JP2000080120A - Preparation of polymer material, preparation of solid polymer electrolyte membrane, and solid polymer electrolyte type of fuel cell - Google Patents
Preparation of polymer material, preparation of solid polymer electrolyte membrane, and solid polymer electrolyte type of fuel cellInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は高分子材料の製造方
法及び固体高分子電解質膜の製造方法及び固体高分子電
解質型燃料電池に関する。The present invention relates to a method for producing a polymer material, a method for producing a solid polymer electrolyte membrane, and a solid polymer electrolyte fuel cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、一般的に多数のセルが積層
されており、該セルは、二つの電極(燃料極と空気極)
で電解質を挟んだ構造をしている。2. Description of the Related Art A fuel cell generally has a large number of cells stacked, and the cell has two electrodes (a fuel electrode and an air electrode).
Has a structure sandwiching the electrolyte.
【0003】前記燃料極では水素ガスが触媒に接触する
ことにより下記の反応が生ずる。At the fuel electrode, the following reaction occurs when hydrogen gas comes into contact with the catalyst.
【0004】2H2 → 4H+ +4e− H+は、電解質中を移動し空気極触媒に達し空気中の酸
素と反応して水となる。[0004] 2H 2 → 4H + + 4e − H + moves through the electrolyte, reaches the air electrode catalyst, reacts with oxygen in the air to become water.
【0005】4H+ +4e− +O2 → 2H2O 上記の反応により水素と酸素を使用して電気分解の逆反
応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置
として注目されている。4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O By the above-described reaction, hydrogen and oxygen are used to generate power by a reverse reaction of electrolysis, and attention is paid to a clean power generation device that has no emissions other than water.
【0006】大気の汚染をできる限り減らすために自動
車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つと
して電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距
離などの問題で普及に至っていない。燃料電池を使用し
た自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると
見られている。[0006] In order to reduce air pollution as much as possible, it is important to take measures against exhaust gas from automobiles. As one of the measures, electric vehicles are used. However, due to problems such as charging facilities and mileage, they have become widespread. Not in. Vehicles using fuel cells are seen as the most promising clean vehicles.
【0007】前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型
燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望
である。該固体高分子電解質型燃料電池の電解質は固体
高分子電解質膜である。[0007] Among the above fuel cells, solid polymer electrolyte fuel cells are most promising for automobiles because they operate at low temperatures. The electrolyte of the solid polymer electrolyte fuel cell is a solid polymer electrolyte membrane.
【0008】前記固体高分子電解質膜に必要な性能は、
より多くのH+を流すことであり、そのためにイオン交
換機能を有するスルホン酸基を固体高分子膜中に導入し
ている。The performance required for the solid polymer electrolyte membrane is as follows:
This is to flow more H + , and sulfonic acid groups having an ion exchange function are introduced into the solid polymer membrane.
【0009】前記燃料電池が広く普及する上で障害にな
っていることの一つにコストが高いという問題があり、
燃料電池の主要構成部品である固体高分子電解質膜のコ
ストをできる限り下げることは重要である。One of the obstacles to the widespread use of the fuel cell is that the cost is high.
It is important to reduce the cost of a solid polymer electrolyte membrane, which is a main component of a fuel cell, as much as possible.
【0010】前記固体高分子電解質膜の用途は、前記固
体高分子電解質型燃料電池に限らず海水から水酸化ナト
リウム、水素、塩素を製造する食塩電解膜等に利用でき
る。該食塩電解膜としては既に大量に利用されている。The solid polymer electrolyte membrane can be used not only for the solid polymer electrolyte fuel cell but also for a salt electrolyte membrane for producing sodium hydroxide, hydrogen and chlorine from seawater. The salt electrolyte membrane is already used in large quantities.
【0011】また、固体高分子電解質膜以外にスルホン
酸基を有する高分子材料としては、陽イオン交換樹脂と
して廃水処理等の水処理等や高吸水性樹脂として紙おむ
つ等に利用されている。Further, as a polymer material having a sulfonic acid group other than the solid polymer electrolyte membrane, it is used as a cation exchange resin in water treatment such as waste water treatment and the like, and as a highly water-absorbent resin in paper diapers and the like.
【0012】このようにスルホン酸基を有する高分子材
料及び固体高分子電解質膜は広範囲の用途があり、その
コストを下げることは重要である。As described above, the polymer material having a sulfonic acid group and the solid polymer electrolyte membrane have a wide range of applications, and it is important to reduce the cost.
