JP2008117590A - Complex polymer electrolyte membrane and its use - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜に関係し、詳しくは優れた耐久性を有する複合高分子電解質膜及び高分子電解質膜/電極接合体、燃料電池などの用途に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane, and more particularly to applications such as a composite polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane / electrode assembly, and a fuel cell having excellent durability.
高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解槽や燃料電池を挙げることができる。これらに用いられる高分子膜は、カチオン交換膜として高いプロトン伝導率を有すると共に化学的、熱的、電気化学的及び力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長期にわたり使用できるものとして、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。現在、特に注目されている固体高分子形燃料電池分野においては、燃料である水素ガスの透過が大きいなどの特性面での課題に加え、フッ素を含むため廃棄時の環境汚染や、発電時に発生するフッ酸が燃料電池のシステムを腐食するなど燃料電池の実用化に向けた障害として指摘されている。また、メタノール水溶液を用いる燃料電池においても、メタノール透過性が高すぎるという問題があり、実用化の障害となっている。 Examples of electrochemical devices that use polymer solid electrolytes as ion conductors include water electrolyzers and fuel cells. The polymer membrane used for these must have high proton conductivity as a cation exchange membrane and be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically. For this reason, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane has been used as one that can be used over a long period of time. In the polymer electrolyte fuel cell field, which is currently attracting particular attention, in addition to problems in characteristics such as the large permeation of hydrogen gas, which is a fuel, it contains fluorine, causing environmental pollution during disposal and during power generation This is pointed out as an obstacle to the practical application of fuel cells, such as the fact that hydrofluoric acid corrodes the fuel cell system. In addition, a fuel cell using an aqueous methanol solution has a problem that methanol permeability is too high, which is an obstacle to practical use.
一方、パーフルオロカーボンスルホン酸膜に代わる電解質膜として、ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルホン、ポリスルホンなどのポリマーにスルホン酸基などイオン性基を導入した、いわゆる炭化水素系高分子固体電解質が近年盛んに検討されている。しかしながら、炭化水素系高分子固体電解質はパーフルオロカーボンスルホン酸に比べて水和・膨潤しやすく寸法変化が大きいため、乾燥・湿潤の繰り返しにより破断してしまうなど機械的な特性に問題があると指摘されている。 On the other hand, as electrolyte membranes that replace perfluorocarbon sulfonic acid membranes, so-called hydrocarbon polymer solid electrolytes in which ionic groups such as sulfonic acid groups are introduced into polymers such as polyetheretherketone, polyethersulfone, and polysulfone have recently become popular. It is being considered. However, it is pointed out that the hydrocarbon polymer solid electrolyte is hydrated and swollen more easily than perfluorocarbon sulfonic acid, and its dimensional change is large. Has been.
高分子固体電解質膜の機械的強度を向上させ、寸法変化を抑制する方法として、高分子固体電解質膜に種々の補強材を組み合わせた複合高分子固体電解質膜が提案されている。延伸多孔ポリテトラフルオロエチレン膜の空隙部にイオン交換樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含浸し、一体化した複合高分子固体電解質膜(例えば、特許文献1参照)が、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの膜内に補強材としてフィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンが分散された複合高分子固体電解質膜(例えば、特許文献2参照)が、それぞれ記載されている。しかしながら、元素としてフッ素を含んでいることには変わりなく、廃棄時の環境汚染や、発電時に発生するフッ酸の問題は依然として解決されていない。 As a method for improving the mechanical strength of the polymer solid electrolyte membrane and suppressing dimensional changes, a composite polymer solid electrolyte membrane in which various reinforcing materials are combined with the polymer solid electrolyte membrane has been proposed. A composite polymer solid electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1) obtained by impregnating a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, which is an ion exchange resin, in the voids of the stretched porous polytetrafluoroethylene membrane is an integral part of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer. A composite polymer solid electrolyte membrane (for example, see Patent Document 2) in which fibrillated polytetrafluoroethylene is dispersed as a reinforcing material in the membrane is described. However, it still contains fluorine as an element, and the problems of environmental pollution during disposal and hydrofluoric acid generated during power generation are still not solved.
一方、高分子固体電解質を炭化水素系の補強材で補強したものとして、ポリベンゾオキサゾール多孔膜と高分子固体電解質を複合化した高分子固体電解質膜(例えば、特許文献3参照)が記載されている。しかしながら、これらの方法で作製された複合膜は、実際に燃料電池で発電を繰り返すと、補強材である多孔膜と高分子固体電解質の水やメタノール中での膨潤性が異なるため、界面が剥離したことにより起こったと推定される水素ガスやメタノールの透過量の経時的な増加があるため、耐久性は不十分である。 On the other hand, as a polymer solid electrolyte reinforced with a hydrocarbon-based reinforcing material, a polymer solid electrolyte membrane (for example, see Patent Document 3) in which a polybenzoxazole porous membrane and a polymer solid electrolyte are combined is described. Yes. However, the composite membranes produced by these methods are peeled off at the interface because the swelling properties of the porous membrane, which is a reinforcing material, and the solid polymer electrolyte in water or methanol are different when power generation is actually repeated in the fuel cell. Durability is insufficient because there is an increase in the permeation amount of hydrogen gas and methanol estimated to have occurred.
また、多孔性基材中に浸透させたモノマーからイオン伝導性を有するポリマーを重合した電解質膜もある(例えば特許文献4参照)。しかしながら、この方法では、空隙内をポリマーで完全に充填することが困難で、欠陥等が形成されるため水素ガスリークやメタノール透過を十分抑止できない、プロトン伝導性が十分でないなどの問題がある。 There is also an electrolyte membrane obtained by polymerizing a polymer having ion conductivity from a monomer permeated into a porous substrate (see, for example, Patent Document 4). However, this method has a problem that it is difficult to completely fill the voids with the polymer, and defects and the like are formed, so that hydrogen gas leak and methanol permeation cannot be sufficiently suppressed, and proton conductivity is not sufficient.
上記の課題を解決する高分子電解質膜として、本発明者らは、イオン伝導性ポリマーと同一の溶媒に溶解可能な材料で補強した高分子電解質膜を提案した(例えば特許文献5を参照)。しかしながら、燃料電池に用いる場合には、高分子電解質膜そのものの耐久性が高いことに加えて、高分子電解質膜に電極触媒層を接合した、いわゆる膜/電極接合体についても高い耐久性が求められている。 As a polymer electrolyte membrane that solves the above problems, the present inventors have proposed a polymer electrolyte membrane reinforced with a material that can be dissolved in the same solvent as the ion conductive polymer (see, for example, Patent Document 5). However, when used in a fuel cell, in addition to high durability of the polymer electrolyte membrane itself, high durability is also required for a so-called membrane / electrode assembly in which an electrode catalyst layer is bonded to the polymer electrolyte membrane. It has been.
本発明は従来技術の課題を背景になされたものであって、炭化水素系高分子固体電解質膜の課題であった機械的強度の不足を解決すると共に、補強膜としての耐久性が向上し、さらに、燃料電池に用いた場合の耐久性をより向上させることができる複合高分子電解質膜、該複合高分子電解質膜を用いた高分子電解質膜/電極接合体と燃料電池の提供を課題とするものである。 The present invention was made against the background of the problems of the prior art, and solves the shortage of mechanical strength, which was a problem of hydrocarbon-based polymer solid electrolyte membranes, and improved durability as a reinforcing membrane, It is another object of the present invention to provide a composite polymer electrolyte membrane that can further improve durability when used in a fuel cell, a polymer electrolyte membrane / electrode assembly using the composite polymer electrolyte membrane, and a fuel cell. Is.
本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、ついに本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、以下の複合高分子電解質膜とその製造方法である。
(1)イオン性基非含有ポリマーからなる多孔膜にイオン性基含有ポリマーが複合されてなる複合高分子電解質膜であり、イオン性基含有ポリマーとイオン性基非含有ポリマーとは同一の有機溶媒に可溶であり、イオン性基含有ポリマーの軟化温度が140〜250℃であることを特徴とする複合高分子電解質膜。
(2)イオン性基が、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1種以上の基であることを特徴とする前記(1)に記載の複合高分子電解質膜。
(3)イオン性基含有ポリマーが、下記化学式1で表される構造単位を有する前記(1)に記載の複合高分子電解質膜。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have finally completed the present invention. That is, the present invention is the following composite polymer electrolyte membrane and a production method thereof.
(1) A composite polymer electrolyte membrane in which an ionic group-containing polymer is combined with a porous film made of an ionic group-free polymer, and the ionic group-containing polymer and the ionic group-free polymer are the same organic solvent And a softening temperature of the ionic group-containing polymer is 140 to 250 ° C.
(2) The composite polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the ionic group is at least one group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group. .
(3) The composite polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the ionic group-containing polymer has a structural unit represented by the following chemical formula 1.
(4)イオン性基含有ポリマーが、化学式2で表される構造をさらに有する前記(3)に記載の複合高分子電解質膜。
(4) The composite polymer electrolyte membrane according to (3), wherein the ionic group-containing polymer further has a structure represented by Chemical Formula 2.
(5)化学式2におけるAr1が、下記化学式3〜6で表される構造から選ばれる1種以上の基である前記(4)に記載の複合高分子電解質膜。 (5) The composite polymer electrolyte membrane according to (4), wherein Ar 1 in Chemical Formula 2 is one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 3 to 6 below.
(7)化学式1におけるZ1及びZ2がいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上である前記(3)に記載の複合高分子電解質膜。
(8)化学式2におけるZ3及びZ4がいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上である前記(4)に記載の複合高分子電解質膜。
(9)イオン性基含有ポリマーが、下記化学式7で表される構造をさらに有する前記(3)に記載の複合高分子電解質膜。
(7) The composite polymer electrolyte membrane according to (3), wherein Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are both O atoms, and n1 is 3 or more.
(8) The composite polymer electrolyte membrane according to (4), wherein Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are both O atoms, and n2 is 3 or more.
(9) The composite polymer electrolyte membrane according to (3), wherein the ionic group-containing polymer further has a structure represented by the following chemical formula 7.
(10)イオン性基含有ポリマーが、化学式2で表される構造をさらに有する前記(9)に記載の複合高分子電解質膜。
(11)イオン性基含有ポリマーが、下記化学式8で表される構造をさらに有する前記(10)に記載の複合高分子電解質膜。
(10) The composite polymer electrolyte membrane according to (9), wherein the ionic group-containing polymer further has a structure represented by Chemical Formula 2.
(11) The composite polymer electrolyte membrane according to (10), wherein the ionic group-containing polymer further has a structure represented by the following chemical formula 8.
(12)化学式8におけるAr2が、化学式3〜6で表される構造から選ばれる1種以上の基である前記(11)に記載の複合高分子電解質膜。
(13)化学式8におけるAr2が、化学式6で表される構造である前記(12)に記載の複合高分子電解質膜。
(14)化学式1におけるZ1及びZ2が、O及び/又はS原子であり、かつ、n1が1である前記(9)に記載の複合高分子電解質膜。
(15)化学式2におけるZ3及びZ4が、O及び/又はS原子であり、かつ、n2が1である前記(10)に記載の複合高分子電解質膜。
(12) The composite polymer electrolyte membrane according to (11), wherein Ar 2 in Chemical Formula 8 is one or more groups selected from structures represented by Chemical Formulas 3 to 6.
(13) The composite polymer electrolyte membrane according to (12), wherein Ar 2 in Chemical Formula 8 has a structure represented by Chemical Formula 6.
(14) The composite polymer electrolyte membrane according to (9), wherein Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are O and / or S atoms, and n1 is 1.
