JP2002088251A - Proton electroconductive polymer composition - Google Patents

Proton electroconductive polymer composition

Info

Publication number
JP2002088251A
JP2002088251A JP2000277036A JP2000277036A JP2002088251A JP 2002088251 A JP2002088251 A JP 2002088251A JP 2000277036 A JP2000277036 A JP 2000277036A JP 2000277036 A JP2000277036 A JP 2000277036A JP 2002088251 A JP2002088251 A JP 2002088251A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer
solid electrolyte
fuel cell
electrolyte membrane
proton
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000277036A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryuji Aizawa
龍司 相澤
Yoshinobu Asako
佳延 浅子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Shokubai Co Ltd filed Critical Nippon Shokubai Co Ltd
Priority to JP2000277036A priority Critical patent/JP2002088251A/en
Publication of JP2002088251A publication Critical patent/JP2002088251A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton electroconductive polymer composition excellent in proton eleetroconductivity and durability and inexpensively producible. SOLUTION: The proton electroconductive polymer composition comprises a sulfonated polymer having a sulfonic group density of at least 2 mg equivalent/g, and a polymer matrix, Preferably, the sulfonated polymer is one obtained by sulfonating a polymer of an aromatic compound having an unsaturated bond. A solid electrolyte film for a fuel cell can be composed of this proton electroconductive polymer composition. This solid electyolyte film has proton electroconductivity excellent enough to give a fuel cell formed thereof having high output.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、燃料電
池用固体電解質膜および当該固体電解質膜に適用できる
プロトン導電性高分子組成物に関する。更に詳しくは、
プロトン導電性が高く、耐久性に優れるため膜としたと
きの強度に優れ、かつ安価に合成できるプロトン導電性
高分子組成物に関するものである。
The present invention relates to a fuel cell, a solid electrolyte membrane for a fuel cell, and a proton conductive polymer composition applicable to the solid electrolyte membrane. More specifically,
The present invention relates to a proton-conductive polymer composition having high proton conductivity, excellent durability, excellent strength when formed into a membrane, and which can be synthesized at low cost.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質膜型燃料電池は、水素や、メ
タノールやエタノールなどのアルコール類、更にオクタ
ンやデカンなどの炭化水素類などを燃料として使用で
き、小型軽量電源となること、エネルギー変換効率が高
いこと、硫黄酸化物や窒素酸化物などの有害物質をほと
んど出さないことなどの特徴を有する。このためクリー
ンで高効率な発電装置として自動車その他への応用が期
待されている。
2. Description of the Related Art Solid electrolyte membrane fuel cells can use hydrogen, alcohols such as methanol and ethanol, and hydrocarbons such as octane and decane as fuel. And high emission of harmful substances such as sulfur oxides and nitrogen oxides. Therefore, it is expected to be applied to automobiles and the like as a clean and highly efficient power generator.

【0003】ここに固体電解質膜型燃料電池は、イオン
交換能を有する固体電解質膜とその両側に接触して配置
される2つの電極から構成される。具体例として、水素
を燃料として酸素により燃焼させる場合を例示すると、
水素を水素極側に供給し酸素を酸素極側に供給すると、
水素は水素極において電気化学的に酸化されプロトンと
電子を生成し、この生成した電子が電池に接続された負
荷を通り酸素極に向かって移動し電流が生じる。この
際、生成したプロトンは固体電解質膜内を酸素極に向か
って移動し、酸素極では移動してきたプロトンと電子が
酸素と反応して水を生成する。
[0003] The solid electrolyte membrane fuel cell here comprises a solid electrolyte membrane having ion exchange capacity and two electrodes arranged in contact with both sides thereof. As a specific example, a case where hydrogen is used as fuel to burn with oxygen is illustrated.
When hydrogen is supplied to the hydrogen electrode side and oxygen is supplied to the oxygen electrode side,
Hydrogen is electrochemically oxidized at the hydrogen electrode to generate protons and electrons, and the generated electrons move through a load connected to the battery toward the oxygen electrode to generate a current. At this time, the generated protons move in the solid electrolyte membrane toward the oxygen electrode, where the transferred protons and electrons react with oxygen to generate water.

【0004】固体電解質膜型燃料電池の性能は、水素極
及び酸素極等に用いられるガス拡散電極の性能と、固体
電解質膜の性能に特に依存する。ここに固体電解質膜に
必要な性能はプロトン導電性、即ち、水素極等の電極で
生じたプロトンをより酸素極側に流すことである。この
ためイオン交換能を与える官能基を多く固体電解質膜中
に導入することが重要と考えられる。このため、従来か
ら固体電解質膜の代表例として、デュポン社で開発され
たスルホン酸基を有するフッ素系樹脂(商品名:ナフィ
オン)やその類似体が用いられている。ここにナフィオ
ンは、テトラフルオロエチレンとパーフルオロビニルエ
ーテルとの共重合体をベースとしてイオン交換基として
スルホン酸基を有するものである。
The performance of a solid electrolyte membrane fuel cell particularly depends on the performance of a gas diffusion electrode used for a hydrogen electrode, an oxygen electrode and the like, and the performance of a solid electrolyte membrane. Here, the performance required for the solid electrolyte membrane is proton conductivity, that is, the proton generated at an electrode such as a hydrogen electrode is caused to flow to the oxygen electrode side. For this reason, it is considered important to introduce a large number of functional groups imparting ion exchange capability into the solid electrolyte membrane. For this reason, a fluorinated resin having a sulfonic acid group (trade name: Nafion) developed by DuPont or an analog thereof has been used as a typical example of a solid electrolyte membrane. Here, Nafion is based on a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether and has a sulfonic acid group as an ion exchange group.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体電
解質膜として使用しうるナフィオンのイオン交換容量
は、上限が1.1mg当量/gであり、プロトン導電性
が十分であるとはいえない。その一方、フッ素系樹脂は
非常に高価であるため燃料電池や固体電解質膜のコスト
アップにつながり、実用化の大きな妨げになっている。
However, the upper limit of the ion exchange capacity of Nafion that can be used as a solid electrolyte membrane is 1.1 mg equivalent / g, and it cannot be said that the proton conductivity is sufficient. On the other hand, fluorine-based resins are very expensive, which leads to an increase in the cost of fuel cells and solid electrolyte membranes, which hinders practical use.

【0006】また、水素を燃料として水素極に供給する
と、上述のごとく水素極でプロトンを生成するが、この
生成したプロトン(H+)の水和水が同時に酸素極側に
輸送されるため、固体電解質膜の特に水素極側が乾燥す
る場合がある。しかしながら、固体電解質膜は湿潤状態
でのみプロトン導電性を示すため、乾燥状態ではプロト
ン導電性が著しく低下し、燃料電池の作動が不能となる
場合がある。かかる乾燥状態を解決すべく、極微量の白
金超微粒子触媒や酸化物超微粒子を固体電解質膜中に担
持させる方法もあるが、コストが高くなり固体電解質膜
型燃料電池の凡用化の妨げとなっている。
When hydrogen is supplied as a fuel to the hydrogen electrode, protons are generated at the hydrogen electrode as described above. However, hydration water of the generated protons (H + ) is simultaneously transported to the oxygen electrode side. In particular, the hydrogen electrode side of the solid electrolyte membrane may be dried. However, since the solid electrolyte membrane shows proton conductivity only in a wet state, in a dry state, the proton conductivity is significantly reduced, and the operation of the fuel cell may become impossible. In order to solve such a dry state, there is also a method of supporting a very small amount of ultrafine platinum catalysts or ultrafine oxide particles in a solid electrolyte membrane. Has become.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意研究を
重ねた結果、高分子マトリクス中に、スルホン化重合体
が分散または混合したプロトン導電性高分子組成物が、
プロトン導電性および耐久性に優れ、かつ固体電解質膜
としたときの強度にも優れ、加えて安価に製造できるこ
とを見出し、本発明を完成させた。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies, the present inventors have found that a proton conductive polymer composition in which a sulfonated polymer is dispersed or mixed in a polymer matrix,
The inventors have found that they have excellent proton conductivity and durability, and also have excellent strength when formed into a solid electrolyte membrane, and can be manufactured at low cost, and have completed the present invention.

【0008】即ち、本発明は、下記(1)〜(11)を
提供するものである。
That is, the present invention provides the following (1) to (11).

