JP2006210326A - Polymer electrolyte film for solid polymer fuel cells, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
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イ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, a catalyst layer containing carbon powder carrying a white metal catalyst and an ion conductive binder made of a polymer electrolyte is 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.
固体高分子型燃料電池用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、合成及び廃棄時に環境への配慮が必要となってくる。このような背景から、新規な高分子電解質膜の開発が望まれている。 As a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte 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. From such a background, development of a novel polymer electrolyte membrane is desired.
非フッ素系ポリマーをベースとしたイオン伝導性高分子の開発については既にいくつかの取り組みが成されている。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。 Several efforts have already been made for the development of ion conductive polymers based on non-fluorine polymers. 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、耐熱性芳香族ポリマーであるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)(特許文献1)が開発されている。しかし、一般にスルホン化芳香族ポリマーはイ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、イ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ということが知られている。 Further, polyether ether ketone (PEEK) (Patent Document 1), which is a heat-resistant aromatic polymer, has been developed. However, in general, the sulfonated aromatic polymer has insufficient ion conductivity, so that the performance as a fuel cell is not sufficient. It is also known that increasing the amount of sulfonation to increase ionic conductivity makes the membrane brittle, making it very difficult to use.
一方、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イ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、特許文献2において、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イオン伝導膜が提案されている。しかしながら、我々が実際に試験した結果、化学的安定性、特に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。 On the other hand, a structure in which a polystyrene block is made into an ion conductive channel by sulfonated a polystyrene block of a block copolymer composed of styrene and a rubber component has been proposed. For example, in Patent Document 2, an inexpensive, mechanically and chemically stable polymer electrolyte membrane is composed of a sulfonated product of SEBS (polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer). Ion conductive membranes have been proposed. However, as a result of our actual tests, it was found that chemical stability, particularly radical resistance, is not sufficient. This indicates that when this membrane is used in a fuel cell, the operable time is limited.
また、特許文献3においては、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イオン伝導膜が提案されている。実際に、特許文献3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の方が耐ラジカル性が高いことが、特許文献3において示されているが、耐ラジカル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。
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
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、耐ラジカル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。 The object of the present invention is a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell that is economical, environmentally friendly, excellent in moldability, and excellent in radical resistance and consequently 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及びフレキシブルな重合体ブロック(B)を構成成分とし、かつ、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有する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 and a flexible polymer block (B) having an aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon as a repeating unit. ) And a block copolymer having an ion conductive group in the polymer block (A) meets the above object as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, and the present invention is completed. did.
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)を構成成分とし、かつ、重合体ブロック(A)にイオン伝導性基を有するブロック共重合体を含有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用高分子電解質膜に関する。 That is, the present invention comprises a polymer block (A) having a main repeating unit of an aromatic vinyl compound whose α-carbon is a quaternary carbon and a flexible polymer block (B) as constituent components, and The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the combined block (A) contains a block copolymer having an ion conductive group.
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)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。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。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。また、イオン伝導性基は重合体ブロック(A)に結合しているが、このことは耐ラジカル性の向上のため必要である。イオン伝導性基はスルホン酸基及びホスホン酸基並びにそれらの塩を包含する。
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。
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 ion conductive group, an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons. 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. 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. The ion conductive group is bonded to the polymer block (A), which is necessary for improving radical resistance. Ion conductive groups include sulfonic acid groups and phosphonic acid groups and salts thereof.
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、耐ラジカル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 polymer electrolyte fuel cell of the present invention are economical, environmentally friendly, have excellent radical resistance 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つのイオン伝導性基を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 is a polymer having an aromatic vinyl compound unit in which α-carbon is a quaternary carbon as a main repeating unit and having at least one ion-conducting group. The block (A) is a 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)、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。 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). -Butyl group, isobutyl group or tert-butyl group), a C1-C4 halogenated alkyl group (chloromethyl group, 2-chloroethyl group, 3-chloroethyl group, etc.) or an aromatic vinyl group substituted with a phenyl group A compound is preferred. 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 polymerizing (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耐ラジカル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 compound unit in which the α-carbon in the polymer block (A) is a quaternary carbon is used in order to impart sufficient radical resistance 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)はイオン伝導性基を有するので重合体ブロック(A)同士の集合によりイオンチャンネルが形成され、プロトンの通り道となる。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 ion conductive group, so that an ion channel is formed by the assembly of the polymer blocks (A) and becomes a passage for protons. 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、ビニルエステル類、ビニルエーテル類等が挙げられ、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, ( Examples include (meth) acrylic acid esters, vinyl esters, vinyl ethers, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. 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、1H−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、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、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, the most preferable alkene unit is an isobutene unit, and the most preferable conjugated diene unit is a 1,3-butadiene unit and / or an isoprene 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. Examples of the cycloalkene having 5 to 8 carbon atoms include cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, and cyclooctene. Examples of the vinylcycloalkene having 7 to 10 carbon atoms include 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シリンダー状ないし連続相となるのに有利であって、実用上十分なイ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 cylindrical or continuous phase by microphase separation, which is practically sufficient. Excellent ionic conductivity is exhibited, and 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イ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。 The number average molecular weight of the block copolymer used in the present invention in a state where the ion conductive group is not introduced is not particularly limited, but 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)にイオン伝導性基を有することが必要である。本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトンなどが挙げられる。イ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イ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、中でも−SO3M又は−PO3HM(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基としては、また、カルボキシル基又はその塩も用いることができる。イ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耐ラジカル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 ion conductive group in the polymer block (A). Examples of ions in the present invention when referring to ionic conductivity include protons. The ion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the polymer electrolyte membrane can express sufficient ionic conductivity. Among them, -SO 3 M or- A sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a salt thereof represented by PO 3 HM (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion) is preferably used. As the ion conductive group, a carboxyl group or a salt thereof can also be used. The introduction position of the ion conductive group is the polymer block (A) because it is particularly effective for improving the radical resistance of the entire block copolymer.
イ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、耐ラジカル性の向上の程度から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。 There are no particular restrictions on the position at which the ion conductive group is introduced into the polymer block (A). Even if it is introduced into the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon, the other units described above Although it may be introduced into the body unit, it is most preferably introduced into the aromatic ring of the aromatic vinyl compound unit in which the α-carbon is a quaternary carbon in view of the improvement of radical resistance.
イ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イ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 ion-conducting group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the resulting block copolymer, etc., but exhibits sufficient ion 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.