(15) The composite polymer electrolyte membrane according to (10), wherein Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are O and / or S atoms, and n2 is 1.
(16)イオン交換容量が0.5〜5.0meq/gの範囲にある前記(1)〜(15)に記載の高分子電解質膜。
(17)有機溶媒が、有機極性溶媒である前記(1)〜(16)に記載の複合高分子電解質膜。
(18)イオン性基非含有ポリマーが、ポリアミドイミドである前記(1)〜(17)に記載の複合高分子電解質膜。
(16) The polymer electrolyte membrane according to (1) to (15), wherein the ion exchange capacity is in the range of 0.5 to 5.0 meq / g.
(17) The composite polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (16), wherein the organic solvent is an organic polar solvent.
(18) The composite polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (17), wherein the ionic group-free polymer is polyamideimide.
(19)前記(1)〜(18)のいずれかに記載の複合高分子電解質膜を有する高分子電解質膜/電極接合体。
(20)前記(19)に記載の高分子電解質膜/電極接合体を用いた燃料電池。
(21)メタノールを燃料とする前記(20)に記載の燃料電池。
(19) A polymer electrolyte membrane / electrode assembly having the composite polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (18).
(20) A fuel cell using the polymer electrolyte membrane / electrode assembly according to (19).
(21) The fuel cell according to (20), wherein methanol is used as a fuel.
本発明の複合高分子電解質膜においては、イオン性基含有ポリマーがイオン性基非含有ポリマーの多孔膜と強固に複合されて膜強度が補強されているため、従来技術の補強膜の欠点である燃料電池での発電繰り返し時に起こっていると考えられる界面剥離が生じなくなるため、水素ガスやメタノールの透過量が経時的に増大する欠点がない。
すなわち、複合膜を形成するイオン性基含有ポリマーとイオン性基非含有ポリマーとは同一の有機溶媒に可溶な特性を有するため、イオン性基非含有ポリマーの多孔膜が、イオン性基含有ポリマーの有機溶媒溶液に浸漬されて該多孔膜の空隙が充填されると、該多孔膜の表面及び内部空隙の表面が部分的に有機溶媒で溶解した状態となり、その後、熱処理等により溶媒を除去するとイオン性基非含有ポリマーとイオン性基含有ポリマーとは、その境界部分で混在することになり、イオン性基非含有ポリマーとイオン性基含有ポリマーが強固に結合した状態となる。その結果、耐久性が向上した複合高分子電解質膜が得られる。
In the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, since the ionic group-containing polymer is strongly combined with the porous membrane of the ionic group-free polymer and the membrane strength is reinforced, this is a drawback of the conventional reinforced membrane. Interfacial separation, which is considered to occur during repeated power generation in the fuel cell, does not occur, and there is no disadvantage that the permeation amount of hydrogen gas or methanol increases with time.
That is, since the ionic group-containing polymer and the ionic group-free polymer forming the composite film have solubility characteristics in the same organic solvent, the porous film of the ionic group-free polymer is the ionic group-containing polymer. When the pores of the porous membrane are filled with the organic solvent solution, the surface of the porous membrane and the surface of the internal pores are partially dissolved in the organic solvent, and then the solvent is removed by heat treatment or the like. The ionic group-free polymer and the ionic group-containing polymer are mixed at the boundary portion, and the ionic group-free polymer and the ionic group-containing polymer are firmly bonded. As a result, a composite polymer electrolyte membrane with improved durability can be obtained.
さらに、イオン性基含有ポリマーの軟化温度が140〜250℃の範囲であることにより、電極触媒層との接合性が向上し、高分子電解質膜としての上記の優れた特性は保持したまま、高分子電解質膜/電極接合体、及びそれを用いた燃料電池の耐久性を向上させることができる。 Furthermore, when the softening temperature of the ionic group-containing polymer is in the range of 140 to 250 ° C., the bondability with the electrode catalyst layer is improved, and the above-mentioned excellent characteristics as a polymer electrolyte membrane are maintained while maintaining a high level. The durability of the molecular electrolyte membrane / electrode assembly and the fuel cell using the same can be improved.
さらにまた、イオン性基含有ポリマーが特定構造の繰り返し構造を有するポリマーであることにより、電極触媒層との接合性が向上し、高分子電解質膜としての上記の優れた特性は保持したまま、高分子電解質膜/電極接合体、及びそれを用いた燃料電池の耐久性を向上させることができる。 Furthermore, since the ionic group-containing polymer is a polymer having a repeating structure of a specific structure, the bondability with the electrode catalyst layer is improved, and the above-mentioned excellent characteristics as a polymer electrolyte membrane are maintained while maintaining a high level. The durability of the molecular electrolyte membrane / electrode assembly and the fuel cell using the same can be improved.
以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明において、重量とは、質量を意味する。
本発明の複合高分子電解質膜は、イオン性基非含有ポリマー(イオン性基を有しないポリマー)からなる多孔膜にイオン性基含有ポリマー(分子中にイオン性基を有するポリマー)が複合されてなる複合高分子電解質膜であり、イオン性基含有ポリマーとイオン性基非含有ポリマーとは同一の有機溶媒に可溶であり、イオン性基含有ポリマーの軟化温度が140〜250℃であることを特徴とする複合高分子電解質膜である。
イオン性基含有ポリマーとしては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリアリーレン、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、及びこれらの構造を有する共重合ポリマーなどのポリマーにスルホン酸基などのイオン性基を導入した高分子固体電解質であって、後述する軟化温度が140〜250℃の範囲であるものを用いる。軟化温度が140℃未満であると、電極触媒層の接合時や、高温での発電時などにおいて、複合高分子膜の破壊や劣化が、また、複合高分子膜と電極触媒層との剥離が、起きやすくなる場合がある。軟化温度が250℃を超えると、電極触媒層との接合性が低下し、剥離の原因となる場合がある。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the present invention, the weight means mass.
In the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, an ionic group-containing polymer (a polymer having an ionic group in a molecule) is combined with a porous film made of an ionic group-free polymer (a polymer having no ionic group). The ionic group-containing polymer and the ionic group-free polymer are soluble in the same organic solvent, and the softening temperature of the ionic group-containing polymer is 140 to 250 ° C. It is the composite polymer electrolyte membrane characterized.
Examples of the ionic group-containing polymer include polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenyl sulfone, polysulfone, polyimide, polyphenylene, polyarylene, polyarylene ether, polyarylene sulfide, and copolymers such as copolymers having these structures. A polymer solid electrolyte having an ionic group such as a sulfonic acid group introduced therein and having a softening temperature in the range of 140 to 250 ° C. described later is used. When the softening temperature is less than 140 ° C., the composite polymer membrane may be broken or deteriorated when the electrode catalyst layer is joined or when power is generated at a high temperature, and the composite polymer membrane and the electrode catalyst layer may be separated. , It may be easier to get up. When the softening temperature exceeds 250 ° C., the bondability with the electrode catalyst layer is lowered, which may cause peeling.
また、本発明で用いられるイオン性基非含有ポリマーは、イオン性基含有ポリマーが溶解する有機溶媒に溶解するポリマーであれば特に限定するものではないが、耐熱性や化学的な安定性、複合化後の強度等を考慮すると、イオン性基含有ポリマーと同系統のポリマーや有機溶媒に可溶なポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリアリーレン、ポリイミド、ポリアミドイミドなどが望ましい。中でも開孔率、空孔率に優れた多孔膜が得られやすいことからポリアミドイミドがさらに好ましい。イオン性基非含有ポリマー(イオン性基を有しないポリマー)の軟化温度は特に限定されるものではないが、100℃以下では、電極触媒層の接合の際に加熱すると膜の変形が大きくなる場合がある。 Further, the ionic group-free polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it is a polymer that dissolves in an organic solvent in which the ionic group-containing polymer dissolves, but heat resistance, chemical stability, In view of the strength after the conversion, the same type of polymer as the ionic group-containing polymer and polyether ether ketone, polyether sulfone, polyphenyl sulfone, polysulfone, polyimide, polyphenylene, polyarylene, polyimide, soluble in organic solvents, Polyamideimide or the like is desirable. Of these, polyamideimide is more preferable because a porous film excellent in porosity and porosity can be easily obtained. The softening temperature of an ionic group-free polymer (a polymer having no ionic group) is not particularly limited, but when the temperature is 100 ° C. or lower, when the electrode catalyst layer is heated, deformation of the membrane increases. There is.
本発明のイオン性基含有ポリマーのイオン性基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基のいずれか1種以上の基を含有することが重要である。ポリマーへのイオン性の導入は公知の方法を用いることができ、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基を有するモノマーからポリマーを重合しても良いし、ポリマーを重合した後、イオン性基を公知の方法で導入しても良い。 It is important that the ionic group of the ionic group-containing polymer of the present invention contains one or more of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group. For the introduction of ionicity into the polymer, a known method can be used. For example, the polymer may be polymerized from a monomer having a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a phosphoric acid group. The group may be introduced by a known method.
本発明で用いることのできる有機溶媒は前記ポリマーを溶解できるものであれば特に限定されないが、溶解性や取り扱い性、コストの面などからN−メチル−2−ピロリドン、N、N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、テトラメチルウレア、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホンアミドなどの有機極性溶媒が望ましい。 The organic solvent that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer. However, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, Organic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, tetramethylurea, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, and hexamethylphosphonamide are desirable.
また、イオン性基非含有ポリマーとの複合化のために、前記イオン性基含有ポリマーを溶解する溶媒としては、前記のような有機極性溶媒の他に、γ−ブチロラクトン、2−アセチルブチロラクトン、ε−カプロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトンなどラクトン系溶媒のような、イオン性基含有ポリマーは溶解するがイオン性基非含有ポリマーは溶解しないような溶媒を併用することもできる。 In addition to the organic polar solvent as described above, γ-butyrolactone, 2-acetylbutyrolactone, ε may be used as a solvent for dissolving the ionic group-containing polymer for complexation with the ionic group-free polymer. -Solvents such as lactone solvents such as caprolactone, γ-valerolactone, and δ-valerolactone can be used in combination with solvents that dissolve ionic group-containing polymers but do not dissolve ionic group-free polymers.
本発明の複合高分子電解質膜におけるイオン性基含有ポリマーは、化学式1で表される構造単位を有することが好ましい。
化学式1において、Xは−S(=O)2−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、電解質膜に光架橋性を付与したりすることができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。Z1はOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。Z1がSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n1は1〜30の範囲にあることが好ましく、n1が3以上の場合には、n1が異なる複数の単位が含まれていてもよい。Z2は、O原子、S原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、−CH2−基、シクロヘキシル基を表し、O原子、S原子であるとより接合性がより改良されるため好ましい。n1が3以上の場合はZ2がO原子であると、高分子電解質膜にした場合の電極触媒層との接合性が特に向上するため好ましい。
The ionic group-containing polymer in the composite polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a structural unit represented by Chemical Formula 1.
In Chemical Formula 1, X is preferably a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to further enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 1 is preferably O since it has advantages such as less coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 1 is preferably S because oxidation resistance is improved. n1 is preferably in the range of 1 to 30, and when n1 is 3 or more, a plurality of units having different n1 may be included. Z 2 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, and more preferably an O atom or an S atom. This is preferable because the bondability is further improved. n1 When in the case of 3 or more is Z 2 is O atom, preferably in particular for improving bondability between the electrode catalyst layer in the case of the polymer electrolyte membrane.