【0009】(1) スルホン酸基密度が2mg当量/
g以上のスルホン化重合体および高分子マトリクスとを
含有するプロトン導電性高分子組成物。
(1) The sulfonic acid group density is 2 mg equivalent /
A proton conductive polymer composition containing at least g of a sulfonated polymer and a polymer matrix.

【0010】(2) 前記スルホン化重合体が、不飽和
結合を有する芳香族化合物の重合体をスルホン化したも
のである上記(1)記載のプロトン導電性高分子組成
物。
(2) The proton conductive polymer composition according to the above (1), wherein the sulfonated polymer is obtained by sulfonating a polymer of an aromatic compound having an unsaturated bond.

【0011】(3) 前記不飽和結合を有する芳香族化
合物重合体が、スチレンを主成分とするモノマー混合物
の重合体であることを特徴とする上記(2)記載のプロ
トン導電性高分子組成物。
(3) The proton conductive polymer composition according to the above (2), wherein the aromatic compound polymer having an unsaturated bond is a polymer of a monomer mixture containing styrene as a main component. .

【0012】(4) 前記スルホン化重合体が、粒子状
であることを特徴とする上記(1)記載のプロトン導電
性高分子組成物。
(4) The proton conductive polymer composition according to the above (1), wherein the sulfonated polymer is in the form of particles.

【0013】(5) 前記スルホン化重合体の平均粒子
径が、1〜100μmであることを特徴とする上記
(4)記載のプロトン導電性高分子組成物。
(5) The proton conductive polymer composition according to the above (4), wherein the sulfonated polymer has an average particle size of 1 to 100 μm.

【0014】(6) 前記スルホン化重合体のイオン交
換容量が、前記高分子マトリクスのイオン交換容量より
大きいことを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれか
に記載のプロトン導電性高分子組成物。
(6) The proton conductive polymer according to any one of (1) to (5), wherein the ion exchange capacity of the sulfonated polymer is larger than the ion exchange capacity of the polymer matrix. Molecular composition.

【0015】(7) 前記高分子マトリクスの全部また
は一部が、フッ素樹脂、ポリイミド、変性ポリフェニレ
ンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテル
イミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンお
よびポリアミドイミドからなる群から選ばれた1種以上
である上記(1)〜(6)のいずれかに記載のプロトン
導電性高分子組成物。
(7) All or part of the polymer matrix is selected from the group consisting of fluororesin, polyimide, modified polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polyetherimide, polyethersulfone, polyetherketone and polyamideimide. The proton conductive polymer composition according to any one of the above (1) to (6), which is at least one kind.

【0016】(8) 前記高分子マトリクスが、スルホ
ン酸基及び/またはカルボン酸基を有するものである上
記(1)〜(7)のいずれかに記載のプロトン導電性高
分子組成物。
(8) The proton conductive polymer composition according to any one of (1) to (7), wherein the polymer matrix has a sulfonic acid group and / or a carboxylic acid group.

【0017】(9) 前記スルホン化重合体と前記高分
子マトリクスとの配合割合が、後者100質量部に対し
て前者が5〜5000質量部であることを特徴とする上
記(1)〜(8)のいずれかに記載のプロトン導電性高
分子組成物。
(9) The compounding ratio of the sulfonated polymer to the polymer matrix is 5 to 5000 parts by mass for the former with respect to 100 parts by mass of the latter. The proton conductive polymer composition according to any one of the above).

【0018】(10) 上記(1)〜(9)のいずれか
1項に記載のプロトン導電性高分子組成物からなる燃料
電池用固体電解質膜。
(10) A solid electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the proton conductive polymer composition according to any one of the above (1) to (9).

【0019】(11) 上記(10)記載の燃料電池用
固体電解質膜を用いた燃料電池。
(11) A fuel cell using the solid electrolyte membrane for a fuel cell according to the above (10).

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明は、スルホン酸基密度が2
mg当量/g以上のスルホン化重合体および高分子マト
リクスとを含有するプロトン導電性高分子組成物であ
る。従来からポリ(テトラフルオロエチレン−パーフル
オロビニルエーテル)共重合体のように、クラスター構
造を呈するパーフルオロカーボンスルホン酸基を含有す
るものがプロトン導電性に優れることから多用されてい
たが、高価でありしかもプロトン導電性も未だ十分でな
い。しかしながら、本発明で使用する組成物は、スルホ
ン酸基密度が2mg当量/g以上であるためプロトン導
電性に優れるにもかかわらず安価に製造できるのであ
る。このため従来よりもプロトン導電性に優れる組成物
を安価に提供できるのである。しかも、配合するスルホ
ン化重合体が特定サイズの粒子状であれば、高分子マト
リクスの有するガス拡散電極との密着性や化学的、物理
的強度を低下させることなく、プロトン導電性に優れる
組成物を提供しうるのである。更に、粒子表面に存在す
るスルホン酸基が親水性を有するため乾燥に強く、乾燥
によるプロトン導電性の低下を防止することができるの
である。このため、かかる組成物から固体電解質膜を調
製することができ、これを配置したプロトン導電性に優
れる燃料電池を提供し得るのである。以下、本発明を詳
細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention has a sulfonic acid group density of 2
It is a proton conductive polymer composition containing a sulfonated polymer of not less than mg equivalent / g and a polymer matrix. Conventionally, a compound containing a perfluorocarbon sulfonic acid group having a cluster structure, such as a poly (tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether) copolymer, has been frequently used because of its excellent proton conductivity. Proton conductivity is not yet sufficient. However, since the composition used in the present invention has a sulfonic acid group density of 2 mg equivalent / g or more, it can be produced at low cost despite having excellent proton conductivity. For this reason, it is possible to provide a composition having better proton conductivity at lower cost than before. Moreover, if the sulfonated polymer to be compounded is in the form of particles of a specific size, a composition having excellent proton conductivity without lowering the adhesiveness with the gas diffusion electrode of the polymer matrix and the chemical and physical strength. Can be provided. Furthermore, since the sulfonic acid group present on the particle surface has hydrophilicity, it is resistant to drying, and a decrease in proton conductivity due to drying can be prevented. Therefore, a solid electrolyte membrane can be prepared from such a composition, and a fuel cell having excellent proton conductivity provided with the solid electrolyte membrane can be provided. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

【0021】(1)スルホン化重合体 本発明のプロトン導電性高分子組成物を構成するスルホ
ン化重合体は、スルホン酸基密度が2mg当量/g以上
であることを要する。スルホン酸基はプロトン導電性を
有するため、2mg当量/gを下回ると得られる組成物
のプロトン導電性が十分でないからである。より好まし
くは2.5〜8mg当量/g、特には、3〜6mg当量
/gである。スルホン酸基密度が8mg当量/gを超え
ると、固体電解質膜としたとき十分な強度が得られない
ことがある。その理由は、重合体中の有機部分が少なく
なり、重合体の形状を保ちにくくなるためである。
(1) Sulfonated Polymer The sulfonated polymer constituting the proton conductive polymer composition of the present invention needs to have a sulfonic acid group density of 2 mg equivalent / g or more. This is because the sulfonic acid group has proton conductivity, and if it is less than 2 mg equivalent / g, the resulting composition has insufficient proton conductivity. More preferably, it is 2.5 to 8 mg equivalent / g, particularly 3 to 6 mg equivalent / g. If the sulfonic acid group density exceeds 8 mg equivalent / g, sufficient strength may not be obtained when the solid electrolyte membrane is used. The reason is that the organic portion in the polymer is reduced, and it is difficult to maintain the shape of the polymer.

【0022】上記スルホン化重合体は、不飽和結合を有
する芳香族化合物の重合体をスルホン化したものである
ことが好ましい。芳香族化合物の重合体を使用すること
により、単位質量当たりのスルホン酸基含有量を向上さ
せることができるからである。これにより優れたプロト
ン導電性が発揮されるのである。
The sulfonated polymer is preferably a sulfonated polymer of an aromatic compound having an unsaturated bond. By using a polymer of an aromatic compound, the sulfonic acid group content per unit mass can be improved. Thereby, excellent proton conductivity is exhibited.