また、イオン伝導性基が導入された重合体ブロック(A)が、α−炭素原子に結合した水素原子が炭素数1〜4のアルキル基で置換された芳香族ビニル系化合物、例えばα−メチルスチレンから構成されている場合は、α−炭素が3級炭素である芳香族ビニル系化合物単位によって構成されている場合に比べ、重合体ブロック(A)の溶解度パラメータが小さくなり、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内の疎水性が向上する。そのため、メタノールを燃料とする燃料電池においては、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)を抑制しやすい傾向になる。α−メチルスチレンよりも溶解度パラメータがさらに小さい他の単量体単位を(共)重合した場合には、メタノールクロスオーバーをさらに抑制しやすい傾向になる。 In addition, the polymer block (A) into which an ion conductive group is introduced is an aromatic vinyl compound in which a hydrogen atom bonded to an α-carbon atom is substituted with an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, such as α-methyl. When composed of styrene, the solubility parameter of the polymer block (A) is smaller than when composed of aromatic vinyl compound units in which the α-carbon is tertiary carbon, and due to microphase separation. The hydrophobicity in the ion channel formed by the polymer block (A) is improved. For this reason, in a fuel cell using methanol as a fuel, the phenomenon (methanol crossover) in which methanol permeates the electrolyte membrane from one electrode side to the other electrode side tends to be suppressed. When other monomer units having a solubility parameter smaller than that of α-methylstyrene are (co) polymerized, methanol crossover tends to be further suppressed.
また、イオン伝導性基の重合体ブロック(A)同士を、本発明の効果を損わない範囲内で公知の方法により架橋させてもよい。架橋を導入することにより、膜の形態安定性が増し、更にメタノールクロスオーバーも抑制しやすい傾向になる。 Moreover, the polymer blocks (A) of ion conductive groups may be cross-linked by a known method within a range not impairing the effects of the present invention. By introducing cross-linking, the form stability of the film increases, and methanol crossover tends to be suppressed.
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)まずイ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、イオン伝導性基を結合させる方法、(2)イ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) First, a method of producing a block copolymer having no ion conductive group and then binding the ion conductive group, (2) block copolymerization using a monomer having an ion 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、アニオン重合法、カチ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(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、リビングアニオン重合法、リビングカチ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, Although it is appropriately selected from coordination polymerization method and the like, radical polymerization method, anionic polymerization method and cationic polymerization method are preferably selected from the viewpoint of industrial ease. In particular, the so-called living polymerization method is preferred from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding with the polymer block (B) or (A) comprising a flexible component, and specifically, a living radical polymerization method. Living anionic polymerization and living cationic polymerization are 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 production method of a block copolymer comprising a polymer block (A) made of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) made of conjugated 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 isobutene 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; Polym. 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; Polym. 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) 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. Α-methylstyrene is polymerized, the resulting living polymer is polymerized with a conjugated diene, and the resulting α-methylstyrene polymer block and the block copolymer living polymer of the block copolymer consisting of a conjugated diene polymer block are polymer blocks (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 in a mixed solvent of halogenated hydrocarbon and hydrocarbon at −78 ° C. in the presence of Lewis acid, followed by addition of diphenylethylene, Further, after the addition of 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. Then, a coupling reaction is carried out 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) composed of poly (α-methylstyrene) and a polymer block (B) composed of isobutene, the method shown in (5) or (6) is adopted. Is done.
次に、得られたブロック共重合体にイオン伝導性基を結合させる方法について述べる。
まず、得られたブロック共重合体にスルホン酸基を導入する方法について述べる。スルホン化は、公知のスルホン化の方法で行える。このような方法としては、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や縣濁液を調製し、スルホン化剤を添加し混合する方法やブロック共重合体に直接ガス状のスルホン化剤を添加する方法等が例示される。
Next, a method for bonding an ion conductive group to the obtained block copolymer will be described.
First, a method for introducing a sulfonic acid group into the obtained block copolymer will be described. Sulfonation can be performed by a known sulfonation method. As such a method, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, a sulfonating agent is added and mixed, a method of adding a gaseous sulfonating agent directly to the block copolymer, etc. Is exemplified.
使用するスルホン化剤としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物系、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物系、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物系、さらに2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、ヘキサ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等が例示でき、必要に応じて複数の組合せから、適宜選択して使用してもよい。 Sulfonating agents used include sulfuric acid, a mixture of sulfuric acid and aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate. Examples thereof include aromatic organic sulfonic acids represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, and the like. You may use it, selecting suitably from several combinations.
得られたブロック共重合体にホスホン酸基を導入する方法について述べる。ホスホン化は、公知のホスホン化の方法で行える。具体的には、例えば、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や懸濁液を調製し、無水塩化アルミニウムの存在下、該共重合体をクロロメチルエーテル等と反応させ、芳香環にハロメチル基を導入後、これに三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、さらに加水分解反応を行ってホスホン酸基を導入する方法などが挙げられる。あるいは、該共重合体に三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、芳香環にホスフィン酸基を導入後、硝酸によりホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法等が例示できる。 A method for introducing phosphonic acid groups into the obtained block copolymer will be described. Phosphonation can be performed by a known phosphonation method. Specifically, for example, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, and the copolymer is reacted with chloromethyl ether or the like in the presence of anhydrous aluminum chloride to introduce a halomethyl group into the aromatic ring. Thereafter, there may be mentioned a method in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added and reacted, followed by a hydrolysis reaction to introduce a phosphonic acid group. Alternatively, a method may be exemplified in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added to the copolymer and reacted to introduce a phosphinic acid group into the aromatic ring, and then the phosphinic acid group is oxidized with nitric acid to form a phosphonic acid group.
スルホン化又はホスホン化の程度としては、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、特に0.40meq/g以上になるまで、しかし、3.0meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化されることが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。スルホン化またはホスホン化されたブロック共重合体のイオン交換容量、もしくはブロック共重合体におけるα-メチルスチレンブロック中のスルホン化率又はホスホン化率は、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(1H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。 The degree of sulfonation or phosphonation is as described above until the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, particularly 0.40 meq / g or more, but 3.0 meq / g or less. It is desirable to be sulfonated or phosphonated so that Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer, or the sulfonation rate or phosphonation rate in the α-methylstyrene block in the block copolymer is determined by acid titration, infrared spectroscopy, nuclear It can be calculated using an analytical means such as magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.