化学式1で表される構造単位を有するイオン性基含有ポリマーは、さらに化学式2で表される構造単位をさらに含有していることが好ましい。
化学式2において、Z3はOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。Z3がSであると耐酸化性が向上するため好ましい。n2は1〜30の範囲にあることが好ましく、n2が3以上の場合には、n2が異なる複数の単位が含まれていてもよい。Z4は、O原子、S原子、−C(CH3)2−基、−C(CF3)2−基、−CH2−基、シクロヘキシル基を表し、O原子、S原子であるとより接合性がより改良されるため好ましい。n2が3以上の場合はZ4がO原子であると、高分子電解質膜にした場合の電極触媒層との接合性が特に向上するため好ましい。
It is preferable that the ionic group-containing polymer having a structural unit represented by Chemical Formula 1 further contains a structural unit represented by Chemical Formula 2.
In Chemical Formula 2, it is preferable that Z 3 is O because there are advantages such as little coloring of the polymer and easy availability of raw materials. Z 3 is preferably S because oxidation resistance is improved. n2 is preferably in the range of 1 to 30, and when n2 is 3 or more, a plurality of units different in n2 may be included. Z 4 represents an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, a cyclohexyl group, and more preferably an O atom or an S atom. This is preferable because the bondability is further improved. n2 When the case 3 or more is Z 4 is O atom, preferably in particular for improving bondability between the electrode catalyst layer in the case of the polymer electrolyte membrane.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーが、主として、化学式1で表される構造単位と、化学式2で表される構造単位で構成される場合には、それぞれのモル比は、7:93〜50:50の範囲であることが好ましい。モル比が7:93とは、化学式1で表される構造単位のモル数を7としたとき、化学式2で表される構造単位のモル数が93であることを表す。50:50のモル比よりも化学式1で表される構造単位が多くなると、高分子電解質膜としたときの燃料透過性が大きくなる場合があり好ましくない。7:93のモル比よりも化学式1で表される構造単位が少なくなると、高分子電解質膜としたときのプロトン伝導性が低下して抵抗が増大するため好ましくない。10:90〜40:60の範囲であることがより好ましい。本発明におけるイオン性基含有ポリマーは、化学式1及び化学式2で表される構造単位を有することによって適切な軟化温度を有し、高分子電解質膜としたときに良好な電極との接合性を示す。 When the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is mainly composed of a structural unit represented by Chemical Formula 1 and a structural unit represented by Chemical Formula 2, each molar ratio Is preferably in the range of 7:93 to 50:50. The molar ratio of 7:93 means that the number of moles of the structural unit represented by Chemical Formula 2 is 93 when the number of moles of the structural unit represented by Chemical Formula 1 is 7. When the number of structural units represented by the chemical formula 1 is larger than the molar ratio of 50:50, the fuel permeability may be increased when the polymer electrolyte membrane is used, which is not preferable. If the number of structural units represented by Chemical Formula 1 is less than the molar ratio of 7:93, it is not preferable because proton conductivity in a polymer electrolyte membrane is lowered and resistance is increased. The range of 10:90 to 40:60 is more preferable. The ionic group-containing polymer in the present invention has an appropriate softening temperature by having the structural unit represented by Chemical Formula 1 and Chemical Formula 2, and exhibits good bonding properties with an electrode when a polymer electrolyte membrane is formed. .
化学式2におけるAr1は、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 Ar 1 in Chemical Formula 2 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.
Ar1の好ましい構造は、化学式3〜6で表される構造である。化学式3の構造はポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式4の構造はポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性を高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式5又は6の構造はポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式6の構造がより好ましい。化学式3〜6の中でも化学式6の構造が最も好ましい。 A preferred structure of Ar 1 is a structure represented by Chemical Formulas 3-6. The structure of Chemical Formula 3 is preferable because it can increase the solubility of the polymer. The structure of Chemical Formula 4 is preferable because it lowers the softening temperature of the polymer to increase the bonding property with the electrode and impart photocrosslinking properties. The structure of Chemical Formula 5 or 6 is preferable because the swelling of the polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 6 is more preferable. Among the chemical formulas 3 to 6, the structure of the chemical formula 6 is most preferable.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーのさらに好ましい態様の一つは、高分子電解質膜が主として、化学式1で表される構造と、化学式2で表される構造で構成され、かつ化学式1におけるZ1及びZ2がいずれもO原子であり、かつ、n1が3以上であるイオン性基含有ポリマーである。このようなイオン性基含有ポリマーを用いると、電極との接合性が特に向上するため好ましい。 One of the more preferable embodiments of the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is that the polymer electrolyte membrane is mainly composed of a structure represented by Chemical Formula 1 and a structure represented by Chemical Formula 2. And Z 1 and Z 2 in Chemical Formula 1 are both O atoms, and n1 is 3 or more. It is preferable to use such an ionic group-containing polymer because the bondability with the electrode is particularly improved.
前記のイオン性基含有ポリマーのさらに好ましい態様の一つは、化学式2における、Z3及びZ4がいずれもO原子であり、かつ、n2が3以上であるとより好ましい。このようなイオン性基含有ポリマーを用いると、電極との接合性がより一層向上するため好ましい。 One of the more preferable embodiments of the ionic group-containing polymer is more preferably that Z 3 and Z 4 in Chemical Formula 2 are both O atoms, and n2 is 3 or more. It is preferable to use such an ionic group-containing polymer because the bondability with the electrode is further improved.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーのさらに好ましい態様の一つは、化学式1及び2に加えて、化学式7で表される構造単位を有するイオン性基含有ポリマーである。化学式1及び2で表される構造単位に加え、化学式7で表される構造単位をさらに有していることが、高分子電解質膜としたときの膜の形態安定性を高めることができるため好ましい。化学式7において、Xは−S(=O)2−基であると溶剤への溶解性が向上するため好ましい。Xが−C(=O)−基であると、ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、電解質膜に光架橋性を付与したりすることができるため好ましい。高分子電解質膜として用いる場合には、YはH原子であることが好ましい。ただし、YがH原子であると、熱などによって分解しやすくなるので、電解質膜の製造などの加工時にはYをNaやKなどのアルカリ金属塩としておき、加工後に酸処理によってYをH原子に変換して高分子電解質膜を得ることもできる。Z5はOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。Z5がSであると耐酸化性が向上するため好ましい。 One of the more preferable embodiments of the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is an ionic group-containing polymer having a structural unit represented by the chemical formula 7 in addition to the chemical formulas 1 and 2. . In addition to the structural units represented by the chemical formulas 1 and 2, it is preferable to further include the structural unit represented by the chemical formula 7, because the morphological stability of the membrane when the polymer electrolyte membrane is obtained can be improved. . In Chemical Formula 7, X is preferably a —S (═O) 2 — group because solubility in a solvent is improved. It is preferable that X is a —C (═O) — group because the softening temperature of the polymer can be lowered to further enhance the bonding property with the electrode, or the photocrosslinking property can be imparted to the electrolyte membrane. When used as a polymer electrolyte membrane, Y is preferably an H atom. However, if Y is an H atom, it is easily decomposed by heat or the like. Therefore, during processing such as manufacturing of an electrolyte membrane, Y is set as an alkali metal salt such as Na or K, and Y is converted to H atom by acid treatment after processing. A polymer electrolyte membrane can also be obtained by conversion. Z 5 is preferably O, because there are advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 5 is preferably S because oxidation resistance is improved.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーが、化学式1、2、及び7で表される構造単位を有している場合には、Z1及びZ2が、O又はS原子であり、かつ、n1が1であると、高分子電解質膜とした場合の電極触媒層との接合性と、膜の形態安定性がより良好になるので好ましい。また、Z3及びZ4が、O又はS原子であり、かつ、n2が1であると、高分子電解質膜とした場合の電極触媒層との接合性と、膜の形態安定性がさらに良好になるので好ましい。 When the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention has structural units represented by chemical formulas 1, 2, and 7, Z 1 and Z 2 are O or S It is preferable that it is an atom and n1 is 1, since the bonding property with the electrode catalyst layer in the case of a polymer electrolyte membrane and the morphological stability of the membrane become better. In addition, when Z 3 and Z 4 are O or S atoms and n2 is 1, the bonding property with the electrode catalyst layer and the morphological stability of the membrane are further improved when the polymer electrolyte membrane is used. This is preferable.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーは、化学式1、2、7で表される構造単位に加え、化学式8で表される構造単位をさらに有していると、高分子電解質膜としたときに、電極触媒層との接合性と、膜の形態安定性を大きく向上することができるためよりより好ましい。化学式8におけるZ6はOであるとポリマーの着色が少なかったり、原料が入手しやすかったりするなどの利点があり好ましい。Z6がSであると耐酸化性が向上するため好ましい。化学式8におけるAr2は、電子吸引性基を有する二価の芳香族基が好ましい。電子吸引性基とは、例えばスルホン基、スルホニル基、スルホン酸基、スルホン酸エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸イミド基、カルボキシル基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、シアノ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、ニトロ基などを挙げることができるが、これらに限定されず、公知の任意の電子吸引性基であればよい。 When the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention further has a structural unit represented by the chemical formula 8, in addition to the structural units represented by the chemical formulas 1, 2, and 7, When a molecular electrolyte membrane is used, it is more preferable because the bondability with the electrode catalyst layer and the morphological stability of the membrane can be greatly improved. Z 6 in the chemical formula 8 is preferably O, because there are advantages such as little polymer coloring and easy availability of raw materials. Z 6 is preferably S because oxidation resistance is improved. Ar 2 in Chemical Formula 8 is preferably a divalent aromatic group having an electron-withdrawing group. Examples of the electron-withdrawing group include a sulfone group, a sulfonyl group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid ester group, a sulfonic acid amide group, a sulfonic acid imide group, a carboxyl group, a carbonyl group, a carboxylic acid ester group, a cyano group, a halogen group, Although a trifluoromethyl group, a nitro group, etc. can be mentioned, it is not limited to these, What is necessary is just a well-known arbitrary electron withdrawing group.
Ar2の好ましい構造は、化学式3〜6で表される構造である。化学式3の構造はイオン性基含有ポリマーの溶解性を高めることができ好ましい。化学式4の構造はイオン性基含有ポリマーの軟化温度を下げて電極との接合性をさらに高めたり、光架橋性を付与したりするので好ましい。化学式5又は6の構造はイオン性基含有ポリマーの膨潤を少なくできるので好ましく、化学式6の構造がより好ましい。化学式3〜6の中でも化学式6の構造が最も好ましい。 A preferable structure of Ar 2 is a structure represented by Chemical Formulas 3-6. The structure of Chemical Formula 3 is preferable because it can increase the solubility of the ionic group-containing polymer. The structure of Chemical Formula 4 is preferable because it lowers the softening temperature of the ionic group-containing polymer to further enhance the bonding property with the electrode or impart photocrosslinkability. The structure of Chemical Formula 5 or 6 is preferable because the swelling of the ionic group-containing polymer can be reduced, and the structure of Chemical Formula 6 is more preferable. Among the chemical formulas 3 to 6, the structure of the chemical formula 6 is most preferable.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーが、化学式1、2、7、及び8でそれぞれ表される構造単位を全て有している場合は、それぞれの構造単位のモル%、及びその他の構造単位のモル%が下記数式1〜3を満たすことが好ましい。 When the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention has all the structural units represented by the chemical formulas 1, 2, 7, and 8, respectively, mol% of the respective structural units. It is preferable that the mol% of other structural units satisfy the following formulas 1 to 3.
