらに好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.1 to 3.0 meq / g, and more preferably has an ion exchange capacity of 0.5 to 2.0 meq / g. Furthermore, it is more preferable to have an ion exchange capacity of 0.5 to 1.5 meq / g, and it is more preferable to have an ion exchange capacity of 0.7 to 1.3 meq / g.

本発明の高分子電解質膜は任意の厚みにすることができるが、10μm未満であると所定の特性を満たすことが困難になることがあるので10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、300μmを超えると製造が困難になることがあるため、300μm以下であることが好ましい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can have any thickness, but if it is less than 10 μm, it may be difficult to satisfy predetermined characteristics, and therefore it is preferably 10 μm or more, and preferably 20 μm or more. Is more preferable. Moreover, since manufacture may become difficult when it exceeds 300 micrometers, it is preferable that it is 300 micrometers or less.

本発明の高分子電解質膜は、規定された高次構造の妨げにならない範囲で、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などを含んでいてもよい。また、高次構造を保てる範囲で、平板状や繊維状の形状をした、有機又は無機化合物を含んでいてもよい。また、多孔質膜を補強材としていてもよい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is a polyester such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, nylon 6, nylon 66, nylon 610, nylon 12 and the like, as long as the specified higher order structure is not hindered. Polyamides, polymethyl methacrylate, polymethacrylic acid esters, polymethyl acrylates, polyacrylic acid esters and other acrylate resins, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, polystyrene and diene polymers Including various polyolefins, polyurethane resins, cellulose resins such as cellulose acetate and ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene Includes aromatic polymers such as side, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, benzoxazine resin, etc. May be. In addition, an organic or inorganic compound having a flat plate shape or a fiber shape may be included as long as the higher order structure can be maintained. A porous membrane may be used as a reinforcing material.

本発明の高分子電解質膜を製造するためには、上記の通り、プロトン伝導性ポリマー(a)と、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下の有機化合物(b)とを含む溶液組成物を用いることが好ましい。溶液組成物に用いることのできる溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミド、N−モルフォリンオキサイドなどの非プロトン性有機極性溶媒を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。中でも、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドンが好ましく、N−メチル−2−ピロリドンがより好ましい。   In order to produce the polymer electrolyte membrane of the present invention, as described above, a solution composition comprising a proton conductive polymer (a) and an organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less is used. It is preferable to use it. Solvents that can be used in the solution composition include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphonamide, N- Examples include, but are not limited to, aprotic organic polar solvents such as morpholine oxide. Among these, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide and N-methyl-2-pyrrolidone are preferable, and N-methyl-2-pyrrolidone is more preferable.

溶液組成物におけるプロトン伝導性ポリマーの濃度は0.1〜50重量%の範囲が好ましく、5〜50重量%の範囲にあることがより好ましく、10〜40重量%の範囲がさらに好ましい。   The concentration of the proton conductive polymer in the solution composition is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight, more preferably in the range of 5 to 50% by weight, and still more preferably in the range of 10 to 40% by weight.

キャストする際の溶液組成物の厚みは特に制限されないが、10〜2000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液組成物の厚みが10μmよりも薄いと高分子電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2000μmよりも厚いと不均一な膜ができやすくなる傾向にある。溶液組成物のキャスト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たりして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液組成物は、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にして蒸発速度を下げたりすることができる。   The thickness of the solution composition at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2000 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. When the thickness of the solution composition is less than 10 μm, the form as a polymer electrolyte membrane tends not to be maintained, and when it is more than 2000 μm, a non-uniform film tends to be easily formed. A known method can be used as a method for controlling the cast thickness of the solution composition. For example, the thickness can be controlled by the amount and concentration of the solution by making the thickness constant using an applicator, a doctor blade or the like, or making the cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution composition can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage.

さらに、本発明の高分子電解質膜の製造方法は、以下の方法が好ましい。すなわち、25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上である前記プロトン伝導性ポリマー(a)の酸性基がカチオンと塩を形成したポリマー(c)、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)、及び沸点が300℃以下の溶媒を必須の構成成分として含有する溶液組成物を、基板上に流延し、加熱によって、溶媒量が固形分に対して40重量%以下になるまで溶媒を蒸発させ、前記有機化合物(b)の少なくとも一部を膜中に相分離分散させた自己支持性の膜とした後、酸で処理することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法である。前記有機化合物(b)は、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にある重合体であることが好ましい。
これらの製造方法によれば、膜の高次構造を所望の相分離構造に適宜調整可能で、膜の表面と内層との組成差や構造差が小さい膜を製造することができ、高分子電解質膜のメタノール透過性を抑制することができる。
Furthermore, the method for producing the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably the following method. That is, the proton conductive polymer (a) having a proton conductivity in water at 25 ° C. of 1 mS / cm or more forms a salt with a cation, and the proton conductivity in water at 25 ° C. is 0. A solution composition containing an organic compound (b) of 1 mS / cm or less and a solvent having a boiling point of 300 ° C. or less as essential components is cast on a substrate, and the amount of solvent is changed to a solid content by heating. The solvent is evaporated to 40% by weight or less to form a self-supporting film in which at least a part of the organic compound (b) is phase-separated and dispersed in the film, and then treated with an acid. This is a method for producing a polymer electrolyte membrane. The organic compound (b) is preferably a polymer having a ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight of 10 to 100.
According to these production methods, the higher order structure of the membrane can be appropriately adjusted to a desired phase separation structure, and a membrane having a small compositional difference or structural difference between the membrane surface and the inner layer can be produced. Methanol permeability of the membrane can be suppressed.