【0013】従来技術1として、「高分子科学実験法」
(発 行 所:(株)東京化学同人、発行年月:1983
年7月1日(第1版第2刷)、71〜72ページ) に
は、ポリスチレンにHSO3Clを反応させて−SO2
Cl基を導入した後水酸化ナトリウムで処理して−SO
3Na基にした後硫酸と反応させてスルホン酸基を導入
する陽イオン交換樹脂の製造方法が開示されている。As prior art 1, "Experimental method for polymer science"
(Publisher: Tokyo Chemical Co., Ltd., Publication date: 1983
July 1 (1st edition, 2nd printing), pp. 71-72), HSO 3 Cl was reacted with polystyrene to obtain —SO 2
After introducing a Cl group, the mixture is treated with sodium hydroxide to give -SO
A method for producing a cation exchange resin in which a sulfonic acid group is introduced by reacting with sulfuric acid after converting into a 3Na group is disclosed.
【0014】即ち、ポリスチレンからポリスチレンスル
ホン酸を造るには、式(1)の化学式に示すように前記
ポリスチレンをHSO3Clを用いてスルホニルクロリ
ド化反応して−SO2Cl基を導入した後、水酸化ナト
リウムと反応させて前記−SO2Cl基を−SO3Na
基に変え、更に硫酸で処理するとナトリウムイオンが
水素イオンと交換され前記−SO3Na 基がスルホン
酸基に変換されてH形の陽イオン交換樹脂が得られる。That is, in order to produce polystyrene sulfonic acid from polystyrene, the polystyrene is subjected to a sulfonyl chloride reaction using HSO 3 Cl to introduce a —SO 2 Cl group as shown in the chemical formula (1). It is reacted with sodium hydroxide -SO 3 the -SO 2 Cl group Na
Changed based on sodium ions the -SO 3 Na groups is exchanged for hydrogen ion cation exchange resin H-shaped are converted to sulfonic acid groups are obtained when further treated with sulfuric acid.
【0015】[0015]
【化1】 Embedded image
【0016】また従来技術2として、特開平9−102
322号公報には、アルキルベンゼン基を有する炭化フ
ッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーとの
共重合体にHSO3Clを反応させて−SO2Cl基を
導入した後水酸化カリウムで処理して−SO3K基にし
た後硫酸と反応させてスルホン酸基を導入する固体高分
子電解質膜の製造方法が開示されている。As prior art 2, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-102
No. 322 discloses that a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer having an alkylbenzene group and a hydrocarbon vinyl monomer is reacted with HSO 3 Cl to introduce a —SO 2 Cl group, followed by treatment with potassium hydroxide. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane in which a —SO 3 K group is formed and then reacted with sulfuric acid to introduce a sulfonic acid group is disclosed.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術1は、 HSO3Clとの反応、水酸化ナトリウムと
の反応及び硫酸との反応の3つの反応工程が必要であ
り、従来技術2は、 HSO3Clとの反応、水酸化カ
リウムとの反応及び硫酸との反応の3つの反応工程が必
要であり、いずれもスルホン酸基を導入するために3つ
の反応工程が必要であり、また各反応ともその反応性を
上げるため高温にする必要もある。このように工程が多
いため、反応材料費や工数が多く、それぞれに反応装置
が必要であり、また廃液処理費が多大に必要になるの
で、製造コストが大きいという問題があった。However, the prior art 1 requires three reaction steps of a reaction with HSO 3 Cl, a reaction with sodium hydroxide, and a reaction with sulfuric acid. Three reaction steps are required: a reaction with 3 Cl, a reaction with potassium hydroxide, and a reaction with sulfuric acid. All of these require three reaction steps to introduce a sulfonic acid group. It is necessary to raise the temperature to increase the reactivity. Since the number of steps is large, the cost of the reaction material and the number of man-hours are large, the reaction apparatus is required for each, and the cost of treating the waste liquid is large.
【0018】本発明は上記課題を解決したもので、製造
コストが小さいスルホン酸基を有する高分子材料及び固
体高分子電解質膜の製造方法及び固体高分子電解質型燃
料電池を提供する。The present invention has solved the above-mentioned problems, and provides a polymer material having a sulfonic acid group, a method for manufacturing a solid polymer electrolyte membrane, and a solid polymer electrolyte fuel cell which are low in manufacturing cost.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項1において講じた技術的手段
(以下、第1の技術的手段と称する。)は、スルホン酸
基を有する高分子材料の合成過程において、 高分子原
料に−SO2X(XはF又はCl)基を導入した後、水
を用いて加水分解処理して前記−SO2X( XはF又
はCl)基をスルホン酸基に変換することを特徴とする
高分子材料の製造方法である。Means for Solving the Problems In order to solve the above technical problems, the technical means (hereinafter referred to as the first technical means) taken in claim 1 of the present invention comprises a sulfonic acid group. in the process of synthesizing polymeric material having, after (the X F or Cl) -SO 2 X in the polymer stock was introduced groups, the hydrolyzing treatment with water -SO 2 X (X is F or Cl And b) converting the group into a sulfonic acid group.