0.9 ≦ (n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7) ≦ 1.0 数式1
0.05 ≦ (n3+n4)/(n3+n4+n5+n6) ≦ 0.7 数式2
0.01 ≦ (n4+n6)/(n3+n4+n5+n6) ≦ 0.95 数式3
(上記式中、n3は化学式7で表される構造単位のモル%を、n4は化学式1で表される構造単位のモル%を、n5は化学式8で表される構造単位のモル%を、n6は化学式2で表される構造単位のモル%を、n7はその他の構造単位のモル%を、それぞれ表す。)
0.9 ≤ (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) ≤ 1.0 Formula 1
0.05 ≤ (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≤ 0.7 Formula 2
0.01 ≤ (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) ≤ 0.95 Equation 3
(In the above formula, n3 represents mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 7, n4 represents mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 1, and n5 represents mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 8, n6 represents mol% of the structural unit represented by Chemical Formula 2, and n7 represents mol% of the other structural unit.)
(n3+n4+n5+n6)/(n3+n4+n5+n6+n7)が0.9よりも小さいと、高分子電解質膜としたときに良好な特性が得られないため好ましくない。より好ましいのは0.95〜1.0の範囲である。 When (n3 + n4 + n5 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6 + n7) is smaller than 0.9, good characteristics cannot be obtained when a polymer electrolyte membrane is obtained, which is not preferable. More preferred is a range of 0.95 to 1.0.
(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)が0.05よりも小さくなると、高分子電解質膜としたときに十分なプロトン伝導性が得られないため好ましくない。また、0.9よりも大きいと高分子電解質膜としたときの膨潤性が著しく大きくなるため好ましくない。より好ましい範囲は0.1〜0.7の範囲である。 When (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is smaller than 0.05, it is not preferable because sufficient proton conductivity cannot be obtained when a polymer electrolyte membrane is obtained. On the other hand, if it is larger than 0.9, the swellability of the polymer electrolyte membrane is remarkably increased, which is not preferable. A more preferred range is from 0.1 to 0.7.
また、(n3+n4)/(n3+n4+n5+n6)は、0.07〜0.5の範囲であることが好ましく、0.1〜0.4の範囲であることがより好ましい。0.5よりも大きいと、燃料透過性が大きくなる場合があり、0.07よりも小さいと、プロトン伝導性が低下して抵抗が増大することがあるためである。 Further, (n3 + n4) / (n3 + n4 + n5 + n6) is preferably in the range of 0.07 to 0.5, and more preferably in the range of 0.1 to 0.4. If it is larger than 0.5, the fuel permeability may be increased, and if it is smaller than 0.07, the proton conductivity may decrease and the resistance may increase.
(n4+n6)/(n3+n4+n5+n6)が0.01よりも少ないと、高分子電解質膜としたときに電極触媒層との接合性が低下するため好ましくない。0.95よりも大きいと、高分子電解質膜としたときの膨潤性が大きくなりすぎる場合があるため好ましくない。0.05〜0.8がより好ましい範囲である。0.4〜0.8の範囲であることがさらに好ましい。 When (n4 + n6) / (n3 + n4 + n5 + n6) is less than 0.01, it is not preferable because the bonding property with the electrode catalyst layer is lowered when a polymer electrolyte membrane is formed. If it is greater than 0.95, the swellability of the polymer electrolyte membrane may become too large, which is not preferable. 0.05 to 0.8 is a more preferable range. More preferably, it is in the range of 0.4 to 0.8.
なお、本発明におけるイオン性基含有ポリマーにおいて、上記各化学式で表される各構造単位の結合様式は特に限定されるものではなく、ランダム結合、交互結合、連続したブロック構造での結合など、いずれでもよい。 In the ionic group-containing polymer of the present invention, the bonding mode of each structural unit represented by each chemical formula is not particularly limited, and any of random bonds, alternating bonds, bonds in a continuous block structure, etc. But you can.
本発明の複合高分子電解質膜に用いることのできるイオン性基含有ポリマー構造の好ましい例を以下に示すが、これらに限定されるものではなく、本発明の要件を満たすものであれば、好適に使用することが可能である。以下のイオン性基含有ポリマー骨格の具体例において、n,n’,n”,m,m’,m”,o,o’,o”,p,p’,p”,fはそれぞれ独立して1以上の整数を表す。 Preferred examples of the ionic group-containing polymer structure that can be used for the composite polymer electrolyte membrane of the present invention are shown below, but are not limited to these, and any suitable one that satisfies the requirements of the present invention is preferable. It is possible to use. In the following specific examples of the ionic group-containing polymer skeleton, n, n ′, n ″, m, m ′, m ″, o, o ′, o ″, p, p ′, p ″, f are independent of each other. Represents an integer of 1 or more.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーのうち、芳香環上にスルホン酸基を持つイオン性基含有ポリマーは、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトンの少なくとも1種が共重合された芳香族系ポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、Solid State Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。このようなポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトンの少なくとも1種が共重合されたイオン性基含有ポリマーを得るためには、これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。ただし、本発明の複合高分子膜に対しては、上記のイオン性基含有ポリマーの中でも、軟化温度が140〜250℃であるものを用いることが必要である。 Among the ionic group-containing polymers constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, examples of the ionic group-containing polymer having a sulfonic acid group on the aromatic ring include polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, It can be obtained by reacting a suitable sulfonating agent with an aromatic polymer copolymerized with at least one polyether ketone. Examples of such a sulfonating agent include those using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, which have been reported as an example of introducing a sulfonic acid group into an aromatic ring-containing polymer (for example, Solid State Ionics, 106, P.A. 219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J. Polym Sci., Polym.Chem., 22, P.721 (1984), J. Polym.Sci., Polym.Chem., 23, P.1231 (1985)) and the like are effective. In order to obtain such an ionic group-containing polymer in which at least one of polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone is copolymerized, these reagents are used according to each polymer. It can be carried out by selecting the reaction conditions. Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189. However, for the composite polymer membrane of the present invention, it is necessary to use a polymer having a softening temperature of 140 to 250 ° C. among the above ionic group-containing polymers.
イオン性基含有ポリマーのうち、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトンの少なくとも1種が共重合されたイオン性基含有ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種に酸性基を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基含有ジアミンを用いてイオン性基含有ポリイミドとすることができる。芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することによりイオン性基含有含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールとすることができる。芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することができる。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいと共に、得られるイオン性基含有ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましいといえる。 Among the ionic group-containing polymers, for example, an ionic group-containing polymer obtained by copolymerizing at least one of polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, and polyether ketone is at least one of the monomers used for polymerization. It can also be synthesized using a monomer containing an acidic group as one kind. For example, in a polyimide synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an ionic group-containing polyimide can be obtained by using a sulfonic acid group-containing diamine as at least one of the aromatic diamines. In the case of polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, and polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, at least one kind of aromatic dicarboxylic acid contains sulfonic acid group By using a dicarboxylic acid or a phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid, an ionic group-containing polybenzoxazole or polybenzthiazole can be obtained. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. be able to. At this time, it can be said that it is preferable to use a sulfonic acid group-containing dihalide rather than using a sulfonic acid group-containing diol because the degree of polymerization tends to increase and the thermal stability of the resulting ionic group-containing polymer increases.
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーにおいて、化学式1及び2で表される繰り返し構造単位が、ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊を抑制したり、ガラス転移温度が低下することによって電極との接合性を向上されたりする効果をもたらしている。また、化学式7及び8で表される繰り返し構造単位は、ポリマー全体の膨潤性を小さくしたり、メタノール透過性を小さくしたりする効果をもたらしている。 In the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, the repeating structural unit represented by the chemical formulas 1 and 2 increases the flexibility of the polymer, suppresses breakage against deformation, and has a glass transition temperature. By lowering, the effect of improving the bonding property with the electrode is brought about. Further, the repeating structural units represented by the chemical formulas 7 and 8 have the effect of reducing the swelling property of the whole polymer and reducing the methanol permeability.
本発明の複合高分子電解質膜は、補強材以外にその他の材料を含んでいてもよい。例えば、イオン性基含有ポリマーのマトリックス中に他の材料を含んでいてもよい。他の材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせといえる、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。また、他の材料として、酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。 The composite polymer electrolyte membrane of the present invention may contain other materials in addition to the reinforcing material. For example, other materials may be included in the matrix of the ionic group-containing polymer. Examples of other materials include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, and nylon 12, polymethyl methacrylate, polymethacrylates, and polymethyl. Acrylate resins such as acrylates and polyacrylates, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, cellulose such as ethyl cellulose Resin, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyethersulfone, Aromatic polymers such as polyetheretherketone, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, thermosetting resins such as epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin, etc. There is no particular limitation. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. Other materials include antioxidants, heat stabilizers, lubricants, tackifiers, plasticizers, crosslinking agents, viscosity modifiers, antistatic agents, antibacterial agents, antifoaming agents, dispersants, polymerization inhibitors, etc. These various additives may be included.
本発明における上記イオン性基含有ポリマーの合成方法としては、公知の方法を採用でき、特に限定されないが、合成に用いる原料モノマーの好ましい例として、下記化学式13〜15で表される構造のモノマーを挙げることができる。さらに、化学式16で表される構造のモノマーをさらに用いると、膜の形態安定性など物理的な特性が向上するため好ましい。 As a method for synthesizing the ionic group-containing polymer in the present invention, a known method can be adopted and is not particularly limited. As a preferred example of a raw material monomer used for synthesis, a monomer having a structure represented by the following chemical formulas 13 to 15 is used. Can be mentioned. Furthermore, it is preferable to further use a monomer having a structure represented by the chemical formula 16 because physical properties such as film form stability are improved.
化学式13〜16において、Xは−S(=O)2−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z7及びZ10は、それぞれ独立してCl原子、F原子、I原子、Br原子、ニトロ基のいずれかを、Z8及びZ11は、それぞれ独立してOH基、SH基、−O−NH−C(=O)−R基、−S−NH−C(=O)−R基のいずれかを[Rは芳香族又は脂肪族の炭化水素基を表す。]、Z9は、O原子、S原子、−C(CH3)2−基、 −C(CF3)2−基、−CH2−基、シクロヘキシル基のいずれかを、Ar4は分子中に、スルホン基、カルボニル基、スルホニル基、ホスフィン基、シアノ基、トリフルオロメチル基などのパーフルオロアルキル基、ニトロ基、ハロゲン基などの電子吸引性基を有する芳香族基を表す。 In Chemical Formulas 13 to 16, X is a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y is H or a monovalent cation, and Z 7 and Z 10 are each independently Any one of Cl atom, F atom, I atom, Br atom and nitro group, Z 8 and Z 11 are each independently OH group, SH group, —O—NH—C (═O) —R group, -S-NH-C (= O) -R group is represented by [R represents an aromatic or aliphatic hydrocarbon group. Z 9 represents any one of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a —CH 2 — group, and a cyclohexyl group, and Ar 4 represents a molecule in the molecule. And an aromatic group having an electron-withdrawing group such as a perfluoroalkyl group such as a sulfone group, a carbonyl group, a sulfonyl group, a phosphine group, a cyano group or a trifluoromethyl group, a nitro group or a halogen group.
化学式13で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホブチル−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、及びそれらのスルホン酸基が1価陽イオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価陽イオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限されるわけではない。化学式13で表される化合物のうち、スルホン酸基が塩になっている化合物の例としては、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホン酸カリウム−4,4’−ジフルオロジフェニルケトンなどを挙げることができる。 Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 13 include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3′- Disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl- 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-disulfobutyl-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, and their sulfonic acid groups are monovalent Examples include salts with cation species. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by Chemical Formula 13 in which the sulfonic acid group is a salt include sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfonic acid. Sodium-4,4′-difluorodiphenylsulfone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylketone, sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 'Sodium disulfonate-4,4'-difluorodiphenyl ketone, potassium 3,3'-disulfonate-4,4'-dichlorodiphenylsulfone, potassium 3,3'-disulfonate-4,4'-difluorodiphenylsulfone 3,3′-Disulfonic acid potassium-4,4′-dichlorodiphenyl ketone, 3,3′-di Sulfonic acid potassium-4,4'-difluoro diphenyl sulfone, etc. 3,3'-disulfonic acid potassium-4,4'-difluoro diphenyl ketone and the like.
