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JP2016033174A - Method for producing sulfonated polymer and polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell comprising the same - Google Patents

Method for producing sulfonated polymer and polymer electrolyte, polymer electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell comprising the same Download PDF

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JP2016033174A
JP2016033174A JP2014155636A JP2014155636A JP2016033174A JP 2016033174 A JP2016033174 A JP 2016033174A JP 2014155636 A JP2014155636 A JP 2014155636A JP 2014155636 A JP2014155636 A JP 2014155636A JP 2016033174 A JP2016033174 A JP 2016033174A
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polymer
polymer electrolyte
electrolyte membrane
block
sulfonated
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JP2014155636A
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Japanese (ja)
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彩矢佳 井手
Ayaka Ide
彩矢佳 井手
智文 榊山
Tomofumi Sakakiyama
智文 榊山
小野 友裕
Tomohiro Ono
友裕 小野
須郷 望
Nozomi Sugo
望 須郷
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Kuraray Co Ltd
Original Assignee
Kuraray Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method of a sulfonated polymer for use in a polymer electrolyte film for a solid polymer electrolyte fuel cell.SOLUTION: The method for producing a sulfonated polymer is provided that comprises: a first step of reacting a block copolymer and a sulfonating agent in an organic solvent, the block copolymer containing a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound represented by a formula (1), an amorphous polymer block composed of a structural unit derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon, and a polymer block composed of a structural unit derived from another aromatic vinyl compound; a second step of washing solids which precipitated in the first step with water; and a third step of washing the solids washed in the second step with a C1-4 alcohol. (Ris H or a C1-4 alkyl group; Rto Rare each independently H or a C1-2 alkyl group; and at least two of Rto Rare H.)SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として有用であるスルホン化ポリマーの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a sulfonated polymer that is useful as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

近年、効率が高い発電システムとして燃料電池が注目されている。燃料電池は、使用する電解質の種類によって、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、リン酸型、固体高分子型等に分類される。これらのうち、高分子電解質膜を電極(アノードおよびカソード)で挟んだ構造からなり、アノードに還元剤からなる燃料を、カソードに酸化剤を供給することにより発電する固体高分子型燃料電池は、低温作動性、小型軽量化等の観点から、自動車用電源やポータブル機器電源、さらには電気と熱を同時利用する家庭用コジェネレーションシステム等への適用が検討されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient power generation systems. Fuel cells are classified into molten carbonate type, solid oxide type, phosphoric acid type, solid polymer type, etc., depending on the type of electrolyte used. Among these, a polymer electrolyte membrane having a structure in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between electrodes (anode and cathode), a solid polymer fuel cell that generates electricity by supplying a fuel made of a reducing agent to the anode and an oxidant to the cathode, From the viewpoint of low-temperature operability, reduction in size and weight, etc., application to automobile power sources, portable device power sources, and household cogeneration systems that simultaneously use electricity and heat are being considered.

固体高分子型燃料電池で用いる高分子電解質膜には、低湿度下における固体高分子型燃料電池の出力を高めることと、起動および停止に伴う固体高分子型燃料電池内部の湿度変化に対する耐性(乾湿耐性)とを両立させることが要求されている。かかる要求は、水素を燃料とする固体高分子型燃料電池において特に強い。   The polymer electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell is designed to increase the output of the polymer electrolyte fuel cell under low humidity and to withstand changes in humidity inside the polymer electrolyte fuel cell due to startup and shutdown ( It is required to achieve both dry and wet resistance. Such a demand is particularly strong in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as a fuel.

低湿度下における固体高分子型燃料電池の出力を高め得る高分子電解質膜として、例えば、イオン伝導性基を有する重合体ブロック(A)と、イオン伝導性基を有さない重合体ブロック(B)と、該重合体ブロック(B)よりも軟化温度が20℃以上高くイオン伝導性基を有さない重合体ブロック(C)とが特定の順序で結合したブロック共重合体からなる高分子電解質膜が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、かかる高分子電解質膜の乾湿耐性についてはなお改善の余地があった。   Examples of polymer electrolyte membranes that can increase the output of a polymer electrolyte fuel cell under low humidity include, for example, a polymer block (A) having an ion conductive group and a polymer block (B) having no ion conductive group (B And a polymer block (C) having a softening temperature higher than that of the polymer block (B) by 20 ° C. or more and having no ion-conducting group, in a specific order, a polymer electrolyte comprising a block copolymer A film has been proposed (see Patent Document 1). However, there is still room for improvement with respect to the wet and dry resistance of such a polymer electrolyte membrane.

国際公開第2011/122498号International Publication No. 2011-122498

したがって、本発明の目的は、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として用いた場合に、低湿度下における固体高分子型燃料電池の出力を高めることができ、かつ乾湿耐性に優れるスルホン化ポリマーの製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve the output of a polymer electrolyte fuel cell under low humidity and to be excellent in moisture resistance when used as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. Another object of the present invention is to provide a method for producing a polymer.

本発明によれば、上記の目的は、
[1]下記一般式(1)で示される、芳香族ビニル化合物(以下、「芳香族ビニル化合物(1)」と称する)に由来する構造単位からなる重合体ブロック(以下、「重合体ブロック(A)」と称する)、不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位からなる非晶性の重合体ブロック(以下、「重合体ブロック(B)」と称する)、および下記一般式(2)で示される、芳香族ビニル化合物(以下、「芳香族ビニル化合物(2)」と称する)に由来する構造単位からなる重合体ブロック(以下、「重合体ブロック(C)」と称する)を含有するブロック共重合体(以下、「ブロック共重合体(Z)」と称する)とスルホン化剤とを有機溶媒中で反応させて反応混合物を得る第1工程;
第1工程で得られた反応混合物を水と接触させて固体を析出させる第2工程;並びに
第2工程で析出させた固体を炭素数1〜4のアルコール(以下、「アルコール(X)」と称する)で洗浄する第3工程;
を含む、スルホン化ポリマーの製造方法;
[2]上記[1]の方法で得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質;
[3]上記[1]の方法で得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜;
[4]固体高分子型燃料電池用である、上記[3]の高分子電解質膜;並びに
[5]上記3または4の高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池;
を提供することによって達成される。
According to the present invention, the above object is
[1] A polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound (hereinafter referred to as “aromatic vinyl compound (1)”) represented by the following general formula (1) (hereinafter referred to as “polymer block ( A0 ) ”), an amorphous polymer block composed of a structural unit derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon (hereinafter referred to as“ polymer block (B) ”), and the following general formula (2) And a polymer block (hereinafter referred to as “polymer block (C)”) composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound (hereinafter referred to as “aromatic vinyl compound (2)”). A first step in which a block copolymer (hereinafter referred to as “block copolymer (Z 0 )”) and a sulfonating agent are reacted in an organic solvent to obtain a reaction mixture;
A second step in which the reaction mixture obtained in the first step is brought into contact with water to precipitate a solid; and the solid precipitated in the second step is referred to as an alcohol having 1 to 4 carbon atoms (hereinafter referred to as “alcohol (X)”). The third step of washing with
A process for producing a sulfonated polymer comprising:
[2] A polymer electrolyte comprising a sulfonated polymer obtained by the method of [1] above;
[3] A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated polymer obtained by the method of [1] above;
[4] The polymer electrolyte membrane according to [3], which is for a polymer electrolyte fuel cell; and [5] a solid polymer fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to 3 or 4 above;
Is achieved by providing

Figure 2016033174

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも2つは水素原子を表す。)
Figure 2016033174

(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, and R 2 to R 4. At least two of these represent hydrogen atoms.)

Figure 2016033174

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数3〜8のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも1つは炭素数3〜8のアルキル基を表す。)
Figure 2016033174

(In the formula, R 5 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 6 to R 8 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and R 6 to R 8. At least one of these represents an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms.)

本発明の製造方法で得られるスルホン化ポリマーは、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜に用いた場合に、低湿度下で高い出力を示し、かつ乾湿耐性に優れる。   The sulfonated polymer obtained by the production method of the present invention exhibits a high output under low humidity and is excellent in dry and wet resistance when used in a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

[第1工程]
本発明の製造方法に係る第1工程は、ブロック共重合体(Z)とスルホン化剤とを有機溶媒中で反応(スルホン化反応)させる工程である。かかるスルホン化反応においては、重合体ブロック(A)に選択的にスルホン酸基が導入される。この結果、本発明で得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜において、重合体ブロック(A)にスルホン酸基が導入された重合体ブロック(以下、「重合体ブロック(A)」と称する)、重合体ブロック(B)および重合体ブロック(C)はミクロ相分離構造を形成する。しかして本発明の高分子電解質膜は、重合体ブロック(A)を含む相が形成するイオン伝導性チャンネルによってイオン伝導性に優れ、重合体ブロック(B)を含む柔軟な相および重合体ブロック(C)を含む拘束力の高い相によって力学強度に優れることとなる。
なおここで、「ミクロ相分離」とは微視的な意味での相分離を意味し、より詳しくは、形成されるドメインサイズが可視光の波長(3800〜7800Å)以下である相分離を意味するものとする。
[First step]
The first step according to the production method of the present invention is a step of reacting the block copolymer (Z 0 ) and the sulfonating agent in an organic solvent (sulfonation reaction). In the sulfonation reaction, a sulfonic acid group is selectively introduced into the polymer block (A 0 ). As a result, in the polymer electrolyte membrane comprising the sulfonated polymer obtained in the present invention, a polymer block in which a sulfonic acid group is introduced into the polymer block (A 0 ) (hereinafter referred to as “polymer block (A)”). ), The polymer block (B) and the polymer block (C) form a microphase separation structure. Thus, the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in ion conductivity due to the ion conductive channel formed by the phase containing the polymer block (A), and the flexible phase and polymer block containing the polymer block (B) ( The phase with high binding force including C) is excellent in mechanical strength.
Here, “microphase separation” means phase separation in a microscopic sense, and more specifically, means phase separation in which the formed domain size is less than or equal to the wavelength of visible light (3800 to 7800 mm). It shall be.

(ブロック共重合体(Z))
第1工程で用いるブロック共重合体(Z)は、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)および重合体ブロック(C)を含有する。
(Block copolymer (Z 0 ))
The block copolymer (Z 0 ) used in the first step contains a polymer block (A 0 ), a polymer block (B), and a polymer block (C).

重合体ブロック(A)は芳香族ビニル化合物(1)に由来する構造単位からなる。
かかる芳香族ビニル化合物(1)としては、例えばスチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−エチルスチレン、α−メチルスチレン、α−メチル−4−メチルスチレン、α−メチル−2−メチルスチレン、α−メチル−4−エチルスチレン等が挙げられ、中でもスチレン、2−メチルスチレン、4−メチルスチレン、α−メチルスチレンおよびα−メチル−4−メチルスチレンが好ましく、入手性の観点からスチレン、α−メチルスチレンおよび4−メチルスチレンがより好ましい。重合体ブロック(A)はこれら芳香族ビニル化合物(1)を単量体として重合することで形成できる。これら芳香族ビニル化合物(1)は1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。重合体ブロック(A)を形成する全構造単位に対する芳香族ビニル化合物(1)に由来する構造単位は95モル%以上であることが好ましい。
The polymer block (A 0 ) is composed of a structural unit derived from the aromatic vinyl compound (1).
Examples of the aromatic vinyl compound (1) include styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 4-ethylstyrene, α-methylstyrene, α-methyl-4-methylstyrene, α- Examples thereof include methyl-2-methylstyrene, α-methyl-4-ethylstyrene, and styrene, 2-methylstyrene, 4-methylstyrene, α-methylstyrene, and α-methyl-4-methylstyrene are preferred and available. From the viewpoint of properties, styrene, α-methylstyrene and 4-methylstyrene are more preferable. The polymer block (A 0 ) can be formed by polymerizing these aromatic vinyl compounds (1) as monomers. These aromatic vinyl compounds (1) may be used alone or in combination of two or more. The structural unit derived from the aromatic vinyl compound (1) with respect to all the structural units forming the polymer block (A 0 ) is preferably 95 mol% or more.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損なわない範囲で芳香族ビニル化合物(1)以外の他の単量体に由来する構造単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えばブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の炭素数4〜8の共役ジエン;エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の炭素数2〜8のアルケン;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等の(メタ)アクリル酸エステル;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル;芳香族ビニル化合物(2)、ビニルナフタレン、ビニルビフェニル等の芳香族ビニル化合物(1)以外の芳香族ビニル化合物等が挙げられる。これら他の単量体は1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。これら他の単量体は芳香族ビニル化合物(1)と混合して共重合することで重合体ブロック(A)を形成できる。 The polymer block (A 0 ) may contain a structural unit derived from another monomer other than the aromatic vinyl compound (1) as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1, C4-C8 conjugated dienes such as 3-heptadiene; C2-C8 alkenes such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene; (Meth) acrylic acid esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate and butyl (meth) acrylate; vinyl esters such as vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate and vinyl pivalate; methyl vinyl ether, isobutyl Vinyl ethers such as vinyl ethers; aromatic vinyl compounds (2), vinyl naphthalene, vinyl biphenyl, etc. Aromatic vinyl compound (1) other than the aromatic vinyl compounds, and the like. These other monomers may be used alone or in combination of two or more. These other monomers can form a polymer block (A 0 ) by mixing and copolymerizing with the aromatic vinyl compound (1).

