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JP2007265955A - Polymer electrolyte membrane, process for production thereof, polymer electrolyte, electrolyte composition, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte membrane, process for production thereof, polymer electrolyte, electrolyte composition, membrane-electrode assembly, and fuel cell Download PDF

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JP2007265955A
JP2007265955A JP2006203819A JP2006203819A JP2007265955A JP 2007265955 A JP2007265955 A JP 2007265955A JP 2006203819 A JP2006203819 A JP 2006203819A JP 2006203819 A JP2006203819 A JP 2006203819A JP 2007265955 A JP2007265955 A JP 2007265955A
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electrolyte membrane
block
polymer electrolyte
block copolymer
ion
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憲司 山田
Mamiko Kumagai
麻美子 熊谷
Toru Nakakubo
亨 中窪
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Canon Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane capable of obtaining high ionic conductivity and stably obtaining high output even when humidifying of an electrolyte with auxiliaries is not conducted or humidifying is low. <P>SOLUTION: The electrolyte membrane is constituted of a block copolymer having an ion-conductive block. In the membrane, the ion-conductive block 12 forms ion-conductive domains 14 in a cylindrical shape arranged parallel to the direction of thickness d of the polymer electrolyte membrane. The ion-conductive block is made of a polymer having an ion exchange group. The ion exchange group is a sulfonic group, a carboxilic group, a phosphoric group, a phosphonic group, or a phosphonous group. The volume fraction of the ion-conductive block in the block copolymer is 5-30%. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高イオン伝導性を有し、イオン伝導性に対する湿度および温度の影響の小さな、燃料電池用に適した高分子電解質膜、その製造方法および該高分子電解質膜を用いた膜電極接合体および燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell having high ionic conductivity and having a small influence of humidity and temperature on the ionic conductivity, a method for producing the polymer electrolyte membrane, and membrane electrode bonding using the polymer electrolyte membrane Body and fuel cell.

燃料電池は、使用する電解質の種類によって、高分子電解質型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。これらの中で、低温作動型の燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池は、燃料電池を構成する材料面での制約が少なく、小型化・軽量化が可能である。そのために、可搬型の小型電源や車載用動力源等への応用が期待されている。特に携帯機器用の小型電源としての応用には、さらなる高出力化及び小型化を図ることが望まれており、そのためには解決すべき課題が残されている。   Fuel cells are classified into polymer electrolyte type, phosphoric acid type, alkali type, molten carbonate type, solid oxide type, and the like, depending on the type of electrolyte used. Among these, low-temperature operating fuel cells, particularly polymer electrolyte fuel cells, are less restricted in terms of materials constituting the fuel cells and can be reduced in size and weight. Therefore, it is expected to be applied to a portable small power source, an in-vehicle power source, and the like. In particular, for application as a small power source for portable devices, it is desired to further increase the output and reduce the size, and problems to be solved remain.

第1の課題は、電解質膜の高イオン伝導率化及び高強度化である。高分子電解質型燃料電池の場合、電解質として、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表される非架橋のパーフルオロ系電解質や種々の炭化水素系電解質などの高分子膜を用いるのが一般的である。このような高分子電解質型燃料電池を高出力化するためには、高分子膜のイオン伝導率は高い方が望ましい。また、燃料電池は、一般に多数の単電池を積層したスタックとして使用されるので、高分子電解質型燃料電池を小型化するためには、高分子膜の厚さは薄い方が好ましく、そのためには、高分子膜の強度は高い方が望ましい。   The first problem is to increase the ionic conductivity and the strength of the electrolyte membrane. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, it is common to use a polymer membrane such as a non-crosslinked perfluoro electrolyte represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) or various hydrocarbon electrolytes as the electrolyte. It is. In order to increase the output of such a polymer electrolyte fuel cell, it is desirable that the ionic conductivity of the polymer membrane is high. In addition, since the fuel cell is generally used as a stack in which a large number of single cells are stacked, in order to reduce the size of the polymer electrolyte fuel cell, it is preferable that the thickness of the polymer membrane is small. The higher the strength of the polymer film, the better.

しかしながら、一般に高分子膜中におけるイオン交換基の分布はランダムであるため、イオン交換基の密度が小さいところでは抵抗が大きくなる。そのため、イオン交換基の密度の低い高分子膜では、高いイオン伝導率は得られない。一方、イオン交換基の密度を高くすれば、高分子膜のイオン伝導率は高くなる。しかしながら、高分子膜のイオン交換基の密度が高くなると、あるところで膜が水溶性となり、高分子膜の強度が低下するという問題がある。すなわち、高分子膜では、高イオン伝導率と高強度とを両立させるのが困難である。   However, since the distribution of ion exchange groups in the polymer membrane is generally random, the resistance increases when the density of ion exchange groups is small. Therefore, high ion conductivity cannot be obtained with a polymer membrane having a low density of ion exchange groups. On the other hand, if the density of ion exchange groups is increased, the ionic conductivity of the polymer membrane is increased. However, when the density of ion exchange groups in the polymer membrane increases, there is a problem that the membrane becomes water-soluble at some point and the strength of the polymer membrane decreases. That is, it is difficult for the polymer film to achieve both high ionic conductivity and high strength.

従来の高分子電解質型燃料電池においては、この問題を解決するために、複合化や架橋により高分子膜の強度や寸法安定性を向上させながら、イオン交換基の密度を高める方法が提案されている。例えば、特許文献1には、パーフルオロ系電解質の寸法安定性及び取扱適正を改善するために、繊維が無作為に配向した多孔質支持体に、イオン伝導性ポリマーを含浸させた複合膜が開示されている。   In the conventional polymer electrolyte fuel cell, in order to solve this problem, a method for increasing the density of ion exchange groups while improving the strength and dimensional stability of the polymer membrane by combining and crosslinking has been proposed. Yes. For example, Patent Document 1 discloses a composite membrane in which an ion conductive polymer is impregnated into a porous support in which fibers are randomly oriented in order to improve the dimensional stability and handling suitability of a perfluoro-based electrolyte. Has been.

さらに、高イオン伝導率と高強度とを両立させるため、電解質膜内において、イオン伝導性物質の導入場所を固定化することにより、イオン交換基の導入量が相対的に少ない場合であっても、高いイオン伝導率が得られる高分子電解質が提案されている。   Furthermore, in order to achieve both high ion conductivity and high strength, by fixing the introduction site of the ion conductive substance in the electrolyte membrane, even if the introduction amount of ion exchange groups is relatively small There have been proposed polymer electrolytes capable of obtaining high ionic conductivity.

たとえば、特許文献2には、厚さ方向に貫通する連通孔を有する膜支持体と、前記連通孔の内部に導入されたイオン伝導性物質とを有する電解質膜が開示されている。イオン伝導性物質を導入するための多孔質支持体として、厚さ方向に貫通する連通孔を有する膜支持体を用いると、イオン伝導性物質の導入場所が特定される。そのため、イオン交換基の導入量が相対的に少ない場合であっても、高いイオン伝導率が得られる高分子電解質型燃料電池用の高分子電解質膜を提供している。   For example, Patent Document 2 discloses an electrolyte membrane having a membrane support having a communication hole penetrating in the thickness direction and an ion conductive material introduced into the communication hole. When a membrane support having a communication hole penetrating in the thickness direction is used as the porous support for introducing the ion conductive material, the introduction site of the ion conductive material is specified. Therefore, there is provided a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell that can provide high ion conductivity even when the amount of ion exchange groups introduced is relatively small.

また特許文献3には、イオン輸送を担うイオン伝導性セグメントと、機械的安定性の役割を担う柔軟で弾力性のあるエラストマーセグメント(マトリックスセグメント)からなるブロック共重合体の電解質膜が開示されている。   Patent Document 3 discloses an electrolyte membrane of a block copolymer composed of an ion conductive segment responsible for ion transport and a flexible and elastic elastomer segment (matrix segment) responsible for mechanical stability. Yes.

第2の課題は、電解質膜の耐ドライアウト化及び電極の耐フラッディング化である。高分子電解質型燃料電池に用いられる電解質膜としては、種々の材料が知られているが、これらは、いずれもイオン伝導性を発現するには水を必要とする。   The second problem is to make the electrolyte membrane resistant to dry out and the electrode resistant to flooding. Various materials are known as electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells, and all of these require water to exhibit ionic conductivity.

そのため、燃料電池の運転条件がドライ条件になると、電解質膜の含水率が低下し、イオン伝導率が低下する、いわゆるドライアウトが発生し、燃料電池の出力を低下させる原因となる。   Therefore, when the operating condition of the fuel cell becomes a dry condition, the water content of the electrolyte membrane decreases, so-called dryout occurs, which decreases the ionic conductivity, and causes a decrease in the output of the fuel cell.

従来の高分子電解質型燃料電池においては、この問題を解決するために、補機を用いて外部から電解質膜に水分を補給する方法を用いるのが一般的である。電解質膜に水分を補給する方法としては、具体的には、バブラー、ミスト発生器等を用いて反応ガスを加湿する方法、セパレーター内部に形成された反応ガス流路に直接水分を注入する方法等が知られている。   In conventional polymer electrolyte fuel cells, in order to solve this problem, it is common to use a method of replenishing the electrolyte membrane from the outside using an auxiliary machine. As a method for supplying moisture to the electrolyte membrane, specifically, a method of humidifying a reaction gas using a bubbler, a mist generator, etc., a method of directly injecting moisture into a reaction gas channel formed inside a separator, etc. It has been known.

高分子電解質型燃料電池の場合、カソードにおいて、電池反応により水が生成する。また、イオンがアノード側からカソード側に移動する際に、電気浸透により水もカソード側に移動する。そのため、電解質膜内に含水率の偏りが生じる。これにより、カソードにおいて過剰の水が滞留しやすくなり、電極内の細孔が水で閉塞し、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電池の出力を低下させる原因となる。   In the case of a polymer electrolyte fuel cell, water is generated by a cell reaction at the cathode. Further, when ions move from the anode side to the cathode side, water also moves to the cathode side by electroosmosis. Therefore, the moisture content is uneven in the electrolyte membrane. As a result, excess water tends to stay in the cathode, pores in the electrode are blocked with water, so-called flooding occurs, and the output of the fuel cell is reduced.

また、このような電解質膜内に含水率の偏りなどによる特性低下を抑制する為、湿度条件によりイオン伝導性に影響を受けない電解質膜が望まれている。
上記課題を解決する方法として、特許文献4には、燃料電池用高分子電解質膜として、スルホン酸基含有ブロックと、スルホン酸基を含有していないブロックとからなるブロック共重合体が開示されている。具体的には、スルホン酸基の導入された親水性セグメントと、導入されていない疎水性セグメントとからなるスルホン化芳香族ポリエーテルスルホン系ブロック共重合体を用いている。前記電解質膜は、ランダムにスルホン酸基が導入された高分子電解質と比較して、イオン伝導度は同等以上で、また、吸水量が少なく抑えられることから、耐水性に優れていることが記載されている。また、イオン伝導性に対する湿度及び温度の影響の少ない高分子電解質が得られる。
特開平6−231779号公報 特開2002−203576号公報 特表平10−503788号公報 特開2003−031232号公報
In addition, in order to suppress the deterioration of characteristics due to the moisture content unevenness in the electrolyte membrane, an electrolyte membrane that is not affected by the ionic conductivity due to humidity conditions is desired.
As a method for solving the above problem, Patent Document 4 discloses a block copolymer comprising a sulfonic acid group-containing block and a block not containing a sulfonic acid group as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. Yes. Specifically, a sulfonated aromatic polyethersulfone block copolymer comprising a hydrophilic segment having a sulfonic acid group introduced therein and a hydrophobic segment not having been introduced is used. It is described that the electrolyte membrane is excellent in water resistance because its ionic conductivity is equal to or higher than that of a polymer electrolyte into which sulfonic acid groups are randomly introduced, and the amount of water absorption is reduced. Has been. In addition, a polymer electrolyte with less influence of humidity and temperature on ion conductivity can be obtained.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-231777 JP 2002-203576 A Japanese National Patent Publication No. 10-503788 JP 2003-031232 A

上述した従来技術には、それぞれ以下のような問題がある。
第1に、特許文献1では、繊維が無作為に配向した多孔質支持体にイオン伝導性ポリマーを含浸させた複合膜を電解質膜として用いる。そのために、多孔質支持体内部の気孔はランダムに配向しているので、導入されたイオン交換基の中で、イオン伝導に有効に寄与するのはその内の一部である。従って、高いイオン伝導率を得るためには、多量のイオン伝導性ポリマーを多孔質支持体に導入する必要がある。しかしながら、複合膜の強度を維持するには、多孔質支持体の気孔率をあまり大きくできない。そのため、このような複合膜を用いた高イオン伝導化には限界がある。
Each of the conventional techniques described above has the following problems.
First, in Patent Document 1, a composite membrane in which an ion conductive polymer is impregnated into a porous support in which fibers are randomly oriented is used as an electrolyte membrane. Therefore, since the pores in the porous support are randomly oriented, it is a part of the introduced ion exchange groups that contributes effectively to ion conduction. Therefore, in order to obtain high ionic conductivity, it is necessary to introduce a large amount of ionic conductive polymer into the porous support. However, in order to maintain the strength of the composite membrane, the porosity of the porous support cannot be increased too much. For this reason, there is a limit to increasing the ion conductivity using such a composite membrane.

第2に、特許文献2では、厚さ方向に貫通する連通孔を有する膜支持体と、前記連通孔の内部に導入されたイオン伝導性物質とを備えることにより、イオン交換基の導入量が相対的に少ない場合であっても、比較的高いイオン伝導率が得られる。しかし、イオン伝導性物質を膜支持体に浸漬させた場合、作製した電解質膜は、イオン伝導性物質膜と支持体という異なる二つの物質からなる複合膜である為、内部に導入したイオン伝導性物質が含水や膨張などにより流出する可能性があり、電極との接触性や、燃料電池の長期耐久性に問題がある。また、連通孔をイオン伝導性物質で修飾させた場合においても、膜支持体に導入されるイオン交換性物質が疎であることから、ガス遮断性に乏しく、また、イオン交換基の導入量を増大させることが難しく、更なるイオン伝導度の向上は期待できない。   2ndly, in patent document 2, the introduction amount of an ion exchange group is provided by providing the film | membrane support body which has a communicating hole penetrated in the thickness direction, and the ion conductive substance introduced into the said communicating hole. Even if it is relatively small, relatively high ionic conductivity can be obtained. However, when the ion conductive material is immersed in the membrane support, the produced electrolyte membrane is a composite membrane consisting of two different materials, the ion conductive material membrane and the support. There is a possibility that the substance flows out due to moisture or expansion, and there is a problem in contact with the electrode and long-term durability of the fuel cell. In addition, even when the communication holes are modified with an ion conductive material, the ion exchange material introduced into the membrane support is sparse, so that the gas barrier property is poor, and the amount of ion exchange groups introduced is reduced. It is difficult to increase, and further improvement in ionic conductivity cannot be expected.

第3に、補機を用いて電解質を加湿する場合、加湿用の水を貯蔵するための水タンク、加湿器、燃料電池から排出される水を回収するための凝縮器等、様々なコンポーネントが必要となる。そのため、燃料電池システム全体が複雑かつ大型化するという問題がある。また、補機を用いた電解質の加湿は、余分な補機動力が必要となり、燃料電池の発電効率を低下させる原因にもなる。一方、高分子電解質型燃料電池の場合、上述したように、カソード側において電池反応により水が生成する。この生成水を電解質の加湿に直接利用することができれば、補機による電解質の加湿を軽減又は不要化することができ、燃料電池システム全体の小型化、軽量化及び高効率化が期待できる。   Third, when the electrolyte is humidified using an auxiliary device, there are various components such as a water tank for storing humidifying water, a humidifier, and a condenser for collecting water discharged from the fuel cell. Necessary. Therefore, there is a problem that the entire fuel cell system is complicated and large. In addition, the humidification of the electrolyte using an auxiliary machine requires extra auxiliary machine power, which causes a decrease in power generation efficiency of the fuel cell. On the other hand, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, as described above, water is generated by a cell reaction on the cathode side. If this generated water can be directly used for the humidification of the electrolyte, the humidification of the electrolyte by the auxiliary machine can be reduced or eliminated, and the entire fuel cell system can be reduced in size, weight and efficiency.

しかしながら、高分子電解質型燃料電池に用いられる従来の電極は、フラッディングによる出力低下を抑制するために、電極の細孔内表面に撥水処理を施す等、電極内に滞留する水を排出しやすくしたものが一般的である。そのために、生成水を有効利用することはできない。また、安定して作動させるためには、補機による加湿などの水分管理が必要となり、燃料電池の小型化における大きな障害となっている。   However, conventional electrodes used in polymer electrolyte fuel cells are easy to discharge water staying in the electrodes, for example, by applying a water repellent treatment to the inner surface of the pores of the electrodes in order to suppress output reduction due to flooding. It is common. Therefore, the generated water cannot be used effectively. In addition, in order to operate stably, moisture management such as humidification by an auxiliary machine is necessary, which is a major obstacle in miniaturization of fuel cells.

第4に、特許文献4では、スルホン酸基が導入された親水性セグメントと、導入されていない疎水性セグメントとからなるスルホン化芳香族ポリエーテルスルホン系ブロック共重合体を用いている。これにより、イオン伝導性に対する湿度及び温度の影響の少ない高分子電解質が得られる。しかし、このようなブロック共重合体は、スルホン酸基の導入された親水性セグメントと、導入されていない疎水性セグメントの相分離によりミクロドメインを形成しているが、その構造はあらゆる方向に向いており、イオン伝導効率の向上には限界がある。   Fourthly, Patent Document 4 uses a sulfonated aromatic polyethersulfone block copolymer composed of a hydrophilic segment into which a sulfonic acid group is introduced and a hydrophobic segment into which the sulfonic acid group is not introduced. Thereby, the polymer electrolyte with little influence of humidity and temperature on ion conductivity can be obtained. However, such a block copolymer forms a microdomain by phase separation of a hydrophilic segment having a sulfonic acid group introduced therein and a hydrophobic segment not having a sulfonic acid group introduced therein, but its structure is suitable in all directions. Therefore, there is a limit to improving ion conduction efficiency.

またブロック共重合体からなるミクロ相分離膜は一般に、狭い範囲(グレイン)内では規則的なミクロドメインの配列を示すが、グレインとグレインの境界(グレインバウンダリー)では、ドメインの連続性は分断される。特許文献3においては、イオン伝導性ドメインはエラストマーマトリックスにより分断されているが、加湿に伴う水和によりイオン伝導性ドメインが膨潤し、該ドメイン同士がグレインバウンダリー間でも接触することによりイオン伝導率が向上することが開示されている。しかしながら、燃料電池起動時の水分不足条件下や、高温での無加湿あるいは低加湿条件下では、これらイオン伝導性ドメインは水和されていないため、ドメイン間は分断され、イオン伝導率が低下するとともに、起動特性や高温出力特性も低下することが予想される。   Microphase separation membranes made of block copolymers generally show regular microdomain arrangement within a narrow range (grain), but domain continuity is disrupted at the grain-grain boundary (grain boundary). Is done. In Patent Document 3, the ion conductive domain is divided by the elastomer matrix, but the ion conductive domain swells due to hydration accompanying humidification, and the domains contact each other even between the grain boundaries. Is disclosed to improve. However, under conditions of water shortage at the time of fuel cell start-up, high humidity non-humidification or low humidification conditions, these ion conductive domains are not hydrated, so the domains are separated and the ionic conductivity decreases. At the same time, the start-up characteristics and high-temperature output characteristics are expected to deteriorate.