化学式14で表される化合物の具体例としては、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’−チオビスベンゼンチオール、4,4’−オキシビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどを挙げることができ、4,4’−チオビスベンゼンチオール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(下記化学式17で表される構造のもの)が好ましい。 Specific examples of the compound represented by Chemical Formula 14 include 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4′-thiobisbenzenethiol, 4,4′-oxybisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, etc. 4,4′-thiobisbenzenethiol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfide, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (in the following chemical formula 17) Are preferred).
化学式14で表される構造のモノマーは、イオン性基含有ポリマーの柔軟性を高め、変形に対する破壊を抑制したり、ガラス転移温度を低下させて電極触媒層との接合性を向上させたりするなどの効果をもたらすことができる。 The monomer having the structure represented by Chemical Formula 14 increases the flexibility of the ionic group-containing polymer, suppresses breakage against deformation, reduces the glass transition temperature, and improves the bondability with the electrode catalyst layer. Can bring about the effect.
化学式15で表される化合物としては、同一芳香環にハロゲン、ニトロ基などの求核置換反応における脱離基と、それを活性化する電子吸引性基を有する化合物を挙げることができる。具体例としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。 Examples of the compound represented by Chemical Formula 15 include compounds having a leaving group in a nucleophilic substitution reaction such as halogen and nitro group on the same aromatic ring and an electron-withdrawing group for activating it. Specific examples include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4 ′. -Difluorodiphenyl sulfone, 4,4'-difluorobenzophenone, 4,4'-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like, but not limited thereto, other aromatics active in aromatic nucleophilic substitution reaction A group dihalogen compound, an aromatic dinitro compound, an aromatic dicyano compound, and the like can also be used.
化学式16で表される化合物の例としては、4,4’−ビフェノール、4、4’−ジメルカプトビフェノールなどを挙げることができ、4,4’−ビフェノールが好ましい。 Examples of the compound represented by Chemical Formula 16 include 4,4'-biphenol, 4,4'-dimercaptobiphenol, and 4,4'-biphenol is preferred.
上述の芳香族求核置換反応において、化学式13〜16で表される化合物とともに他の各種活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物、ビスフェノール化合物、ビスチオフェノール化合物をモノマーとして併用することもできる。 In the above aromatic nucleophilic substitution reaction, other various activated dihalogen aromatic compounds, dinitroaromatic compounds, bisphenol compounds, and bisthiophenol compounds can be used in combination with the compounds represented by chemical formulas 13 to 16. .
その他のビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の例としては、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、フェノールフタレイン、10−(2,5−ジヒドロキシフェニル)−9,10−ジヒドロ−9−オキサ−10−フォスファフェナンスレン−10−オキサイド等が挙げられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオール又は各種芳香族ジチオールを使用することもでき、上記の化合物に限定されるものではない。 Examples of other bisphenol compounds or bisthiophenol compounds include 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, and bis (4-hydroxyphenyl). ) Sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4- Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane , Hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone, 1,4-benze Examples include dithiol, 1,3-benzenedithiol, phenolphthalein, 10- (2,5-dihydroxyphenyl) -9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphenanthrene-10-oxide. In addition, various aromatic diols or various aromatic dithiols that can be used for polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used, and are not limited to the above compounds. .
本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、化学式13〜16で表される構造の化合物と、必要に応じて他の活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物や芳香族ジオール類又は芳香族ジチオール類を加えて、塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。モノマー中の、反応性のハロゲン基又はニトロ基と、反応性のヒドロキシ基及びチオール基のモル比は任意のモル比にすることで、得られるイオン性基含有ポリマーの重合度を調整することができるが、0.8〜1.2であることが好ましく、0.9〜1.1の範囲であることがより好ましく、0.95〜1.05の範囲であることが好ましく、1であると高重合度のイオン性基含有ポリマーを得ることができるため最も好ましい。 When the ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, a compound having a structure represented by Chemical Formulas 13 to 16 and, if necessary, other activated dihalogens A polymer can be obtained by adding an aromatic compound, a dinitroaromatic compound, an aromatic diol, or an aromatic dithiol and reacting in the presence of a basic compound. By adjusting the molar ratio of the reactive halogen group or nitro group and the reactive hydroxy group and thiol group in the monomer to an arbitrary molar ratio, the degree of polymerization of the resulting ionic group-containing polymer can be adjusted. However, it is preferably 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, and preferably 0.95 to 1.05. It is most preferable because an ionic group-containing polymer having a high degree of polymerization can be obtained.
重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の範囲であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、イオン性基含有ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。 The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C, but preferably in the range of 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not tend to proceed sufficiently. When the temperature is higher than 350 ° C., decomposition of the ionic group-containing polymer also tends to start to occur. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more.
塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられるが、芳香族ジオール類や芳香族ジメルカプト化合物を活性なフェノキシド構造になしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。塩基性化合物は、ビスフェノール化合物及びビスチオフェノール化合物の総和に対して100モル%以上の量を用いると良好に重合することができ、好ましくはビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の総和に対して105〜125モル%の範囲である。ビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物の量が多くなりすぎると、分解などの副反応の原因となるので好ましくない。 Examples of basic compounds include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, etc., but aromatic diols and aromatic dimercapto compounds can be made into an active phenoxide structure. If it is a thing, it is not limited to these but can be used. The basic compound can be polymerized satisfactorily when used in an amount of 100 mol% or more with respect to the total of the bisphenol compound and the bisthiophenol compound, and preferably 105 to 105% with respect to the total of the bisphenol compound or the bisthiophenol compound. The range is 125 mol%. An excessive amount of bisphenol compound or bisthiophenol compound is not preferable because it causes side reactions such as decomposition.
また、上記重合反応において、塩基性化合物を用いずに、ビスフェノール化合物又はビスチオフェノール化合物を、イソシアネート化合物と反応させてカルバモイル化したものと、活性化ジハロゲン芳香族化合物やジニトロ芳香族化合物とを直接反応させることもできる。 Further, in the above polymerization reaction, a bisphenol compound or bisthiophenol compound reacted with an isocyanate compound to form a carbamoylate without using a basic compound, and an activated dihalogen aromatic compound or dinitro aromatic compound are directly combined. It can also be reacted.
芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50質量%の範囲となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のイオン性基含有ポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、イオン性基含有ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりイオン性基含有ポリマーを得ることもできる。また副生する塩類を濾過によって取り除いてイオン性基含有ポリマー溶液を得ることもできる。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is in the range of 5 to 50% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired ionic group-containing polymer. In addition, the ionic group-containing polymer can be precipitated as a solid by adding the reaction solution into a solvent having low polymer solubility, and the ionic group-containing polymer can be obtained by filtering the precipitate. Further, by-product salts can be removed by filtration to obtain an ionic group-containing polymer solution.
本発明におけるイオン性基含有ポリマーは、前記の構造単位を1分子あたり1以上有していることが好ましい。1分子あたりの構造単位の数は10〜10000の範囲にあることが好ましく100〜1000の範囲であるとより好ましい。構造単位の数は、サイズ排除クロマトグラフィー法、光散乱法、溶液粘度法など公知の任意の方法で、分子量を測定することによって求めることができる。
また、本発明におけるイオン性基含有ポリマーの分子量は、後で述べる方法により測定したポリマー対数粘度を尺度して表すこともでき、対数粘度が0.1dL/g以上であることが好ましい。対数粘度が0.1dL/gよりも小さいと、高分子電解質膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。対数粘度は、0.3dL/g以上であることがさらに好ましい。一方、対数粘度が5dL/gを超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。
The ionic group-containing polymer in the present invention preferably has one or more of the above structural units per molecule. The number of structural units per molecule is preferably in the range of 10 to 10,000, and more preferably in the range of 100 to 1,000. The number of structural units can be determined by measuring the molecular weight by any known method such as size exclusion chromatography, light scattering, or solution viscosity.
In addition, the molecular weight of the ionic group-containing polymer in the present invention can be expressed by measuring a polymer logarithmic viscosity measured by a method described later, and the logarithmic viscosity is preferably 0.1 dL / g or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1 dL / g, the membrane tends to become brittle when molded as a polymer electrolyte membrane. The logarithmic viscosity is more preferably 0.3 dL / g or more. On the other hand, when the logarithmic viscosity exceeds 5 dL / g, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.
本発明の複合高分子電解質膜の望ましい製造方法は以下のとおりである。先ず流延法等により所定の厚みでキャストしたイオン性基非含有ポリマーの溶液を、イオン性基非含有ポリマーの貧溶媒に浸漬し相分離により多孔膜を作製する。
多孔膜の空隙率や厚みは特に限定されないが、プロトン伝導性と補強効果のバランスから、空隙率としては40〜90%、厚みとしては10〜100μmが好ましい範囲である。空隙率が、40%未満になるとイオン性基含有ポリマーの充填率が不足してプロトン伝導性が低下してしまうことがあり、90%を越えるとイオン性基非含有ポリマーの補強効果が発揮されにくくなるためである。また、厚みも10μm未満では取り扱い性が困難になり、100μmを超えると膜の抵抗が大きくなりすぎることがある。
得られた多孔膜は水洗等を十分行い溶媒を除去し、乾燥させる。次に前記多孔膜にイオン性基含有ポリマーが溶解している溶液を充填し、溶媒を十分に乾燥させることで、目的とする複合高分子電解質膜が得られる。
A desirable method for producing the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is as follows. First, a solution of an ionic group-free polymer cast at a predetermined thickness by a casting method or the like is immersed in a poor solvent for the ionic group-free polymer to prepare a porous film by phase separation.
The porosity and thickness of the porous membrane are not particularly limited, but from the balance of proton conductivity and reinforcing effect, the porosity is preferably 40 to 90% and the thickness is preferably 10 to 100 μm. If the porosity is less than 40%, the filling rate of the ionic group-containing polymer may be insufficient and the proton conductivity may decrease, and if it exceeds 90%, the reinforcing effect of the ionic group-free polymer is exhibited. This is because it becomes difficult. If the thickness is less than 10 μm, handling becomes difficult, and if it exceeds 100 μm, the resistance of the film may be too high.
The obtained porous film is sufficiently washed with water to remove the solvent and then dried. Next, the target composite polymer electrolyte membrane is obtained by filling the porous membrane with a solution in which the ionic group-containing polymer is dissolved and sufficiently drying the solvent.
その際、イオン性基非含有ポリマー溶液やイオン性基含有ポリマー溶液、貧溶媒の組成、温度などは限定されるものではなく、プロセス性や作製したい複合高分子電解質膜の仕様に合わせて適宜決定すればよい。例えば、イオン性基含有ポリマー溶液に少量の貧溶媒を添加しておいて、イオン性基非含有ポリマー多孔膜の溶解の程度を制御することもできる。また、イオン性基非含有ポリマー溶液から多孔膜を形成する際、多孔化を促進するために、イオン性基非含有ポリマーの貧溶媒に溶解する成分を、イオン性基非含有ポリマー溶液に加えておいてもよい。また、イオン性基含有ポリマー溶液の多孔膜の充填には、真空含浸、加圧充填等を用いた方が、気泡の残留がなく望ましい。 At that time, the ionic group-free polymer solution, the ionic group-containing polymer solution, the composition of the poor solvent, the temperature, etc. are not limited, and are appropriately determined according to the specifications of the processability and the composite polymer electrolyte membrane to be produced. do it. For example, by adding a small amount of a poor solvent to the ionic group-containing polymer solution, the degree of dissolution of the ionic group-free polymer porous membrane can be controlled. In addition, when forming a porous film from an ionic group-free polymer solution, in order to promote porosity, a component that dissolves in a poor solvent of the ionic group-free polymer is added to the ionic group-free polymer solution. It may be left. Also, for filling the porous film of the ionic group-containing polymer solution, it is desirable to use vacuum impregnation, pressure filling, or the like because no bubbles remain.
