JP2001319521A - Method of reforming electrolyte and reformed electrolyte - Google Patents
Method of reforming electrolyte and reformed electrolyteInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質の改質方法
及び改質電解質に関し、更に詳しくは、燃料電池、水電
解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿
度センサ、ガスセンサ等に用いられる高分子電解質を改
質する電解質の改質方法及び改質電解質に関するもので
ある。The present invention relates to a method for reforming an electrolyte and a reforming electrolyte, and more particularly, to a fuel cell, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor and the like. The present invention relates to a method for modifying a polymer electrolyte for modifying a polymer electrolyte used in the present invention and a modified electrolyte.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、高分子電解質として固体高分子電
解質が知られている。この固体高分子電解質は、高分子
鎖中にスルホン酸基やカルボン酸基等の電解質基を有す
る固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合し
たり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を
有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形
し、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利
用されているものである。2. Description of the Related Art Conventionally, a solid polymer electrolyte has been known as a polymer electrolyte. This solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in a polymer chain, and firmly binds to a specific ion or selectively forms a cation or an anion. Since it has the property of penetrating into water, it is formed into particles, fibers, or membranes, and is used in various applications such as electrodialysis, diffusion dialysis, and battery diaphragms.
【0003】そうした中で、例えば、固体高分子電解質
を膜状に成形した固体高分子電解質膜は、固体高分子型
燃料電池や水電解セル等に用いられる。固体高分子型燃
料電池は、電解質膜の両面に一対の電極を設け、改質ガ
ス等の水素を含む燃料ガスを一方の電極(燃料極)へ供
給し、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを他方の電極(空
気極)へ供給し、燃料が酸化する際に発生する化学エネ
ルギーを、直接電気エネルギーとして取り出す電池であ
る。Under these circumstances, for example, a solid polymer electrolyte membrane formed by forming a solid polymer electrolyte into a film shape is used for a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis cell and the like. A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane, supplies a fuel gas containing hydrogen such as a reformed gas to one electrode (a fuel electrode), and an oxidant gas containing oxygen such as air. Is supplied to the other electrode (air electrode), and the chemical energy generated when the fuel is oxidized is directly extracted as electric energy.
【0004】また、水電解は水を電気分解することによ
り水素と酸素を製造する電解法で、SPE電解法等が知
られている。SPEとはSolid Polymer
Electrolyte(固体高分子電解質)の略で、
電解質として、従来のアルカリ水溶液に代えて、プロト
ン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられてい
る。Water electrolysis is an electrolysis method for producing hydrogen and oxygen by electrolyzing water, and an SPE electrolysis method and the like are known. What is SPE? Solid Polymer
Electrolyte (Solid Polymer Electrolyte)
As the electrolyte, a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used instead of the conventional alkaline aqueous solution.
【0005】このような用途に用いられる固体高分子電
解質膜としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュ
ポン社製)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン
酸膜が知られている。パーフルオロカーボンスルホン酸
膜の形状はパーフルオロアルキレン鎖によって保たれて
いるが、架橋されていないため、側鎖部にある電解質基
は比較的分子運動の自由度が大きく、イオン化した状態
では本来疎水性の強い主鎖部分と親水性の電解質基が共
存し、電解質基はフルオロカーボンマトリックス中で会
合し、イオンクラスタを形成している。[0005] As a solid polymer electrolyte membrane used in such applications, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is known. The shape of the perfluorocarbon sulfonic acid membrane is maintained by the perfluoroalkylene chain, but since it is not cross-linked, the electrolyte groups in the side chains have a relatively high degree of freedom of molecular motion, and are inherently hydrophobic when ionized. A strong main chain portion and a hydrophilic electrolyte group coexist, and the electrolyte groups associate in a fluorocarbon matrix to form an ion cluster.
【0006】このような構造を有するパーフルオロ高分
子電解質膜は、化学的安定性が非常に高く、耐久性に優
れることから、過酷な条件下で使用される電解質膜とし
て賞用されているものである。The perfluoropolymer electrolyte membrane having such a structure has been recognized as an electrolyte membrane used under severe conditions because of its extremely high chemical stability and excellent durability. It is.
【0007】また、米国特許第5741408号には、
芳香族ポリエーテルケトンにスルホニルハライド基を導
入し、導入されたスルホニルハライド基とUV効果型の
アミン架橋剤とを反応させ、次いでアミン架橋剤を架橋
反応させることにより得られる架橋型の炭化水素系高分
子電解質膜が開示されている。Also, US Pat. No. 5,741,408 discloses that
A crosslinked hydrocarbon system obtained by introducing a sulfonyl halide group into an aromatic polyether ketone, reacting the introduced sulfonyl halide group with a UV effect type amine crosslinking agent, and then subjecting the amine crosslinking agent to a crosslinking reaction. A polymer electrolyte membrane is disclosed.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池は、電池の作動温度が高くなるほど、発電効
率が高くなることが知られている。また、固体高分子電
解質の両面に接合される電極には、白金系の電極触媒が
含まれているが、白金は、微量の一酸化炭素であっても
被毒され、燃料電池の出力を低下させる原因となる。し
かも、電極触媒の一酸化炭素による被毒は、低温ほど著
しくなることが知られている。By the way, it is known that the power generation efficiency of a polymer electrolyte fuel cell increases as the operating temperature of the cell increases. In addition, the electrodes bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte contain a platinum-based electrode catalyst, but platinum is poisoned even with a trace amount of carbon monoxide, which lowers the output of the fuel cell. This can cause Moreover, it is known that the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide becomes more significant at lower temperatures.
【0009】そのため、天然ガス、メタノール改質ガス
等、微量の一酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用い
る固体高分子型燃料電池においては、一酸化炭素被毒を
回避するため、100℃以上の高温条件下で作動させる
ことが望まれている。Therefore, in a polymer electrolyte fuel cell using a gas containing a trace amount of carbon monoxide, such as natural gas or methanol reformed gas, as a fuel gas, in order to avoid carbon monoxide poisoning, a temperature of 100 ° C. or more is required. It is desired to operate under high temperature conditions.
【0010】また、水電解においては、電気エネルギー
を消費して水素や酸素を製造するため、電気エネルギー
を有効に使用することが望まれている。水の電気分解に
必要な最低の電圧、すなわち、理論分解電圧は、高温に
なるほど小さくなることが知られており、そのため高温
で電解を行えば、電解に要する電力が少なくて済み、効
率の点で有利である。[0010] In water electrolysis, electric energy is consumed to produce hydrogen and oxygen, and thus it is desired to use electric energy effectively. It is known that the minimum voltage required for electrolysis of water, that is, the theoretical decomposition voltage, decreases as the temperature increases, and therefore, if electrolysis is performed at a high temperature, the power required for electrolysis is reduced, and efficiency is reduced. Is advantageous.
【0011】しかしながら、ナフィオンに代表されるパ
ーフルオロ高分子電解質膜は、非架橋であるために耐熱
性が低く、ガラス転移温度近傍である120℃以上では
膜中の分子運動が容易になって構造が変化し、膜がクリ
ープする等、高い温度及び長期にわたる電解質膜として
の使用には問題がある。However, a perfluoropolymer electrolyte membrane typified by Nafion has a low heat resistance because it is non-crosslinked, and the molecular motion in the membrane becomes easy at a temperature of 120 ° C. or higher, which is near the glass transition temperature. However, there is a problem in use as an electrolyte membrane at a high temperature and for a long period of time, such as a change in temperature and creep of the membrane.
【0012】そのため、パーフルオロ高分子電解質を燃
料電池やSPE電解装置に用いた場合には、作動温度を
100℃以下とする必要があり、一酸化炭素による電極
触媒の被毒の防止や効率の点で有利な高温で使用するこ
とができないという問題があった。また、パーフルオロ
高分子電解質は、非架橋であるため、導電性を向上させ
るために電解質基の導入量を増しすぎると、水に著しく
膨潤、もしくは可溶化してしまい、膜の設計自由度も大
幅に限定されていた。For this reason, when a perfluoropolymer electrolyte is used in a fuel cell or an SPE electrolyzer, the operating temperature must be 100 ° C. or less, which prevents the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide and the efficiency. There is a problem that it cannot be used at a high temperature which is advantageous in this respect. In addition, since the perfluoropolymer electrolyte is non-crosslinked, if the amount of the introduced electrolyte group is excessively increased to improve the conductivity, the perfluoropolymer electrolyte swells remarkably in water or is solubilized, and the degree of freedom in designing the membrane is also increased. Was very limited.
【0013】一方、パーフルオロ高分子電解質を架橋さ
せることができれば、高温における高分子鎖の流動が抑
制されるので、パーフルオロ高分子電解質の耐高温クリ
ープに対して有効と考えられる。更には、架橋により膜
の電解質基の導入量を増しても可溶化することなく、導
電性の向上など、その設計自由度が向上する。しかしな
がら、パーフルオロ高分子電解質における炭素とフッ素
の結合は化学的に極めて安定で不活性であるために架橋
は容易ではない。また、電解質基を介して架橋すると、
電解質基の数が減少し、導電性が低下してしまう。On the other hand, if the perfluoropolymer electrolyte can be crosslinked, the flow of the polymer chains at high temperatures is suppressed, so that it is considered effective for the high-temperature creep resistance of the perfluoropolymer electrolyte. Furthermore, even if the introduction amount of the electrolyte group of the membrane is increased by the crosslinking, the membrane is not solubilized, and the degree of design freedom such as improvement in conductivity is improved. However, since the bond between carbon and fluorine in the perfluoropolymer electrolyte is chemically very stable and inert, crosslinking is not easy. Also, when cross-linked via the electrolyte group,
The number of electrolyte groups decreases, and the conductivity decreases.
【0014】また、米国特許第5741408号に開示
されている架橋型炭化水素系高分子電解質は、架橋剤を
含めて主要部分が炭化水素構造で構成されているため
に、高温での耐酸化性がなく、そのままでは高温で使用
することはできない。Further, the crosslinked hydrocarbon polymer electrolyte disclosed in US Pat. No. 5,741,408 has a high resistance to oxidation at high temperatures because its main part, including the crosslinking agent, has a hydrocarbon structure. It cannot be used at high temperature as it is.