本発明の膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜を電極触媒層と接合することによって得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極とを接着する方法、高分子電解質膜と、予め電極に触媒を含むペーストを塗布して作製しておいた電極触媒層とを加熱加圧する方法、別のシートに作製した触媒層を高分子電解質膜に転写した後、電極を取り付ける方法、高分子電解質膜の表面に触媒及び導電性粒子などを含む分散液を、スプレー、印刷などでコートしてから電極を接合する方法等があるが、これらに限定されるものではない。接着剤としては、ナフィオン(登録商標)溶液など公知のものを用いてもよいし、本発明におけるプロトン伝導性ポリマー(a)を構成するポリマーと同種のポリマー組成物を主成分としたものを用いてもよいし、他の炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを主成分とするものを用いてもよい。電極反応に必要な白金、白金―ルテニウム合金などの触媒は、カーボンなどの導電性粒子に坦持させたものを、上記接着剤中に分散させておくことで、電極触媒層を得ることができる。   The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the polymer electrolyte membrane of the present invention to an electrode catalyst layer. As a manufacturing method of this joined body, it can be performed using a conventionally known method, for example, a method of applying an adhesive on the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode, a polymer electrolyte membrane, A method of heating and pressing an electrode catalyst layer prepared by applying a paste containing a catalyst to an electrode in advance, a method of attaching an electrode after transferring a catalyst layer prepared on another sheet to a polymer electrolyte membrane, There are methods such as, but not limited to, a method in which the surface of the molecular electrolyte membrane is coated with a dispersion containing a catalyst and conductive particles by spraying, printing, or the like, and then the electrodes are joined. As the adhesive, a known one such as a Nafion (registered trademark) solution may be used, or an adhesive composed mainly of the same polymer composition as the polymer constituting the proton conductive polymer (a) in the present invention is used. Alternatively, those containing other hydrocarbon proton conductive polymers as main components may be used. A catalyst such as platinum or platinum-ruthenium alloy necessary for the electrode reaction can be obtained by dispersing the catalyst supported on conductive particles such as carbon in the adhesive. .

本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜又は膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。   The fuel cell of the present invention can be produced using the polymer electrolyte membrane or the membrane / electrode assembly of the present invention. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, and a fuel electrode side. The fuel flow path is provided. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator.

本発明の高分子電解質膜は、固体高分子型燃料電池に適している。本発明の高分子電解質膜は、メタノールなどの液体燃料の透過性が小さいため、特にダイレクトメタノール燃料電池、ジメチルエーテル燃料電池、蟻酸燃料電池、ダイレクトエタノール型燃料電池などに適している。燃料の透過性が小さいので、透過した燃料による電圧低下が少なく高い出力が得られると共に、高濃度の燃料溶液を用いることができる。また、透過によって、無駄に消費される燃料が少なくなるので容量を向上させることができ、エネルギー効率を高めることができる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is suitable for a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte membrane of the present invention is particularly suitable for direct methanol fuel cells, dimethyl ether fuel cells, formic acid fuel cells, direct ethanol fuel cells and the like because of its low permeability for liquid fuels such as methanol. Since the permeability of the fuel is small, a high output can be obtained with little voltage drop due to the permeated fuel, and a high concentration fuel solution can be used. In addition, the amount of fuel that is wasted is reduced due to the permeation, so that the capacity can be improved and the energy efficiency can be increased.

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ことはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

<膜内高次構造の観察>
高分子電解質膜を小片に切り出し、エポキシ樹脂で包埋し、超薄切片を作成した。これをTEM観察用のメッシュに掬い取り、酸化ルテニウムで染色後、カーボン蒸着を施して観察用の試料とした。日本電子社製JEM2010透過型電子顕微鏡で明視野観察を行い、膜内の高次構造を観察した。得られた画像において、濃く見える部分がプロトン伝導性ポリマーであり(プロトン伝導性ポリマー中の酸性基と酸化ルテニウムの親和性が高いため)、薄く見える粒子状の構造について、その有無及び大きさを画像から読み取った。粒子の平均粒径は、画像を画像解析装置に供することで、数平均粒径を求めた。粒子が楕円形状である場合は、短軸と長軸の長さの平均値を粒子径として平均粒径を求めた。
<Observation of higher-order structures in the film>
The polymer electrolyte membrane was cut into small pieces and embedded with an epoxy resin to prepare ultrathin sections. This was scraped onto a TEM observation mesh, dyed with ruthenium oxide, and then subjected to carbon vapor deposition to obtain an observation sample. Bright field observation was performed with a JEM2010 transmission electron microscope manufactured by JEOL Ltd., and the higher order structure in the film was observed. In the obtained image, the portion that appears dark is the proton conductive polymer (because the affinity between the acidic group and ruthenium oxide in the proton conductive polymer is high). Read from the image. The average particle diameter of the particles was obtained by subjecting the image to an image analysis apparatus to obtain the number average particle diameter. When the particles were elliptical, the average particle size was determined using the average value of the short and long axes as the particle size.

<膜内の組成分布>
・測定装置:フーリエ変換赤外分光光度計 FT−IR FTS7000e/UMA600(バリアン テクノロジーズ・ジャパン・リミテッド社製)を使用し、顕微ATR法による赤外吸収スペクトル法を採用した。クリスタルはGe結晶を用い、入射角30°で測定を行った。バックグラウンド測定、サンプル測定とも試料室内を十分に窒素置換した後に測定を行った。
・測定試料の調整:膜表面については、両面についてそのまま測定した。内部については、剃刀を用い、厚み方向の中心において、膜面方向に割断して、内面を露出させ、その面に対して測定を行った。約20μm四方の面について測定を行った。
・プロトン伝導性ポリマー(a)とプロトン伝導性が0.1mS以下の有機化合物(b)との組成比:プロトン伝導性ポリマー(a)の特性吸収(化学式(6A)、(8A)、(8B)、(8C)で表される構造のポリマーにおいては1489cm−1)における吸光度に対する、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下の有機化合物(b)の特性吸収(化学式(7A)、(7B)で表される構造の化合物においては1511cm−1)における吸光度の比として求めた。
・組成分布の表示:上記で求められた膜の内部の組成比に対する膜表面の組成比(両面の平均値)の比を算出して組成の分布状態の指標とした。
<Composition distribution in the film>
Measurement apparatus: Fourier transform infrared spectrophotometer FT-IR FTS7000e / UMA600 (manufactured by Varian Technologies Japan Limited) was used, and an infrared absorption spectrum method by a microscopic ATR method was adopted. The crystal was a Ge crystal, and the measurement was performed at an incident angle of 30 °. Both background measurement and sample measurement were performed after the sample chamber was sufficiently purged with nitrogen.
-Preparation of measurement sample: About the film | membrane surface, it measured on both surfaces as it was. About the inside, it cut | disconnected in the film surface direction in the center of the thickness direction using the razor, the inner surface was exposed, and it measured with respect to the surface. Measurements were made on a surface about 20 μm square.
Composition ratio of proton conductive polymer (a) and organic compound (b) having proton conductivity of 0.1 mS or less: characteristic absorption of proton conductive polymer (a) (chemical formulas (6A), (8A), (8B ) And (8C) in the polymer having the structure represented by (889), the absorption at 1489 cm −1 ) of the organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less (chemical formula (7A), (7B) In the compound represented by the formula, the absorbance ratio at 1511 cm −1 ) was obtained.
-Display of composition distribution: The ratio of the composition ratio of the film surface (average value on both surfaces) to the composition ratio inside the film determined above was calculated and used as an index of the composition distribution state.