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、イ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。
イオン伝導性基を有する単量体としては、芳香族系ビニル化合物にイオン伝導性基が結合した単量体が好ましい。具体的には、スチレンスルホン酸、α−アルキル−スチレンスルホン酸、ビニルナフタレンスルホン酸、α−アルキル−ビニルナフタレンスルホン酸、ビニルアントラセンスルホン酸、α−アルキル−ビニルアントラセンスルホン酸、ビニルピレンスルホン酸、α−アルキル−ビニルピレンスルホン酸、スチレンホスホン酸、α−アルキル−スチレンホスホン酸、ビニルナフタレンホスホン酸、α−アルキル−ビニルナフタレンホスホン酸、ビニルアントラセンホスホン酸、α−アルキル−ビニルアントラセンホスホン酸、ビニルピレンホスホン酸、α−アルキル−ビニルピレンホスホン酸等が挙げられる。これらの中では、工業的汎用性、重合の容易さ等から、o−、m−又はp−スチレンスルホン酸、α−アルキル−o−、m−又はp−スチレンスルホン酸が特に好ましい。
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 ion conductive group.
As the monomer having an ion conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to an aromatic vinyl compound is preferable. Specifically, styrene sulfonic acid, α-alkyl-styrene sulfonic acid, vinyl naphthalene sulfonic acid, α-alkyl-vinyl naphthalene sulfonic acid, vinyl anthracene sulfonic acid, α-alkyl-vinyl anthracene sulfonic acid, vinyl pyrene sulfonic acid, α-alkyl-vinylpyrenesulfonic acid, styrenephosphonic acid, α-alkyl-styrenephosphonic acid, vinylnaphthalenephosphonic acid, α-alkyl-vinylnaphthalenephosphonic acid, vinylanthracenephosphonic acid, α-alkyl-vinylanthracenephosphonic acid, vinyl Examples include pyrenephosphonic acid and α-alkyl-vinylpyrenephosphonic acid. Among these, o-, m- or p-styrene sulfonic acid, α-alkyl-o-, m- or p-styrene sulfonic acid is particularly preferable from the viewpoint of industrial versatility and ease of polymerization.
イオン伝導性基を含有する単量体としては、共役ジエン化合物にイオン伝導性基が結合した単量体も用いることができる。具体的には、1,3−ブタジエン−1−スルホン酸、1,3−ブタジエン−2−スルホン酸、イソプレンー1−スルホン酸、イソプレン−2−スルホン酸、1,3−ブタジエンー1−ホスホン酸、1,3−ブタジエン−2−ホスホン酸、イソプレン−1−ホスホン酸、イソプレン−2−ホスホン酸等が挙げられる。 As the monomer containing an ion conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to a conjugated diene compound can also be used. Specifically, 1,3-butadiene-1-sulfonic acid, 1,3-butadiene-2-sulfonic acid, isoprene-1-sulfonic acid, isoprene-2-sulfonic acid, 1,3-butadiene-1-phosphonic acid, Examples include 1,3-butadiene-2-phosphonic acid, isoprene-1-phosphonic acid, isoprene-2-phosphonic acid, and the like.
イオン伝導性基を含有する単量体としてはまた、ビニルスルホン酸、α−アルキル−ビニルスルホン酸、ビニルアルキルスルホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルスルホン酸、ビニルホスホン酸、α−アルキル−ビニルホスホン酸、ビニルアルキルホスホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルホスホン酸等も用いることができる。これらの中では、ビニルスルホン酸、ビニルホスホン酸が好ましい。
イオン伝導性を含有する単量体としては、さらに、イオン伝導性基が結合した(メタ)アクリル系単量体も用いることができる。具体的には、メタクリル酸、アクリル酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸等が挙げられる。
Examples of the monomer containing an ion conductive group include vinyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl sulfonic acid, vinyl alkyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl sulfonic acid, vinyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl phosphone. Acid, vinyl alkyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl phosphonic acid and the like can also be used. Among these, vinyl sulfonic acid and vinyl phosphonic acid are preferable.
As the monomer containing ion conductivity, a (meth) acrylic monomer to which an ion conductive group is bonded can also be used. Specific examples include methacrylic acid, acrylic acid, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, and the like.
イオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、o−、m−又はp−スチレンスルホン酸ナトリウム、あるいはα−メチルーo−、m−又はp−スチレンスルホン酸ナトリウムを用いて重合体を製造することで、所望のイオン伝導性基を導入できる。又は、適当な方法でイオン交換することにより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体を得ることができる。 The ion conductive group may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, a desired ion-conducting group is introduced by producing a polymer using sodium o-, m- or p-styrene sulfonate, or sodium α-methyl-o-, m- or p-styrene sulfonate. it can. Or the block copolymer which made the sulfonic acid group into the salt form can be obtained by ion-exchange by a suitable method.
本発明の高分子電解質膜は、本発明の効果を損なわない限り、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。軟化剤の使用量には、特に制限はないが、ブロック共重合体100質量部に対して、0〜1,000質量部であるのが好ましく、0〜500質量部であるのがより好ましく、0〜300質量部であるのがより一層好ましい。 The polymer electrolyte membrane of the present invention may contain a softening agent as long as the effects of the present invention are not impaired. 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. Although there is no restriction | limiting in particular in the usage-amount of a softening agent, It is preferable that it is 0-1,000 mass parts with respect to 100 mass parts of block copolymers, and it is more preferable that it is 0-500 mass parts, It is still more preferable that it is 0-300 mass parts.
本発明の高分子電解質膜は、さらに、必要に応じて各種添加剤、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 further includes various additives as required, for example, phenol stabilizers, sulfur stabilizers, phosphorus stabilizers, light stabilizers, antistatic agents, mold release agents, flame retardants. , Foaming agents, pigments, dyes, brighteners, carbon fibers and the like may be contained singly 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、無機充填剤を添加することができる。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 can be further added with an inorganic filler as required, 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、膜抵抗が大きくなり、充分なプロト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 contrary, when the film thickness is thicker than 500 μm, the membrane resistance increases and sufficient proton 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スルホン基等のイ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 lower than the temperature at which the ion conductive group such as the sulfone 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.
