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JP2007042573A - POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL - Google Patents

POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR SOLID POLYMER FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL Download PDF

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JP2007042573A
JP2007042573A JP2005374830A JP2005374830A JP2007042573A JP 2007042573 A JP2007042573 A JP 2007042573A JP 2005374830 A JP2005374830 A JP 2005374830A JP 2005374830 A JP2005374830 A JP 2005374830A JP 2007042573 A JP2007042573 A JP 2007042573A
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JP
Japan
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carbon
electrolyte membrane
group
polymer
polymer block
Prior art date
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Pending
Application number
JP2005374830A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Nakai
慎二 中井
Hiroyuki Oki
弘之 大木
Takashi Yamashita
山下  隆
Tomohiro Ono
友裕 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kuraray Co Ltd
Original Assignee
Kuraray Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】経済的で、環境に優しく、成形性及び酸化安定性に優れた固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜並びにそれを用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池の提供。
【解決手段】α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、重合体ブロック(A)が1価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、及び/又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該高分子電解質膜、並びに膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池。
Provided are a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell that is economical, environmentally friendly and excellent in moldability and oxidation stability, and a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane. .
A block copolymer comprising a polymer block (A) having an aromatic vinyl compound unit in which α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit and a flexible polymer block (B) as constituents. A polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the polymer block (A) has a monovalent anion conductive group or a polyvalent anion conductive group is a polymer block (A). The polymer electrolyte membrane is bonded in a form that crosslinks and / or a polyvalent anion conductive group is bonded in a form that crosslinks the aromatic vinyl compound units in the polymer block (A). And membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells.

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane, and a polymer electrolyte fuel cell.

近年、エネルギー・環境問題の抜本的解決策として、さらには将来の水素エネルギー時代の中心的エネルギー変換システムとして、燃料電池技術は、これら新エネルギー技術の柱の1つとして数えられている。特に固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、小型軽量化などの観点から、電気自動車用の駆動電源や携帯機器用の電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭据置き用の電源機器などへの適用が検討されている。   In recent years, fuel cell technology has been counted as one of the pillars of these new energy technologies as a fundamental solution to energy and environmental problems, and as a central energy conversion system in the future hydrogen energy era. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are used for stationary power sources that use both electric power and heat, as well as power sources for electric vehicles and portable devices, from the viewpoint of miniaturization and weight reduction. Application to other power supply devices is under consideration.

固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜の両側に、白金属の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるカチオン伝導性バインダーとを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス(例えば空気)を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極(燃料極)に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   A polymer electrolyte fuel cell is generally configured as follows. First, catalyst layers containing carbon powder carrying a white metal catalyst and a cation conductive binder made of a polymer electrolyte are respectively formed on both sides of a polymer electrolyte membrane having proton conductivity. A gas diffusion layer, which is a porous material through which fuel gas and oxidant gas are passed, is formed outside each catalyst layer. Carbon paper, carbon cloth, or the like is used as the gas diffusion layer. A structure in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes is bonded to the electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly ( MEA (Membrane Electrode Assembly). On both sides of this membrane-electrode assembly, separators having electrical conductivity and airtightness are disposed. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas (for example, air) to the electrode surface is formed in a contact portion of the membrane-electrode assembly and the separator or in the separator. Electric power is generated by supplying a fuel gas such as hydrogen or methanol to one electrode (fuel electrode) and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode). That is, at the fuel electrode, the fuel is ionized to produce protons and electrons, the protons pass through the electrolyte membrane, the electrons travel through an external electric circuit formed by connecting both electrodes, and are sent to the oxygen electrode, Water is produced by the reaction. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

また、このようなプロトン交換型燃料電池に対して、アニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用するアニオン交換型燃料電池(アニオンは通常水酸化物イオン)も検討されている。アニオン交換型燃料電池は、酸素極における過電圧が低減されることが知られており、エネルギー効率の向上が期待されている。また燃料としてメタノールを用いる場合、メタノールが電極間で電解質膜を透過してしまうメタノールクロスオーバーが低減されると言われている。この場合の固体高分子型燃料電池の構成はプロトン伝導性膜及びプロトン伝導性バインダーに代えてアニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用する以外、基本的にはプロトン交換型燃料電池の場合と同様であり、電気エネルギー発生の機構としては、酸素極では酸素と水と電子とが反応して水酸化物イオンが生じ、水酸化物イオンはアニオン伝導性膜を通り燃料極で水素と反応して水と電子を生じ、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極に送られ、再び酸素及び水と反応して水酸化物イオンを生じる。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。   For such a proton exchange type fuel cell, an anion exchange type fuel cell using an anion conductive membrane and an anion conductive binder (anion is usually a hydroxide ion) has been studied. An anion exchange fuel cell is known to reduce overvoltage at the oxygen electrode, and is expected to improve energy efficiency. In addition, when methanol is used as the fuel, it is said that methanol crossover in which methanol permeates the electrolyte membrane between the electrodes is reduced. The structure of the polymer electrolyte fuel cell in this case is basically the same as that of the proton exchange type fuel cell except that an anion conductive membrane and an anion conductive binder are used instead of the proton conductive membrane and the proton conductive binder. Similarly, the mechanism of electric energy generation is that oxygen, water, and electrons react at the oxygen electrode to generate hydroxide ions, and the hydroxide ions react with hydrogen at the fuel electrode through the anion conductive membrane. Thus, water and electrons are generated, and the electrons move through an external electric circuit formed by connecting both electrodes and are sent to the oxygen electrode, and react with oxygen and water again to generate hydroxide ions. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.

プロトン交換型燃料電池で用いる高分子電解質膜としては、化学的に安定であるという理由からパーフルオロスルホン酸系高分子であるナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標。以下同様)が一般的に用いられている。しかし、ナフィオンはフッ素系のポリマーであるため非常に高価である。また、ナフィオンについては、燃料としてメタノールを用いる場合、メタノールが一方の電極側から他方の電極側へ電解質膜を透過してしまう現象(メタノールクロスオーバー)が生じやすいという問題がある。また、含フッ素系ポリマーは、フッ素を含有しており、合成および廃棄時に環境への配慮が必要となってくる。   As a polymer electrolyte membrane used in a proton exchange type fuel cell, Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer, is generally used because it is chemically stable. It has been. However, since Nafion is a fluorine-based polymer, it is very expensive. Further, Nafion has a problem that when methanol is used as a fuel, a phenomenon (methanol crossover) in which methanol permeates the electrolyte membrane from one electrode side to the other electrode side occurs. In addition, the fluorine-containing polymer contains fluorine, and environmental considerations are required during synthesis and disposal.

このような背景から非フッ素系ポリマーをベースとしたカチオン伝導性高分子電解質膜の開発が試みられてきた。例えば、ポリスチレンスルホン酸系高分子電解質膜が、1950年代に米国General Electric社により開発された固体高分子型燃料電池に用いられた例があるが、従来検討されたものでは燃料電池の動作環境下において、十分な安定性が無いため、十分な電池寿命を得るには至らなかった。   From such a background, attempts have been made to develop a cation conductive polymer electrolyte membrane based on a non-fluorine polymer. For example, there is an example in which a polystyrene sulfonic acid polymer electrolyte membrane is used in a solid polymer fuel cell developed by General Electric in the United States in the 1950s. However, since there was not sufficient stability, sufficient battery life could not be obtained.

また、耐熱性の芳香族ポリエーテルケトンのスルホン化体からの電解質膜が提案されている(特許文献1)。
また、スチレンとゴム成分とからなるブロック共重合体のポリスチレンブロックをスルホン化することにより、ポリスチレンブロックをカチオン伝導性チャンネルとした構造が提案されている。例えば、安価で、機械的、化学的に安定な高分子電解質膜として、SEBS(ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体の略)のスルホン化体からなるカチオン伝導膜が提案されている(特許文献2)。
また、化学的安定性に優れるイソブチレン骨格をゴム成分としたSiBuS(ポリスチレン−ポリイソブチレン−ポリスチレントリブロック共重合体の略)のスルホン化体からなるカチオン伝導膜が提案されている(特許文献3)。
Moreover, an electrolyte membrane from a sulfonated aromatic polyether ketone sulfonate has been proposed (Patent Document 1).
Further, a structure in which a polystyrene block is made into a cation conductive channel by sulfonated polystyrene block of a block copolymer composed of styrene and a rubber component has been proposed. For example, as a cheap, mechanically and chemically stable polymer electrolyte membrane, a cation conductive membrane made of a sulfonated product of SEBS (polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer) is proposed. (Patent Document 2).
Further, there has been proposed a cation conductive membrane made of a sulfonated product of SiBuS (abbreviation of polystyrene-polyisobutylene-polystyrene triblock copolymer) having an isobutylene skeleton having excellent chemical stability as a rubber component (Patent Document 3). .

一方、アニオン交換型燃料電池で使用されるアニオン伝導性高分子電解質膜としては、含フッ素ポリマーからなる基材に、アニオン交換基を有するモノマーを放射線グラフト重合させたものが提案されている(特許文献4)。
また、アニオン伝導性高分子電解質膜として、芳香族ポリスルホン−ポリチオエーテルスルホン共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られる樹脂を製膜した電解質膜が提案されている(特許文献5)。
また、アニオン伝導性高分子電解質膜として、ポリスチレンブロックとポリオレフィンブロックからなる共重合体に第4級アンモニウム基を導入したものからなるアニオン交換体が提案され(特許文献6)、ポリスチレンブロックとポリオレフィンブロックからなる共重合体同士を多価アミンで結合したアニオン交換体が提案されている(特許文献7)。
On the other hand, an anion conductive polymer electrolyte membrane used in an anion exchange type fuel cell has been proposed in which a monomer having an anion exchange group is subjected to radiation graft polymerization on a base material made of a fluorine-containing polymer (patent) Reference 4).
Moreover, as an anion conductive polymer electrolyte membrane, an electrolyte membrane obtained by forming a resin obtained by aminating a chloromethylated product of an aromatic polysulfone-polythioethersulfone copolymer has been proposed (Patent Document 5).
In addition, an anion exchanger made by introducing a quaternary ammonium group into a copolymer consisting of a polystyrene block and a polyolefin block has been proposed as an anion conductive polymer electrolyte membrane (Patent Document 6), and the polystyrene block and the polyolefin block. There has been proposed an anion exchanger in which copolymers made of these are bonded with a polyvalent amine (Patent Document 7).