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、本発明の最良の形態の目的は、高いイオン伝導率が得られ、補機による電解質の加湿を行わない場合や低加湿の場合でも高い出力が安定して得られる高分子電解質膜およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such background art, and the object of the best mode of the present invention is to obtain a high ionic conductivity, when the electrolyte is not humidified by an auxiliary machine, or when the humidity is low. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte membrane capable of stably obtaining high output even in the case and a method for producing the same.

また、本発明の最良の形態の目的は、高いイオン伝導率が得られる、低温作動型の携帯機器用小型燃料電池を提供することにある。
また、本発明の最良の形態の目的は、上記の高分子電解質膜および燃料電池に用いられる高分子電解質、電解質組成物および膜電極接合体を提供することにある。
The object of the best mode of the present invention is to provide a low temperature operation type small fuel cell for portable equipment which can obtain high ion conductivity.
The object of the best mode of the present invention is to provide a polymer electrolyte, an electrolyte composition, and a membrane electrode assembly used in the above polymer electrolyte membrane and fuel cell.

上記課題を解決するための高分子電解質膜は、イオン伝導性ブロックを有するブロック共重合体からなる電解質膜であって、前記イオン伝導性ブロックが形成するイオン伝導部のシリンダー状ドメインが、電解質膜の厚さ方向と平行に配列してなることを特徴とする。   A polymer electrolyte membrane for solving the above problems is an electrolyte membrane made of a block copolymer having an ion conductive block, and the cylindrical domain of the ion conductive portion formed by the ion conductive block is an electrolyte membrane. It is arranged in parallel with the thickness direction.

前記イオン伝導性ブロックが、イオン交換基を有するポリマーからなることが好ましい。
前記イオン交換基がスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ホスホン酸基または亜ホスホン酸基であるのが好ましい。
It is preferable that the ion conductive block is made of a polymer having an ion exchange group.
The ion exchange group is preferably a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphonous acid group.

前記ブロック共重合体中におけるイオン伝導性ブロックの体積分率が5%以上30%以下であることが好ましい。
前記ブロック共重合体からなる電解質のイオン伝導性ブロックの繰り返し単位として、下記化学式(1)乃至(3)で表される群から選択される少なくとも一つの構造が含まれることが好ましい。
It is preferable that the volume fraction of the ion conductive block in the block copolymer is 5% or more and 30% or less.
It is preferable that the repeating unit of the ion conductive block of the electrolyte made of the block copolymer includes at least one structure selected from the group represented by the following chemical formulas (1) to (3).

(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はアルキレン基またはアリーレン基を表す。) (Wherein R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, and R 2 represents an alkylene group or an arylene group.)

(式中、R3はアルキレン基またはアリーレン基を表す。) (In the formula, R 3 represents an alkylene group or an arylene group.)

(式中、R4は水素原子またはメチル基を表し、R5およびR8はアルキレン基またはアリーレン基を表し、R6およびR7は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子または炭素数1から3の有機基を表す。) (Wherein R 4 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 5 and R 8 represent an alkylene group or an arylene group, R 6 and R 7 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom or a carbon number of 1 To 3 organic groups.)

また、上記課題を解決するための高分子電解質膜は、イオン伝導性を示すブロックと、イオン伝導性を示さないブロックとを有するブロック共重合体からなる高分子電解質膜であって、該ブロック共重合体中の該イオン伝導性を示すブロックの体積分率が5%以上30%以下であり、該イオン伝導性を示さないブロックの分子鎖が架橋構造を有する高分子電解質膜である。このような架橋構造は、架橋前の高分子自体が有する架橋性基によって形成してもよいし、架橋剤を用いて形成してもよい。   A polymer electrolyte membrane for solving the above problems is a polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer having a block exhibiting ionic conductivity and a block not exhibiting ionic conductivity. This is a polymer electrolyte membrane in which the volume fraction of the block exhibiting ionic conductivity in the polymer is 5% or more and 30% or less, and the molecular chain of the block not exhibiting ionic conductivity has a crosslinked structure. Such a crosslinked structure may be formed by a crosslinkable group of the polymer itself before crosslinking, or may be formed by using a crosslinking agent.

前記イオン伝導性を示さないブロックの分子鎖が架橋構造を有する高分子電解質膜において、イオン伝導性ブロックが形成するイオン伝導部のシリンダー状ドメインが、電解質膜の厚さ方向と平行に配列してなることが好ましい。   In the polymer electrolyte membrane in which the molecular chain of the block that does not exhibit ion conductivity has a cross-linked structure, the cylindrical domain of the ion conductive portion formed by the ion conductive block is arranged in parallel with the thickness direction of the electrolyte membrane. It is preferable to become.

また、上記課題を解決するための高分子電解質は、イオン伝導性を示すブロックと、イオン伝導性を示さないブロックとを有するブロック共重合体からなる高分子電解質膜であって、該ブロック共重合体中の該イオン伝導性を示すブロックの体積分率が5%以上30%以下であり、該イオン伝導性を示さないブロックの繰り返し単位に、架橋性基が少なくとも1つ含まれていることを特徴とする高分子電解質である。   A polymer electrolyte for solving the above problems is a polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer having a block exhibiting ionic conductivity and a block not exhibiting ionic conductivity. The volume fraction of the block showing ion conductivity in the coalescence is 5% or more and 30% or less, and the repeating unit of the block showing no ion conductivity contains at least one crosslinkable group. It is a featured polymer electrolyte.

また、上記課題を解決するための電解質組成物は、(A)イオン伝導性を示すブロックと、イオン伝導性を示さないブロックとを有するブロック共重合体からなる高分子電解質膜であって、該ブロック共重合体中の該イオン伝導性を示すブロックの体積分率が5%以上30%以下であり、該イオン伝導性を示さないブロックの繰り返し単位に、架橋構造が少なくとも1つ含まれている高分子電解質、および(B)ラジカル発生剤を含有することを特徴とする。   An electrolyte composition for solving the above problems is a polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer (A) having a block exhibiting ionic conductivity and a block not exhibiting ionic conductivity, The volume fraction of the block exhibiting ionic conductivity in the block copolymer is 5% or more and 30% or less, and the repeating unit of the block not exhibiting ionic conductivity contains at least one crosslinked structure. It contains a polymer electrolyte and (B) a radical generator.

前記ラジカル発生剤が光ラジカル発生剤であることが好ましい。
また、前記ラジカル発生剤が熱ラジカル発生剤であることが好ましい。
また、上記課題を解決するための高分子電解質膜の製造方法は、イオン伝導性ブロックを有するブロック共重合体を成膜する工程、成膜したブロック共重合体のイオン伝導性ブロックが形成するシリンダー状ドメインを一軸配向させて、電解質膜の厚さ方向と平行に配列したイオン伝導部を形成する工程を有することを特徴とする。
The radical generator is preferably a photo radical generator.
The radical generator is preferably a thermal radical generator.
In addition, a method for producing a polymer electrolyte membrane for solving the above problems includes a step of forming a block copolymer having an ion conductive block, a cylinder formed by the ion conductive block of the formed block copolymer Characterized in that it has a step of forming ionic conductive portions arranged in parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane by uniaxially orienting the domain-like domains.

また、上記課題を解決するための高分子電解質膜の製造方法は、イオン伝導性ブロックを有するブロック共重合体を成膜する工程、成膜したブロック共重合体のイオン伝導性ブロックが形成するシリンダー状ドメインを一軸配向させて、電解質膜の厚さ方向と平行に配列したイオン伝導部を形成する工程、およびイオン伝導性を有さないブロックのポリマー側鎖を架橋する工程を有することを特徴とする。   In addition, a method for producing a polymer electrolyte membrane for solving the above problems includes a step of forming a block copolymer having an ion conductive block, a cylinder formed by the ion conductive block of the formed block copolymer Characterized in that it has a step of uniaxially orienting the domain-like domains to form ion-conductive portions arranged in parallel with the thickness direction of the electrolyte membrane, and a step of cross-linking polymer side chains of blocks having no ion conductivity To do.

前記成膜したブロック共重合体を加熱処理および外場を印加してイオン伝導性ブロックが形成するシリンダー状ドメインを一軸配向させることが好ましい。
また、上記課題を解決するための膜電極接合体は、上記の高分子電解質膜の両面に電極が配置されていることを特徴とする。
It is preferable that the cylindrical block domain formed by the ion conductive block is uniaxially oriented by applying heat treatment and an external field to the formed block copolymer.
Moreover, the membrane electrode assembly for solving the said subject is characterized by the electrode being arrange | positioned on both surfaces of said polymer electrolyte membrane.

前記高分子電解質膜のイオン伝導部が、電極面に対して略垂直な方向に配列していることが好ましい。
また、上記課題を解決するための燃料電池は、上記の高分子電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を有することを特徴とする。
The ion conductive portions of the polymer electrolyte membrane are preferably arranged in a direction substantially perpendicular to the electrode surface.
Moreover, the fuel cell for solving the said subject has a membrane electrode assembly by which the electrode is arrange | positioned on both surfaces of said polymer electrolyte membrane, It is characterized by the above-mentioned.

前記高分子電解質膜のイオン伝導部が、電極面に対して垂直な方向に配列していることが好ましい。
以上に記載した発明において、前記ブロック共重合体の主鎖が、芳香環を有さないことが好ましい。
The ion conducting portions of the polymer electrolyte membrane are preferably arranged in a direction perpendicular to the electrode surface.
In the invention described above, it is preferable that the main chain of the block copolymer does not have an aromatic ring.

本発明の好適な態様によれば、高分子電解質膜の膜構造を形成するマトリックス中に、ブロック共重合体のイオン伝導性ブロックからなるイオン伝導部を自己組織的に相分離させることにより、イオン伝導性に対する湿度及び温度の影響が少なく、また、高いイオン伝導率が得られる。   According to a preferred embodiment of the present invention, ions are ionically separated by self-organizing phase-conducting ion conducting portions made of block copolymer ion conductive blocks in a matrix forming the membrane structure of the polymer electrolyte membrane. The influence of humidity and temperature on the conductivity is small, and high ionic conductivity is obtained.

さらに、高分子電解質膜の厚さ方向に対して平行にイオン伝導部を配向させた構造を備えることにより、イオン伝導部を一軸方向に配列することが可能となり、イオン伝導効率を向上させることができる。   Furthermore, by providing a structure in which the ion conducting portions are oriented parallel to the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, the ion conducting portions can be arranged in a uniaxial direction, thereby improving ion conduction efficiency. it can.

また、本発明の好適な態様によれば、高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体を備えた燃料電池において、電解質膜の厚さ方向に対して平行にイオン伝導部を配向させた構造を備えた電解質膜を用いているので、水の拡散速度が向上する。電池反応による電極での生成水の一部は、拡散によって電解質膜まで戻され、電解質膜の加湿に再利用される。そのため、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に配列させた構造を備えていることにより、電解質膜中の水は膜中に偏りなく均一に存在することができる。   Further, according to a preferred aspect of the present invention, in the fuel cell including the membrane electrode assembly in which the electrodes are joined to both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the ion conducting portion is provided in parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane. Since an electrolyte membrane having an oriented structure is used, the diffusion rate of water is improved. Part of the generated water at the electrode due to the battery reaction is returned to the electrolyte membrane by diffusion and reused for humidification of the electrolyte membrane. Therefore, by providing the structure in which the ion conducting portions are arranged in parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane, the water in the electrolyte membrane can exist uniformly in the membrane.

そのために、低加湿条件下においても、電解質膜の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができ、出力の低下を抑制し、また高い出力が安定して得られる。これにより、補機による電解質の加湿を行わない場合や低加湿の場合においても、燃料電池の起動時など水分供給が不十分でも発電量が低下しにくく、また高い出力が長期間に渡って安定して得られ、燃料電池の小型化が可能となる。   Therefore, even under low humidification conditions, the moisture content of the electrolyte membrane can be maintained at a level necessary for stable operation, a decrease in output can be suppressed, and a high output can be stably obtained. As a result, even when the electrolyte is not humidified by the auxiliary equipment or when the humidity is low, the amount of power generation is unlikely to decrease even when the moisture supply is insufficient, such as when the fuel cell is started, and the high output is stable over a long period of time. Thus, the fuel cell can be miniaturized.

このように、本発明の好適な態様によれば、高いイオン伝導率が得られ、補機による電解質の加湿を行わない場合や低加湿の場合でも、高い出力が長期間に渡って安定して得られる高分子電解質膜およびその製造方法を提供することができる。   Thus, according to a preferred aspect of the present invention, high ionic conductivity can be obtained, and high output can be stably maintained over a long period of time even when the electrolyte is not humidified by an auxiliary device or when the humidification is low. The obtained polymer electrolyte membrane and a method for producing the polymer electrolyte membrane can be provided.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の高分子電解質膜の一実施形態を示す概略構成図である。図1において、高分子電解質膜(以降、電解質膜とも称する)10は、イオン伝導性ブロックを有するブロック共重合体からなり、膜支持部位のマトリックス11と、イオン伝導性ブロックが形成するシリンダー状ドメインからなるイオン伝導部12に相分離し、イオン伝導部12が膜厚d方向にシリンダー状に配列した構造を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the polymer electrolyte membrane of the present invention. In FIG. 1, a polymer electrolyte membrane (hereinafter also referred to as an electrolyte membrane) 10 is made of a block copolymer having an ion conductive block, and includes a matrix 11 of a membrane supporting portion and a cylindrical domain formed by the ion conductive block. Phase-separated into ionic conduction parts 12 made of ionic conduction parts 12 having a structure in which the ion conduction parts 12 are arranged in a cylindrical shape in the film thickness d direction.

図2は、本発明のブロック共重合体の一実施形態を示す構成図である。ブロック共重合体13は、イオン伝導性高分子からなるイオン伝導性ブロック(以降、イオン伝導性高分子とも称する)12aと、膜支持部位のマトリックスを形成するマトリックスポリマーからなるマトリックスブロック(マトリックスポリマーとも称する)11aからなる共重合体である。   FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the block copolymer of the present invention. The block copolymer 13 includes an ion conductive block (hereinafter also referred to as an ion conductive polymer) 12a made of an ion conductive polymer, and a matrix block (also called a matrix polymer) made of a matrix polymer that forms a matrix of a membrane support site. This is a copolymer consisting of 11a.

電解質膜10において、マトリックス11中にイオン伝導部12がシリンダー状に、配置した構造を備えている。シリンダー状ドメイン14の直径は、特に制限はないが、1nm以上100nm以下のものが一般的に用いられる。   The electrolyte membrane 10 has a structure in which an ion conducting portion 12 is arranged in a cylinder shape in a matrix 11. The diameter of the cylindrical domain 14 is not particularly limited, but those having a diameter of 1 nm to 100 nm are generally used.

シリンダー状ドメイン14の直径は、イオン伝導性高分子の分子量及びマトリックスポリマーの分子量に依存する。ブロック共重合体の数平均分子量に特に制限はないが、Mn=1,000以上1,000,000以下のものが一般的に用いられる。   The diameter of the cylindrical domain 14 depends on the molecular weight of the ion conductive polymer and the molecular weight of the matrix polymer. Although there is no restriction | limiting in particular in the number average molecular weight of a block copolymer, A thing with Mn = 1,000-1,000,000 is generally used.

また、イオン伝導部12は、少なくとも電解質膜の厚さ方向に略平行に配向しているものであれば良く、その形状は、特に限定されるものではない。例えば、シリンダーは、膜厚方向に対して90゜未満の角度で傾斜していてもよいが、膜厚方向からの傾きは30°以内の角度が好ましく、10°以内の角度がより好ましい。また、シリンダーは、直線状であってもよく、あるいはジグザグ状であってもよいが、枝分かれ部を有していないことが好ましい。つまり、シリンダーは膜厚方向に対してほぼ平行方向に配向していればよい。また、イオン伝導部の断面の形状は、ミクロ相分離により発現した形状であれば円形、だ円形、波打った不定形など、特に限定されるものではない。   Moreover, the ion conduction part 12 should just be orientated substantially parallel to the thickness direction of an electrolyte membrane at least, and the shape is not specifically limited. For example, the cylinder may be inclined at an angle of less than 90 ° with respect to the film thickness direction, but the inclination from the film thickness direction is preferably within 30 °, more preferably within 10 °. The cylinder may be linear or zigzag, but preferably has no branching portion. That is, the cylinder only needs to be oriented in a direction substantially parallel to the film thickness direction. The shape of the cross section of the ion conducting portion is not particularly limited as long as it is a shape expressed by microphase separation, such as a circle, an ellipse, and a wavy indeterminate shape.

なお、電解質膜10を形成するブロック共重合体は、イオン伝導性ブロック12aを形成するイオン伝導性高分子と、マトリックスブロック11aを形成するマトリックスポリマーからなる。   The block copolymer that forms the electrolyte membrane 10 includes an ion conductive polymer that forms the ion conductive block 12a and a matrix polymer that forms the matrix block 11a.