次に、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、イ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と接合させる方法や、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、イ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、これらの方法をイオン伝導性基をNaなどの金属との塩にした状態で行い、接合後の酸処理によってプロトン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 ion 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 to join the two pairs of joined bodies with the catalyst layer on the inside and by hot pressing or the like on both sides of the polymer electrolyte membrane, There is a method in which a catalyst 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 ion conductive binder is applied to both surfaces of the polymer electrolyte membrane and / or the catalyst layer surface of 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 where the ion conductive group is made into a salt with a metal such as Na, and a treatment for returning to a proton type by an acid treatment after bonding may be performed.
上記膜−電極接合体を構成するイオン伝導性バインダーとしては、例えば、「Nafion」(登録商標、デュポン社製)や「Gore−select」(登録商標、ゴア社製)などの既存のパーフルオロスルホン酸系ポリマーからなるイオン伝導性バインダー、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリエーテルケトンからなるイオン伝導性バインダー、リン酸や硫酸を含浸したポリベンズイミダゾールからなるイオン伝導性バインダー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イ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イオン伝導性バインダーを用いることが好ましい。 Examples of the ion conductive binder constituting the membrane-electrode assembly include existing perfluorosulfones such as “Nafion” (registered trademark, manufactured by DuPont) and “Gore-select” (registered trademark, manufactured by Gore). An ion conductive binder made of an acid polymer, an ion conductive binder made of sulfonated polyethersulfone or sulfonated polyetherketone, an ion conductive binder made of polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid can be used. . Moreover, you may produce an ion 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 ion 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は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 such as carbon / catalyst support, the amount of catalyst used is small and it is 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、化学的安定性が優れ、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 chemical stability, has little deterioration in power generation characteristics over time, and can be used stably for a long time.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by these Examples.
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−b−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、1H−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、1H−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1H−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.6%であった。
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-b-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.
Prepare a cyclohexane solution of synthesized mSEBmS, charge it in a pressure-resistant vessel with sufficient nitrogen substitution, and then use a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst for 5 hours at 80 ° C. in a hydrogen atmosphere. 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%.
参考例2
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(HmSEBmS)の製造
参考例1と同様の方法で、数平均分子量51300、1,4−結合量59.2%及びα−メチルスチレン単位の含有量31.3質量%のmSEBmSを合成した。この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かった。ついでこのmSEBmSを用いる以外参考例1と同様にして水素添加率99.4%のHmSEBmSを得た。
Reference example 2
Production of block copolymer (HmSEBmS) comprising poly α-methylstyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In the same manner as in Reference Example 1, number average molecular weight 51300 Then, mSEBmS having a 1,4-bond content of 59.2% and an α-methylstyrene unit content of 31.3% by mass was synthesized. In this polybutadiene block, α-methylstyrene was not substantially copolymerized. Subsequently, HmSEBmS having a hydrogenation rate of 99.4% was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that this mSEBmS was used.
参考例3
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(HmSEBmS)の製造
参考例1と同様の方法で、数平均分子量74700、1,4−結合量39.5%及びα−メチルスチレン単位の含有量42.0質量%のmSEBmSを合成した。この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かった。ついでこのmSEBmSを用いて水素添加反応を50℃で7時間行ったことを除いて参考例1と同様にして水素添加率99.4%のHmSEBmSを得た。
Reference example 3
Production of block copolymer (HmSEBmS) comprising poly α-methylstyrene (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) In the same manner as in Reference Example 1, number average molecular weight 74700 Then, mSEBmS having a 1,4-bond content of 39.5% and an α-methylstyrene unit content of 42.0% by mass was synthesized. In this polybutadiene block, α-methylstyrene was not substantially copolymerized. Subsequently, HmSEBmS having a hydrogenation rate of 99.4% was obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that the hydrogenation reaction was carried out at 50 ° C. for 7 hours using this mSEBmS.
参考例4
ポリスチレン(重合体ブロック(A))とポリイソブチレン(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 98/14518号)に従い、ポリスチレン−b−ポリイソブチレン−b−ポリスチレントリブロック共重合体(以下SiBuSと略記する)を製造した。得られたトリブロック共重合体の数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は69000、スチレンの含有量は28.4%であった。
Reference example 4
Production of block copolymer consisting of polystyrene (polymer block (A)) and polyisobutylene (polymer block (B))
A polystyrene-b-polyisobutylene-b-polystyrene triblock copolymer (hereinafter abbreviated as SiBuS) was produced according to a previously reported method (WO 98/14518). The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained triblock copolymer was 69000, and the styrene content was 28.4%.
実施例1
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
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、塩化メチレン1000mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン41.8ml中、0℃にて無水酢酸21.0mlと硫酸9.34mlとを反応させて得られた硫酸化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて0.5時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から20.6mol%、イオン交換容量は0.48meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化HmSEBmSの5質量%のTHF/MeOH(質量比8/2)溶液を調製し、ポリテトラフルオロエチレンシート上に約1000μmの厚みでキャストし、室温で十分乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Example 1
(1) Synthesis of sulfonated HmSEBmS 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 purged with nitrogen, and then 1000 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfating reagent obtained by reacting 21.0 ml of acetic anhydride and 9.34 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 41.8 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 0.5 hour, the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated HmSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated HmSEBmS was 20.6 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.48 meq / g.
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A 5% by mass THF / MeOH (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated HmSEBmS obtained in (1) was prepared, and about 1000 μm of polytetrafluoroethylene sheet was prepared. A film having a thickness of 50 μm was obtained by casting at a thickness and sufficiently drying at room temperature.
実施例2
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
実施例1(1)においてスルホン化の反応時間を1時間にする以外は実施例1と同様に操作してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から30.1mol%、イオン交換容量は0.69meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
上記スルホン化HmSEBmSを用いる以外実施例1(2)と同様の方法で厚さ50μmの膜を得た。
Example 2
(1) Synthesis of sulfonated HmSEBmS A sulfonated HmSEBmS was obtained in the same manner as in Example 1 except that the reaction time for sulfonation was set to 1 hour in Example 1 (1). The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated HmSEBmS was 30.1 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.69 meq / g.
(2) Production of Fuel Cell Electrolyte Membrane A membrane having a thickness of 50 μm was obtained in the same manner as in Example 1 (2) except that the sulfonated HmSEBmS was used.