特開平6−93114号公報JP-A-6-93114 特表平10−503788号公報Japanese National Patent Publication No. 10-503788 特開2001−210336号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210336 特開2000−331693号公報JP 2000-331693 A 特開平11−273695号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-273695 特許第2735693号明細書Japanese Patent No. 2735693 特許第2996752号明細書Japanese Patent No. 2996752

しかし、従来のカチオン伝導性高分子電解質膜に関し、特許文献1に記載された芳香族ポリエーテルケトンのスルホン化体はカチオン伝導性が十分ではないため、燃料電池としての性能は十分なものではない。また、カチオン伝導性を高めるためスルホン化量を増やすと膜が脆くなり、取り使いが非常に困難になる。また、特許文献2に記載されたSEBS(ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体)のスルホン化体は、我々が実際に試験した結果、耐ラジカル性が充分でないことが明らかとなった。これは、この膜を燃料電池に使用した際に、運転可能時間が限定されることを示している。また、特許文献3については、特許文献2で提案されているスルホン化SEBSに比較して、スルホン化SiBuSの方が化学的安定性が高いことが、特許文献3において示されているが、化学的安定性の指標であるフェントン反応後のイオン交換量は約1/2に低減しており、その化学的安定性は必ずしも十分とは言えなかったのが実情である。   However, regarding the conventional cation conductive polymer electrolyte membrane, the sulfonated aromatic polyether ketone described in Patent Document 1 does not have sufficient cation conductivity, so that the performance as a fuel cell is not sufficient. . In addition, if the amount of sulfonation is increased in order to increase the cation conductivity, the membrane becomes brittle and the handling becomes very difficult. In addition, as a result of our actual tests, the sulfonated product of SEBS (polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer) described in Patent Document 2 is clearly insufficient in radical resistance. It became. This indicates that when this membrane is used in a fuel cell, the operable time is limited. In addition, regarding Patent Document 3, it is shown in Patent Document 3 that sulfonated SiBuS has higher chemical stability than sulfonated SEBS proposed in Patent Document 2. The amount of ion exchange after the Fenton reaction, which is an index of mechanical stability, has been reduced to about ½, and the chemical stability is not necessarily sufficient.

一方、従来のアニオン伝導性高分子電解質膜に関し、特許文献4に記載された含フッ素ポリマー系電解質膜はナフィオンと同様の欠点を有する。また、特許文献5に記載された芳香族ポリスルホン−ポリチオエーテルスルホン共重合体由来の電解質膜は、水との親和性が高く、発電中の反応ガスに含まれる湿気や酸素極の生成水により、電解質膜自体の劣化が進行して十分な運転時間を確保できないという問題点を有する。また、特許文献6や特許文献7に記載されたポリスチレンブロックとポリオレフィンブロックからなる共重合体由来の電解質膜は、酸化安定性が充分でない
このように、経済的でかつ耐久性の高い、改善された固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜は提案されていないのが実情である
On the other hand, regarding a conventional anion conductive polymer electrolyte membrane, the fluorine-containing polymer electrolyte membrane described in Patent Document 4 has the same drawbacks as Nafion. In addition, the electrolyte membrane derived from the aromatic polysulfone-polythioether sulfone copolymer described in Patent Document 5 has a high affinity with water, and due to moisture contained in the reaction gas during power generation and generated water of the oxygen electrode, There is a problem in that the deterioration of the electrolyte membrane itself proceeds and a sufficient operation time cannot be secured. Further, the electrolyte membrane derived from the copolymer composed of the polystyrene block and the polyolefin block described in Patent Document 6 and Patent Document 7 is not sufficient in oxidation stability. Thus, it is economical and highly durable and improved. In fact, no polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cells has been proposed.

本発明の目的は、経済的で、環境に優しく、成形性に優れ、かつ、酸化安定性ひいては耐久性に優れる固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜、並びに該電解質膜を用いた膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell that is economical, environmentally friendly, excellent in moldability, excellent in oxidation stability and consequently in durability, and a membrane using the electrolyte membrane- An electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell are provided.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とし、重合体ブロック(A)にアニオン伝導性基を結合させたブロック共重合体が固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜として上記目的を満たすことを見出し、本発明を完成した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a polymer block (A) having a repeating unit of an aromatic vinyl compound whose α-carbon is a quaternary carbon and a flexible polymer It was found that a block copolymer comprising a block (B) as a constituent component and an anion conductive group bonded to the polymer block (A) satisfies the above object as a polymer electrolyte membrane for a solid polymer fuel cell. Completed the invention.

すなわち、本発明は、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、重合体ブロック(A)が1価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、及び/又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該高分子電解質膜に関する。   That is, the present invention relates to a block copolymer composed of a polymer block (A) whose main repeating unit is an aromatic vinyl compound unit whose α-carbon is a quaternary carbon and a flexible polymer block (B). A polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell containing a polymer, wherein the polymer block (A) has a monovalent anion conductive group or a polyvalent anion conductive group is a polymer block (A ) Which are bonded in a form that crosslinks each other and / or in which a polyvalent anion conductive group is bonded in a form that crosslinks the aromatic vinyl compound units in the polymer block (A). The present invention relates to an electrolyte membrane.

上記ブロック共重合体において、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はアニオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合により連続相(イオンチャンネル)が形成され、アニオン(通常、水酸化物イオン)の通り道となる。また、重合体ブロック(B)の存在により、ブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。フレキシブルな重合体ブロック(B)はアルケン単位や共役ジエン単位などから構成される。   In the block copolymer, the polymer block (A) and the polymer block (B) undergo microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) are aggregated. In addition, since the polymer block (A) has an anion conductive group, a continuous phase (ion channel) is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for anions (usually hydroxide ions). Further, the presence of the polymer block (B) makes the block copolymer elastic and flexible as a whole, and formability (assembly property, bonding property) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. Performance, tightenability, etc.). The flexible polymer block (B) is composed of an alkene unit or a conjugated diene unit.

α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位はα位の炭素原子に結合した水素原子がアルキル基、ハロゲン化アルキル基又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位などを包含する。   The aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon includes an aromatic vinyl compound unit in which the hydrogen atom bonded to the α-position carbon atom is substituted with an alkyl group, a halogenated alkyl group or a phenyl group. To do.

また、アニオン伝導性基は重合体ブロック(A)に結合しているが、このことは酸化安定性の向上のため必要である。
アニオン伝導性基はそれぞれ対イオンを伴った、炭素数1〜8のアルキル基で置換されていてもよいアンモニウム基、窒素原子に結合したメチル基もしくはエチル基を有するピリジニウム基もしくは酸と塩を形成したピリジル基、窒素原子に結合したメチル基もしくはエチル基を有するイミダゾリウム基もしくは酸と塩を形成したイミダゾリル基、メチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいホスホニウム基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいエチレンジアミンの2つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価もしくは2価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいトリ〜ヘキサメチレンジアミンの2つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価もしくは2価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されたメチレンジアミンの2つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価もしくは2価の基、窒素原子に結合した水素原子がメチル基もしくはエチル基で置換されていてもよいジエチレン(もしくはビス(トリメチレン))トリアミンの3つの窒素原子の少なくとも1つから結合手が出ている1価、2価もしくは3価の基等を包含する。
The anion conductive group is bonded to the polymer block (A), which is necessary for improving the oxidation stability.
Each anion-conducting group forms a salt with an ammonium group which may be substituted with a C1-C8 alkyl group, a methyl group or an ethyl group bonded to a nitrogen atom, or an acid with a counter ion. Pyridyl group, imidazolium group having methyl or ethyl group bonded to nitrogen atom, imidazolyl group forming salt with acid, phosphonium group optionally substituted with methyl group or ethyl group, hydrogen bonded to nitrogen atom A monovalent or divalent group in which a bond is derived from at least one of two nitrogen atoms of ethylenediamine optionally substituted with a methyl group or an ethyl group, and a hydrogen atom bonded to the nitrogen atom is a methyl group or At least two nitrogen atoms of tri-hexamethylenediamine optionally substituted with an ethyl group A bond is drawn from at least one of two nitrogen atoms of a monovalent or divalent group in which a bond is drawn from one or a methylenediamine in which a hydrogen atom bonded to a nitrogen atom is substituted with a methyl group or an ethyl group. Bonded from at least one of the three nitrogen atoms of diethylene (or bis (trimethylene)) triamine in which the hydrogen atom bonded to the nitrogen atom may be substituted with a methyl group or an ethyl group Includes monovalent, divalent or trivalent groups that are available.

本発明はまた、上記電解質膜を用いた膜−電極接合体及び燃料電池に関する。   The present invention also relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the above electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜、膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池は経済的で、環境に優しく、酸化安定性ひいては耐久性に優れ、かつ、高温条件下でも十分に機能を発揮する。本発明の高分子電解質膜は、また、成形性に優れる。   The polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly and solid polymer fuel cell of the present invention are economical, environmentally friendly, excellent in oxidation stability and durability, and sufficiently function even under high temperature conditions. . The polymer electrolyte membrane of the present invention is also excellent in moldability.

以下、本発明について詳細に説明する。本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とし、かつ、少なくとも1つのアニオン伝導性基を(共)有する重合体ブロック(A)を構成成分とする。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention has an aromatic vinyl compound unit in which α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit, and at least one anion conductive group is (co). The polymer block (A) having is a constituent component.

α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物は、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基等)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物であることが好ましい。骨格となる芳香族ビニル系化合物としてはスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン、ビニルピリジン等が挙げられる。これらの芳香族ビニル系化合物の芳香環に結合した水素原子は1〜3個の置換基で置換されていてもよく、置換基としては各独立に炭素数1〜4のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基(クロロメチル基、2−クロロエチル基、3−クロロエチル基等)などが挙げられる。α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物の好適な具体例としてはα−メチルスチレンが挙げられる。α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物は各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。2種以上を共重合させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。   The aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a quaternary carbon has an alkyl group (a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-containing hydrogen atom bonded to the α-carbon atom). Aromatic vinyl substituted with a butyl group, isobutyl group or tert-butyl group), a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or a phenyl group. It is preferable that it is a system compound. Examples of the aromatic vinyl compound serving as a skeleton include styrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl pyrene, and vinyl pyridine. The hydrogen atom bonded to the aromatic ring of these aromatic vinyl compounds may be substituted with 1 to 3 substituents, and each independently represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (methyl group, Ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group or tert-butyl group), C1-C4 halogenated alkyl group (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) ) And the like. Specific examples of the aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a quaternary carbon include α-methylstyrene. Aromatic vinyl compounds in which the α-carbon is a quaternary carbon may be used alone or in combination of two or more. The form in the case of copolymerizing two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization.

重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損わない範囲内で1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば芳香族ビニル系化合物[スチレン、ベンゼン環に結合した水素原子が1〜3個のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)で置換されたスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等]、炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。   The polymer block (A) may contain one or more other monomer units as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such other monomers include aromatic vinyl compounds [styrene, alkyl groups having 1 to 3 hydrogen atoms bonded to the benzene ring (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n- Styrene, vinylnaphthalene, vinylanthracene, vinylpyrene, etc.) substituted with a butyl group, an isobutyl group or a tert-butyl group], a conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are described in the description of the polymer block (B) described later) The same as in the description of the polymer block (B) described later), (meth) acrylate (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate) Butyl (meth) acrylate), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, vinyl pivalate, etc.), vinyl ester Ether (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a quaternary carbon and the other monomer needs to be random copolymerization.