本発明の複合高分子電解質膜におけるイオン性基非含有ポリマーの充填率は、40〜90%が好ましく、65〜85%がより好ましい。充填率が、40%未満であるとプロトン伝導性が不足することがあり、90%を超えると補強効果が発揮されないことがある。 The filling rate of the ionic group-free polymer in the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 40 to 90%, more preferably 65 to 85%. When the filling rate is less than 40%, proton conductivity may be insufficient, and when it exceeds 90%, the reinforcing effect may not be exhibited.
なお、これらのイオン性基非含有ポリマー多孔膜とイオン性基含有ポリマーとを複合する複合高分子電解質膜の製造法において、イオン性基非含有ポリマー溶液のキャスト、相分離、水洗、乾燥及びイオン性基含有ポリマー溶液の充填、乾燥は連続的に行うことも、それぞれ断続的に行うことも可能である。 In the method for producing a composite polymer electrolyte membrane in which these ionic group-free polymer porous membrane and ionic group-containing polymer are combined, casting, phase separation, water washing, drying and ionization of the ionic group-free polymer solution The filling and drying of the functional group-containing polymer solution can be performed continuously or intermittently.
本発明の膜/電極接合体は、本発明の高分子電解質膜を電極触媒層と接合することによって得ることができる。
本発明における電極とは、電極材料と、その表面に形成された触媒を含む層(電極触媒層)とからなり、電極材料としては、公知の材料を用いることができる。例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料を用いることができるが、それらに限定されるものではない。カーボンペーパーやカーボンクロスなど、導電性の多孔質材料は、撥水処理、親水処理などの表面処理がされたものを用いることもできる。触媒には、公知の材料を用いることができる。例えば、白金、白金とルテニウムなどの合金などを挙げることができるが、それらに限定されるものではない。
触媒は公知の任意の形態で用いることができ、例えば触媒微粒子を坦持させたカーボン粒子を用いることができるが、それらに限定されるものではない。
触媒や触媒を坦持した粒子を含む電極触媒層には、接着剤を用いることができ、接着剤としては、プロトン伝導性を有する樹脂を用いることができる。
The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by bonding the polymer electrolyte membrane of the present invention to an electrode catalyst layer.
The electrode in the present invention comprises an electrode material and a layer (electrode catalyst layer) containing a catalyst formed on the surface thereof, and a known material can be used as the electrode material. For example, a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth can be used, but is not limited thereto. As the conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth, a material subjected to surface treatment such as water repellent treatment or hydrophilic treatment can be used. A known material can be used for the catalyst. For example, platinum, an alloy of platinum and ruthenium, and the like can be given, but the invention is not limited to them.
The catalyst can be used in any known form, and for example, carbon particles carrying catalyst fine particles can be used, but are not limited thereto.
An adhesive can be used for the catalyst and the electrode catalyst layer including the particles carrying the catalyst, and as the adhesive, a resin having proton conductivity can be used.
膜/電極接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し高分子電解質膜と電極触媒層とを接着する方法又は高分子電解質膜と電極触媒層とを加熱加圧する方法等がある。接着剤としては、ナフィオン(商品名)溶液など公知のものを用いてもよいし、本発明の複合高分子電解質膜を構成するイオン性基含有ポリマーを主成分としたものを用いてもよいし、他の炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを主成分とするものを用いてもよい。接合体を作製する方法は、接着剤と触媒を含む組成物を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。本発明の複合高分子電解質膜においては、イオン性基含有ポリマーが適度な軟化温度を有するため、加圧加熱によって高分子電解質膜と電極とを接合する方法が特に適している。 As a method for producing a membrane / electrode assembly, a conventionally known method can be used. For example, a method of applying an adhesive to the electrode surface and bonding the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer or a polymer There is a method of heating and pressurizing the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. As the adhesive, a known material such as a Nafion (trade name) solution may be used, or an adhesive mainly containing an ionic group-containing polymer constituting the composite polymer electrolyte membrane of the present invention may be used. Those having other hydrocarbon proton conductive polymers as a main component may also be used. The method for producing the joined body is preferably a method in which a composition containing an adhesive and a catalyst is applied to the electrode surface and adhered. In the composite polymer electrolyte membrane of the present invention, since the ionic group-containing polymer has an appropriate softening temperature, a method of joining the polymer electrolyte membrane and the electrode by pressure heating is particularly suitable.
本発明の燃料電池は、本発明の高分子電解質膜又は高分子電解質膜/電極接合体を用いて作製することができる。本発明の燃料電池は、例えば酸素極と、燃料極と、それぞれの極に挟まれて配置された高分子電解質膜と、酸素極側に設けられた酸化剤の流路と、燃料極側に設けられた燃料の流路を有するものである。このような一つの単位セルを導電性のセパレーターで連結することによって燃料電池スタックを得ることができる。 The fuel cell of the present invention can be produced using the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention. The fuel cell of the present invention includes, for example, an oxygen electrode, a fuel electrode, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrodes, an oxidant flow path provided on the oxygen electrode side, and a fuel electrode side. The fuel flow path is provided. A fuel cell stack can be obtained by connecting such unit cells with a conductive separator.
以下、本発明を、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
<高分子電解質膜の評価方法>
以下に高分子電解質膜の評価方法を示す。なお評価するに際しては、特別な記載がない限り、厚みや質量を正確に測ることを目的とし、室温が20℃で相対湿度が30±5RH%にコントロールされた測定室内で評価を行った。なお測定に際してサンプルは、24時間以上、測定室内で静置したものを使用した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<Polymer electrolyte membrane evaluation method>
The evaluation method of a polymer electrolyte membrane is shown below. In the evaluation, unless otherwise specified, the evaluation was performed in a measurement chamber in which the room temperature was controlled to 20 ° C. and the relative humidity was controlled to 30 ± 5 RH% for the purpose of accurately measuring the thickness and mass. In the measurement, a sample that was allowed to stand in a measurement chamber for 24 hours or more was used.
<複合高分子電解質膜のイオン性基含有ポリマー充填率>
複合高分子電解質膜のイオン性基含有ポリマー充填率は以下の方法により測定した。複合高分子電解質膜の目付けDc[g/m2]と、複合高分子電解質膜の作製に用いたのと同じ条件で製造した多孔膜にイオン性基含有ポリマーを複合化させずに乾燥させて測定した乾燥多孔膜の目付けDs[g/m2]とから、以下の計算によりイオン性基含有ポリマー充填率を求めた。
イオン性基含有ポリマー充填率[質量%]=(Dc−Ds)/Dc×100
<Filling ratio of ionic group-containing polymer in composite polymer electrolyte membrane>
The filling rate of the ionic group-containing polymer in the composite polymer electrolyte membrane was measured by the following method. The composite polymer electrolyte membrane weight per unit area Dc [g / m 2 ] and the porous membrane produced under the same conditions as those used for the production of the composite polymer electrolyte membrane were dried without compounding the ionic group-containing polymer. From the measured basis weight Ds [g / m 2 ] of the dried porous film, the filling rate of the ionic group-containing polymer was determined by the following calculation.
Filling ratio of ionic group-containing polymer [% by mass] = (Dc−Ds) / Dc × 100
<高分子電解質膜の厚み>
高分子電解質膜の厚みは、マイクロメーター(Mitutoyo 標準マイクロメーター 0−25mm 0.01mm)を用いて測定することにより求めた。測定は10箇所行い、その平均値を厚みとした。
<Thickness of polymer electrolyte membrane>
The thickness of the polymer electrolyte membrane was determined by measurement using a micrometer (Mitutoyo standard micrometer 0-25 mm 0.01 mm). Measurement was performed at 10 locations, and the average value was taken as the thickness.
<イオン導電性>
イオン導電性σは次のようにして測定した。自作測定用プローブ(ポリテトラフルロエチレン製)上で幅10mmの短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、25℃の水中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を15mmから45mmまで15mm間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Dr[Ω/cm]から下記の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ[S/cm2]=1/(膜幅[cm]×Dr)
<Ion conductivity>
Ionic conductivity σ was measured as follows. A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample with a width of 10 mm on a self-made measurement probe (made of polytetrafluoroethylene), and the sample is held in water at 25 ° C. The AC impedance was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The contact distance between the membrane and the platinum wire is measured by the following formula from the slope Dr [Ω / cm] of the straight line in which the distance between the electrodes is changed from 15 mm to 45 mm at 15 mm intervals and the distance between the electrodes and the measured resistance value are plotted. Canceled and calculated.
σ [S / cm 2 ] = 1 / (film width [cm] × Dr)
<イオン性基含有ポリマーの軟化温度>
下記の複合化用イオン性基含有ポリマー溶液A〜Dから作製した厚み50μm、5mm幅の酸型の膜を、チャック幅10mmで、50℃から250℃まで2℃/分で加熱しながら、10Hzの動歪を与えて動的粘弾性を、Rheogel E−4000(東機産業社製)を用いて測定した。E’が大きく低下する変曲点の温度を軟化温度とした。
<Softening temperature of ionic group-containing polymer>
10 Hz while heating an acid-type film having a thickness of 50 μm and a width of 5 mm prepared from the following ionic group-containing polymer solutions A to D for complexing at a chuck width of 10 mm from 50 ° C. to 250 ° C. at 2 ° C./min. The dynamic viscoelasticity was measured using Rheogel E-4000 (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.). The temperature at the inflection point at which E ′ greatly decreased was defined as the softening temperature.
<水素ガス透過率>
高分子電解質膜の水素ガス透過率は、以下の方法で測定した。高分子電解質膜を自作のガス透過率測定セル(有効直径20mm=有効面積約3.14cm2)にセットし、雰囲気を70℃に調整した上で、膜の一方の面側に水素ガス(70℃、相対湿度90%、流量40cc/分)、膜の反対面側に窒素ガス(70℃、相対湿度90%、流量40cc/分)を流した。水素ガスと窒素ガスいずれの圧力も1気圧(=76cmHg)と同圧に調整した。この状態で、高分子電解質膜を透過して窒素ガス中に拡散してくる水素ガス量を、ガスクロマトグラフを用いて経時的に測定し、一定となったときの値より算出した。
<Hydrogen gas permeability>
The hydrogen gas permeability of the polymer electrolyte membrane was measured by the following method. The polymer electrolyte membrane was set in a self-made gas permeability measuring cell (effective diameter 20 mm = effective area about 3.14 cm 2 ), the atmosphere was adjusted to 70 ° C., and hydrogen gas (70 C., relative humidity 90%, flow rate 40 cc / min), and nitrogen gas (70 ° C., relative humidity 90%, flow rate 40 cc / min) was allowed to flow on the opposite side of the membrane. The pressures of both hydrogen gas and nitrogen gas were adjusted to the same pressure as 1 atm (= 76 cmHg). In this state, the amount of hydrogen gas permeating through the polymer electrolyte membrane and diffusing into the nitrogen gas was measured over time using a gas chromatograph, and calculated from the value when it became constant.