マトリックスポリマーの材質は、ブロック共重合体を合成可能であり、膜構造を形成することができるものであれば良く、特に限定されるものではない。
マトリックスポリマーとしては、イオン交換基を有さない一般的な高分子、例えば、アクリル酸エステル、メタアクリル酸エステル、スチレン誘導体、共役ジエン、ビニルエステル化合物などの単量体から合成される重合体が挙げられる。具体的には、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、またポリメタクリル酸トリフルオロエチルなどが挙げられる。これらの他にも、マトリックスポリマーを形成する単量体としては、スチレン、スチレンのα−、o−、m−、p−アルキル、アルコキシル、ハロゲン、ハロアルキル、ニトロ、シアノ、アミド、エステル置換体;2,4−ジメチルスチレン、パラジメチルアミノスチレン、ビニルベンジルクロライド、ビニルベンズアルデヒド、インデン、1−メチルインデン、アセナフタレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルカルバゾール、2−ビニルピリジン、4−ビニルピリジン、2−ビニルフルオレン等の重合性不飽和芳香族化合物;
メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレートなどのアルキル(メタ)アクリレート類;クロトン酸メチル、クロトン酸エチル、ケイ皮酸メチル、ケイ皮酸エチルなどの不飽和モノカルボン酸エステル類;トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、ペンタフルオロプロピル(メタ)アクリレート、ヘプタフルオロブチル(メタ)アクリレートなどのフルオロアルキル(メタ)アクリレート類;トリメチルシロキサニルジメチルシリルプロピル(メタ)アクリレート、トリス(トリメチルシロキサニル)シリルプロピル(メタ)アクリレート、ジ(メタ)アクリロイルプロピルジメチルシリルエーテルなどのシロキサニル化合物類;2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、3−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレートなどのヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート類;ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、t−ブチルアミノエチル(メタ)アクリレートなどのアミン含有(メタ)アクリレート類;クロトン酸2−ヒドロキシエチル、クロトン酸2−ヒドロキシプロピル、ケイ皮酸2−ヒドロキシプロピルなどの不飽和カルボン酸のヒドロキシアルキルエステル類;(メタ)アリルアルコールなどの不飽和アルコール類;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、ケイ皮酸などの不飽和(モノ)カルボン酸類;(メタ)アクリル酸グリシジル、α−エチルアクリル酸グリシジル、α−n−プロピルアクリル酸グリシジル、α−n−ブチルアクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸−3,4−エポキシブチル、(メタ)アクリル酸−6,7−エポキシヘプチル、α−エチルアクリル酸−6,7−エポキシヘプチル、o−ビニルベンジルグリシジルエーテル、m−ビニルベンジルグリシジルエーテル、p−ビニルベンジルグリシジルエーテル、(メタ)アクリル酸−β−メチルグリシジル、(メタ)アクリル酸−β−エチルグリシジル、(メタ)アクリル酸−β−プロピルグリシジル、α−エチルアクリル酸−β−メチルグリシジル、(メタ)アクリル酸−3−メチル−3,4−エポキシブチル、(メタ)アクリル酸−3−エチル−3,4−エポキシブチル、(メタ)アクリル酸−4−メチル−4,5−エポキシペンチル、(メタ)アクリル酸−5−メチル−5,6−エポキシヘキシル、(メタ)アクリル酸−β−メチルグリシジル、(メタ)アクリル酸−3−メチル−3,4−エポキシブチルなどのエポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル類;およびこれらのモノ、ジエステル類;
その他、N,N−ジメチルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミドなどのN−アルキル置換(メタ)アクリルアミド類;N−メチロールアクリルアミド、N−メチロールメタクリルアミド、N−ビニルピロリドン、(無水)マレイン酸、フマル酸、(無水)イタコン酸、シトラコン酸などの不飽和ポリカルボン酸(無水物)類、塩化ビニル、酢酸ビニルなどが挙げられる。
The material of the matrix polymer is not particularly limited as long as it can synthesize a block copolymer and can form a film structure.
As the matrix polymer, a general polymer having no ion exchange group, for example, a polymer synthesized from monomers such as an acrylate ester, a methacrylate ester, a styrene derivative, a conjugated diene, and a vinyl ester compound is used. Can be mentioned. Specific examples include polystyrene, polymethyl methacrylate, and trifluoroethyl methacrylate. In addition to these, monomers that form the matrix polymer include styrene, α-, o-, m-, p-alkyl, alkoxyl, halogen, haloalkyl, nitro, cyano, amide, ester-substituted products of styrene; 2,4-dimethylstyrene, paradimethylaminostyrene, vinylbenzyl chloride, vinylbenzaldehyde, indene, 1-methylindene, acenaphthalene, vinylnaphthalene, vinylanthracene, vinylcarbazole, 2-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, 2- Polymerizable unsaturated aromatic compounds such as vinyl fluorene;
Alkyl (meth) acrylates such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-propyl acrylate, n-butyl acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, stearyl (meth) acrylate; methyl crotonic acid, crotonic acid Unsaturated monocarboxylic esters such as ethyl, methyl cinnamate and ethyl cinnamate; fluoroalkyl (meta) such as trifluoroethyl (meth) acrylate, pentafluoropropyl (meth) acrylate and heptafluorobutyl (meth) acrylate ) Acrylates; trimethylsiloxanyldimethylsilylpropyl (meth) acrylate, tris (trimethylsiloxanyl) silylpropyl (meth) acrylate, di (meth) acryloylpropyldimethylsilyl Siloxanyl compounds such as ether; hydroxyalkyl (meth) acrylates such as 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 3-hydroxypropyl (meth) acrylate; dimethylaminoethyl (meth) acrylate Amine-containing (meth) acrylates such as diethylaminoethyl (meth) acrylate and t-butylaminoethyl (meth) acrylate; 2-hydroxyethyl crotonic acid, 2-hydroxypropyl crotonic acid, 2-hydroxypropyl cinnamate, etc. Hydroxyalkyl esters of unsaturated carboxylic acids; unsaturated alcohols such as (meth) allyl alcohol; unsaturated (mono) carboxylic acids such as (meth) acrylic acid, crotonic acid and cinnamic acid; (meth) acrylic Glycidyl acid, glycidyl α-ethyl acrylate, glycidyl α-n-propyl acrylate, glycidyl α-n-butyl acrylate, (meth) acrylic acid-3,4-epoxybutyl, (meth) acrylic acid-6,7 -Epoxyheptyl, α-ethylacrylic acid-6,7-epoxyheptyl, o-vinylbenzylglycidyl ether, m-vinylbenzylglycidylether, p-vinylbenzylglycidylether, (meth) acrylic acid-β-methylglycidyl, ( (Meth) acrylic acid-β-ethylglycidyl, (meth) acrylic acid-β-propylglycidyl, α-ethylacrylic acid-β-methylglycidyl, (meth) acrylic acid-3-methyl-3,4-epoxybutyl, ( Meth) acrylic acid-3-ethyl-3,4-epoxybutyl, (meth) acrylic Acid-4-methyl-4,5-epoxypentyl, (meth) acrylic acid-5-methyl-5,6-epoxyhexyl, (meth) acrylic acid-β-methylglycidyl, (meth) acrylic acid-3-methyl Epoxy group-containing (meth) acrylic acid esters such as 3,4-epoxybutyl; and their mono and diesters;
In addition, N-alkyl-substituted (meth) acrylamides such as N, N-dimethylacrylamide and N-isopropylacrylamide; N-methylolacrylamide, N-methylolmethacrylamide, N-vinylpyrrolidone, (anhydrous) maleic acid, fumaric acid, (Anhydrous) Unsaturated polycarboxylic acids (anhydrides) such as itaconic acid and citraconic acid, vinyl chloride, vinyl acetate and the like.

なお、シリンダー構造を容易に形成するという観点、およびそのシリンダーの配向構造を制御するという観点からは、イオン伝導性高分子はガラス転移点(Tg)が低い物質であることが好ましい。同様の観点から、イオン伝導性高分子の主鎖は脂肪族炭化水素であること(主鎖に芳香環を有さないこと)が好ましい。ここで、脂肪族炭化水素とは、構成原子が芳香環以外の原子もしくは原子群で置換された脂肪族炭化水素を含む。例えば、主鎖のメチレン基が、酸素原子、NH基、カルボニル基、カルボキシル基、アミド基などで置換されていても良い。また、主鎖が、シクロヘキシレン基なマレイミド構造などの置換もしくは非置換の脂環式炭化水素基を有していてもよい。主鎖が二重結合や三重結合を有していてもよい。   From the viewpoint of easily forming a cylinder structure and controlling the orientation structure of the cylinder, the ion conductive polymer is preferably a substance having a low glass transition point (Tg). From the same viewpoint, the main chain of the ion conductive polymer is preferably an aliphatic hydrocarbon (the main chain does not have an aromatic ring). Here, the aliphatic hydrocarbon includes an aliphatic hydrocarbon in which a constituent atom is substituted with an atom or a group of atoms other than an aromatic ring. For example, the methylene group of the main chain may be substituted with an oxygen atom, NH group, carbonyl group, carboxyl group, amide group or the like. The main chain may have a substituted or unsubstituted alicyclic hydrocarbon group such as a maleimide structure having a cyclohexylene group. The main chain may have a double bond or a triple bond.

また、後述するように成膜した後に光などにより架橋可能な官能基を用いることにより、膜強度を向上させることもできる。
イオン伝導性高分子は、イオン交換基を有し、かつ、ブロック共重合体が合成可能な物質であれば良く、特に限定されるものではない。イオン交換基の量は、シリンダー構造を形成可能であれば良い。
In addition, the film strength can be improved by using a functional group that can be cross-linked by light after film formation as described later.
The ion conductive polymer is not particularly limited as long as it has an ion exchange group and can synthesize a block copolymer. The amount of the ion exchange group may be any as long as it can form a cylinder structure.

イオン伝導部を構成するイオン伝導性高分子は、ブロック共重合体を合成可能な高分子であればよく、それに含まれるイオン交換基についても、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができるが、スルホン酸、カルボン酸、リン酸、ホスホン酸、亜ホスホン酸のいずれかが、特に好ましく用いられる。また、これらのポリマーには、1種類のイオン交換基が含まれていてもよく、あるいは、2種以上のイオン交換基が含まれていても良い。   The ion conductive polymer constituting the ion conductive portion may be any polymer that can synthesize a block copolymer, and the ion exchange group contained therein is not particularly limited and may be arbitrarily selected depending on the purpose. Any one of sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, and phosphonous acid is particularly preferably used. These polymers may contain one type of ion exchange group or two or more types of ion exchange groups.

スルホン酸基を有する単量体としては、前記ジエン単量体またはオレフィン系単量体にスルホン酸基が付加したものが好ましい例として挙げられる。具体的には、スルホン酸(塩)基含有スチレン、スルホン酸(塩)含有(メタ)アクリレート、スルホン酸(塩)含有(メタ)アクリルアミド、スルホン酸(塩)基含有ブタジエン、スルホン酸(塩)基含有イソプレン、スルホン酸(塩)基含有エチレン、スルホン酸(塩)基含有プロピレンなどがある。さらに、電解質の膜強度の向上、寸法安定性や、相分離構造の明確化を促す為、これらの単量体にフッ素を導入したもの、エチレンテトラフルオロエチレンスチレンスルホン酸、パーフルオロカーボンスルホン酸系、パーフルオロカーボンホスホン酸、トリフルオロスチレンスルホン酸等を用いてもよい。   Preferred examples of the monomer having a sulfonic acid group include those obtained by adding a sulfonic acid group to the diene monomer or olefin monomer. Specifically, sulfonic acid (salt) group-containing styrene, sulfonic acid (salt) -containing (meth) acrylate, sulfonic acid (salt) -containing (meth) acrylamide, sulfonic acid (salt) group-containing butadiene, sulfonic acid (salt) Examples thereof include group-containing isoprene, sulfonic acid (salt) group-containing ethylene, and sulfonic acid (salt) group-containing propylene. Furthermore, in order to promote improvement in membrane strength, dimensional stability and phase separation structure of the electrolyte, fluorine introduced into these monomers, ethylenetetrafluoroethylenestyrenesulfonic acid, perfluorocarbonsulfonic acid, Perfluorocarbon phosphonic acid, trifluorostyrene sulfonic acid or the like may be used.

さらに、これらイオン交換基としてスルホン酸基を有するイオン伝導性高分子としては、下記化学式(1)乃至(3)で表される構造を繰り返し単位として含まれることが好ましい。イオン伝導性ブロックの構成する成分として、これらの構造を単独で、あるいは2種以上が一緒に含まれているものを使用することができる。   Furthermore, the ion conductive polymer having a sulfonic acid group as an ion exchange group preferably includes a structure represented by the following chemical formulas (1) to (3) as a repeating unit. As a component constituting the ion conductive block, these structures can be used alone or two or more of them can be used together.

(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はアルキレン基またはアリーレン基を表す。) (Wherein R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, and R 2 represents an alkylene group or an arylene group.)

(式中、R3はアルキレン基またはアリーレン基を表す。) (In the formula, R 3 represents an alkylene group or an arylene group.)

(式中、R4は水素原子またはメチル基を表し、R5およびR8はアルキレン基またはアリーレン基を表し、R6およびR7は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子または炭素数1から3の有機基を表す。) (Wherein R 4 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 5 and R 8 represent an alkylene group or an arylene group, R 6 and R 7 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom or a carbon number of 1 To 3 organic groups.)

上記の化学式(1)乃至(3)において、各置換基の具体例を以下に示す。
アルキレン基としては、例えばメチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等が挙げられる。
アリーレン基としては、例えばフェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基等が挙げられる。
Specific examples of each substituent in the above chemical formulas (1) to (3) are shown below.
Examples of the alkylene group include a methylene group, an ethylene group, a propylene group, and a butylene group.
Examples of the arylene group include a phenylene group, a naphthylene group, and a biphenylene group.

炭素数1から3の有機基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基等が挙げられる。
ブロック共重合体では、各成分の自己凝集によりそれぞれミクロドメインを形成し、自己組織的に相分離する。しかし、水と油のようなマクロな相分離とは異なり、それぞれの成分が一本の高分子鎖内で固定されている為、相分離は分子の大きさによって規制され、そのサイズも数ナノメートルから100ナノメートル程度となる。さらにこれらの相分離の形態は、各成分の組成比や相溶性により球状、シリンダー状、ラメラ状に変化し、ミクロドメインの大きさも、鎖長や相溶性により制御することが出来る。本発明においては、電解質膜中においてシリンダー状ドメインを形成するためには、ブロック共重合体中におけるイオン伝導性ブロックの体積分率が、5%以上30%以下であることが好ましい。
Examples of the organic group having 1 to 3 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and an iso-propyl group.
In the block copolymer, microdomains are formed by self-aggregation of each component, and phase separation is performed in a self-organized manner. However, unlike macro phase separation such as water and oil, each component is fixed in one polymer chain, so phase separation is regulated by the size of the molecule, and its size is several nanometers. From meter to 100 nanometers. Furthermore, the form of these phase separations changes into a spherical shape, a cylindrical shape, and a lamellar shape depending on the composition ratio and compatibility of each component, and the size of the microdomain can also be controlled by the chain length and compatibility. In the present invention, in order to form a cylindrical domain in the electrolyte membrane, the volume fraction of the ion conductive block in the block copolymer is preferably 5% or more and 30% or less.

このようなブロック共重合体は溶液より成膜し、ブロック共重合体を構成している両成分(ポリマー)のガラス転移温度(Tg)以上で熱処理することにより、この温度で熱力学的に平衡なミクロドメイン構造を発現する(相分離構造の作製)。また、この工程にさらに外場を加えることにより、ミクロ相分離構造はある一定方向に並んだ構造を形成する(一軸配向化)。本発明において、「外場」とは、電場、磁場、シェアなどのことを指し、例えば、一軸配向の方法として、得られた高分子電解質膜に、熱処理を行いながら電場、磁場、シェアなどの外場を加えることにより、一軸方向にイオン伝導部を配向させることができる。この場合、外場を印加した状態であれば、Tg以下の温度で熱処理を行ってもよい。   Such a block copolymer is formed from a solution and heat-treated at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature (Tg) of both components (polymer) constituting the block copolymer, so that thermodynamic equilibrium is achieved at this temperature. Express microdomain structure (preparation of phase separation structure). Further, by adding an external field to this step, the microphase separation structure forms a structure arranged in a certain direction (uniaxial orientation). In the present invention, “external field” refers to an electric field, a magnetic field, a shear, and the like.For example, as a method of uniaxial orientation, an electric field, a magnetic field, a shear, etc. are performed while heat-treating the obtained polymer electrolyte membrane. By applying an external field, the ion conducting portion can be oriented in a uniaxial direction. In this case, as long as an external field is applied, the heat treatment may be performed at a temperature equal to or lower than Tg.

本発明において、「イオン伝導部12がシリンダー状に配置した構造」とは、イオン伝導部と、マトリックス部位からなるブロック共重合体において、そのミクロ相分離構造の誘起により、イオン伝導部が膜厚方向にシリンダー状に一軸方向に配向させた構造を有することをいう。具体的には、イオン伝導性高分子を有するブロック共重合体を合成した後、成膜、熱処理により相分離構造を作製し、その後一軸配向化させることにより、イオン伝導部が膜厚方向にシリンダー状に配向している構造を有する電解質膜を得る。なお、成膜した後、外場を印加しなくても一軸配向が達成できる場合には、もちろん、この一軸配向処理の工程は不要である。   In the present invention, “the structure in which the ion conducting portion 12 is arranged in a cylinder” means that the ion conducting portion has a film thickness due to induction of the microphase separation structure in the block copolymer composed of the ion conducting portion and the matrix portion. It means having a structure oriented in a uniaxial direction in a cylindrical shape in the direction. Specifically, after synthesizing a block copolymer having an ion conductive polymer, a phase separation structure is prepared by film formation and heat treatment, and then uniaxially oriented so that the ion conductive portion is aligned in the film thickness direction. An electrolyte membrane having a structure oriented in a shape is obtained. If uniaxial orientation can be achieved without applying an external field after film formation, of course, this uniaxial orientation treatment step is unnecessary.

この一軸配向した相分離構造においては、イオン伝導部が形成するシリンダードメインが膜厚方向に略平行に配列しているため、該シリンダードメインが加湿などで水和されていない場合でも、膜の上下間で分断なく連結している。そのため、燃料電池起動時の水分不足条件下や、無加湿あるいは低加湿条件下においても、良好な起動特性や高い出力特性が安定して得られる。   In this uniaxially oriented phase separation structure, the cylinder domains formed by the ion conducting portion are arranged substantially parallel to the film thickness direction. Therefore, even when the cylinder domains are not hydrated by humidification or the like, They are connected without interruption. Therefore, good start-up characteristics and high output characteristics can be stably obtained even under conditions of insufficient water at the time of fuel cell start-up, non-humidification or low humidification conditions.

イオン伝導部がシリンダー状に一軸配向した構造は、フィルムの超薄切片を切り出し、該切片をRuO4で染色した後、透過型電子顕微鏡(以下TEM)で膜断面の観察を行うことにより確認することができる。また、原子間力顕微鏡(以下AFM)で膜表面の相分離構造を観察することによりイオン伝導部がシリンダー状に一軸配向した構造を確認することもできる。 The structure in which the ion conduction part is uniaxially oriented in a cylindrical shape is confirmed by cutting out an ultrathin section of the film, staining the section with RuO 4 , and then observing the cross section of the film with a transmission electron microscope (hereinafter, TEM). be able to. Further, by observing the phase separation structure on the surface of the film with an atomic force microscope (hereinafter referred to as AFM), it is possible to confirm a structure in which the ion conducting portion is uniaxially oriented in a cylindrical shape.

イオン伝導部を有するブロック共重合体の組成比は、シリンダー状のミクロ相分離構造が作製可能な組成比であればよい。シリンダー構造などミクロ相分離構造の形態は、体積分率の値だけでなく、ブロック共重合体を構成する両成分の相溶性パラメーター(当該技術分野でχパラメーターという)や両成分の重合度などにも影響を受けるため、使用するブロック共重合体の化学構造(両ブロックの相溶性)や重合度に応じて、体積分率も決定すればよいが、一般的には、ブロック共重合体に含有されるイオン伝導性ブロック(IB)の体積分率は、5%以上30%以下、好ましくは10%以上30%以下が望ましい。IBの体積分率が低くなる(約20%以下)とそのミクロ相分離構造は球構造となるが、熱処理および外場によりシリンダー構造へと転移させることができる。一般に、IBの体積分率が5%未満では、相分離構造の形成が難しくなり、また一方、IBの体積分率が30%を超えると他の相分離形態(ジャイロイド、ラメラなど)が出現する。なお、体積分率とは、ブロック共重合体1分子鎖に対する、ブロック共重合体を構成する各ブロック鎖の体積の分率の値を示す。なお、各ブロック鎖の体積値は、分子量と比重より求めればよい。   The composition ratio of the block copolymer having an ion conducting portion may be any composition ratio that can produce a cylindrical microphase separation structure. The form of the microphase separation structure such as the cylinder structure depends not only on the volume fraction value, but also on the compatibility parameters of both components constituting the block copolymer (referred to as the χ parameter in the art) and the degree of polymerization of both components. However, the volume fraction should be determined according to the chemical structure of the block copolymer used (compatibility of both blocks) and the degree of polymerization. Generally, it is contained in the block copolymer. The volume fraction of the ion-conductive block (IB) to be formed is 5% to 30%, preferably 10% to 30%. When the volume fraction of IB decreases (about 20% or less), the microphase separation structure becomes a spherical structure, but can be transferred to a cylinder structure by heat treatment and external field. In general, when the volume fraction of IB is less than 5%, it becomes difficult to form a phase separation structure. On the other hand, when the volume fraction of IB exceeds 30%, other phase separation forms (gyroids, lamellae, etc.) appear. To do. The volume fraction indicates the value of the volume fraction of each block chain constituting the block copolymer with respect to one molecular chain of the block copolymer. In addition, what is necessary is just to obtain | require the volume value of each block chain from molecular weight and specific gravity.