重合体ブロック(A)中のα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位は、最終的に得られる高分子電解質膜に十分な酸化安定性を付与するために、重合体ブロック(A)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。   The aromatic vinyl-based compound unit in which the α-carbon in the polymer block (A) is a quaternary carbon is used in order to give sufficient oxidation stability to the finally obtained polymer electrolyte membrane. It is preferable to occupy 50% by mass or more of A), more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more.

重合体ブロック(A)の分子量は、高分子電解質膜の性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、高分子電解質膜の引張強度等の力学特性が高くなる傾向にあり、分子量が小さい場合、高分子電解質膜の電気抵抗が小さくなる傾向にあり、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、100〜1,000,000の間から選択されるのが好ましく、1,000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。   The molecular weight of the polymer block (A) is appropriately selected depending on the properties of the polymer electrolyte membrane, the required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties such as the tensile strength of the polymer electrolyte membrane tend to be high, and when the molecular weight is small, the electric resistance of the polymer electrolyte membrane tends to be small, and the molecular weight is appropriately adjusted according to the required performance. It is important to choose. The number average molecular weight in terms of polystyrene is usually preferably selected from 100 to 1,000,000, more preferably from 1,000 to 100,000.

本発明の高分子電解質膜で使用するブロック共重合体は、重合体ブロック(A)以外にフレキシブルな重合体ブロック(B)を有する。重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とはミクロ相分離を起こし、重合体ブロック(A)同士と重合体ブロック(B)同士とがそれぞれ集合する性質があり、重合体ブロック(A)はアニオン伝導性基を(共)有するので重合体ブロック(A)同士の集合により連続相としてのイオンチャンネルが形成され、アニオン(通常、水酸化物イオン)の通り道となる。かかる重合体ブロック(B)を有することによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯びかつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。ここでいうフレキシブルな重合体ブロック(B)はガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下のいわゆるゴム状重合体ブロックである。   The block copolymer used in the polymer electrolyte membrane of the present invention has a flexible polymer block (B) in addition to the polymer block (A). The polymer block (A) and the polymer block (B) undergo a microphase separation, and the polymer block (A) and the polymer block (B) have a property of gathering together, and the polymer block (A ) Has an anion-conducting group (co), so that an ion channel as a continuous phase is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for anions (usually hydroxide ions). By having such a polymer block (B), the block copolymer becomes elastic and flexible as a whole, and formability (assembly property, bondability) in the production of membrane-electrode assemblies and polymer electrolyte fuel cells. , Tightenability, etc.). The flexible polymer block (B) here is a so-called rubber-like polymer block having a glass transition point or softening point of 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or lower.

フレキシブルな重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位を構成することかできる単量体としては炭素数2〜8のアルケン、炭素数5〜8のシクロアルケン、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素数4〜8の共役ジエン及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられ、これらは単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。2種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、(共)重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を2つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、共役ジエンの場合には1,2−結合であっても1,4−結合であってもよく、またガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下であれば、1,2−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。   Monomers that can constitute the repeating unit constituting the flexible polymer block (B) include alkenes having 2 to 8 carbon atoms, cycloalkenes having 5 to 8 carbon atoms, and vinylcycloalkenes having 7 to 10 carbon atoms. , A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms and a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms, a vinyl cycloalkene having 7 to 10 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bond is hydrogenated, and carbon-carbon. A conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the double bonds are hydrogenated, a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated, ( (Meth) acrylic acid esters (methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, butyrate) Vinyl, vinyl pivalate, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like. These may be used alone or in combination. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization. Further, when the monomer to be used for (co) polymerization has two carbon-carbon double bonds, any of them may be used for the polymerization, and in the case of a conjugated diene, it is a 1,2-bond. 1,4-bonds may be used, and the ratio of 1,2-bonds to 1,4-bonds is not particularly limited as long as the glass transition point or softening point is 50 ° C. or lower.

重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、ビニルシクロアルケンや共役ジエンや共役シクロアルカジエンである場合のように炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合はその30モル%以上が水素添加されているのが好ましく、50モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、80モル%以上が水素添加されているのがより一層好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、H−NMR測定等によって算出することができる。 When the repeating unit constituting the polymer block (B) has a carbon-carbon double bond as in the case of vinylcycloalkene, conjugated diene or conjugated cycloalkadiene, the polymer of the present invention From the viewpoint of improving the power generation performance of the membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane and improving the heat deterioration resistance, the carbon-carbon double bond is preferably hydrogenated at 30 mol% or more, and 50 mol%. The above is more preferably hydrogenated, and more preferably 80 mol% or more is hydrogenated. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method, for example, iodine value measurement method, 1 H-NMR measurement or the like.

重合体ブロック(B)は、得られるブロック共重合体に、弾力性ひいては膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって良好な成形性を与える観点から、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることが好ましく、炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより好ましく、炭素数2〜6のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックであることがより一層好ましい。上記で、炭素数2〜6のアルケン単位として最も好ましいのはイソブテン単位であり、炭素数共役ジエン単位として最も好ましいのは1,3−ブタジエン単位及び/又はイソプレン単位である。   The polymer block (B) is an alkene having 2 to 8 carbon atoms from the viewpoint of giving the resulting block copolymer elasticity and, in turn, good moldability in the production of a membrane-electrode assembly and a polymer electrolyte fuel cell. Unit, cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, carbon-carbon double 7 to 10 carbon cycloalkene units having some or all of the hydrogenated hydrogen atoms, 4 to 8 carbon conjugated diene units having some or all of the carbon-carbon double bonds hydrogenated, and carbon -A polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated cycloalkadiene units having 5 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon double bonds are hydrogenated. Preferably, the alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated are selected. More preferably, the polymer block is composed of at least one repeating unit, and the alkene unit having 2 to 6 carbon atoms, the conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and a part or all of the carbon-carbon double bonds are included. It is even more preferable that the polymer block comprises at least one repeating unit selected from hydrogenated conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms. In the above, an isobutene unit is most preferable as an alkene unit having 2 to 6 carbon atoms, and a 1,3-butadiene unit and / or an isoprene unit are most preferable as a carbon number conjugated diene unit.

上記で炭素数2〜8のアルケンとしてはエチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、イソブテン、1−ペンテン、2−ペンテン、1−ヘキセン、2−ヘキセン、1−ヘプテン、2−ヘプテン、1−オクテン、2−オクテン等が挙げられ、炭素数5〜8のシクロアルケンとしてはシクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン及びシクロオクテンが挙げられ、炭素数7〜10のビニルシクロアルケンとしてはビニルシクロペンテン、ビニルシクロヘキセン、ビニルシクロヘプテン、ビニルシクロオクテンなどが挙げられ、炭素数4〜8の共役ジエンとしては1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、イソプレン、1,3−ヘキサジエン、2,4−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ヘプタジエン、1,4−ヘプタジエン、3,5−ヘプタジエン等が挙げられ、炭素数5〜8の共役シクロアルカジエンとしてはシクロペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエン等が挙げられる。   As the alkene having 2 to 8 carbon atoms, ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, isobutene, 1-pentene, 2-pentene, 1-hexene, 2-hexene, 1-heptene, 2-heptene, 1 -Octene, 2-octene and the like, and cyclopentene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene and cyclooctene, and vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms as vinylcyclopentene, vinylcyclohexene, Examples thereof include vinylcycloheptene and vinylcyclooctene. Examples of the conjugated diene having 4 to 8 carbon atoms include 1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, isoprene, 1,3-hexadiene, 2,4-hexadiene, 2 , 3-Dimethyl-1,3-butadiene, 2-ethyl-1,3-butyl Diene, 1,3-heptadiene, 1,4-heptadiene, 3,5-heptadiene and the like, cyclopentadiene, 1,3-cyclohexadiene, and the like as a conjugated cycloalkadiene having 5 to 8 carbon atoms.

また、重合体ブロック(B)は、上記単量体以外に、ブロック共重合体に弾力性を与えるという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で他の単量体、例えばスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル系化合物;塩化ビニル等のハロゲン含有ビニル化合物等を含んでいてもよい。この場合上記単量体と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、上記単量体と他の単量体との合計に対して、50質量%未満であるのが好ましく、30質量%未満であるのがより好ましく、10質量%未満であるのがより一層好ましい。   In addition to the above monomers, the polymer block (B) may contain other monomers such as styrene and vinyl as long as the purpose of the polymer block (B) that gives elasticity to the block copolymer is not impaired. Aromatic vinyl compounds such as naphthalene; halogen-containing vinyl compounds such as vinyl chloride may be included. In this case, the copolymerization form of the monomer and other monomer needs to be random copolymerization. The amount of such other monomer used is preferably less than 50% by weight, more preferably less than 30% by weight, based on the total of the above monomers and other monomers. It is still more preferable that it is less than mass%.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とするブロック共重合体の構造は特に限定されないが、例としてA−B−A型トリブロック共重合体、B−A−B型トリブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体もしくはB−A−B型トリブロック共重合体とA−B型ジブロック共重合体との混合物、
A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体、(A−B)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)、(B−A)nX型星形共重合体(Xはカップリング剤残基を表す)等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。
Although the structure of the block copolymer which has a polymer block (A) and a polymer block (B) as a structural component is not specifically limited, ABA type | mold triblock copolymer, BAB, as an example Type triblock copolymer, ABA type triblock copolymer or a mixture of BAB type triblock copolymer and AB type diblock copolymer,
A-B-A-B type tetrablock copolymer, A-B-A-B-A type pentablock copolymer, B-A-B-A-B type pentablock copolymer, (A-B ) NX type star copolymer (X represents a coupling agent residue), (BA) nX type star copolymer (X represents a coupling agent residue), and the like. These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.

重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は95:5〜5:95であるのが好ましく、90:10〜10:90であるのがより好ましく、50:50〜10:90であるのがより一層好ましい。この質量比が95:5〜5:95である場合には、ミクロ相分離により重合体ブロック(A)の形成するイオンチャンネルが連続相となるのに有利であって、実用上十分なアニオン伝導性が発現し、また疎水性である重合体ブロック(B)の割合が適切となって優れた耐水性が発現する。   The mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) is preferably 95: 5 to 5:95, more preferably 90:10 to 10:90, and 50:50 to 10 : 90 is even more preferable. When this mass ratio is 95: 5 to 5:95, it is advantageous for the ion channel formed by the polymer block (A) to become a continuous phase by microphase separation, and it is practically sufficient anion conduction. In addition, the ratio of the polymer block (B) that is hydrophobic is appropriate, and excellent water resistance is exhibited.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は重合体ブロック(A)や重合体ブロック(B)と異なる他の重合体ブロック(C)を含んでいてもよい。
重合体ブロック(C)は、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離する成分であれば特に限定されない。重合体ブロック(C)を構成する単量体としては、例えば芳香族ビニル系化合物[スチレン、ベンゼン環に結合した水素原子が1〜3個のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)で置換されたスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン等]、炭素数4〜8の共役ジエン(具体例は後述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、炭素数2〜8のアルケン(具体例は既述の重合体ブロック(B)の説明におけると同様)、(メタ)アクリル酸エステル((メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル等)、ビニルエステル(酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル等)、ビニルエーテル(メチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル等)等が挙げられる。
The block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention may contain another polymer block (C) different from the polymer block (A) and the polymer block (B).
The polymer block (C) is not particularly limited as long as it is a component that undergoes microphase separation from the polymer block (A) and the polymer block (B). Examples of the monomer constituting the polymer block (C) include aromatic vinyl compounds [styrene, alkyl groups having 1 to 3 hydrogen atoms bonded to the benzene ring (methyl group, ethyl group, n-propyl group). , Styrene, vinylnaphthalene, vinylanthracene, vinylpyrene, etc. substituted with isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group or tert-butyl group], conjugated dienes having 4 to 8 carbon atoms (specific examples are polymer blocks described later) (As in the description of (B)), alkenes having 2 to 8 carbon atoms (specific examples are the same as in the description of the polymer block (B) described above), (meth) acrylate (methyl (meth) acrylate) , Ethyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, etc.), vinyl esters (vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl butyrate, pivalic acid) Sulfonyl, etc.), vinyl ethers (methyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, etc.), and the like.