【0015】このように、高分子電解質は、長期にわた
り高温の酸化条件にさらされることが多く、長期にわた
る耐久性と耐熱性が要求される。例えば、固体高分子型
燃料電池において、膜抵抗を低減させるため薄膜化した
場合等においては、耐久性や耐熱性が低いと、膜がクリ
ープして局所的・微視的に非常に薄い部分が生じ、回路
電圧の極端な低下や電気的なショートをもたらし、長期
にわたる信頼性を損なってしまう等の問題も生ずる。As described above, the polymer electrolyte is often exposed to high-temperature oxidation conditions for a long period of time, and long-term durability and heat resistance are required. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, when the film is thinned to reduce the film resistance, if the durability and heat resistance are low, the film will creep and a locally and microscopically very thin portion will be formed. As a result, there is a problem that the circuit voltage is extremely lowered or an electric short circuit is caused, and long-term reliability is impaired.
【0016】本発明が解決しようとする課題は、導電
性、耐高温クリープ特性に優れ、高い耐熱性及び耐久性
を付与するため、高分子電解質を改質する電解質の改質
方法及び改質電解質を提供することにある。The problem to be solved by the present invention is to provide a method for modifying a polymer electrolyte and a modified electrolyte in order to impart high heat resistance and durability with excellent conductivity and high temperature creep resistance. Is to provide.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明に係る電解質の改質方法はパーフルオロ高分子
電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触させる
アミン処理工程を有することを要旨とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve this problem, a method for modifying an electrolyte according to the present invention is characterized in that it comprises an amine treatment step of bringing an amine compound into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof. Is what you do.
【0018】本発明に係る電解質の改質方法は、パーフ
ルオロ高分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物
を接触させるアミン処理工程を有しているので、それに
より得られるパーフルオロ高分子電解質は、導電性に優
れ、また、高温における分子の流動が抑制されるため耐
高温クリープ性が大幅に向上し、耐久性、耐熱性に優れ
た電解質となる。The method for modifying an electrolyte according to the present invention has an amine treatment step of bringing an amine compound into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof. The electrolyte has excellent conductivity, and since the flow of molecules at high temperatures is suppressed, the high-temperature creep resistance is greatly improved, and the electrolyte has excellent durability and heat resistance.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。本発明に係る電解質の改質方法はアミン処
理工程を有する。Embodiments of the present invention will be described below in detail. The method for modifying an electrolyte according to the present invention includes an amine treatment step.
【0020】ここで、アミン処理とは、パーフルオロ高
分子電解質あるいはその前駆体にアミン化合物を接触さ
せることをいう。接触させる方法としては、アミン化合
物を直接接触させても良いし、適当な溶媒に溶解して接
触させても良く、アミン化合物の蒸気にさらしても良
い。また、適当な溶媒に溶解して接触させる場合に用い
る溶媒は、アミン化合物が溶解するものであれば特に制
限はないが、アミン化合物が10mg/L以上溶解する
ものが好ましく、溶解性の観点から、用いる溶媒はフッ
素系のR113やAK225等が好ましい。Here, the amine treatment refers to bringing an amine compound into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof. As a contacting method, the amine compound may be directly contacted, may be dissolved in an appropriate solvent and contacted, or may be exposed to the vapor of the amine compound. The solvent used in the case of dissolving and contacting with an appropriate solvent is not particularly limited as long as it dissolves the amine compound, but is preferably one in which the amine compound is dissolved in an amount of 10 mg / L or more, and from the viewpoint of solubility. The solvent used is preferably fluorine-based R113 or AK225.
【0021】また、アミン処理する時の温度は、−30
℃から200℃の範囲が好ましい。−30℃以下の場合
には、パーフルオロ高分子電解質中の分子運動性が低下
することにより処理速度が著しく低下し、200℃以上
の場合には、パーフルオロ高分子電解質の分解が起こっ
てしまうからである。また、接触させる時間やアミン化
合物の添加量等は、アミン化合物の種類により異なる
が、耐クリープ特性が向上し、かつ、電気伝導度が著し
く低下しない範囲で適宜調節すれば良く、特に限定され
るものではない。The temperature at the time of the amine treatment is -30.
The range of from 200C to 200C is preferred. When the temperature is −30 ° C. or lower, the processing speed is significantly reduced due to a decrease in molecular mobility in the perfluoropolymer electrolyte, and when the temperature is 200 ° C. or higher, decomposition of the perfluoropolymer electrolyte occurs. Because. Further, the contact time, the amount of the amine compound added, and the like vary depending on the type of the amine compound, but may be appropriately adjusted within a range in which the creep resistance is improved and the electric conductivity is not significantly reduced, and is particularly limited. Not something.
【0022】また、本発明に係る電解質の改質方法にお
いて、アミン処理工程の後に、加熱処理工程もしくは塩
基処理工程のいずれかの工程を有することが好ましい。Further, in the method for modifying an electrolyte according to the present invention, it is preferable that any one of a heat treatment step and a base treatment step is provided after the amine treatment step.
【0023】ここで、加熱処理とは、パーフルオロ高分
子電解質あるいはその前駆体を加熱することをいう。こ
の際、加熱する温度は、40℃から200℃の範囲で行
うのが好ましい。より好ましくは反応速度の観点からパ
ーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体の軟化温度
近傍(ナフィオンの場合には100から150℃の範
囲)で加熱すると良い。40℃以下では反応速度が著し
く遅く、200℃以上では、パーフルオロ高分子電解質
の分解が起こるため好ましくない。また、加熱する時間
は、アミン化合物を接触させるアミン処理時間、アミン
化合物の添加量や種類等により異なるが、耐クリープ特
性が向上し、かつ、電気伝導度が著しく低下しない範囲
で適宜調節すれば良く、特に限定されるものではない。Here, the heat treatment means heating the perfluoropolymer electrolyte or its precursor. At this time, the heating temperature is preferably in the range of 40 ° C to 200 ° C. More preferably, from the viewpoint of the reaction rate, it is preferable to heat near the softening temperature of the perfluoropolymer electrolyte or its precursor (in the case of Nafion, in the range of 100 to 150 ° C.). If the temperature is lower than 40 ° C., the reaction rate is extremely slow. If the temperature is higher than 200 ° C., decomposition of the perfluoropolymer electrolyte occurs, which is not preferable. In addition, the heating time varies depending on the amine treatment time for contacting the amine compound, the amount and type of the amine compound added, etc., but if the creep resistance is improved and the electric conductivity is appropriately adjusted within a range that does not significantly decrease. Well, it is not particularly limited.
【0024】またここで、塩基処理とは、塩基とパーフ
ルオロ高分子電解質あるいはその前駆体を接触させるこ
とをいう。接触させる方法としては、塩基を直接接触さ
せても良いし、適当な溶媒に溶解して接触させても良
く、塩基の蒸気にさらしても良い。また、適当な溶媒に
溶解して接触させる場合に用いる溶媒としては、塩基が
溶解するものであれば特に制限はないが、塩基が10m
g/L以上溶解するものが好ましく、溶解性の観点か
ら、用いる溶媒はフッ素系のR113やAK225等が
好ましい。また、塩基処理する時間は、用いる塩基の添
加量や種類、塩基処理するときの温度等により異なる
が、耐クリープ特性が向上し、かつ、電気伝導度が著し
く低下しない範囲で適宜調節すれば良く、特に限定され
るものではない。Here, the base treatment means that the base is brought into contact with the perfluoropolymer electrolyte or its precursor. As a method for contacting, the base may be directly contacted, or may be dissolved in an appropriate solvent and contacted, or may be exposed to a base vapor. The solvent used in the case of dissolving in a suitable solvent and contacting it is not particularly limited as long as the solvent dissolves the base.
g / L or more are preferable. From the viewpoint of solubility, the solvent used is preferably fluorine-based R113 or AK225. The base treatment time varies depending on the amount and type of base used, the temperature at the time of base treatment, etc., but the creep resistance can be improved, and the electric conductivity can be appropriately adjusted within a range that does not significantly decrease. However, there is no particular limitation.
【0025】そして、より好ましくは、アミン処理工程
の後に、加熱処理工程と塩基処理工程の両方の工程を有
することが好ましい。この場合には、アミン処理工程の
後に、加熱処理工程を有し、その加熱処理工程の後に、
塩基処理工程を有していても良いし、アミン処理工程の
後に、塩基処理工程を有し、その塩基処理工程の後に、
加熱処理工程を有していても良い。特に好ましくは、パ
ーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体と、アミン
化合物、塩基との反応が加熱処理により一層促進される
観点から、アミン処理工程の後に、塩基処理工程を有
し、その塩基処理工程の後に、加熱処理工程を有するこ
とが好ましい。It is more preferable that both the heat treatment step and the base treatment step are provided after the amine treatment step. In this case, after the amine treatment step, there is a heat treatment step, and after the heat treatment step,
It may have a base treatment step, or may have a base treatment step after the amine treatment step, and after the base treatment step,
A heat treatment step may be provided. Particularly preferably, from the viewpoint that the reaction between the perfluoropolymer electrolyte or the precursor thereof and the amine compound or the base is further promoted by the heat treatment, the base treatment step is provided after the amine treatment step. Is preferably followed by a heat treatment step.
【0026】ここで、上述したパーフルオロ高分子電解
質とは、C−H結合を含まず、フルオロカーボン(−C
F2−、−CFCl−)、クロロカーボン(−CCl2
−)、その他(−O−、−S−、−C(=O)−、−N
(R)−)を主鎖、側鎖とするパーフルオロ高分子であ
って、これが、電解質基や化学反応による誘導化により
電解質となりうる官能基で置換された構造を有するもの
をいう。ここで特に、化学反応による誘導化により電解
質となりうる官能基で置換されたものを、パーフルオロ
高分子電解質前駆体と呼ぶ。Here, the above-mentioned perfluoropolymer electrolyte does not contain a C—H bond and is a fluorocarbon (—C
F 2 -, - CFCl-), chlorocarbons (-CCl 2
-), Other (-O-, -S-, -C (= O)-, -N
A perfluoropolymer having (R)-) as a main chain and a side chain, and having a structure in which this is substituted with an electrolyte group or a functional group capable of becoming an electrolyte by derivatization by a chemical reaction. Here, particularly, those substituted with a functional group that can become an electrolyte by derivatization by a chemical reaction are called perfluoropolymer electrolyte precursors.
【0027】このようなパーフルオロ高分子としては、
例えば、ポリテトラフルオロエチレン−テトラフルオロ
エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフル
オロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロ
エチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラ
フルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフ
ルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリクロロト
リフルオロエチレンなどが具体例として挙げられる。[0027] Such perfluoropolymers include:
For example, polytetrafluoroethylene-tetrafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer Specific examples include a polymer and polychlorotrifluoroethylene.