重合体ブロック(A)1つあたりの数平均分子量(Mn)は2,500〜45,000の範囲が好ましく、4,000〜34,000の範囲がより好ましく、7,000〜20,000の範囲がさらに好ましい。かかるMnが2,500以上であれば得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池は低湿度下における出力に優れる傾向となり、45,000以下であれば得られるスルホン化ポリマーは塗工性に優れる傾向となる。
なお、本明細書中において、Mnは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により測定された標準ポリスチレン換算値を意味する。
The number average molecular weight (Mn) per polymer block (A 0 ) is preferably in the range of 2,500 to 45,000, more preferably in the range of 4,000 to 34,000, and 7,000 to 20,000. The range of is more preferable. If the Mn is 2,500 or more, the polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer obtained tends to be excellent in output under low humidity, and if it is 45,000 or less, the resulting sulfone is obtained. The polymerized polymer tends to be excellent in coatability.
In addition, in this specification, Mn means the standard polystyrene conversion value measured by the gel permeation chromatography (GPC) method.

重合体ブロック(Z)における重合体ブロック(A)の合計含有量は20〜45質量%の範囲が好ましく、25〜40質量%の範囲がより好ましく、30〜40質量%の範囲がさらに好ましい。かかる合計含有量が20質量%以上であれば得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池は低湿度下における出力に優れる傾向となり、45質量%以下であれば得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜は耐水性に優れる傾向となる。 The total content of the polymer block in the polymer block (Z 0) (A 0) is preferably in the range of 20 to 45 wt%, more preferably in the range of 25 to 40 mass%, further in the range of 30 to 40 wt% preferable. If the total content is 20% by mass or more, the obtained polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer tends to be excellent in output under low humidity, and can be obtained if it is 45% by mass or less. The polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer tends to be excellent in water resistance.

重合体ブロック(B)は、不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位からなる非晶性の重合体ブロックである。なお、重合体ブロック(B)の非晶性は、ブロック共重合体(Z)の動的粘弾性を測定して、結晶性オレフィン重合体由来の貯蔵弾性率の変化がないことで確認できる。 The polymer block (B) is an amorphous polymer block composed of structural units derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons. In addition, the amorphous property of the polymer block (B) can be confirmed by measuring the dynamic viscoelasticity of the block copolymer (Z 0 ) and not having a change in the storage elastic modulus derived from the crystalline olefin polymer. .

上記重合体ブロック(B)を形成できる不飽和脂肪族炭化水素としては、例えばエチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の炭素数2〜8のアルケン;ビニルシクロペンタン、ビニルシクロヘキサン、ビニルシクロヘプタン、ビニルシクロオクタン等の炭素数7〜10のビニルシクロアルカン;ビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテン等の炭素数7〜10のビニルシクロアルケン;ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の炭素数4〜8の共役ジエン等が挙げられ、中でもエチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の炭素数2〜8のアルケンおよびブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の炭素数4〜8の共役ジエンが好ましく、炭素数4〜8の共役ジエンがより好ましく、ブタジエンおよびイソプレンがさらに好ましい。これら不飽和脂肪族炭化水素を単量体として重合することで重合体ブロック(B)を形成できる。これら不飽和脂肪族炭化水素は1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。重合体ブロック(B)を形成する全構造単位に対する不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位は95モル%以上であることが好ましい。   Examples of the unsaturated aliphatic hydrocarbon capable of forming the polymer block (B) include 2 carbon atoms such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, and 1-octene. Alkene of ˜8; C7-10 vinylcycloalkane such as vinylcyclopentane, vinylcyclohexane, vinylcycloheptane, vinylcyclooctane; C7 such as vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, vinylcycloheptene, vinylcyclooctene To 10 vinylcycloalkenes; butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, 1,3-heptadiene And conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms such as C2-C8 alkene and butadiene such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene C4-C8 conjugated dienes such as 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butadiene, and 1,3-heptadiene are preferable, and conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms are preferable. More preferred are butadiene and isoprene. A polymer block (B) can be formed by polymerizing these unsaturated aliphatic hydrocarbons as monomers. These unsaturated aliphatic hydrocarbons may be used alone or in combination of two or more. It is preferable that the structural unit derived from the unsaturated aliphatic hydrocarbon with respect to all the structural units forming the polymer block (B) is 95 mol% or more.

重合体ブロック(B)は、本発明の効果を損なわない範囲で不飽和脂肪族炭化水素以外の他の単量体に由来する構造単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル等が挙げられる。これら他の単量体は1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。これら他の単量体は上記不飽和脂肪族炭化水素と混合して共重合することで重合体ブロック(B)を形成できる。   The polymer block (B) may contain a structural unit derived from a monomer other than the unsaturated aliphatic hydrocarbon as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include aromatic vinyl compounds such as styrene and vinyl naphthalene; halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride; vinyl esters such as vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, and vinyl pivalate; methyl vinyl ether And vinyl ethers such as isobutyl vinyl ether. These other monomers may be used alone or in combination of two or more. These other monomers can be mixed with the unsaturated aliphatic hydrocarbon and copolymerized to form a polymer block (B).

上記不飽和脂肪族炭化水素が炭素−炭素二重結合を複数有する場合、そのいずれが重合に用いられてもよく、例えば該不飽和脂肪族炭化水素が共役ジエンである場合には、1,2−結合単位又は1,4−結合単位のいずれの結合単位となってもよい。共役ジエンを重合して形成した重合体ブロックには、通常炭素−炭素二重結合が残るが、重合した後に水素添加反応(以下、「水添反応」と称する)を行い、かかる炭素−炭素二重結合を水素添加(以下、「水添」と称する)することが好ましい。かかる炭素−炭素二重結合の水素添加率(以下、「水添率」と称する)は90モル%以上が好ましく、95モル%以上がより好ましく、97モル%以上がさらに好ましい。かかる水添率を高めることで、ブロック共重合体(Z)をスルホン化剤と反応させた際に、重合体ブロック(B)へのスルホン酸基の導入が阻害される傾向となる。また得られるスルホン化ポリマーは耐熱性に優れる傾向となる。なお、かかる水添率はH−NMR測定によって算出できる。 When the unsaturated aliphatic hydrocarbon has a plurality of carbon-carbon double bonds, any of them may be used for polymerization. For example, when the unsaturated aliphatic hydrocarbon is a conjugated diene, -It may be a binding unit or a 1,4-bond unit. A polymer block formed by polymerizing a conjugated diene usually retains a carbon-carbon double bond. However, after the polymerization, a hydrogenation reaction (hereinafter referred to as “hydrogenation reaction”) is performed, and the carbon-carbon double bond is formed. It is preferable to hydrogenate the heavy bond (hereinafter referred to as “hydrogenation”). The hydrogenation rate of such a carbon-carbon double bond (hereinafter referred to as “hydrogenation rate”) is preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more, and even more preferably 97 mol% or more. By increasing the hydrogenation rate, when the block copolymer (Z 0 ) is reacted with a sulfonating agent, introduction of sulfonic acid groups into the polymer block (B) tends to be inhibited. Further, the obtained sulfonated polymer tends to be excellent in heat resistance. The hydrogenation rate can be calculated by 1 H-NMR measurement.

重合体ブロック(B)一つあたりのMnは10,000〜150,000の範囲であるのが好ましく、17,500〜100,000の範囲がより好ましく、28,000〜75,000の範囲であるのがさらに好ましい。かかるMnが上記範囲であれば得られるスルホン化ポリマーは塗工性に優れる傾向となる。   The Mn per polymer block (B) is preferably in the range of 10,000 to 150,000, more preferably in the range of 17,500 to 100,000, and in the range of 28,000 to 75,000. More preferably. If such Mn is in the above range, the resulting sulfonated polymer tends to be excellent in coatability.

重合体ブロック(Z)における重合体ブロック(B)の合計含有量は35〜65質量%の範囲が好ましく、35〜55質量%の範囲がより好ましく、40〜50質量%の範囲がさらに好ましい。かかる合計含有量が上記範囲であれば得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜は機械的強度に優れる傾向となる。 The total content of the polymer block (B) in the polymer block (Z 0 ) is preferably in the range of 35 to 65% by mass, more preferably in the range of 35 to 55% by mass, and still more preferably in the range of 40 to 50% by mass. . When the total content is within the above range, the obtained polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer tends to be excellent in mechanical strength.

重合体ブロック(C)は芳香族ビニル化合物(2)に由来する構造単位からなる。
ブロック共重合体(Z)をスルホン化剤と反応させた際に、重合体ブロック(C)へのスルホン酸基の導入は阻害されるので、重合体ブロック(A)に選択的にスルホン酸基を導入することができる。
The polymer block (C) is composed of structural units derived from the aromatic vinyl compound (2).
When the block copolymer (Z 0 ) is reacted with a sulfonating agent, introduction of a sulfonic acid group into the polymer block (C) is inhibited, so that the polymer block (A 0 ) can be selectively treated with sulfone. Acid groups can be introduced.

芳香族ビニル化合物(2)としては、例えば4−プロピルスチレン、4−イソプロピルスチレン、4−ブチルスチレン、4−イソブチルスチレン、4−tert−ブチルスチレン、4−オクチルスチレン、α−メチル−4−tert−ブチルスチレン、α−メチル−4−イソプロピルスチレン等が挙げられ、4−tert−ブチルスチレン、4−イソプロピルスチレン、α−メチル−4−tert−ブチルスチレンおよびα−メチル−イソプロピルスチレンが好ましい。重合体ブロック(C)はこれら芳香族ビニル化合物(2)を単量体として重合することで形成できる。これら芳香族ビニル化合物(2)は1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。重合体ブロック(C)を形成する全構造単位に対する芳香族ビニル化合物(2)に由来する構造単位の含有量は95モル%以上であることが好ましい。   Examples of the aromatic vinyl compound (2) include 4-propyl styrene, 4-isopropyl styrene, 4-butyl styrene, 4-isobutyl styrene, 4-tert-butyl styrene, 4-octyl styrene, α-methyl-4-tert. -Butyl styrene, α-methyl-4-isopropyl styrene and the like can be mentioned, and 4-tert-butyl styrene, 4-isopropyl styrene, α-methyl-4-tert-butyl styrene and α-methyl-isopropyl styrene are preferable. The polymer block (C) can be formed by polymerizing these aromatic vinyl compounds (2) as monomers. These aromatic vinyl compounds (2) may be used alone or in combination of two or more. The content of the structural unit derived from the aromatic vinyl compound (2) with respect to all the structural units forming the polymer block (C) is preferably 95 mol% or more.

重合体ブロック(C)は、本発明を損なわない範囲で芳香族ビニル化合物(2)以外の他の単量体に由来する構造単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば、ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン等の炭素数4〜8の共役ジエン;エチレン、プロピレン、1−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテン、1−オクテン等の炭素数2〜8のアルケン;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等の(メタ)アクリル酸エステル;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル;スチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルビフェニル等の芳香族ビニル化合物(1)以外の芳香族ビニル化合物が挙げられる。これら他の単量体は1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。これらの他の単量体は芳香族ビニル化合物(2)と混合して共重合することで重合体ブロック(C)を形成できる。   The polymer block (C) may contain a structural unit derived from another monomer other than the aromatic vinyl compound (2) as long as the present invention is not impaired. Examples of such other monomers include butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, and 2-ethyl-1. C4-C8 conjugated dienes such as 1,3-butadiene, 1,3-heptadiene; carbon numbers such as ethylene, propylene, 1-butene, isobutene, 1-pentene, 1-hexene, 1-heptene, 1-octene 2 to 8 alkenes; (meth) acrylate esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate; vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc. Vinyl esters; vinyl ethers such as methyl vinyl ether and isobutyl vinyl ether; styrene, α-methyl styrene, vinyl naphth Ren, aromatic vinyl compounds such as vinyl biphenyl (1) an aromatic vinyl compound other than thereof. These other monomers may be used alone or in combination of two or more. These other monomers can form a polymer block (C) by mixing and copolymerizing with the aromatic vinyl compound (2).

重合体ブロック(C)1つあたりのMnは1,500〜30,000の範囲であるのが好ましく、2,000〜25,000の範囲がより好ましく、3,500〜15,000の範囲であるのがさらに好ましい。かかるMnが1,500以上であれば得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜は機械的強度に優れる傾向となり、30,000以下であれば得られるスルホン化ポリマーは塗工性に優れる傾向となる。   The Mn per polymer block (C) is preferably in the range of 1,500 to 30,000, more preferably in the range of 2,000 to 25,000, and in the range of 3,500 to 15,000. More preferably. If the Mn is 1,500 or more, the resulting polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer tends to be excellent in mechanical strength, and if it is 30,000 or less, the resulting sulfonated polymer tends to be excellent in coatability. Become.

重合体ブロック(Z)における重合体ブロック(C)の合計含有量は5〜30質量%の範囲が好ましく、10〜30質量%の範囲がより好ましく、20〜30質量%の範囲がさらに好ましい。かかる合計含有量が5質量%以上であれば得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜は機械的強度に優れる傾向となり、30質量%以下であれば得られるスルホン化ポリマーは塗工性が良好となる。 The total content of the polymer block (C) in the polymer block (Z 0 ) is preferably in the range of 5 to 30% by mass, more preferably in the range of 10 to 30% by mass, and still more preferably in the range of 20 to 30% by mass. . If the total content is 5% by mass or more, the resulting polymer electrolyte membrane composed of the sulfonated polymer tends to be excellent in mechanical strength, and if it is 30% by mass or less, the resulting sulfonated polymer has good coatability. It becomes.