<高分子電解質膜の軟化温度の測定>
UBM社製Rheogel−E4000を用い、5mm幅の高分子電解質膜について、室温から250℃まで2℃/分で昇温しながら、引っ張りモードでの貯蔵弾性率(E’)、損失弾性率(E”)を測定した。tanδは貯蔵弾性率(E’)に対する損失弾性率(E”)の比として求めた。軟化温度は、貯蔵弾性率が大きく値が低下する変曲点の前後における接線の交点の温度として求めた。
<Measurement of softening temperature of polymer electrolyte membrane>
Using a Rheogel-E4000 manufactured by UBM, a storage electrolyte modulus (E ′) and a loss modulus (E) in a tensile mode of a polymer electrolyte membrane having a width of 5 mm while being heated from room temperature to 250 ° C. at 2 ° C./min. ”) Was measured. Tan δ was determined as the ratio of the loss elastic modulus (E ″) to the storage elastic modulus (E ′). The softening temperature was determined as the temperature at the intersection of tangents before and after the inflection point where the storage elastic modulus was large and the value decreased.

<対数粘度>
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)。
<Logarithmic viscosity>
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).

<プロトン伝導性>
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℃の純水中に幅1cmの試料を保持し、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0.5cm間隔で変化させて測定し、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。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]×膜厚[cm]×抵抗極間勾配[Ω/cm]
<Proton conductivity>
A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of the strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (made of tetrafluoroethylene resin), and the sample with a width of 1 cm is held in pure water at 25 ° C. The impedance between them was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. Conductivity in which the contact resistance between the film and the platinum wire was canceled by the following formula from the gradient in which the distance between the electrodes was changed at intervals of 0.5 cm and the measured resistance value estimated from the distance between the electrodes and the CC plot was plotted. The rate was calculated.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

<ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の発電評価>
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製 TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる東レ社製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が2mg/cmになるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社製 TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ社製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が1mg/cmとなるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により165℃、8MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(株式会社東陽テクニカ製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノードに40℃に調整した5mol/Lのメタノール水溶液(1.5mL/min)を、カソードに40℃に調整した高純度空気ガス(80mL/min)を、それぞれ供給し、電流密度が0.05A/cmにおける出力電圧を測定した。
<Power generation evaluation of direct methanol fuel cell (DMFC)>
After adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supporting carbon (TEC61E54 manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) and moistening, a 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont The Pt / Ru catalyst-carrying carbon and Nafion were added at a weight ratio of 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. The catalyst paste is applied and dried by screen printing on carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc. as a gas diffusion layer so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for the anode. did. Further, after adding a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to a Pt catalyst-supporting carbon (TEC10V40E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) Then, the Pt catalyst-carrying carbon and Nafion were added in a weight ratio of 2.5: 1 and stirred to prepare a cathode catalyst paste. The catalyst paste was applied and dried on carbon paper TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Ltd., which had been subjected to water repellent treatment, so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2 , thereby producing a carbon paper with an electrode catalyst layer for cathode. . By sandwiching the membrane sample between the two types of carbon paper with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, by applying pressure and heating at 165 ° C. and 8 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Corporation). Power generation is performed at a cell temperature of 40 ° C., a 5 mol / L methanol aqueous solution (1.5 mL / min) adjusted to 40 ° C. at the anode, and high-purity air gas (80 mL / min) adjusted to 40 ° C. at the cathode, respectively. The output voltage at a current density of 0.05 A / cm 2 was measured.

<イオン交換容量>
110℃で1時間乾燥し、窒素雰囲気下室温で一晩放置した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量を求めた。
<Ion exchange capacity>
A sample dried at 110 ° C. for 1 hour and allowed to stand overnight at room temperature in a nitrogen atmosphere was weighed, stirred with an aqueous sodium hydroxide solution, and then ion exchange capacity was determined by back titration with an aqueous hydrochloric acid solution.

<N−メチル−2−ピロリドンへの溶解度測定>
対象とする化合物2gを8gのN−メチル−2−ピロリドンに混合し、マグネティックスターラーを用いて、25℃で3時間攪拌した。溶解した場合は溶解度が20重量%以上であると判断した。未溶解物が存在した場合には、溶液をG3ガラスフイルターで吸引濾過した後、濾別した固形分の重量を測定し、溶解した固形分重量を求め、溶解度を算出した。
<Measurement of solubility in N-methyl-2-pyrrolidone>
2 g of the target compound was mixed with 8 g of N-methyl-2-pyrrolidone and stirred at 25 ° C. for 3 hours using a magnetic stirrer. When dissolved, the solubility was judged to be 20% by weight or more. When an undissolved substance was present, the solution was suction filtered with a G3 glass filter, the weight of the solid content separated by filtration was measured, the weight of the dissolved solid content was determined, and the solubility was calculated.

<メタノールへの溶解度測定>
対象とする化合物1gを99gのN−メチル−2−ピロリドンに混合し、マグネティックスターラーを用いて、25℃で3時間攪拌した。溶解した場合は溶解度が1重量%以上であると判断した。未溶解物が存在した場合には、溶液をG3ガラスフイルターで吸引濾過した後、濾別した固形分の重量を測定し、溶解した固形分重量を求め、溶解度を算出した。
<Measurement of solubility in methanol>
1 g of the target compound was mixed with 99 g of N-methyl-2-pyrrolidone, and stirred at 25 ° C. for 3 hours using a magnetic stirrer. When dissolved, the solubility was judged to be 1% by weight or more. When an undissolved substance was present, the solution was suction filtered with a G3 glass filter, the weight of the solid content separated by filtration was measured, the weight of the dissolved solid content was determined, and the solubility was calculated.