【0023】不飽和結合を有する芳香族化合物として
は、スチレン、α−メチルスチレン、エチルスチレンな
どがある。本発明では、これらの1種を単独で使用する
場合のほか2種以上を混合して使用してもよい。本発明
で使用する芳香族化合物としては、これらの中でもスチ
レンを主成分とするモノマー混合物の重合体であること
が好ましい。スルホン化が容易であると共に、化学的強
度に優れるからである。更に、モノマー混合物としては
スチレン、α−メチルスチレン、エチルスチレン、ビニ
ルベンゼンの他に、ジビニルベンゼン、トリビニルベン
ゼンなどを配合すると得られる重合体が分子内で架橋さ
れ、粒子状のスルホン化重合体が簡便に得られるために
特に好ましい。
Examples of the aromatic compound having an unsaturated bond include styrene, α-methylstyrene and ethylstyrene. In the present invention, one of these may be used alone, or two or more of them may be used in combination. As the aromatic compound used in the present invention, among these, a polymer of a monomer mixture containing styrene as a main component is preferable. This is because sulfonation is easy and the chemical strength is excellent. Further, as a monomer mixture, in addition to styrene, α-methylstyrene, ethylstyrene, and vinylbenzene, a polymer obtained by blending divinylbenzene, trivinylbenzene, or the like is crosslinked in the molecule, and a particulate sulfonated polymer is obtained. Is particularly preferable because it can be easily obtained.

【0024】上記スルホン化重合体は、粒子状であるこ
とが好ましい。この際、平均粒子径は1〜100μm、
より好ましくは1〜20μmであることが好ましい。平
均粒子径が1μm未満の場合には、スルホン化重合体が
高分子マトリクス中で移動し、水と共に酸素電極側に移
動するためプロトン導電性を低下させるからである。そ
の一方、平均粒子径が100μmを超えると固体電解質
膜としたとき十分な強度が得られない場合があり好まし
くない。
The above-mentioned sulfonated polymer is preferably in the form of particles. At this time, the average particle size is 1 to 100 μm,
More preferably, the thickness is 1 to 20 μm. If the average particle diameter is less than 1 μm, the sulfonated polymer moves in the polymer matrix and moves to the oxygen electrode side together with water, thereby lowering proton conductivity. On the other hand, if the average particle diameter exceeds 100 μm, sufficient strength may not be obtained when the solid electrolyte membrane is used, which is not preferable.

【0025】(2)スルホン化重合体の製造方法 本発明で使用するスルホン化重合体の製造方法は、特に
制限されるものではないが、芳香族化合物を重合して得
た重合体を、従来公知のスルホン化剤を用いてスルホン
化することにより得ることができる。以下、芳香族化合
物重合体をスルホン化する場合を用いて説明する。
(2) Method for Producing a Sulfonated Polymer The method for producing a sulfonated polymer used in the present invention is not particularly limited, but a polymer obtained by polymerizing an aromatic compound may be prepared by a conventional method. It can be obtained by sulfonation using a known sulfonating agent. Hereinafter, the case where the aromatic compound polymer is sulfonated will be described.

【0026】(i)芳香族重合体 芳香族重合体を得るには、芳香族化合物を懸濁重合、乳
化重合、溶液重合等の公知の重合方法によって重合する
ことができる。特に好ましくは懸濁重合である。懸濁重
合によれば容易に粒子状の芳香族重合体を得ることがで
きるからである。また、芳香族化合物の溶媒系にラジカ
ル重合開始剤を加え、40〜100℃、より好ましくは
50〜90℃で反応させることができる。重合開始剤と
しては、アゾビス−2−メチルプロピオンアミジン塩酸
塩、アゾイソブチロニトリル等のアゾ化合物、t−ブチ
ルヒドロペルオキシド、過酸化ベンゾイル等の過酸化物
等が挙げられる。
(I) Aromatic polymer In order to obtain an aromatic polymer, an aromatic compound can be polymerized by a known polymerization method such as suspension polymerization, emulsion polymerization and solution polymerization. Particularly preferred is suspension polymerization. This is because, by the suspension polymerization, a particulate aromatic polymer can be easily obtained. Further, a radical polymerization initiator is added to the solvent system of the aromatic compound, and the reaction can be carried out at 40 to 100 ° C, more preferably 50 to 90 ° C. Examples of the polymerization initiator include azo compounds such as azobis-2-methylpropionamidine hydrochloride and azoisobutyronitrile, and peroxides such as t-butyl hydroperoxide and benzoyl peroxide.

【0027】重合溶媒としては、水が好ましい。また、
必要に応じてテトラヒドロフラン、ジオキサン等のエー
テル系溶剤、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムア
ミドなどのアミド系溶剤、メタノール、エタノール、イ
ソプロパノール等のアルコール類、アセトニトリル、ア
セトン、2−ブタノン、ジメチルスルホキシド、ポリビ
ニルアルコールなどを水に添加することができる。
As the polymerization solvent, water is preferable. Also,
If necessary, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, amide solvents such as dimethylacetamide and dimethylformamide, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, acetonitrile, acetone, 2-butanone, dimethyl sulfoxide, polyvinyl alcohol, etc. Can be added.

【0028】重合の反応温度は40〜100℃がよく、
特に50〜90℃が好ましい。この範囲で強度に優れる
芳香族重合体が得られるからである。
The polymerization reaction temperature is preferably 40 to 100 ° C.
Particularly, 50 to 90 ° C. is preferable. This is because an aromatic polymer having excellent strength can be obtained in this range.

【0029】重合反応には、乳化剤を使用することがで
きる。乳化剤としては、アニオン系、ノニオン系界面活
性剤、高分子界面活性剤のいずれを使用してもよい。
An emulsifier can be used in the polymerization reaction. As the emulsifier, any of an anionic surfactant, a nonionic surfactant, and a polymer surfactant may be used.

【0030】上記アニオン界面活性剤としては、例え
ば、ナトリウムドデシルサルフェート、カリウムドデシ
ルサルフェート、アンモニウムアルキルサルフェート等
の如きアルキルサルフェート塩;ナトリウムドデシルポ
リグリコールエーテルサルフェート;ナトリウムスルホ
リシノエート;スルホン化パラフィン塩等の如きアルキ
ルスルホネート;ナトリウムドデシルベンゼンスルホネ
ート、アルカリフェノールヒドロキシエチレンのアルカ
リ金属サルフェート等の如きアルキルスルホネート;高
アルキルナフタレンスルホン酸塩;ナフタレンスルホン
酸ホルマリン縮合物、ナトリウムラウレート、トリエタ
ノールアミンオレエート、トリエタノールアミンアヒエ
ート等の如き脂肪酸塩;ポリオキシアルキルエーテル硫
酸エステル塩;ポリオキシエチレンカルボン酸エステル
硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンフェニルエーテル
硫酸エステル塩;コハク酸ジアルキルエステルスルホン
酸塩;ポリオキシエチレンアルキルアリールサルフェー
ト塩等の如き二重結合を持った反応性アニオン乳化剤等
が使用できる。
Examples of the above anionic surfactant include alkyl sulfate salts such as sodium dodecyl sulfate, potassium dodecyl sulfate and ammonium alkyl sulfate; sodium dodecyl polyglycol ether sulfate; sodium sulfolinosinoate; sulfonated paraffin salts and the like. Alkyl sulfonates such as sodium dodecylbenzene sulfonate, alkali metal sulfate of alkali phenol hydroxyethylene; high alkyl naphthalene sulfonate; naphthalene sulfonic acid formalin condensate, sodium laurate, triethanolamine oleate, triethanolamine Fatty acid salts such as ahiate; polyoxyalkyl ether sulfates; poly Reactive anionic emulsifiers having a double bond such as xylethylene carboxylate sulfate, polyoxyethylene phenyl ether sulfate; dialkyl succinate sulfonate; polyoxyethylene alkylaryl sulfate, etc. can be used. .