【0020】上記第1の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the first technical means are as follows.
【0021】即ち、−SO2X(XはF又はCl)基を
スルホン酸基に変換するのに加水分解反応ただ一つの反
応工程で済むため、反応に水しか必要でなく反応に必要
な化学物質と工数が大幅に節約でき、反応装置も少なく
て済み、かつ排出される廃液もHClだけで量も少ない
のでスルホン酸基を有する高分子材料の製造コストを小
さくできる効果を有する。That is, since only one hydrolysis step is required to convert a —SO 2 X (X is F or Cl) group into a sulfonic acid group, only water is required for the reaction and the chemical reaction required for the reaction is required. Substances and man-hours can be largely saved, the number of reaction devices can be reduced, and the amount of waste liquid to be discharged can be reduced by only HCl, so that the production cost of the polymer material having a sulfonic acid group can be reduced.
【0022】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項2において講じた技術的手段(以下、第2の技
術的手段と称する。)は、スルホン酸基を有する固体高
分子電解質膜の合成過程において、 −SO2X(Xは
F又はCl)基を有する固体高分子膜を製造した後、水
を用いて加水分解処理して前記−SO2X(XはF又は
Cl)基をスルホン酸基に変換することを特徴とする固
体高分子電解質膜の製造方法である。In order to solve the above technical problems, the technical means (hereinafter referred to as the second technical means) taken in claim 2 of the present invention is a solid polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group. In the synthesis process, after producing a solid polymer membrane having a —SO 2 X (X is F or Cl) group, the solid polymer film is subjected to hydrolysis treatment with water to perform the —SO 2 X (X is F or Cl) group. To a sulfonic acid group.
【0023】上記第2の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the second technical means are as follows.
【0024】即ち、−SO2X(XはF又はCl)基を
スルホン酸基に変換するのに加水分解反応ただ一つの反
応工程で済むため、反応に水しか必要でなく反応に必要
な化学物質と工数が大幅に節約でき、反応装置も少なく
て済み、かつ排出される廃液もHClだけで量も少ない
ので前記固体高分子電解質膜の製造コストを小さくでき
る効果を有する。That is, since only one hydrolysis step is required to convert the —SO 2 X (X is F or Cl) group to the sulfonic acid group, only water is required for the reaction, and the chemical reaction required for the reaction is required. Substances and man-hours can be greatly saved, the number of reactors can be reduced, and the amount of waste liquid to be discharged can be reduced by only HCl, so that the production cost of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced.
【0025】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項3において講じた技術的手段(以下、第3の技
術的手段と称する。)は、前記−SO2X(XはF又は
Cl)基を有する固体高分子膜を製造する方法が、固体
高分子膜にHSO3X(XはF又はCl)を反応させる
方法であることを特徴とする請求項2記載の固体高分子
電解質膜の製造方法である。In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as a third technical means) taken in claim 3 of the present invention is the above-mentioned -SO 2 X (X is F or 3. The solid polymer electrolyte according to claim 2, wherein the method for producing a solid polymer film having a Cl) group is a method of reacting HSO 3 X (X is F or Cl) with the solid polymer film. This is a method for producing a film.
【0026】上記第3の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the third technical means are as follows.
【0027】即ち、既存の固体高分子膜を利用して固体
電解質膜を簡単に製造することができる効果を有する。That is, there is an effect that a solid electrolyte membrane can be easily manufactured using an existing solid polymer membrane.
【0028】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項4において講じた技術的手段(以下、第4の技
術的手段と称する。)は、前記−SO2X(XはF又は
Cl)基を有する固体高分子膜を製造する方法が、モノ
マー又はオリゴマーに−SO2X(XはF又はCl)基
を導入した後重合する方法であることを特徴とする請求
項2記載の固体高分子電解質膜の製造方法である。In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as fourth technical means) taken in claim 4 of the present invention is the above-mentioned -SO 2 X (X is F or method of making a solid polymer membrane having a Cl) group, -SO 2 X in the monomer or oligomer (X is according to claim 2, characterized in that the method for polymerizing after introducing F or Cl) group This is a method for producing a solid polymer electrolyte membrane.