<メタノール透過速度>
高分子電解質膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過率として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5モル/L(リットル)の濃度のメタノール水溶液に24時間浸漬した高分子電解質膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mLの5モル/L(リットル)の濃度のメタノール水溶液を、他方のセルに100mLの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、高分子電解質膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量を、ガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(高分子電解質膜の面積は、2.0cm2)。
<Methanol permeation rate>
The liquid fuel permeation rate of the polymer electrolyte membrane was measured as the methanol permeability by the following method. A polymer electrolyte membrane immersed in a 5 mol / L (liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched between H-type cells, and 100 mL of 5 mol / L (liter) methanol is placed on one side of the cell. The amount of methanol that diffuses into the ultrapure water through the polymer electrolyte membrane while injecting 100 mL of ultrapure water (18 MΩ · cm) into the other cell and stirring the cells on both sides at 25 ° C. Was calculated using a gas chromatograph (the area of the polymer electrolyte membrane was 2.0 cm 2 ).
<膨潤・収縮繰り返し試験方法及び耐久性評価方法>
高分子電解質膜の膨潤・収縮繰り返し試験及び耐久性は、以下の方法で測定した。高分子電解質膜を自作の膨潤・収縮繰り返し試験セル(有効径40mmφ=有効面積約12.6cm2)にセットし、雰囲気を75℃、相対湿度30%の恒温恒湿槽の中に放置する。その後、恒温恒湿槽中の相対湿度を30%から95%の間で繰り返し変化させ(サイクル時間は45分)、高分子電解質膜の経時的な水素ガス透過率、メタノール透過率の変化を50サイクルごとに300サイクルまで測定した。また、同時に高分子電解質膜の表面観察を行い、割れ、裂け、ピンホール等の有無を観察した。
<Swelling / Shrinkage Repeat Test Method and Durability Evaluation Method>
The swelling / contraction repeated test and durability of the polymer electrolyte membrane were measured by the following methods. The polymer electrolyte membrane is set in a self-made swelling / contraction repeated test cell (effective diameter 40 mmφ = effective area about 12.6 cm 2 ), and left in a constant temperature and humidity chamber at 75 ° C. and 30% relative humidity. Thereafter, the relative humidity in the constant temperature and humidity chamber is repeatedly changed between 30% and 95% (cycle time is 45 minutes), and changes in hydrogen gas permeability and methanol permeability over time of the polymer electrolyte membrane are changed to 50%. Each cycle was measured up to 300 cycles. At the same time, the surface of the polymer electrolyte membrane was observed for the presence of cracks, tears, pinholes, and the like.
<高分子電解質膜と電極との接合性;水素を燃料とする燃料電池(PEFC)>
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、市販の40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社 燃料電池用触媒 TEC10V40E)と、少量の超純水及びイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、カーボンペーパー(東レ社製 TGPH−060)に白金の付着量が0.5mg/cm2になるように均一に塗布・乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作製した。上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、高分子電解質膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、3MPaにて4分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃で、アノード及びカソードにそれぞれ75℃で加湿した水素と空気を供給して発電特性を評価した。開始直後における電流密度が0.5A/cm2における出力電圧を初期特性とした。また、耐久性評価として、1時間に1回の割合で開回路電圧を測定しつつ上記の条件で連続運転を行った。所定の時間発電した後で、高分子電解質/膜電極接合体を取り出し、高分子電解質膜と電極触媒層の剥離の有無を目視により判定した。高分子電解質膜と電極触媒層との間に剥離がないものを○、一部が剥離しているものを△、電極面積の半分以上が剥離しているものを×とした。
<Jointness between polymer electrolyte membrane and electrode; fuel cell using hydrogen as fuel (PEFC)>
After adding commercially available 40% Pt catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. Fuel Cell Catalyst TEC10V40E) and a small amount of ultrapure water and isopropanol to DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution, until uniform Stir to prepare a catalyst paste. The catalyst paste was uniformly applied and dried on carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. By sandwiching the polymer electrolyte membrane between the gas diffusion layers with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, pressurizing and heating at 130 ° C. and 3 MPa for 4 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. The joined body was assembled in an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and hydrogen and air humidified at 75 ° C. were supplied to the anode and the cathode at a cell temperature of 80 ° C., and the power generation characteristics were evaluated. The output voltage at a current density of 0.5 A / cm 2 immediately after the start was taken as the initial characteristics. Moreover, as durability evaluation, continuous operation was performed on said conditions, measuring an open circuit voltage at the rate of once per hour. After power generation for a predetermined time, the polymer electrolyte / membrane electrode assembly was taken out, and the presence or absence of peeling between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer was visually determined. The case where there was no peeling between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer was indicated by ◯, the case where a part was peeled, and the case where more than half of the electrode area was peeled.
<高分子電解質膜と電極との接合性;ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)>
Pt/Ru触媒担持カーボン(田中貴金属工業社 TEC61E54)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt/Ru触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が2.5:1になるように加えた。次いで撹拌してアノード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となるカーボンペーパー(東レ社製 TGPH−060)に白金の付着量が2mg/cm2になるようにスクリーン印刷により塗布乾燥して、アノード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。また、Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業社 TEC10V40E)に少量の超純水及びイソプロピルアルコールを加えて湿らせた後、デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液(品番:SE−20192)を、Pt触媒担持カーボンとナフィオンの質量比が2.5:1となるように加え、撹拌してカソード用触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施したカーボンペーパー(東レ社製 TGPH−060)に白金の付着量が1mg/cm2となるように塗布・乾燥して、カソード用電極触媒層付きカーボンペーパーを作製した。上記2種類の電極触媒層付きカーボンペーパーの間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により160℃、6MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込み、燃料電池発電試験機(東陽テクニカ社製)を用いて発電試験を行った。発電は、セル温度40℃で、アノード及びカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度空気ガス(80mL/min)と、5mol/Lの濃度のメタノール水溶液(1.5mL/min)とを供給しながら行った。所定の時間発電した後で、高分子電解質/膜電極接合体を取り出し、高分子電解質膜と電極触媒層の剥離の有無を目視により判定した。高分子電解質膜と電極触媒層との間に剥離がないものを○、一部が剥離しているものを△、電極面積の半分以上が剥離しているものを×とした。
<Jointness between polymer electrolyte membrane and electrode; direct methanol fuel cell (DMFC)>
After adding and dampening a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt / Ru catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC61E54), a DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192) is used. The Pt / Ru catalyst-supported carbon and Nafion were added so that the mass ratio was 2.5: 1. Next, stirring was performed to prepare an anode catalyst paste. This catalyst paste is applied to a carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) serving as a gas diffusion layer by screen printing so that the amount of platinum deposited is 2 mg / cm 2, and carbon paper with an electrode catalyst layer for anode Was made. Moreover, after adding and dampening a small amount of ultrapure water and isopropyl alcohol to Pt catalyst-supporting carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10V40E), a DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution (product number: SE-20192), A cathode catalyst paste was prepared by adding the Pt catalyst-carrying carbon and Nafion at a mass ratio of 2.5: 1 and stirring. This catalyst paste was applied and dried on carbon paper (TGPH-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) that had been subjected to water repellent treatment so that the amount of platinum deposited was 1 mg / cm 2. Produced. By sandwiching the membrane sample between the two types of carbon paper with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane sample, and pressurizing and heating at 160 ° C. and 6 MPa for 3 minutes by a hot press method, A membrane-electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and a power generation test was performed using a fuel cell power generation tester (manufactured by Toyo Technica). Power generation is performed while supplying a high-purity air gas (80 mL / min) adjusted to 40 ° C. and an aqueous methanol solution (1.5 mL / min) having a concentration of 5 mol / L to the anode and the cathode at a cell temperature of 40 ° C. went. After power generation for a predetermined time, the polymer electrolyte / membrane electrode assembly was taken out, and the presence or absence of peeling between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer was visually determined. The case where there was no peeling between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer was indicated by ◯, the case where a part was peeled, and the case where more than half of the electrode area was peeled.
<複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aの調製>
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号S−DCDPS) 100.00g、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN) 44.56g、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド(略号:BPS) 10.10g、4,4’−ビフェノール(略号:BP) 77.53g、炭酸カリウム 70.34g、N−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP) 630mL、トルエン120mLを窒素導入管、攪拌翼、ディーンスタークトラップ、温度計を取り付けた1000mL枝付きフラスコに入れ、オイルバス中で攪拌しつつ窒素気流下で加熱した。トルエンとの共沸による脱水を140℃で行った後、トルエンを全て留去した。その後200℃に昇温し、12時間加熱した。その後、室温まで冷却した溶液を2Lの純水に注ぎポリマーを再沈させた。濾過したポリマーは、沸騰水で3回、室温の純水で5回それぞれ洗浄した後、120℃で乾燥した。得られたポリマー100gと400gのN−メチル−2−ピロリドンを、窒素雰囲気下、80℃で5時間攪拌して得られた溶液を室温まで冷却し、ガラスフィルター(25G1)で吸引濾過して、複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aを得た。
<Preparation of ionic group-containing polymer solution A for conjugation>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation S-DCDPS) 100.00 g, 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 44.56 g, bis (4-hydroxyphenyl) Sulfide (abbreviation: BPS) 10.10 g, 4,4′-biphenol (abbreviation: BP) 77.53 g, potassium carbonate 70.34 g, N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) 630 mL, toluene 120 mL were introduced into nitrogen It put into the 1000 mL branch flask equipped with the pipe | tube, the stirring blade, the Dean-Stark trap, and the thermometer, and heated under nitrogen stream, stirring in an oil bath. After dehydration by azeotropy with toluene at 140 ° C., all toluene was distilled off. Thereafter, the temperature was raised to 200 ° C. and heated for 12 hours. Thereafter, the solution cooled to room temperature was poured into 2 L of pure water to reprecipitate the polymer. The filtered polymer was washed 3 times with boiling water and 5 times with pure water at room temperature, and then dried at 120 ° C. A solution obtained by stirring 100 g of the obtained polymer and 400 g of N-methyl-2-pyrrolidone at 80 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere was cooled to room temperature, and suction filtered through a glass filter (25G1). An ionic group-containing polymer solution A for complexation was obtained.
<複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Bの調製>
S−DCDPS 40.00g、DCBN 56.02g、BPS 71.09g、BP 15.16g、炭酸カリウム 61.90g、NMP 500mLを用いた他は、複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aの調製と同様にして複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Bを調製した。
<Preparation of ionic group-containing polymer solution B for conjugation>
S-DCDPS 40.00 g, DCBN 56.02 g, BPS 71.09 g, BP 15.16 g, potassium carbonate 61.90 g, and NMP 500 mL were used, as in the preparation of the ionic group-containing polymer solution A for conjugation. In this way, an ionic group-containing polymer solution B for conjugation was prepared.
<複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Cの調製>
S−DCDPS 35.00g、DCBN 26.04g、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(化学式17においてnが1〜8の成分を含む混合物でnの平均値は5である構造であるもの) (略号:BPE) 122.42g、炭酸カリウム 33.85g、NMP 550mLを用いた他は、複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aの調製と同様にして複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Cを調製した。
<Preparation of ionic group-containing polymer solution C for conjugation>
S-DCDPS 35.00 g, DCBN 26.04 g, terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (a mixture containing n of components 1 to 8 in chemical formula 17 and having an average n value of 5) (abbreviation: BPE) An ionic group-containing polymer solution C for complexation was prepared in the same manner as the preparation of the ionic group-containing polymer solution A for complexing except that 122.42 g, 33.85 g of potassium carbonate, and 550 mL of NMP were used.