また、ブロック共重合体を形成するイオン伝導性高分子の分子量は、Mn=2,000以上500,000以下程度が一般的に用いられるが、この範囲に限定されるものではない。また、マトリックスポリマーの分子量も、Mn=1,000以上400,000以下程度が一般的に用いられるが、特に制限はない。   Further, the molecular weight of the ion conductive polymer forming the block copolymer is generally about Mn = 2,000 or more and 500,000 or less, but is not limited to this range. The molecular weight of the matrix polymer is generally about Mn = 1,000 or more and 400,000 or less, but is not particularly limited.

ブロック共重合体の合成方法は、特に制限はなく、モノマー種によるが、例えば、(1)イオン交換基を有するイオン伝導性高分子を合成した後、マトリックスポリマーとなる単量体を共重合する、(2)マトリックスポリマーを合成した後、イオン交換基を有するイオン伝導性高分子となる単量体を共重合する、(3)イオン交換基を有するイオン伝導性高分子、マトリックスポリマーをそれぞれ合成した後に高分子反応によりブロック共重体化する(4)ブロック共重合体を合成した後、イオン交換基の導入を行う、などがあげられる。   The method for synthesizing the block copolymer is not particularly limited and depends on the monomer type. For example, (1) after synthesizing an ion conductive polymer having an ion exchange group, the monomer to be a matrix polymer is copolymerized. , (2) After synthesizing the matrix polymer, copolymerize monomers that become ion-conductive polymers with ion-exchange groups, (3) Synthesize ion-conductive polymers and matrix polymers with ion-exchange groups, respectively (4) Synthesis of a block copolymer by polymer reaction and then introducing an ion exchange group after synthesizing the block copolymer.

前記ブロック共重合体の合成方法は、ブロック共重合体が得られれば特に重合法について制限はなく、例えば、リビング重合、あるいは疎水性セグメントプレポリマーとイオン交換基を有する親水性セグメントプレポリマーを反応させて、共重合体を得ても良く、用途に応じて任意に選択することができる。   The method for synthesizing the block copolymer is not particularly limited as long as the block copolymer is obtained. For example, living polymerization or reaction of a hydrophobic segment prepolymer and a hydrophilic segment prepolymer having an ion exchange group is performed. Thus, a copolymer may be obtained and can be arbitrarily selected according to the application.

ここでブロック共重合体の合成法として、リビング重合法を用いると、ブロック鎖の重合度を自由に制御して共重合体を合成することが可能である。リビング重合法には、リビングアニオン重合、リビングカチオン重合、配位重合、リビングラジカル重合など様々な重合法がある。これらの重合法の中で、本発明を特に限定するものではないが、リビングラジカル重合法が好ましく用いられる。   Here, when the living polymerization method is used as a method for synthesizing the block copolymer, it is possible to synthesize the copolymer by freely controlling the degree of polymerization of the block chain. The living polymerization method includes various polymerization methods such as living anion polymerization, living cation polymerization, coordination polymerization, and living radical polymerization. Among these polymerization methods, the present invention is not particularly limited, but a living radical polymerization method is preferably used.

リビングラジカル重合法は近年様々な手法が開発されており、以下の様な例が挙げられる。
例えば、Macromol.Chem.Rapid Commun.1982年,3巻,133頁に示されるイニファーター重合、マクロモレキュールズ(Macromolecules)、1994年、27巻、7228頁に示されるようなニトロキシド化合物などのラジカル捕捉剤を用いるもの、ジャーナル・オブ・ザ・アメリカン・ケミカルソサエティー(J.Am.Chem.Soc.)、1995年、117巻、5614頁に示されるような有機ハロゲン化物等を開始剤とし遷移金属錯体を触媒とする「原子移動ラジカル重合」(Atom Transfer Radical Polymerization:ATRP)、マクロモレキュールズ(Macromolecules)、1998年、31巻、5559頁に示される「RAFT:Reversible Addition−Fragmentation chain Transfer重合」などがあげられる。このような重合法を用いることにより、種々のビニルモノマーを重合することが可能である。
Various techniques have been developed in recent years for the living radical polymerization method, and examples include the following.
For example, Macromol. Chem. Rapid Commun. 1982, Vol. 3, page 133, Iniferter polymerization, Macromolecules, 1994, Vol. 27, page 7228 using a radical scavenger such as a nitroxide compound, Journal of・ The American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.), 1995, Vol. 117, p. 5614, as an initiator and transition metal complex as a catalyst. “RAFT: Reversible Addition-Fragment” shown in “Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP)”, Macromolecules, 1998, Vol. 31, p. 5559 application chain transfer polymerization "and the like. By using such a polymerization method, various vinyl monomers can be polymerized.

本発明の一形態は、電解質膜支持部位のマトリックスを形成するマトリックスポリマー11aの側鎖に重合性官能基が含まれているブロック共重合体の高分子電解質である。このブロック共重合体を成膜した後、該重合性官能基を反応させることにより、イオン伝導性を示さないマトリックス部位11のみ架橋し、膜全体の機械的強度を向上させた電解質膜を形成することができる。具体的な架橋方法としては、(A)側鎖に重合性官能基を含むマトリックスポリマーと、(B)ラジカル発生剤からなる組成物を調製し、かかる組成物を成膜した後、光反応や熱反応により(B)成分のラジカル発生剤から発生したラジカルにより、(A)成分の側鎖の重合性官能基同士が分子間・分子内で反応・硬化することで、架橋すればよい。   One embodiment of the present invention is a polymer electrolyte of a block copolymer in which a polymerizable functional group is contained in a side chain of a matrix polymer 11a that forms a matrix of an electrolyte membrane support site. After forming the block copolymer, the polymerizable functional group is reacted to crosslink only the matrix portion 11 that does not exhibit ionic conductivity, thereby forming an electrolyte membrane that improves the mechanical strength of the entire membrane. be able to. As a specific crosslinking method, a composition comprising (A) a matrix polymer containing a polymerizable functional group in the side chain and (B) a radical generator is prepared, and after such a composition is formed into a film, photoreaction or What is necessary is just to bridge | crosslink, when the radical generate | occur | produced from the radical generating agent of (B) component by thermal reaction reacts and cures between the polymerizable functional groups of the side chain of (A) component between molecules.

側鎖に重合性官能基を有するマトリックスポリマー(A)としては、1分子内に1個以上の重合性官能基であるエチレン性不飽和基を有し、かつ、成膜後に光反応や熱反応により(B)成分より発生したラジカルと反応・硬化し架橋体を形成することができるポリマーであれば、特に制限されない。   The matrix polymer (A) having a polymerizable functional group in the side chain has an ethylenically unsaturated group that is one or more polymerizable functional groups in one molecule, and a photoreaction or thermal reaction after film formation. The polymer is not particularly limited as long as it is a polymer that can react and cure with radicals generated from the component (B) to form a crosslinked product.

かかる化合物の重合性官能基としては、ビニル基や(メタ)アクリル基等のエチレン性不飽和基を有し、ラジカル重合機構で反応する官能基が挙げられる。このようにポリマー側鎖に重合性官能基を有する構造を導入することにより、成膜後にマトリックスポリマー側鎖間で架橋反応が進行するため、機械的強度が著しく向上した膜特性を発現することができる。   Examples of the polymerizable functional group of such a compound include a functional group having an ethylenically unsaturated group such as a vinyl group or a (meth) acryl group and reacting by a radical polymerization mechanism. By introducing a structure having a polymerizable functional group in the polymer side chain in this way, the cross-linking reaction proceeds between the matrix polymer side chains after film formation, so that the mechanical properties can be significantly improved and the film characteristics can be expressed. it can.

これらポリマー側鎖に含まれるラジカル重合性のエチレン性不飽和基は、ラジカル重合性モノマー由来の官能基のどれを含んでいてもよく、かかるラジカル重合性モノマーの骨格例には、スチレン、α−メチルスチレン、2−ビニルピリジンおよび4−ビニルピリジンなどのビニル芳香族モノマー、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、クロトン酸、メチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレート、イソオクチルアクリレート、オクタデシルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、フェニルアクリレート、フェネチルアクリレート、ベンジルメタクリレート、β−シアノエチルアクリレート、無水マレイン酸、イタコン酸ジエチル、アクリルアミド、メタクリロニトリルおよびN−ブチルアクリルアミドなどのα、β−不飽和カルボン酸およびそれらの誘導体、酢酸ビニルおよびビニル2−エチルヘキサノエートなどのカルボン酸のビニルエステル、塩化ビニルおよび塩化ビニリデンなどのハロゲン化ビニル、N−ビニルピロリドン、N−ビニルカプロラクタムおよびN−ビニルカルバゾールなどのN−ビニル化合物、メチルビニルケトンなどのビニルケトンなどが挙げられる。   The radical polymerizable ethylenically unsaturated group contained in these polymer side chains may contain any functional group derived from a radical polymerizable monomer. Examples of the skeleton of such radical polymerizable monomer include styrene, α- Vinyl aromatic monomers such as methylstyrene, 2-vinylpyridine and 4-vinylpyridine, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, maleic acid, fumaric acid, crotonic acid, methyl methacrylate, butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, ethyl acrylate Butyl acrylate, isooctyl acrylate, octadecyl acrylate, cyclohexyl acrylate, tetrahydrofurfuryl methacrylate, phenyl acrylate, phenethyl acrylate, benzyl methacrylate, β-cyanoethyl acrylate Of α, β-unsaturated carboxylic acids and their derivatives, such as rate, maleic anhydride, diethyl itaconate, acrylamide, methacrylonitrile and N-butylacrylamide, carboxylic acids such as vinyl acetate and vinyl 2-ethylhexanoate Examples thereof include vinyl halides such as vinyl esters, vinyl chloride and vinylidene chloride, N-vinyl compounds such as N-vinyl pyrrolidone, N-vinyl caprolactam and N-vinyl carbazole, and vinyl ketones such as methyl vinyl ketone.

これらエチレン性不飽和基のポリマー側鎖導入法は特に限定されず、エチレン性不飽和基を側鎖に含む単量体をポリマー化してもよく、ポリマーを合成した後に、ポリマー側鎖にエチレン性不飽和基を導入してもよいが、ラジカル重合によりブロックポリマーを合成する場合には、ブロックポリマー合成の際に側鎖のエチレン性不飽和基も反応し副反応が起こるため、後者のポリマー合成後にポリマー側鎖にエチレン性不飽和基を導入することがより好ましい。   The method for introducing a polymer side chain of these ethylenically unsaturated groups is not particularly limited, and a monomer containing an ethylenically unsaturated group in the side chain may be polymerized. Unsaturated groups may be introduced. However, when a block polymer is synthesized by radical polymerization, the side chain reacts with the ethylenically unsaturated group in the side chain during the synthesis of the block polymer. More preferably, an ethylenically unsaturated group is introduced into the polymer side chain later.

(B)成分であるラジカル重合開始剤は、光、熱、或いはその両方のエネルギーによりラジカルを発生し、前記(A)成分の側鎖エチレン性不飽和基の重合を開始、促進させる化合物を指す。本発明に係るラジカル発生剤としては、公知の光重合開始剤や熱重合開始剤などを選択して使用することができる。   The radical polymerization initiator as the component (B) refers to a compound that generates radicals by light, heat, or both, and initiates and accelerates polymerization of the side chain ethylenically unsaturated group of the component (A). . As the radical generator according to the present invention, a known photopolymerization initiator or thermal polymerization initiator can be selected and used.

かかる光ラジカル重合開始剤としては、公知の化合物を用いることができ、例えば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル等のベンゾイン類;アセトフェノン、2,2−ジエトキシ−2−フェニルアセトフェノン、2,2−ジエトキシ−2−フェニルアセトフェノン、1,1−ジクロロアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−フェニルプロパン−1−オン、ジエトキシアセトフェノン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタン−1−オン、2−メチル−1−〔4−(メチルチオ)フェニル〕−2−モルホリノプロパン−1−オンなどのアセトフェノン類;2−エチルアントラキノン、2−ターシャリーブチルアントラキノン、2−クロロアントラキノン、2−アミルアントラキノンなどのアントラキノン類;2,4−ジエチルチオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、2−クロロチオキサントンなどのチオキサントン類;アセトフエノンジメチルケタール、ベンジルジメチルケタールなどのケタール類;ベンゾフェノン、4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルサルファイド、4,4’−ビスメチルアミノベンゾフェノンなどのベンゾフェノン類;2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイド、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキサイド等のホスフィンオキサイド類、2,4,6−トリス(モノクロロメチル)−s−トリアジン、2,4,6−トリス(ジクロロメチル)−s−トリアジン、2,4,6−トリス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2−メチル−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン等のs−トリアジン類等が挙げられるが、特にこれらに限定されない。   As such radical photopolymerization initiator, known compounds can be used, for example, benzoins such as benzoin, benzoin methyl ether, benzoin ethyl ether, benzoin propyl ether, benzoin isobutyl ether; acetophenone, 2,2-diethoxy- 2-phenylacetophenone, 2,2-diethoxy-2-phenylacetophenone, 1,1-dichloroacetophenone, 2-hydroxy-2-methyl-phenylpropan-1-one, diethoxyacetophenone, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2 Such as -benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) -butan-1-one, 2-methyl-1- [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropan-1-one Anthraquinones such as 2-ethylanthraquinone, 2-tertiarybutylanthraquinone, 2-chloroanthraquinone and 2-amylanthraquinone; thioxanthones such as 2,4-diethylthioxanthone, 2-isopropylthioxanthone and 2-chlorothioxanthone; Ketals such as acetophenone dimethyl ketal and benzyl dimethyl ketal; benzophenones such as benzophenone, 4-benzoyl-4'-methyldiphenyl sulfide and 4,4'-bismethylaminobenzophenone; 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenyl Phosphine oxides, phosphine oxides such as bis (2,4,6-trimethylbenzoyl) -phenylphosphine oxide, 2,4,6-tris (monochloromethyl)- -Triazine, 2,4,6-tris (dichloromethyl) -s-triazine, 2,4,6-tris (trichloromethyl) -s-triazine, 2-methyl-4,6-bis (trichloromethyl) -s -Although s-triazines, such as a triazine, are mentioned, It does not specifically limit to these.

また、これらの光重合開始剤の外に、成膜後の熱処理を利用しての硬化も考慮して、各種有機過酸化物やアゾ系化合物といった熱ラジカル重合開始剤を添加してもよい。これら熱重合開始剤の種類としては、成膜後の熱処理温度に応じて適宜選択できる。例えば有機化酸化物としては、ジ−tertブチルペルオキシド、2,5−ジメチル−2,5−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ヘキサン、2,5,−ジメチル−2,5−ジ(tert−ブチルペルオキシ)ヘキシン−3、3,6,9−トリエチル−3,6,9−トリメチル−1,4,7−トリペルオキソナン、1,1,3,3−テトラメチルブチルヒドロペルオキシド、ジイソプロピルベンゼンモノヒドロペルオキシド、tert−ブチルヒドロペルオキシド、tert−アミルヒドロペルオキシド、ジクミルペルオキシド、tert−ブチルクミルペルオキシド、ジイソプロピルベンゼンモノヒドロペルオキシド、ジ(tert−ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼンなどが好ましく用いられる。   In addition to these photopolymerization initiators, thermal radical polymerization initiators such as various organic peroxides and azo compounds may be added in consideration of curing using heat treatment after film formation. The type of these thermal polymerization initiators can be appropriately selected according to the heat treatment temperature after film formation. For example, organic oxides include di-tertbutyl peroxide, 2,5-dimethyl-2,5-di (tert-butylperoxy) hexane, 2,5, -dimethyl-2,5-di (tert-butylperoxy). ) Hexin-3,3,6,9-triethyl-3,6,9-trimethyl-1,4,7-triperoxonane, 1,1,3,3-tetramethylbutyl hydroperoxide, diisopropylbenzene monohydroperoxide , Tert-butyl hydroperoxide, tert-amyl hydroperoxide, dicumyl peroxide, tert-butyl cumyl peroxide, diisopropylbenzene monohydroperoxide, di (tert-butylperoxyisopropyl) benzene and the like are preferably used.

このような(A)側鎖にエチレン性不飽和基を有するブロック共重合体、および(B)ラジカル発生剤からなる組成物溶液から成膜し、マトリックスブロック11aを架橋することで、膜強度が向上すると共に、ブロック共重合体が自己組織的に相分離した構造を固定化することができ、膜中のシリンダー状のプロトン伝導構造を安定化することで、安定的なプロトン伝導性能を発揮することができる。   By forming a film from a composition solution comprising such a block copolymer having (A) an ethylenically unsaturated group in the side chain and (B) a radical generator, and crosslinking the matrix block 11a, the film strength is increased. In addition to improving the structure, the structure in which the block copolymer is phase-separated in a self-organized manner can be fixed, and by stabilizing the cylindrical proton conduction structure in the membrane, stable proton conduction performance is exhibited. be able to.

具体的には、先ず前記組成物溶液を基板表面に塗膜を形成する。この際、塗布する方法としては、スピンコート法、浸漬法、ロールコート法、スプレー法、キャスト法などの塗布手段を用いることができる。イオン伝導性を示さないマトリックス部位が架橋した本発明の高分子電解質膜も、ミクロ相分離により形成されたシリンダー構造を一軸配向させることで、イオン伝導を向上させることができる。架橋させる前の高分子電解質膜に、熱処理しながら電場などの外場を加える工程により、ミクロ相分離構造の一軸配向化を行い、膜厚方向にシリンダー状に配列したイオン伝導部を形成する。さらに、配向化した電解質膜を、光照射や加熱によりラジカルを発生させ架橋する工程により、マトリックスブロックが架橋した電解質膜を形成することができる。   Specifically, a coating film is first formed on the substrate surface with the composition solution. At this time, as a coating method, a coating means such as a spin coating method, a dipping method, a roll coating method, a spray method, or a casting method can be used. The polymer electrolyte membrane of the present invention in which the matrix portion not exhibiting ionic conductivity is cross-linked can also improve ionic conduction by uniaxially orienting the cylinder structure formed by microphase separation. The polymer electrolyte membrane before cross-linking is subjected to uniaxial orientation of the microphase-separated structure by applying an external field such as an electric field while heat-treating to form ion conducting portions arranged in a cylindrical shape in the film thickness direction. Furthermore, the electrolyte membrane in which the matrix block is cross-linked can be formed by a step in which the oriented electrolyte membrane is cross-linked by generating radicals by light irradiation or heating.