【0029】上記第4の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the fourth technical means are as follows.
【0030】即ち、固体高分子膜に−SO2X(XはF
又はCl)基を導入するよりもモノマー又はオリゴマー
に−SO2X(XはF又はCl)基を導入する方が反応
効率が高いため、低温で短時間に反応できるので製造コ
ストを小さくすることができ、またモノマー又はオリゴ
マーを選択することにより多種類の固体高分子電解質膜
を製造することができる効果を有する。That is, -SO 2 X (X is F
Or the introduction of a —SO 2 X (X is F or Cl) group into a monomer or an oligomer rather than the introduction of a Cl) group, because the reaction efficiency is higher, and the reaction can be performed at a low temperature in a short time, so that the production cost is reduced. In addition, there is an effect that various kinds of solid polymer electrolyte membranes can be manufactured by selecting a monomer or an oligomer.
【0031】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項5において講じた技術的手段(以下、第5の技
術的手段と称する。)は、前記固体高分子膜がアルキル
ベンゼン基を有する炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化
水素系ビニルモノマーとの共重合体であることを特徴と
する請求項2記載の固体高分子電解質膜の製造方法であ
る。In order to solve the above technical problem, a technical measure taken in claim 5 of the present invention (hereinafter referred to as a fifth technical measure) is that the solid polymer film has an alkylbenzene group. 3. The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the method is a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer.
【0032】上記第5の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the fifth technical means are as follows.
【0033】即ち、安価な固体高分子膜を利用して固体
高分子電解質膜を製造することができるので、更に安価
な固体高分子電解質膜を製造することができる効果を有
する。That is, since a solid polymer electrolyte membrane can be manufactured using an inexpensive solid polymer electrolyte membrane, there is an effect that a further inexpensive solid polymer electrolyte membrane can be manufactured.
【0034】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項6において講じた技術的手段(以下、第6の技
術的手段と称する。)は、−SO2X(XはF又はC
l)基を有する固体高分子膜を製造した後、水を用いて
加水分解処理して前記−SO2X(XはF又はCl)基
をスルホン酸基に変換したスルホン酸基を有する固体高
分子電解質膜と触媒を有する電極の接合体をセパレータ
で挟持した固体高分子電解質型燃料電池である。In order to solve the above technical problem, the technical measures taken in claim 6 of the present invention (hereinafter, referred to as sixth technical means) are -SO 2 X (X is F or C).
After preparing the solid polymer membrane having a l) group, is the -SO 2 X (X and hydrolysis with water solid high having a sulfonic acid group obtained by converting the F or Cl) groups to sulfonic acid groups This is a solid polymer electrolyte fuel cell in which an assembly of a polymer electrolyte membrane and an electrode having a catalyst is sandwiched between separators.
【0035】上記第6の技術的手段による効果は、以下
のようである。The effects of the sixth technical means are as follows.
【0036】即ち、安価な固体高分子電解質膜を電解質
として利用しているので、低コストの固体高分子電解質
型燃料電池ができる効果を有する。That is, since an inexpensive solid polymer electrolyte membrane is used as the electrolyte, a low-cost solid polymer electrolyte fuel cell can be obtained.
【0037】[0037]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【0038】本発明におけるスルホン酸基を導入する反
応過程は、例えば、ポリスチレンに前記スルホン酸基を
導入しポリスチレンスルホン酸を合成するには、式
(2)の化学式に示すように前記ポリスチレンにHSO
3Clを加えてスルホニルクロリド化反応により−SO
2Cl基を導入した後、水と反応させて前記−SO2C
l基をスルホン酸基に変えることによって行われる。In the reaction process of introducing a sulfonic acid group in the present invention, for example, in order to synthesize the polystyrene sulfonic acid by introducing the sulfonic acid group into polystyrene, HSO is added to the polystyrene as shown in the chemical formula (2).
3 by addition of Cl -SO by sulfonyl chloride reaction
After the introduction of 2 Cl groups, it is reacted with water to form the -SO 2 C
This is done by changing the 1 group to a sulfonic acid group.