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
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−Ru合金触媒担持カーボンに、Nafionの5質量%メタノール溶液を、Pt−Ru合金とNafionとの質量比が2:1になるように添加混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストを転写シートに塗布し、24時間乾燥させて、アノード側の触媒シートを作製した。また、Pt触媒担持カーボンに、低級アルコールと水との混合溶媒中へのNafionの5質量%溶液を、Pt触媒とNafionとの質量比が2:1になるように添加混合し、均一に分散されたペーストを調製し、アノード側と同様の方法にてカソード側の触媒シートを作製した。(2)で作製した燃料電池用電解質膜を、上記2種類の触媒シートでそれぞれ膜と触媒面とが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(150℃、100kg/cm2、10min)により膜と触媒シートとを接合させた。最後に転写シートを剥離させ、耐熱性フィルム及びステンレス板を外して膜−電極接合体を作製した。ついで作製した膜−電極接合体を、2枚のカーボンペーパーで挟み、その外側を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枚の締付板で挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 5% by mass methanol solution of Nafion was added to and mixed with the Pt—Ru alloy catalyst-supporting carbon so that the mass ratio of the Pt—Ru alloy to Nafion was 2: 1 to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was applied to a transfer sheet and dried for 24 hours to prepare an anode side catalyst sheet. Also, a 5% by mass solution of Nafion in a mixed solvent of lower alcohol and water was added to and mixed with Pt catalyst-supported carbon so that the mass ratio of Pt catalyst to Nafion was 2: 1, and dispersed uniformly. The prepared paste was prepared, and a cathode side catalyst sheet was prepared in the same manner as the anode side. The fuel membrane electrolyte membrane produced in (2) is sandwiched between the two types of catalyst sheets so that the membrane and the catalyst surface face each other, and the outside is sandwiched between two heat resistant films and two stainless steel plates in order. The membrane and the catalyst sheet were joined by hot pressing (150 ° C., 100 kg / cm 2 , 10 min). Finally, the transfer sheet was peeled off, and the heat-resistant film and the stainless steel plate were removed to prepare a membrane-electrode assembly. Next, the membrane-electrode assembly produced was sandwiched between two sheets of carbon paper, the outside was sandwiched between two conductive separators that also function as gas supply channels, and the outside of the two collector plates And an evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced by sandwiching the two clamp plates.
実施例3
(2)燃料電池用電解質膜の作製
実施例1(1)で得られたスルホン化HmSEBmSの18質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約550μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Example 3
(2) Fabrication of Fuel Cell Electrolyte Membrane An 18% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated HmSEBmS obtained in Example 1 (1) was prepared, and the release-treated PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] was coated with a thickness of about 550 μm and sufficiently dried at room temperature to obtain a film with a thickness of 50 μm.
実施例4
(2)燃料電池用電解質膜の作製
実施例2で得られたスルホン化HmSEBmSの18質量%のシクロヘキサン/イソプロピルアルコール(質量比7/3)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約550μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Example 4
(2) Production of Fuel Cell Electrolyte Membrane An 18% by mass cyclohexane / isopropyl alcohol (mass ratio 7/3) solution of the sulfonated HmSEBmS obtained in Example 2 was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) "Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo] with a thickness of about 550 µm and sufficiently dried at room temperature to obtain a membrane with a thickness of 50 µm.
実施例5
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
実施例1(1)において硫酸化試薬滴下後の反応時間を8時間とする以外は実施例1(1)と同様に操作してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から51.0mol%、イオン交換容量は1.12meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化HmSEBmSの14質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」]上に約650μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Example 5
(1) Synthesis of Sulfonated HmSEBmS Sulfonated HmSEBmS was obtained in the same manner as in Example 1 (1) except that the reaction time after dropping the sulfating reagent was 8 hours in Example 1 (1). The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit in the obtained sulfonated HmSEBmS was 51.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.12 meq / g.
(2) Preparation of Fuel Cell Electrolyte Membrane A 14% by mass toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated HmSEBmS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) "Toyobo Ester Film K1504" manufactured by Toyobo] with a thickness of about 650 µm and sufficiently dried at room temperature to obtain a membrane with a thickness of 50 µm.
実施例6
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
参考例2で得られたブロック共重合体(HmSEBmS)90g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、塩化メチレン816mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン36.5ml中、0℃にて無水酢酸18.3mlと硫酸8.17mlとを反応させて得られた硫酸化試
薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて4時間攪拌後、3Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から30.8mol%、イオン交換容量は0.74meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化HmSEBmSの22質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」] 上に約450μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Example 6
(1) Synthesis of sulfonated HmSEBmS 90 g of the block copolymer (HmSEBmS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, followed by 816 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfating reagent obtained by reacting 18.3 ml of acetic anhydride and 8.17 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 36.5 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 4 hours, the polymer solution was poured into 3 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated HmSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the sulfonated HmSEBmS obtained was 30.8 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.74 meq / g.
(2) Preparation of Fuel Cell Electrolyte Membrane A 22% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated HmSEBmS obtained in (1) was prepared, and the release-treated PET film [(stock ) “Toyobo Ester Film K1504” manufactured by Toyobo] A film with a thickness of about 50 μm was obtained by coating the film with a thickness of about 450 μm and sufficiently drying at room temperature.
実施例7
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
参考例2で得られたブロック共重合体(HmSEBmS)106g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、塩化メチレン900mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン58.6ml中、0℃にて無水酢酸29.3mlと硫酸13.1mlとを反応させて得られた硫酸化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて9時間攪拌後、3Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から52.7mol%、イオン交換容量は1.21meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化HmSEBmSを実施例6(2)と同様に処理して厚さ50μmの膜を得た。
Example 7
(1) Synthesis of sulfonated HmSEBmS 106 g of the block copolymer (HmSEBmS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, followed by 900 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfating reagent obtained by reacting 29.3 ml of acetic anhydride and 13.1 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 58.6 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring for 9 hours at 35 ° C., the polymer solution was poured into 3 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated HmSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the obtained sulfonated HmSEBmS was 52.7 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.21 meq / g.
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell The sulfonated HmSEBmS obtained in (1) was treated in the same manner as in Example 6 (2) to obtain a membrane having a thickness of 50 μm.