<メタノール透過速度>
高分子電解質膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。20℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬した高分子電解質膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、20℃で両側のセルを撹拌しながら、高分子電解質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で測定することで算出した(高分子電解質膜の面積は、2.0cm)。
<Methanol permeation rate>
The liquid fuel permeation rate of the polymer electrolyte membrane was measured as the methanol permeation rate by the following method. A polymer electrolyte membrane immersed in a 5M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 20 ° C. for 24 hours is sandwiched between H-type cells, 100 ml of 5M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water is placed on the other cell. (18 MΩ · cm) was injected, and the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the polymer electrolyte membrane was calculated by gas chromatography while stirring the cells on both sides at 20 ° C. ( The area of the polymer electrolyte membrane is 2.0 cm 2 ).

<メタノール透過係数>
上記の方法で測定したメタノール透過速度と膜厚から以下の式により求めた。
メタノール透過係数[μmol・m−1・sec−1
=メタノール透過速度[mmol・m−2・sec−1]×膜厚[μm]×1000
<Methanol permeability coefficient>
It calculated | required by the following formula | equation from the methanol permeation rate and film thickness which were measured by said method.
Methanol permeability coefficient [μmol · m −1 · sec −1 ]
= Methanol permeation rate [mmol · m −2 · sec −1 ] × film thickness [μm] × 1000

<実施例1>
下記一般式(6A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.13dL/g)9g、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下の有機化合物(b)として下記一般式(7A)で表される化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が800、重量平均分子量が25000)1g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。下記一般式(7A)で表される化合物はメタノールに対して不溶であり、N−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度は1重量%以上であった。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、熱風オーブン中にて80℃で0.5時間、110℃で0.5時間、130℃で0.5時間加熱して溶媒を除去し、冷却後、剥離して自己支持性の膜を得た。得られた膜中のN−メチル−2−ピロリドンの残留量は、固形分に対して25重量%だった。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Example 1>
9 g of a polymer having a structure represented by the following general formula (6A) (logarithmic viscosity: 1.13 dL / g), represented by the following general formula (7A) as an organic compound (b) having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less 1 g of a compound to be obtained (polystyrene-equivalent number average molecular weight determined by GPC method is 800, weight average molecular weight is 25000) and N-methyl-2-pyrrolidone 30 g are put into a 100 mL glass flask, and 50% in a nitrogen atmosphere. Stir at 6 ° C. for 6 hours. The compound represented by the following general formula (7A) was insoluble in methanol, and the solubility in N-methyl-2-pyrrolidone was 1% by weight or more. The resulting solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm and heated in a hot air oven at 80 ° C. for 0.5 hours, 110 ° C. for 0.5 hours, and 130 ° C. for 0.5 hours to remove the solvent. After cooling, the film was peeled off to obtain a self-supporting film. The residual amount of N-methyl-2-pyrrolidone in the obtained film was 25% by weight based on the solid content. The obtained membrane was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed twice in a 2 mol / L aqueous sulfuric acid solution for 1 hour. Thereafter, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

[式(6A)においては、片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれかと、もう片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれか同士が結合していることを、YはNaもしくはKイオンを、それぞれ表す。()の右の数字は、各ユニットのモル比を表す。式(7A)は、化合物が四種類の繰り返し構造単位からなることを表しており、n、n’、n’’、n’’’は、0.4<(n+n’)/(n’’+n’’’)<0.6を満たす、1以上の整数を表す。] [In the formula (6A), one of the units surrounded by () in one [] and one of the units surrounded by () in the other [] are joined together. Y represents Na or K ion, respectively. The number on the right of () represents the molar ratio of each unit. Formula (7A) represents that the compound consists of four types of repeating structural units, and n, n ′, n ″, and n ′ ″ are 0.4 <(n + n ′) / (n ″. + N ′ ″) <0.6 represents an integer of 1 or more. ]

<実施例2>
一般式(6A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.13dL/g)の量を9.5g、一般式(7A)で表される化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が800、重量平均分子量が25000)の量を0.5gに変更した他は実施例1と同様にして高分子電解質膜を作製した。
<Example 2>
9.5 g of polymer having a structure represented by the general formula (6A) (logarithmic viscosity: 1.13 dL / g), compound represented by the general formula (7A) (number in terms of polystyrene determined by GPC method) A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of the average molecular weight was 800 and the weight average molecular weight was 25000) was changed to 0.5 g.

<実施例3>
一般式(6A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.13dL/g)の量を8g、一般式(7A)で表される化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が800、重量平均分子量が25000)の量を2gに変更した他は実施例1と同様にして高分子電解質膜を作製した。
<Example 3>
The amount of the polymer having the structure represented by the general formula (6A) (logarithmic viscosity: 1.13 dL / g) is 8 g, and the compound represented by the general formula (7A) (number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC method) The polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of 800 and the weight average molecular weight of 25000 was changed to 2 g.

<実施例4>
一般式(7A)で表される化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が800、重量平均分子量が25000)の代わりに、下記一般式(7B)で表される構造の化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が700、重量平均分子量が28000)を用いた他は実施例1と同様にして高分子電解質膜を作製した。下記一般式(7B)で表される化合物はメタノールに対して不溶であり、N−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度は1重量%以上であった。
<Example 4>
Instead of the compound represented by the general formula (7A) (the number average molecular weight in terms of polystyrene determined by GPC method is 800 and the weight average molecular weight is 25000), a compound having a structure represented by the following general formula (7B) ( A polymer electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the polystyrene-equivalent number average molecular weight obtained by GPC method was 700 and the weight average molecular weight was 28000). The compound represented by the following general formula (7B) was insoluble in methanol, and the solubility in N-methyl-2-pyrrolidone was 1% by weight or more.