ブロック共重合体(Z)は、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)および重合体ブロック(C)以外の他の重合体ブロックを含有してもよい。かかる重合体ブロックを形成できる単量体に特に制限はないが、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等の(メタ)アクリル酸エステル;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等のビニルエステル;メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等のビニルエーテル;ビニルナフタレン、ビニルビフェニル等の芳香族ビニル化合物(1)、芳香族ビニル化合物(2)以外の芳香族ビニル化合物等が挙げられる。これら他の重合体ブロックは1つであっても、複数であってもよい。ブロック共重合体(Z)における、これら他の重合体ブロックの含有量は合計で5質量%以下であることが好ましい。 The block copolymer (Z 0 ) may contain a polymer block other than the polymer block (A 0 ), the polymer block (B), and the polymer block (C). Although there is no restriction | limiting in particular in the monomer which can form such a polymer block, (meth) acrylic acid esters, such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate; vinyl acetate, propion Vinyl esters such as vinyl acid vinyl, vinyl butyrate and vinyl pivalate; Vinyl ethers such as methyl vinyl ether and isobutyl vinyl ether; Aromatic vinyl compounds other than aromatic vinyl compounds (1) and aromatic vinyl compounds (2) such as vinyl naphthalene and vinyl biphenyl Compounds and the like. These other polymer blocks may be one or plural. The content of these other polymer blocks in the block copolymer (Z 0 ) is preferably 5% by mass or less in total.

ブロック共重合体(Z)のMnは特に制限されないが、通常30,000〜200,000の範囲が好ましく、50,000〜170,000の範囲がより好ましく、70,000〜150,000の範囲がさらに好ましい。かかるMnが30,000以上であれば得られるスルホン化ポリマーは耐水性に優れる傾向となり、200,000以下であれば得られるスルホン化ポリマーは塗工性に優れる傾向となる。 The Mn of the block copolymer (Z 0 ) is not particularly limited, but is usually preferably in the range of 30,000 to 200,000, more preferably in the range of 50,000 to 170,000, and 70,000 to 150,000. A range is further preferred. If the Mn is 30,000 or more, the resulting sulfonated polymer tends to be excellent in water resistance, and if it is 200,000 or less, the obtained sulfonated polymer tends to be excellent in coatability.

ブロック共重合体(Z)において、重合体ブロック(A)の総量と重合体ブロック(C)の総量との質量比(重合体ブロック(A):重合体ブロック(C))は40:60〜90:10であるのが好ましく、45:55〜80:20であるのがより好ましく、50:50〜70:30であるのがさらに好ましい。上記質量比の範囲において重合体ブロック(A)の総量の割合を上げると、得られるスルホン化ポリマーを用いた高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池は低湿度下における出力に優れる傾向となる。また上記質量比の範囲において重合体ブロック(A)の総量の割合を下げると、得られるスルホン化ポリマーを用いた高分子電解質膜は機械的強度に優れる傾向となる。 In the block copolymer (Z 0 ), the mass ratio of the total amount of the polymer block (A 0 ) to the total amount of the polymer block (C) (polymer block (A 0 ): polymer block (C)) is 40. : 60 to 90:10 is preferable, 45:55 to 80:20 is more preferable, and 50:50 to 70:30 is still more preferable. When the ratio of the total amount of the polymer block (A 0 ) is increased within the above mass ratio range, the polymer electrolyte fuel cell including the polymer electrolyte membrane using the obtained sulfonated polymer tends to be excellent in output under low humidity. It becomes. Moreover, when the ratio of the total amount of the polymer block (A 0 ) is lowered within the above mass ratio range, the polymer electrolyte membrane using the resulting sulfonated polymer tends to be excellent in mechanical strength.

ブロック共重合体(Z)において、重合体ブロック(B)の総量と重合体ブロック(C)の総量との質量比(重合体ブロック(B):重合体ブロック(C))は、45:55〜90:10であるのが好ましく、50:50〜85:15であるのがより好ましく、55:45〜80:20であるのがさらに好ましい。上記質量比の範囲において重合体ブロック(B)の総量の割合を上げると、得られるスルホン化ポリマーは柔軟性に優れる傾向となる。また上記質量比の範囲において重合体ブロック(B)の総量の割合を下げると、得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜は機械的強度に優れる傾向となる。 In the block copolymer (Z 0 ), the mass ratio of the total amount of the polymer block (B) to the total amount of the polymer block (C) (polymer block (B): polymer block (C)) is 45: It is preferably 55 to 90:10, more preferably 50:50 to 85:15, and even more preferably 55:45 to 80:20. When the ratio of the total amount of the polymer block (B) is increased within the above mass ratio range, the resulting sulfonated polymer tends to be excellent in flexibility. Further, when the ratio of the total amount of the polymer block (B) is lowered within the above mass ratio range, the resulting polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer tends to be excellent in mechanical strength.

ブロック共重合体(Z)の配列の例として、A−B−C型トリブロック共重合体(A、B、Cはそれぞれ、重合体ブロック(A)、重合体ブロック(B)、重合体ブロック(C)を示す。以下同様)、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、B−A−B−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、C−A−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、C−A−C−B−C−A−C型ヘプタブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C−B−C型オクタブロック共重合体等が挙げられ、このうちイオン伝導性と高分子電解質膜の機械的強度の観点から、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A型ヘプタブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体およびA−C−B−C−A−C−B−C型オクタブロック共重合体が好ましく、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C型ヘキサブロック共重合体、A−C−A−C−B−C−
−C型オクタブロック共重合体、A−C−B−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体およびA−C−B−C−A−C−B−C型オクタブロック共重合体がより好ましく、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体およびA−C−A−C−B−C−A−C型オクタブロック共重合体がさらに好ましい。
As an example of the arrangement of the block copolymer (Z 0 ), A 0 -B-C type triblock copolymer (A 0 , B and C are respectively a polymer block (A 0 ) and a polymer block (B). , Polymer block (C), the same shall apply hereinafter), A 0 -BCA 0 type tetrablock copolymer, A 0 -BA 0 -C type tetrablock copolymer, BA 0 -B-C-type tetrablock copolymers, A 0 -B-C-B-type tetrablock copolymer, C-A 0 -B-A 0 -C type pentablock copolymer, C-B-A 0 —B—C type pentablock copolymer, A 0 —C—B—C—A 0 type pentablock copolymer, A 0 —C—B—A 0 —C type pentablock copolymer, A 0C-B-C-A 0 -C type hexamethylene block copolymer, C-A 0 -B-C -A 0 -C type Hekisaburo Copolymer, A 0 -C-A 0 -CBC type hexablock copolymer, A 0 -CA 0 -C—B-C-A 0 type heptablock copolymer, A 0- C—B—C—B—C—A 0- type heptablock copolymer, C—A 0 —C—B—C—A 0 —C-type hepta block copolymer, A 0 —C—A 0 —C—B—C—A 0 —C type octablock copolymer, A 0 —C—B—C—B—C—A 0 —C type octablock copolymer, A 0 —C—B—C -A 0 -C—B—C type octablock copolymer and the like, and among them, from the viewpoint of ion conductivity and mechanical strength of the polymer electrolyte membrane, A 0 -B—C—A 0 type tetrablock copolymer, A 0 -B-A 0 -C-type tetrablock copolymers, A 0 -B-C-B-type tetrablock copolymers, A 0 -C-B-C- 0 type pentablock copolymer, A 0 -C-B-A 0 -C type pentablock copolymer, A 0 -C-B-C -A 0 -C type hexamethylene block copolymer, A 0 -C -A 0 -C-B-C type hexablock copolymer, A 0 -C-A 0 -C-B-C-A 0 type heptablock copolymer, A 0 -C-B-C-B- C-A 0- type heptablock copolymer, A 0 -C-A 0 -C-B-C-A 0 -C-type octa-block copolymer, A 0 -C-B-C-B-C-A 0 -C type oct block copolymer and A 0 -C-B-C- A 0 -C-B-C type oct block copolymer are preferable, A 0 -C-B-C -A 0 type pentablock copolymer, A 0 -C-B-A 0 -C type pentablock copolymer, A 0 -C-B-C -A 0 -C type hexamethylene block copolymer , A 0 -C-A 0 -C -B-C type hexamethylene block copolymer, A 0 -C-A 0 -C -B-C-
A 0 -C type octablock copolymer, A 0 -C—B—C—B—C—A 0 —C type octablock copolymer and A 0 —C—B—C—A 0 —C—B -C-type oct block copolymer are more preferable, A 0 -C-B-C -A 0 type pentablock copolymers and A 0 -C-A 0 -C- B-C-A 0 -C type octa More preferred are block copolymers.

ブロック共重合体(Z)の製造方法は適宜選択できるが、リビングラジカル重合法、リビングアニオン重合法およびリビングカチオン重合法から選ばれる重合法によって前述した各単量体を重合した後、必要に応じて得られたブロック共重合体の重合体ブロック(B)の炭素−炭素二重結合を水添する方法が好ましい。 Although the production method of the block copolymer (Z 0) can be selected as appropriate, a living radical polymerization method, after polymerizing the respective monomers described above by polymerization selected from a living anionic polymerization and living cationic polymerization method, needs The method of hydrogenating the carbon-carbon double bond of the polymer block (B) of the block copolymer obtained accordingly is preferable.

ブロック共重合体(Z)の製造方法の具体例として、芳香族ビニル化合物(1)にスチレン、不飽和脂肪族炭化水素にイソプレン、芳香族ビニル化合物(2)に4−tert−ブチルスチレンを用いる場合、シクロヘキサン等の溶媒中で、有機リチウム化合物等のアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下で、スチレン、イソプレン、4−tert−ブチルスチレンを所望の順序に逐次添加し、順次重合させる。重合した後に、得られたブロック共重合体を耐圧容器に仕込み、公知の水素化反応触媒を添加して、水素雰囲気下において水添反応を行うことで、ブロック共重合体(Z)を得ることができる。 As specific examples of the method for producing the block copolymer (Z 0 ), styrene is used as the aromatic vinyl compound (1), isoprene is used as the unsaturated aliphatic hydrocarbon, and 4-tert-butylstyrene is used as the aromatic vinyl compound (2). When used, styrene, isoprene and 4-tert-butylstyrene are sequentially added in a desired order in a solvent such as cyclohexane using an anionic polymerization initiator such as an organolithium compound at a temperature of 20 to 100 ° C. And sequentially polymerize. After polymerization, the obtained block copolymer is charged into a pressure vessel, a known hydrogenation catalyst is added, and a hydrogenation reaction is performed in a hydrogen atmosphere to obtain a block copolymer (Z 0 ). be able to.

(スルホン化反応)
第1工程におけるスルホン化反応のスルホン化率は、イオン伝導性を高め、得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池の低湿度下における出力を高める観点から、90%以上が好ましい。なお、本明細書中においてスルホン化率とは、芳香族ビニル化合物(1)に由来する構造単位に対する導入されたスルホン酸基のモル分率を意味する。
また、後述する第2工程で得られる固体および得られるスルホン化ポリマーにおけるスルホン酸基の含有量(イオン交換容量)は1〜3.5meq/gの範囲が好ましく、1.5〜3meq/gの範囲がより好ましい。かかるイオン交換容量が1meq/g以上であれば該スルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池は低湿度下における出力に優れる傾向となり、3.5meq/g以下であれば該スルホン化ポリマーは耐水性に優れる傾向となる。なお、かかる含有量は中和滴定によって求められる。
(Sulfonation reaction)
The sulfonation rate of the sulfonation reaction in the first step is 90% from the viewpoint of increasing the ionic conductivity and increasing the output of the solid polymer fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane made of the resulting sulfonated polymer at low humidity. % Or more is preferable. In the present specification, the sulfonation rate means the molar fraction of the introduced sulfonic acid group with respect to the structural unit derived from the aromatic vinyl compound (1).
In addition, the content (ion exchange capacity) of the sulfonic acid group in the solid obtained in the second step described below and the sulfonated polymer obtained (ion exchange capacity) is preferably in the range of 1 to 3.5 meq / g, 1.5 to 3 meq / g. A range is more preferred. If the ion exchange capacity is 1 meq / g or more, the polymer electrolyte fuel cell including the polymer electrolyte membrane made of the sulfonated polymer tends to be excellent in output under low humidity, and if it is 3.5 meq / g or less. The sulfonated polymer tends to be excellent in water resistance. In addition, this content is calculated | required by neutralization titration.

かかるスルホン化反応は、例えばブロック共重合体(Z)と有機溶媒から溶液又は懸濁液を調製し、かかる溶液又は懸濁液にスルホン化剤を添加して混合することで行う。
スルホン化反応に用いるスルホン化剤としては、硫酸、酸無水物と硫酸との混合物系、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物系、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物系、2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。中でもスルホン化の副反応を抑制する観点から、酸無水物と硫酸との混合物系が好ましい。
かかるスルホン化剤は、市販品を購入しても、公知の方法で調製して用いてもよい。
Such sulfonation reaction is performed, for example, by preparing a solution or suspension from a block copolymer (Z 0 ) and an organic solvent, adding a sulfonating agent to the solution or suspension, and mixing.
Sulfonating agents used in the sulfonation reaction include sulfuric acid, a mixture of acid anhydride and sulfuric acid, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, sulfur trioxide and triethyl phosphate. Examples thereof include a mixture system and aromatic organic sulfonic acid represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Among these, from the viewpoint of suppressing side reactions of sulfonation, a mixture system of acid anhydride and sulfuric acid is preferable.
Such a sulfonating agent may be purchased commercially or prepared by a known method.

スルホン化反応に使用できる有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素、ヘキサン等の直鎖脂肪族炭化水素、シクロヘキサン等の環状脂肪族炭化水素、ニトロベンゼン等の電子求引性基を有する芳香族化合物等が例示でき、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素が好ましい。   Examples of the organic solvent that can be used for the sulfonation reaction include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, and aromatics having electron-withdrawing groups such as nitrobenzene. Group compounds and the like, and halogenated hydrocarbons such as methylene chloride are preferred.