重合体ブロック(C)に、重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離し、実質的にイオン基を含有せず、拘束相として働く機能を持たせる場合には、かかる重合体ブロック(C)を有する本発明の高分子電解質膜は、形態安定性、耐久性、湿潤下での力学特性が優れる傾向にある。この場合の重合体ブロック(C)を構成する単量体の好ましい例としては、上記した芳香族ビニル系化合物が挙げられる。また、重合体ブロック(C)を結晶性にすることによっても上記した機能を持たせることができる。 When the polymer block (C) is microphase-separated from the polymer block (A) and the polymer block (B) and does not substantially contain an ionic group and has a function of acting as a constrained phase, this is required. The polymer electrolyte membrane of the present invention having a polymer block (C) tends to have excellent shape stability, durability, and mechanical properties under wet conditions. Preferable examples of the monomer constituting the polymer block (C) in this case include the aromatic vinyl compounds described above. Moreover, the above-mentioned function can be imparted by making the polymer block (C) crystalline.

上記した機能を芳香族ビニル系化合物単位に依存する場合、重合体ブロック(C)中の芳香族ビニル系化合物単位は、重合体ブロック(C)の50質量%以上を占めることが好ましく、70質量%以上を占めることがより好ましく、90質量%以上を占めることがより一層好ましい。また、上記と同じ観点から、重合体ブロック(C)中に含まれ得る芳香族ビニル系化合物単位以外の単位はランダム重合していることが望ましい。   When the above-mentioned function depends on the aromatic vinyl compound unit, the aromatic vinyl compound unit in the polymer block (C) preferably occupies 50% by mass or more of the polymer block (C), and 70% by mass. %, More preferably 90% by mass or more. From the same viewpoint as described above, it is desirable that units other than the aromatic vinyl compound unit that can be included in the polymer block (C) are randomly polymerized.

重合体ブロック(C)を重合体ブロック(A)及び重合体ブロック(B)とミクロ相分離させ、かつ拘束相として機能させる観点から特に好適な例としてポリスチレンブロック;ポリp−メチルスチレンブロック、ポリp−(t−ブチル)スチレンブロック等のポリスチレン系ブロック;任意の相互割合の、スチレン、p−メチルスチレン及びp−(t−ブチル)スチレンの2種以上からなる共重合体ブロック;結晶性水添1,4−ポリブタジエンブロック;結晶性ポリエチレンブロック;結晶性ポリプロピレンブロック等が挙げられる。   As a particularly preferable example from the viewpoint of causing the polymer block (C) to microphase-separate from the polymer block (A) and the polymer block (B) and to function as a constrained phase, a polystyrene block; a poly p-methylstyrene block, a poly Polystyrene block such as p- (t-butyl) styrene block; copolymer block composed of two or more kinds of styrene, p-methylstyrene and p- (t-butyl) styrene of any mutual ratio; crystalline water Examples include 1,4-polybutadiene block; crystalline polyethylene block; crystalline polypropylene block and the like.

本発明で用いるブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合の形態としては、A−B−C型トリブロック共重合体、A−B−C−A型テトラブロック共重合体、A−B−A−C型テトラブロック共重合体、B−A−B−C型テトラブロック共重合体、A−B−C−B型テトラブロック共重合体、C−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、C−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−C−B−C−A型ペンタブロック共重合体、A−C−B−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−B型ペンタブロック共重合体、A−B−C−A−C型ペンタブロック共重合体、A−B−C−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−B−C型ペンタブロック共重合体、A−B−A−C−B型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−C型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−C−B型ペンタブロック共重合体等が挙げられる。   As a form in case the block copolymer used by this invention contains a polymer block (C), an ABC type triblock copolymer, an ABCA type tetrablock copolymer, A -B-A-C type tetrablock copolymer, B-A-B-C type tetrablock copolymer, A-B-C-B type tetrablock copolymer, C-A-B-A-C Type pentablock copolymer, CBACBBC type pentablock copolymer, ACCBCA type pentablock copolymer, ACCBAA type pentablock copolymer Block copolymer, A-B-C-A-B type pentablock copolymer, A-B-C-A-C type pentablock copolymer, A-B-C-B-C type pentablock copolymer Polymer, ABACBBC type pentablock copolymer, ABBACB type pentablock copolymer B-A-B-A-C type pentablock copolymer, B-A-B-C-A type pentablock copolymer, B-A-B-C-B type pentablock copolymer, etc. are mentioned. It is done.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合、ブロック共重合体に占める重合体ブロック(C)の割合は40質量%以下であるのが好ましく、35質量%以下であるのがより好ましく、30質量%以下であるのがより一層好ましい。   When the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention contains a polymer block (C), the proportion of the polymer block (C) in the block copolymer is preferably 40% by mass or less, It is more preferably 35% by mass or less, and further preferably 30% by mass or less.

本発明で用いるブロック共重合体のアニオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜2,000,000が好ましく、15,000〜1,000,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。   Although the number average molecular weight of the block copolymer used in the present invention in a state where the anion conductive group is not introduced is not particularly limited, the number average molecular weight in terms of polystyrene is usually 10,000 to 2,000,000. Preferably, 15,000 to 1,000,000 is more preferable, and 20,000 to 500,000 is even more preferable.

本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体は重合体ブロック(A)にアニオン伝導性基を有することが必要である。本発明でアニオン伝導性に言及する場合のアニオンとしては水酸化物イオンなどが挙げられる。アニオン伝導性基としては、該高分子電解質膜を用いて作製される膜−電極接合体が十分なアニオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、以下に示すような基が挙げられる。なお、アニオン伝導性基の導入位置を重合体ブロック(A)にするのはブロック共重合体全体の酸化安定性を向上させるのに特に有効であるためである。   The block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention needs to have an anion conductive group in the polymer block (A). Examples of the anion when referring to anion conductivity in the present invention include hydroxide ions. The anion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the polymer electrolyte membrane can express a sufficient anion conductivity. Can be mentioned. The introduction position of the anion conductive group is the polymer block (A) because it is particularly effective for improving the oxidative stability of the entire block copolymer.

Figure 2007042573
Figure 2007042573

上記式において、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R〜R及びR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を表し、R10はメチル基又はエチル基を表し、Xは水酸化物イオン又は酸アニオンを表し、mは2〜6の整数を表し、nは2又は3を表す。上記において、炭素数1〜8のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては特に制限はなく、例えばハロゲンイオン(特に塩素イオン)、1/2SO 2−、HSO 、p−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。
また上記において、R〜R及びR11がメチル基又はエチル基であり、Xが水酸化物イオンである場合には、高いアニオン伝導性を発現できるので好ましい。R〜R11はメチル基であるのがより好ましい。
In the above formula, R 1 to R 3 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 4 to R 9 and R 11 each independently represents a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, R 10 represents a methyl group or an ethyl group, X represents a hydroxide ion or an acid anion, m represents an integer of 2 to 6, and n represents 2 or 3. In the above, the alkyl group having 1 to 8 carbon atoms is methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, 2-ethylhexyl. Groups and the like. There is no particular limitation on the anion, for example, a halogen ion (particularly chloride ion), 1 / 2SO 4 2-, HSO 4 -, may be mentioned p- toluenesulfonate anion.
Moreover, in the above, when R < 1 > -R < 9 > and R < 11 > are a methyl group or an ethyl group and X < - > is a hydroxide ion, since high anion conductivity can be expressed, it is preferable. R 1 to R 11 are more preferably a methyl group.

アニオン伝導性基の重合体ブロック(A)中への導入位置については特に制限はなく、α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位に導入しても既述の他の単量体単位に導入してもよいが、酸化安定性の向上の観点からα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の芳香族環に導入するのがもっとも好ましい。この際、導入されたアニオン伝導性基が例えば上記式中の(1)〜(8)のような1価の基である場合には、かかる基は重合体ブロック(A)に結合しているが、例えば上記式中の(9)〜(13)のような多価の基である場合には、かかる基は重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している。   There are no particular restrictions on the position at which the anion conductive group is introduced into the polymer block (A), and even if it is introduced into an aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon, the other units described above It may be introduced into the body unit, but is most preferably introduced into the aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon from the viewpoint of improving the oxidation stability. At this time, when the introduced anion conductive group is a monovalent group such as (1) to (8) in the above formula, the group is bonded to the polymer block (A). Is a polyvalent group such as (9) to (13) in the above formula, the group is bonded in a form that crosslinks the polymer blocks (A), or the polymer block In (A), the aromatic vinyl compound units are bonded in a form of crosslinking.

アニオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用の高分子電解質膜として使用するのに十分なアニオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.40meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体のイオン交換容量の上限については、イオン交換容量が大きくなりすぎると親水性が高まり耐水性が不十分になる傾向となるので、3.0meq/g以下であるのが好ましい。   The amount of anion-conducting group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the resulting block copolymer, etc., but exhibits sufficient anion conductivity for use as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell In general, the amount is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, and more preferably 0.40 meq / g or more. . The upper limit of the ion exchange capacity of the block copolymer is preferably 3.0 meq / g or less because if the ion exchange capacity is too large, the hydrophilicity tends to increase and the water resistance becomes insufficient.

本発明で用いられるブロック共重合体の製造法に関しては主に次の2つの方法に大別される。すなわち、(1)まずアニオン伝導性基を有さないブロック共重合体を製造した後、アニオン伝導性基を結合させる方法、(2)アニオン伝導性基を有する単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。   The production method of the block copolymer used in the present invention is roughly classified into the following two methods. That is, (1) a method in which a block copolymer having no anion conductive group is first prepared and then anion conductive groups are bonded, and (2) block copolymerization using a monomer having an anion conductive group. This is a method for producing a coalescence.