[式(7B)は、化合物が2種類の繰り返し構造単位からなることを表しており、n、n’は、0.4<(n/n’)<0.6を満たす、1以上の整数を表す。] [Formula (7B) represents that the compound consists of two types of repeating structural units, and n and n ′ are integers of 1 or more satisfying 0.4 <(n / n ′) <0.6 Represents. ]

<比較例1>
一般式(6A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.13dL/g)9g、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下の有機化合物として一般式(7A)で表される化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が800、重量平均分子量が25000)1g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、熱風オーブン中にて80℃で0.5時間加熱して溶媒を除去し、冷却した。ガラス板から膜を剥離することが困難であった。ガラス板状のゲル状物における、N−メチル−2−ピロリドンの残留量は、固形分に対して60重量%だった。ゲル状物が付着したガラス板ごと25℃の純水に浸漬して1日放置すると、膜が剥離した。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 1>
9 g of a polymer having a structure represented by the general formula (6A) (logarithmic viscosity: 1.13 dL / g), a compound represented by the general formula (7A) as an organic compound having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less (GPC 1 g of polystyrene-reduced number average molecular weight determined by the method is 800 and weight average molecular weight is 25000) and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone are put into a 100 mL glass flask and stirred at 50 ° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere. did. The resulting solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm, heated in a hot air oven at 80 ° C. for 0.5 hours to remove the solvent, and cooled. It was difficult to peel the film from the glass plate. The residual amount of N-methyl-2-pyrrolidone in the glass plate-like gel was 60% by weight based on the solid content. When the glass plate to which the gel-like material adhered was immersed in pure water at 25 ° C. and left for 1 day, the film peeled off. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution twice for 1 hour each. Thereafter, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

<比較例2>
一般式(6A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.13dL/g)9g、プロトン伝導性が0.1mS/cm以下の有機化合物として一般式(7A)で表される化合物(GPC法により求められたポリスチレン換算の数平均分子量が800、重量平均分子量が25000)1g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、ガラス板ごと、25℃の純水に浸漬し1日放置したところ、膜が剥離した。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Comparative example 2>
9 g of a polymer having a structure represented by the general formula (6A) (logarithmic viscosity: 1.13 dL / g), a compound represented by the general formula (7A) as an organic compound having a proton conductivity of 0.1 mS / cm or less (GPC 1 g of polystyrene-reduced number average molecular weight determined by the method is 800 and weight average molecular weight is 25000) and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone are put into a 100 mL glass flask and stirred at 50 ° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere. did. The obtained solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm, immersed in pure water at 25 ° C. together with the glass plate, and allowed to stand for 1 day. As a result, the film peeled off. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution twice for 1 hour each. Thereafter, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

<比較例3>
一般式(6A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.13dL/g)10g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、熱風オーブン中にて80℃で0.5時間、110℃で0.5時間、130℃で0.5時間加熱して溶媒を除去し、冷却後、剥離して自己支持性の膜を得た。得られた膜中のN−メチル−2−ピロリドンの残留量は、固形分に対して24重量%だった。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 3>
10 g of a polymer having a structure represented by the general formula (6A) (logarithmic viscosity: 1.13 dL / g) and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone were put into a 100 mL glass flask, and 6% at 50 ° C. in a nitrogen atmosphere. Stir for hours. The resulting solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm and heated in a hot air oven at 80 ° C. for 0.5 hours, 110 ° C. for 0.5 hours, and 130 ° C. for 0.5 hours to remove the solvent. After cooling, the film was peeled off to obtain a self-supporting film. The residual amount of N-methyl-2-pyrrolidone in the obtained film was 24% by weight based on the solid content. The obtained membrane was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed twice in a 2 mol / L aqueous sulfuric acid solution for 1 hour. After that, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

<比較例4>
下記一般式(8A)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.21dL/g)10g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、熱風オーブン中にて80℃で0.5時間、110℃で0.5時間、130℃で0.5時間加熱して溶媒を除去し、冷却後、剥離して自己支持性の膜を得た。得られた膜中のN−メチル−2−ピロリドンの残留量は、固形分に対して26重量%だった。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 4>
10 g of a polymer having a structure represented by the following general formula (8A) (logarithmic viscosity: 1.21 dL / g) and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone were put into a 100 mL glass flask, and at 50 ° C. in a nitrogen atmosphere. Stir for 6 hours. The resulting solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm and heated in a hot air oven at 80 ° C. for 0.5 hours, 110 ° C. for 0.5 hours, and 130 ° C. for 0.5 hours to remove the solvent. After cooling, the film was peeled off to obtain a self-supporting film. The residual amount of N-methyl-2-pyrrolidone in the obtained film was 26% by weight based on the solid content. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution twice for 1 hour each. Thereafter, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

[式(8A)においては、片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれかと、もう片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれか同士が結合していることを、YはNaもしくはKイオンを、それぞれ表す。()の右の数字は、各ユニットのモル比を表す。] [In the formula (8A), one of the units surrounded by () in one [] and one of the units surrounded by () in the other [] are bonded to each other. Y represents Na or K ion, respectively. The number on the right of () represents the molar ratio of each unit. ]

<比較例5>
下記一般式(8B)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.25dL/g)10g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、熱風オーブン中にて80℃で0.5時間、110℃で0.5時間、130℃で0.5時間加熱して溶媒を除去し、冷却後、剥離して自己支持性の膜を得た。得られた膜中のN−メチル−2−ピロリドンの残留量は、固形分に対して25重量%だった。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 5>
10 g of a polymer having a structure represented by the following general formula (8B) (logarithmic viscosity: 1.25 dL / g) and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone were put into a 100 mL glass flask, and the reaction was performed at 50 ° C. in a nitrogen atmosphere. Stir for 6 hours. The resulting solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm and heated in a hot air oven at 80 ° C. for 0.5 hours, 110 ° C. for 0.5 hours, and 130 ° C. for 0.5 hours to remove the solvent. After cooling, the film was peeled off to obtain a self-supporting film. The residual amount of N-methyl-2-pyrrolidone in the obtained film was 25% by weight based on the solid content. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution twice for 1 hour each. Thereafter, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

[式(8B)においては、片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれかと、もう片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれか同士が結合していることを、YはNaもしくはKイオンを、それぞれ表す。()の右の数字は、各ユニットのモル比を表す。] [In the formula (8B), one of the units surrounded by () in one [] and one of the units surrounded by () in the other [] are bonded to each other. Y represents Na or K ion, respectively. The number on the right of () represents the molar ratio of each unit. ]