【0028】また、電解質基や化学反応による誘導化に
より電解質となりうる官能基(*を付けたもの)として
は、例えば、−SO3H、−SO2F*、−SO2Cl
*、−SO2Br*、−SO3Na、−SO3K、−S
O3Li、−SO3Mg、−SO3Ca、−CO2H、
−COF*、−COCl*、−COBr*、−CON
a、−COK、−COLi、−COMg、−COCa、
−PO3H2、=PO2H、−OP(O2H)O−、−
OPO3H2、−OPOCl2 *、−OPOF2 *、−
OPOBr2 *、−POCl2 *、−POF2 *、−P
OBr2 *、−OP(OCl)O−*、−OP(OF)
O−*、−OP(OLi)O−、カルボン酸エステ
ル*、スルホン酸エステル*、リン酸エステル*、カル
ボン酸無水物*、スルホン酸無水物*、リン酸無水
物*、及びカルボン酸、スルホン酸とリン酸の混合無水
物*等が具体例として挙げられる。In addition, for derivatization by an electrolyte group or a chemical reaction,
As a functional group that can be more electrolyte (marked with *)
Is, for example, -SO3H, -SO2F*, -SO2Cl
*, -SO2Br*, -SO3Na, -SO3K, -S
O3Li, -SO3Mg, -SO3Ca, -CO2H,
-COF*, -COCl*, -COBr*, -CON
a, -COK, -COLi, -COMg, -COCa,
-PO3H2, = PO2H, -OP (O2H) O-,-
OPO3H2, -OPOCl2 *, -OPOF2 *, −
OPOBr2 *, -POCl2 *, -POF2 *, -P
OBr2 *, -OP (OCl) O-*, -OP (OF)
O-*, -OP (OLi) O-, carboxylic acid ester
Le*, Sulfonic acid ester*, Phosphate ester*, Cal
Boric anhydride*, Sulfonic anhydride*, Phosphoric anhydride
object*And mixed anhydride of carboxylic acid, sulfonic acid and phosphoric acid
object*And the like are specific examples.
【0029】そしてより具体的には、電解質基として、
−SO3H(スルホン酸基)、化学反応による誘導化に
より電解質となりうる官能基として、−SO2F(スル
ホニルフルオライド基)を化学構造中に有するパーフル
オロ高分子電解質が好ましい。中でも、スルホニルフル
オライド基は、後述するように、アミン処理により容易
に耐クリープ特性等を向上させることができるので、特
に好ましい。More specifically, as the electrolyte group,
—SO 3 H (sulfonic acid group), and a perfluoropolymer electrolyte having —SO 2 F (sulfonyl fluoride group) in its chemical structure as a functional group that can become an electrolyte by derivatization by a chemical reaction are preferable. Among them, a sulfonyl fluoride group is particularly preferable, as described later, because the amine treatment can easily improve the creep resistance and the like.
【0030】ここで用いるパーフルオロ高分子電解質あ
るいはその前駆体の構造は、特に限定されるものではな
く、その高分子鎖は、直鎖状、あるいは分岐状のいずれ
の構造を有するものであっても良い。中でも、電解質基
や化学反応による誘導化により電解質となりうる官能基
を側鎖に有するパーフルオロ高分子電解質あるいはその
前駆体を好適に用いることができる。The structure of the perfluoropolymer electrolyte or its precursor used here is not particularly limited, and the polymer chain may have any of a linear or branched structure. Is also good. Above all, a perfluoropolymer electrolyte having a functional group which can be an electrolyte by derivatization by an electrolytic group or a chemical reaction in a side chain or a precursor thereof can be suitably used.
【0031】また、アミン処理工程で用いるアミン化合
物とは、アンモニアの水素原子が置換基により0から3
個置換されたアミン化合物のことをいう。The amine compound used in the amine treatment step means that the hydrogen atom of ammonia is 0 to 3 depending on the substituent.
Refers to a monosubstituted amine compound.
【0032】この場合の置換基としては、種々の置換基
が挙げられるが、例えば、アルキル基、アリール基、ア
リル基、アルケン基、アルキン基、アルコキシ基、ヒド
ロキシ基、ヒドロキシル基、ヒドロキシレート基、チオ
カルボキシ基、ジチオカルボキシ基、スルホ基、スルフ
ィノ基、スルフェノ基、オキシカルボニル基、ハロホル
ミル基、カルバモイル基、ヒドラジノカルボニル基、ア
ミジノ基、シアノ基、イソシアン基、シアナト基、イソ
シアナト基、チオシアナト基、イソチオシアナト基、ホ
ルミル基、オキソ基、チオホルミル基、チオキソ基、メ
ルカプト基、アミノ基、イミノ基、ヒドラジノ基、アリ
ロキシ基、スルフィド基、ハロゲン基、ニトロ基、シリ
ル基等を含む構成要素から構成される置換基が具体例と
して挙げられる。Examples of the substituent in this case include various substituents, for example, an alkyl group, an aryl group, an allyl group, an alkene group, an alkyne group, an alkoxy group, a hydroxy group, a hydroxyl group, a hydroxylate group, Thiocarboxy, dithiocarboxy, sulfo, sulfino, sulfeno, oxycarbonyl, haloformyl, carbamoyl, hydrazinocarbonyl, amidino, cyano, isocyanate, cyanato, isocyanato, thiocyanato, Consists of components including isothiocyanato group, formyl group, oxo group, thioformyl group, thioxo group, mercapto group, amino group, imino group, hydrazino group, allyloxy group, sulfide group, halogen group, nitro group, silyl group, etc. Substituents are mentioned as specific examples.
【0033】また置換基は、金属、例えばLi、Na、
K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Ba等で置
換されていても良い。なお、このようなアミン化合物は
金属アミドと呼ばれる。The substituent is a metal such as Li, Na,
It may be substituted with K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Ba or the like. In addition, such an amine compound is called a metal amide.
【0034】中でも、アミン化合物として、アンモニア
の水素原子が上記置換基により1個置換されたアミン化
合物である1級アミン化合物を用いることが好ましい。
具体的には、例えば、1−ヘキシルアミン、エチルアミ
ン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、
ヘプチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、パーフ
ルオロメチルアミン、パーフルオロエチルアミン、パー
フルオロブチルアミン、パーフルオロペンチルアミン、
パーフルオロヘプチルアミンなどが挙げられる。Among them, it is preferable to use, as the amine compound, a primary amine compound which is an amine compound in which one hydrogen atom of ammonia is substituted by the above substituent.
Specifically, for example, 1-hexylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, pentylamine,
Heptylamine, nonylamine, decylamine, perfluoromethylamine, perfluoroethylamine, perfluorobutylamine, perfluoropentylamine,
Perfluoroheptylamine and the like.
【0035】そしてより好ましくは、アミン化合物とし
て、アンモニアをそのまま用いることがより好ましい。It is more preferable to use ammonia as it is as the amine compound.
【0036】そしてまた、塩基処理工程で用いる塩基と
しては、トリエチルアミン、ピリジン、DBU(1,8
−diazabicyclo[5.4.0]−7−un
decene)、トリエチルアミン、DBN(1,5−
ジアザビシクロ[4.3.0]ノネン−5)等のアミン
化合物や、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化
カルシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カリウム、炭
酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、ナ
トリウムアルコキシド等の金属塩基や、ナトリウムハイ
ドライド、カリウムハイドライド、カルシウムハイドラ
イド、リチウムアルミニウムハイドライド、ナトリウム
ボロンハイドライド等の金属水素化物や、ブチルリチウ
ム、ナトリウムシクロペンタジエニド、フェニルリチウ
ム等の有機金属化合物等が好適である。As the base used in the base treatment step, triethylamine, pyridine, DBU (1,8
-Diazabicyclo [5.4.0] -7-un
decene), triethylamine, DBN (1,5-
Amine compounds such as diazabicyclo [4.3.0] nonene-5), sodium hydroxide, lithium hydroxide, calcium hydroxide, aluminum hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, sodium alkoxide And metal bases such as sodium hydride, potassium hydride, calcium hydride, lithium aluminum hydride, sodium boron hydride, and organic metal compounds such as butyllithium, sodium cyclopentadienide, and phenyllithium. .
【0037】以上のような本発明に係る電解質の改質方
法により得られる改質電解質は、パーフルオロ高分子電
解質中の電解質基や化学反応による誘導化により電解質
となりうる官能基の総数に対して、0.1から85%の
モル分率でアミン化合物に由来する窒素を含有すること
を特徴とするものである(以下、パーフルオロ高分子電
解質中の電解質基や化学反応による誘導化により電解質
となりうる官能基の総数に対するアミン化合物由来の窒
素の量をモル分率で表したものを、窒素モル分率N
(%)という)。The modified electrolyte obtained by the above-described method for modifying an electrolyte according to the present invention is based on the total number of electrolyte groups in the perfluoropolymer electrolyte and the total number of functional groups which can be converted into electrolytes by derivatization by chemical reaction. Containing nitrogen derived from an amine compound in a mole fraction of 0.1 to 85% (hereinafter referred to as an electrolyte due to an electrolyte group in a perfluoropolymer electrolyte or derivatization by a chemical reaction). The molar amount of the nitrogen derived from the amine compound with respect to the total number of
(%)).
【0038】この窒素モル分率N(%)が、0.1%以
下の場合、高分子鎖間に生じる架橋の量が少なすぎるた
めに耐久性、耐熱性の効果が少なく、また、85%以上
の場合には、電解質基の量が著しく少なくなるために、
電解質としての使用が困難となり好ましくない。When the nitrogen mole fraction N (%) is 0.1% or less, the effect of durability and heat resistance is small because the amount of crosslinking generated between polymer chains is too small. In the above case, the amount of the electrolyte group is significantly reduced,
The use as an electrolyte is difficult, which is not preferable.