【0031】また、上記ノニオン系界面活性剤として
は、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル;ポ
リオキシエチレンアルキルアリールエーテル;ソルビタ
ン脂肪族エステル;ポリオキシエチレンソルビタン脂肪
族エステル;グリセロールのモノラウレート等の如き脂
肪族モノグリセライド;ポリオキシエチレンオキシプロ
ピレン共重合体、エチレンオキサイドと脂肪族アミン、
アミドまたは酸との縮合生成物等が使用できる。
Examples of the nonionic surfactant include polyoxyethylene alkyl ether; polyoxyethylene alkyl aryl ether; sorbitan aliphatic ester; polyoxyethylene sorbitan aliphatic ester; and glycerol monolaurate. Aliphatic monoglyceride; polyoxyethyleneoxypropylene copolymer, ethylene oxide and aliphatic amine,
Condensation products with amides or acids can be used.

【0032】上記高分子界面活性剤としては、例えば、
ポリビニルアルコールおよびその変性物;(メタ)アク
リル酸系水溶性高分子;ヒドロキシエチル(メタ)アク
リル酸系水溶性高分子;ヒドロキシプロピル(メタ)ア
クリル酸系水溶性高分子;ポリビニルピロリドン等が使
用できる。
As the above-mentioned polymer surfactant, for example,
Polyvinyl alcohol and modified products thereof; (meth) acrylic acid-based water-soluble polymer; hydroxyethyl (meth) acrylic acid-based water-soluble polymer; hydroxypropyl (meth) acrylic acid-based water-soluble polymer; .

【0033】更に、かかる重合反応においては、連鎖移
動剤キレート剤等の懸濁重合において使用できる公知の
化合物を使用することができる。
Further, in such a polymerization reaction, known compounds such as a chain transfer agent chelating agent which can be used in suspension polymerization can be used.

【0034】(ii)スルホン化 スルホン化としては、上記芳香族化合物重合体を、濃硫
酸、クロロ硫酸、発煙硫酸などのスルホン化剤を用いて
スルホン化することができる。
(Ii) Sulfonation As the sulfonation, the aromatic compound polymer can be sulfonated using a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, chlorosulfuric acid, and fuming sulfuric acid.

【0035】スルホン化反応に使用するスルホン化剤の
量は、芳香族化合物重合体100質量部に対して500
質量部以上の割合で使用することが好ましい。反応は、
無溶媒下あるいは芳香族化合物重合体に対して非膨潤性
の溶剤の存在下あるいは芳香族化合物重合体に対して、
膨潤性の溶剤の存在下に行うことができる。
The amount of the sulfonating agent used for the sulfonation reaction is 500 parts by mass per 100 parts by mass of the aromatic compound polymer.
It is preferable to use it in a proportion of at least part by mass. The reaction is
In the absence of a solvent or in the presence of a non-swelling solvent for an aromatic polymer or for an aromatic polymer,
It can be performed in the presence of a swellable solvent.

【0036】芳香族化合物重合体に対して非膨潤性の溶
剤としては、芳香族化合物重合体を膨潤させず、かつス
ルホン化剤に対して不活性な溶剤であればよく、例え
ば、ヘキサン、シクロヘキサン、リグロイン等の脂肪族
炭化水素などを挙げることができる。芳香族化合物重合
体に対して膨潤性の溶剤としては、芳香族化合物重合体
を膨潤させずかつスルホン化剤に対して不活性な溶剤で
あればよく、例えば、1,1,2,2−テトラクロロエ
タン、1,2−ジクロロエタン、ジクロロメタン、四塩
化炭素などを上げることができる。これらの溶剤の使用
量は、芳香族化合物重合体100質量部に対して100
0質量部以上の割合で使用することが好ましい。
The solvent which does not swell with respect to the aromatic compound polymer may be any solvent which does not swell the aromatic compound polymer and which is inert to the sulfonating agent, such as hexane and cyclohexane. And aliphatic hydrocarbons such as ligroin. The solvent that swells with respect to the aromatic compound polymer may be any solvent that does not swell the aromatic compound polymer and is inactive with respect to the sulfonating agent. For example, 1,1,2,2- Examples include tetrachloroethane, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, carbon tetrachloride and the like. The amount of these solvents used is 100 parts by mass per 100 parts by mass of the aromatic compound polymer.
It is preferable to use it in a proportion of 0 parts by mass or more.

【0037】スルホン化の反応温度は、−20〜100
℃がよく、0.3〜100時間程度行われる。好ましく
は、温度70〜100℃で、1〜24時間反応させる。
The reaction temperature for sulfonation is from -20 to 100.
℃ is good, and it is performed for about 0.3 to 100 hours. Preferably, the reaction is performed at a temperature of 70 to 100 ° C. for 1 to 24 hours.

【0038】(3)高分子マトリクス 本発明のプロトン導電性高分子組成物は、上記したスル
ホン化重合体を高分子マトリクス中に混合しまたは分散
してなるものである。
(3) Polymer matrix The proton conductive polymer composition of the present invention is obtained by mixing or dispersing the above-mentioned sulfonated polymer in a polymer matrix.

【0039】本発明で用いることのできる高分子マトリ
クスには特に制限はないが、スルホン基、カルボン酸
基、エーテル基、エステル基、ヒドロキシル基などの親
水性基を有するものであることが好ましい。これらは1
種を有する場合のほかスルホン基とカルボン酸基などの
ように2種以上を有する場合であってもよい。特に、高
分子マトリクスは、スルホン酸基やカルボン酸基を有す
るものであることが好ましい。親水性基の存在により高
分子マトリクスと上記スルホン化重合体の親和性が良好
となり優れたプロトン導電性し、かつ化学的、物理的強
度に優れるプロトン導電性高分子組成物が得られるから
である。
The polymer matrix that can be used in the present invention is not particularly limited, but preferably has a hydrophilic group such as a sulfone group, a carboxylic acid group, an ether group, an ester group, and a hydroxyl group. These are 1
In addition to the case of having a kind, the case of having two or more kinds such as a sulfone group and a carboxylic acid group may be used. Particularly, the polymer matrix preferably has a sulfonic acid group or a carboxylic acid group. This is because, due to the presence of the hydrophilic group, the affinity between the polymer matrix and the sulfonated polymer becomes good, the proton conductivity becomes excellent, and a proton conductive polymer composition having excellent chemical and physical strength is obtained. .

【0040】高分子マトリクスとしては、フッ素樹脂、
ポリイミド、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボ
ネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレン
スルフィド、ポリスルホン、非晶ポリアリレート、ポリ
エーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテル
ケトン、ポリアミドイミド、シリコーン樹脂、ポリウレ
タン、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポ
キシ樹脂、メタクリル樹脂、ポリビニリアルコール、ポ
リスチレン、ABS樹脂、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩
化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイソブ
チル、天然ゴム、ブチルゴム、ポリイソプレン、スチレ
ン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、塩化ビニル、脂肪
酸ビニルエステル共重合体、エチレン−プロピレンゴ
ム、エチレン−プロピレン−ジエンゴムなどを挙げるこ
とができる。これらの1種を単独で使用するほか2種以
上を混合して使用してもよい。本発明では高分子マトリ
クスの全部または一部が、フッ素樹脂、ポリイミド、変
性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィ
ド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリ
エーテルケトン、ポリアミドイミドであることが好まし
い。当該組成物から固体電解質膜を調製し、これを燃料
電池に使用する場合には触媒効率を向上させるために作
動温度が高い方が好ましいが、固体燃料電池使用時の耐
熱性に優れるること、および固体電解質膜を調製した際
にガス拡散電極との密着性に優れるからである。
As the polymer matrix, fluorine resin,
Polyimide, polyamide, polyacetal, polycarbonate, modified polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polysulfone, amorphous polyarylate, polyetherimide, polyethersulfone, polyetherketone, polyamideimide, silicone resin, polyurethane, phenolic resin, unsaturated polyester resin, Epoxy resin, methacrylic resin, polyvinylidyl alcohol, polystyrene, ABS resin, polyvinylidene chloride, polyvinyl chloride, polypropylene, polyethylene, polyisobutyl, natural rubber, butyl rubber, polyisoprene, styrene-butadiene rubber, nitrile rubber, vinyl chloride, Examples include fatty acid vinyl ester copolymers, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene rubber, and the like. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. In the present invention, all or part of the polymer matrix is preferably a fluororesin, polyimide, modified polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, polyetherimide, polyether sulfone, polyether ketone, or polyamide imide. Prepare a solid electrolyte membrane from the composition, when using this in a fuel cell, it is preferable that the operating temperature is higher in order to improve the catalyst efficiency, but that it has excellent heat resistance when using a solid fuel cell, Also, when the solid electrolyte membrane is prepared, the adhesion to the gas diffusion electrode is excellent.