前記光照射工程における照射光としては、波長365nmのi線、404nmのh線、436nmのg線、キセノンランプ等の広域波長光源等の紫外線、波長248nmのKrFエキシマレーザー、波長193nmのArFエキシマレーザー等の遠紫外線、可視光およびこれらの混合線等が挙げられ、(B)ラジカル発生剤の化学構造に応じて選択すれば良いが、紫外光および可視光が好ましい。照度としては照射波長などにもよるが、0.1mW/cm2以上100mW/cm2以下とすることが最も反応効率が良く好ましい。 Irradiation light in the light irradiation process includes i-line having a wavelength of 365 nm, h-line having a wavelength of 404 nm, g-line having a wavelength of 436 nm, ultraviolet light from a wide wavelength light source such as a xenon lamp, KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm, and ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm. And the like, and may be selected according to the chemical structure of the radical generator (B), but ultraviolet light and visible light are preferred. The illuminance is preferably 0.1 mW / cm 2 or more and 100 mW / cm 2 or less, although it depends on the irradiation wavelength.

一方、加熱により(B)ラジカル発生剤からラジカルを発生させる場合には、ブロック共重合体の相分離構造形成時の加熱温度より高い温度で分解するラジカル発生剤を用いることが好ましい。低温でラジカルを発生するラジカル発生剤を用いると、イオン伝導部が膜厚方向にシリンダー状に配列する前に架橋が起こるため、一軸配向した電解質膜を形成できないことがある。   On the other hand, when the radical is generated from the (B) radical generator by heating, it is preferable to use a radical generator that decomposes at a temperature higher than the heating temperature at the time of forming the phase separation structure of the block copolymer. When a radical generator that generates radicals at a low temperature is used, cross-linking occurs before the ion conducting portions are arranged in a cylinder shape in the film thickness direction, and thus a uniaxially oriented electrolyte membrane may not be formed.

ところで、イオン伝導性を示さないマトリックス部位11のみ架橋するためには、架橋剤を用いることも可能である。この場合、ブロック共重合体側鎖にエチレン性不飽和基を含んだもの、含んでいないもの、のいずれを用いた場合であっても架橋剤を使用することができる。前者の場合、架橋剤はブロック共重合体側鎖のエチレン性不飽和基と共有結合で化学的に結合され、相分離構造の安定化や機械強度の向上が図られる。後者の場合、架橋剤が形成する緻密なネットワーク構造中にブロック共重合体が存在することにより、ポリマー鎖の運動性が該ネットワークに束縛され、構造の安定化が図られ、また機械強度の向上も達成される。   By the way, in order to crosslink only the matrix part 11 which does not show ion conductivity, it is also possible to use a crosslinking agent. In this case, a cross-linking agent can be used regardless of whether the block copolymer side chain contains an ethylenically unsaturated group or not. In the former case, the crosslinking agent is chemically bonded to the ethylenically unsaturated group on the side chain of the block copolymer through a covalent bond, so that the phase separation structure is stabilized and the mechanical strength is improved. In the latter case, due to the presence of the block copolymer in the dense network structure formed by the crosslinking agent, the mobility of the polymer chain is constrained by the network, the structure is stabilized, and the mechanical strength is improved. Is also achieved.

架橋剤としては、ラジカル重合性を示すエチレン性不飽和基を分子内に2個以上含むものが好適に用いられる。エチレン性不飽和基を有する重合性化合物としては、特に制限はなく公知の重合性化合物を使用することができる。例えば、エチレン性不飽和基を分子中に2個有する化合物の例は、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、1,3−ジオキソランジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、ポリエチレンオキサイドジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレンオキサイドジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメチロールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン化ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン化ビスフェノールSジ(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン化ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン化ビスフェノールSジ(メタ)アクリレート、メチレンビスアクリルアミド、N,N′−アクリロイルエチレンジアミン、N,N′−アクリロイルプロピレンジアミン、ジビニルベンゼン、ジアリルフタレート、アリルアクリレート、アリルメタクリレート、等を挙げることができる。   As the crosslinking agent, those containing two or more ethylenically unsaturated groups exhibiting radical polymerizability in the molecule are preferably used. There is no restriction | limiting in particular as a polymeric compound which has an ethylenically unsaturated group, A well-known polymeric compound can be used. For example, examples of compounds having two ethylenically unsaturated groups in the molecule are ethylene glycol di (meth) acrylate, propylene glycol di (meth) acrylate, 1,4-butanediol di (meth) acrylate, neopentyl glycol Di (meth) acrylate, 1,3-dioxolane di (meth) acrylate, 1,6-hexanediol di (meth) acrylate, glycerin di (meth) acrylate, polyethylene oxide di (meth) acrylate, polypropylene oxide di (meth) Acrylate, tricyclodecane dimethylol di (meth) acrylate, bisphenol A di (meth) acrylate, polyoxyethylenated bisphenol A di (meth) acrylate, polyoxyethylenated bisphenol F di (meth) acrylate , Polyoxyethylenated bisphenol S di (meth) acrylate, polyoxypropylenated bisphenol A di (meth) acrylate, polyoxypropylenated bisphenol F di (meth) acrylate, polyoxypropylenated bisphenol S di (meth) acrylate, methylene Examples thereof include bisacrylamide, N, N′-acryloylethylenediamine, N, N′-acryloylpropylenediamine, divinylbenzene, diallyl phthalate, allyl acrylate, and allyl methacrylate.

エチレン性不飽和基を分子中に3個有する化合物の例としては、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ポリオキシエチレン化トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリオキシプロピレン化トリメチロールプロパントリアクリレート、N,N′,N″−トリヒドロキシエチル−1,3,5,トリアジン−2,4,6,トリオントリアクリレート、グリセリントリアクリレート、ポリオキシエチレン化グリセリントリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリスリトールトリメタクリレート、等を挙げることができる。   Examples of compounds having three ethylenically unsaturated groups in the molecule include trimethylolpropane triacrylate, pentaerythritol triacrylate, polyoxyethylenated trimethylolpropane triacrylate, polyoxypropylenated trimethylolpropane triacrylate, N , N ′, N ″ -trihydroxyethyl-1,3,5, triazine-2,4,6, trione triacrylate, glycerol triacrylate, polyoxyethylenated glycerol triacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, pentaerythritol tri And methacrylate.

エチレン性不飽和基を分子中に4個以上有する化合物の例としては、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、ポリヒドロキシオリゴエステルポリアクリレート、ポリヒドロキシオリゴウレタンポリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラメタクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラメタクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサメタクリレート、ポリヒドロキシオリゴエステルポリメタクリレート、等を挙げることができる。   Examples of compounds having 4 or more ethylenically unsaturated groups in the molecule include pentaerythritol tetraacrylate, ditrimethylolpropane tetraacrylate, dipentaerythritol pentaacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate, polyhydroxy oligoester polyacrylate, poly Examples thereof include hydroxy oligo urethane polyacrylate, pentaerythritol tetramethacrylate, ditrimethylolpropane tetramethacrylate, dipentaerythritol hexamethacrylate, polyhydroxy oligoester polymethacrylate, and the like.

これらのエチレン性不飽和基を有する重合性化合物は架橋剤として単独で用いても、2種類以上組み合わせてもちいてもよい。
架橋剤は疎水性セグメント(非イオン伝導性のマトリックスセグメント)に局在化されるような構造をもつものが好ましく、疎水的な化学構造を有するものが好適に用いられる。上記の中で疎水性の高い架橋剤としては、例えば、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメチロールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン化ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、ポリオキシエチレン化ビスフェノールSジ(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン化ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、ポリオキシプロピレン化ビスフェノールSジ(メタ)アクリレート、ジビニルベンゼン、ポリオキシプロピレン化トリメチロールプロパントリアクリレート、トリアジン−2,4,6,トリオントリアクリレートなどが挙げられるがこれらに限定されない。
These polymerizable compounds having an ethylenically unsaturated group may be used alone as a crosslinking agent or may be used in combination of two or more.
The cross-linking agent preferably has a structure that can be localized in a hydrophobic segment (non-ion conductive matrix segment), and preferably has a hydrophobic chemical structure. Among the above, as a highly hydrophobic crosslinking agent, for example, 1,6-hexanediol di (meth) acrylate, tricyclodecane dimethylol di (meth) acrylate, bisphenol A di (meth) acrylate, polyoxyethylenation Bisphenol A di (meth) acrylate, polyoxyethylenated bisphenol F di (meth) acrylate, polyoxyethylenated bisphenol S di (meth) acrylate, polyoxypropylenated bisphenol A di (meth) acrylate, polyoxypropylene bisphenol F Di (meth) acrylate, polyoxypropylenated bisphenol S di (meth) acrylate, divinylbenzene, polyoxypropylenated trimethylolpropane triacrylate, triazine-2,4,6, trionto Although acrylate, and the like without limitation.

ブロックコポリマーを構成する2つの成分に加えて、第3の成分として架橋剤を添加した後の膜は、架橋剤がマトリックスセグメントに局在化されるため、親水性セグメント(イオン伝導性ブロック)と疎水性セグメント(マトリックスブロック+架橋剤)の体積分率が元のブロックコポリマーの体積分率から変化する。そのため、所望の膜ナノ構造(シリンダー等)を得るために、元のブロックコポリマーの体積分率や添加する架橋剤量を調節すればよい。   In addition to the two components that make up the block copolymer, the membrane after the addition of the crosslinker as the third component has a hydrophilic segment (ion conductive block) and the crosslinker is localized in the matrix segment. The volume fraction of the hydrophobic segment (matrix block + crosslinker) varies from the volume fraction of the original block copolymer. Therefore, in order to obtain a desired film nanostructure (such as a cylinder), the volume fraction of the original block copolymer and the amount of the crosslinking agent to be added may be adjusted.

次に、本発明の形態に係る電解質膜の作用について説明する。本発明における電解質膜では、イオン伝導性高分子からなるイオン伝導部と、膜を構成するマトリックスポリマーが相分離した構造を有する。そのため、イオン伝導部内では、イオン伝導に有効に寄与する割合が高く、またイオン伝導部が、低湿度時でも多くの水を含むことから、イオン伝導率が高く、また湿度の影響が小さい電解質膜を得ることができる。また、マトリックスポリマーは、膜の含水状態などにより形状変化を起こさない為、寸法安定性に優れ、また高強度、高イオン伝導率といった特性の両立が可能となる。   Next, the operation of the electrolyte membrane according to the embodiment of the present invention will be described. The electrolyte membrane in the present invention has a structure in which an ion conducting portion made of an ion conducting polymer and a matrix polymer constituting the membrane are phase separated. Therefore, in the ionic conduction part, the ratio that effectively contributes to ionic conduction is high, and since the ionic conduction part contains a lot of water even at low humidity, the electrolyte membrane has high ionic conductivity and little influence of humidity. Can be obtained. In addition, since the matrix polymer does not change its shape due to the moisture content of the membrane, it is excellent in dimensional stability and can have both high strength and high ionic conductivity.

さらに、前記電解質膜では、イオン伝導部が電解質膜の膜厚方向に対してほぼ平行方向に配向していることにより、イオン伝導部が電解質膜の両側に設けられる電極間が最短のイオン移動経路でつながることになる。そのため、イオン伝導効率がさらに向上し、高イオン伝導が得られる。またイオン伝導部内の水の拡散速度が向上し、カソードで発生した水を膜内にすばやく均一に分布させることが可能となる。これにより、低加湿下においても膜の乾燥を抑え、湿度に依存しないイオン伝導率特性を得ることができる。   Further, in the electrolyte membrane, the ion conduction portion is oriented in a direction substantially parallel to the film thickness direction of the electrolyte membrane, so that the ion migration path between the electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane is the shortest ion movement path. Will be connected. Therefore, the ion conduction efficiency is further improved and high ion conduction is obtained. Further, the diffusion rate of water in the ion conducting portion is improved, and water generated at the cathode can be quickly and uniformly distributed in the membrane. Thereby, drying of a film | membrane can be suppressed also under low humidification, and the ionic conductivity characteristic independent of humidity can be acquired.

上述した本発明の高分子電解質膜に、電極を配置することにより、本発明の一形態である膜電極接合体を作製することができる。この膜電極接合体は、本発明の高分子電解質と、それを挟んで対向する触媒電極(アノードおよびカソード)から構成され、該触媒電極はガス拡散層上に触媒層が形成されている。この接合体の作製方法としては、特に制限はなく、公知の技術を用いることができ、例えば、白金、白金−ルテニウム合金、あるいはその微粒子をカーボンなどの担持体上に分散担持させたものを触媒とするガス拡散電極を高分子電解質膜に直接形成する方法、ガス拡散電極と高分子電解質膜をホットプレスする方法、あるいは、接着液により接合する方法などの方法により作製できる。   By disposing an electrode on the above-described polymer electrolyte membrane of the present invention, a membrane / electrode assembly which is one embodiment of the present invention can be produced. This membrane electrode assembly is composed of the polymer electrolyte of the present invention and catalyst electrodes (anode and cathode) facing each other with the catalyst electrolyte sandwiched therebetween, and the catalyst layer has a catalyst layer formed on the gas diffusion layer. The method for producing the joined body is not particularly limited, and a known technique can be used. For example, platinum, platinum-ruthenium alloy, or a catalyst obtained by dispersing and supporting fine particles thereof on a carrier such as carbon is used as a catalyst. The gas diffusion electrode can be directly formed on the polymer electrolyte membrane, the gas diffusion electrode and the polymer electrolyte membrane can be hot-pressed, or the method can be produced by bonding with an adhesive solution.

また、本発明の高分子電解質膜および前記膜電極接合体を用いて、公知の手法により燃料電池を作製することができる。該燃料電池の構成の一例としては、前記膜電極接合体、該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータ、セパレータに取り付けられた集電体およびパッキンとを備える構成が挙げられる。アノード極側のセパレータにはアノード極側開口部が設けられ、水素、メタノール等のアルコール類のガス燃料または液体燃料が供給される。一方、カソード極側のセパレータにはカソード極側開口部が設けられ、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。パッシブタイプの燃料電池の場合、酸化剤ガス側のセパレータは無くても良い。   Moreover, a fuel cell can be produced by a known technique using the polymer electrolyte membrane of the present invention and the membrane electrode assembly. An example of the configuration of the fuel cell includes a configuration including the membrane electrode assembly, a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly, a current collector attached to the separator, and a packing. The anode pole side separator is provided with an anode pole side opening, and is supplied with gas fuel or liquid fuel of alcohols such as hydrogen and methanol. On the other hand, the cathode pole side separator is provided with a cathode pole side opening, and is supplied with an oxidant gas such as oxygen gas or air. In the case of a passive type fuel cell, the separator on the oxidant gas side may be omitted.

このようにして形成される燃料電池のユニットの一例を図4に示す。なお、セパレータに代えて、あるいはセパレータとガス拡散層との間に、発泡金属などのガス流路を設けることも可能である。   An example of the fuel cell unit formed in this way is shown in FIG. In addition, it is also possible to provide a gas flow path such as foam metal instead of the separator or between the separator and the gas diffusion layer.

前記高分子電解質膜を用いて燃料電池を作製することにより、補機による電解質の加湿を行わない場合や低加湿の場合においても、高い出力が長期間に渡って安定して得られるため、燃料電池の小型化が可能となる。また、本発明のマトリックスを架橋した高分子電解質膜を用いた場合、その機械的強度や寸法安定性が向上するため、水分による膜の膨潤を抑制でき、メタノールを直接燃料とする燃料電池としてもメタノールの透過を抑制できるため、好適に用いることができる。   By producing a fuel cell using the polymer electrolyte membrane, a high output can be stably obtained over a long period of time even when the electrolyte is not humidified by an auxiliary machine or when the humidity is low. The battery can be downsized. In addition, when the polymer electrolyte membrane in which the matrix of the present invention is cross-linked is used, its mechanical strength and dimensional stability are improved, so that swelling of the membrane due to moisture can be suppressed, and as a fuel cell using methanol as a direct fuel. Since permeation of methanol can be suppressed, it can be suitably used.

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。まず、以下の手順により各種ポリマーを合成した。
合成例1
ポリスチレンスルホン酸−b−ポリスチレンの合成(BP−2)[bはブロック共重合体を示す。]
20mlシュレンク管に、スチレンスルホン酸エチルエステル5.5g、1−ブロモエチルベンゼン(1−Bromoethyl−benzene)30μl、ジメチルホルムアミド5.5g、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン(1,1,4,7,10,10−Hexamethyl−triethylene tetramine)85μl、CuBr触媒45mgを加え、この混合溶液を窒素で溶存酸素を置換した後、100℃で5時間重合を行った。これをトルエンに再沈殿することによりポリマーaを得た。DMFを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、ポリマーaの分子量を測定したところMn(数平均分子量)=24,200であった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited only to these Examples. First, various polymers were synthesized by the following procedure.
Synthesis example 1
Synthesis of polystyrene sulfonic acid-b-polystyrene (BP-2) [b represents a block copolymer. ]
In a 20 ml Schlenk tube, 5.5 g of styrene sulfonic acid ethyl ester, 30 μl of 1-bromoethylbenzene (1-Bromoethyl-benzene), 5.5 g of dimethylformamide, 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine 85 μl of (1,1,4,7,10,10-hexanemethyltetramine) and 45 mg of CuBr catalyst were added, and the mixed solution was purged with nitrogen for dissolved oxygen, and then polymerized at 100 ° C. for 5 hours. This was reprecipitated in toluene to obtain polymer a. When the molecular weight of polymer a was measured by gel permeation chromatography (GPC) measurement using DMF as a solvent, Mn (number average molecular weight) was 24,200.

次いで、20mlシュレンク管中、スチレンモノマー1.5g、ポリマーa0.5g、ジメチルホルムアミド1.5g、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン10μl、CuBr触媒5mgを加え、110℃で5時間重合を行い、ブロック共重合体BP−1(ポリスチレンスルホン酸エチルエステル−b−ポリスチレン)を得た。DMFを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、ブロック共重合体BP−1の分子量を測定したところ、Mn=82,100であった。   Then, in a 20 ml Schlenk tube, 1.5 g of styrene monomer, 0.5 g of polymer a, 1.5 g of dimethylformamide, 10 μl of 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and 5 mg of CuBr catalyst were added, and 110 Polymerization was carried out at 5 ° C. for 5 hours to obtain a block copolymer BP-1 (polystyrenesulfonic acid ethyl ester-b-polystyrene). When the molecular weight of the block copolymer BP-1 was measured by gel permeation chromatography (GPC) measurement using DMF as a solvent, Mn was 82,100.

さらに得られたブロック共重合体BP−1に1.5M炭酸アンモニウム水溶液、ジメチルホルムアミドを加え、加熱還流を行い、エチルエステルの脱保護を行い、目的のブロック共重合体ポリスチレンスルホン酸−b−ポリスチレン(BP−2)を得た。BP−2におけるポリスチレンスルホン酸の体積分率は29%であった。このブロック共重合体BP−2の構造式を以下に示す。   Furthermore, 1.5M ammonium carbonate aqueous solution and dimethylformamide were added to the obtained block copolymer BP-1, and the mixture was heated to reflux to deprotect the ethyl ester, and the desired block copolymer polystyrene sulfonic acid-b-polystyrene. (BP-2) was obtained. The volume fraction of polystyrene sulfonic acid in BP-2 was 29%. The structural formula of this block copolymer BP-2 is shown below.