スルホン化剤の使用量は、ブロック共重合体(Z)中の芳香族ビニル化合物(1)に由来する構造単位に対して0.9〜10モル倍が好ましく、2〜8モル倍がより好ましく、スルホン化反応後の固体の洗浄効率の観点から3〜5モル倍がさらに好ましい。かかる使用量がブロック共重合体(Z)の芳香族ビニル化合物(1)に由来する構造単位に対して0.9モル倍以上であればスルホン化反応が速やかに進行する傾向があり、10モル倍以下であれば原料コストの観点から有利になる傾向がある。 The amount of the sulfonating agent used is preferably 0.9 to 10 mol times, more preferably 2 to 8 mol times with respect to the structural unit derived from the aromatic vinyl compound (1) in the block copolymer (Z 0 ). Preferably, 3 to 5 mole times is more preferable from the viewpoint of washing efficiency of the solid after the sulfonation reaction. If the amount used is 0.9 mol times or more with respect to the structural unit derived from the aromatic vinyl compound (1) of the block copolymer (Z 0 ), the sulfonation reaction tends to proceed rapidly. If it is less than mol times, it tends to be advantageous from the viewpoint of raw material cost.

スルホン化反応の具体例として、無水酢酸と硫酸を用いてスルホン化剤を事前に調製し、有機溶剤として塩化メチレンを用いて、ブロック共重合体(Z)とスルホン化剤を反応させて反応混合物を得る方法について、以下に説明する。 As a specific example of the sulfonation reaction, a sulfonating agent is prepared in advance using acetic anhydride and sulfuric acid, and the block copolymer (Z 0 ) and the sulfonating agent are reacted using methylene chloride as the organic solvent. The method for obtaining the mixture will be described below.

用いる塩化メチレンはあらかじめモレキュラーシーブス等で脱水しておく。
窒素置換したフラスコに塩化メチレンを添加し0〜10℃で撹拌しつつ、液温を20〜30℃に保ちながら無水酢酸と硫酸を順に滴下した後、かかる温度で攪拌を続けることでスルホン化剤を調製する。
ブロック共重合体(Z)の質量に対して10〜30質量倍の塩化メチレンを加えて室温で攪拌し、ブロック共重合体(Z)の塩化メチレン溶液を調製する。次いで、調製した塩化メチレン溶液を撹拌しつつ、液温を20〜30℃に保ちながら、先に調製したスルホン化剤を滴下する。スルホン化剤添加後は室温で攪拌し、所望のスルホン化率になるまで反応させて目的の反応混合物を得る。なお、スルホン化率は反応混合物をサンプリングして、H−NMRを測定することで求められる。
The methylene chloride to be used is dehydrated in advance with molecular sieves or the like.
While adding methylene chloride to a flask purged with nitrogen and stirring at 0 to 10 ° C., acetic anhydride and sulfuric acid were added dropwise while maintaining the liquid temperature at 20 to 30 ° C. To prepare.
Block copolymer (Z 0) mass by adding 10 to 30 times by weight of methylene chloride respect of stirring at room temperature, to prepare a methylene chloride solution of the block copolymer (Z 0). Next, the previously prepared sulfonating agent is dropped while maintaining the liquid temperature at 20 to 30 ° C. while stirring the prepared methylene chloride solution. After the sulfonating agent is added, the mixture is stirred at room temperature and reacted until the desired sulfonation rate is obtained to obtain the desired reaction mixture. The sulfonation rate is obtained by sampling the reaction mixture and measuring 1 H-NMR.

[第2工程]
本発明の製造方法に係る第2工程は、第1工程で得られた反応混合物を水と接触させて固体を析出させる工程である。水と接触させる方法としては、反応混合物に水を添加する方法、水に反応混合物を添加する方法が挙げられ、得られる固体への水溶性不純物の混入を抑制する観点から、反応混合物に水を添加する方法が好ましい。
第1工程で得られた反応混合物の液温を20〜30℃に保ちながら水を添加することで固体を析出させることができる。
[Second step]
The second step according to the production method of the present invention is a step in which the reaction mixture obtained in the first step is brought into contact with water to precipitate a solid. Examples of the method of bringing into contact with water include a method of adding water to the reaction mixture and a method of adding the reaction mixture to water. From the viewpoint of suppressing mixing of water-soluble impurities into the resulting solid, water is added to the reaction mixture. The method of adding is preferable.
A solid can be precipitated by adding water while maintaining the liquid temperature of the reaction mixture obtained in the first step at 20 to 30 ° C.

反応混合物に接触させる水の量は、固体の回収効率を高める観点から、第1工程に供したブロック共重合体(Z)の10〜50質量倍が好ましい。反応混合物に水を接触させる温度は、5〜50℃の範囲が好ましく、10〜40℃の範囲がより好ましい。反応混合物に水を接触させる時間は、0.1〜30時間の範囲が好ましく、0.5〜10時間の範囲がより好ましい。 The amount of water to be brought into contact with the reaction mixture is preferably 10 to 50 times by mass of the block copolymer (Z 0 ) provided in the first step from the viewpoint of increasing the solid recovery efficiency. The temperature at which water is brought into contact with the reaction mixture is preferably in the range of 5 to 50 ° C, more preferably in the range of 10 to 40 ° C. The time for contacting the reaction mixture with water is preferably in the range of 0.1 to 30 hours, and more preferably in the range of 0.5 to 10 hours.

第2工程で析出させた固体は、濾過、乾燥などの公知の手段で回収することができる。また、第2工程で析出させた固体は、第3工程に供する前に固体表面に付着した無機物等の水溶性不純物を除去する目的で水で洗浄(水洗)することが好ましい。水洗する場合、回収した固体を水中で撹拌した後、濾過によって水を除去し再び固体を回収する方法が好ましい。かかる水洗は1回のみ行っても、複数回行ってもよい。水洗で使用する水の量は、洗浄効率を高める観点から、前記回収工程で得られた固体の10〜50質量倍が好ましい。水洗を行う温度は5〜80℃の範囲が好ましく、10〜40℃の範囲がより好ましい。水洗は、上記除去した水のpHが変化しなくなるまで繰り返し行うことが好ましい。   The solid precipitated in the second step can be recovered by known means such as filtration and drying. Moreover, it is preferable to wash | clean the solid precipitated in the 2nd process with water in order to remove water-soluble impurities, such as an inorganic substance adhering to the solid surface, before using for a 3rd process. In the case of washing with water, it is preferable to stir the recovered solid in water, then remove the water by filtration and recover the solid again. Such washing with water may be performed only once or a plurality of times. The amount of water used in the water washing is preferably 10 to 50 times by mass of the solid obtained in the recovery step from the viewpoint of increasing the washing efficiency. The temperature for washing with water is preferably in the range of 5 to 80 ° C, more preferably in the range of 10 to 40 ° C. Washing with water is preferably repeated until the pH of the removed water does not change.

[第3工程]
本発明の製造方法に係る第3工程は、第2工程で析出させた固体をアルコール(X)で洗浄する工程である。
アルコール(X)の具体例としてはメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール等が挙げられ、スルホン化ポリマーの回収効率の観点からメタノールが好ましい。これらアルコール(X)を用いて第2工程で析出させた固体を洗浄することで、得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜は乾湿耐性が高くなる。かかる乾湿耐性に優れる高分子電解質膜が得られる理由は定かではないが、乾湿耐性低下の原因となる不純物がアルコールによって除去されるものと推定され、かかる乾湿耐性低下の原因となる不純物も定かではないが、低分子量のポリマーなどを想定している。
[Third step]
The third step according to the production method of the present invention is a step of washing the solid precipitated in the second step with alcohol (X).
Specific examples of alcohol (X) include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, and methanol is preferred from the viewpoint of the recovery efficiency of the sulfonated polymer. By washing the solid deposited in the second step using these alcohols (X), the resulting polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer has high wet and dry resistance. The reason why such a polymer electrolyte membrane excellent in dry and wet resistance can be obtained is not clear, but it is estimated that the impurities causing the decrease in dry and wet resistance are estimated to be removed by alcohol, and the impurities causing the decrease in dry and dry resistance are not clear. Not intended, but assumes low molecular weight polymers.

アルコール(X)の使用量は洗浄に供する固体の20〜70質量倍が好ましい。アルコール(X)による洗浄時間は、生産効率の観点から20分間〜24時間の範囲が好ましく、1〜10時間の範囲がより好ましい。アルコール(X)による洗浄を行う温度は0〜60℃の範囲が好ましく、通常は常温で実施する。アルコール(X)による洗浄においては、通常固体をアルコール(X)中で撹拌した後、濾過によってアルコール(X)を除去しスルホン化ポリマーを回収する。回収したスルホン化ポリマーをさらにアルコール(X)で洗浄してもよい。   As for the usage-amount of alcohol (X), 20-70 mass times of the solid used for washing | cleaning is preferable. The washing time with alcohol (X) is preferably in the range of 20 minutes to 24 hours from the viewpoint of production efficiency, and more preferably in the range of 1 to 10 hours. The temperature for washing with alcohol (X) is preferably in the range of 0 to 60 ° C., and is usually carried out at room temperature. In washing with the alcohol (X), the solid is usually stirred in the alcohol (X), and then the alcohol (X) is removed by filtration to recover the sulfonated polymer. The recovered sulfonated polymer may be further washed with alcohol (X).

[高分子電解質および高分子電解質膜の製造]
以下、本発明の製造方法により得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質および高分子電解質膜の製造について説明する。通常、溶媒中にスルホン化ポリマーを溶解または分散させてなる流動性組成物を調製し、該流動性組成物を所望の形状に成形し、溶媒を除去することで高分子電解質である成形体(例えば高分子電解質膜)を製造する。
[Manufacture of polymer electrolyte and polymer electrolyte membrane]
Hereinafter, production of a polymer electrolyte and a polymer electrolyte membrane made of a sulfonated polymer obtained by the production method of the present invention will be described. Usually, a flowable composition comprising a sulfonated polymer dissolved or dispersed in a solvent is prepared, the flowable composition is formed into a desired shape, and the solvent is removed to form a molded body that is a polymer electrolyte ( For example, a polymer electrolyte membrane) is manufactured.

上記流動性組成物に用いることができる溶媒としては、スルホン化ポリマーの構造を破壊しないものであればよく、具体的には塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素;トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素;ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の鎖式脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素;テトラヒドロフラン等のエーテル、メタノール、エタノール、プロパノール、1−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール等のアルコール等が挙げられる。これら溶媒は1種を単独で用いても、2種以上を混合溶媒として用いてもよいが、スルホン化ポリマーに含まれる重合体ブロックの溶解性又は分散性の観点からトルエンと2−メチル−1−プロパノールの混合溶媒、キシレンと2−メチル−1−プロパノールの混合溶媒、トルエンと2−プロパノールの混合溶媒、シクロヘキサンと2−プロパノールの混合溶媒、シクロヘキサンと2−メチル−1−プロパノールの混合溶媒、テトラヒドロフランとメタノール混合溶媒が好ましく、トルエンと2−メチル−1−プロパノールの混合溶媒、キシレンと2−メチル−1−プロパノールの混合溶媒、トルエンと2−プロパノールの混合溶媒がより好ましい。   The solvent that can be used in the fluid composition is not particularly limited as long as it does not destroy the structure of the sulfonated polymer. Specifically, it is a halogenated hydrocarbon such as methylene chloride; an aromatic such as toluene, xylene, or benzene. Hydrocarbons: Chain aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, and octane; Cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane; Ethers such as tetrahydrofuran, methanol, ethanol, propanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-methyl- Examples thereof include alcohols such as 1-propanol. These solvents may be used alone or in combination of two or more, but from the viewpoint of solubility or dispersibility of the polymer block contained in the sulfonated polymer, toluene and 2-methyl-1 A mixed solvent of -propanol, a mixed solvent of xylene and 2-methyl-1-propanol, a mixed solvent of toluene and 2-propanol, a mixed solvent of cyclohexane and 2-propanol, a mixed solvent of cyclohexane and 2-methyl-1-propanol, A mixed solvent of tetrahydrofuran and methanol is preferable, a mixed solvent of toluene and 2-methyl-1-propanol, a mixed solvent of xylene and 2-methyl-1-propanol, and a mixed solvent of toluene and 2-propanol are more preferable.

上記流動性組成物は、必要に応じて軟化剤、安定剤、無機充填剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、漂白剤、繊維等の各種添加剤を併せて溶解又は分散させてもよい。流動性組成物中の溶媒以外の成分(固形分)中のこれら添加剤の含有量は、合計で25質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、15質量%以下であることがさらに好ましい。   The flowable composition may contain various additives such as a softener, a stabilizer, an inorganic filler, an antistatic agent, a release agent, a flame retardant, a foaming agent, a pigment, a dye, a bleaching agent, and a fiber as necessary. Or may be dissolved or dispersed. The content of these additives in the components (solid content) other than the solvent in the fluid composition is preferably 25% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and more preferably 15% by mass. More preferably, it is as follows.