【0041】本発明で用いられる高分子マトリクスのイ
オン交換容量は、上記スルホン化重合体のイオン交換容
量より小さいことが好ましい。高分子マトリクスとして
イオン交換容量が大きな材料を用いると、得られた固体
電解質膜の強度が不足することがあるからである。その
理由は、材料の有機物質が少なくなり、材料の形状を保
ちにくくなるからである。なお、イオン交換容量は中和
滴定法により測定した値である。
The ion exchange capacity of the polymer matrix used in the present invention is preferably smaller than the ion exchange capacity of the sulfonated polymer. If a material having a large ion exchange capacity is used as the polymer matrix, the strength of the obtained solid electrolyte membrane may be insufficient. The reason is that the amount of organic substances in the material is reduced, and it is difficult to maintain the shape of the material. The ion exchange capacity is a value measured by a neutralization titration method.

【0042】本発明で用いられる高分子マトリクスとし
ては、耐熱性および親水性基が導入された高分子であ
り、スルホン酸基、カルボン酸基などの親水性基が導入
されたフッ素樹脂などを挙げることができる。具体的に
は、ポリ(テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニ
ルエーテル)共重合体、ポリ(ビニリデンフロライ
ド)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフ
ロライド)共重合体、ポリ(パーフルオロビニルエーテ
ル−ビニリデンフロライド)共重合体、ポリ(テトラフ
ルオロエチレン−ビニリデンフロライド)共重合体、ポ
リ(ヘキサフルオロプロピレオキシド−ビニリデンフロ
ライド)共重合体、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−
テトラフルオロエチレン−ビニリデンフロライド)共重
合体、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオ
ロエチレン−ビニリデンフロライド)共重合体、ポリ
(フルオロエチレン−ビニリデンフロライド)共重合体
などの単独体またはこれらの成分の混合体をベースとし
てスルホン酸基を導入したものが例示できる。特にポリ
(テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテ
ル)共重合体のように、クラスター構造を呈するパーフ
ルオロカーボンスルホン酸基を含有するものが好まし
い。クラスター構造によりプロトンが速やかに伝達さ
れ、プロトン導電性に優れるからである。
The polymer matrix used in the present invention is a polymer into which a heat-resistant and hydrophilic group has been introduced, such as a fluororesin into which a hydrophilic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group has been introduced. be able to. Specifically, poly (tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether) copolymer, poly (vinylidene fluoride), poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride) copolymer, poly (perfluorovinyl ether-vinylidene fluoride) Copolymer, poly (tetrafluoroethylene-vinylidene fluoride) copolymer, poly (hexafluoropropylene oxide-vinylidene fluoride) copolymer, poly (hexafluoropropylene-
Homologues such as a tetrafluoroethylene-vinylidene fluoride copolymer, a poly (hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-vinylidene fluoride) copolymer, and a poly (fluoroethylene-vinylidene fluoride) copolymer or components thereof Examples thereof include those obtained by introducing a sulfonic acid group based on a mixture of the above. In particular, those containing a perfluorocarbon sulfonic acid group exhibiting a cluster structure, such as a poly (tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether) copolymer, are preferable. This is because protons are quickly transmitted by the cluster structure and proton conductivity is excellent.

【0043】(4)プロトン導電性高分子組成物 本発明のプロトン導電性高分子組成物においては、スル
ホン化重合体と高分子マトリクスとの配合割合が、後者
100質量部に対して前者が5〜5000質量部、更に
10〜1000質量部、特に100〜600質量部の範
囲であることが好ましい。5質量部未満の場合にはプロ
トン導電性が不十分となる場合があり、その一方500
0質量部を超えると得られた固体電解質膜の強度が不足
する場合があるからである。本発明のプロトン導電性高
分子組成物は従来から各種のものが使用されているが、
イオン交換率が未だ十分でない。従って、従来の高分子
マトリクスにイオン交換率に優れるスルホン化重合体を
配合することにより、更にイオン交換率を向上さること
ができるのである。また、安価なスルホン化重合体を配
合することにより低コスト化を図ることができるのであ
る。
(4) Proton-Conducting Polymer Composition In the proton-conducting polymer composition of the present invention, the mixing ratio of the sulfonated polymer to the polymer matrix is 5 parts per 100 parts by mass of the latter. The range is preferably from 5,000 to 5000 parts by mass, more preferably from 10 to 1,000 parts by mass, particularly preferably from 100 to 600 parts by mass. If the amount is less than 5 parts by mass, the proton conductivity may be insufficient.
If the amount exceeds 0 parts by mass, the strength of the obtained solid electrolyte membrane may be insufficient. Although various proton conductive polymer compositions of the present invention have been used,
The ion exchange rate is not yet sufficient. Therefore, by adding a sulfonated polymer having an excellent ion exchange rate to a conventional polymer matrix, the ion exchange rate can be further improved. In addition, the cost can be reduced by blending an inexpensive sulfonated polymer.

【0044】本発明のプロトン導電性高分子組成物に
は、プロトン導電性を損なわない程度に従来から配合さ
れた他の添加物を配合することができる。この様な添加
剤しては、触媒、酸化物超微粒子、吸湿性無機多孔質、
可塑剤等がある。
The proton conductive polymer composition of the present invention may contain other additives which have been conventionally added to such an extent that the proton conductivity is not impaired. Such additives include catalysts, oxide ultrafine particles, hygroscopic inorganic porous materials,
Plasticizers and the like.

【0045】触媒としては、白金超微粒子触媒があり、
酸化物超微粒子としては、酸化チタンがある。また、吸
湿性無機多孔質としてはシリカゲル、合成ゼオライトな
どがある。更に、可塑剤としては、エチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートな
どの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、メチル
エチルカーボネート、メチルエーテルカーボネート等の
鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン、メチルテトラ
ヒドロフラン等のエーテル、γ−ブチルラクトン、プロ
ピオラクトン、酢酸メチル等のエステル、アセトニトリ
ル、プロピオニトリル等のニトリル化合物、炭化水素等
の有機低分子化合物、シリコンオイル、オリゴエチレン
グリコール、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオ
キシド等の脂肪族エーテル化合物、ポリアクリロニトリ
ル、脂肪族ポリエステル、脂肪族ポリカボネートなどの
極性基含有高分子化合物を例示することができる。
As the catalyst, there is a platinum ultrafine particle catalyst,
Ultrafine oxide particles include titanium oxide. Examples of the hygroscopic inorganic porous material include silica gel and synthetic zeolite. Further, as the plasticizer, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, dimethyl carbonate, chain carbonates such as methyl ethyl carbonate and methyl ether carbonate, ethers such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran, γ-butyl lactone, pro Piolactone, esters such as methyl acetate, acetonitrile, nitrile compounds such as propionitrile, organic low molecular compounds such as hydrocarbons, silicone oil, oligoethylene glycol, polyethylene oxide, aliphatic ether compounds such as polypropylene oxide, polyacrylonitrile, Examples include polar group-containing polymer compounds such as aliphatic polyesters and aliphatic polycarbonates.

【0046】本発明のプロトン導電性高分子組成物は、
耐熱性等の物理的特性に優れる高分子マトリクスに、親
水性基を有するスルホン化重合体を配合したものである
ため、保水性にも優れ、更にガス拡散電極との密着性に
も優れる。
The proton conductive polymer composition of the present invention comprises
Since a sulfonated polymer having a hydrophilic group is blended with a polymer matrix having excellent physical properties such as heat resistance, it has excellent water retention and also excellent adhesion to a gas diffusion electrode.