【0039】また、得られた改質電解質を膜状に成形し
たパーフルオロ高分子電解質膜の場合、膜断面における
単位体積当たりの窒素モル分率N(%)(以下、窒素密
度n(%)という)の分布は、窒素密度n(%)の最大
値nmaxが0.1%以上50%以下の範囲にあること
が好ましく、その窒素密度n(%)の分布は、膜断面に
わたって、窒素密度n(%)のレベルがほぼ一定で、均
一になるように分布させることが好ましい。不均一に分
布してしまった場合、すなわち、窒素密度n(%)の分
布に局所的なピークがある場合は、電解質基の量が著し
く少なくなる箇所が膜中に存在することとなり、電気伝
導度を低下させてしまう等の問題が生じるため、好まし
くない。In the case of a perfluoropolymer electrolyte membrane in which the obtained modified electrolyte is formed into a membrane, a nitrogen mole fraction N (%) per unit volume in the membrane cross section (hereinafter, nitrogen density n (%) Is preferable that the maximum value n max of the nitrogen density n (%) is in the range of 0.1% or more and 50% or less, and the distribution of the nitrogen density n (%) is It is preferable to distribute the density n (%) so that the level is substantially constant and uniform. If the distribution is non-uniform, that is, if there is a local peak in the distribution of the nitrogen density n (%), a portion where the amount of the electrolyte group is significantly reduced exists in the film, and the electric conductivity is reduced. It is not preferable because problems such as lowering the degree arise.
【0040】このような窒素密度n(%)の分布は、ア
ミン処理工程において用いるアミン化合物の量や種類な
ど各種条件によって異なるが、用いるアミン化合物とし
ては、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質あるい
はその前駆体へ拡散する拡散速度が、パーフルオロ高分
子電解質あるいはその前駆体との反応速度よりも速いも
のを用いることが好ましい。アミン化合物がパーフルオ
ロ高分子電解質あるいはその前駆体へ拡散する拡散速度
が、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体との
反応速度よりも遅い場合、アミン化合物がパーフルオロ
高分子電解質あるいはその前駆体に浸透する前にパーフ
ルオロ高分子電解質あるいはその前駆体表面で反応が生
じてしまい、その結果、窒素密度n(%)の分布が不均
一となり易く、電気伝導度が局所的に低下する箇所が生
じ、好ましくない。The distribution of the nitrogen density n (%) varies depending on various conditions such as the amount and type of the amine compound used in the amine treatment step, and the amine compound used is a perfluoropolymer electrolyte or a perfluoropolymer electrolyte. It is preferable to use a perfluoropolymer electrolyte or a material having a higher diffusion rate than the perfluoropolymer electrolyte or its precursor. If the rate at which the amine compound diffuses into the perfluoropolymer electrolyte or its precursor is slower than the rate of reaction with the perfluoropolymer electrolyte or its precursor, the amine compound will Before permeation, a reaction occurs on the surface of the perfluoropolymer electrolyte or its precursor, and as a result, the distribution of the nitrogen density n (%) tends to be non-uniform, and a portion where the electrical conductivity locally decreases occurs. Is not preferred.
【0041】なお、窒素密度n(%)の分布は、アミン
化合物に由来する窒素元素の分布や得られた改質電解質
の物性分布により評価することができ、具体的には、弾
性率やクリープ特性や電気伝導度などを評価して、適宜
最適な分布となるようにすれば良い。The distribution of the nitrogen density n (%) can be evaluated by the distribution of the nitrogen element derived from the amine compound and the distribution of the physical properties of the obtained modified electrolyte. The characteristics and the electric conductivity may be evaluated so as to obtain an optimal distribution as appropriate.
【0042】そしてまた、パーフルオロ高分子電解質膜
の膜断面の窒素密度n(%)の分布の最大値n
maxが、0.1%以上50%以下の範囲にあり、か
つ、膜に対して垂直方向の導電率が10−3S/cm以
上であるようした場合、十分な電気伝導度を有し、か
つ、耐熱性、耐久性に優れた電解質膜とすることができ
る。The maximum value n of the distribution of the nitrogen density n (%) in the cross section of the perfluoropolymer electrolyte membrane
When max is in the range of 0.1% or more and 50% or less, and the conductivity in the direction perpendicular to the film is 10 −3 S / cm or more, the film has sufficient electric conductivity; In addition, an electrolyte membrane having excellent heat resistance and durability can be obtained.
【0043】以上のように、本発明に係る電解質の改質
方法は、パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体
にアミン化合物を接触させるアミン処理工程を有してお
り、それにより得られるパーフルオロ高分子電解質は、
電気伝導度を維持したまま、高温における分子の流動が
抑制され、高温域における軟化による変形や、長期使用
時のクリープを阻止することが可能となり、耐熱性、耐
高温クリープ特性を大幅に向上させることができるよう
になる。また、高分子鎖がパーフルオロ高分子で形成さ
れているため、高温における耐酸化性も問題とならな
い。As described above, the method for modifying an electrolyte according to the present invention has an amine treatment step of bringing an amine compound into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof. The molecular electrolyte is
While maintaining electrical conductivity, the flow of molecules at high temperatures is suppressed, and deformation due to softening at high temperatures and creep during long-term use can be prevented, greatly improving heat resistance and high-temperature creep resistance. Will be able to do it. Further, since the polymer chain is formed of a perfluoropolymer, there is no problem in oxidation resistance at high temperatures.
【0044】このように電気伝導性を維持したまま、耐
熱性、耐久性を向上させることができる理由について詳
細は明らかではないが、パーフルオロ高分子電解質中の
電解質基や化学反応による誘導化により電解質となりう
る官能基の部分において、アミン化合物による共有結
合、あるいはイオン結合による架橋が生じているため、
耐熱性、耐高温クリープ特性が向上するものと考えら
れ、また、その架橋点において、水素原子の結合に寄与
する電子が、電子吸引性を有するフッ素化炭素に引き寄
せられて移動し、水素原子がプロトンとして放出され易
くなっているため、電気伝導度が維持されるものと考え
られる。Although the reason why the heat resistance and the durability can be improved while maintaining the electrical conductivity as described above is not clear, it is not clear by the derivatization due to the electrolyte group in the perfluoropolymer electrolyte or the chemical reaction. In the part of the functional group that can be an electrolyte, covalent bond by amine compound or cross-link by ionic bond has occurred,
It is considered that heat resistance and high temperature creep resistance are improved, and at the cross-linking point, electrons contributing to the bonding of hydrogen atoms are attracted to fluorinated carbon having electron-withdrawing properties and move, and hydrogen atoms are removed. It is considered that the electric conductivity is maintained because it is easily released as protons.
【0045】また、パーフルオロ高分子電解質あるいは
その前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程
の後に、塩基処理工程を有する場合は、塩基により架橋
反応が促進され、効率良く架橋を生じるものと考えられ
る。When a base treatment step is provided after the amine treatment step of bringing the amine compound into contact with the perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof, it is considered that the base promotes the crosslinking reaction and causes efficient crosslinking. Can be
【0046】そしてまた、パーフルオロ高分子電解質あ
るいはその前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処
理工程の後に、加熱処理工程を有する場合には、加熱に
より架橋反応が促進され、効率良く、架橋が生じるもの
と考えられる。When a heat treatment step is provided after the amine treatment step in which the amine compound is brought into contact with the perfluoropolymer electrolyte or its precursor, the crosslinking reaction is promoted by heating, and crosslinking occurs efficiently. It is considered something.
【0047】特に、パーフルオロ高分子電解質あるいは
その前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程
の後に、塩基処理工程を有し、その塩基処理工程の後
に、加熱処理工程を有している場合には、上記による効
果が相まって、より一層効率よく、電気伝導度を維持し
ながら、耐熱性、耐高温クリープ特性を大幅に向上させ
ることができるようになるものと考えられる。In particular, when a base treatment step is provided after an amine treatment step of bringing an amine compound into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof, and a heat treatment step is provided after the base treatment step. It is considered that the combination of the effects described above makes it possible to significantly improve the heat resistance and the high-temperature creep resistance while maintaining the electric conductivity more efficiently.
【0048】そのため、本発明に係る電解質の改質方法
により得られる改質電解質を例えば、固体高分子型燃料
電池に用いた場合には、120℃以上の高温条件下であ
っても安定に作動し、また、効率を飛躍的に向上させる
ことができ、しかも、メタノール改質型燃料電池におい
て問題となっている、電極触媒の一酸化炭素による被毒
に起因する電圧低下は、こうした高温運転により大幅に
低減することが可能となる。Therefore, when the modified electrolyte obtained by the method for modifying an electrolyte according to the present invention is used in, for example, a polymer electrolyte fuel cell, it operates stably even at a high temperature of 120 ° C. or more. In addition, the efficiency can be dramatically improved, and the voltage drop caused by the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide, which is a problem in the methanol reforming fuel cell, is reduced by such a high temperature operation. It is possible to greatly reduce.
【0049】[0049]
【実施例】以下に本発明に係る電解質の改質方法及び改
質電解質の好適な実施例について詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a method for reforming an electrolyte and a modified electrolyte according to the present invention will be described below in detail.
【0050】(実施例1)初めに、以下の手順に従い、
パーフルオロ高分子電解質にアミン化合物を接触させる
アミン処理を行った。すなわち、グローブボックス中
で、フロン溶媒(R113)80mlに膜厚50μm、
大きさ1cmx8cmのナフィオン膜(F112)を5
分間浸漬した。次いでアミン化合物としてリチウムビス
(トリメチルシリル)アミド(以下、LBTMSAとい
う)の1.0M(モル/L)THF溶液5mlを撹拌下
に加え、15分間浸漬した後、この膜を取り出し、R1
13及びTHF溶液で洗浄した。以後の操作は空気中、
室温にて行った。得られた膜を25%水酸化ナトリウム
水溶液中で2時間還流し、水洗した後、6M塩酸中に5
時間浸漬して加水分解し、残留するスルホニルフルオラ
イド基をスルホン酸ナトリウム基に変換した。さらに、
1M硫酸中で1時間還流し、プロトン型に変換した。そ
の後、純水中で10分還流し、水洗後、得られた膜を純
水中に保存した。この電解質膜を実施例1とする。(Example 1) First, according to the following procedure,
An amine treatment was performed in which an amine compound was brought into contact with the perfluoropolymer electrolyte. That is, in a glove box, a film thickness of 50 μm was added to 80 ml of a fluorocarbon solvent (R113).
5 cm of Nafion membrane (F112) measuring 1 cm x 8 cm
Soak for minutes. Next, 5 ml of a 1.0 M (mol / L) THF solution of lithium bis (trimethylsilyl) amide (hereinafter referred to as LBTMSA) as an amine compound was added with stirring, and the resultant was immersed for 15 minutes.