実施例8
(1)スルホン化HmSEBmSの合成
参考例3で得られたブロック共重合体(HmSEBmS)30g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、塩化メチレン381mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、塩化メチレン13.1ml中、0℃にて無水酢酸6.55mlと硫酸2.93mlとを反応させて得られた硫酸化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて4時間攪拌後、1Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から28.5mol%、イオン交換容量は0.95meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
(1)で得られたスルホン化HmSEBmSを実施例6(2)と同様に処理して厚さ50μmの膜を得た。
Example 8
(1) Synthesis of sulfonated HmSEBmS 30 g of the block copolymer (HmSEBmS) obtained in Reference Example 3 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen, followed by 381 ml of methylene chloride. And dissolved by stirring at 35 ° C. for 2 hours. After dissolution, a sulfating reagent obtained by reacting 6.55 ml of acetic anhydride and 2.93 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 13.1 ml of methylene chloride was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 4 hours, the polymer solution was poured into 1 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated HmSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the sulfonated HmSEBmS obtained was 28.5 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.95 meq / g.
(2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell The sulfonated HmSEBmS obtained in (1) was treated in the same manner as in Example 6 (2) to obtain a membrane having a thickness of 50 μm.
比較例1
(1)スルホン化SEBSの合成
塩化メチレン34.2ml中、0℃にて無水酢酸17.1mlと硫酸7.64mlとを反応させて硫酸化試薬を調製した。一方、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、塩化メチレン1000mlを加え、35℃にて4時間攪拌して溶解させた。溶解後、硫酸化試薬を20分かけて徐々に滴下した。35℃にて5時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分は、90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SEBSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から19.3mol%、イオン交換容量は0.51meq/gであった
(2)燃料電池用電解質膜の作製
上記スルホン化SEBSを用いる以外実施例1(2)と同様の方法にて厚さ50μmの膜を得た。
Comparative Example 1
(1) Synthesis of Sulfonated SEBS A sulfated reagent was prepared by reacting 17.1 ml of acetic anhydride and 7.64 ml of sulfuric acid at 0 ° C. in 34.2 ml of methylene chloride. On the other hand, 100 g of SEBS (styrene- (ethylene-butylene) -styrene) block copolymer [“Septon 8007” manufactured by Kuraray Co., Ltd.] was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and then nitrogen. After the replacement, 1000 ml of methylene chloride was added and dissolved by stirring at 35 ° C. for 4 hours. After dissolution, the sulfating reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 5 hours, the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SEBS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit in the obtained sulfonated SEBS was 19.3 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.51 meq / g. (2) Preparation of electrolyte membrane for fuel cell A membrane having a thickness of 50 μm was obtained in the same manner as in Example 1 (2) except that the sulfonated SEBS was used.
比較例2
(1)スルホン化SEBSの合成
比較例1(1)においてスルホン化の反応時間を12時間にする以外は比較例1(1)と同様に操作してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化SEBSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から29.0mol%、イオン交換容量は0.75meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
上記スルホン化SEBSを用いる以外実施例1(2)と同様の方法にて厚さ50μmの膜を得た。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記膜を用いる以外は実施例2(3)と同様の方法にて単セルを作製した。
Comparative Example 2
(1) Synthesis of sulfonated SEBS A sulfonated HmSEBmS was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 (1) except that the reaction time for sulfonation was 12 hours in Comparative Example 1 (1). The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated SEBS was 29.0 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.75 meq / g.
(2) Production of Fuel Cell Electrolyte Membrane A membrane having a thickness of 50 μm was obtained in the same manner as in Example 1 (2) except that the sulfonated SEBS was used.
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell A single cell was produced in the same manner as in Example 2 (3) except that the membrane was used.
比較例3
(2)燃料電池用電解質膜の作製
比較例2(1)で得られたスルホン化SEBSの18質量%のトルエン/イソブチルアルコール(質量比8/2)溶液を調製し、離形処理済みPETフィルム[(株)東洋紡製「東洋紡エステルフィルムK1504」] 上に約550μmの厚みでコートし、室温で十分乾燥させることで、厚さ50μmの膜を得た。
Comparative Example 3
(2) Preparation of fuel cell electrolyte membrane An 18% by weight toluene / isobutyl alcohol (mass ratio 8/2) solution of the sulfonated SEBS obtained in Comparative Example 2 (1) was prepared, and the release-treated PET film [Toyobo Co., Ltd. “Toyobo Ester Film K1504”] A film with a thickness of about 550 μm was coated on the film and dried sufficiently at room temperature to obtain a film with a thickness of 50 μm.
比較例4
(1)スルホン化SiBuSの合成
塩化メチレン18.2ml中、0℃にて無水酢酸11.6mlと硫酸5.17mlとを反応させて硫酸化試薬を調製した。一方、参考例2で得られたブロック共重合体(SiBuS)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、塩化メチレン1000mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、硫酸化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて2時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分は、90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化SiBuSを得た。得られたスルホン化SiBuSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から19.1mol%、イオン交換容量は0.50meq/gであった。
(2)製膜
上記スルホン化SiBuSを用いる以外実施例1(2)と同様の方法にて厚さ80μmの膜を得た。
Comparative Example 4
(1) Synthesis of sulfonated SiBuS A sulfating reagent was prepared by reacting 11.6 ml of acetic anhydride and 5.17 ml of sulfuric acid at 18.degree. C. in 18.2 ml of methylene chloride. On the other hand, 100 g of the block copolymer (SiBuS) obtained in Reference Example 2 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. And stirred for 2 hours to dissolve. After dissolution, the sulfating reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring at 35 ° C. for 2 hours, the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and finally the polymer collected by filtration was vacuum dried to obtain sulfonated SiBuS. The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the obtained sulfonated SiBuS was 19.1 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.50 meq / g.
(2) Film formation A film having a thickness of 80 μm was obtained in the same manner as in Example 1 (2) except that the sulfonated SiBuS was used.
比較例5
(1)スルホン化SiBuSの合成
比較例4(1)においてスルホン化の反応時間を10.5時間にする以外は比較例4(1)と同様に操作してスルホン化SiBuSを得た。得られたスルホン化SiBuSのスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から28.1mol%、イオン交換容量は0.72meq/gであった。
(2)燃料電池用電解質膜の作製
上記スルホン化SiBuSを用いる以外実施例1(2)と同様の方法にて厚さ50μmの膜を得た。
(3)固体高分子型燃料電池用単セルの作製
上記膜を用いる以外は実施例2(3)と同様の方法にて単セルを作製した。
Comparative Example 5
(1) Synthesis of sulfonated SiBuS A sulfonated SiBuS was obtained in the same manner as in Comparative Example 4 (1) except that the reaction time for sulfonation was changed to 10.5 hours in Comparative Example 4 (1). The sulfonation rate of the benzene ring of the styrene unit of the sulfonated SiBuS obtained was 28.1 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 0.72 meq / g.