上記軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系、アロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤;パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等が挙げられる。これらは1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。   Examples of the softener include petroleum-based softeners such as paraffinic, naphthenic, and aromatic process oils; paraffin, vegetable oil-based softeners, plasticizers, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

上記安定剤としては、2,6−ジtert−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスリチル−テトラキス[3−(3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジtert−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロシンナマミド)、3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス(3,5−ジtert−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス[2−[3−(3−tert−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリス(ノニルフェニル)ホスファイト、トリス(2,4−ジtert−ブチルフェニル)ホスファイト、ジステアリルペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これらは1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。   Examples of the stabilizer include 2,6-ditert-butyl-p-cresol, pentaerythrityl-tetrakis [3- (3,5-ditert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1,3,5 Trimethyl-2,4,6-tris (3,5-ditert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-ditert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate, triethylene Glycol-bis [3- (3-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis (n-octylthio) -6- (4-hydroxy-3,5-ditert-butylanilino) -1 , 3,5-triazine, 2,2-thio-diethylenebis [3- (3,5-ditert-butyl-4-hydroxyphen ) Propionate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-ditert-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamamide), 3,5-ditert-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl Ester, tris (3,5-ditert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis [2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyl Phenol stabilizers such as oxy] -1,1-dimethylethyl] -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5.5] undecane; pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), di Stearyl 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropionate, dimyristyl 3,3 ′ Sulfur stabilizers such as thiodipropionate; phosphorus stabilizers such as tris (nonylphenyl) phosphite, tris (2,4-ditert-butylphenyl) phosphite, distearyl pentaerythritol diphosphite It is done. These may be used alone or in combination of two or more.

上記無機充填剤としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。これらは1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。   Examples of the inorganic filler include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina. These may be used alone or in combination of two or more.

上記流動性組成物を所望の形状に成形した後、溶媒を除去することで、高分子電解質である成形体(例えば高分子電解質膜)が得られる。溶媒を除去する温度はスルホン化ポリマーが分解しない範囲で任意に選択でき、複数の温度を任意に組み合わせてもよい。溶媒除去方法としては、熱風乾燥機中にて60〜120℃で4分間以上乾燥させて溶媒を除去する方法;熱風乾燥機中にて120〜140℃で2〜4分間乾燥させて溶媒を除去する方法;25℃で1〜3時間予備乾燥させた後、熱風乾燥機中にて80〜120℃で5〜10分間かけて乾燥する方法;25℃で1〜3時間予備乾燥させた後、25〜40℃の雰囲気下、減圧条件下で1〜12時間乾燥させる方法等が挙げられ、得られる高分子電解質膜の機械的強度を高める観点から、熱風乾燥機中にて60〜120℃で4分間以上かけて乾燥させる方法;25℃で1〜3時間予備乾燥させた後、熱風乾燥機中にて80〜120℃程度で5〜10分間かけて乾燥させる方法;25℃で1〜3時間予備乾燥させた後、25〜40℃の雰囲気下1.3kPa以下の減圧条件下で1〜12時間乾燥させる方法等が好ましい。   After the fluid composition is molded into a desired shape, the solvent is removed to obtain a molded body (for example, a polymer electrolyte membrane) that is a polymer electrolyte. The temperature at which the solvent is removed can be arbitrarily selected as long as the sulfonated polymer is not decomposed, and a plurality of temperatures may be arbitrarily combined. Solvent removal method is a method of removing the solvent by drying at 60 to 120 ° C. for 4 minutes or longer in a hot air dryer; removing the solvent by drying at 120 to 140 ° C. for 2 to 4 minutes in a hot air dryer. A method of pre-drying at 25 ° C. for 1 to 3 hours, and then drying in a hot air dryer at 80 to 120 ° C. for 5 to 10 minutes; Examples include a method of drying for 1 to 12 hours under reduced pressure under an atmosphere of 25 to 40 ° C., and from the viewpoint of increasing the mechanical strength of the obtained polymer electrolyte membrane, in a hot air dryer at 60 to 120 ° C. A method of drying over 4 minutes; a method of predrying at 25 ° C. for 1 to 3 hours and then drying in a hot air dryer at about 80 to 120 ° C. for 5 to 10 minutes; After pre-drying for a period of time, under an atmosphere of 25 to 40 ° C. 1.3. The method for drying 1 to 12 hours under a reduced pressure condition of at most Pa is preferred.

次に、上記高分子電解質である成形体の例として、高分子電解質膜を製造する方法について説明する。高分子電解質膜の製造においては、上記流動性組成物を基板上に塗工して膜状に成形した後、溶媒を除去する。上記流動性組成物を塗工する基板としては、通常ポリエチレンテレフタレート(PET)等からなるポリマーフィルムやガラス板等が挙げられる。塗工方法はコーターやアプリケーター等を用いて塗工する方法が挙げられる。高分子電解質膜は通常基板から剥離して用いる。   Next, a method for producing a polymer electrolyte membrane will be described as an example of the molded body that is the polymer electrolyte. In the production of the polymer electrolyte membrane, the fluid composition is applied onto a substrate to form a membrane, and then the solvent is removed. Examples of the substrate on which the fluid composition is applied include a polymer film or a glass plate usually made of polyethylene terephthalate (PET) or the like. Examples of the coating method include a method of coating using a coater or an applicator. The polymer electrolyte membrane is usually used after being peeled from the substrate.

また、上記基板として多孔質基板を用いてもよい。この場合、通常多孔質基板に流動性組成物の少なくとも一部が含浸し、該多孔質基板を補強材とした高分子電解質膜が得られる。すなわちこの場合、多孔質基板は剥離せずに高分子電解質膜の一部として用いる。多孔質基板としては織布、不織布等の布帛;微細な貫通孔を有するポリマーフィルム等が挙げられ、機械的強度の観点から布帛が好ましい。該布帛を構成する繊維としてはアラミド繊維、ガラス繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維等が挙げられ、機械的強度の観点から全芳香族系のポリエステル繊維およびアラミド繊維が好ましい。
これら多孔質基板上に流動性組成物を塗工する方法としては、例えばディップニップ法、コーターやアプリケーター等を用いて基板に積層塗工する方法等が挙げられる。
Further, a porous substrate may be used as the substrate. In this case, a porous substrate is usually impregnated with at least a part of the fluid composition, and a polymer electrolyte membrane using the porous substrate as a reinforcing material is obtained. That is, in this case, the porous substrate is used as a part of the polymer electrolyte membrane without peeling off. Examples of the porous substrate include fabrics such as woven fabrics and nonwoven fabrics; polymer films having fine through-holes, and the fabric is preferable from the viewpoint of mechanical strength. Examples of the fibers constituting the fabric include aramid fibers, glass fibers, cellulose fibers, nylon fibers, vinylon fibers, polyester fibers, polyolefin fibers, rayon fibers and the like. From the viewpoint of mechanical strength, all aromatic polyester fibers and Aramid fibers are preferred.
Examples of the method of applying the fluid composition on the porous substrate include a dip nip method, a method of laminating and applying to the substrate using a coater, an applicator, and the like.

高分子電解質膜は複数の高分子電解質がそれぞれ層を成して積層されている複層膜であってもよい。複層膜の製造方法としては、例えば、流動性組成物を基板に塗工した後、溶媒を除去して1層目を形成したのち、さらに該1層目上に同じ、または別の高分子電解質を含む流動性組成物を塗工し、溶媒を除去することで2層目を形成する。同様に3層目以降を形成してもよい。また、それぞれ作製した高分子電解質膜を貼り合わせて複層膜としてもよい。   The polymer electrolyte membrane may be a multilayer membrane in which a plurality of polymer electrolytes are laminated in layers. As a method for producing a multilayer film, for example, after applying a fluid composition to a substrate, the solvent is removed to form a first layer, and then the same or another polymer is formed on the first layer. A fluid composition containing an electrolyte is applied and the solvent is removed to form a second layer. Similarly, the third and subsequent layers may be formed. Alternatively, the produced polymer electrolyte membranes may be bonded together to form a multilayer film.

以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not restrict | limited to these Examples.

(イオン交換容量の測定)
実施例および比較例において得られたスルホン化ポリマーのイオン交換容量は以下の方法で算出した。
ガラス容器中に、高分子電解質(a(g))および過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液((300〜500)×a(ml))を添加した後、ガラス容器を密閉して内容物を12時間攪拌した。次いで、フェノールフタレインを指示薬として、水中に発生した塩化水素を0.01規定のNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(滴定量b(ml))した。
イオン交換容量は次式により求めた。
イオン交換容量(meq/g)=(0.01×b×f)/a
(Measurement of ion exchange capacity)
The ion exchange capacity of the sulfonated polymer obtained in Examples and Comparative Examples was calculated by the following method.
In a glass container, a polymer electrolyte (a (g)) and an excess amount of a saturated aqueous solution of sodium chloride ((300 to 500) × a (ml)) are added, then the glass container is sealed and the contents are kept for 12 hours. Stir. Then, using phenolphthalein as an indicator, hydrogen chloride generated in water was titrated (titrated amount b (ml)) with a 0.01 N NaOH standard aqueous solution (titer f).
The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity (meq / g) = (0.01 × b × f) / a

(ブロック共重合体(Z)のMnの測定)
GPC法により下記の条件で測定し、標準ポリスチレン換算で算出した。
装置:東ソー(株)製、商品名:HLC−8220GPC
溶離液:テトラヒドロフラン
カラム:東ソー(株)製、商品名:TSK−GEL(TSKgel G3000HXL(内径7.8mm、有効長30cm)を1本、TSKgel Super Multipore HZ−M(内径4.6mm、有効長15cm)を2本の計3本を直列で接続)
カラム温度:40℃
検出器:RI
送液量:0.35ml/分
(Measurement of Mn of block copolymer (Z 0 ))
It was measured by the GPC method under the following conditions and calculated in terms of standard polystyrene.
Device: manufactured by Tosoh Corporation, trade name: HLC-8220GPC
Eluent: Tetrahydrofuran Column: manufactured by Tosoh Corporation, trade name: TSK-GEL (TSKgel G3000HXL (inner diameter 7.8 mm, effective length 30 cm), TSKgel Super Multipore HZ-M (inner diameter 4.6 mm, effective length 15 cm) ) 2 in total 3 connected in series)
Column temperature: 40 ° C
Detector: RI
Feed rate: 0.35 ml / min

H−NMRの測定)
後述する製造例で得られたブロック共重合体(Z)およびブロック共重合体(Z’)の各構造単位の含有率並びに重合体ブロック(B)における1,4−結合率および水添率は下記の条件でH−NMRを測定した結果から算出した。
溶媒:重クロロホルム
測定温度:室温
積算回数:32回
また、実施例および比較例で得られたスルホン化ポリマーのスルホン化率は下記の条件でH−NMRを測定した結果から算出した。
溶媒:重テトラヒドロフラン/重メタノール(質量比80/20)混合溶媒
測定温度:50℃
積算回数:32回
(Measurement of 1 H-NMR)
The content of each structural unit of the block copolymer (Z 0 ) and the block copolymer (Z 0 ′) obtained in the production examples described later, and the 1,4-bond ratio and hydrogenation in the polymer block (B) The rate was calculated from the result of measuring 1 H-NMR under the following conditions.
Solvent: Deuterated chloroform Measurement temperature: Room temperature Integration frequency: 32 times The sulfonation rate of the sulfonated polymer obtained in the examples and comparative examples was calculated from the results of 1 H-NMR measurement under the following conditions.
Solvent: deuterated tetrahydrofuran / deuterated methanol (mass ratio 80/20) mixed solvent Measurement temperature: 50 ° C
Integration count: 32 times

(貯蔵弾性率の測定)
製造例で得られたブロック共重合体(Z)およびブロック共重合体(Z’)から、上記した高分子電解質膜の作製方法と同様に、溶媒を含む流動性組成物を調製し、該流動性組成物を基板上に塗工した後、溶媒を除去することで膜を得た。
得られた膜を、広域動的粘弾性測定装置(レオロジ社製「DVE−V4FTレオスペクトラー」)によって、引張りモード(周波数:11Hz)で、昇温速度を3℃/分、−80℃から250℃まで昇温して、貯蔵弾性率(E’)、損失弾性率(E’’)および損失正接(tanδ)を測定した。結晶化オレフィン重合体に由来する、80〜100℃における貯蔵弾性率の変化がないことに基づき、重合体ブロック(B)の非晶性を判断した。この結果、製造例で得られたすべてのブロック共重合体(Z)およびブロック共重合体(Z’)について、重合体ブロック(B)は非晶性であった。
(Measurement of storage modulus)
From the block copolymer (Z 0 ) and the block copolymer (Z 0 ′) obtained in the production example, a fluid composition containing a solvent is prepared in the same manner as in the method for producing the polymer electrolyte membrane, After the fluid composition was applied on the substrate, the solvent was removed to obtain a film.
The obtained film was measured in a tensile mode (frequency: 11 Hz) with a wide-range dynamic viscoelasticity measuring device (“DVE-V4FT Rheospectr” manufactured by Rheology) at a rate of temperature increase from 3 ° C./min, from −80 ° C. The temperature was raised to 250 ° C., and the storage elastic modulus (E ′), loss elastic modulus (E ″), and loss tangent (tan δ) were measured. Based on the fact that there was no change in the storage elastic modulus at 80 to 100 ° C. derived from the crystallized olefin polymer, the amorphous nature of the polymer block (B) was judged. As a result, for all the block copolymers (Z 0 ) and block copolymers (Z 0 ′) obtained in the production examples, the polymer block (B) was amorphous.