Washed with 13 and THF solution. Subsequent operations are in the air,
Performed at room temperature. The obtained film was refluxed for 2 hours in a 25% aqueous sodium hydroxide solution, washed with water, and then washed with 6M hydrochloric acid for 5 hours.
Hydrolysis by immersion for a time converted the remaining sulfonyl fluoride groups to sodium sulfonate groups. further,
Refluxed in 1 M sulfuric acid for 1 hour to convert to proton form. Thereafter, the mixture was refluxed in pure water for 10 minutes, washed with water, and the obtained film was stored in pure water. This electrolyte membrane is referred to as Example 1.
【0051】次に、このようにして得られた実施例1の
電解質膜の電気伝導度の測定を、以下の手順により行っ
た。すなわち、得られた幅1cmの電解質膜を、2端子
の電気伝導度測定セルに装着し、セルの電流、電圧端子
には膜との接触性向上のため白金黒メッキを施した白金
箔を使用した。そしてこれらのセルをそれぞれ純水中に
浸漬し、LCRメーター(YHP製 4262A LC
R METER)を用いて交流法(10kHz)により
電解質膜の膜抵抗を測定した。そして、次の数1の式に
より電気伝導度(σ)を求めた。尚、各膜厚は電気伝導
度測定後にマイクロメーターで測定した値を用いた。Next, the electric conductivity of the thus obtained electrolyte membrane of Example 1 was measured by the following procedure. That is, the obtained electrolyte membrane having a width of 1 cm is mounted on a two-terminal electric conductivity measuring cell, and platinum foil plated with platinum black is used for the current and voltage terminals of the cell to improve the contact with the membrane. did. Each of these cells is immersed in pure water, and the LCR meter (YHP 4262A LC
R METER) and the membrane resistance of the electrolyte membrane was measured by an alternating current method (10 kHz). Then, the electrical conductivity (σ) was determined by the following equation (1). In addition, the value measured with the micrometer after the electric conductivity measurement was used for each film thickness.
【0052】[0052]
【数1】σ=L/R・A=L/R・w・t 但し、σ :電気伝導度(S/cm) R :抵抗(Ω) L :電圧端子間の距離(=1cm) A :膜の断面積(cm2) t :膜厚(cm) w :膜幅(cm)Σ = L / R · A = L / R · w · t where σ: electric conductivity (S / cm) R: resistance (Ω) L: distance between voltage terminals (= 1 cm) A: Cross-sectional area of film (cm 2 ) t: film thickness (cm) w: film width (cm)
【0053】次に、実施例1の電解質膜の160℃にお
ける耐クリープ試験を、以下の手順により行った。すな
わち、荷重が0.8MPaになるように膜に錘をぶら下
げ、160℃の雰囲気にさらし、1分後の膜の伸びの初
期の長さに対する割合(クリープ伸び)を測定した。Next, a creep resistance test at 160 ° C. of the electrolyte membrane of Example 1 was performed according to the following procedure. That is, a weight was hung on the film so that the load became 0.8 MPa, the film was exposed to an atmosphere at 160 ° C., and the ratio of the elongation of the film after one minute to the initial length (creep elongation) was measured.
【0054】(実施例2〜4)アミン化合物であるLB
TMSAへの浸漬時間を30分、1時間、2時間とした
以外は、実施例1と同様の手順に従い、各膜を処理し
た。これらの電解質膜をそれぞれ実施例2、実施例3、
実施例4とする。また、実施例1と同様に電気伝導度の
測定及び耐クリープ評価を行った。Examples 2 to 4 LB as an amine compound
Each film was treated according to the same procedure as in Example 1 except that the immersion time in TMSA was 30 minutes, 1 hour, and 2 hours. These electrolyte membranes were used in Example 2, Example 3,
Example 4 is assumed. Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0055】(実施例5)アミン化合物としてLBTM
SAの1.0M(モル/L)THF溶液5mlを撹拌下
に加え、15分間浸漬した後、この膜を取り出し、R1
13及びTHF溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータリ
ーポンプの減圧下120℃にて12時間加熱処理を行っ
た以外は、実施例1と同様の手順に従い、膜を処理し
た。この電解質膜を実施例5とする。また、実施例1と
同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。Example 5 LBTM was used as an amine compound.
5 ml of a 1.0 M (mol / L) THF solution of SA was added under stirring and immersed for 15 minutes.
13 and a THF solution, and subsequently the membrane was treated in the same procedure as in Example 1 except that the membrane was subjected to a heat treatment at 120 ° C. for 12 hours under reduced pressure of a rotary pump. This electrolyte membrane is referred to as Example 5. Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0056】(実施例6、7)アミン化合物であるLB
TMSAへの浸漬時間を1時間、2時間とした以外は、
実施例5と同様の手順に従い、各膜を処理した。これら
の電解質膜をそれぞれ実施例6、実施例7とする。ま
た、実施例1と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ
評価を行った。(Examples 6 and 7) LB which is an amine compound
Except that the immersion time in TMSA was 1 hour and 2 hours,
Each film was treated according to the same procedure as in Example 5. These electrolyte membranes are referred to as Example 6 and Example 7, respectively. Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0057】(比較例1)比較としてパーフルオロ高分
子電解質であるナフィオン膜についてアミン処理、塩基
処理、加熱処理のいずれも行わなず、実施例1と同様に
膜の加水分解、プロトン交換、純水中への保存を行っ
た。この電解質膜を比較例1とする。また、実施例1と
同様に電気伝導度の測定を行い、耐クリープ評価につい
ては8分間のクリープ伸びの測定も行った。(Comparative Example 1) As a comparison, Nafion membrane which is a perfluoropolymer electrolyte was not subjected to any of amine treatment, base treatment, and heat treatment. It was stored in water. This electrolyte membrane is referred to as Comparative Example 1. Further, the electrical conductivity was measured in the same manner as in Example 1, and the creep resistance was evaluated by measuring the creep elongation for 8 minutes.
【0058】以上のように作製した実施例1〜7、及び
比較例1の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表1
に示す。Table 1 shows the test conditions and the measurement results of the characteristics of the electrolyte membranes of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 produced as described above.
Shown in
【0059】[0059]
【表1】 [Table 1]
【0060】先ず、アミン化合物(LBTMSA)の添
加量を一定とし、アミン処理時間を変化させてアミン処
理を行った実施例1〜4について説明する。実施例1〜
4によると、アミン処理時間が増加するにつれ、1分間
のクリープ伸びは急激に小さくなり、1時間以降はほぼ
一定となる挙動を示した。また、実施例2〜4のクリー
プ伸びは比較例1のクリープ伸びと比較して、約1/2
以下と大幅に小さくなっており、耐クリープ特性が向上
していることが分かる。First, Examples 1 to 4 in which the amount of the amine compound (LBTMSA) was fixed and the amine treatment was performed by changing the amine treatment time will be described. Example 1
According to No. 4, as the amine treatment time increased, the creep elongation for one minute sharply decreased, and the behavior became almost constant after one hour. Further, the creep elongation of Examples 2 to 4 was about 1/2 that of the creep elongation of Comparative Example 1.
This is significantly smaller than the following, and it can be seen that the creep resistance is improved.
【0061】一方、電気伝導度については、比較例1に
比べ、実施例1、2についてはそれほど低下しなかった
が、アミン処理時間が1時間よりも長い実施例3、4で
は、その低下の割合が大きくなった。これらの結果か
ら、アミン処理時間が短すぎる場合は、耐クリープ特性
向上の効果が少なく、逆にアミン処理時間が長すぎる場
合は、耐クリープ特性は向上するものの、電気伝導度が
低下してしまうことが分かる。すなわち、アミン処理時
間については、電気伝導度を大きく低下させず、耐クリ
ープ特性が向上するような範囲で、アミン処理時間を選
択する必要があることが分かる。On the other hand, the electrical conductivity did not decrease so much in Examples 1 and 2 as compared with Comparative Example 1, but in Examples 3 and 4 where the amine treatment time was longer than 1 hour, the decrease was not so large. The percentage has increased. From these results, when the amine treatment time is too short, the effect of improving the creep resistance is small. Conversely, when the amine treatment time is too long, the creep resistance is improved but the electric conductivity is reduced. You can see that. That is, it can be seen that it is necessary to select the amine treatment time within a range that does not significantly reduce the electrical conductivity and improves the creep resistance.
【0062】次に、アミン化合物(LBTMSA)の添
加量を一定とし、アミン処理時間を変化させてアミン処
理工程を行った後に、120℃、12時間の加熱処理工
程を行った実施例5〜7について説明する。アミン処理
時間が短く、耐クリープ特性の向上が見られなかった実
施例1の1分間のクリープ伸びは126%であったのに
対し、アミン処理時間が15分と同じ時間であるが、加
熱処理を行った実施例5の1分間のクリープ伸びは21
%と大幅に小さくなっていることが分かる。また、それ
以外の実施例6、7については実施例3、4とほぼ同程
度のクリープ伸びであった。すなわち、アミン処理工程
の後に、加熱処理を行うことで、アミン処理時間が比較
的短くても、クリープ伸びを大幅に小さくできることが
分かる。Next, the amount of the amine compound (LBTMSA) was fixed, the amine treatment step was performed by changing the amine treatment time, and then the heat treatment step at 120 ° C. for 12 hours was performed. Will be described. The creep elongation per minute of Example 1 in which the amine treatment time was short and no improvement in the creep resistance was observed was 126%, whereas the amine treatment time was the same as 15 minutes. The creep elongation per minute of Example 5 in which the
It can be seen that the percentage is significantly reduced to%. The other examples 6 and 7 had almost the same creep elongation as the examples 3 and 4. That is, it is understood that by performing the heat treatment after the amine treatment step, the creep elongation can be significantly reduced even if the amine treatment time is relatively short.
【0063】また、電気伝導度については実施例1と実
施例5から分かるように、加熱処理により電気伝導度を
低下させることなく、耐クリープ特性が大幅に向上して
いることが分かる。しかしながら、アミン処理時間が実
施例6、7のように比較的長い場合には、加熱処理によ
り電気伝導度が低下してしまうことが分かる。In addition, as can be seen from Examples 1 and 5, regarding the electric conductivity, it can be seen that the creep resistance is greatly improved without lowering the electric conductivity by the heat treatment. However, when the amine treatment time is relatively long as in Examples 6 and 7, it can be seen that the electric conductivity is reduced by the heat treatment.