【0039】[0039]
【化2】 Embedded image
【0040】スルホン酸基を導入する重合体としてポリ
スチレンを例に挙げたが、その他としてABS樹脂、S
B樹脂、AS樹脂、AES樹脂、スチレン−ジビニルベ
ンゼン共重合体、ポリカーボネート、ポリエチレンテレ
フタレート、ポリアリレート、芳香族ポリスルホン、芳
香族ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィ
ド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアミド、芳香
族ポリイミド、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテ
ルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリベ
ンズイミダゾール等の芳香族環を持つ重合体、およびポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ナイロ
ン6、アクリル樹脂、メタクリル樹脂等の重合体及びそ
れらの重合体の出発材料であるモノマー又はオリゴマー
が挙げられる。Polystyrene is mentioned as an example of the polymer for introducing a sulfonic acid group.
B resin, AS resin, AES resin, styrene-divinylbenzene copolymer, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyarylate, aromatic polysulfone, aromatic polyethersulfone, polyphenylene sulfide, aromatic polyamideimide, aromatic polyamide, aromatic polyimide And polymers having an aromatic ring such as aromatic polyether, aromatic polyether ketone, aromatic polyether ether ketone, and polybenzimidazole, and polymers such as polyethylene, polypropylene, polyacetal, nylon 6, acrylic resin and methacrylic resin. Copolymers and monomers or oligomers that are the starting materials for these polymers are included.
【0041】更に、アルキルベンゼン基を有する炭化フ
ッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーとの
共重合体が挙げられる。スルホン酸基を導入した前記共
重合体は、安価な固体高分子電解質膜として特に重要で
ある。前記炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビ
ニルモノマーとの共重合体としてはエチレン−四フッ化
エチレン共重合体などがある。Further, a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer having an alkylbenzene group and a hydrocarbon vinyl monomer may be used. The sulfonic acid group-introduced copolymer is particularly important as an inexpensive solid polymer electrolyte membrane. Examples of the copolymer of the fluorocarbon vinyl monomer and the hydrocarbon vinyl monomer include an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer.
【0042】スルホン化剤としてHSO3Clを用い、
上述の重合体に−SO2Cl基を導入する反応条件とし
ては、無溶媒下、あるいは溶媒存在下、好ましくは1,
1,2,2−テトラクロロエタン、1,1,1,2−テ
トラクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、
1,2−ジクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラ
クロロエチレン、クロロホルム等で反応させる。Using HSO 3 Cl as a sulfonating agent,
The reaction conditions for introducing the -SO 2 Cl group into the above-mentioned polymer include, without solvent, or in the presence of a solvent, preferably 1,
1,2,2-tetrachloroethane, 1,1,1,2-tetrachloroethane, 1,1,1-trichloroethane,
The reaction is carried out with 1,2-dichloroethane, trichloroethylene, tetrachloroethylene, chloroform or the like.
【0043】前記溶媒は重合体を膨潤させ、且つ前記H
SO3Clと反応しないものであれば特に制限はない。
前記HSO3Clの濃度は、溶媒あるいは重合体に対し
ては特に制限はないが、好ましくはHSO3Cl /溶
媒=1/1〜1/500(容積比)、 HSO3Cl /
重合体=2/1〜100/1(モル比)である。なお、
ここでいう重合体のモル数は繰り返し単位のモル数であ
り、前記重合体の繰り返し単位中にスルホン基が導入可
能な複数個の芳香環を有する場合には前記重合体のモル
数は前記重合体の繰り返し単位中の芳香環の個数倍であ
る。The solvent causes the polymer to swell and the H
There is no particular limitation as long as it does not react with SO 3 Cl.
The concentration of the HSO 3 Cl is not particularly limited with respect to the solvent or the polymer, but is preferably HSO 3 Cl / solvent = 1/1 to 1/500 (volume ratio), HSO 3 Cl /
Polymer = 2/1 to 100/1 (molar ratio). In addition,
The number of moles of the polymer referred to herein is the number of moles of the repeating unit, and when the repeating unit of the polymer has a plurality of aromatic rings into which a sulfone group can be introduced, the number of moles of the polymer is the same as that of the polymer. It is the number times the number of aromatic rings in the repeating unit of merging.
【0044】反応温度、反応時間は特に制限はないが、
好ましくは0〜100℃、好ましくは0.5〜100時
間である。The reaction temperature and reaction time are not particularly limited,
Preferably it is 0-100 degreeC, Preferably it is 0.5-100 hours.
【0045】−SO2Cl基をスルホン酸基にする加水
分解処理の条件として、反応温度、反応時間に特に制限
はないが、好ましくは20〜100℃、好ましくは0.
5〜100時間である。The conditions for the hydrolysis treatment for converting the -SO 2 Cl group into a sulfonic acid group are not particularly limited with respect to the reaction temperature and the reaction time, but are preferably 20 to 100 ° C, preferably 0.1 to 100 ° C.