(2) Production of Fuel Cell Electrolyte Membrane A membrane having a thickness of 50 μm was obtained in the same manner as in Example 1 (2) except that the sulfonated SiBuS was used.
(3) Production of single cell for polymer electrolyte fuel cell A single cell was produced in the same manner as in Example 2 (3) except that the membrane was used.
比較例6
パーフルオロカーボンスルホン酸系高分子電解質として、DuPont社ナフィオンフィルム(Nafion112)を選択した。該フィルムの厚みは約50μm、イオン交換容量は0.91meq/gであった。
上記フィルムを燃料電池用電解質膜に代えて用いる以外は実施例2(3)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池用単セルを作製した。
Comparative Example 6
A DuPont Nafion film (Nafion 112) was selected as the perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte. The film had a thickness of about 50 μm and an ion exchange capacity of 0.91 meq / g.
A single cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced in the same manner as in Example 2 (3) except that the above film was used instead of the fuel cell electrolyte membrane.
実施例及び比較例の高分子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
以下の1)〜4)の試験において試料としては各実施例又は比較例で得られたスルホン化ブロック共重合体から調製した膜又はナフィオンフィルムを使用した。
1)イオン交換容量の測定
試料を密閉できるガラス容器中に秤量(a(g))し、そこに過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を、フェノールフタレイン液を指示薬とし、0.01NのNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(b(ml))した。イオン交換容量は、次式により求めた。
イオン交換容量=(0.01×b×f)/a
Performance Tests of Polymer Membranes of Examples and Comparative Examples as Electrolyte Membranes for Solid Polymer Type Fuel Cells In the following tests 1) to 4), the sulfonated block obtained in each Example or Comparative Example was used as a sample. A membrane or Nafion film prepared from the polymer was used.
1) Measurement of ion exchange capacity A sample was weighed (a (g)) in a glass container capable of being sealed, and an excess amount of a saturated aqueous sodium chloride solution was added thereto and stirred overnight. Hydrogen chloride generated in the system was titrated (b (ml)) with a 0.01N NaOH standard aqueous solution (titer f) using a phenolphthalein solution as an indicator. The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity = (0.01 × b × f) / a
2)プロトン伝導率測定
1cm×4cmの試料を一対の白金電極で挟み、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プロトン伝導率を測定した。
2) Measurement of proton conductivity A sample of 1 cm × 4 cm was sandwiched between a pair of platinum electrodes and attached to 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 proton conductivity was measured by an AC impedance method.
3)膜強度測定
試料をダンベル状に成形して、引張速度500mm/minの条件において破断強度を測定した。
3) Film strength measurement A sample was molded into a dumbbell shape, and the breaking strength was measured under the condition of a tensile speed of 500 mm / min.
4)ラジカル安定性試験
3質量%の過酸化水素水溶液にD−グルコース及び塩化鉄(II)・4水和物を溶解させ、ラジカル反応試薬を調製した。ラジカル反応試薬の温度が60℃で一定になったことを確認して、試料を添加し、4時間及び8時間反応させた。ついで試料を蒸留水で十分に洗浄した。
4) Radical stability test D-glucose and iron (II) chloride tetrahydrate were dissolved in a 3% by mass aqueous hydrogen peroxide solution to prepare a radical reaction reagent. After confirming that the temperature of the radical reaction reagent became constant at 60 ° C., a sample was added and reacted for 4 hours and 8 hours. The sample was then washed thoroughly with distilled water.
5)燃料電池用単セルの出力性能評価
実施例2並びに比較例2、5及び6で作成した固体高分子型燃料電池用単セルについて、出力性能を評価した。燃料には1M
MeOH水溶液を用い、酸化剤には空気を用いた。MeOH:5cc/min、空気:500cc/minの条件下、セル温度80℃にて試験した。
5) Evaluation of output performance of single cell for fuel cell The output performance of the single cell for polymer electrolyte fuel cell prepared in Example 2 and Comparative Examples 2, 5 and 6 was evaluated. 1M for fuel
A MeOH aqueous solution was used, and air was used as the oxidizing agent. The test was conducted at a cell temperature of 80 ° C. under the conditions of MeOH: 5 cc / min and air: 500 cc / min.
高分子電解質膜としての性能試験の結果
実施例1〜8並びに比較例2、5及び6で作製した膜のプロトン伝導率の測定結果を表1に示す。表1における実施例1と実施例2との比較及び実施例3〜5の比較により、スルホン化率の増加に伴いプロトン伝導率が向上することが明確となった。また、実施例2と比較例2と比較例5との比較から、ポリマー骨格が異なっても同程度のプロトン伝導率が発現することが明確となった。
Table 1 shows the measurement results of proton conductivity of the membranes produced in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 2, 5 and 6 as a result of the performance test as a polymer electrolyte membrane . Comparison between Example 1 and Example 2 and comparisons of Examples 3 to 5 in Table 1 revealed that proton conductivity was improved as the sulfonation rate increased. Moreover, it became clear from the comparison with Example 2, the comparative example 2, and the comparative example 5 that the proton conductivity of the same level expresses even if a polymer frame | skeleton differs.
実施例1〜8並びに比較例2、5及び6で作製した膜の膜強度の結果を表1に示した。
実施例1、2、3、4及び6で作製した比較的スルホン化率の低い膜では、Nafion112以上の膜強度を示した。一方、イオン伝導性基量を多くした膜では、実施例3及び4に対する実施例5や実施例6に対する実施例7に見られるように、膜強度が低下する傾向が見られた。これは、イオン伝導性基に吸着された水分子が可塑剤的に作用するためと考えられる。
また、実施例2、比較例2及び比較例5のポリマー骨格による比較(イオン伝導性基量はほぼ一定)では、スルホン化HmSEBmSが最も優れた膜強度を有することが判明した。
Table 1 shows the results of the film strength of the films prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 2, 5 and 6.
The membranes produced in Examples 1, 2, 3, 4 and 6 having a relatively low sulfonation rate showed a membrane strength of Nafion 112 or higher. On the other hand, in the film | membrane which increased ion conductive group amount, the tendency for film | membrane strength to fall was seen like Example 5 with respect to Example 3 and Example 4 and Example 7 with respect to Example 6. FIG. This is presumably because water molecules adsorbed on the ion conductive group act like a plasticizer.