合成例2
ポリスチレンスルホン酸−b−ポリメタクリル酸トリフルオロエチルの合成(BP−4)
20mlシュレンク管に、スチレンスルホン酸エチルエステル5.5g、1−ブロモエチルベンゼン30μl、ジメチルホルムアミド5.5g、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン85μl、CuBr触媒45mgを加え、この混合溶液を窒素で溶存酸素を置換した後100℃で5時間重合を行った。これをトルエンに再沈殿することによりポリマーbを得た。DMFを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、ポリマーbの分子量を測定したところMn=24,200であった。
Synthesis example 2
Synthesis of polystyrene sulfonic acid-b-poly (trifluoroethyl methacrylate) (BP-4)
To a 20 ml Schlenk tube, 5.5 g of styrene sulfonic acid ethyl ester, 30 μl of 1-bromoethylbenzene, 5.5 g of dimethylformamide, 85 μl of 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and 45 mg of CuBr catalyst are added. Then, after replacing the dissolved oxygen with nitrogen, this mixed solution was polymerized at 100 ° C. for 5 hours. This was reprecipitated in toluene to obtain a polymer b. When the molecular weight of the polymer b was measured by gel permeation chromatography (GPC) using DMF as a solvent, Mn was 24,200.

次いで、20mlシュレンク管に、メタクリル酸トリフルオロエチル3.0g、ポリマーb1.0g、ジメチルホルムアミド3.0g、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン16μl、CuBr触媒11.7mgを加え、110℃で3時間重合を行い、ブロック共重合体BP−3(ポリスチレンスルホン酸エチルエステル−b−ポリメタクリル酸トリフルオロエチル)を得た。DMFを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、ブロック共重合体BP−3の分子量を測定したところMn=81,420であった。   Next, in a 20 ml Schlenk tube, 3.0 g of trifluoroethyl methacrylate, 1.0 g of polymer b, 3.0 g of dimethylformamide, 16 μl of 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine, CuBr catalyst 11. 7 mg was added, and polymerization was performed at 110 ° C. for 3 hours to obtain a block copolymer BP-3 (polystyrenesulfonic acid ethyl ester-b-polytrifluoromethacrylate trifluoroethyl). When the molecular weight of the block copolymer BP-3 was measured by gel permeation chromatography (GPC) measurement using DMF as a solvent, Mn was 81,420.

さらに得られたブロック共重合体BP−3に1.5M炭酸アンモニウム水溶液、ジメチルホルムアミドを加え、加熱還流を行い、エチルエステルの脱保護を行い、目的のブロック共重合体ポリスチレンスルホン酸−b−ポリメタクリル酸トリフルオロエチル(BP−4)を得た。BP−4におけるポリスチレンスルホン酸の体積分率は27%であった。このブロック共重合体BP−4の構造式を以下に示す。   Furthermore, 1.5M ammonium carbonate aqueous solution and dimethylformamide were added to the obtained block copolymer BP-3, and the mixture was refluxed with heating to deprotect the ethyl ester, and the target block copolymer polystyrene sulfonic acid-b-poly Trifluoroethyl methacrylate (BP-4) was obtained. The volume fraction of polystyrene sulfonic acid in BP-4 was 27%. The structural formula of this block copolymer BP-4 is shown below.

合成例3
ポリスチレンスルホン酸−b−ポリメタクリル酸メチルの合成(BP−6)
20mlシュレンク管に、スチレンモノマー8g、1−ブロモエチルベンゼン51μl、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン202μl、CuBr触媒100mgを加え、この混合溶液を窒素で溶存酸素を置換した後110℃で2時間重合を行った。これをトルエンで希釈した後、メタノールに再沈殿することによりポリマーcを得た。DMFを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、ポリマーcの分子量を測定したところMn=19,100であった。
Synthesis example 3
Synthesis of polystyrene sulfonic acid-b-polymethyl methacrylate (BP-6)
To a 20 ml Schlenk tube, 8 g of styrene monomer, 51 μl of 1-bromoethylbenzene, 202 μl of 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and 100 mg of CuBr catalyst are added, and this mixed solution is replaced with nitrogen. Then, polymerization was carried out at 110 ° C. for 2 hours. This was diluted with toluene and then reprecipitated in methanol to obtain polymer c. When the molecular weight of the polymer c was measured by gel permeation chromatography (GPC) measurement using DMF as a solvent, Mn was 19,100.

次いで、20mlシュレンク管に、メタクリル酸メチル2.0g、ポリマーc1.0g、アニソール4ml、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン19.5μl、CuBr触媒14.3mgを加え、80℃で10時間重合を行い、ブロック共重合体BP−5(ポリメタクリル酸メチル−b−ポリスチレン)を得た。ジメチルホルムアミドを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、ブロック共重合体BP−5の分子量を測定したところMn=68,520であった。   Next, 2.0 g of methyl methacrylate, 1.0 g of polymer c, 4 ml of anisole, 19.5 μl of 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine and 14.3 mg of CuBr catalyst are added to a 20 ml Schlenk tube. Polymerization was carried out at 80 ° C. for 10 hours to obtain a block copolymer BP-5 (polymethyl methacrylate-b-polystyrene). When the molecular weight of the block copolymer BP-5 was measured by gel permeation chromatography (GPC) measurement using dimethylformamide as a solvent, Mn was 68,520.

さらに、反応容器にジオキサン5gを入れ、これに無水硫酸0.5gを内温を25℃に保ちながら添加し、2時間攪拌して無水硫酸−ジオキサン錯体を得た。また、別の反応容器に、ブロック共重合体BP−5 1.3gを1−テトラヒドロフラン4.0gに溶解させた。この中に、内温を25℃に保ちながら無水硫酸−ジオキサン錯体を添加し、2時間攪拌することで、ポリスチレンのみをスルホン化し、BP−6(ポリスチレンスルホン酸−b−ポリメタクリル酸メチル)を得た。BP−6におけるポリスチレンスルホン酸の体積分率は29%であった。このブロック共重合体BP−6の構造式を以下に示す。   Furthermore, 5 g of dioxane was added to the reaction vessel, and 0.5 g of anhydrous sulfuric acid was added thereto while keeping the internal temperature at 25 ° C., and the mixture was stirred for 2 hours to obtain an anhydrous sulfuric acid-dioxane complex. In another reaction vessel, 1.3 g of block copolymer BP-5 was dissolved in 4.0 g of 1-tetrahydrofuran. In this, an anhydrous sulfuric acid-dioxane complex was added keeping the internal temperature at 25 ° C., and the mixture was stirred for 2 hours to sulfonate only polystyrene, and BP-6 (polystyrene sulfonic acid-b-polymethyl methacrylate) was obtained. Obtained. The volume fraction of polystyrene sulfonic acid in BP-6 was 29%. The structural formula of this block copolymer BP-6 is shown below.

合成例4
ポリスチレンスルホン酸−r−ポリスチレンの合成(RP−2)[rはランダム共重合体を示す。]
20mlシュレンク管に、スチレンスルホン酸エチルエステル2.5g、スチレンモノマー4.5g、ジメチルホルムアミド2.5g、アゾイソブチロニトリル60mgを加え、100℃で2時間重合を行った。これをトルエンに再沈殿することによりランダム共重合体(RP−1)を得た。DMFを溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)測定により、RP−1の分子量を測定したところMn=100,000であった。
Synthesis example 4
Synthesis of polystyrene sulfonic acid-r-polystyrene (RP-2) [r represents a random copolymer. ]
To a 20 ml Schlenk tube, 2.5 g of styrenesulfonic acid ethyl ester, 4.5 g of styrene monomer, 2.5 g of dimethylformamide, and 60 mg of azoisobutyronitrile were added, and polymerization was carried out at 100 ° C. for 2 hours. This was reprecipitated in toluene to obtain a random copolymer (RP-1). When the molecular weight of RP-1 was measured by gel permeation chromatography (GPC) measurement using DMF as a solvent, Mn was 100,000.

さらに得られたランダム共重合体RP−1に1.5M炭酸アンモニウム水溶液、ジメチルホルムアミドを加え、加熱還流を行い、エチルエステルの脱保護を行い、目的のランダム共重合体ポリスチレンスルホン酸−r−ポリスチレン(RP−2)を得た。RP−2におけるポリスチレンスルホン酸の体積分率は28%であった。   Furthermore, 1.5 M ammonium carbonate aqueous solution and dimethylformamide were added to the obtained random copolymer RP-1, heated to reflux, ethyl ester was deprotected, and the desired random copolymer polystyrene sulfonic acid-r-polystyrene. (RP-2) was obtained. The volume fraction of polystyrene sulfonic acid in RP-2 was 28%.

実施例1
合成例1で得たスルホン酸基をイオン交換基としたブロック共重合体BP−2を固形分濃度20wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を成膜した。さらにこの基板上にPt基板でPt/BP−2/Ptとなるように挟み込み、40V/μmとなるように電界をかけ、160℃で10時間加熱することにより、電解質膜を作製した。電解質膜表面のAFM観察結果を図3に示す。
Example 1
The block copolymer BP-2 having a sulfonic acid group as an ion exchange group obtained in Synthesis Example 1 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid concentration of 20 wt%, and a film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Was deposited. Further, the Pt substrate was sandwiched on this substrate so as to be Pt / BP-2 / Pt, an electric field was applied so as to be 40 V / μm, and heating was performed at 160 ° C. for 10 hours to produce an electrolyte membrane. The AFM observation result on the electrolyte membrane surface is shown in FIG.

図3から明らかなように、フィルム表面においてドット状のパターンが観察された。BP−2のポリスチレンスルホン酸部位の体積分率は27%であり、本体積分率においては、イオン伝導部であるポリスチレンスルホン酸がシリンダー状のミクロドメイン構造を形成することが知られている。つまり、フィルム表面で観察されたドット状のパターンはシリンダー構造の断面を意味しており、イオン伝導部が形成するシリンダー構造が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向していることが認められた。   As apparent from FIG. 3, a dot-like pattern was observed on the film surface. The volume fraction of polystyrene sulfonic acid sites in BP-2 is 27%, and it is known that polystyrene sulfonic acid, which is an ion conducting part, forms a cylindrical microdomain structure in the body volume fraction. In other words, the dot-like pattern observed on the film surface means a cross section of the cylinder structure, and the cylinder structure formed by the ion conducting portion is uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane. Admitted.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.02S・cm-1であった。 The obtained electrolyte membrane was pressed against the platinum plate from both sides, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 0.02 S · cm −. It was 1 .

実施例2
合成例2で得たBP−4を固形分濃度20wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を成膜した。さらにこの基板上にPt基板でPt/BP−4/Ptとなるように挟み込み、40V/μmとなるように電界をかけ、160℃で10時間加熱することにより、電解質膜を作製した。電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。
Example 2
BP-4 obtained in Synthesis Example 2 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid content concentration of 20 wt%, and a film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Further, the Pt substrate was sandwiched on this substrate so as to be Pt / BP-4 / Pt, an electric field was applied so as to be 40 V / μm, and heating was performed at 160 ° C. for 10 hours to produce an electrolyte membrane. As a result of performing AFM observation on the surface of the electrolyte membrane, a microphase-separated structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.02S・cm-1であった。 The obtained electrolyte membrane was pressed against the platinum plate from both sides, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 0.02 S · cm −. It was 1 .

実施例3
合成例3で得たBP−6を固形分濃度20wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を成膜した。さらにこの基板上にPt基板でPt/BP−6/Ptとなるように挟み込み、40V/μmとなるように電界をかけ、160℃で10時間加熱することにより、電解質膜を作製した。電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。
Example 3
BP-6 obtained in Synthesis Example 3 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid content concentration of 20 wt%, and a film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Further, the Pt substrate was sandwiched on this substrate so as to be Pt / BP-6 / Pt, an electric field was applied so as to be 40 V / μm, and heating was performed at 160 ° C. for 10 hours to produce an electrolyte membrane. As a result of performing AFM observation on the surface of the electrolyte membrane, a microphase-separated structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.03S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an AC two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.03 S · cm −. It was 1 .

比較例1
合成例1で得たBP−2を固形分濃度20wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を成膜し、ホットプレート上、70℃で5分乾燥した。この膜は、長時間の熱処理および外場による配向処理を行っていない膜である。得られた電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部とマトリックス部位が海島構造で無秩序に相分離していることが認められた。
Comparative Example 1
BP-2 obtained in Synthesis Example 1 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid content concentration of 20 wt%, and a film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating, and 5 ° C. on a hot plate at 70 ° C. Dried for minutes. This film is a film that has not been subjected to long-time heat treatment and alignment treatment by an external field. As a result of performing AFM observation on the surface of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed that the ion conducting portion and the matrix portion were randomly separated in a sea-island structure.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.005S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.005 S · cm −. It was 1 .

比較例2
合成例1で得たBP−2を固形分濃度20wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を成膜した。さらにこの基板を160℃で10時間加熱することにより、電解質膜を作製した。この膜は、外場を印加せずに熱処理だけを行った膜である。得られた電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部とマトリックス部位が海島構造で無秩序に相分離していることが認められた。
Comparative Example 2
BP-2 obtained in Synthesis Example 1 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid content concentration of 20 wt%, and a film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Further, this substrate was heated at 160 ° C. for 10 hours to produce an electrolyte membrane. This film is a film that is only heat-treated without applying an external field. As a result of performing AFM observation on the surface of the obtained electrolyte membrane, it was confirmed that the ion conducting portion and the matrix portion were randomly separated in a sea-island structure.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.007S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.007 S · cm −. It was 1 .

比較例3
合成例4で得たRP−2を固形分濃度20wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を作製し、電解質膜を得た。この膜は、ブロック共重合体ではなくランダム共重合体からなる膜である。得られた電解質膜表面をAFMにより観察したが、相分離構造は確認されなかった。
Comparative Example 3
RP-2 obtained in Synthesis Example 4 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid content concentration of 20 wt%, and a 30 μm-thick film was produced on a Pt substrate by dip coating to obtain an electrolyte film. This film is not a block copolymer but a film made of a random copolymer. The surface of the obtained electrolyte membrane was observed by AFM, but no phase separation structure was confirmed.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.001S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.001 S · cm −. It was 1 .

合成例5
式(1)で表される構造を繰り返し単位として含むスルホン酸含有ブロックとポリスチレンブロックからなるブロック共重合体(BP−8)の合成
窒素雰囲気下で、臭化銅0.3ミリモル、ペンタメチルジエチレントリアミン0.3ミリモル、メチル2−ブロモプロピオネート0.3ミリモル、tert−ブチルアクリレート(tBA)45ミリモルを混合し、窒素で溶存酸素を置換した後、70℃で反応を行った。ガスクロマトグラフィーにより重合率を確認しながら反応を行い、液体窒素で急冷して反応を停止した。得られたポリtBAの分子量をGPCにより確認した結果、Mn=13,600、Mw/Mn=1.07であった。
Synthesis example 5
Synthesis of a block copolymer (BP-8) comprising a sulfonic acid-containing block containing a structure represented by the formula (1) as a repeating unit and a polystyrene block, 0.3 mmol of copper bromide, pentamethyldiethylenetriamine under a nitrogen atmosphere 0.3 mmol, methyl 2-bromopropionate 0.3 mmol, and tert-butyl acrylate (tBA) 45 mmol were mixed, and after replacing the dissolved oxygen with nitrogen, the reaction was performed at 70 ° C. The reaction was carried out while confirming the polymerization rate by gas chromatography, and the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. As a result of confirming the molecular weight of the obtained poly tBA by GPC, it was Mn = 13,600 and Mw / Mn = 1.07.

次いで、得られた臭素を末端に有するポリtBA0.4ミリモル、臭化銅(I)0.4ミリモル、ヘキサメチルトリエチレンテトラアミン0.4ミリモル、スチレン800ミリモルを混合、窒素置換した。100℃で反応を行った後、液体窒素で急冷し、反応を停止した。メタノールへの再沈澱による精製の後、得られたPtBA−b−PSt(BP−7)の分子量をGPCで確認した結果、Mn=75,700、Mw/Mn=1.18であった。この結果より、各ブロックの分子量は、PtBAブロックが13,600、PStブロックが62,100と計算され、1H−NMRのピーク積分値比より求められる両ブロックの組成比と良く一致した。   Subsequently, 0.4 mmol of poly tBA having bromine at the end, 0.4 mmol of copper (I) bromide, 0.4 mmol of hexamethyltriethylenetetraamine, and 800 mmol of styrene were mixed and purged with nitrogen. After the reaction at 100 ° C., the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. After purification by reprecipitation into methanol, the molecular weight of the obtained PtBA-b-PSt (BP-7) was confirmed by GPC. As a result, Mn = 75,700 and Mw / Mn = 1.18. From these results, the molecular weight of each block was calculated to be 13,600 for the PtBA block and 62,100 for the PSt block, and agreed well with the composition ratio of both blocks determined from the peak integrated value ratio of 1H-NMR.

次いで、得られたブロック共重合体BP−7をテトラヒドロフラン(THF)中、室温でトリフルオロ酢酸(tert−ブチル基に対して5当量)と混合することによりPtBAセグメントのtert−ブチル基の脱保護反応を行いカルボン酸へと変換し、ポリアクリル酸−b−ポリスチレン(PAA−b−PSt)を得た。さらに、PAA−b−PStをTHFに溶解し、水素化ナトリウム(カルボン酸に対して10当量)および1,3−プロパンスルトン(カルボン酸に対して20当量)を加え、加熱還流を行い、PAAセグメントのスルホン化を行うことで、スルホン酸基をイオン交換基とした目的の構造式(1)を一成分とするブロック共重合体(BP−8)を得た。BP−8におけるスルホン酸含有ブロックの体積分率は23%であった。このブロック共重合体BP−8の構造式を以下に示す。   Then, the resulting block copolymer BP-7 was mixed with trifluoroacetic acid (5 equivalents relative to the tert-butyl group) in tetrahydrofuran (THF) at room temperature to deprotect the tert-butyl group of the PtBA segment. Reaction was carried out to convert to carboxylic acid to obtain polyacrylic acid-b-polystyrene (PAA-b-PSt). Further, PAA-b-PSt is dissolved in THF, sodium hydride (10 equivalents relative to the carboxylic acid) and 1,3-propane sultone (20 equivalents relative to the carboxylic acid) are added, heated to reflux, and PAA By performing sulfonation of the segment, a block copolymer (BP-8) having the target structural formula (1) having a sulfonic acid group as an ion exchange group as one component was obtained. The volume fraction of the sulfonic acid-containing block in BP-8 was 23%. The structural formula of this block copolymer BP-8 is shown below.

合成例6
式(2)で表される構造を繰り返し単位として含むスルホン酸含有ブロックとポリヘキサフルオロイソプロピルアクリレートからなるブロック共重合体(BP−10)の合成
窒素雰囲気下で、臭化銅0.6ミリモル、ヘキサメチルトリエチレンテトラアミン0.6ミリモル、1−ブロモエチルベンゼン0.3ミリモル、tert−ブトキシスチレン(tBOS)30ミリモルを混合し、窒素で溶存酸素を置換した後、110℃で反応を行った。ガスクロマトグラフィーにより重合率を確認しながら反応を行い、液体窒素で急冷して反応を停止した。得られたポリtBOSの分子量をGPCにより確認した結果、Mn=10,300、Mw/Mn=1.12であった。
Synthesis Example 6
Synthesis of a block copolymer (BP-10) comprising a sulfonic acid-containing block containing a structure represented by the formula (2) as a repeating unit and polyhexafluoroisopropyl acrylate, under a nitrogen atmosphere, 0.6 mmol of copper bromide, Hexamethyltriethylenetetraamine (0.6 mmol), 1-bromoethylbenzene (0.3 mmol), and tert-butoxystyrene (tBOS) (30 mmol) were mixed. After replacing the dissolved oxygen with nitrogen, the reaction was carried out at 110 ° C. The reaction was carried out while confirming the polymerization rate by gas chromatography, and the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. As a result of confirming the molecular weight of the obtained poly tBOS by GPC, it was Mn = 10,300 and Mw / Mn = 1.12.