<比較例6>
下記一般式(8C)で表される構造のポリマー(対数粘度:1.19dL/g)10g、及びN−メチル−2−ピロリドン30gを100mLのガラスフラスコに投入し、窒素雰囲気下、50℃で6時間攪拌した。得られた溶液を、ガラス板に約400μm厚にキャストし、熱風オーブン中にて80℃で0.5時間、110℃で0.5時間、130℃で0.5時間加熱して溶媒を除去し、冷却後、剥離して自己支持性の膜を得た。得られた膜中のN−メチル−2−ピロリドンの残留量は、固形分に対して27重量%だった。得られた膜を室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に1時間ずつ2回浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、表面に付着した水を濾紙で除いた後、新たな濾紙で両面を挟み、さらにガラス板で両面を挟み、上面から3kgの荷重をかけて23℃で相対湿度50%の室内に2日間放置して乾燥して、高分子電解質膜を得た。
<Comparative Example 6>
10 g of a polymer having a structure represented by the following general formula (8C) (logarithmic viscosity: 1.19 dL / g) and 30 g of N-methyl-2-pyrrolidone were put into a 100 mL glass flask, and the reaction was performed at 50 ° C. in a nitrogen atmosphere. Stir for 6 hours. The resulting solution was cast on a glass plate to a thickness of about 400 μm and heated in a hot air oven at 80 ° C. for 0.5 hours, 110 ° C. for 0.5 hours, and 130 ° C. for 0.5 hours to remove the solvent. After cooling, the film was peeled off to obtain a self-supporting film. The residual amount of N-methyl-2-pyrrolidone in the obtained film was 27% by weight with respect to the solid content. The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution twice for 1 hour each. Thereafter, the film is washed with pure water until the washing water becomes neutral, the water adhering to the surface is removed with filter paper, both sides are sandwiched with new filter paper, and both sides are further sandwiched with a glass plate. A polymer electrolyte membrane was obtained by applying a load and leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 2 days to dry.

[式(8C)においては、片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれかと、もう片方の[]中における、()で囲まれたユニットのいずれか同士が結合していることを、YはNaもしくはKイオンを、それぞれ表す。()の右の数字は、各ユニットのモル比を表す。] [In the formula (8C), one of the units surrounded by () in one [] and one of the units surrounded by () in the other [] are bonded to each other. Y represents Na or K ion, respectively. The number on the right of () represents the molar ratio of each unit. ]

<比較例7>
一般式(7A)で表される化合物の代わりに、フェノール性水酸基を有するフェノール系酸化防止剤であるイルガノックス1010(チバ・スペシャルティ・ケミカル社製)を用いた他は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を作製し、評価した。なお、イルガノックス1010の2gは25℃のメタノール98gに対して溶解し、溶解度は2重量%以上であった。
<Comparative Example 7>
The same procedure as in Example 1 was performed except that Irganox 1010 (manufactured by Ciba Specialty Chemicals), which is a phenolic antioxidant having a phenolic hydroxyl group, was used instead of the compound represented by the general formula (7A). A polymer electrolyte membrane was prepared and evaluated. 2 g of Irganox 1010 was dissolved in 98 g of methanol at 25 ° C., and the solubility was 2% by weight or more.

<比較例8>
一般式(7A)で表される化合物の代わりに、キシレン樹脂(平均分子量12000)を用いた他は、実施例1と同様にして高分子電解質膜を試みたが、厚みむらや欠点が多発したため高分子電解質膜を得ることができなかった。
<Comparative Example 8>
A polymer electrolyte membrane was tried in the same manner as in Example 1 except that a xylene resin (average molecular weight 12000) was used in place of the compound represented by the general formula (7A). However, uneven thickness and defects occurred frequently. A polymer electrolyte membrane could not be obtained.

<比較例9>
市販のパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜である高分子電解質膜(商品名:ナフィオン117)について評価を行った。
<Comparative Example 9>
A polymer electrolyte membrane (trade name: Nafion 117), which is a commercially available perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane, was evaluated.

実施例及び比較例の高分子電解質膜について各種評価を行った。結果を表1及び2に示す。   Various evaluation was performed about the polymer electrolyte membrane of the Example and the comparative example. The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例1〜4の高分子電解質膜はいずれも、プロトン伝導性(25℃の水中)が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)を含有しない比較例4〜6の高分子電解質膜と比較して、プロトン伝導性は同等であるのに対し、メタノール透過性はおよそ1/8〜1/5に抑制されており、プロトン伝導性を低下させることなく、メタノール透過性を抑制できていることが分かる。また、実施例の高分子電解質膜の軟化温度は、実施例のプロトン伝導性ポリマーのみからなる比較例3の高分子電解質膜の軟化温度よりも、いずれも低くなっており、プロトン伝導性ポリマーのマトリックス中に、化学式(7A)又は(7B)で表される構造の化合物が一部含まれていることの裏づけとなっている。ちなみに、化学式(7A)又は(7B)で表される構造の化合物の融点を、融点観測装置を用いて測定したところ、110〜150℃の範囲で流動を開始していた。   The polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 4 do not contain an organic compound (b) whose proton conductivity (in water at 25 ° C.) is 0.1 mS / cm or less. In comparison with proton conductivity, methanol permeability is suppressed to about 1/8 to 1/5, and methanol permeability can be suppressed without lowering proton conductivity. I understand that. In addition, the softening temperature of the polymer electrolyte membrane of the example is lower than the softening temperature of the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3 made of only the proton conductive polymer of the example. This supports that a part of the compound having the structure represented by the chemical formula (7A) or (7B) is contained in the matrix. Incidentally, when the melting point of the compound having the structure represented by the chemical formula (7A) or (7B) was measured using a melting point observation device, the flow started in the range of 110 to 150 ° C.

また、透過型電子顕微鏡観察によれば、実施例1〜4の高分子電解質膜にはいずれも、粒子状の相分離構造が観察された。実施例1と組成は同じで、製膜方法が異なる比較例1及び2の高分子電解質膜は、残留溶媒量が多い段階で水に浸漬したために膜が多孔質化し、明確な相分離構造は形成されなかったと共に、メタノール透過性は増加してしまっていた。また、固体ATR法による組成分析から、膜内での組成比は大きな差がないことが確認できた。
実施例1の高分子電解質膜と、比較例2の高分子電解質膜について、それぞれ発電評価を行った。前者では、0.05A/cmにおいて0.33Vの出力電圧が得られたのに対し、後者では、電流を流し始めると急激に電圧が低下し、0.05A/cmでは出力電圧は得られなかった。
さらに、本発明の高分子電解質膜は、市販のパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなる高分子電解質膜に比べて、膜抵抗はわずかに高いものもあるが、メタノール透過性は極めて低く、ダイレクトメタノール燃料電池に用いるのに好適な高分子電解質膜であることが分かる。
In addition, according to observation with a transmission electron microscope, a particulate phase separation structure was observed in each of the polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 4. The polymer electrolyte membranes of Comparative Examples 1 and 2 having the same composition as in Example 1 and different film-forming methods were soaked in water at a stage where the amount of residual solvent was large, so that the membrane became porous, and a clear phase separation structure As it did not form, methanol permeability had increased. Moreover, from the composition analysis by the solid ATR method, it was confirmed that the composition ratio in the film was not significantly different.
Electricity generation evaluation was performed on the polymer electrolyte membrane of Example 1 and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 2, respectively. In the former, an output voltage of 0.33 V was obtained at 0.05 A / cm 2 , whereas in the latter, the voltage suddenly decreased when current started to flow, and at 0.05 A / cm 2 , the output voltage was obtained. I couldn't.
Furthermore, although the polymer electrolyte membrane of the present invention has a slightly higher membrane resistance than a polymer electrolyte membrane made of a commercially available perfluorocarbon sulfonic acid polymer, the methanol permeability is extremely low, and a direct methanol fuel cell. It can be seen that the polymer electrolyte membrane is suitable for use in the present invention.