[製造例1]
(ブロック共重合体(Z−1)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積1.4Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン633mlおよびsec−ブチルリチウム(0.70mol/Lシクロヘキサン溶液)0.952mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、スチレン29.3ml、4−tert−ブチルスチレン14.9ml、スチレン28.6ml、4−tert−ブチルスチレン14.8ml、イソプレン125ml、4−tert−ブチルスチレン14.6ml、スチレン27.8mlおよび4−tert−ブチルスチレン14.4mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)を得た。得られたブロック共重合体のMnは110,000、ポリイソプレンブロックの1,4−結合率は93.7%、スチレンに由来する構造単位の含有率は35.6質量%、4−tert−ブチルスチレンに由来する構造単位の含有率は24.6質量%であった。
[Production Example 1]
(Production of block copolymer (Z 0 -1))
After drying, 633 ml of dehydrated cyclohexane and 0.952 ml of sec-butyllithium (0.70 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1.4 L purged with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. 29.3 ml, 4-tert-butylstyrene 14.9 ml, styrene 28.6 ml, 4-tert-butylstyrene 14.8 ml, isoprene 125 ml, 4-tert-butylstyrene 14.6 ml, styrene 27.8 ml and 4-tert -14.4 ml of butyl styrene was sequentially added and polymerized to obtain polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene-b -Poly (4-tert-butylstyrene) -b- Polystyrene -b- obtain poly (4-tert-butylstyrene). The resulting block copolymer had an Mn of 110,000, a 1,4-bond ratio of the polyisoprene block of 93.7%, a content of structural units derived from styrene of 35.6% by mass, 4-tert- The content of the structural unit derived from butylstyrene was 24.6% by mass.

上記ブロック共重合体のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、60〜70℃で16時間水素添加反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A))、水添ポリイソプレン重合体ブロック(重合体ブロック(B))およびポリ(4−tert−ブチルスチレン)重合体ブロック(重合体ブロック(C))からなるブロック共重合体(Z)(ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、「ブロック共重合体(Z−1)」と称する))を得た。
得られたブロック共重合体(Z−1)の水添ポリイソプレンブロックの水添率は99%以上であった。
A cyclohexane solution of the above block copolymer is prepared, put into a pressure vessel that is purged with nitrogen, and a Ni / Al Ziegler catalyst is used at a hydrogen pressure of 0.5 to 1.0 MPa, 60 to 70 ° C. for 16 hours. A hydrogenation reaction was carried out, and a polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )), a hydrogenated polyisoprene polymer block (polymer block (B)) and a poly (4-tert-butylstyrene) polymer block (heavy Block copolymer (Z 0 ) (polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-water comprising a combined block (C)) Polyisoprene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (hereinafter referred to as “ A block copolymer (referred to as Z 0 -1))) was obtained.
The hydrogenation rate of the hydrogenated polyisoprene block of the obtained block copolymer (Z 0 -1) was 99% or more.

[製造例2]
(ブロック共重合体(Z−2)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積2Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン688ml、およびsec−ブチルリチウム(0.70mol/Lシクロヘキサン溶液)1.96mlを添加した後、60℃にて撹拌しつつ、スチレン21.6ml、4−tert−ブチルスチレン10.9ml、スチレン10.2ml、4−tert−ブチルスチレン10.3ml、イソプレン69.0ml、4−tert−ブチルスチレン9.80ml、スチレン9.20ml、および4−tert−ブチルスチレン9.55mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)を得た。得られたブロック共重合体のMnは230,000、ポリイソプレンブロックの1,4−結合率は94.0%、スチレンに由来する構造単位の含有率は27.8質量%、4−tert−ブチルスチレンに由来する構造単位の含有率は31.5質量%であった。
[Production Example 2]
(Production of block copolymer (Z 0 -2))
After drying, 688 ml of dehydrated cyclohexane and 1.96 ml of sec-butyllithium (0.70 mol / L cyclohexane solution) were added to a 2 L autoclave purged with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. .6 ml, 4-tert-butylstyrene 10.9 ml, styrene 10.2 ml, 4-tert-butylstyrene 10.3 ml, isoprene 69.0 ml, 4-tert-butylstyrene 9.80 ml, styrene 9.20 ml, and 4 -9.55 ml of tert-butylstyrene was added in succession and polymerized to obtain polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polyisoprene. -B-poly (4-tert-butylstyrene) -b- Polystyrene -b- obtain poly (4-tert-butylstyrene). The resulting block copolymer had an Mn of 230,000, a 1,4-bond ratio of the polyisoprene block of 94.0%, a content of structural units derived from styrene of 27.8% by mass, 4-tert- The content of structural units derived from butylstyrene was 31.5% by mass.

上記ブロック共重合体のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、60〜70℃で24時間水素添加反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A));水添ポリイソプレン重合体ブロック(重合体ブロック(B));およびポリ(4−tert−ブチルスチレン)重合体ブロック(重合体ブロック(C));からなるブロック共重合体(Z)(ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−水添ポリイソプレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)−b−ポリスチレン−b−ポリ(4−tert−ブチルスチレン)(以下、「ブロック共重合体(Z−2)」と称する))を得た。
得られたブロック共重合体(Z−2)の水添ポリイソプレンブロックの水添率は99%以上であった。
A cyclohexane solution of the above block copolymer is prepared, put into a pressure vessel which is purged with nitrogen, and using a Ni / Al Ziegler catalyst at a hydrogen pressure of 0.5 to 1.0 MPa, 60 to 70 ° C. for 24 hours. A hydrogenation reaction was carried out to produce a polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )); a hydrogenated polyisoprene polymer block (polymer block (B)); and a poly (4-tert-butylstyrene) polymer block ( Block copolymer (Z 0 ) (polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b -Hydrogenated polyisoprene-b-poly (4-tert-butylstyrene) -b-polystyrene-b-poly (4-tert-butylstyrene) (below) , Referred to as “block copolymer (Z 0 -2)”).
The hydrogenation rate of the hydrogenated polyisoprene block of the obtained block copolymer (Z 0 -2) was 99% or more.

[製造例3]
(ブロック共重合体(Z’)の製造)
乾燥後、窒素置換した内容積1.4Lのオートクレーブに、脱水したシクロヘキサン461ml、sec−ブチルリチウム(1.0mol/Lシクロヘキサン溶液)2.18mlを添加した後、60℃にて攪拌しつつ、スチレン19.8ml、イソプレン123ml、およびスチレン19.8mlを順次添加して重合し、ポリスチレン−b−ポリイソプレン−b−ポリスチレンを合成した。得られたブロック共重合体のMnは66,000、ポリイソプレンブロックの1,4−結合率は94.0%、スチレンに由来する構造単位の含有率は30.0質量%であった。
[Production Example 3]
(Production of block copolymer (Z 0 ′))
After drying, 461 ml of dehydrated cyclohexane and 2.18 ml of sec-butyllithium (1.0 mol / L cyclohexane solution) were added to an autoclave with an internal volume of 1.4 L substituted with nitrogen, and then stirred at 60 ° C. 19.8 ml, 123 ml of isoprene, and 19.8 ml of styrene were sequentially added and polymerized to synthesize polystyrene-b-polyisoprene-b-polystyrene. Mn of the obtained block copolymer was 66,000, the 1,4-bond ratio of the polyisoprene block was 94.0%, and the content of the structural unit derived from styrene was 30.0% by mass.

上記ブロック共重合体のシクロヘキサン溶液を調製して、窒素置換した耐圧容器に入れ、Ni/Al系のチーグラー系触媒を用いて、水素圧0.5〜1.0MPa、70℃で15時間水素添加反応を行い、ポリスチレン重合体ブロック(重合体ブロック(A))および水添ポリイソプレン重合体ブロック(重合体ブロック(B))からなるブロック共重合体(ポリスチレン−b−水添ポリイソプレン−b−ポリスチレン(以下、「ブロック共重合体(Z’)」と称する))を得た。
得られたブロック共重合体(Z’)の水添ポリイソプレンブロックの水添率は99%以上であった。
Prepare a cyclohexane solution of the above block copolymer, put it in a pressure vessel that is purged with nitrogen, and hydrogenate at a hydrogen pressure of 0.5 to 1.0 MPa and 70 ° C. for 15 hours using a Ni / Al Ziegler catalyst. A block copolymer (polystyrene-b-hydrogenated polyisoprene-b) comprising a polystyrene polymer block (polymer block (A 0 )) and a hydrogenated polyisoprene polymer block (polymer block (B)) after reaction. -Polystyrene (hereinafter referred to as “block copolymer (Z 0 ′)”) was obtained.
The hydrogenation rate of the hydrogenated polyisoprene block of the obtained block copolymer (Z 0 ′) was 99% or more.

[実施例1]
(第1工程)
乾燥後、窒素置換した内容積300mLの三口フラスコに、塩化メチレン62.7mlおよび無水酢酸31.4mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸を15.2ml滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌してスルホン化剤を調製した。一方、20gのブロック共重合体(Z−1)を攪拌機を備えた内容積1Lのガラス製反応容器に入れ、系内を窒素置換した後、塩化メチレン257mlを加えて常温にて4時間攪拌して溶解させた。この溶液に先に調製したスルホン化剤109mlを5分かけて滴下した後、常温にて48時間攪拌して反応混合物を得た。
(第2工程)
反応混合物を攪拌しつつ、液温を20〜30℃に保ちながら蒸留水1100mlを滴下して固体を析出させ、減圧濾過により固体を回収した。回収した固体を蒸留水1000mlとともに30分間攪拌して水洗した後、減圧濾過により固体を再び回収した。かかる水洗および減圧濾過を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返した後、回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、25gの固体を得た(以下、「固体(1)」と称する)。
(第3工程)
固体(1)7.0gを1000mLのセパラブルフラスコに入れ、メタノールを418g添加し、2時間攪拌した後、減圧濾過して固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、6.8gの本発明の目的物であるスルホン化ポリマーを得た(以下、「スルホン化ポリマー(1)」と称する)。得られたスルホン化ポリマー(1)のスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は2.2meq/gであった。
[Example 1]
(First step)
After drying, 62.7 ml of methylene chloride and 31.4 ml of acetic anhydride were added to a three-necked flask with an internal volume of 300 ml purged with nitrogen, and 15.2 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C. A sulfonating agent was prepared by stirring for 60 minutes. On the other hand, 20 g of the block copolymer (Z 0 -1) was placed in a 1 L glass reaction vessel equipped with a stirrer, and the inside of the system was purged with nitrogen. Then, 257 ml of methylene chloride was added and stirred at room temperature for 4 hours. And dissolved. To this solution, 109 ml of the sulfonating agent prepared previously was dropped over 5 minutes, and then stirred at room temperature for 48 hours to obtain a reaction mixture.
(Second step)
While stirring the reaction mixture, 1100 ml of distilled water was added dropwise while keeping the liquid temperature at 20 to 30 ° C. to precipitate a solid, and the solid was recovered by filtration under reduced pressure. The collected solid was stirred with 1000 ml of distilled water for 30 minutes and washed with water, and then the solid was collected again by filtration under reduced pressure. After repeating this water washing and vacuum filtration until there is no change in pH of the washing water, the collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 25 g of solid (hereinafter referred to as “solid (1)”). ").
(Third step)
7.0 g of solid (1) was put in a 1000 mL separable flask, 418 g of methanol was added, and the mixture was stirred for 2 hours, and then filtered under reduced pressure to collect the solid. The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 6.8 g of a sulfonated polymer which is the object of the present invention (hereinafter referred to as “sulfonated polymer (1)”). The resulting sulfonated polymer (1) had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 2.2 meq / g.

(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマー(1)の15.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 15.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the sulfonated polymer (1) obtained was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (Mitsubishi Resin Co., Ltd., trade name: MRV) with a thickness of about 200 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[実施例2]
(第3工程)
実施例1と同様に第1工程、第2工程を行って得られた固体(1)7.0gを1000mLセパラブルフラスコに入れ、エタノールを420g添加し、2時間攪拌した後、遠心分離(2000rpm、20分間)した。その後、上澄み液をデカンテーションにて取り除くことによって固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、6.9gの本発明の目的物であるスルホン化ポリマーを得た(以下、「スルホン化ポリマー(2)」と称する)。得られたスルホン化ポリマー(2)のスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は2.2meq/gであった。
[Example 2]
(Third step)
In the same manner as in Example 1, 7.0 g of the solid (1) obtained by performing the first step and the second step was put into a 1000 mL separable flask, 420 g of ethanol was added and stirred for 2 hours, and then centrifuged (2000 rpm 20 minutes). Thereafter, the supernatant was removed by decantation to collect a solid. The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 6.9 g of a sulfonated polymer which is the object of the present invention (hereinafter referred to as “sulfonated polymer (2)”). The resulting sulfonated polymer (2) had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 2.2 meq / g.

(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマー(2)の15.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 15.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the sulfonated polymer (2) obtained was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (Mitsubishi Resin Co., Ltd., trade name: MRV) with a thickness of about 200 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[実施例3]
(第3工程)
実施例1と同様に第1工程、第2工程を行って得られた固体(1)7.1gを1000mLのセパラブルフラスコへ入れ、2−プロパノールを428g添加し、2時間攪拌した後、遠心分離(20000rpm、20分間)によって固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、7.0gの本発明の目的物であるスルホン化ポリマーを得た(以下、「スルホン化ポリマー(3)」と称する)。得られたスルホン化ポリマー(3)のスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は2.2meq/gであった。
[Example 3]
(Third step)
In the same manner as in Example 1, 7.1 g of the solid (1) obtained by performing the first step and the second step was put into a 1000 mL separable flask, 428 g of 2-propanol was added, and the mixture was stirred for 2 hours, and then centrifuged. The solid was recovered by separation (20000 rpm, 20 minutes). The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 7.0 g of a sulfonated polymer which is the object of the present invention (hereinafter referred to as “sulfonated polymer (3)”). The resulting sulfonated polymer (3) had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 2.2 meq / g.