まず第1の製造法について述べる。
重合体ブロック(A)又は(B)を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック(A)又は(B)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法あるいはアニオン重合法が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、フレキシブルな成分からなる重合体ブロック(B)又は重合体ブロック(A)との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法、リビングカチオン重合法あるいはリビングアニオン重合法が好ましい。
First, the first manufacturing method will be described.
Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, The method is appropriately selected from the coordination polymerization method and the like, but from the viewpoint of industrial ease, the radical polymerization method or the anion polymerization method is preferably selected. In particular, the so-called living polymerization method is preferable from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding with the polymer block (B) or the polymer block (A) made of flexible components, and specifically living A radical polymerization method, a living cationic polymerization method or a living anion polymerization method is preferred.

製造法の具体例として、ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及びポリ共役ジエンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法、並びにポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及びポリイソブテンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体の製造法について述べる。この場合、工業的容易さ、分子量、分子量分布、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との結合の容易さ等からリビングアニオン重合法又はリビングカチオン重合法で製造するのが好ましく、次のような具体的な合成例が示される。   Specific examples of the production method include a method for producing a block copolymer comprising a polymer block (A) made of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) made of polyconjugated diene, and poly (α A method for producing a block copolymer comprising a polymer block (A) composed of -methylstyrene) and a polymer block (B) composed of polyisobutene will be described. In this case, it is preferable to produce by a living anionic polymerization method or a living cationic polymerization method from the viewpoint of industrial ease, molecular weight, molecular weight distribution, ease of bonding between the polymer block (A) and the polymer block (B), etc. The following specific synthesis examples are shown.

(1)テトラヒドロフラン溶媒中でジアニオン系開始剤を用いて共役ジエン重合後に、−78℃の温度条件下でα−メチルスチレンを逐次重合させA−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1969),2(5),453−458)、
(2)α−メチルスチレンをアニオン系開始剤を用いてバルク重合を行った後に、共役ジエンを逐次重合させ、その後テトラクロロシラン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、(A−B)nX型ブロック共重合体を得る方法(Kautsch.Gummi,
Kunstst.,(1984),37(5),377−379; Po
lym. Bull., (1984),12,71−77)、
(3)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させた後、カップリング剤を添加して、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法、
(1) A method of obtaining an ABA type block copolymer by sequentially polymerizing α-methylstyrene under a temperature condition of −78 ° C. after conjugated diene polymerization using a dianionic initiator in a tetrahydrofuran solvent (Macromolecules , (1969), 2 (5), 453-458),
(2) After bulk polymerization of α-methylstyrene using an anionic initiator, conjugated dienes are sequentially polymerized, and then a coupling reaction is performed with a coupling agent such as tetrachlorosilane. (AB) nX Method for obtaining a mold block copolymer (Kautsch. Gummi,
Kunstst. , (1984), 37 (5), 377-379; Po
lym. Bull. , (1984), 12, 71-77),
(3) An organic lithium compound in a nonpolar solvent is used as an initiator, and a concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass. A polymer obtained by polymerizing α-methylstyrene, a conjugated diene is polymerized to the resulting living polymer, and then a coupling agent is added to obtain an ABA block copolymer.

(4)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエンを重合させ、得られるα−メチルスチレン重合体ブロックと共役ジエン重合体ブロックからなるブロック共重合体
のリビングポリマーに重合体ブロック(C)を構成する単量体を重合させてA−B−C型ブロック共重合体を得る方法、
(5)ハロゲン化炭化水素と炭化水素との混合溶媒中、−78℃で、2官能性有機ハロゲン化合物を用いて、ルイス酸存在下、イソブテンをカチオン重合させた後、ジフェニルエチレンを付加させ、さらにルイス酸を後添加後、α−メチルスチレンを重合させ、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Macromolecules,(1995),28,4893−4898)、及び
(6)ハロゲン化炭化水素と炭化水素との混合溶媒中、−78℃で、1官能性有機ハロゲン化合物を用いて、ルイス酸存在下、α−メチルスチレンを重合後、さらにルイス酸を後添加し、イソブテンを重合させた後、2、2−ビス−[4−(1−フェニルエテニル)フェニル]プロパン等のカップリング剤によりカップリング反応を行い、A−B−A型ブロック共重合体を得る方法(Polym.
Bull., (2000),45,121−128)
(4) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized, the resulting living polymer is polymerized with a conjugated diene, and the resulting α-methylstyrene polymer block and conjugated diene polymer block are formed into a polymer block (C ) To obtain an ABC type block copolymer,
(5) Cationic polymerization of isobutene in the presence of Lewis acid using a bifunctional organic halogen compound at -78 ° C in a mixed solvent of halogenated hydrocarbon and hydrocarbon, followed by addition of diphenylethylene, Further, after adding Lewis acid, α-methylstyrene is polymerized to obtain an ABA type block copolymer (Macromolecules, (1995), 28, 4893-4898), and (6) halogenated carbonization. In a mixed solvent of hydrogen and hydrocarbon at −78 ° C., using a monofunctional organic halogen compound, α-methylstyrene is polymerized in the presence of Lewis acid, and then Lewis acid is further added to polymerize isobutene. After that, a coupling reaction is performed with a coupling agent such as 2,2-bis- [4- (1-phenylethenyl) phenyl] propane, and the ABA block Method for obtaining a polymer (Polym.
Bull. , (2000), 45, 121-128)

ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及び共役ジエン化合物からなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体を製造する場合、上記ブロック共重合体の具体的製造方法中、(3)及び(4)の方法が好ましく、特に(3)の方法がより好ましい方法として採用される。
ポリ(α−メチルスチレン)からなる重合体ブロック(A)及びイソブテンからなる重合体ブロック(B)を成分とするブロック共重合体を製造する場合、(5)又は(6)に示す公知の方法が採用される。
When producing a block copolymer comprising as a component a polymer block (A) comprising poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) comprising a conjugated diene compound, a specific method for producing the block copolymer Among these, the methods (3) and (4) are preferable, and the method (3) is particularly preferable.
When producing a block copolymer comprising a polymer block (A) made of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) made of isobutene as a component, a known method shown in (5) or (6) Is adopted.

次に、得られたブロック共重合体にアニオン伝導性基を導入する方法について述べる。アニオン伝導性基の導入は公知の方法で行うことができる。例えば、得られたブロック共重合体をクロロメチル化し、ついでアミンもしくはホスフィンと反応させ、さらに必要に応じ、塩素イオンを水酸化物イオンや他の酸アニオンで置換する。   Next, a method for introducing an anion conductive group into the obtained block copolymer will be described. The introduction of the anion conductive group can be performed by a known method. For example, the resulting block copolymer is chloromethylated, then reacted with an amine or phosphine, and further, chlorine ions are replaced with hydroxide ions or other acid anions as necessary.

上記のクロロメチル化方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、ブロック共重合体の有機溶媒中への溶液や縣濁液にクロロメチル化剤及び触媒を添加してクロロメチル化させる方法を用い得る。有機溶媒としてはクロロホルム、ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素を例示できるがこれらに限定されるものではない。クロロメチル化剤としてはクロロメチルエチルエーテルや塩酸−パラホルムアルデヒドなどを使用でき、触媒としては塩化スズや塩化亜鉛などを使用できる。   The chloromethylation method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a method of adding a chloromethylating agent and a catalyst to a solution or suspension of the block copolymer in an organic solvent and chloromethylating can be used. Examples of the organic solvent include halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloroethane, but are not limited thereto. As the chloromethylating agent, chloromethyl ethyl ether or hydrochloric acid-paraformaldehyde can be used, and as the catalyst, tin chloride, zinc chloride or the like can be used.

クロロメチル化したブロック共重合体にアミンもしくはホスフィンを反応させる方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、得られたクロロメチル化したブロック共重合体の有機溶媒中への溶液、縣濁液、又はかかる溶液や懸濁液から公知の方法により成形した膜にアミンもしくはホスフィンをそのままもしくは必要に応じ有機溶媒中への溶液として添加して反応を進行させる方法を用い得る。有機溶媒中への溶液や懸濁液を調製する有機溶媒としては、メタノールやアセトンなどを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
アミンやホスフィンとしては、特に制限はないが、以下に示すようなものを好適に用いることができる。
The method for reacting the chloromethylated block copolymer with amine or phosphine is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a solution or suspension of the obtained chloromethylated block copolymer in an organic solvent, or a film formed by a known method from such a solution or suspension, amine or phosphine is used as it is or as necessary. A method of allowing the reaction to proceed by adding it as a solution in an organic solvent can be used. Examples of the organic solvent for preparing a solution or suspension in the organic solvent include methanol and acetone, but are not limited thereto.
The amine and phosphine are not particularly limited, but those shown below can be preferably used.

Figure 2007042573
Figure 2007042573

上記式中、R〜R、R〜R11、m及びnは前記と同義である。すなわち、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基であり、R〜R並びにR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基であり、R10はメチル基又はエチル基であり、mは2〜6の整数であり、nは2又は3である。R〜R、R〜R並びにR11はそれぞれ独立にメチル基又はエチル基であるのが好ましく、R〜R並びにR〜R11はメチル基であるのがより好ましい。 In the above formula, R 1 ~R 3, R 6 ~R 11, m and n are defined as above. That is, R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 6 to R 9 and R 11 are each independently a hydrogen atom, a methyl group, or an ethyl group, and R 10 Is a methyl group or an ethyl group, m is an integer of 2 to 6, and n is 2 or 3. R 1 to R 3 , R 6 to R 9 and R 11 are preferably each independently a methyl group or an ethyl group, and R 1 to R 3 and R 6 to R 11 are more preferably a methyl group.

クロロメチル化したブロック共重合体とアミンもしくはホスフィンとの反応によって、すでに述べたようなアニオン伝導性基が導入される。ここで、モノアミン(1)やホスフィン(2)を用いる場合には、重合体ブロック(A)中にアニオン伝導性基が導入されるが、ジアミン(3)もしくは(4)やトリアミン(5)等の多価アミンを用いる場合には、重合体ブロック(A)中に1価のアニオン伝導性基として導入されるときもあり、多価のアニオン伝導性基として導入され、重合体ブロック(A)同士を架橋したり重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋したりするときもあると考えられる。
また、R〜Rが炭素数1〜8のアルキル基である場合や、R〜R並びにR11がメチル基又はエチル基である場合には、アニオン伝導性基は第4級アンモニウム基もしくは第4級ホスホニウム基を有することになる。
Reaction of the chloromethylated block copolymer with an amine or phosphine introduces an anion-conducting group as already mentioned. Here, when monoamine (1) or phosphine (2) is used, an anion conductive group is introduced into the polymer block (A), but diamine (3) or (4), triamine (5), etc. When the polyvalent amine is used, it may be introduced as a monovalent anion conductive group in the polymer block (A), or may be introduced as a polyvalent anion conductive group. It is considered that the aromatic vinyl compound units may be crosslinked with each other in the polymer block (A).
Further, and when R 1 to R 3 is an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, when R 6 to R 9 and R 11 is a methyl group or an ethyl group, anion-conducting group is a quaternary ammonium Group or quaternary phosphonium group.