次いで、得られた臭素を末端に有するポリtBOS0.4ミリモル、臭化銅(I)0.4ミリモル、ペンタメチルジエチレントリアミン0.4ミリモル、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロイソプロピルアクリレート(HFIPA)100ミリモルを溶媒であるトリフルオロトルエン/アニソール(2/1、v/v)に溶解・混合し、窒素置換した。90℃で反応を行った後、液体窒素で急冷し、反応を停止した。メタノールへの再沈澱による精製の後、得られたPtBOS−b−PHFIPA(BP−9)の分子量をGPCで確認した結果、Mn=48,100、Mw/Mn=1.22であった。この結果より、各ブロックの分子量は、PtBOSブロックが10,300、PHFIPAブロックが37,800と計算され、1H−NMRのピーク積分値比より求められる両ブロックの組成比と良く一致した。   Then, bromine-terminated poly tBOS 0.4 mmol, copper (I) bromide 0.4 mmol, pentamethyldiethylenetriamine 0.4 mmol, 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl 100 mmol of acrylate (HFIPA) was dissolved and mixed in trifluorotoluene / anisole (2/1, v / v) as a solvent and purged with nitrogen. After the reaction at 90 ° C., the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. After purification by reprecipitation into methanol, the molecular weight of the obtained PtBOS-b-PHFIPA (BP-9) was confirmed by GPC. As a result, Mn = 48,100 and Mw / Mn = 1.22. From these results, the molecular weight of each block was calculated to be 10,300 for the PtBOS block and 37,800 for the PHFIPA block, and was in good agreement with the composition ratio of both blocks determined from the peak integrated value ratio of 1H-NMR.

次いで、得られたブロック共重合体BP−9をトリフルオロトルエン/1,4−ジオキサン(1/1、v/v)を溶媒として、8.6N臭化水素酸(tert−ブトキシ基に対して3当量)と60℃で反応させることによりPtBOSセグメントのtert−ブトキシ基の脱保護反応を行ってフェノールへと変換し、ポリビニルフェノール−b−ポリヘキサフルオロイソプロピルアクリレート(PVPh−b−PHFIPA)を得た。さらに、PVPh−b−PHFIPAをTHFに溶解し、水素化ナトリウム(水酸基に対して10当量)および1,4−ブタンスルトン(フェノールに対して20当量)を加え、加熱還流を行い、PVPhセグメントのスルホン化を行うことで、スルホン酸基をイオン交換基とした目的の構造式(2)を一成分とするブロック共重合体(BP−10)を得た。BP−10におけるスルホン酸含有ブロックの体積分率は26%であった。このブロック共重合体BP−10の構造式を以下に示す。   Next, the obtained block copolymer BP-9 was added to 8.6N hydrobromic acid (tert-butoxy group) using trifluorotoluene / 1,4-dioxane (1/1, v / v) as a solvent. 3 equivalents) at 60 ° C. to carry out deprotection reaction of the tert-butoxy group of the PtBOS segment to convert it into phenol to obtain polyvinylphenol-b-polyhexafluoroisopropyl acrylate (PVPh-b-PHFIPA). It was. Further, PVPh-b-PHFIPA is dissolved in THF, sodium hydride (10 equivalents with respect to the hydroxyl group) and 1,4-butane sultone (20 equivalents with respect to phenol) are added, heated to reflux, and the sulfone of the PVPh segment is added. As a result, a block copolymer (BP-10) having a target structural formula (2) having a sulfonic acid group as an ion exchange group as one component was obtained. The volume fraction of the sulfonic acid-containing block in BP-10 was 26%. The structural formula of this block copolymer BP-10 is shown below.

合成例7
式(3)で表される構造を繰り返し単位として含むスルホン酸含有ブロックとポリメタクリル酸トリフルオロエチルからなるブロックポリマー(BP−12)の合成
窒素雰囲気下で、塩化銅0.2ミリモル、ヘキサメチルトリエチレンテトラアミン0.4ミリモル、2−エチルブロモイソブチレート0.2ミリモル、ジメチルアミノエチルメタクリレート(DMAMA)30ミリモルを混合し、窒素で溶存酸素を置換した後、40℃で反応を行った。ガスクロマトグラフィーにより重合率を確認しながら反応を行い、液体窒素で急冷して反応を停止した。得られたポリDMAMAの分子量をGPCにより確認した結果、Mn=12,200、Mw/Mn=1.24であった。
Synthesis example 7
Synthesis of a block polymer (BP-12) comprising a sulfonic acid-containing block containing a structure represented by the formula (3) as a repeating unit and polytrifluoroethyl methacrylate, in a nitrogen atmosphere, 0.2 mmol of copper chloride, hexamethyl After mixing 0.4 mmol of triethylenetetraamine, 0.2 mmol of 2-ethylbromoisobutyrate, 30 mmol of dimethylaminoethyl methacrylate (DMAMA), and replacing the dissolved oxygen with nitrogen, the reaction was carried out at 40 ° C. . The reaction was carried out while confirming the polymerization rate by gas chromatography, and the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. As a result of confirming the molecular weight of the obtained polyDMAMA by GPC, it was Mn = 12,200 and Mw / Mn = 1.24.

次いで、得られたポリDMAMA0.3ミリモル、臭化銅(I)0.3ミリモル、4,4−ジノニル−2,2−ビピリジル0.6ミリモル、2,2,2−メタクリル酸トリフルオロエチル(TFEMA)200ミリモルを溶媒であるトリフルオロトルエン/ジメチルホルムアミド(1/1、v/v)に溶解・混合し、窒素置換した。80℃で反応を行った後、液体窒素で急冷し、反応を停止した。メタノールへの再沈澱による精製の後、得られたPDMAMA−b−PTFEMA(BP−11)の分子量をGPCで確認した結果、Mn=64,600、Mw/Mn=1.21であった。この結果より、各ブロックの分子量は、PDMAMAブロックが12,200、PTFEMAブロックが52,400と計算され、1H−NMRのピーク積分値比より求められる両ブロックの組成比と良く一致した。   Subsequently, the obtained polyDMAMA 0.3 mmol, copper (I) bromide 0.3 mmol, 4,4-dinonyl-2,2-bipyridyl 0.6 mmol, 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate ( 200 mmol of TFEMA) was dissolved and mixed in trifluorotoluene / dimethylformamide (1/1, v / v) as a solvent and purged with nitrogen. After the reaction at 80 ° C., the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. After purification by reprecipitation into methanol, the molecular weight of the obtained PDMAMA-b-PTFEMA (BP-11) was confirmed by GPC. As a result, Mn = 64,600 and Mw / Mn = 1.21. From these results, the molecular weight of each block was calculated to be 12,200 for the PDMAMA block and 52,400 for the PTFEMA block, and was in good agreement with the composition ratio of both blocks obtained from the peak integration value ratio of 1H-NMR.

次いで、得られたブロック共重合体BP−11をトリフルオロトルエン/THF(1/1、v/v)を溶媒として、1,3−プロパンスルトン(DMAMAユニットに対して2当量)を加え、40℃で反応を行い、PDMAMAセグメントのスルホン化を行うことで、スルホン酸をイオン交換基とした目的の構造式(3)を一成分とするブロック共重合体(BP−12)を得た。BP−12におけるスルホン酸含有ブロックの体積分率は28%であった。このブロック共重合体BP−12の構造式を以下に示す。   Next, 1,3-propane sultone (2 equivalents to the DMAMA unit) was added to the obtained block copolymer BP-11 using trifluorotoluene / THF (1/1, v / v) as a solvent, and 40 A block copolymer (BP-12) having the target structural formula (3) having sulfonic acid as an ion exchange group as one component was obtained by reacting at 0 ° C. and sulfonating the PDMAMA segment. The volume fraction of the sulfonic acid-containing block in BP-12 was 28%. The structural formula of this block copolymer BP-12 is shown below.

実施例4
本実施例は、式(1)をイオン伝導部の繰り返し単位として有するブロック共重合体から電解質膜を作製した例である。合成例5で得たBP−8を固形分濃度15wt%となるようにプロピレングリコールメチルエーテルアセテートに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚25μmの膜を成膜した。次にこの基板上にPt基板でPt/BP−8/Ptとなるようにサンドイッチ構造で挟み込み、100℃で30V/μmとなるように10時間、電界を印加した。電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。
Example 4
In this example, an electrolyte membrane was produced from a block copolymer having the formula (1) as a repeating unit of an ion conducting portion. BP-8 obtained in Synthesis Example 5 was dissolved in propylene glycol methyl ether acetate so as to have a solid concentration of 15 wt%, and a film having a thickness of 25 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Next, the substrate was sandwiched between Pt substrates in a sandwich structure so as to be Pt / BP-8 / Pt, and an electric field was applied at 100 ° C. for 30 hours at 30 V / μm. As a result of performing AFM observation on the surface of the electrolyte membrane, a microphase-separated structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は 0.04S・cm-1であった。 The obtained electrolyte membrane was pressed against the platinum plate from both sides, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 0.04 S · cm −. It was 1 .

実施例5
本実施例は、式(2)をイオン伝導部の繰り返し単位として有するブロック共重合体から電解質膜を作製した例である。合成例6で得たBP−10を固形分濃度17wt%となるようにジメチルホルムアミドに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚25μmの膜を成膜した。さらにこの基板上にPt基板でPt/BP−10/Ptとなるようにサンドイッチ構造で挟み込み、140℃で40V/μmとなるように10時間、電界を印加した。電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。
Example 5
In this example, an electrolyte membrane was prepared from a block copolymer having the formula (2) as a repeating unit of an ion conducting portion. BP-10 obtained in Synthesis Example 6 was dissolved in dimethylformamide so as to have a solid content concentration of 17 wt%, and a film having a thickness of 25 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Further, sandwiched between Pt substrate and Pt / BP-10 / Pt by a sandwich structure on this substrate, and an electric field was applied for 10 hours at 140 ° C. to 40 V / μm. As a result of performing AFM observation on the surface of the electrolyte membrane, a microphase-separated structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.05S・cm-1であった。 The obtained electrolyte membrane was pressed against the platinum plate from both sides, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 0.05 S · cm −. It was 1 .

実施例6
本実施例は、式(3)をイオン伝導部の繰り返し単位として有するブロック共重合体から電解質膜を作製した例である。合成例7で得たBP−12を固形分濃度22wt%となるようにプロピレングリコールメチルエーテルアセテートに溶解し、ディップコートによりPt基板上に膜厚30μmの膜を成膜した。さらにこの基板上にPt基板でPt/BP−12/Ptとなるように挟み込み、140℃で40V/μmとなるように10時間、電界を印加した。電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。
Example 6
In this example, an electrolyte membrane was prepared from a block copolymer having the formula (3) as a repeating unit of an ion conducting portion. BP-12 obtained in Synthesis Example 7 was dissolved in propylene glycol methyl ether acetate so as to have a solid content concentration of 22 wt%, and a film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating. Further, this substrate was sandwiched between Pt substrates so as to be Pt / BP-12 / Pt, and an electric field was applied for 10 hours at 140 ° C. so as to be 40 V / μm. As a result of performing AFM observation on the surface of the electrolyte membrane, a microphase-separated structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.04S・cm-1であった。 The obtained electrolyte membrane was pressed against the platinum plate from both sides, and the resistance of the electrolyte membrane was measured by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz. As a result, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% was 0.04 S · cm −. It was 1 .

合成例8
イオン伝導性ブロックとして、式(3)で表される構造を有するポリマー、イオン伝導性を示さないブロックとして、マトリックスポリマーの側鎖に重合性官能基を導入したブロックポリマー(BP−14)の合成
窒素雰囲気下で、塩化銅0.35ミリモル、ヘキサメチルトリエチレンテトラアミン0.7ミリモル、2−エチルブロモイソブチレート0.35ミリモル、ジメチルアミノエチルメタクリレート(DMAMA)40ミリモルを混合し、窒素で溶存酸素を置換した後、40℃で反応を行った。ガスクロマトグラフィーにより重合率を確認しながら反応を行い、液体窒素で急冷して反応を停止した。得られたポリDMAMAの分子量をGPCにより確認した結果、Mn=9,400、Mw/Mn=1.29であった。
Synthesis example 8
Synthesis of a polymer having a structure represented by the formula (3) as an ion conductive block, and a block polymer (BP-14) in which a polymerizable functional group is introduced into a side chain of a matrix polymer as a block that does not exhibit ion conductivity Under a nitrogen atmosphere, 0.35 mmol of copper chloride, 0.7 mmol of hexamethyltriethylenetetraamine, 0.35 mmol of 2-ethylbromoisobutyrate, and 40 mmol of dimethylaminoethyl methacrylate (DMAMA) were mixed. After replacing the dissolved oxygen, the reaction was carried out at 40 ° C. The reaction was carried out while confirming the polymerization rate by gas chromatography, and the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. As a result of confirming the molecular weight of the obtained polyDMAMA by GPC, it was Mn = 9,400 and Mw / Mn = 1.29.

次いで、得られたポリDMAMA0.3ミリモル、臭化銅(I)0.25ミリモル、4,4−ジノニル−2,2−ビピリジル0.5ミリモル、2−(トリメチルシリロキシ)エチルメタクリレート(TMSOMA)200ミリモルを溶媒であるジメチルホルムアミドに溶解・混合し、窒素置換した。70℃で反応を行った後、液体窒素で急冷し、反応を停止した。メタノールへの再沈澱による精製の後、得られたPDMAMA−b−PTMSOMA(BP−13)の分子量をGPCで確認した結果、Mn=58,300、Mw/Mn=1.27であった。この結果より、各ブロックの分子量は、PDMAMAブロックが9,400、PTMSOMAブロックが48,900と計算され、1H−NMRのピーク積分値比より求められる両ブロックの組成比と良く一致した。   Subsequently, the obtained polyDMAMA 0.3 mmol, copper (I) bromide 0.25 mmol, 4,4-dinonyl-2,2-bipyridyl 0.5 mmol, 2- (trimethylsilyloxy) ethyl methacrylate (TMSOMA) 200 mmol was dissolved and mixed in dimethylformamide as a solvent and purged with nitrogen. After the reaction at 70 ° C., the reaction was stopped by quenching with liquid nitrogen. After purification by reprecipitation in methanol, the molecular weight of the obtained PDMAMA-b-PTMSOMA (BP-13) was confirmed by GPC. As a result, Mn = 58,300 and Mw / Mn = 1.27. From these results, the molecular weight of each block was calculated to be 9,400 for the PDMAMA block and 48,900 for the PTMOMA block, and was in good agreement with the composition ratio of both blocks determined from the peak integrated value ratio of 1H-NMR.

次いで、得られたBP−13をTHFに溶解し、6N塩酸水溶液と室温で混合することによりトリメチルシリル基の脱保護反応を行い、PTMSOMAブロックの側鎖を水酸基へと変換した。得られた生成物をTHFに溶解し、トリエチルアミン存在下、アクリル酸クロリドと反応させることにより、イオン伝導性を示さないブロック側鎖に重合性官能基であるアクリル基を導入した。   Next, the obtained BP-13 was dissolved in THF and mixed with a 6N aqueous hydrochloric acid solution at room temperature to deprotect the trimethylsilyl group, thereby converting the side chain of the PTMSOMA block into a hydroxyl group. The obtained product was dissolved in THF and reacted with acrylic acid chloride in the presence of triethylamine to introduce an acrylic group that is a polymerizable functional group into a block side chain that does not exhibit ionic conductivity.

さらに、アクリル基を側鎖に導入したブロック共重合体をTHFを溶媒として、1,3−プロパンスルトン(DMAMAユニットに対して2当量)を加え、40℃で反応を行い、PDMAMAセグメントのスルホン化を行うことで、イオン伝導性成分として構造式(3)を含み、かつイオン伝導性を示さないマトリックスポリマーの側鎖にアクリル基を導入したブロックを含むブロック共重合体(BP−14)を得た。BP−14におけるスルホン酸含有ブロックの体積分率は25%であった。このブロック共重合体BP−14の構造式を以下に示す。   Furthermore, the block copolymer with an acrylic group introduced in the side chain was added 1,3-propane sultone (2 equivalents to the DMAMA unit) using THF as a solvent and reacted at 40 ° C. to sulfonate the PDMAMA segment. To obtain a block copolymer (BP-14) containing a block in which an acrylic group is introduced into the side chain of the matrix polymer that contains the structural formula (3) as an ion conductive component and does not exhibit ion conductivity. It was. The volume fraction of the sulfonic acid-containing block in BP-14 was 25%. The structural formula of this block copolymer BP-14 is shown below.

実施例7
本実施例は、式(3)をイオン伝導部の繰り返し単位として有し、かつイオン伝導性を示さないブロックに重合性官能基を有するブロック共重合体、および熱ラジカル発生剤からなる電解質組成物を調製し、成膜した後にマトリックス部を架橋した電解質膜を作製した例である。
Example 7
In this example, an electrolyte composition comprising a block copolymer having the formula (3) as a repeating unit of an ionic conduction part and having a polymerizable functional group in a block that does not exhibit ionic conductivity, and a thermal radical generator. This is an example in which an electrolyte membrane in which the matrix portion was cross-linked after being prepared and formed was formed.

合成例8で得たBP−14を25重量部、および熱ラジカル発生剤としてジクミルペルオキシドを8重量部となるようにジメチルホルムアミド100重量部に溶解し、電解質組成物を調製した。   An electrolyte composition was prepared by dissolving 25 parts by weight of BP-14 obtained in Synthesis Example 8 and 100 parts by weight of dimethylformamide so that dicumyl peroxide was 8 parts by weight as a thermal radical generator.

この組成物溶液からディップコートにより、Pt基板上に膜厚25μmの膜を成膜した。さらにこの基板を110℃で10時間加熱することにより、電解質膜を作製した。この膜は、外場を印加せずに熱処理を行うことにより、イオン伝導性を示さないマトリックス部位を架橋した膜である。加熱処理後の膜の赤外分光(IR)測定を行ったところ、成膜後に存在したポリマー側鎖のアクリル基由来のピーク(1615cm−1)が消失したことから、架橋反応が進行したことを確認した。また、得られた電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部とマトリックス部位が海島構造で無秩序に相分離していることが認められた。   A film having a film thickness of 25 μm was formed on the Pt substrate by dip coating from this composition solution. Further, the substrate was heated at 110 ° C. for 10 hours to produce an electrolyte membrane. This film is a film in which a matrix portion not showing ion conductivity is cross-linked by performing a heat treatment without applying an external field. When infrared spectroscopic (IR) measurement of the film after heat treatment was performed, the peak (1615 cm-1) derived from the acrylic group of the polymer side chain that existed after film formation disappeared, indicating that the crosslinking reaction had progressed. confirmed. Moreover, as a result of performing AFM observation of the obtained electrolyte membrane surface, it was recognized that the ion conduction part and the matrix site | part were phase-separated disorderly by the sea island structure.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.008S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an alternating current two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.008 S · cm −. It was 1 .

また、ナノインデンテーション法(エリオニクス社製、ENT−1100)により膜硬度を測定したところ、実施例4の架橋していない膜が0.2GPaであったのに対して、本実施例の架橋膜では0.7GPaであり、機械強度が向上していることが確認された。   Further, when the film hardness was measured by a nanoindentation method (manufactured by Elionix, ENT-1100), the uncrosslinked film of Example 4 was 0.2 GPa, whereas the crosslinked film of this example was Was 0.7 GPa, and it was confirmed that the mechanical strength was improved.