5 to 100 hours.
【0046】(実施例)炭化フッ素系ビニルモノマーと
炭化水素系ビニルモノマーとの共重合体であるエチレン
−四フッ化エチレン共重合体フィルム(膜厚50μm)
に10kGyの線量のγ線を窒素中、常温下で照射した
後、フィルムをスチレン/ジビニルベンゼン/キシレン
=97/3/30(容積部)混合液中に60℃で2時間
浸すことにより、エチレン−四フッ化エチレン共重合体
に架橋したスチレン鎖をグラフトし、アルキルベンゼン
基であるグラフトスチレン側鎖を有するエチレン−四フ
ッ化エチレン共重合体のフィルムを製造した。Example: An ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film (50 μm thick) which is a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer
After irradiating γ-rays at a dose of 10 kGy in nitrogen at room temperature, the film was immersed in a styrene / divinylbenzene / xylene = 97/3/30 (volume) mixture at 60 ° C. for 2 hours to obtain ethylene. -A crosslinked styrene chain was grafted to the ethylene tetrafluoride copolymer to produce an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film having a grafted styrene side chain as an alkylbenzene group.
【0047】前記フィルムを乾燥後、HSO3Cl5容
積部と1,2−ジクロロエタン100容積部の混合液中
に常温、1時間浸すことにより前記グラフトスチレン側
鎖のベンゼン環に−SO2Cl基を導入した。前記−S
O2Cl基を導入したフィルムを乾燥後、90℃のイオ
ン交換水中に1時間浸漬し、更に90℃の新しいイオン
交換水で2時間洗浄した。After drying the film, the film is immersed in a mixture of 5 parts by volume of HSO 3 Cl and 100 parts by volume of 1,2-dichloroethane at room temperature for 1 hour to form a —SO 2 Cl group on the benzene ring of the side chain of the grafted styrene. Introduced. -S
After drying the film into which the O 2 Cl group was introduced, the film was immersed in ion-exchanged water at 90 ° C. for 1 hour, and further washed with fresh ion-exchanged water at 90 ° C. for 2 hours.
【0048】このようにして得られた固体高分子電解質
膜はイオン交換容量が1.66ミリ当量/g、80℃で
の含水率が73重量%であった。The solid polymer electrolyte membrane thus obtained had an ion exchange capacity of 1.66 meq / g and a water content at 80 ° C. of 73% by weight.
【0049】市販のカーボンペーパー(東レ社製、TG
P−H−060)をテトラフルオロエチレン粒子分散液
(ダイキン工業社製、D−1グレード、テトラフルオロ
エチレン粒子60wt%含有)をテトラフルオロエチレ
ン粒子濃度が15wt%になるように水で希釈したテト
ラフルオロエチレン粒子希釈溶液に2分間浸漬した後、
約80℃で水分を蒸発させ、大気中390℃で60分保
持して撥水化処理した。A commercially available carbon paper (TG, manufactured by Toray Industries, Inc.)
PH-060) was prepared by diluting a tetrafluoroethylene particle dispersion (D-1 grade, manufactured by Daikin Industries, containing 60% by weight of tetrafluoroethylene particles) with water so that the tetrafluoroethylene particle concentration became 15% by weight. After immersion in the fluoroethylene particle dilution solution for 2 minutes,
The water was evaporated at about 80 ° C. and kept at 390 ° C. in the air for 60 minutes to perform a water-repellent treatment.
【0050】白金担持カーボン(白金含有量40wt
%)と水とイオン交換溶液(旭化成社製、アシプレック
ス溶液SS−1080)及びイソプロピルアルコールを
十分混合して触媒ペーストを作製し、ドクターブレード
法により白金量として約0.35mg/cm2となるよ
うに塗布し乾燥してガス拡散電極を作製した。Pt-supported carbon (platinum content 40 wt.
%), Water, an ion exchange solution (Aciplex solution SS-1080, manufactured by Asahi Kasei Corporation) and isopropyl alcohol are sufficiently mixed to prepare a catalyst paste, and the amount of platinum becomes approximately 0.35 mg / cm 2 by a doctor blade method. And dried to produce a gas diffusion electrode.