上記で導入されたアニオン伝導性基は酸アニオンとして塩素イオンを有しているので、必要に応じ、これを水酸化物イオンもしくは他の酸アニオンに、好ましくは水酸化物イオンに変換する。他のイオンに変換する方法としては特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、水酸化物イオンに変換する場合には、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液に、アニオン伝導性基が導入されたブロック共重合体を浸漬する方法を例示することができる。   Since the anion conductive group introduced above has a chlorine ion as an acid anion, it is converted into a hydroxide ion or another acid anion, preferably a hydroxide ion, if necessary. A method for converting to other ions is not particularly limited, and a known method can be used. For example, when converting to hydroxide ions, a method of immersing a block copolymer into which an anion conductive group is introduced in an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution can be exemplified.

アニオン伝導性基の導入量は、すでに述べたごとく、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上になるような量であることが望ましく、0.40meq/g以上になるような量であることがより好ましい。これにより実用的なアニオン伝導性能が得られる。アニオン伝導性基を導入したブロック共重合体のイオン交換容量は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて測定することができる。 As described above, the amount of the anion conductive group introduced is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, such that it is 0.40 meq / g or more. More preferably, it is an amount. Thereby, practical anion conducting performance can be obtained. The ion exchange capacity of the block copolymer into which an anion conductive group is introduced should be measured using an analytical means such as acid value titration method, infrared spectroscopic spectrum measurement, nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement. Can do.

本発明で用いられるブロック共重合体の、第2の製造法は、アニオン伝導性基を有する少なくとも1つの単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。
アニオン伝導性基を有する単量体としては、以下に示すような基を用いることができる。
The second production method of the block copolymer used in the present invention is a method for producing a block copolymer using at least one monomer having an anion conductive group.
As the monomer having an anion conductive group, the following groups can be used.

Figure 2007042573
Figure 2007042573

式中、R12、R14及びR16は水素原子、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基又はフェニル基を表し、R13は水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R15及びR17は水素原子、メチル基又はエチル基を表し、Xは水酸化物イオン又は酸アニオンを表す。上記で炭素数1〜4のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、イソブチル基等が、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基としてはクロロメチル基、クロロエチル基、クロロプロピル基等が挙げられる。また、炭素数1〜8のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては、特に制限はなく、例えばハロゲンイオン(特に塩素イオン)、1/2SO 2−、HSO 、p−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。R12〜R17としてはメチル基又はエチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。上記式(2)において、−C(R14)=CH基は4位もしくは2位に結合しているのが好ましい。
上記したアニオン伝導性基を有する単量体の中で、R13がメチル基又はエチル基、特にメチル基である式(1)で表される単量体が特に好ましい。
In formula, R < 12 >, R <14> and R < 16 > represent a hydrogen atom, a C1-C4 alkyl group, a C1-C4 halogenated alkyl group, or a phenyl group, and R < 13 > has a hydrogen atom or C1-C1. 8 represents an alkyl group, R 15 and R 17 represent a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and X represents a hydroxide ion or an acid anion. In the above, the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, isobutyl group, etc., and the halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is chloromethyl group, chloroethyl group, A chloropropyl group etc. are mentioned. Moreover, as a C1-C8 alkyl group, a methyl group, an ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, 2-ethylhexyl group Etc. The acid anion is not particularly limited, for example, a halogen ion (particularly chloride ion), 1 / 2SO 4 2-, HSO 4 -, may be mentioned p- toluenesulfonate anion. R 12 to R 17 are preferably a methyl group or an ethyl group, and more preferably a methyl group. In the above formula (2), the —C (R 14 ) ═CH 2 group is preferably bonded to the 4-position or the 2-position.
Among the monomers having an anion conductive group described above, a monomer represented by the formula (1) in which R 13 is a methyl group or an ethyl group, particularly a methyl group, is particularly preferable.

本発明の高分子電解質膜は、本発明で用いられるブロック共重合体に加えて、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、軟化剤を含有していてもよい。軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等があり、これらは各単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。   In addition to the block copolymer used in the present invention, the polymer electrolyte membrane of the present invention may contain a softening agent as necessary within a range not impairing the effects of the present invention. Softeners include petroleum-based softeners such as paraffinic, naphthenic or aroma-based process oils, paraffin, vegetable oil-based softeners, plasticizers, etc., and these may be used alone or in combination of two or more. it can.

本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、各種添加剤、例えば、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。安定剤の具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2,−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これら安定剤は各単独で用いても、2種以上組み合わせても用いてもよい。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is further provided with various additives, for example, a phenol-based stabilizer, a sulfur-based stabilizer, a phosphorus-based stabilizer, and a light stabilizer, as long as the effects of the present invention are not impaired. , Antistatic agents, mold release agents, flame retardants, foaming agents, pigments, dyes, whitening agents, carbon fibers and the like may be used alone or in combination of two or more. Specific examples of the stabilizer include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerystyryl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1 , 3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy) Phenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy- 3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2, -thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propi Onate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamamide), 3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris -(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy ] -1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane and other phenolic stabilizers; pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), distearyl Sulfur such as 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropionate, dimyristyl 3,3′-thiodipropionate Stabilizers: trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasteryl pentaerythritol diphosphite, bis (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) ) Phosphorus stabilizers such as pentaerythritol diphosphite. These stabilizers may be used alone or in combination of two or more.

本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、無機充填剤を含有していてもよい。かかる無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention may further contain an inorganic filler, as necessary, as long as the effects of the present invention are not impaired. Specific examples of such inorganic fillers include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina.

本発明の高分子電解質膜における本発明のブロック共重合体の含有量は、イオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより一層好ましい。   From the viewpoint of ion conductivity, the content of the block copolymer of the present invention in the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass. % Or more is even more preferable.

本発明の高分子電解質膜は、燃料電池用電解質膜として必要な性能、膜強度、ハンドリング性等の観点から、その膜厚が5〜500μm程度であることが好ましい。膜厚が5μm未満である場合には、膜の機械的強度やガスの遮断性が不充分となる傾向がある。逆に、膜厚が500μmを超えて厚い場合には、膜の電気抵抗が大きくなり、充分なアニオン伝導性が発現しないため、電池の発電特性が低くなる傾向がある。該膜厚はより好ましくは10〜300μmである。   The polymer electrolyte membrane of the present invention preferably has a thickness of about 5 to 500 μm from the viewpoints of performance required as an electrolyte membrane for fuel cells, membrane strength, handling properties, and the like. When the film thickness is less than 5 μm, the mechanical strength of the film and the gas barrier property tend to be insufficient. On the other hand, when the film thickness is thicker than 500 μm, the electric resistance of the film increases and sufficient anion conductivity does not appear, so that the power generation characteristics of the battery tend to be lowered. The film thickness is more preferably 10 to 300 μm.

本発明の高分子電解質膜の調製方法については、かかる調製のための通常の方法であればいずれの方法も採用でき、例えば、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体又は該ブロック共重合体及び上記したような添加剤を適当な溶媒と混合して該ブロック共重合体を溶解もしくは懸濁せしめ、ガラス等の板状体にキャストするか又はコーターやアプリケーター等を用いて塗布し、適切な条件で溶媒を除去することによって、所望の厚みを有する電解質膜を得る方法や、熱プレス成形、ロール成形、押し出し成形等の公知の方法を用いて成膜する方法などを用いることができる。
また、得られた電解質膜層の上に、新たに、同じもしくは異なるブロック共重合体溶液を塗布して乾燥することにより積層化させてもよい。また、上記のようにして得られた、同じもしくは異なる電解質膜同士を熱ロール成形等で圧着させて積層化させてもよい。
As the method for preparing the polymer electrolyte membrane of the present invention, any method can be adopted as long as it is a normal method for such preparation. For example, the block copolymer constituting the polymer electrolyte membrane of the present invention or the block can be used. The block copolymer is dissolved or suspended by mixing the copolymer and additives as described above with an appropriate solvent, and cast into a plate-like material such as glass, or coated using a coater or applicator. In addition, a method of obtaining an electrolyte membrane having a desired thickness by removing the solvent under appropriate conditions, a method of forming a film using a known method such as hot press molding, roll molding, extrusion molding, or the like may be used. it can.
Further, the same or different block copolymer solution may be newly applied on the obtained electrolyte membrane layer and dried to be laminated. Further, the same or different electrolyte membranes obtained as described above may be laminated by being pressure-bonded by hot roll molding or the like.

このとき使用する溶媒は、ブロック共重合体の構造を破壊することなく、キャストもしくは塗布が可能な程度の粘度の溶液を調製することが可能なものであれば特に制限されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素類、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール等のアルコール類、あるいはこれらの混合溶媒等が例示できる。ブロック共重合体の構成、分子量、イオン交換容量等に応じて、上記に例示した溶媒の中から、1種又は2種以上の組合せを適宜選択し、使用することができる。   The solvent used at this time is not particularly limited as long as it can prepare a solution having a viscosity capable of being cast or coated without destroying the structure of the block copolymer. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Examples thereof include ethers such as hydrogen and tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol and isobutyl alcohol, or mixed solvents thereof. Depending on the configuration of the block copolymer, the molecular weight, the ion exchange capacity, etc., one or a combination of two or more can be appropriately selected from the solvents exemplified above and used.

また、溶媒除去の条件は、本発明のブロック共重合体のアニオン伝導性基が脱落する温度以下で、溶媒を完全に除去できる条件であれば任意に選択することが可能である。所望の物性を発現させるため、複数の温度を任意に組み合わせたり、通風気下と真空下等を任意に組み合わせてもよい。具体的には、室温〜60℃程度の真空条件下で、数時間予備乾燥した後、100℃以上の真空条件下、好ましくは100〜120℃で12時間程度の乾燥条件で溶媒を除去する方法等が例示できるが、これらに限定されるものではない。   The solvent removal conditions can be arbitrarily selected as long as the solvent can be completely removed at a temperature below the temperature at which the anion conductive group of the block copolymer of the present invention is removed. In order to express desired physical properties, a plurality of temperatures may be arbitrarily combined, or a combination of ventilation and vacuum may be arbitrarily combined. Specifically, after preliminary drying for several hours under vacuum conditions of room temperature to 60 ° C., the solvent is removed under vacuum conditions of 100 ° C. or higher, preferably 100 to 120 ° C. for about 12 hours. However, the present invention is not limited to these examples.

得られた電解質膜は膜中に残存する低分子化合物などを除去するために、蒸留水や膜が溶解しない有機溶媒で洗浄することができる。また、洗浄前の前処理としては、アニオン伝導性基を完全な水酸化物型に変換するために水酸化ナトリウムなどの塩基性水溶液に浸漬する方法を採用することができる。   The obtained electrolyte membrane can be washed with distilled water or an organic solvent in which the membrane does not dissolve in order to remove low molecular compounds remaining in the membrane. In addition, as a pretreatment before washing, a method of immersing in a basic aqueous solution such as sodium hydroxide in order to convert the anion conductive group into a complete hydroxide type can be employed.