【0064】上記のように、パーフルオロ高分子電解質
にアミン化合物を接触させるアミン処理を行うことによ
り、耐クリープ特性が大幅に向上する理由については、
詳細は明らかではないが、パーフルオロ高分子電解質中
の電解質基や化学反応による誘導化により電解質となり
うる官能基の部分において、アミン化合物による共有結
合、あるいはイオン結合による架橋が生じているものと
考えられる。As described above, the reason why the amine treatment in which the amine compound is brought into contact with the perfluoropolymer electrolyte greatly improves the creep resistance is as follows.
Although details are not clear, it is thought that covalent bonds with amine compounds or cross-links due to ionic bonds have occurred in the electrolyte groups in the perfluoropolymer electrolyte and the functional groups that can become electrolytes by derivatization due to chemical reactions. Can be
【0065】アミン処理工程のみの場合は、パーフルオ
ロ高分子電解質とアミン化合物とが接触する時間が長く
なるに連れて、パーフルオロ高分子電解質中においてア
ミン化合物による架橋点が形成されていくが、主にイオ
ン結合の状態で架橋されているために、電気伝導度の低
下割合が低く抑えられていると考えられる。In the case of only the amine treatment step, as the contact time between the perfluoropolymer electrolyte and the amine compound becomes longer, the crosslinking points of the amine compound are formed in the perfluoropolymer electrolyte. It is considered that the rate of decrease in the electrical conductivity is suppressed to a low level mainly because the crosslinks are formed in an ionic bond state.
【0066】また、アミン処理工程の後に行う加熱処理
工程の有無による電気伝導度、耐クリープ特性への影響
については、アミン処理時間が短いときほど、その後の
加熱処理の効果が大きい。Regarding the influence of the presence or absence of the heat treatment step after the amine treatment step on the electric conductivity and the creep resistance, the shorter the amine treatment time, the greater the effect of the subsequent heat treatment.
【0067】これは、加熱処理を行った場合は、アミン
化合物との接触する時間が短く、架橋点が少なくても、
加熱によりパーフルオロ高分子電解質とアミン化合物と
の間で共有結合による架橋が生じることにより、耐クリ
ープ特性が大幅に向上すると考えられる。しかしなが
ら、アミン化合物との接触時間が長く、架橋点が増えた
場合、加熱処理により架橋点における反応が進み、電解
質基が損なわれることにより、電気伝導度が低下してし
まうものと考えられる。This is because when the heat treatment is performed, the contact time with the amine compound is short, and even if the number of crosslinking points is small,
It is considered that the cross-linking between the perfluoropolymer electrolyte and the amine compound due to the covalent bond caused by the heating significantly improves the creep resistance. However, when the contact time with the amine compound is long and the number of crosslinking points is increased, it is considered that the heat treatment promotes the reaction at the crosslinking points, and the electrolyte groups are damaged, thereby lowering the electric conductivity.
【0068】(実施例8〜11)アミン化合物であるL
BTMSAの1.0M(モル/L)THF溶液2.5m
l、1.25ml、0.6ml、0.3mlを撹拌下に
加え、浸漬時間を30分とした以外は、実施例5と同様
の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜をそ
れぞれ実施例8、実施例9、実施例10、実施例11と
する。また、実施例1と同様に電気伝導度の測定及び耐
クリープ評価を行った。(Examples 8 to 11) L which is an amine compound
2.5m of 1.0M (mol / L) THF solution of BTMSA
1, 1.25 ml, 0.6 ml and 0.3 ml were added under stirring, and each membrane was treated in the same procedure as in Example 5 except that the immersion time was 30 minutes. These electrolyte membranes are referred to as Example 8, Example 9, Example 10, and Example 11, respectively. Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0069】(実施例12〜15)アミン化合物である
LBTMSAの1.0M(モル/L)THF溶液2.5
ml、1.25ml、0.6ml、0.3mlを撹拌下
に加え、浸漬時間を1時間とした以外は、実施例5と同
様の手順に従い、各膜を処理した。これらの電解質膜を
それぞれ実施例12、実施例13、実施例14、実施例
15とする。また、実施例1と同様に電気伝導度の測定
及び耐クリープ評価を行った。(Examples 12 to 15) 2.5 M (mol / L) THF solution of LBTMSA which is an amine compound in 2.5 M
ml, 1.25 ml, 0.6 ml and 0.3 ml were added under stirring, and each membrane was treated according to the same procedure as in Example 5 except that the immersion time was 1 hour. These electrolyte membranes are referred to as Example 12, Example 13, Example 14, and Example 15, respectively. Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0070】以上のように作製した実施例8〜15、及
び比較例1の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表
2に示す。Table 2 shows the test conditions of the electrolyte membranes of Examples 8 to 15 and Comparative Example 1 produced as described above and the results of measurement of each characteristic.
【0071】[0071]
【表2】 [Table 2]
【0072】表2は、アミン化合物(LBTMSA)に
よるアミン処理工程の後に行う加熱処理条件を一定と
し、アミン処理時間、アミン化合物の添加量を変化させ
てアミン処理を行った結果を示している。先ず、アミン
処理時間を30分として、アミン化合物の添加量を変化
させた実施例8〜11について説明する。実施例8〜1
1はクリープ伸びは比較例1に比べ、約1/3〜1/2
程度となり、耐クリープ特性が大幅に向上している。ま
た、電気伝導度については、アミン化合物の添加量が少
なくなるほど大きくなっており、実施例11においては
電気伝導度、耐クリープ特性ともに比較例1より大幅に
向上した。すなわち、電気伝導度を低下させることな
く、耐熱性、耐久性を有した電解質膜に改質されている
ことが分かる。Table 2 shows the results of performing the amine treatment by changing the amine treatment time and the amount of the amine compound added, while keeping the heat treatment conditions after the amine treatment step with the amine compound (LBTMSA) constant. First, Examples 8 to 11 in which the amine treatment time was 30 minutes and the amount of the amine compound added was changed will be described. Examples 8 to 1
1 has a creep elongation of about 1/3 to 1/2 as compared with Comparative Example 1.
, And the creep resistance is greatly improved. Further, the electrical conductivity increased as the amount of the amine compound added decreased, and in Example 11, both the electrical conductivity and the creep resistance were significantly improved as compared with Comparative Example 1. That is, it can be seen that the electrolyte membrane has been modified to have heat resistance and durability without lowering the electric conductivity.
【0073】一方、アミン処理時間を1時間として、ア
ミン化合物の添加量を実施例8〜11と同様に変化させ
た実施例12〜15についても実施例8〜11と同様の
傾向が見られるが、アミン化合物の添加量が多い実施例
12の場合は、比較例1に比較して1分間のクリープ伸
びは大幅に小さいものの、実施例8に比べ、電気伝導度
の低下が見られた。On the other hand, in Examples 12 to 15 in which the amine treatment time was 1 hour and the amount of the amine compound added was changed in the same manner as in Examples 8 to 11, the same tendency as in Examples 8 to 11 was observed. In the case of Example 12 in which the amount of the amine compound added was large, the creep elongation for one minute was significantly smaller than that of Comparative Example 1, but the electrical conductivity was lower than that of Example 8.
【0074】これらのことから、アミン処理工程の後に
行う加熱処理条件が一定の場合には、アミン化合物の添
加量が少なく、アミン処理時間が短い方が、耐クリープ
特性、電気伝導度の両者の特性が良くなることが分か
る。From these facts, when the heat treatment conditions after the amine treatment step are constant, the smaller the amount of the amine compound added and the shorter the amine treatment time, the better both the creep resistance and electrical conductivity. It can be seen that the characteristics are improved.
【0075】(実施例16)アミン化合物としてアンモ
ニアの1.0M(モル/L)1、4−ジオキサン溶液5
mlを加え、2日間浸漬した後、この膜を取り出し、R
113及びTHF溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータ
リーポンプの減圧下120℃にて3日間加熱処理を行っ
た以外は、実施例1と同様の手順に従い、膜を処理し
た。この電解質膜を実施例16とする。また、実施例1
と同様に電気伝導度の測定を行い、耐クリープ評価につ
いては8分間のクリープ伸びの測定も行った。Example 16 1.0 M (mol / L) of 1,4-dioxane solution 5 of ammonia as an amine compound
After immersion for 2 days, the membrane was taken out, and R
The membrane was treated according to the same procedure as in Example 1 except that the membrane was washed with 113 and a THF solution, and then heat-treated at 120 ° C. for 3 days under reduced pressure of a rotary pump. This electrolyte membrane is referred to as Example 16. Example 1
The electrical conductivity was measured in the same manner as described above, and the creep resistance was evaluated by measuring the creep elongation for 8 minutes.
【0076】(実施例17〜19)アミン化合物である
アンモニアへの浸漬時間を5日、7日、10日間とした
以外は、実施例16と同様の手順に従い、各膜を処理し
た。これらの電解質膜をそれぞれ実施例17、実施例1
8、実施例19とする。また、実施例16と同様に電気
伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。(Examples 17 to 19) Each film was treated according to the same procedure as in Example 16 except that the immersion time in the amine compound, ammonia, was changed to 5, 7 and 10 days. These electrolyte membranes were used in Examples 17 and 1, respectively.
Eighth, and a nineteenth embodiment. The measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 16.
【0077】(実施例20)加熱処理する時間を2時間
とした以外は、実施例16と同様の手順に従い、膜を処
理した。この膜を実施例20とする。また、実施例16
と同様に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行っ
た。Example 20 A film was treated according to the same procedure as in Example 16 except that the heating time was changed to 2 hours. This film is referred to as Example 20. Example 16
In the same manner as in the above, the electric conductivity was measured and the creep resistance was evaluated.
【0078】(実施例21)加熱処理を行わなかった以
外は、実施例16と同様の手順に従い、膜を処理した。
この膜を実施例21とする。また、実施例16と同様に
電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。Example 21 A film was processed according to the same procedure as in Example 16 except that the heat treatment was not performed.
This film is referred to as Example 21. The measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 16.