実施例8
本実施例は、式(3)をイオン伝導部の繰り返し単位として有し、かつイオン伝導性を示さないブロックに重合性官能基を有するブロック共重合体、および光ラジカル発生剤からなる電解質組成物を調製し、成膜した後に電場を印加することで、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造を形成するとともに、マトリックス部を架橋した電解質膜を作製した例である。
Example 8
In this example, an electrolyte composition comprising a block copolymer having a polymerizable functional group in a block having formula (3) as a repeating unit of an ionic conduction part and not exhibiting ionic conductivity, and a photoradical generator. By applying an electric field after forming the film, an ion conductive part forms a microphase-separated structure uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte film, and an electrolyte film in which the matrix part is cross-linked is formed. This is a manufactured example.

合成例8で得たBP−14を22重量部、および光ラジカル発生剤として2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタン−1−オン(イルガキュア369;チバ・スペシャルティー・ケミカルズ社製)を5重量部となるようにプロピレングリコールメチルエーテルアセテート100重量部に溶解し、電解質組成物を調製した。   22 parts by weight of BP-14 obtained in Synthesis Example 8 and 2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) -butan-1-one (Irgacure 369; (Specialty Chemicals) was dissolved in 100 parts by weight of propylene glycol methyl ether acetate so as to be 5 parts by weight to prepare an electrolyte composition.

この組成物溶液からディップコートにより、Pt基板上に膜厚20μmの膜を成膜した。この基板上にPt基板でPt/BP−14/Ptとなるように挟み込み、70℃で40V/μmとなるように6時間、電界を印加した。次いで、i線を照射光として露光しマトリックスポリマー側鎖の架橋反応を行った。光照射後の膜の赤外分光(IR)測定を行ったところ、成膜後に存在したポリマー側鎖のアクリル基由来のピーク(1615cm-1)が消失したことから、架橋反応が進行したことを確認した。また、電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。 A film having a thickness of 20 μm was formed on the Pt substrate by dip coating from this composition solution. The substrate was sandwiched between Pt substrates so as to be Pt / BP-14 / Pt, and an electric field was applied at 70 ° C. for 6 hours so as to be 40 V / μm. Subsequently, the i-line was exposed to irradiation light to perform a crosslinking reaction of the matrix polymer side chain. When infrared spectroscopy (IR) measurement of the film after light irradiation was performed, the peak (1615 cm −1 ) derived from the acrylic group of the polymer side chain that existed after the film formation disappeared, indicating that the crosslinking reaction had progressed. confirmed. Further, as a result of AFM observation of the electrolyte membrane surface, a microphase separation structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.03S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an AC two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.03 S · cm −. It was 1 .

また、ナノインデンテーション法(エリオニクス社製、ENT−1100)により膜硬度を測定したところ、実施例4の架橋していない膜が0.2GPaであったのに対して、本実施例の架橋膜では0.6GPaであり、機械強度が向上していることが確認された。   Further, when the film hardness was measured by a nanoindentation method (manufactured by Elionix, ENT-1100), the uncrosslinked film of Example 4 was 0.2 GPa, whereas the crosslinked film of this example was Was 0.6 GPa, and it was confirmed that the mechanical strength was improved.

実施例9
膜電極接合体、および燃料電池セルの作製方法の一例を以下に示す。
触媒粉末として、HiSPEC1000(登録商標、ジョンソン&マッセイ社製)を使用し、電解質溶液としてはNafion溶液(登録商標、デュポン社製)を使用した。まず、触媒粉末と電解質溶液の混合分散液を作製し、ドクターブレード法を用いてPTFEシート上に成膜し、触媒シートを作製した。次に、作製した触媒シートをデカール法によって、150℃、9.8MPa(100kgf/cm2)で、実施例8で得たBP−14の一軸配向処理を行った電解質膜上にホットプレス転写し、膜電極接合体を作製した。さらに、その膜電極接合体をカーボンクロス電極(E−TEK社製)で挟持した後、集電体で挟んで締結し、図4に示すような燃料電池を作製した。
Example 9
An example of a method for producing a membrane electrode assembly and a fuel cell is shown below.
HiSPEC1000 (registered trademark, manufactured by Johnson & Massey) was used as the catalyst powder, and Nafion solution (registered trademark, manufactured by DuPont) was used as the electrolyte solution. First, a mixed dispersion of catalyst powder and electrolyte solution was prepared, and a film was formed on a PTFE sheet using a doctor blade method to prepare a catalyst sheet. Next, the produced catalyst sheet was hot-press-transferred on the electrolyte membrane subjected to the uniaxial orientation treatment of BP-14 obtained in Example 8 at 150 ° C. and 9.8 MPa (100 kgf / cm 2 ) by a decal method. A membrane electrode assembly was produced. Further, the membrane electrode assembly was sandwiched between carbon cross electrodes (manufactured by E-TEK), and then clamped by sandwiching with a current collector to produce a fuel cell as shown in FIG.

作製した燃料電池を用いて、アノード側に水素ガスを注入速度300ml/minで、カソード側には空気を供給し、セル出口圧力を大気圧、相対湿度をアノード、カソードともに50%、セル温度を50℃とした。電流密度400mA/cm2で放電試験を行ったところ、初期のセル電位は540mVであった。この電池出力性能の安定性を確認したところ、1週間以上運転を継続した後のセル電位は、初期値の99%とほとんど変わらず、出力は安定していた。 Using the prepared fuel cell, hydrogen gas was injected into the anode side at an injection rate of 300 ml / min, air was supplied to the cathode side, the cell outlet pressure was atmospheric pressure, the relative humidity was 50% for both the anode and cathode, and the cell temperature was The temperature was 50 ° C. When a discharge test was performed at a current density of 400 mA / cm 2 , the initial cell potential was 540 mV. As a result of confirming the stability of the battery output performance, the cell potential after the operation for one week or more was hardly changed from 99% of the initial value, and the output was stable.

比較例4
合成例4で得られたランダム共重合体RP−2からなる電解質膜を用いた以外は実施例9と同様の条件で燃料電池を作製、運転を行い、電池出力性能の安定性を確認したところ、1週間後には初期セル電位の50%の電位を示し、出力の大幅な低下が見られた。
Comparative Example 4
A fuel cell was produced and operated under the same conditions as in Example 9 except that the electrolyte membrane made of the random copolymer RP-2 obtained in Synthesis Example 4 was used, and the stability of the battery output performance was confirmed. One week later, the cell potential was 50% of the initial cell potential, and the output was greatly reduced.

実施例10
本実施例は、式(1)をイオン伝導部の繰り返し単位として有するブロック共重合体、および光ラジカル発生剤と架橋剤からなる電解質組成物を調製し、成膜した後に電場を印加することで、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造を形成するとともに、マトリックス部を架橋した電解質膜を作製した例である。
Example 10
In this example, a block copolymer having the formula (1) as a repeating unit of an ionic conduction part and an electrolyte composition composed of a photo radical generator and a crosslinking agent were prepared, and an electric field was applied after film formation. This is an example in which an electrolyte membrane in which a microphase separation structure is formed in which the ion conducting portion is uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane and the matrix portion is crosslinked.

合成例5で得たBP−8を25重量部、架橋剤としてポリオキシプロピレン化ビスフェノールAジアクリレート7重量部、および光ラジカル発生剤として2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタン−1−オン(イルガキュア369;チバ・スペシャルティー・ケミカルズ社製)を5重量部となるようにプロピレングリコールメチルエーテルアセテート100重量部に溶解し、電解質組成物を調製した。   25 parts by weight of BP-8 obtained in Synthesis Example 5, 7 parts by weight of polyoxypropylenated bisphenol A diacrylate as a crosslinking agent, and 2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholine as a photo radical generator Rinophenyl) -butan-1-one (Irgacure 369; manufactured by Ciba Specialty Chemicals) was dissolved in 100 parts by weight of propylene glycol methyl ether acetate so as to be 5 parts by weight to prepare an electrolyte composition.

この組成物溶液からディップコートにより、Pt基板上に膜厚30μmの膜を成膜した。この基板上にPt基板でPt/BP−8+架橋剤/Ptとなるように挟み込み、70℃で40V/μmとなるように6時間、電界を印加した。次いで、i線を照射光として露光しマトリックスポリマー側鎖の架橋反応を行った。光照射後の膜の赤外分光(IR)測定を行ったところ、成膜後に存在した架橋剤に含まれるアクリル基由来のピーク(1613cm-1)が消失したことから、架橋反応が進行したことを確認した。また、電解質膜表面のAFM観察を行った結果、イオン伝導部が電解質膜の厚さ方向に対して平行に一軸配向したミクロ相分離構造が認められた。 A film having a thickness of 30 μm was formed on the Pt substrate by dip coating from this composition solution. A Pt substrate was sandwiched on this substrate so as to be Pt / BP-8 + crosslinking agent / Pt, and an electric field was applied at 70 ° C. for 6 hours so as to be 40 V / μm. Subsequently, the i-line was exposed to irradiation light to perform a crosslinking reaction of the matrix polymer side chain. Infrared spectroscopy (IR) measurement of the film after light irradiation revealed that the cross-linking reaction proceeded because the peak (1613 cm −1 ) derived from the acrylic group contained in the cross-linking agent present after film formation disappeared. It was confirmed. Further, as a result of AFM observation of the electrolyte membrane surface, a microphase separation structure in which the ion conducting portion was uniaxially oriented parallel to the thickness direction of the electrolyte membrane was recognized.

得られた電解質膜について両側から白金板を押し当て、周波数1kHzの交流2端子法により電解質膜の抵抗を測定した結果、温度50℃、相対湿度50%におけるイオン伝導度は0.03S・cm-1であった。 As a result of pressing the platinum plate from both sides of the obtained electrolyte membrane and measuring the resistance of the electrolyte membrane by an AC two-terminal method with a frequency of 1 kHz, the ionic conductivity at a temperature of 50 ° C. and a relative humidity of 50% is 0.03 S · cm −. It was 1 .

また、ナノインデンテーション法(エリオニクス社製、ENT−1100)により膜硬度を測定したところ、実施例4の架橋していない膜が0.2GPaであったのに対して、本実施例の架橋膜では1.0GPaであり、機械強度が向上していることが確認された。   Further, when the film hardness was measured by a nanoindentation method (manufactured by Elionix, ENT-1100), the uncrosslinked film of Example 4 was 0.2 GPa, whereas the crosslinked film of this example was Was 1.0 GPa, and it was confirmed that the mechanical strength was improved.

本発明の好適な態様に係る高分子電解質膜は、高いイオン伝導率が得られ、補機による電解質の加湿を行うことなく高い出力が安定して得られるので、低温作動型の携帯機器用小型燃料電池に利用することができる。   The polymer electrolyte membrane according to a preferred embodiment of the present invention has a high ion conductivity, and can stably obtain a high output without humidifying the electrolyte by an auxiliary device. It can be used for fuel cells.

本発明の高分子電解質膜の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明のブロック共重合体の一実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the block copolymer of this invention. 本発明のブロック共重合体が形成するミクロ相分離構造のAFM像である。It is an AFM image of the micro phase separation structure which the block copolymer of this invention forms. 本発明の燃料電池のユニットの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the unit of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 高分子電解質膜
11 マトリックス
12 イオン伝導部
14 シリンダー状ドメイン
13 ブロック共重合体
12a イオン伝導性ブロック(イオン伝導性高分子)
11a マトリックスブロック(マトリックスポリマー)
21 高分子電解質膜
22a,22b 触媒層
23a、23b ガス拡散層
24a,24b セパレータ
25a,25b 集電体
26 パッキン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polymer electrolyte membrane 11 Matrix 12 Ion conduction part 14 Cylindrical domain 13 Block copolymer 12a Ion conductive block (ion conductive polymer)
11a Matrix block (matrix polymer)
21 Polymer electrolyte membrane 22a, 22b Catalyst layer 23a, 23b Gas diffusion layer 24a, 24b Separator 25a, 25b Current collector 26 Packing

Claims (19)

イオン伝導性ブロックを有するブロック共重合体からなる電解質膜であって、前記イオン伝導性ブロックが形成するイオン伝導部のシリンダー状ドメインが、電解質膜の厚さ方向と平行に配列してなることを特徴とする高分子電解質膜。   An electrolyte membrane made of a block copolymer having an ion conductive block, wherein the cylindrical domain of the ion conductive portion formed by the ion conductive block is arranged in parallel with the thickness direction of the electrolyte membrane. A characteristic polymer electrolyte membrane. 前記イオン伝導性ブロックがイオン交換基を有するポリマーからなる請求項1に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the ion conductive block is made of a polymer having an ion exchange group. 前記ブロック共重合体中におけるイオン伝導性ブロックの体積分率が5%以上30%以下であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。   2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the volume fraction of the ion conductive block in the block copolymer is 5% or more and 30% or less. 前記ブロック共重合体の主鎖が芳香環を有さないことを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。   2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the main chain of the block copolymer does not have an aromatic ring. 前記ブロック共重合体からなる電解質のイオン伝導性ブロックの繰り返し単位として、下記化学式(1)乃至(3)で表される群から選択される少なくとも一つの構造が含まれることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。
(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はアルキレン基またはアリーレン基を表す。)
(式中、R3はアルキレン基またはアリーレン基を表す。)
(式中、R4は水素原子またはメチル基を表し、R5およびR8はアルキレン基またはアリーレン基を表し、R6およびR7は互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子または炭素数1から3の有機基を表す。)
The repeating unit of the ion conductive block of the electrolyte made of the block copolymer includes at least one structure selected from the group represented by the following chemical formulas (1) to (3). 1. The polymer electrolyte membrane according to 1.
(Wherein R 1 represents a hydrogen atom or a methyl group, and R 2 represents an alkylene group or an arylene group.)
(In the formula, R 3 represents an alkylene group or an arylene group.)
(Wherein R 4 represents a hydrogen atom or a methyl group, R 5 and R 8 represent an alkylene group or an arylene group, R 6 and R 7 may be the same as or different from each other, and each represents a hydrogen atom or a carbon number of 1 To 3 organic groups.)
イオン伝導性を示すブロックと、イオン伝導性を示さないブロックとを有するブロック共重合体からなる高分子電解質膜であって、該ブロック共重合体中の該イオン伝導性を示すブロックの体積分率が5%以上30%以下であり、該イオン伝導性を示さないブロックの分子鎖が架橋構造を有することを特徴とする高分子電解質膜。   A polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer having a block showing ionic conductivity and a block showing no ionic conductivity, wherein the volume fraction of the block showing the ionic conductivity in the block copolymer 5 to 30%, and a molecular chain of a block that does not exhibit ionic conductivity has a crosslinked structure. 前記イオン伝導性を示すブロックがイオン伝導部のシリンダー状ドメインを形成しており、該シリンダー状ドメインが電解質膜の厚さ方向と平行に配列してなることを特徴とする請求項6に記載の高分子電解質膜。   The block showing ion conductivity forms a cylindrical domain of an ion conductive part, and the cylindrical domain is arranged in parallel with the thickness direction of the electrolyte membrane. Polymer electrolyte membrane. 前記ブロック共重合体の主鎖が芳香環を有さないことを特徴とする請求項6に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to claim 6, wherein the main chain of the block copolymer does not have an aromatic ring. イオン伝導性を示すブロックと、イオン伝導性を示さないブロックとを有するブロック共重合体からなる高分子電解質膜であって、該ブロック共重合体中の該イオン伝導性を示すブロックの体積分率が5%以上30%以下であり、該イオン伝導性を示さないブロックの繰り返し単位に、架橋性基が少なくとも1つ含まれていることを特徴とする高分子電解質。   A polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer having a block showing ionic conductivity and a block showing no ionic conductivity, wherein the volume fraction of the block showing the ionic conductivity in the block copolymer 5 to 30%, and the polymer electrolyte is characterized in that at least one crosslinkable group is contained in the repeating unit of the block that does not exhibit ionic conductivity. 前記ブロック共重合体の主鎖が芳香環を有さないことを特徴とする請求項9に記載の高分子電解質。   The polymer electrolyte according to claim 9, wherein the main chain of the block copolymer does not have an aromatic ring. (A)イオン伝導性を示すブロックと、イオン伝導性を示さないブロックとを有するブロック共重合体からなる高分子電解質膜であって、該ブロック共重合体中の該イオン伝導性を示すブロックの体積分率が5%以上30%以下であり、該イオン伝導性を示さないブロックの繰り返し単位に、架橋構造が少なくとも1つ含まれている高分子電解質、および(B)ラジカル発生剤を含有することを特徴とする電解質組成物。   (A) A polymer electrolyte membrane comprising a block copolymer having a block exhibiting ionic conductivity and a block not exhibiting ionic conductivity, wherein the block exhibiting ionic conductivity in the block copolymer A polymer electrolyte having a volume fraction of 5% or more and 30% or less and containing at least one cross-linked structure in the repeating unit of the block not exhibiting ionic conductivity, and (B) a radical generator An electrolyte composition characterized by that. 前記ブロック共重合体の主鎖が芳香環を有さないことを特徴とする請求項11に記載の電解質組成物。   The electrolyte composition according to claim 11, wherein the main chain of the block copolymer does not have an aromatic ring. イオン伝導性ブロックを有するブロック共重合体を成膜する工程、成膜したブロック共重合体のイオン伝導性ブロックが形成するシリンダー状ドメインを一軸配向させて電解質膜の厚さ方向に配列したイオン伝導部を形成する工程を有することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。   Step of forming a block copolymer having an ion conductive block, ion conduction in which the cylindrical domain formed by the ion conductive block of the formed block copolymer is uniaxially aligned and arranged in the thickness direction of the electrolyte membrane A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising the step of forming a portion. イオン伝導性を有さないブロックのポリマー側鎖を架橋する工程をさらに有することを特徴とする請求項13に記載の高分子電解質膜の製造方法。   14. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 13, further comprising a step of crosslinking the polymer side chain of the block having no ion conductivity. 前記成膜したブロック共重合体を加熱処理および外場を印加してイオン伝導性ブロックが形成するシリンダー状ドメインを一軸配向させることを特徴とする請求項13に記載の高分子電解質膜の製造方法。   14. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 13, wherein the formed block copolymer is subjected to a heat treatment and an external field to uniaxially align the cylindrical domain formed by the ion conductive block. . 請求項1に記載の高分子電解質膜の両面に電極が配置されていることを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode assembly, wherein electrodes are arranged on both surfaces of the polymer electrolyte membrane according to claim 1. 前記高分子電解質膜のイオン伝導部が、電極面に対して垂直または略垂直な方向に配列していることを特徴とする請求項16に記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 16, wherein the ion conductive portions of the polymer electrolyte membrane are arranged in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the electrode surface. 請求項1に記載の高分子電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、集電体とを少なくとも有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising at least a membrane electrode assembly in which electrodes are arranged on both surfaces of the polymer electrolyte membrane according to claim 1 and a current collector. 前記高分子電解質膜のイオン伝導部が、電極面に対して垂直または略垂直な方向に配列していることを特徴とする請求項18に記載の燃料電池。   19. The fuel cell according to claim 18, wherein the ion conducting portions of the polymer electrolyte membrane are arranged in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the electrode surface.
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