つぎに、本発明の高分子電解質膜を用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、アニオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで2対の接合体をそれぞれ触媒層を内側にして、高分子電解質膜の両側にホットプレスなどにより接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により高分子電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、アニオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、高分子電解質膜の両面及び/又は2対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、2対のこの基材フィルム上の触媒層を高分子電解質膜の両側に加熱圧着により転写し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、これらの方法をアニオン伝導性基を塩化物等の塩にした状態で行い、接合後のアルカリ処理によって水酸化物型に戻す処理を行ってもよい。   Next, a membrane-electrode assembly using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described. The production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an anion conductive binder is applied on the gas diffusion layer by a printing method or a spray method and dried. To form a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then join the two pairs of joined bodies by hot pressing or the like on both sides of the polymer electrolyte membrane with the catalyst layer inside. There is a method in which a paste is applied to both sides of a polymer electrolyte membrane by a printing method or a spray method, dried to form a catalyst layer, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As another production method, a solution or suspension containing an anion conductive binder is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane and / or the catalyst layer surfaces of the two pairs of gas diffusion electrodes, and the electrolyte membrane and the catalyst layer surface are bonded together. There is a method of joining by thermocompression bonding. In this case, the solution or suspension may be applied to either the electrolyte membrane or the catalyst layer surface, or may be applied to both. As another manufacturing method, first, the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer, and then two pairs of base films on the base film are formed. The catalyst layer is transferred to both sides of the polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding, the base film is peeled off to obtain a joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and the gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. There is a way. In these methods, these methods may be performed in a state in which the anion conductive group is converted to a salt such as chloride, and a treatment for returning to a hydroxide type by an alkali treatment after bonding may be performed.

上記膜−電極接合体を構成するアニオン伝導性バインダーとしては、例えば、ポリクロロメチルスチレンを第3級アミンと反応させて第4級アンモニウム塩とし、必要に応じ水酸化物の形態にしたもの等を用いることができる。また、本発明の高分子電解質膜を構成するブロック共重合体からアニオン伝導性バインダーを作製してもよい。なお、電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、高分子電解質膜と同一材料から形成したアニオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。   As the anion conductive binder constituting the membrane-electrode assembly, for example, polychloromethylstyrene is reacted with a tertiary amine to form a quaternary ammonium salt, and in the form of a hydroxide if necessary. Can be used. Moreover, you may produce an anion conductive binder from the block copolymer which comprises the polymer electrolyte membrane of this invention. In order to further enhance the adhesion between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an anion conductive binder formed of the same material as the polymer electrolyte membrane.

上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材/触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは2種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は、10〜300オングストロームである。これら触媒はカーボン等の導電材/触媒担体に担持させた方が触媒使用量が少なくコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン-ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。   The constituent material of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is not particularly limited as the conductive material / catalyst support, and examples thereof include carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The catalyst metal may be any metal that promotes the oxidation reaction of fuel such as hydrogen and methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, palladium, etc., or alloys thereof, for example, platinum-ruthenium alloys are mentioned. Of these, platinum and platinum alloys are often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are supported on a conductive material / catalyst carrier such as carbon, the amount of catalyst used is small and advantageous in terms of cost. The catalyst layer may contain a water repellent as necessary. Examples of the water repellent include various thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene copolymer, and polyetheretherketone.

上記膜−電極接合体のガス拡散層は、導電性及びガス透過性を備えた材料から構成され、かかる材料として例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の炭素繊維よりなる多孔性材料が挙げられる。また、かかる材料には、撥水性を向上させるために、撥水化処理を施してもよい。   The gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly is made of a material having conductivity and gas permeability, and examples of such a material include porous materials made of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. Moreover, in order to improve water repellency, this material may be subjected to water repellency treatment.

上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。
本発明の高分子電解質膜を用いた燃料電池は、酸化安定性に優れ、経時的な発電特性の低下が少なく、長時間安定して使用できる。
A polymer electrolyte fuel obtained by inserting the membrane-electrode assembly obtained by the above-described method between a conductive separator material that also serves as a gas supply flow path to the electrode and the electrode chamber separation. A battery is obtained. The membrane-electrode assembly of the present invention uses a pure hydrogen type using hydrogen as a fuel gas, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and hydrogen obtained by reforming natural gas. Natural gas reforming type, gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, direct methanol type using methanol directly, etc. can be used as a membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells. is there.
The fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in oxidation stability, has little deterioration in power generation characteristics over time, and can be used stably for a long time.

以下、実施例、比較例及び参考例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
参考例1
ポリα−メチルスチレン(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(WO 02/40611号)と同様の方法で、ポリα−メチルスチレン−b−ポリブタジエン−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下mSEBmSと略記する)を合成した。得られたmSEBmSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は76000であり、H−NMR測定から求めた1,4−結合量は55%、α−メチルスチレン単位の含有量は30.0質量%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したmSEBmSのシクロヘキサン溶液を調整し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリα−メチルスチレン−b−水添ポリブタジエン−b−ポリα−メチルスチレン型トリブロック共重合体(以下HmSEBmSと略記する)を得た。得られたHmSEBmSの水素添加率をH−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.6%であった。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example, a comparative example, and a reference example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by these Examples.
Reference example 1
Production of block copolymer comprising poly α-methylstyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In the same manner as the previously reported method (WO 02/40611), A poly α-methylstyrene-b-polybutadiene-polyα-methylstyrene type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSEBmS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained mSEBmS is 76000, the 1,4-bond amount determined from 1 H-NMR measurement is 55%, and the content of α-methylstyrene unit is 30.0. It was mass%. Further, it was found by composition analysis by 1 H-NMR spectrum measurement that α-methylstyrene was not substantially copolymerized in the polybutadiene block.
After preparing a cyclohexane solution of synthesized mSEBmS and charging it into a pressure-resistant vessel sufficiently purged with nitrogen, a hydrogenation reaction was performed at 80 ° C. for 5 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. To obtain a poly α-methylstyrene-b-hydrogenated polybutadiene-b-polyα-methylstyrene type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as HmSEBmS). The hydrogenation proportion of the resulting HmSEBmS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.6%.

実施例1
(1)水酸化4級アンモニウム基変性HmSEBmSの膜の作製
参考例1で得られたブロック共重合体(HmSEBmS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、クロロホルム650mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、クロロメチルエチルエーテル135mlと四塩化スズ5.7mlを加え、35℃で9時間攪拌した。次に、反応溶液を4Lのメタノールに加え、沈殿物を洗浄し乾燥してクロロメチル化したHmSEBmSを得た。クロロメチル化したHmSEBmSのクロロメチル化率は、H−NMR分析からα−メチルスチレン単位の60.9mol%であった。
つぎに、クロロメチル化したHmSEBmSをトルエンに溶解し、ポリテトラフルオロエチレンシート上にキャストし室温で十分乾燥させて、厚さ70μmのキャスト膜を得た。
つぎに、得られたキャスト膜を30%トリメチルアミン水溶液とアセトンの体積比1:1の混合液に室温で24時間浸漬することでクロロメチル基をアミノ化した。
最後に、アミノ化したHmSEBmS膜を0.5N−NaOH水溶液に室温で5時間浸漬してイオン交換し、水酸化4級アンモニウム基変性HmSEBmSの膜を得た。膜厚は100μmであり、イオン交換容量はH−NMR測定から得られる値から換算して1.30meq/gであった。
Example 1
(1) Preparation of quaternary ammonium hydroxide-modified HmSEBmS membrane 100 g of the block copolymer (HmSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and then nitrogen. After substitution, 650 ml of chloroform was added and dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, 135 ml of chloromethyl ethyl ether and 5.7 ml of tin tetrachloride were added and stirred at 35 ° C. for 9 hours. Next, the reaction solution was added to 4 L of methanol, and the precipitate was washed and dried to obtain chloromethylated HmSEBmS. The chloromethylation rate of chloromethylated HmSEBmS was 60.9 mol% of α-methylstyrene units from 1 H-NMR analysis.
Next, chloromethylated HmSEBmS was dissolved in toluene, cast on a polytetrafluoroethylene sheet and sufficiently dried at room temperature to obtain a cast film having a thickness of 70 μm.
Next, the chloromethyl group was aminated by immersing the obtained cast film in a mixed solution of 30% trimethylamine aqueous solution and acetone in a volume ratio of 1: 1 at room temperature for 24 hours.
Finally, the aminated HmSEBmS membrane was immersed in a 0.5N-NaOH aqueous solution at room temperature for 5 hours for ion exchange to obtain a quaternary ammonium hydroxide-modified HmSEBmS membrane. The film thickness was 100 μm, and the ion exchange capacity was 1.30 meq / g in terms of the value obtained from 1 H-NMR measurement.

(2)固体高分子型燃料電池単セルの作製
つぎに、固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Pt触媒担持カーボンに、(1)で得られた水酸化4級アンモニウム基変性HmSEBmSのクロロホルム/イソブチルアルコール溶液(クロロホルム:イソブチルアルコール=7:3.4質量%)を混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストを撥水処理済みのカーボンペーパーの片面に均一に塗布し、数時間放置してカーボンペーパー電極を作製した。作製した電極のPt担持量と水酸化4級アンモニウム基変性HmSEBmSの含量は共に1.0mg/cmであった。ついで、(1)で作製した膜(10cm×10cm)を2つの上記で作製したカーボンペーパー電極(5cm×5cm)で膜と触媒面とがそれぞれ向かい合うように挟み、その外側を2枚の耐熱性フィルム及び2枚のステンレス板で順に挟み、ホットプレス(60℃、80kg/cm、2min)して膜−電極接合体を作製した。
上記で作製した膜−電極接合体(耐熱性フィルム及びステンレス板を外したもの)を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で順に挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。なお、それぞれの膜−電極接合体とセパレータとの間には、電極の厚み分の段差からのガス漏れを防ぐために、ガスケットを配した。
(2) Production of a polymer electrolyte fuel cell unit cell Next, an electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced according to the following procedure. The Pt catalyst-supported carbon was mixed with the chloroform / isobutyl alcohol solution of quaternary ammonium hydroxide group-modified HmSEBmS obtained in (1) (chloroform: isobutyl alcohol = 7: 3.4% by mass) and dispersed uniformly. A paste was prepared. This paste was uniformly applied to one side of a water-repellent treated carbon paper and left for several hours to produce a carbon paper electrode. Both the amount of Pt supported on the produced electrode and the content of the quaternary ammonium hydroxide-modified HmSEBmS were 1.0 mg / cm 2 . Next, the membrane (10 cm × 10 cm) produced in (1) is sandwiched between the two carbon paper electrodes (5 cm × 5 cm) produced in the above so that the membrane and the catalyst surface face each other, and the outside is covered with two heat resistant materials The membrane-electrode assembly was fabricated by sandwiching the film and two stainless steel plates in order and hot pressing (60 ° C., 80 kg / cm 2 , 2 min).
The membrane-electrode assembly produced above (with the heat-resistant film and stainless steel plate removed) is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside of the membrane-electrode assembly is two sheets. An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced by sandwiching in turn between an electric plate and two clamping plates. In addition, a gasket was disposed between each membrane-electrode assembly and the separator in order to prevent gas leakage from a step corresponding to the thickness of the electrode.