【0079】(実施例22)アミン化合物としてアンモ
ニアの1.0M(モル/L)1、4−ジオキサン溶液5
mlを加え、2日間浸漬した後、この膜を取り出し、R
113及びTHF溶液で洗浄し、次いで、10%のトリ
エチルアミンのR113溶液中で100℃、5時間加熱
し、塩基処理を行った後、引き続き、膜をロータリーポ
ンプの減圧下120℃にて2時間加熱処理を行った以外
は、実施例1と同様の手順に従い、膜を処理した。この
電解質膜を実施例22とする。また、実施例16と同様
に電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。Example 22 1.0 M (mol / L) of 1,4-dioxane solution 5 of ammonia as an amine compound
After immersion for 2 days, the membrane was taken out, and R
After washing with a 113 solution and a THF solution, the mixture was heated in a 10% triethylamine R113 solution at 100 ° C. for 5 hours, and subjected to a base treatment. Subsequently, the membrane was heated at 120 ° C. under reduced pressure using a rotary pump for 2 hours. The film was processed according to the same procedure as in Example 1 except that the processing was performed. This electrolyte membrane is referred to as Example 22. The measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 16.
【0080】以上のように作製した実施例16〜22、
及び比較例1の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を
表3に示す。Examples 16 to 22 produced as described above,
Table 3 shows test conditions of the electrolyte membrane of Comparative Example 1 and measurement results of each characteristic.
【0081】[0081]
【表3】 [Table 3]
【0082】表3は、アミン化合物(アンモニア)によ
るアミン処理時間とアミン処理の後に行う加熱処理条件
を変化させた結果及び、アミン処理、加熱処理の後に、
塩基処理を行った結果を示している。先ず、アミン処理
の後に行う加熱処理条件を一定とし、アミン処理時間を
変化させた実施例16〜19について説明する。Table 3 shows the results of changing the amine treatment time with the amine compound (ammonia) and the heat treatment conditions performed after the amine treatment, and the results of the amine treatment and the heat treatment after the amine treatment.
The result of having performed base treatment is shown. First, Examples 16 to 19 in which the heat treatment conditions performed after the amine treatment were fixed and the amine treatment time was changed will be described.
【0083】実施例16〜19からどの実施例も、1分
間・8分間のクリープ伸びとも、比較例1に比べて大幅
に小さく、耐クリープ特性が向上していることが分か
る。また、電気伝導度については、アミン処理時間が短
い方が、電気伝導度の低下が少ない。また、実施例16
においては比較例1より高い電気伝導度を示した。From Examples 16 to 19, it can be seen that the creep elongation of each of Examples 1 to 8 for 1 minute and 8 minutes is significantly smaller than that of Comparative Example 1, and the creep resistance is improved. As for the electric conductivity, the shorter the amine treatment time, the less the electric conductivity decreases. Example 16
Showed higher electric conductivity than Comparative Example 1.
【0084】すなわち、用いるアミン化合物がアンモニ
アの場合も同様に、アミン処理工程の後に行う加熱処理
が一定の場合には、アミン処理時間が短い方が、耐クリ
ープ特性、電気伝導度の両者の特性が良いことが分か
る。また、用いるアミン化合物の種類によって、アミン
処理を行う最適な時間は異なっており、アミン化合物の
種類により、アミン処理時間を変化させる必要があるこ
とも分かる。That is, similarly, when the amine compound used is ammonia, when the heat treatment performed after the amine treatment step is constant, the shorter the amine treatment time, the better the properties of both creep resistance and electric conductivity. Is good. Further, the optimal time for performing the amine treatment differs depending on the type of the amine compound used, and it is also understood that the amine treatment time needs to be changed depending on the type of the amine compound.
【0085】次に、アミン処理時間は同じで、加熱処理
を行わなかった実施例21と加熱処理を2時間、3日間
行った実施例20、16について比較してみると、加熱
処理を行った方がクリープ伸びが小さく、また、加熱処
理時間が長いほど、電気伝導度、耐クリープ特性が向上
した。Next, a comparison was made between Example 21 in which the heat treatment was not performed and Example 20 and 16 in which the heat treatment was performed for 2 hours and 3 days with the same amine treatment time. The lower the creep elongation, and the longer the heat treatment time, the better the electrical conductivity and the creep resistance.
【0086】これらのことから、希望する電気伝導度と
耐クリープ特性を得られるように、電解質を使用する条
件、用途に応じてアミン処理時間や加熱処理条件等を適
宜調節して改質すれば良いことが分かる。From these facts, it is necessary to appropriately adjust the amine treatment time and the heat treatment condition according to the conditions of use of the electrolyte and the application so that the desired electric conductivity and creep resistance can be obtained. It turns out to be good.
【0087】また、アミン処理を行った後、120℃に
て2時間加熱処理を行い、更に塩基としてトリエチルア
ミンを用い100℃、5時間の条件にて塩基処理を行っ
た実施例22と、塩基処理を行わなかった実施例20、
比較例1について比較してみると、実施例22は電気伝
導度を低下させることなく、耐熱性、耐クリープ特性が
向上していることが分かる。また、実施例20に比べ、
8分間のクリープ伸びも向上した。Further, after the amine treatment, a heat treatment was carried out at 120 ° C. for 2 hours, and a base treatment was carried out at 100 ° C. for 5 hours using triethylamine as a base. Example 20 in which
A comparison of Comparative Example 1 shows that Example 22 has improved heat resistance and creep resistance without lowering the electrical conductivity. In addition, compared to Example 20,
The 8-minute creep elongation also improved.
【0088】このように、塩基処理を行った場合に電気
伝導度が低下しなかった理由としては、架橋点におい
て、プロトンの受容体である塩基が作用することによ
り、架橋点のプロトンがより放出されやすくなったた
め、十分な電気伝導度を発現し、耐熱性、耐久性が向上
したものと考えられる。As described above, the reason that the electric conductivity did not decrease when the base treatment was performed is that the base at the cross-linking point acts as a proton acceptor, so that the proton at the cross-linking point is more released. It is considered that the electrical conductivity was increased and the heat resistance and the durability were improved.
【0089】(実施例23)アミン化合物としてナトリ
ウムアミド500mgのTHF溶液5ml懸濁液を加
え、2日間浸漬した後、この膜を取り出し、R113及
びTHF溶液で洗浄し、引き続き、膜をロータリーポン
プの減圧下120℃にて3日間加熱処理を行った以外
は、実施例1と同様の手順に従い、膜を処理した。この
電解質膜を実施例23とする。また、実施例1と同様に
電気伝導度の測定及び耐クリープ評価を行った。Example 23 A suspension of 500 mg of sodium amide as an amine compound in 5 ml of a THF solution was added and, after immersion for 2 days, the membrane was taken out, washed with R113 and a THF solution, and then the membrane was rotated with a rotary pump. The film was treated according to the same procedure as in Example 1 except that the heat treatment was performed at 120 ° C. under reduced pressure for 3 days. This electrolyte membrane is referred to as Example 23. Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0090】(実施例24)アミン化合物として1−ヘ
キシルアミン1mlを加え、2日間浸漬した後、この膜
を取り出し、R113及びTHF溶液で洗浄し、引き続
き、膜をロータリーポンプの減圧下120℃にて3日間
加熱処理を行った以外は、実施例16と同様の手順に従
い、膜を処理した。この電解質膜を実施例24とする。
また、実施例1と同様に電気伝導度の測定及び耐クリー
プ評価を行った。(Example 24) After adding 1 ml of 1-hexylamine as an amine compound and immersing for 2 days, the film was taken out, washed with R113 and a THF solution, and then the film was heated to 120 ° C. under reduced pressure of a rotary pump. The film was treated according to the same procedure as in Example 16 except that the heat treatment was performed for 3 days. This electrolyte membrane is referred to as Example 24.
Further, the measurement of electric conductivity and the evaluation of creep resistance were performed in the same manner as in Example 1.
【0091】以上のように作製した実施例23、24及
び比較例1の電解質膜の試験条件と各特性測定結果を表
4に示す。Table 4 shows the test conditions and the results of measurement of the characteristics of the electrolyte membranes of Examples 23 and 24 and Comparative Example 1 manufactured as described above.
【0092】[0092]
【表4】 [Table 4]
【0093】実施例23、24はアミン化合物として金
属アミドであるナトリウムアミド、1級アミンとして1
−ヘキシルアミンを用いた場合であるが、これらも比較
例1と比較した場合、前記した実施例と同様にクリープ
伸びが小さくなり、耐クリープ特性が向上したものの、
表3に示した実施例16のようにアミン化合物としてア
ンモニアを用いた場合に比べると電気伝導度の低下が見
られた。しかしながら、アミン化合物としてアンモニア
を用いた実施例16の場合は、電気伝導度と耐クリープ
特性がともに向上されており、アミン化合物としてはア
ンモニアが好適であることが分かる。In Examples 23 and 24, sodium amide as a metal amide was used as an amine compound, and 1 was used as a primary amine.
-In the case where hexylamine was used, when these were also compared with Comparative Example 1, although the creep elongation was reduced and the creep resistance was improved as in the above-described Examples,
As compared with the case where ammonia was used as the amine compound as in Example 16 shown in Table 3, a decrease in electric conductivity was observed. However, in the case of Example 16 using ammonia as the amine compound, both the electrical conductivity and the creep resistance were improved, indicating that ammonia is preferred as the amine compound.
【0094】次に、パーフルオロ高分子電解質中のスル
ホン酸基総数に対するアミン化合物由来の窒素量のモル
分率を調べる目的で元素分析を行った。その結果、実施
例1のスルホン酸基総数に対する窒素モル分率Nsul
(%)は1.5%、実施例2は4.2%、実施例3は
9.3%、実施例4は17%であった。図1に、スルホ
ン酸基総数に対する窒素モル分率Nsul(%)と1分
間のクリープ伸び及び電気伝導度の関係を示す。Next, an elemental analysis was carried out for the purpose of examining the mole fraction of the amount of nitrogen derived from the amine compound with respect to the total number of sulfonic acid groups in the perfluoropolymer electrolyte. As a result, the nitrogen mole fraction N sul based on the total number of sulfonic acid groups in Example 1 was obtained.
(%) Was 1.5%, Example 2 was 4.2%, Example 3 was 9.3%, and Example 4 was 17%. FIG. 1 shows the relationship between the nitrogen mole fraction N sul (%), the creep elongation for one minute, and the electric conductivity with respect to the total number of sulfonic acid groups.
【0095】図1から分かるように、窒素モル分率N
sul(%)が増加するに連れて、1分間のクリープ伸
びは窒素モル分率Nsul(%)が10%程度までは急
激に小さくなり、その後はほぼ一定となる挙動を示し
た。また、電気伝導度については窒素モル分率Nsul
(%)が5%程度まではそれほど低下しなかったが、1
0%以降で、その低下の割合が大きくなった。As can be seen from FIG. 1, the nitrogen mole fraction N
As the sul (%) increased, the creep elongation for one minute rapidly decreased until the nitrogen mole fraction N sul (%) became about 10%, and thereafter showed a behavior of becoming substantially constant. As for the electric conductivity, the nitrogen mole fraction N sul
(%) Did not decrease so much until about 5%.