(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマー(3)の15.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 15.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the resulting sulfonated polymer (3) was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (Mitsubishi Resin Co., Ltd., trade name: MRV) with a thickness of about 200 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[実施例4]
(第3工程)
実施例1と同様に第1工程、第2工程を行って得られた固体(1)6.7gを1000mLセパラブルフラスコに入れ、2−メチル−1−プロパノールを402g添加し、3時間攪拌した後、遠心分離(2000rpm、40分間)によって固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、6.6gの本発明の目的物であるスルホン化ポリマーを得た(以下、「スルホン化ポリマー(4)」と称する)。得られたスルホン化ポリマー(4)のスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は2.2meq/gであった。
[Example 4]
(Third step)
In the same manner as in Example 1, 6.7 g of the solid (1) obtained by performing the first step and the second step was placed in a 1000 mL separable flask, 402 g of 2-methyl-1-propanol was added, and the mixture was stirred for 3 hours. Thereafter, the solid was recovered by centrifugation (2000 rpm, 40 minutes). The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 6.6 g of a sulfonated polymer as an object of the present invention (hereinafter referred to as “sulfonated polymer (4)”). The sulfonated polymer (4) obtained had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 2.2 meq / g.

(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマー(4)の15.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を、離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 15.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the sulfonated polymer (4) obtained was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (trade name: MRV, manufactured by Mitsubishi Plastics Co., Ltd.) with a thickness of about 200 μm, and then heated at 100 ° C. for 4 minutes with a hot air dryer. After drying, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[実施例5]
(第1工程)
乾燥後、窒素置換した内容積1Lの三口フラスコに、塩化メチレン72.9mlおよび無水酢酸48.6mlを添加し、0℃にて撹拌しつつ濃硫酸を21.7ml滴下し、さらに0℃にて60分間攪拌してスルホン化剤を調製した。一方、30gのブロック共重合体(Z−2)を、攪拌機を備えた内容積5Lのガラス製反応容器に入れ、系内を窒素置換した後、塩化メチレン600mlを加えて常温にて4時間攪拌して溶解させた。この溶液に先に調製したスルホン化剤143mlを5分かけて滴下した後、常温にて48時間攪拌した。
(第2工程)
反応混合物を攪拌しつつ、液温を20〜30℃に保ちながら蒸留水1100mlを滴下して固体を析出させ、減圧濾過により固体を回収した。回収した固体を蒸留水1000mlとともに30分間攪拌して水洗した後、減圧濾過により固体を再び回収した。かかる水洗および減圧濾過を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返した後に回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、36gの固体を得た(以下、「固体(2)」と称する)。
(第3工程)
固体(2)7.0gを1000mLのセパラブルフラスコに入れ、メタノールを418g添加し、2時間攪拌した後、減圧濾過して固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、6.8gの本発明の目的物であるスルホン化ポリマーを得た(以下、「スルホン化ポリマー(5)」と称する)。得られたスルホン化ポリマー(5)のスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は1.9meq/gであった。
(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマー(5)の9.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比73/27)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を、離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約450μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Example 5]
(First step)
After drying, 72.9 ml of methylene chloride and 48.6 ml of acetic anhydride were added to a 1 L three-necked flask purged with nitrogen, and 21.7 ml of concentrated sulfuric acid was added dropwise with stirring at 0 ° C. A sulfonating agent was prepared by stirring for 60 minutes. On the other hand, 30 g of the block copolymer (Z 0 -2) was placed in a 5 L glass reaction vessel equipped with a stirrer, and the inside of the system was purged with nitrogen. Then, 600 ml of methylene chloride was added and 4 hours at room temperature. Stir to dissolve. To this solution, 143 ml of the sulfonating agent prepared previously was dropped over 5 minutes, and then stirred at room temperature for 48 hours.
(Second step)
While stirring the reaction mixture, 1100 ml of distilled water was added dropwise while keeping the liquid temperature at 20 to 30 ° C. to precipitate a solid, and the solid was recovered by filtration under reduced pressure. The collected solid was stirred with 1000 ml of distilled water for 30 minutes and washed with water, and then the solid was collected again by filtration under reduced pressure. The solids collected after repeating this water washing and vacuum filtration until there was no change in the pH of the washing water were dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 36 g of solids (hereinafter referred to as “solid (2)”). Called).
(Third step)
7.0 g of solid (2) was put in a 1000 mL separable flask, 418 g of methanol was added, and the mixture was stirred for 2 hours, and then filtered under reduced pressure to collect the solid. The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 6.8 g of a sulfonated polymer which is the object of the present invention (hereinafter referred to as “sulfonated polymer (5)”). The resulting sulfonated polymer (5) had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 1.9 meq / g.
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 9.0% by mass toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 73/27) fluid composition of the obtained sulfonated polymer (5) was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (trade name: MRV, manufactured by Mitsubishi Plastics Co., Ltd.) at a thickness of about 450 μm, and then heated at 100 ° C. for 4 minutes with a hot air dryer. After drying, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[比較例1]
(高分子電解質膜の作製)
実施例1と同様に第1工程、第2工程を行って得られた固体(1)の15.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 1]
(Production of polymer electrolyte membrane)
15.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the solid (1) obtained by performing the first step and the second step in the same manner as in Example 1. Was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (Mitsubishi Resin Co., Ltd., trade name: MRV) with a thickness of about 200 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[比較例2]
(高分子電解質膜の作製)
実施例5と同様に第1工程、第2工程を行って得られた固体(2)の9.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約450μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 2]
(Production of polymer electrolyte membrane)
9.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the solid (2) obtained by performing the first step and the second step in the same manner as in Example 5. Was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (Mitsubishi Resin Co., Ltd., trade name: MRV) with a thickness of about 450 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[比較例3]
実施例1と同様に第1工程、第2工程を行って得られた得られた固体(1)7.1gを1000mLセパラブルフラスコに入れ、1−ヘキサノールを425g添加し、2時間攪拌した後、遠心分離(20000rpm、80分間)した。その後、上澄み液をデカンテーションにて取り除くことによって固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、7.0gのスルホン化ポリマーを得た。得られたスルホン化ポリマーのスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は2.2meq/gであった。
得られたスルホン化ポリマーの15.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(三菱樹脂(株)製、商品名:MRV)上に約200μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 3]
In the same manner as in Example 1, 7.1 g of the obtained solid (1) obtained by performing the first step and the second step was put in a 1000 mL separable flask, 425 g of 1-hexanol was added, and the mixture was stirred for 2 hours. And centrifuged (20,000 rpm, 80 minutes). Thereafter, the supernatant was removed by decantation to collect a solid. The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 7.0 g of a sulfonated polymer. The resulting sulfonated polymer had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 2.2 meq / g.
15.0 mass% toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the obtained sulfonated polymer was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (Mitsubishi Resin Co., Ltd., trade name: MRV) with a thickness of about 200 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[実施例および比較例により得られた高分子電解質膜の性能試験およびその結果]
下記の測定・評価方法によって、各実施例、比較例で用いた高分子電解質膜の性能を評価した。結果を表1に示す。
[Performance tests and results of polymer electrolyte membranes obtained in Examples and Comparative Examples]
The performance of the polymer electrolyte membrane used in each example and comparative example was evaluated by the following measurement / evaluation methods. The results are shown in Table 1.

[比較例4]
(第1工程)
塩化メチレン242ml中、0℃にて無水酢酸121mlと硫酸54mlとを混合し、スルホン化剤を調製した。一方、ブロック共重合体(Z’)78gを、3L攪拌機付きのガラス製反応容器に入れ、系内を真空とし窒素導入する操作を3回繰り返した後、窒素を導入した状態で塩化メチレン846mlを加え、常温にて4時間攪拌して溶解させた後、前記スルホン化剤417mlを5分間かけて滴下した。滴下終了後、常温にて48時間攪拌した。
(第2工程)
攪拌下で蒸留水500mlを滴下して、反応を停止するとともに固形分を凝固析出させた。
塩化メチレンを常圧留去にて除去した後、減圧濾過し、得られた固体をビーカーに移し、蒸留水を1000ml添加して攪拌下で洗浄を行った後、減圧濾過により固体を回収した。かかる洗浄および減圧濾過を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返した後、回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥して、80gの固体(スルホン化ポリマー)を得た。得られたスルホン化ポリマーのスチレンに由来する構造単位に対するスルホン酸基の割合(スルホン化率)は100mol%、イオン交換容量は2.3meq/gであった。
(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマーの14.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を離型処理済みPETフィルム(東洋紡績(株)製、商品名:K1504)上に約250μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 4]
(First step)
In 242 ml of methylene chloride, 121 ml of acetic anhydride and 54 ml of sulfuric acid were mixed at 0 ° C. to prepare a sulfonating agent. On the other hand, 78 g of block copolymer (Z 0 ′) was put in a glass reaction vessel equipped with a 3 L stirrer and the system was evacuated and introduced with nitrogen three times. Then, 846 ml of methylene chloride was introduced with nitrogen introduced. After stirring at room temperature for 4 hours to dissolve, 417 ml of the sulfonating agent was added dropwise over 5 minutes. After completion of dropping, the mixture was stirred at room temperature for 48 hours.
(Second step)
While stirring, 500 ml of distilled water was added dropwise to stop the reaction and solidify and precipitate the solid content.
Methylene chloride was removed by distillation under normal pressure, followed by filtration under reduced pressure. The resulting solid was transferred to a beaker, 1000 ml of distilled water was added and washed with stirring, and then the solid was recovered by filtration under reduced pressure. Such washing and vacuum filtration were repeated until there was no change in the pH of the washing water, and then the collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 80 g of a solid (sulfonated polymer). In the obtained sulfonated polymer, the ratio of the sulfonic acid group to the structural unit derived from styrene (sulfonation rate) was 100 mol%, and the ion exchange capacity was 2.3 meq / g.
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 14.0% by mass toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the obtained sulfonated polymer was prepared. Next, the fluid composition was applied on a release-treated PET film (trade name: K1504, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) to a thickness of about 250 μm, and dried at 100 ° C. for 4 minutes in a hot air dryer. Then, it was cut into 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[比較例5]
(第3工程)
比較例4と同様に第1工程、第2工程を行って得られた固体7.0gを1000mLのセパラブルフラスコに入れ、メタノールを418g添加し、2時間攪拌した後、減圧濾過して固体を回収した。回収した固体を1.3kPa、30℃にて24時間乾燥し、6.8gのスルホン化ポリマーを得た。得られスルホン化ポリマーのスルホン化率は100mol%、イオン交換容量は2.2meq/gであった。
(高分子電解質膜の作製)
得られたスルホン化ポリマーの14.0質量%のトルエン/2−メチル−1−プロパノール(質量比77/23)流動性組成物を調製した。次いで、該流動性組成物を、離型処理済みPETフィルム(東洋紡績(株)製、商品名:K1504)上に約250μmの厚さで塗工し、熱風乾燥機にて100℃で4分間乾燥させた後、9cm×9cmに切り出して、厚さ20μmの高分子電解質膜を得た。
[Comparative Example 5]
(Third step)
In the same manner as in Comparative Example 4, 7.0 g of the solid obtained by performing the first step and the second step was put into a 1000 mL separable flask, 418 g of methanol was added, and the mixture was stirred for 2 hours. It was collected. The collected solid was dried at 1.3 kPa and 30 ° C. for 24 hours to obtain 6.8 g of a sulfonated polymer. The resulting sulfonated polymer had a sulfonation rate of 100 mol% and an ion exchange capacity of 2.2 meq / g.
(Production of polymer electrolyte membrane)
A 14.0% by mass toluene / 2-methyl-1-propanol (mass ratio 77/23) fluid composition of the obtained sulfonated polymer was prepared. Next, the fluid composition was applied to a release-treated PET film (trade name: K1504, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) with a thickness of about 250 μm, and then heated at 100 ° C. for 4 minutes with a hot air dryer. After drying, it was cut out to 9 cm × 9 cm to obtain a polymer electrolyte membrane having a thickness of 20 μm.

[高分子電解質膜の評価]
実施例、比較例で得られた高分子電解質膜の評価を以下のようにして行った。
(固体高分子型燃料電池用単セルの作製)
以下の試験において、実施例および比較例で得られた高分子電解質膜のおよび乾湿耐性および該高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池の低湿度下における出力を評価するため、固体高分子型燃料電池用単セルを以下の手順で作製した。Pt触媒担持カーボンに、Nafion(登録商標。以下、同様)の10質量%水分散液を、カーボンとNafionとの質量比が1:1になるように添加、混合し、ついで1−プロパノールを、水/1−プロパノールの質量比が1/1になるまで添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストをスプレー法にて、カーボンペーパーの片面に均一に塗工した後、130℃で30分乾燥させ、5.6cm×5.6cmに切り出して、電極2枚を作製した。その後、実施例、比較例で作製した高分子電解質膜の両面に、内側を5cm×5cmの開口部を設けた9cm×9cm(厚さ25μm)のPETフィルム2枚を配置し、さらに上記した2枚の電極を、ペースト塗工面を内向きにして、前記2枚のPETフィルムのそれぞれの開口部を覆うように配置した後、2枚のステンレス板に挟持してホットプレス(115℃、2MPa、8分)を行い、膜−電極接合体を作製した。次いで作製した膜−電極接合体を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ、2枚の集電板、2枚のラバーヒーター付き締付板で順次挟み、固体高分子型燃料電池用単セルを作製した。
[Evaluation of polymer electrolyte membrane]
The polymer electrolyte membranes obtained in Examples and Comparative Examples were evaluated as follows.
(Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell)
In the following tests, in order to evaluate the output of the polymer electrolyte membranes obtained in Examples and Comparative Examples and the wet and dry resistance and the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane under low humidity, A single cell for a molecular fuel cell was prepared by the following procedure. A 10 mass% aqueous dispersion of Nafion (registered trademark, hereinafter the same) is added to and mixed with Pt catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of carbon to Nafion is 1: 1, and then 1-propanol is added. The mixture was added and mixed until the mass ratio of water / 1-propanol was 1/1 to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was applied uniformly on one side of the carbon paper by spraying, then dried at 130 ° C. for 30 minutes, cut into 5.6 cm × 5.6 cm, and two electrodes were produced. Thereafter, two PET films of 9 cm × 9 cm (thickness 25 μm) provided with openings of 5 cm × 5 cm on the inner side are arranged on both surfaces of the polymer electrolyte membranes prepared in Examples and Comparative Examples, and the above 2 The electrodes were placed with the paste coating surface facing inward so as to cover the respective openings of the two PET films, and then sandwiched between two stainless plates to be hot pressed (115 ° C., 2 MPa, 8 minutes) to produce a membrane-electrode assembly. Next, the prepared membrane-electrode assembly is sequentially sandwiched between two conductive separators that also serve as two gas supply channels, two current collector plates, and two clamping plates with a rubber heater, and a solid polymer. A single cell for a fuel cell was prepared.