<複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Dの調製>
4,4’−ジクロロ−3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−ベンゾフェノン(略号:S−DCBP) 75.00g、DCBN 39.14g、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン (略号:BHC) 10.53g、BP 65.74g、炭酸カリウム 59.64g、NMP 550mLを用いた他は、複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aの調製と同様にして複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Dを調製した。
<Preparation of ionic group-containing polymer solution D for conjugation>
Sodium 4,4′-dichloro-3,3′-disulfonate-benzophenone (abbreviation: S-DCBP) 75.00 g, 39.14 g of DCBN, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane (abbreviation: BHC) Except for using 10.53 g, 65.74 g of BP, 59.64 g of potassium carbonate, and 550 mL of NMP, the ionic group-containing polymer solution D for conjugation was prepared in the same manner as the preparation of the ionic group-containing polymer solution A for conjugation. Prepared.
<複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Eの調製>
複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aの調製と同様にして得られたイオン性基含有ポリマー100gと400gのγ−ブチロラクトンを、窒素雰囲気下、80℃で5時間攪拌して得られた溶液を室温まで冷却し、ガラスフィルター(25G1)で吸引濾過して、複合化用イオン性基含有ポリマー溶液を得た。
<Preparation of ionic group-containing polymer solution E for conjugation>
A solution obtained by stirring 100 g of an ionic group-containing polymer obtained in the same manner as the preparation of the ionic group-containing polymer solution A for complexing and 400 g of γ-butyrolactone in a nitrogen atmosphere at 80 ° C. for 5 hours. The solution was cooled to room temperature and suction filtered through a glass filter (25G1) to obtain a ionic group-containing polymer solution for conjugation.
<複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Fの調製>
S−DCDPS 80.00g、DCBN 37.13g、BP 70.52g、炭酸カリウム 57.58g、NMP 510mLを用いた他は、複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Aの調製と同様にして複合化用イオン性基含有ポリマー溶液Eを調製した。
<Preparation of ionic group-containing polymer solution F for conjugation>
Except for using S-DCDPS 80.00 g, DCBN 37.13 g, BP 70.52 g, potassium carbonate 57.58 g, and NMP 510 mL, the same as for the preparation of the ionic group-containing polymer solution A for conjugation An ionic group-containing polymer solution E was prepared.
<実施例1>
ポリアミドイミド樹脂溶液(東洋紡績株式会社製、商品名:バイロマックス、品番:HR11NN、有機溶媒:N−メチル−2−ピロリドン)100質量部にポリエチレングリコール#400を18質量部配合した溶液を室温の雰囲気下で188μmのポリエステルフィルム上にキャストし、水/N−メチル−2−ピロリドンが70/30の凝固浴(室温)に3分間浸漬し、水洗後、金属枠で固定して105℃で8分間乾燥して多孔質膜を作製した。さらに、この多孔質膜にイオン性基含有ポリマー溶液Aを12分間真空含浸した後、80℃で30分、110℃で30分、130℃で30分間処理した。その後、得られたフィルム状膜を剥離し、室温の純水に一晩浸漬した後、イオン性基の金属塩をプロトンに置換するため、室温の2モル硫酸に1時間ずつ2回浸漬した後、遊離の硫酸が検出されなくなるまで水洗した。その後、得られた膜をろ紙に挟み、さらにガラス板で両面を挟み、荷重をかけつつ、20℃、相対湿度30%RHの室内で2日間放置して乾燥し、複合高分子電解質膜を得た。得られた複合高分子電解質膜の厚みは51μmでイオン性基含有ポリマー充填率は72%であった。
<Example 1>
Polyamideimide resin solution (Toyobo Co., Ltd., trade name: Viromax, product number: HR11NN, organic solvent: N-methyl-2-pyrrolidone) 100 parts by mass of a solution obtained by blending 18 parts by mass of polyethylene glycol # 400 at room temperature Cast on a 188 μm polyester film in an atmosphere, soak in water / N-methyl-2-pyrrolidone in a 70/30 coagulation bath (room temperature) for 3 minutes, wash with water, fix with a metal frame, and The porous membrane was produced by drying for a minute. Further, this porous membrane was vacuum impregnated with the ionic group-containing polymer solution A for 12 minutes and then treated at 80 ° C. for 30 minutes, 110 ° C. for 30 minutes, and 130 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the obtained film-like film was peeled off, immersed in pure water at room temperature overnight, and then immersed in 2 mol sulfuric acid at room temperature twice for 1 hour in order to replace the metal salt of the ionic group with proton. Washed with water until no free sulfuric acid was detected. Thereafter, the obtained membrane is sandwiched between filter papers, both sides are further sandwiched between glass plates, and dried while standing for 2 days in a room at 20 ° C. and a relative humidity of 30% RH while applying a load to obtain a composite polymer electrolyte membrane. It was. The obtained composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 51 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 72%.
<実施例2>
イオン性基含有ポリマー溶液Aの代わりに、イオン性基含有ポリマー溶液Bを用いた他は、実施例1と同様にして、複合高分子電解質膜を作製した。得られた複合高分子電解質膜の厚みは52μmでイオン性基含有ポリマー充填率は71%であった。
<Example 2>
A composite polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the ionic group-containing polymer solution B was used instead of the ionic group-containing polymer solution A. The resulting composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 52 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 71%.
<実施例3>
イオン性基含有ポリマー溶液Aの代わりに、イオン性基含有ポリマー溶液Cを用いた他は、実施例1と同様にして、複合高分子電解質膜を作製した。得られた複合高分子電解質膜の厚みは49μmでイオン性基含有ポリマー充填率は73%であった。
<Example 3>
A composite polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the ionic group-containing polymer solution C was used instead of the ionic group-containing polymer solution A. The obtained composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 49 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 73%.
<実施例4>
イオン性基含有ポリマー溶液Aの代わりに、イオン性基含有ポリマー溶液Dを用いた他は、実施例1と同様にして、複合高分子電解質膜を作製した。得られた複合高分子電解質膜の厚みは50μmでイオン性基含有ポリマー充填率は72%であった。
<Example 4>
A composite polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the ionic group-containing polymer solution D was used instead of the ionic group-containing polymer solution A. The obtained composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 50 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 72%.
<実施例5>
イオン性基含有ポリマー溶液Aの代わりに、イオン性基含有ポリマー溶液Dを用いた他は、実施例1と同様にして、複合高分子電解質膜を作製した。得られた複合高分子電解質膜の厚みは52μmでイオン性基含有ポリマー充填率は73%であった。
<Example 5>
A composite polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the ionic group-containing polymer solution D was used instead of the ionic group-containing polymer solution A. The obtained composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 52 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 73%.
<比較例1>
ポリベンズオキサゾール繊維(東洋紡績株式会社製、商品名:ザイロン、品番:AS)をメタンスルホン酸に溶解し1.5質量%のポリマー溶液を作製した。得られたポリベンズオキサゾール樹脂溶液を、70℃に加熱したガラス板上にキャストした後、25℃、相対湿度80%の恒温恒湿槽中に置いて1時間凝固し、水洗を行い、多孔膜を作製した。得られた多孔膜を用いた他は、実施例1と同様にして、複合高分子電解質膜を作製した。得られた複合高分子電解質膜の厚みは51μmでイオン性基含有ポリマー充填率は71%であった。
<Comparative Example 1>
Polybenzoxazole fiber (manufactured by Toyobo Co., Ltd., trade name: Zylon, product number: AS) was dissolved in methanesulfonic acid to prepare a 1.5% by mass polymer solution. The resulting polybenzoxazole resin solution was cast on a glass plate heated to 70 ° C., placed in a constant temperature and humidity chamber at 25 ° C. and 80% relative humidity, solidified for 1 hour, washed with water, and porous film Was made. A composite polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained porous membrane was used. The obtained composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 51 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 71%.
<比較例2>
イオン性基含有ポリマー溶液Aの代わりに、イオン性基含有ポリマー溶液Eを用いた他は、実施例1と同様にして、複合高分子電解質膜を作製した。得られた複合高分子電解質膜の厚みは50μmでイオン性基含有ポリマー充填率は71%であった。
<Comparative example 2>
A composite polymer electrolyte membrane was produced in the same manner as in Example 1 except that the ionic group-containing polymer solution E was used instead of the ionic group-containing polymer solution A. The resulting composite polymer electrolyte membrane had a thickness of 50 μm and an ionic group-containing polymer filling rate of 71%.
<比較例3〜6>
イオン性基含有ポリマー溶液A〜Dを、それぞれ室温の雰囲気下で188μmポリエステルフィルム上に500μmの厚みにキャストし、80℃で30分、100℃で30分、130℃で30分間処理した。その後、得られたフィルム状膜を剥離し、室温の純水に一晩浸漬した後、イオン性基の金属塩をプロトンに置換するため、室温の2モル硫酸に1時間ずつ2回浸漬し、遊離の硫酸が検出されなくなるまで水洗した。その後、得られた膜をろ紙に挟み、さらにガラス板で両面を挟み、荷重をかけつつ、20℃、相対湿度30%RHの室内で2日間放置して乾燥し、イオン性基含有ポリマーのみからなる高分子電解質膜を得た。
実施例及び比較例で得られた高分子電解質膜の評価結果を表1〜5に示す。
<Comparative Examples 3-6>
Each of the ionic group-containing polymer solutions A to D was cast to a thickness of 500 μm on a 188 μm polyester film under an atmosphere at room temperature, and treated at 80 ° C. for 30 minutes, 100 ° C. for 30 minutes, and 130 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the obtained film-like film was peeled off and immersed in pure water at room temperature overnight, and then immersed in 2 molar sulfuric acid at room temperature twice for 1 hour in order to replace the metal salt of the ionic group with protons. Wash with water until no free sulfuric acid was detected. After that, the obtained film is sandwiched between filter papers, both sides are sandwiched between glass plates, and dried with leaving a load in a room at 20 ° C. and a relative humidity of 30% RH for 2 days. A polymer electrolyte membrane was obtained.
The evaluation result of the polymer electrolyte membrane obtained by the Example and the comparative example is shown to Tables 1-5.
表1〜5から、本発明の複合高分子電解質膜は、高分子電解質膜の膨潤・収縮繰り返し試験においても、経時的な水素ガス透過率、メタノール透過率の変化がほとんど認められず、また、高分子電解質膜の表面観察では、割れ、裂け、ピンホール等も認められなかった。さらに燃料電池に用いて所定時間発電した後も高分子電解質膜と電極触媒層との剥離も認められなかった。したがって、本発明の複合高分子電解質膜は、比較例のものに比べて著しく耐久性が向上していることが分かる。 From Tables 1 to 5, the composite polymer electrolyte membrane of the present invention shows almost no change in hydrogen gas permeability and methanol permeability over time in the swelling / shrinkage repetition test of the polymer electrolyte membrane, In the surface observation of the polymer electrolyte membrane, no cracks, tears, pinholes, etc. were observed. Further, no peeling between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer was observed even after power generation for a predetermined time using the fuel cell. Therefore, it can be seen that the composite polymer electrolyte membrane of the present invention is significantly improved in durability as compared with the comparative example.
本発明の複合高分子電解質膜は、燃料電池に用いて長時間発電した際にも高分子電解質膜と電極触媒層との剥離が生じず、耐久性に優れた高分子電解質膜、耐久性に優れた燃料電池が提供できる。本発明の複合高分子電解質膜により、水素やメタノール水溶液を燃料とする燃料電池の実用性が大幅に向上することが期待でき、産業界の発展に寄与するところ大である。 The composite polymer electrolyte membrane of the present invention does not cause separation between the polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer even when power is used for a long time in a fuel cell. An excellent fuel cell can be provided. The composite polymer electrolyte membrane of the present invention can be expected to greatly improve the practicality of a fuel cell using hydrogen or a methanol aqueous solution as a fuel, which greatly contributes to the development of industry.
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