Further, in the comparison with the polymer skeletons of Example 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 5 (the amount of ion conductive groups was almost constant), it was found that sulfonated HmSEBmS had the most excellent membrane strength.
実施例1及び2並びに比較例1、2、4、5及び6で作製した膜のラジカル安定性試験を実施した。4時間及び8時間反応後の質量保持率及びイオン交換容量保持率を測定した結果を表2に示す。
表2において、比較例1及び2で作製した膜は、4時間試験後に各辺とも長さが約1.3倍に膨潤し、かつ、白濁、皺が激しかった。8時間試験後の膜は、各辺とも1.5倍以上膨潤し、白濁、激しい皺が認められた。比較例4及び5で作製した膜は、4時間試験後に形状を保持していたが、皺が激しく、また、一部に白濁が見られた。8時間反応後では、比較例4で作製した膜は、形状を保持していたが、膜全体に皺、白化が激しく、比較例5で作製した膜は形状を保持できず反応溶液中に微小粉となって分散した。
また、比較例1、2及び4で作製した膜は、質量保持率が8時間試験後ではかなり低下し、イオン交換容量は4時間試験後で大幅に低下し、8時間試験後でさらに一層低下した。
The radical stability test of the films produced in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2, 4, 5 and 6 was performed. Table 2 shows the measurement results of the mass retention rate and ion exchange capacity retention rate after the reaction for 4 hours and 8 hours.
In Table 2, the film produced in Comparative Examples 1 and 2 swelled about 1.3 times on each side after 4 hours test, and the cloudiness and wrinkle were severe. The film after the 8-hour test swelled 1.5 times or more on each side, and white turbidity and severe wrinkles were observed. The films produced in Comparative Examples 4 and 5 retained the shape after the 4 hour test, but they were severely wrinkled and partly clouded. After the reaction for 8 hours, the film produced in Comparative Example 4 retained the shape, but the entire film was severely whitened and whitened, and the film produced in Comparative Example 5 could not retain the shape, and the reaction solution had a minute amount. Dispersed as powder.
In addition, in the films prepared in Comparative Examples 1, 2, and 4, the mass retention rate is considerably lowered after the 8-hour test, and the ion exchange capacity is greatly reduced after the 4-hour test, and further reduced after the 8-hour test. did.
一方、実施例1及び2で作製した膜は、8時間試験後でも膜の外観変化は認められず、質量は98%以上、イオン交換容量は92%以上を保持し優れたラジカル安定性を示した。
表2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燃料電池用電解質膜は、ラジカル安定性試験におけるイオン交換容量保持率が、SEBS及びSiBuSのスルホン化体よりも著しく高く、イオンチャネル部分に耐ラジカル性を有することが明らかとなった。
一方、比較例6のNafion112については、スルホン化HmSEBmSと同様に膜の外観変化は認められなかったが、イオン交換容量は経時的に変化し、8時間反応後では79.0%まで低下した。質量変化はほとんど認められなかったことから、主鎖の分解反応による劣化ではなく、スルホン酸基の脱離による劣化が進行したと考えられる。
On the other hand, the films produced in Examples 1 and 2 showed no radical change even after 8 hours test, and showed excellent radical stability with a mass of 98% or more and an ion exchange capacity of 92% or more. It was.
From the results in Table 2, the fuel cell electrolyte membrane comprising the α-methylstyrene block copolymer of the present invention has a significantly higher ion exchange capacity retention in the radical stability test than the SEBS and SiBuS sulfonated products. It was revealed that the ion channel portion has radical resistance.
On the other hand, as for Nafion 112 of Comparative Example 6, no change in the appearance of the membrane was observed as in the case of sulfonated HmSEBmS, but the ion exchange capacity changed with time, and decreased to 79.0% after 8 hours of reaction. Since almost no mass change was observed, it is considered that deterioration due to elimination of the sulfonic acid group progressed rather than deterioration due to the main chain decomposition reaction.
実施例2並びに比較例2、5及び6で得られた固体高分子型燃料電池用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1〜4に示した。実施例2で作製した単セルの開放電圧は0.62V、最高出力密度は58.2mW/cm2であって、比較例6のNafion112の開放電圧0.61V、最高出力密度57.0mW/cm2と同レベルであり、燃料電池用単セルとして十分使用可能であった。一方、比較例2及び比較例5で作製した単セルについては、開放電圧はそれぞれ0.34V、0.37V、最高出力密度はそれぞれ15.0mW/cm2、21.1mW/cm2であり低い特性であった。これについては、比較例2(2)及び比較例5(2)で得られた膜においては、膜強度が低いために、膜−電極接合体を作製する際のホットプレスにより膜にピンホールなどの欠陥が生じた可能性が高く、これらの欠陥により低い性能しか得られなかったものと考えられる。
燃料電池単セルの発電特性の結果から、本発明の実施例2(3)で作製した固体高分子型燃料電池用単セルは、高い発電特性を発揮することが明らかとなった。
As the power generation characteristics of the single cells for polymer electrolyte fuel cells obtained in Example 2 and Comparative Examples 2, 5, and 6, changes in voltage with respect to current density were measured. The results are shown in FIGS. The single cell fabricated in Example 2 has an open circuit voltage of 0.62 V and a maximum output density of 58.2 mW / cm 2 , and the open voltage of Nafion 112 of Comparative Example 6 is 0.61 V and the maximum output density is 57.0 mW / cm 2. It was the same level as 2, and was sufficiently usable as a single cell for a fuel cell. On the other hand, the unit cell produced in Comparative Example 2 and Comparative Example 5, respectively open voltage is 0.34 V, 0.37 V, the maximum power density, respectively 15.0 mW / cm 2, a 21.1mW / cm 2 low It was a characteristic. About this, since the film | membrane obtained in Comparative Example 2 (2) and Comparative Example 5 (2) has low film | membrane intensity | strength, a pinhole etc. are carried out to a film | membrane by the hot press at the time of producing a membrane-electrode assembly These defects are likely to have occurred, and it is considered that only low performance was obtained by these defects.
From the results of the power generation characteristics of the single fuel cell, it was revealed that the single cell for a polymer electrolyte fuel cell produced in Example 2 (3) of the present invention exhibited high power generation characteristics.
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