(乾湿耐性および低湿度下における出力の評価)
上記で得られた固体高分子型燃料電池用単セルのラバーヒーターの電源を燃料電池評価システム((株)エヌエフ回路設計ブロック製)に接続するとともに、該燃料電池評価システムの熱電対を固体高分子型燃料電池用単セルのセパレータに接続した。次いで、固体高分子型燃料電池用単セルの2枚のラバーヒーター付き締付板それぞれに燃料供給配管と排気配管を接続し、2枚の集電板それぞれに負荷電流制御用端子と電圧検出用端子を接続した。
以上のようにして接続した固体高分子型燃料電池用単セルと燃料電池評価システムとを用いて、下記操作に従って低湿度下(30%RH)における出力を評価した。
また、下記操作に従って水素リーク増加率を算出し、乾湿耐性の指標として評価した。
<操作1>
アノードおよびカソードにそれぞれ80℃、100%RHの窒素を500ml/分で30分間供給しながら、固体高分子型燃料電池用単セルを80℃に加熱した。次いで、アノードに80℃、100%RHの水素を100ml/分、カソードに80℃、100%RHの空気を100ml/分の速度で30分間供給した。
<操作2>
固体高分子型燃料電池用単セルの温度を80℃に保持したまま、アノードに80℃、100%RHの水素を、カソードに80℃、100%RHの空気を供給しつつ、電流値を0Aから1.25Aずつ段階的に上げながら各電流値における電圧値を測定し、電圧値が0.01V以下になった時点で、電流値を0Aに戻した。なお、アノードへの水素の供給量およびカソードへの空気の供給量は、電流値0A、1.25A、2.5Aにおいてはそれぞれ46ml/分、168ml/分とし、3.75A以上においてはそれぞれストイキ1.5、ストイキ2.0とした。また、各電流値において各1分間電流値を保持した。
かかる操作を4回繰り返して、高分子電解質膜を湿潤状態とした。
<操作3>
固体高分子型燃料電池用単セルの温度を80℃に保持し、アノードへ80℃、80%RHの水素を500ml/分、カソードへ80℃、80%RHの窒素を500ml/分の速度で1時間供給した後、リニアスイープボルタンメトリーを実施した。電圧値を0.5mV/秒の速度で0.08Vから0.50Vまで変化させ、各電圧値における電流値を測定し、0.4Vの時の電流値で水素リーク量を評価した。
<操作4>
固体高分子型燃料電池用単セルを放冷しつつ、無加湿の窒素を1000ml/分の速度でアノードおよびカソードの燃料供給配管から単セルへ12時間供給することで高分子電解質膜を乾燥状態にした。
<操作5>
水素および空気の湿度を30%RHに変更した以外は、操作1と同様の操作を実施した。
<操作6>
水素および空気の湿度を30%RHに変更し、繰返し回数を3回に変更した以外は、操作2と同様の操作を実施した。
(Evaluation of dry and wet resistance and output under low humidity)
The power source of the single cell rubber heater for the polymer electrolyte fuel cell obtained above was connected to the fuel cell evaluation system (manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.), and the thermocouple of the fuel cell evaluation system was It connected to the separator of the single cell for molecular type fuel cells. Next, a fuel supply pipe and an exhaust pipe are connected to each of the two clamping plates with a rubber heater of the single cell for the polymer electrolyte fuel cell, and a load current control terminal and a voltage detection terminal are connected to each of the two current collecting plates. Connected terminals.
Using the solid polymer fuel cell unit connected as described above and the fuel cell evaluation system, the output under low humidity (30% RH) was evaluated according to the following operation.
Moreover, the hydrogen leak increase rate was calculated according to the following operation, and evaluated as an indicator of resistance to moisture.
<Operation 1>
While supplying nitrogen at 80 ° C. and 100% RH at 500 ml / min for 30 minutes to the anode and the cathode, the single cell for the polymer electrolyte fuel cell was heated to 80 ° C. Next, hydrogen at 80 ° C. and 100% RH was supplied to the anode at 100 ml / min, and air at 80 ° C. and 100% RH was supplied to the cathode at a rate of 100 ml / min for 30 minutes.
<Operation 2>
While maintaining the temperature of the unit cell for the polymer electrolyte fuel cell at 80 ° C., supplying 80 ° C. and 100% RH hydrogen to the anode, and supplying 80 ° C. and 100% RH air to the cathode, The voltage value at each current value was measured while gradually increasing from 1.25 A to 1.25 A, and when the voltage value became 0.01 V or less, the current value was returned to 0 A. The supply amount of hydrogen to the anode and the supply amount of air to the cathode are 46 ml / min and 168 ml / min at current values of 0 A, 1.25 A, and 2.5 A, respectively, and stoichiometric at 3.75 A and above. 1.5 and stoichiometric 2.0. Further, the current value was held for 1 minute at each current value.
Such an operation was repeated four times to make the polymer electrolyte membrane wet.
<Operation 3>
The temperature of the unit cell for the polymer electrolyte fuel cell is maintained at 80 ° C., the anode is 80 ° C., 80% RH hydrogen is 500 ml / min, the cathode is 80 ° C. and 80% RH nitrogen is 500 ml / min. After feeding for 1 hour, linear sweep voltammetry was performed. The voltage value was changed from 0.08 V to 0.50 V at a rate of 0.5 mV / second, the current value at each voltage value was measured, and the amount of hydrogen leak was evaluated by the current value at 0.4 V.
<Operation 4>
The polymer electrolyte membrane is dried by supplying non-humidified nitrogen to the single cell from the anode and cathode fuel supply pipes at a rate of 1000 ml / min for 12 hours while allowing the single cell for the polymer electrolyte fuel cell to cool. I made it.
<Operation 5>
The same operation as in the operation 1 was performed except that the humidity of hydrogen and air was changed to 30% RH.
<Operation 6>
The same operation as in the operation 2 was performed except that the humidity of hydrogen and air was changed to 30% RH and the number of repetitions was changed to 3.

以上の操作1〜操作6を操作1、操作2、操作3、操作4、操作5、操作6、操作1、操作2、操作4、操作5、操作6、操作3の順に実施した。1回目の操作3において得られた0.4Vの時の電流値をL1、2回目の操作3において得られた0.4Vの時の電流値をL2とし、L2/L1を水素リーク増加率と定義し、乾湿耐性の指標とした。
また、1回目の操作6における電流挿引操作3回目において電流が12.5Aのときに得られた電圧値から低湿度下における出力を算出した。
The above operations 1 to 6 were performed in the order of operation 1, operation 2, operation 3, operation 4, operation 5, operation 6, operation 1, operation 2, operation 4, operation 5, operation 6, and operation 3. The current value at 0.4V obtained in the first operation 3 is L1, the current value at 0.4V obtained in the first operation 3 is L2, and L2 / L1 is the hydrogen leak increase rate. Defined and used as an indicator of resistance to moisture.
Further, the output under low humidity was calculated from the voltage value obtained when the current was 12.5 A in the third current insertion operation in the first operation 6.

実施例1〜5および比較例1〜5の第1工程で用いたブロック共重合体(Z)、第3工程で用いたアルコール、得られたスルホン化ポリマーのイオン交換容量およびかかるスルホン化ポリマーから製造した高分子電解質膜の水素リーク増加率、低湿度下における出力を表1に示す。 Block copolymer (Z 0 ) used in the first step of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, alcohol used in the third step, ion exchange capacity of the sulfonated polymer obtained and the sulfonated polymer Table 1 shows the hydrogen leak increase rate and the output under low humidity of the polymer electrolyte membrane manufactured from the above.

Figure 2016033174
Figure 2016033174

実施例1〜4と比較例1、3とのと比較から、本発明の高分子電解質膜は水素リーク増加率が低く、乾湿耐性に優れると判断できる。また実施例1と比較例1との比較から、低湿度下における出力も本発明の高分子電解質膜の方が優れることが分かる。
同様に、実施例5と比較例2との比較から、本発明の高分子電解質膜の方が水素リーク増加率が低く、乾湿耐性に優れるとともに、低湿度下における出力も優れる。
実施例1と比較例5との比較から、イオン交換容量が同じでありながら、重合体ブロック(C)を含むブロック共重合体(Z−1)を原料として製造した本発明の高分子電解質膜の方が低湿度下における出力が高いことが分かる。
なお、比較例4、5に示すように、重合体ブロック(C)を含まないブロック共重合体(Z’)を原料として製造した高分子電解質膜においては、第3工程の実施による乾湿耐性の違いは認められず、第3工程を実施することによる乾湿耐性の向上が重合体ブロック(C)を含むブロック共重合体(Z)を原料として製造したスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜特有のものであると考えられる。
From comparison between Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 3, it can be determined that the polymer electrolyte membrane of the present invention has a low hydrogen leak increase rate and is excellent in dry and wet resistance. Moreover, it can be seen from the comparison between Example 1 and Comparative Example 1 that the polymer electrolyte membrane of the present invention is superior in output under low humidity.
Similarly, the comparison between Example 5 and Comparative Example 2 shows that the polymer electrolyte membrane of the present invention has a lower hydrogen leak increase rate, better resistance to dryness and moisture, and better output under low humidity.
From the comparison between Example 1 and Comparative Example 5, the polymer electrolyte of the present invention was produced using a block copolymer (Z 0 -1) containing a polymer block (C) as a raw material while having the same ion exchange capacity. It can be seen that the membrane has a higher output under low humidity.
In addition, as shown in Comparative Examples 4 and 5, in the polymer electrolyte membrane manufactured using the block copolymer (Z 0 ′) not including the polymer block (C) as a raw material, the wet and dry resistance by the implementation of the third step The polymer electrolyte membrane is made of a sulfonated polymer produced by using a block copolymer (Z 0 ) containing a polymer block (C) as a raw material for improving the wet and dry resistance by carrying out the third step. It is considered unique.

本発明の製造方法で得られるスルホン化ポリマーを固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜に用いた場合、低湿度下でも高い出力を示し、かつ乾湿耐性に優れるため、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として有用である。   When the sulfonated polymer obtained by the production method of the present invention is used in a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, it exhibits a high output even at low humidity and is excellent in dry and moisture resistance. It is useful as a polymer electrolyte membrane for batteries.

Claims (5)

下記一般式(1)で示される、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロック、不飽和脂肪族炭化水素に由来する構造単位からなる非晶性の重合体ブロック、および下記一般式(2)で示される、芳香族ビニル化合物に由来する構造単位からなる重合体ブロックを含有するブロック共重合体とスルホン化剤とを有機溶媒中で反応させて反応混合物を得る第1工程;
第1工程で得られた反応混合物を水と接触させて固体を析出させる第2工程;並びに
第2工程で析出させた固体を炭素数1〜4のアルコールで洗浄する第3工程;
を含む、スルホン化ポリマーの製造方法。
Figure 2016033174

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜2のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも2つは水素原子を表す。)
Figure 2016033174

(式中、Rは水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数3〜8のアルキル基を表し、かつR〜Rの少なくとも1つは炭素数3〜8のアルキル基を表す。)
A polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound represented by the following general formula (1), an amorphous polymer block composed of a structural unit derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon, and the following general formula A first step of obtaining a reaction mixture by reacting a block copolymer containing a polymer block composed of a structural unit derived from an aromatic vinyl compound represented by (2) with a sulfonating agent in an organic solvent;
A second step in which the reaction mixture obtained in the first step is brought into contact with water to precipitate a solid; and a third step in which the solid precipitated in the second step is washed with an alcohol having 1 to 4 carbon atoms;
A process for producing a sulfonated polymer.
Figure 2016033174

(In the formula, R 1 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. R 2 to R 4 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms, and R 2 to R 4. At least two of these represent hydrogen atoms.)
Figure 2016033174

(In the formula, R 5 represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 6 to R 8 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms, and R 6 to R 8. At least one of these represents an alkyl group having 3 to 8 carbon atoms.)
請求項1の方法で得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質。 A polymer electrolyte comprising a sulfonated polymer obtained by the method of claim 1. 請求項1の方法で得られるスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜。 A polymer electrolyte membrane comprising a sulfonated polymer obtained by the method of claim 1. 固体高分子型燃料電池用である、請求項3に記載の高分子電解質膜。 The polymer electrolyte membrane according to claim 3, which is used for a polymer electrolyte fuel cell. 請求項3または4に記載の高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 3.
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