【0047】(5)燃料電池用固体電解質膜 本発明の燃料電池用固体電解質膜は、上記プロトン導電
性高分子組成物を公知の方法で製膜して調製することが
できる。例えば、上記プロトン導電性高分子組成物を溶
媒に溶解してブレンドした後、キャスティングによりフ
ィルム状に成形する方法、高分子マトリクスとスルホン
化重合体をブレンドした後に圧力をかけて成形する方法
などがある。かかる溶媒としては、ジメチルアセトアミ
ド、ジメチルホルムアミドなどのアミド系溶剤、ジメチ
ルスルホキシド、エタノールと水との混合溶液、プロパ
ノールと水との混合溶液などがある。
(5) Solid Electrolyte Membrane for Fuel Cell The solid electrolyte membrane for fuel cell of the present invention can be prepared by forming the proton conductive polymer composition into a membrane by a known method. For example, a method in which the proton conductive polymer composition is dissolved in a solvent and blended, and then formed into a film by casting, a method in which a polymer matrix and a sulfonated polymer are blended and then subjected to pressure and molded. is there. Examples of such a solvent include amide solvents such as dimethylacetamide and dimethylformamide, dimethylsulfoxide, a mixed solution of ethanol and water, a mixed solution of propanol and water, and the like.

【0048】樹脂成分は、溶媒中に0.5〜50質量
%、より好ましくは1〜40質量%、特には5〜30質
量%の濃度で溶解することが好ましい。樹脂濃度が50
質量%を越えると溶液の粘度が高すぎてスルホン化重合
体を均一に混合することができず、また溶液中に気泡が
混入しプロトン導電性を低下させる空孔が発生する。そ
の一方、樹脂濃度が0.5質量%を下回ると膜の形成が
困難となる場合があるからである。
The resin component is preferably dissolved in the solvent at a concentration of 0.5 to 50% by mass, more preferably 1 to 40% by mass, and particularly preferably 5 to 30% by mass. Resin concentration is 50
If the amount is more than 10% by mass, the viscosity of the solution is too high to uniformly mix the sulfonated polymer, and air bubbles are mixed into the solution to generate pores that lower the proton conductivity. On the other hand, if the resin concentration is less than 0.5% by mass, it may be difficult to form a film.

【0049】次いで、上記混合溶液をキャストした後
に、乾燥させることにより本発明の燃料電池用固体電解
質膜を得ることができる。キャスト面は特に限定されず
表面が平滑であっても凹凸があってもよい。また乾燥方
法としては、真空乾燥法を採用すると乾燥時間が短縮さ
れ、更にパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂およびス
ルホン化重合体の相分離を防止することができる。本発
明の固体電解質膜を調製するプロトン導電性高分子組成
物は親水性基であるスルホン酸基を含有するため、プロ
トン導電性に優れると共に親水性に優れる。しかも高分
子マトリクスは化学的強度、物理的強度に優れる。これ
に配合されるスルホン化重合体が粒子状であると、高分
子マトリクスがガス拡散電極との密着性に優れるため、
全体としてプロトン導電性に優れる燃料電池用固体電解
質膜を得ることができるのである。スルホン化重合体の
配合により親水性が向上したため乾燥によるプロトン導
電性の低下を防止できる点でも特に優れるのである。
Next, the mixed solution is cast and then dried to obtain the solid electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention. The cast surface is not particularly limited, and the surface may be smooth or uneven. When a vacuum drying method is adopted as the drying method, the drying time is shortened, and the phase separation between the perfluorocarbon sulfonic acid resin and the sulfonated polymer can be prevented. Since the proton conductive polymer composition for preparing the solid electrolyte membrane of the present invention contains a sulfonic acid group which is a hydrophilic group, the proton conductive polymer composition has excellent proton conductivity and excellent hydrophilicity. Moreover, the polymer matrix has excellent chemical strength and physical strength. If the sulfonated polymer compounded in this is in the form of particles, the polymer matrix has excellent adhesion with the gas diffusion electrode,
As a whole, a solid electrolyte membrane for a fuel cell having excellent proton conductivity can be obtained. Since the hydrophilicity is improved by blending the sulfonated polymer, it is particularly excellent in that the decrease in proton conductivity due to drying can be prevented.

【0050】(6)燃料電池 本発明の燃料電池は、上記燃料電池用固体電解質膜を使
用することを特徴とする。燃料電池は、アノードとカソ
ードとの2つのガス拡散電極と、燃料電池用固体電解質
膜とを有する。ここに固体電解質膜とガス拡散電極との
接合体を得るために以下の方法で調製することができ
る。
(6) Fuel Cell The fuel cell of the present invention is characterized by using the above-mentioned solid electrolyte membrane for a fuel cell. A fuel cell has two gas diffusion electrodes, an anode and a cathode, and a fuel cell solid electrolyte membrane. Here, in order to obtain a joined body of the solid electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it can be prepared by the following method.

【0051】まず、ガス拡散電極上にプロトン導電性高
分子組成物と類似のものでプロトン導電性としてスルホ
ン酸基を含むフッ素系ポリマーをアルコール類と水との
混合溶液に溶解したものを電極の接触面に一定量塗布し
乾燥させる。このようなガス拡散電極を2枚用意して燃
料電池用固体電解質膜を間に挟み、電極の接触面を燃料
電池用固体電解質膜に向けて熱プレスにより接合する。
この熱プレスの温度は燃料電池用固体電解質膜の種類に
より異なるが、通常100℃以上であり、特に130℃
以上であることが好ましい。熱プレスにより燃料電池用
固体電解質膜の水分が蒸発し、燃料電池用固体電解質膜
の収縮が生じて均質な接合ができにくいことがあるが、
この温度では水分の蒸発による燃料電池用固体電解質膜
の乾燥を防止することができるからである。
First, a gas-diffusion electrode was prepared by dissolving a fluorine-based polymer having a sulfonic acid group as a proton-conductive material similar to the proton-conductive polymer composition in a mixed solution of alcohols and water. Apply a fixed amount to the contact surface and dry. Two such gas diffusion electrodes are prepared, the fuel cell solid electrolyte membrane is interposed therebetween, and the contact surfaces of the electrodes are joined by hot pressing toward the fuel cell solid electrolyte membrane.
The temperature of the hot press varies depending on the type of the solid electrolyte membrane for a fuel cell, but is usually 100 ° C. or higher, and particularly
It is preferable that it is above. Moisture in the fuel cell solid electrolyte membrane evaporates due to the heat press, causing the fuel cell solid electrolyte membrane to shrink, making it difficult to achieve uniform joining.
At this temperature, drying of the solid electrolyte membrane for a fuel cell due to evaporation of water can be prevented.

【0052】本発明の燃料電池は、上記により接合体と
した燃料電池用固体電解質膜とガス拡散電極とを有す
る。この接合体を集電体とガス取り入れ口と抜き出し口
を設けたグラファイト製あるいは金属製のフランジの間
に挿入し、組立、一方のガス拡散電極に燃料である水素
ガスを、他方のガス拡散電極に酸素を含むガスを供給す
ることで燃料電池とすることができる。
The fuel cell of the present invention has a solid electrolyte membrane for a fuel cell and a gas diffusion electrode which have been assembled as described above. This assembly is inserted between a current collector and a graphite or metal flange provided with a gas inlet and a gas outlet, and assembled. One gas diffusion electrode is supplied with hydrogen gas as a fuel, and the other gas diffusion electrode is provided. By supplying a gas containing oxygen to the fuel cell, a fuel cell can be obtained.

【0053】燃料電池作動温度は高い方が電極の触媒活
性が上がり、電極過電圧が減少するが、燃料電池用固体
電解質膜は水分がないとプロトン導電性を発揮しないた
め水分管理が可能な温度で作動させる。このため50〜
120℃、より好ましくは60〜100℃で作動させ
る。
The higher the operating temperature of the fuel cell, the higher the catalytic activity of the electrode and the lower the electrode overvoltage. However, since the solid electrolyte membrane for a fuel cell does not exhibit proton conductivity without water, it does not exhibit proton conductivity at a temperature at which water can be controlled. Activate. For this reason 50 ~
It is operated at 120C, more preferably at 60-100C.

【0054】用いるガスは、燃料電池として作動する温
度に近い温度の飽和水蒸気を含む酸素あるいは空気を酸
化剤のガスとして用い、燃料ガスとして同様の条件で水
蒸気が飽和されたものを用いることが好ましい。このた
め空気や低圧の酸素を用いると酸素分圧が低く、燃料電
池としての出力が低くなるが、本発明の燃料電池用固体
電解質膜は、プロトン導電性に優れるため低圧でも他の
燃料電池に比較して出力を大きくすることができるので
ある。
As the gas to be used, it is preferable to use oxygen or air containing saturated steam at a temperature close to the temperature at which the fuel cell operates, as the oxidant gas, and to use a fuel gas which is saturated with steam under the same conditions as the fuel gas. . For this reason, when air or low-pressure oxygen is used, the oxygen partial pressure is low, and the output as a fuel cell is low.However, the solid electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention has excellent proton conductivity, so that it can be applied to other fuel cells even at low pressure. The output can be increased by comparison.