After 0%, the rate of the decrease became large.
【0096】この結果から、窒素モル分率N(%)が少
なすぎる場合には、耐クリープ特性向上の効果が少な
く、逆に窒素モル分率N(%)が多すぎる場合は、耐ク
リープ特性は向上するものの、電気伝導度が低下してし
まうことが分かる。From these results, it is found that when the nitrogen mole fraction N (%) is too small, the effect of improving the creep resistance is small, and when the nitrogen mole fraction N (%) is too large, the creep resistance is poor. It can be seen that the electrical conductivity decreases but the electrical conductivity decreases.
【0097】次に、膜断面における窒素密度n(%)
(単位体積当たりの窒素モル分率N(%))の分布を測
定した結果について説明する。図2はアミン化合物とし
てLBTMSAを使用した実施例4の膜断面にわたる窒
素密度分布を、図3はアミン化合物としてアンモニアを
使用した実施例17の膜断面にわたる窒素密度分布を示
している。Next, the nitrogen density n (%) in the cross section of the film
The result of measuring the distribution of (nitrogen mole fraction per unit volume N (%)) will be described. FIG. 2 shows the nitrogen density distribution over the section of the film of Example 4 using LBTMSA as the amine compound, and FIG. 3 shows the nitrogen density distribution over the section of the film of Example 17 using ammonia as the amine compound.
【0098】図2によると、実施例4の膜は膜の表面側
において、局所的に窒素密度n(%)のピークが存在
し、不均一な分布となっおり、その最大値nmaxは7
5%近くにまで達している。一方、図3より、実施例1
7の膜は膜断面にわたり、窒素密度n(%)の分布が均
一になっており、その最大値nmaxは10%〜20%
の範囲にあり、それぞれ全く異なる窒素密度分布を示し
ていることが分かる。According to FIG. 2, the film of Example 4 has a non-uniform distribution with a peak of the nitrogen density n (%) locally on the surface side of the film, and its maximum value n max is 7
It has reached almost 5%. On the other hand, from FIG.
In the film No. 7, the distribution of the nitrogen density n (%) is uniform over the film cross section, and the maximum value n max is 10% to 20%.
It can be seen that the nitrogen density distributions are completely different from each other.
【0099】これは、実施例4においては、アミン化合
物として、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質膜
中に拡散する拡散速度が、アミン化合物とパーフルオロ
高分子電解質膜との反応速度よりも遅いLBTMSAを
用いたことにより、アミン化合物が膜の中心部まで拡散
する前までに、膜の表面近傍で反応が局所的に生じたた
めと推測される。This is because in Example 4, as the amine compound, the diffusion rate at which the amine compound diffuses into the perfluoropolymer electrolyte membrane is lower than that of the reaction between the amine compound and the perfluoropolymer electrolyte membrane. It is presumed that the reaction locally occurred in the vicinity of the surface of the film before the amine compound was diffused to the center of the film due to the use of.
【0100】一方、実施例17においては、アミン化合
物として、アミン化合物がパーフルオロ高分子電解質膜
中に拡散する拡散速度が、アミン化合物とパーフルオロ
高分子電解質膜との反応速度よりも速いアンモニアを用
いたことにより、アミン化合物が膜の中心部まで十分拡
散した後、反応が生じたため、膜断面にわたって均一な
窒素密度分布となったものと推測される。On the other hand, in Example 17, as the amine compound, ammonia having a diffusion rate at which the amine compound diffuses into the perfluoropolymer electrolyte membrane was faster than the reaction rate between the amine compound and the perfluoropolymer electrolyte membrane was used. It is presumed that the use caused a reaction after the amine compound was sufficiently diffused to the center of the film, resulting in a uniform nitrogen density distribution over the cross section of the film.
【0101】また、実施例4と実施例17の電解質膜の
電気伝導度を比較した場合、実施例4は1.7x10
−2(S/cm)であったのに対し、実施例17は5.
54x10−2S/cmと比較的高い値を示した。これ
は、実施例4の場合、プロトン伝導性を示す電解質基の
量が著しく少なくなる箇所が膜中に存在することによ
り、電気伝導度が低下してしまったためと考えられる。
このことから、膜断面にわたって窒素密度分布レベルが
ほぼ一定で、均一に分布させた方が良いことが明らかと
なった。When the electric conductivity of the electrolyte membrane of Example 4 was compared with that of the electrolyte membrane of Example 17, Example 4 was 1.7 × 10
−2 (S / cm), whereas the value of Example 17 was 5.
It showed a relatively high value of 54 × 10 −2 S / cm. This is presumably because in the case of Example 4, the electric conductivity was lowered due to the presence of a portion in the membrane where the amount of the electrolyte group exhibiting proton conductivity was significantly reduced.
From this, it became clear that the nitrogen density distribution level was almost constant over the cross section of the film, and it was better to distribute the nitrogen uniformly.
【0102】本発明は、上記実施例に何ら限定されるも
のではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改
変が可能であることは勿論である。例えば、上記実施例
ではパーフルオロ高分子電解質としてナフィオン膜、ア
ミン化合物と接触させるアミン処理工程において、アミ
ン化合物としてリチウムビス(トリメチルシリル)アミ
ド、アンモニア、ナトリウムアミド、1−ヘキシルアミ
ンの例を示したが、それ以外に適用できるものである。
また、アミン化合物によるアミン処理工程における条件
や、その後に塩基処理や加熱処理を行った場合における
各種条件についても、耐クリープ特性、電気伝導度が最
適な値となるよう調節できるものである。The present invention is not limited to the above-described embodiment at all, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, examples of the perfluoropolymer electrolyte in the amine treatment step of contacting with a Nafion membrane and an amine compound were lithium bis (trimethylsilyl) amide, ammonia, sodium amide, and 1-hexylamine as the amine compound. , Other than that.
Also, the conditions in the amine treatment step with the amine compound and various conditions in the case where the base treatment or the heat treatment is performed thereafter can be adjusted so that the creep resistance and the electrical conductivity are optimized.
【0103】[0103]
【発明の効果】本発明に係る電解質の改質方法によれ
ば、従来高温での使用が困難であったパーフルオロ高分
子電解質あるいはその前駆体をアミン処理することによ
り、高温での軟化や変形を抑制することができ、また、
長期使用時のクリープを阻止することが可能となった。
また、電気伝導度を低下させることなく、耐熱性、耐久
性を大幅に向上させることが可能となる。According to the method for modifying an electrolyte according to the present invention, the perfluoropolymer electrolyte or its precursor, which has been difficult to use at high temperatures, is treated with an amine to soften or deform at high temperatures. Can be suppressed, and
It has become possible to prevent creep during long-term use.
Further, heat resistance and durability can be significantly improved without lowering electric conductivity.
【図1】スルホン酸基総数に対する窒素モル分率N
sul(%)と1分間のクリープ伸び及び電気伝導度の
関係を示した図である。FIG. 1: Nitrogen mole fraction N to total number of sulfonic acid groups
It is the figure which showed the relationship between sul (%), creep elongation for 1 minute, and electric conductivity.
【図2】アミン化合物としてLBTMSAを使用してア
ミン処理を行った電解質膜の膜断面にわたる窒素密度分
布を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a nitrogen density distribution over a cross section of an electrolyte membrane which has been subjected to an amine treatment using LBTMSA as an amine compound.
【図3】アミン化合物としてアンモニアを使用してアミ
ン処理を行った電解質膜の膜断面にわたる窒素密度分布
を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a nitrogen density distribution over a cross section of an electrolyte membrane which has been subjected to an amine treatment using ammonia as an amine compound.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川角 昌弥 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 森本 友 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 2G004 ZA00 ZA05 4F070 AA23 AA24 AB01 AB06 AB18 AC11 AC13 AC14 AC19 AC45 AC46 AC47 AC50 AC52 AC66 AC67 AE08 BA02 BA07 BB08 GA06 GA10 GB05 GC02 5G301 CA30 CD01 CE10 5H026 AA06 BB01 BB10 HH00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Masaya Kawasaku 41-41, Chuchu-Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside Toyota Central Research Laboratory, Inc. (72) Inventor Tomo Morimoto, Nagakute-machi, Aichi-gun Aichi-gun 41, Yokomichi, Toyoda Central R & D Co., Ltd. F term (reference) 2G004 ZA00 ZA05 4F070 AA23 AA24 AB01 AB06 AB18 AC11 AC13 AC14 AC19 AC45 AC46 AC47 AC50 AC52 AC66 AC67 AE08 BA02 BA07 BB08 GA06 GA10 GB05 GC02 5G301 CA30 CD01 CE10 5H026 AA06 BB01 BB10 HH00
Claims (5)
前駆体にアミン化合物を接触させるアミン処理工程を有
することを特徴とする電解質の改質方法。1. A method for modifying an electrolyte, comprising an amine treatment step of bringing an amine compound into contact with a perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof.
ルオロ高分子電解質あるいはその前駆体を加熱する加熱
処理工程を有することを特徴とする請求項1に記載の電
解質の改質方法。2. The method according to claim 1, further comprising a heat treatment step of heating the perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof after the amine treatment step.
ルオロ高分子電解質あるいはその前駆体に塩基を接触さ
せる塩基処理工程を有することを特徴とする請求項1又
は2に記載の電解質の改質方法。3. The method according to claim 1, further comprising a base treatment step of bringing a base into contact with the perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof after the amine treatment step. .
前記パーフルオロ高分子電解質あるいはその前駆体への
拡散速度が前記アミン化合物と前記パーフルオロ高分子
電解質あるいはその前駆体との反応速度よりも速いアミ
ン化合物を前記パーフルオロ高分子電解質あるいはその
前駆体に接触させる処理であることを特徴とする請求項
1乃至3に記載の電解質の改質方法。4. In the amine treatment, the rate of diffusion of the amine compound into the perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof is higher than the rate of reaction between the amine compound and the perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof. The method for modifying an electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the treatment is a treatment of bringing an amine compound into contact with the perfluoropolymer electrolyte or a precursor thereof.
法により改質された改質電解質。5. A modified electrolyte modified by the method for modifying an electrolyte according to claim 1.
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