【0051】前記ガス拡散電極を正極及び負極として固
体高分子電解質膜をホットプレスにより接合して燃料電
池を形成した。水素圧力2.5気圧(利用率80%)、
空気圧力2.5気圧(利用率40%)、電池温度80℃
においてV−I特性を測定した。その結果、電流密度1
A/cm2で出力電圧は0.52Vであった。A solid polymer electrolyte membrane was joined by hot pressing using the gas diffusion electrode as a positive electrode and a negative electrode to form a fuel cell. Hydrogen pressure 2.5 atm (80% utilization),
Air pressure 2.5 atm (utilization rate 40%), battery temperature 80 ° C
, The VI characteristics were measured. As a result, the current density 1
The output voltage was 0.52 V at A / cm 2 .
【0052】(比較例)実施例と同じようにグラフトス
チレン側鎖を有するエチレン−四フッ化エチレン共重合
体のフィルムの該グラフトスチレン側鎖のベンゼン環に
−SO2Cl基を導入した後の乾燥フィルムを90℃、
1N苛性カリ中で1時間加水分解を行い、続いて90
℃、1N塩酸中に1時間浸しスルホン酸基のカリウムイ
オンを水素イオンに置換してスルホン酸基を導入した。
次に90℃のイオン交換水中で2時間洗浄した。COMPARATIVE EXAMPLE In the same manner as in the Example, a film of an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer having a grafted styrene side chain was obtained by introducing a —SO 2 Cl group into the benzene ring of the grafted styrene side chain. 90 ° C, dried film
Hydrolysis in 1N potassium hydroxide for 1 hour, followed by 90 hours
The solution was immersed in 1N hydrochloric acid at 1 ° C. for 1 hour to replace the potassium ion of the sulfonic acid group with a hydrogen ion to introduce a sulfonic acid group.
Next, the substrate was washed in ion-exchanged water at 90 ° C. for 2 hours.
【0053】得られた固体高分子電解質膜のイオン交換
容量は1.71ミリ当量/g、80℃での含水率は78
重量%であった。The ion exchange capacity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 1.71 meq / g, and the water content at 80 ° C. was 78.
% By weight.
【0054】実施例と同じガス拡散電極で燃料電池を形
成し、実施例と同じ条件でV−I特性を測定した。その
結果、電流密度1A/cm2で出力電圧は0.51Vで
あった。A fuel cell was formed with the same gas diffusion electrode as in the example, and VI characteristics were measured under the same conditions as in the example. As a result, the output voltage was 0.51 V at a current density of 1 A / cm 2 .
【0055】以上の結果、本発明の製造方法である実施
例の製造方法で製造した固体高分子電解質膜のイオン交
換容量と含水率は従来技術である比較例の製造方法で製
造した固体高分子電解質膜の値と同等であり、また実施
例の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池の電池特性は
比較例の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池と同等で
あった。As a result, the ion exchange capacity and the water content of the solid polymer electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method of the embodiment, which is the manufacturing method of the present invention, are the same as those of the solid polymer electrolyte membrane manufactured by the conventional manufacturing method. The values were the same as those of the electrolyte membrane, and the cell characteristics of the fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane of the example were equivalent to those of the fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane of the comparative example.
【0056】従って本発明の製造方法で−SO2Cl基
がスルホン酸基に十分変換されていることが確認でき
た。本発明の製造方法を用いれば、比較例のような苛性
カリの反応工程及び塩酸の反応工程が必要なくなるの
で、苛性カリ及び塩酸が必要でなく、その反応装置と工
数が必要でなく、前記両反応工程から排出される廃液の
処理が必要がなくなり固体高分子電解質膜の製造コスト
を小さくすることができる。Therefore, it was confirmed that the -SO 2 Cl group was sufficiently converted to the sulfonic acid group by the production method of the present invention. The use of the production method of the present invention eliminates the need for the reaction step of caustic potash and the reaction step of hydrochloric acid as in the comparative example. There is no need to treat the waste liquid discharged from the fuel cell, and the manufacturing cost of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced.