【0055】ガスの供給量としては、供給量が高いと燃
料電池としての出力が高まるので効率的であるが、一方
では燃料電池用固体電解質膜を通じて水素ガスと酸素ガ
スが混合し爆発する虞れがある。このため、燃料電池用
固体電解質膜の膜厚にもよるが、膜厚が100μmの場
合には、50〜1000kpa、より好ましくは100
〜500kpaでガスを供給する。この範囲で有れば、
ガス拡散電極を通じてガスが触媒層に供給されにくいた
め燃料電池の出力が著しく損なわれることや、膜の破損
による爆発の危険がないからである。
As for the gas supply amount, the higher the supply amount, the higher the output of the fuel cell is, which is efficient. On the other hand, hydrogen gas and oxygen gas may mix and explode through the solid electrolyte membrane for the fuel cell. There is. For this reason, although it depends on the thickness of the solid electrolyte membrane for a fuel cell, when the thickness is 100 μm, it is 50 to 1000 kpa, more preferably 100 kPa.
Supply gas at ~ 500 kpa. If it is within this range,
This is because the gas is hardly supplied to the catalyst layer through the gas diffusion electrode, so that the output of the fuel cell is not significantly impaired, and there is no danger of explosion due to breakage of the membrane.

【0056】本発明の固体電解質膜がプロトン導電性に
優れ、このために当該固体電解質膜を組み込んだ燃料電
池の出力が向上する理由は定かではない。しかしなが
ら、固体電解質膜を構成するプロトン導電性高分子組成
物が、スルホン酸基密度の高いスルホン化重合体を含有
すること、このスルホン酸基のプロトン導電性によりプ
ロトン導電性に優れる組成物を得ることができたものと
考えられる。スルホン酸基密度を向上するには芳香族化
合物の重合体をスルホン化して得たものを簡便に使用す
ることができるが、特にスルホン化重合体が粒子状であ
る場合には、スルホン酸基の親水性と相まってより多く
の水分子が導電体中に保持され、かかる水分子によって
イオンが水和されるためイオンが導電しやすい。また樹
脂中の狭い空間内においては、水分子同士の押し合いが
生じるので水和したイオンを押し出す力も働く。従っ
て、イオン交換基上におけるイオンの移動速度が向上
し、プロトン導電性が促進されるのである。これら相互
作用により固体電解質膜におけるプロトン導電性および
燃料電池における出力向上の結果となると考えられる。
It is unclear why the solid electrolyte membrane of the present invention has excellent proton conductivity and the output of a fuel cell incorporating the solid electrolyte membrane is improved. However, the proton conductive polymer composition constituting the solid electrolyte membrane contains a sulfonated polymer having a high sulfonic acid group density, and a composition having excellent proton conductivity due to the proton conductivity of the sulfonic acid group is obtained. It is thought that it was possible. In order to improve the sulfonic acid group density, those obtained by sulfonating a polymer of an aromatic compound can be easily used, but in particular, when the sulfonated polymer is in the form of particles, In combination with the hydrophilicity, more water molecules are retained in the conductor, and the ions are hydrated by the water molecules, so that the ions are easily conducted. In a narrow space in the resin, water molecules are pressed against each other, so that a force for pushing out hydrated ions also acts. Therefore, the movement speed of ions on the ion exchange group is improved, and proton conductivity is promoted. It is believed that these interactions result in improved proton conductivity in the solid electrolyte membrane and improved output in the fuel cell.

【0057】[0057]

【実施例】本発明のプロトン導電性高分子組成物を実施
例に基づいて更に説明する。なお、本発明はかかる実施
例に限定させるものではない。
EXAMPLES The proton conductive polymer composition of the present invention will be further described based on examples. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

【0058】(合成例1)攪拌機、還流冷却器および温
度計を備えた3リットルの四つ口セパラブルフラスコに
水1.2リットルを仕込み、ポリビニルアルコール
((株)クラレ製、クラレポバール PVA−205)1
6.0gを添加・溶解させた後、更にスチレン260g
(2.5mol)、工業用ジビニルベンゼン(和光純薬
工業(株)製、ジビニルベンゼン55質量%、エチルスチ
レン35質量%等の混合物)40g(0.31mo
l)、および過酸化ベンゾイル10gからなる混合物を
加えた。その後、分散機を用いて5000rpmの攪拌
速度でフラスコ内の内容物を分散させ、75℃で10時
間重合した。得られた固形物を濾別し、十分に洗浄した
後、熱風乾燥機を用いて80℃で10時間乾燥し、球状
の重合架橋体286gを得た。
(Synthesis Example 1) 1.2 liters of water was charged into a 3 liter four-neck separable flask equipped with a stirrer, a reflux condenser and a thermometer, and charged with polyvinyl alcohol (Kuraray Co., Ltd., Kuraray Poval PVA-). 205) 1
After adding and dissolving 6.0 g, 260 g of styrene is further added.
(2.5 mol), 40 g of industrial divinylbenzene (a mixture of 55 mass% of divinylbenzene, 35 mass% of ethylstyrene, etc., manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) (0.31 mol)
l) and a mixture consisting of 10 g of benzoyl peroxide. Thereafter, the contents in the flask were dispersed at a stirring speed of 5000 rpm using a disperser, and polymerized at 75 ° C. for 10 hours. The obtained solid was separated by filtration, washed sufficiently, and dried at 80 ° C. for 10 hours using a hot air drier to obtain 286 g of a spherical polymer crosslinked product.

【0059】攪拌機、温度計および滴下ロートを備えた
2リットルの四つ口セパラブルフラスコに重合架橋体5
0gを仕込み、氷冷した。そこに、発煙硫酸500gを
添加し、均一な分散液とした。反応混合物の温度を徐々
に80℃に上げた後、同温度で24時間加熱しつつ攪拌
しスルホン化反応を行った。その後、反応混合物を0℃
の水中に注ぎ、濾別した後、水とアセトンで洗浄した。
次いで真空乾燥機を用いて、80℃で10時間乾燥し、
粒子状のスルホン化重合体95gを得た。
The crosslinked polymer 5 was placed in a 2-liter four-neck separable flask equipped with a stirrer, thermometer and dropping funnel.
0 g was charged and cooled on ice. Thereto, 500 g of fuming sulfuric acid was added to obtain a uniform dispersion. After the temperature of the reaction mixture was gradually raised to 80 ° C., the mixture was stirred while heating at the same temperature for 24 hours to carry out a sulfonation reaction. Then, the reaction mixture was cooled to 0 ° C.
And filtered off, and then washed with water and acetone.
Then, using a vacuum dryer, dried at 80 ° C for 10 hours,
95 g of a particulate sulfonated polymer was obtained.

【0060】得られたスルホン化重合体の平均粒子径を
レーザ回折式粒度分布測定装置((株)島津製作所、SA
LD−1000)を用いて測定したところ、10μmで
あった。スルホン化重合体のイオン交換容量を中和滴定
により測定したところ、5.0mg当量/gであった。
The average particle size of the obtained sulfonated polymer was measured by a laser diffraction type particle size distribution analyzer (Shimadzu Corporation, SA)
It was 10 μm when measured using LD-1000). When the ion exchange capacity of the sulfonated polymer was measured by neutralization titration, it was 5.0 mg equivalent / g.

【0061】(実施例1)合成例1で得られたスルホン
化重合体2gを、スルホン酸基を導入したフッ素樹脂を
5質量%で含むメタノール溶液(デュポン社製のナフィ
オンソリューションSE−5112)40g中に添加
し、十分攪拌した。混合物からメタノールの一部を留去
して得た濃厚溶液をガラス基板上に展開した後、メタノ
ールを蒸発させ、本発明の固体電解質膜(1)を膜状で
得た。
Example 1 2 g of the sulfonated polymer obtained in Synthesis Example 1 was mixed with 40 g of a methanol solution containing 5% by mass of a fluororesin having a sulfonic acid group introduced therein (Nafion Solution SE-5112 manufactured by DuPont). And stirred well. After a concentrated solution obtained by partially removing methanol from the mixture was spread on a glass substrate, methanol was evaporated to obtain a solid electrolyte membrane (1) of the present invention in a film form.