また、従来の技術のようにプロトン伝導性ポリマーの酸性基と水酸基が相互作用していないことは、イオン交換容量が同等である実施例1及び4の高分子電解質膜と比較例5の高分子電解質膜との比較や、実施例2の高分子電解質膜と比較例4の高分子電解質膜の比較、実施例3の高分子電解質膜と比較例6の高分子電解質膜の比較で明らかである。比較例3の高分子電解質膜は、化学式(6A)で表される構造のプロトン伝導性ポリマーのみからなる高分子電解質膜である。実施例1の高分子電解質膜は、化学式(6A)で表される構造のプロトン伝導性ポリマー9重量部に対して、化学式(7A)で表される構造の化合物を1重量部添加した高分子電解質膜である。すなわち、実施例1におけるプロトン伝導性ポリマーの含有量は90重量%であることから、計算上のイオン交換容量は、1.04meq/g(比較例3の高分子電解質膜のイオン交換容量)の9割、すなわち0.94meq/gとなる。実施例1の高分子電解質膜のイオン交換容量は表1より0.92meq/gであるので、理論値と一致する。これは、プロトン伝導性ポリマーのスルホン酸基が、水酸基と結合して消費されていないことを示している。実施例2〜4についても同様のことがいえる。また、実施例1〜4の高分子電解質膜に対して、プロトン伝導性ポリマーのみからなりイオン交換容量が同等である比較例4〜6の高分子電解質膜が、同等のプロトン伝導性を示していることから、実施例の高分子電解質膜において、スルホン酸基はフェノールアラルキル樹脂の影響を受けずにプロトン伝導性を示しており、相互作用がないことを示している。これは、プロトン伝導性ポリマーのスルホン酸基を塩の状態で混合することによる方法によると推察できる。   Moreover, the fact that the acidic group and the hydroxyl group of the proton conductive polymer do not interact as in the prior art means that the polymer electrolyte membranes of Examples 1 and 4 and the polymer of Comparative Example 5 having the same ion exchange capacity are used. It is clear from comparison with the electrolyte membrane, comparison between the polymer electrolyte membrane of Example 2 and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 4, and comparison of the polymer electrolyte membrane of Example 3 and the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 6. . The polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3 is a polymer electrolyte membrane consisting only of a proton conductive polymer having a structure represented by the chemical formula (6A). The polymer electrolyte membrane of Example 1 is a polymer obtained by adding 1 part by weight of a compound having a structure represented by the chemical formula (7A) to 9 parts by weight of a proton conductive polymer having a structure represented by the chemical formula (6A). It is an electrolyte membrane. That is, since the content of the proton conductive polymer in Example 1 is 90% by weight, the calculated ion exchange capacity is 1.04 meq / g (ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane of Comparative Example 3). 90%, that is, 0.94 meq / g. Since the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane of Example 1 is 0.92 meq / g from Table 1, it agrees with the theoretical value. This indicates that the sulfonic acid group of the proton conductive polymer is not consumed by being bonded to the hydroxyl group. The same can be said for Examples 2 to 4. Further, the polymer electrolyte membranes of Comparative Examples 4 to 6 having only the proton conductive polymer and equivalent ion exchange capacity to the polymer electrolyte membranes of Examples 1 to 4 showed equivalent proton conductivity. Therefore, in the polymer electrolyte membranes of the examples, the sulfonic acid group exhibits proton conductivity without being influenced by the phenol aralkyl resin, indicating that there is no interaction. It can be inferred that this is due to a method in which the sulfonic acid groups of the proton conducting polymer are mixed in a salt state.

本発明の高分子電解質膜は、膜抵抗を増大させずにメタノール透過性を著しく抑制できるため、ダイレクトメタノール燃料電池に用いてその出力を向上させたり、高濃度メタノールの使用を可能にしたりすることができる。さらに、本発明の高分子電解質膜は、メタノール以外にも、ジメチルエーテル、ギ酸などの液体を用いる燃料電池に特に好適に用いることができる。さらにまた、電解膜、分離膜など、高分子電解質膜としても公知の任意の用途に用いることができ、産業界に寄与すること大である。   The polymer electrolyte membrane of the present invention can remarkably suppress methanol permeability without increasing membrane resistance, so that it can be used in a direct methanol fuel cell to improve its output or to enable the use of high-concentration methanol. Can do. Furthermore, the polymer electrolyte membrane of the present invention can be particularly suitably used for fuel cells using liquids such as dimethyl ether and formic acid in addition to methanol. Furthermore, it can be used for any known application as a polymer electrolyte membrane, such as an electrolytic membrane and a separation membrane, and contributes greatly to the industrial world.

実施例1で得られた高分子電解質膜断面の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of a cross section of the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1. FIG. 実施例3で得られた高分子電解質膜断面の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of a cross section of a polymer electrolyte membrane obtained in Example 3. FIG. 実施例1で得られた高分子電解質膜の動的粘弾性(E’、E”、tanδ)の温度依存性を示す図である。FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of dynamic viscoelasticity (E ′, E ″, tan δ) of the polymer electrolyte membrane obtained in Example 1. 比較例3で得られた高分子電解質膜の動的粘弾性(E’、E”、tanδ)の温度依存性を示す図である。FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of dynamic viscoelasticity (E ′, E ″, tan δ) of the polymer electrolyte membrane obtained in Comparative Example 3.