【0057】[0057]
【発明の効果】以上のように、本発明は、スルホン酸基
を有する高分子材料の合成過程において、 高分子原料
に−SO2X(XはF又はCl)基を導入した後、水を
用いて加水分解処理して前記−SO2X( XはF又は
Cl)基をスルホン酸基に変換することを特徴とする高
分子材料の製造方法及びスルホン酸基を有する固体高分
子電解質膜の合成過程において、 −SO2X(XはF
又はCl)基を有する固体高分子膜を製造した後、水を
用いて加水分解処理して前記−SO2X(XはF又はC
l)基をスルホン酸基に変換することを特徴とする固体
高分子電解質膜の製造方法及び該固体高分子電解質膜を
電解質として使用した固体高分子電解質型燃料電池であ
るので、苛性ソーダまたは苛性カリ、硫酸または塩酸が
不要となり、より安価で安全な水に代わるため反応材料
費とその廃液処理費を下げることができ、反応装置も少
なくなり工数も低減できるため、製造コストが小さく低
コスト化することができる。As described above, according to the present invention, in the process of synthesizing a polymer material having a sulfonic acid group, water is introduced into a polymer raw material after introducing a —SO 2 X (X is F or Cl) group. used hydrolysis treatment to the -SO 2 X (X is F or Cl) based on the solid polymer electrolyte membrane having a manufacturing method and a sulfonic acid group of a polymer material, characterized by converting to sulfonic acid groups In the synthesis process, -SO 2 X (X is F
Or Cl) After preparing the solid polymer membrane having a group, is the -SO 2 X (X and hydrolysis with water F or C
l) a method for producing a solid polymer electrolyte membrane, which comprises converting a group into a sulfonic acid group, and a solid polymer electrolyte fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte; Eliminates the need for sulfuric acid or hydrochloric acid and replaces cheaper and safer water, thereby lowering the cost of reacting materials and treating waste liquids, and reducing the number of reactors and man-hours, resulting in lower manufacturing costs and lower costs. Can be.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/02 H01M 8/02 P 8/10 8/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/02 H01M 8/02 P 8/10 8/10
Claims (6)
過程において、 高分子原料に−SO2X(XはF又は
Cl)基を導入した後、水を用いて加水分解処理して前
記−SO2X( XはF又はCl)基をスルホン酸基に
変換することを特徴とする高分子材料の製造方法。In a process of synthesizing a polymer material having a sulfonic acid group, after introducing a —SO 2 X (X is F or Cl) group into a polymer material, the polymer is subjected to a hydrolysis treatment with water to form the polymer material. A method for producing a polymer material, comprising converting an SO 2 X (X is F or Cl) group into a sulfonic acid group.
膜の合成過程において、 −SO2X(XはF又はC
l)基を有する固体高分子膜を製造した後、水を用いて
加水分解処理して前記−SO2X(XはF又はCl)基
をスルホン酸基に変換することを特徴とする固体高分子
電解質膜の製造方法。2. In a process of synthesizing a solid polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group, -SO 2 X (X is F or C
After preparing the solid polymer membrane having a l) group, is the -SO 2 X (X and hydrolysis with water the solid height and converting the F or Cl) groups to sulfonic acid groups A method for producing a molecular electrolyte membrane.
有する固体高分子膜を製造する方法が、固体高分子膜に
HSO3X(XはF又はCl)を反応させる方法である
ことを特徴とする請求項2記載の固体高分子電解質膜の
製造方法。3. The method for producing a solid polymer membrane having a —SO 2 X (X is F or Cl) group according to claim 1, wherein the solid polymer membrane is reacted with HSO 3 X (X is F or Cl). 3. The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein:
有する固体高分子膜を製造する方法が、モノマー又はオ
リゴマーに−SO2X(XはF又はCl)基を導入した
後重合する方法であることを特徴とする請求項2記載の
固体高分子電解質膜の製造方法。4. The method for producing a solid polymer membrane having a —SO 2 X (X is F or Cl) group according to claim 1, wherein the method includes the step of introducing a —SO 2 X (X is F or Cl) group into a monomer or an oligomer. The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the method is a polymerization method.
を有する炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニ
ルモノマーとの共重合体であることを特徴とする請求項
2記載の固体高分子電解質膜の製造方法。5. The production of a solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein said solid polymer membrane is a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer having an alkylbenzene group and a hydrocarbon vinyl monomer. Method.
る固体高分子膜を製造した後、水を用いて加水分解処理
して前記−SO2X(XはF又はCl)基をスルホン酸
基に変換したスルホン酸基を有する固体高分子電解質膜
と触媒を有する電極の接合体をセパレータで挟持した固
体高分子電解質型燃料電池。6. After producing a solid polymer membrane having a —SO 2 X (X is F or Cl) group, the solid polymer membrane is subjected to a hydrolysis treatment using water to carry out the —SO 2 X (X is F or Cl) group. A solid polymer electrolyte fuel cell in which a joined body of a solid polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group in which is converted to a sulfonic acid group and an electrode having a catalyst is sandwiched between separators.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10253169A JP2000080120A (en) | 1998-09-08 | 1998-09-08 | Preparation of polymer material, preparation of solid polymer electrolyte membrane, and solid polymer electrolyte type of fuel cell |
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