比較例1
水酸化4級アンモニウム基変性SEBSの膜の作製
SEBS(スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレン)ブロック共重合体[(株)クラレ製「セプトン8007」]100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、クロロホルム750mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、クロロメチルエチルエーテル160mlと塩化スズ6.74mlを加え、35℃で8時間攪拌した。つぎに、反応溶液を4Lのメタノールに加え、沈殿物を洗浄し乾燥してクロロメチル化したSEBSを得た。クロロメチル化したSEBSのクロロメチル化率は、H−NMR分析からスチレン単位の60.1mol%であった。
つぎに、実施例1(1)と同様の方法で、キャスト膜を作製し、アミノ化、イオン交換して水酸化4級アンモニウム基変性SEBSの膜を得た。膜厚は100μmであり、イオン交換容量はH−NMR測定から得られる値から換算して1.41meq/gであった。
Comparative Example 1
Preparation of Quaternary Ammonium Hydroxide-Modified SEBS Film 100 g of SEBS (styrene- (ethylene-butylene) -styrene) block copolymer [“Septon 8007” manufactured by Kuraray Co., Ltd.] in a glass reaction vessel equipped with a stirrer After vacuum-drying for 1 hour and then purging with nitrogen, 750 ml of chloroform was added and stirred at 35 ° C. for 2 hours to dissolve. After dissolution, 160 ml of chloromethyl ethyl ether and 6.74 ml of tin chloride were added and stirred at 35 ° C. for 8 hours. Next, the reaction solution was added to 4 L of methanol, and the precipitate was washed and dried to obtain chloromethylated SEBS. The chloromethylation rate of chloromethylated SEBS was 60.1 mol% of styrene units from 1 H-NMR analysis.
Next, a cast film was prepared in the same manner as in Example 1 (1), and amination and ion exchange were performed to obtain a quaternary ammonium hydroxide-modified SEBS film. The film thickness was 100 μm, and the ion exchange capacity was 1.41 meq / g in terms of the value obtained from 1 H-NMR measurement.

実施例1(1)及び比較例1で作製されたアニオン交換型電解質膜の固体高分子型燃料電池用電解質膜としての性能試験
下記(1)と(2)の試験において実施例1(1)及び比較例1で作製された水酸化アンモニウム基変性ブロック共重合体膜を使用した。
(1)水酸化物イオン伝導率測定
1cm×4cmの試料を一対の白金黒メッキした白金電極で挟み、開放系セルに装着した。測定セルを温度60℃、相対湿度90%に調節した恒温恒湿器内に設置し、交流インピーダンス法により水酸化物イオン伝導率を測定した。
(2)酸化安定性試験
60℃に設定した3質量%過酸化水素水溶液に試料を添加し、2時間及び8時間反応させた。ついで、試料を0.5N−NaOHに1時間浸漬した後、蒸留水で十分に洗浄した。
(3)燃料電池単セル出力性能評価
実施例1(2)で作製した固体高分子型燃料電池単セルについて、燃料電池出力性能を評価した。燃料には加湿した水素を用い、酸化剤には加湿した酸素を用いた。水素:500ml/min、酸素:500ml/minの条件下、セル温度80℃にて試験した。
Performance test of the anion exchange type electrolyte membrane produced in Example 1 (1) and Comparative Example 1 as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell Example 1 (1) in the following tests (1) and (2 ) The ammonium hydroxide group-modified block copolymer film prepared in Comparative Example 1 was used.
(1) Hydroxide ion conductivity measurement A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of platinum black-plated platinum electrodes and mounted in an open cell. The measurement cell was installed in a constant temperature and humidity chamber adjusted to a temperature of 60 ° C. and a relative humidity of 90%, and hydroxide ion conductivity was measured by an AC impedance method.
(2) Oxidation stability test A sample was added to a 3 mass% hydrogen peroxide aqueous solution set at 60 ° C, and reacted for 2 hours and 8 hours. Next, the sample was immersed in 0.5N NaOH for 1 hour and then thoroughly washed with distilled water.
(3) Fuel cell single cell output performance evaluation About the polymer electrolyte fuel cell single cell produced in Example 1 (2), the fuel cell output performance was evaluated. Humidified hydrogen was used as the fuel, and humidified oxygen was used as the oxidant. The test was conducted at a cell temperature of 80 ° C. under conditions of hydrogen: 500 ml / min and oxygen: 500 ml / min.

アニオン交換型電解質膜としての性能試験結果
実施例1(1)及び比較例1で作製した膜についてのイオン伝導度測定試験及び酸化安定性試験の結果を表1に示す。
表1の結果から、本発明のα−メチルスチレン系ブロック共重合体からなる第4級アンモニウムタイプのアニオン交換型電解質膜は、酸化安定性試験による質量保持率がSEBSからなる第4級アンモニウムタイプのアニオン交換型電解質膜よりも著しく高いことが明らかとなった。
Performance Test Results as Anion Exchange Type Electrolyte Membrane Table 1 shows the results of the ionic conductivity measurement test and the oxidation stability test for the membranes produced in Example 1 (1) and Comparative Example 1.
From the results shown in Table 1, the quaternary ammonium type anion exchange type electrolyte membrane made of the α-methylstyrene block copolymer of the present invention has a quaternary ammonium type whose mass retention rate by SE test is SEBS. It was revealed that the membrane was significantly higher than the anion exchange type electrolyte membrane.

Figure 2007042573
Figure 2007042573

実施例1(2)で作製した固体高分子型燃料電池単セルの発電特性として、電流密度に対する電圧の変化を測定した。結果を図1に示す。
単セルの開放電圧は約1.0V、最高出力密度は147mW/cmであり、実施例1(1)で作製した水酸化4級アンモニウム基変性HmSEBmS膜は固体高分子型燃料電池用電解質膜として使用できることが明確となった。
As the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell single cell produced in Example 1 (2), the change in voltage with respect to the current density was measured. The results are shown in FIG.
The open voltage of the single cell is about 1.0 V and the maximum output density is 147 mW / cm 2. The quaternary ammonium hydroxide-modified HmSEBmS membrane produced in Example 1 (1) is an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. It became clear that it could be used as

固体高分子型燃料電池用単セルの電流密度―出力電圧を示す図である(実施例1(2))。It is a figure which shows the current density-output voltage of the single cell for polymer electrolyte fuel cells (Example 1 (2)).

Claims (13)

α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位を主たる繰返し単位とする重合体ブロック(A)及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とするブロック共重合体を含有する固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜であって、重合体ブロック(A)が1価のアニオン伝導性基を有するか、多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)同士を架橋する形態で結合しているか、及び/又は多価のアニオン伝導性基が重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋する形態で結合している該高分子電解質膜。 Solid block containing a polymer block (A) having an aromatic vinyl compound unit whose α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit and a block copolymer having a flexible polymer block (B) as a constituent component A polymer electrolyte membrane for a molecular fuel cell, wherein the polymer block (A) has a monovalent anion conductive group or the polyvalent anion conductive group crosslinks the polymer blocks (A) And / or a polymer electrolyte membrane in which a polyvalent anion conductive group is bonded in a form of crosslinking aromatic vinyl compound units within the polymer block (A). 重合体ブロック(A)に占めるα−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の割合が50質量%以上である請求項1記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the proportion of the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon in the polymer block (A) is quaternary carbon is 50% by mass or more. 重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比が95:5〜5:95である請求項1又は2記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the mass ratio of the polymer block (A) to the polymer block (B) is 95: 5 to 5:95. α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位が、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基又はフェニル基で置換された芳香族ビニル系化合物単位である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解質膜。 In the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon, the hydrogen atom bonded to the α-carbon atom is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a phenyl group. The electrolyte membrane according to claim 1, which is a substituted aromatic vinyl compound unit. フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数5〜8のシクロアルケン単位、炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位、並びに炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数7〜10のビニルシクロアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素数5〜8の共役シクロアルカジエン単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜。 The flexible polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a cycloalkene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and carbon. A conjugated cycloalkadiene unit having 5 to 8 carbon atoms, a vinylcycloalkene unit having 7 to 10 carbon atoms in which part or all of the carbon-carbon double bond has been hydrogenated, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and carbon The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, which is a polymer block composed of at least one repeating unit selected from the group consisting of conjugated cycloalkadiene units of formula 5-8. フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数2〜8のアルケン単位、炭素数4〜8の共役ジエン単位、及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位からなる重合体ブロックである請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜。 The flexible polymer block (B) is an alkene unit having 2 to 8 carbon atoms, a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms, and 4 to 8 carbon atoms in which some or all of the carbon-carbon double bonds are hydrogenated. The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, which is a polymer block comprising at least one repeating unit selected from conjugated diene units. α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル化合物単位がα−メチルスチレン単位であり、フレキシブルな重合体ブロック(B)が炭素数4〜8の共役ジエン単位及び炭素−炭素二重結合の一部もしくは全部が水素添加された炭素数4〜8の共役ジエン単位から選ばれる少なくとも1種の繰返し単位である請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解質膜。 The aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon is an α-methylstyrene unit, and the flexible polymer block (B) is a conjugated diene unit having 4 to 8 carbon atoms and one carbon-carbon double bond. 5. The electrolyte membrane according to claim 1, which is at least one repeating unit selected from conjugated diene units having 4 to 8 carbon atoms, all or part of which are hydrogenated. アニオン伝導性基が以下に示す(1)〜(13)の基から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜7のいずれか1項に記載の電解質膜:
Figure 2007042573

(上記式において、R〜Rはそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R〜R及びR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基を表し、R10はメチル基又はエチル基を表し、Xは水酸化物イオン又は酸アニオンを表し、mは2〜6の整数を表し、nは2又は3を表す)。
The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the anion conductive group is at least one selected from the following groups (1) to (13).
Figure 2007042573

(In the above formula, R 1 to R 3 each independently represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, and R 4 to R 9 and R 11 each independently represents a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group. , R 10 represents a methyl group or an ethyl group, X represents a hydroxide ion or an acid anion, m represents an integer of 2 to 6, and n represents 2 or 3.
〜R及びR11がメチル基又はエチル基であり、Xが水酸化物イオンである請求項8記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to claim 8, wherein R 1 to R 9 and R 11 are a methyl group or an ethyl group, and X - is a hydroxide ion. 〜R11がメチル基である請求項9記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to claim 9, wherein R 1 to R 11 are methyl groups. ブロック共重合体のイオン交換容量が、0.30meq/g以上である請求項1〜10のいずれか1項に記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10, wherein the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の電解質膜を使用した膜−電極接合体。 The membrane-electrode assembly using the electrolyte membrane of any one of Claims 1-11. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell using the electrolyte membrane according to claim 1.
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