Claims (16)

酸性基を有し、25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上であるプロトン伝導性ポリマー(a)をマトリックスとし、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)が平均粒径0.01〜10μmの範囲の粒状に相分離分散していることを特徴とする高分子電解質膜。   An organic compound having an acidic group and a proton conductive polymer (a) having a proton conductivity of 1 mS / cm or more in water at 25 ° C. and having a proton conductivity in water of 25 ° C. of 0.1 mS / cm or less. A polymer electrolyte membrane, wherein the compound (b) is phase-separated and dispersed in the form of particles having an average particle size of 0.01 to 10 μm. 前記有機化合物(b)が、25℃におけるメタノールへの溶解度が1重量%以下で、かつ25℃におけるN−メチル−2−ピロリドンに対する溶解度が1重量%以上である請求項1に記載の高分子電解質膜。   The polymer according to claim 1, wherein the organic compound (b) has a solubility in methanol at 25 ° C of 1% by weight or less and a solubility in N-methyl-2-pyrrolidone at 25 ° C of 1% by weight or more. Electrolyte membrane. 前記有機化合物(b)が、分子量300以上の化合物である請求項1又は2いずれかに記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the organic compound (b) is a compound having a molecular weight of 300 or more. 前記有機化合物(b)の高分子電解質膜における含有量が、2〜50重量%である請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質膜。   4. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the content of the organic compound (b) in the polymer electrolyte membrane is 2 to 50% by weight. 前記有機化合物(b)が、水酸基、アルコキシ基、シアノ基、アミド基からなる群より選ばれる1種以上の極性基を有する化合物を構成成分の少なくとも一つとする重合体である請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The organic compound (b) is a polymer comprising at least one compound having at least one polar group selected from the group consisting of a hydroxyl group, an alkoxy group, a cyano group, and an amide group as a constituent component. The polymer electrolyte membrane according to any one of the above. 極性基が、フェノール性水酸基である請求項5に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 5, wherein the polar group is a phenolic hydroxyl group. 前記有機化合物(b)が、フェノール樹脂、アルキルフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、フェノールシクロアルキル樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種の樹脂である請求項6に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 6, wherein the organic compound (b) is at least one resin selected from the group consisting of a phenol resin, an alkylphenol resin, a phenol aralkyl resin, and a phenol cycloalkyl resin. 高分子電解質膜中の前記プロトン伝導性ポリマー(a)に対する前記有機化合物(b)の組成比において、膜中心部の値に対する膜表面の値が80〜120%の範囲にある請求項1〜7のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The value of the membrane surface in the composition ratio of the organic compound (b) to the proton conductive polymer (a) in the polymer electrolyte membrane is in the range of 80 to 120% with respect to the value at the center of the membrane. The polymer electrolyte membrane according to any one of the above. 前記有機化合物(b)の一部が、前記プロトン伝導性ポリマー(a)からなるマトリックス中で溶解又は反応し、残部が相分離分散してなる、請求項1〜8のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The high part according to any one of claims 1 to 8, wherein a part of the organic compound (b) is dissolved or reacted in a matrix composed of the proton conductive polymer (a), and the remainder is phase-separated and dispersed. Molecular electrolyte membrane. 前記有機化合物(b)が、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にある分子量分布を有する化合物である請求項1〜9のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9, wherein the organic compound (b) is a compound having a molecular weight distribution in which the ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight is between 10 and 100. 前記プロトン伝導性ポリマー(a)からなるマトリックス中で溶解又は反応してなる前記有機化合物(b)が、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間の、分子量の低い成分である請求項9又は10に記載の高分子電解質膜。   The organic compound (b) formed by dissolving or reacting in the matrix made of the proton conductive polymer (a) is a low molecular weight component having a ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight of 10 to 100. The polymer electrolyte membrane according to claim 9 or 10. 高分子電解質膜の動的粘弾性法で測定したガラス転移温度が、プロトン伝導性ポリマー(a)のみからなる高分子電解質膜の動的粘弾性法で測定したガラス転移温度よりも5℃以上低い請求項1〜11のいずれかに記載の高分子電解質膜。   The glass transition temperature measured by the dynamic viscoelasticity method of the polymer electrolyte membrane is 5 ° C. or more lower than the glass transition temperature measured by the dynamic viscoelasticity method of the polymer electrolyte membrane consisting only of the proton conductive polymer (a). The polymer electrolyte membrane according to claim 1. 請求項1〜12の高分子電解質膜を用いた膜/電極接合体。   A membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane according to claim 1. 請求項13の膜/電極接合体を用いた燃料電池。   A fuel cell using the membrane / electrode assembly according to claim 13. 25℃の水中におけるプロトン伝導性が1mS/cm以上である前記プロトン伝導性ポリマー(a)の酸性基がカチオンと塩を形成したポリマー(c)、25℃の水中におけるプロトン伝導性が0.1mS/cm以下である有機化合物(b)、及び沸点が300℃以下の溶媒を必須の構成成分として含有する溶液組成物を、基板上に流延し、加熱によって、溶媒量が固形分に対して40重量%以下になるまで溶媒を蒸発させ、前記有機化合物(b)の少なくとも一部を膜中に相分離分散させた自己支持性の膜とした後、酸で処理することを特徴とする請求項1〜12いずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法。   Polymer (c) in which the acidic group of the proton conductive polymer (a) having a proton conductivity in water at 25 ° C. of 1 mS / cm or more forms a salt with a cation, and the proton conductivity in water at 25 ° C. is 0.1 mS A solution composition containing an organic compound (b) having a boiling point of not more than / cm and a solvent having a boiling point of not more than 300 ° C. as an essential constituent is cast on a substrate, and the amount of solvent is reduced relative to the solid content by heating. The solvent is evaporated to 40 wt% or less to form a self-supporting membrane in which at least a part of the organic compound (b) is phase-dispersed and dispersed in the membrane, and then treated with an acid. Item 13. A method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of Items 1 to 12. 前記有機化合物(b)が、数平均分子量に対する重量平均分子量の比が10〜100の間にある重合体であることを特徴とする請求項15に記載の高分子電解質膜の製造方法。
The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 15, wherein the organic compound (b) is a polymer having a ratio of a weight average molecular weight to a number average molecular weight of 10 to 100.
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