【0062】得られた固体電解質膜(1)の乾燥時のイ
オン交換容量は、2.5mg当量/gであった。
The ion exchange capacity of the obtained solid electrolyte membrane (1) when dried was 2.5 mg equivalent / g.

【0063】[0063]

【効果】本発明によれば、燃料電池、燃料電池用固体電
解質膜および当該固体電解質膜に適用できるプロトン導
電性高分子組成物が提供される。特に、プロトン導電性
が高く耐久性に優れるため、膜としたときの強度に優
れ、かつ安価に合成できる。
According to the present invention, a fuel cell, a solid electrolyte membrane for a fuel cell, and a proton conductive polymer composition applicable to the solid electrolyte membrane are provided. In particular, since it has high proton conductivity and excellent durability, it can be synthesized at a low cost and excellent strength when formed into a membrane.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4J002 AC011 AC061 AC071 AC081 BB031 BB121 BB151 BB181 BC031 BC122 BD031 BD101 BD121 BE021 BG051 BN151 CB001 CC031 CD001 CF161 CF211 CG001 CH091 CK021 CL001 CM041 CN011 CN031 CP031 FD150 GQ00 4J100 AB02P AB03Q AB15Q AB16Q BA56H CA01 CA04 DA28 HA61 HB52 JA43 5H026 AA06 BB01 BB02 CX05 EE18 EE19 HH00 HH05 HH06  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference) 4J002 AC011 AC061 AC071 AC081 BB031 BB121 BB151 BB181 BC031 BC122 BD031 BD101 BD121 BE021 BG051 BN151 CB001 CC031 CD001 CF161 CF211 CG001 CH091 CK021 CL001 CM041 CN01Q15AB03 CP01 AB01G01 CP03 CA01 CA04 DA28 HA61 HB52 JA43 5H026 AA06 BB01 BB02 CX05 EE18 EE19 HH00 HH05 HH06

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 スルホン酸基密度が2mg当量/g以上
のスルホン化重合体および高分子マトリクスとを含有す
るプロトン導電性高分子組成物。
1. A proton conductive polymer composition containing a sulfonated polymer having a sulfonic acid group density of 2 mg equivalent / g or more and a polymer matrix.
【請求項2】 前記スルホン化重合体が、不飽和結合を
有する芳香族化合物の重合体をスルホン化したものであ
る請求項1記載のプロトン導電性高分子組成物。
2. The proton conductive polymer composition according to claim 1, wherein the sulfonated polymer is obtained by sulfonating a polymer of an aromatic compound having an unsaturated bond.
【請求項3】 前記スルホン化重合体のイオン交換容量
が、前記高分子マトリクスのイオン交換容量より大きい
ことを特徴とする請求項1または2に記載のプロトン導
電性高分子組成物。
3. The proton conductive polymer composition according to claim 1, wherein the ion exchange capacity of the sulfonated polymer is larger than the ion exchange capacity of the polymer matrix.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1項に記載のプ
ロトン導電性高分子組成物からなる燃料電池用固体電解
質膜。
4. A solid electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the proton conductive polymer composition according to claim 1.
【請求項5】 請求項4記載の燃料電池用固体電解質膜
を用いた燃料電池。
5. A fuel cell using the solid electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 4.
JP2000277036A 2000-09-12 2000-09-12 Proton electroconductive polymer composition Pending JP2002088251A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000277036A JP2002088251A (en) 2000-09-12 2000-09-12 Proton electroconductive polymer composition

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000277036A JP2002088251A (en) 2000-09-12 2000-09-12 Proton electroconductive polymer composition

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002088251A true JP2002088251A (en) 2002-03-27

Family

ID=18762420

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000277036A Pending JP2002088251A (en) 2000-09-12 2000-09-12 Proton electroconductive polymer composition

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002088251A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004235071A (en) * 2003-01-31 2004-08-19 Sumitomo Chem Co Ltd Polymer electrolyte membrane and its use
JP2005158724A (en) * 2003-11-05 2005-06-16 Toray Ind Inc Polymer electrolyte membrane
JP2005336475A (en) * 2004-04-30 2005-12-08 Asahi Kasei Chemicals Corp Composite proton exchange membrane
JP2006236757A (en) * 2005-02-24 2006-09-07 Toyobo Co Ltd Polyelectrolyte film for membrane electrode junction and its manufacturing method, membrane electrode junction as well as fuel cell
JP2007106999A (en) * 2005-10-10 2007-04-26 Samsung Sdi Co Ltd Oligomer solid acid, and polymer electrolytic membrane, membrane electrode assembly and fuel cell containing the same
JP2007112907A (en) * 2005-10-20 2007-05-10 Asahi Kasei Chemicals Corp Polymer electrolyte composition containing aromatic hydrocarbon-based resin
JP2008123941A (en) * 2006-11-15 2008-05-29 Sony Corp Polyelectrolyte membrane, catalytic electrode, membrane electrode assembly, their manufacturing methods and binder

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004235071A (en) * 2003-01-31 2004-08-19 Sumitomo Chem Co Ltd Polymer electrolyte membrane and its use
JP4696441B2 (en) * 2003-01-31 2011-06-08 住友化学株式会社 Polymer electrolyte membrane and use thereof
JP2005158724A (en) * 2003-11-05 2005-06-16 Toray Ind Inc Polymer electrolyte membrane
JP2005336475A (en) * 2004-04-30 2005-12-08 Asahi Kasei Chemicals Corp Composite proton exchange membrane
JP2006236757A (en) * 2005-02-24 2006-09-07 Toyobo Co Ltd Polyelectrolyte film for membrane electrode junction and its manufacturing method, membrane electrode junction as well as fuel cell
JP2007106999A (en) * 2005-10-10 2007-04-26 Samsung Sdi Co Ltd Oligomer solid acid, and polymer electrolytic membrane, membrane electrode assembly and fuel cell containing the same
JP2007112907A (en) * 2005-10-20 2007-05-10 Asahi Kasei Chemicals Corp Polymer electrolyte composition containing aromatic hydrocarbon-based resin
JP2008123941A (en) * 2006-11-15 2008-05-29 Sony Corp Polyelectrolyte membrane, catalytic electrode, membrane electrode assembly, their manufacturing methods and binder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chandan et al. High temperature (HT) polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC)–A review
US6444343B1 (en) Polymer electrolyte membranes for use in fuel cells
Lufrano et al. Polymer electrolytes based on sulfonated polysulfone for direct methanol fuel cells
KR101137277B1 (en) Polymer electrolyte membrane, method for producing the same, membrane-electrode assembly and solid p0lymer fuel cell
CA2450346C (en) Electrode structure for solid polymer fuel cell, its production method, and solid polymer fuel cell
US20110091788A1 (en) Gas diffusion electrodes comprising functionalised nanoparticles
JPH11310649A (en) Cation exchange membrane and its use
WO2005091409A1 (en) Electrolyte film and fuel cell
JP2002088251A (en) Proton electroconductive polymer composition
JP4325873B2 (en) Hydrogen ion conductive copolymer, polymer electrolyte membrane and fuel cell
CN102005585A (en) Bifunctional membrane for use in membrane electrode assemblies with integrated water vapor transfer zones
JP2005276602A (en) Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
CN101517800B (en) Membrane electrode assembly and method for producing the same
KR20130050825A (en) Organic-inorganic composite membrane and fuel cell comprising the same
EP2202830A1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
US9631105B2 (en) PPS electrode reinforcing material/crack mitigant
JP2007056155A (en) Ion conductive material, solid polymer electrolyte membrane, and fuel battery
JP2008108723A (en) Membrane electrode assembly and its manufacturing method
JP5478412B2 (en) Membrane-electrode assembly and fuel cell
JP3996478B2 (en) FUEL CELL ELECTRODE, FUEL CELL ELECTROLYTE SOLUTION, FUEL CELL ELECTRODE MANUFACTURING METHOD
JP2009187799A (en) Membrane-electrode assembly and fuel cell
JP2003288903A (en) Membrane-electrode joint body, fuel cell using the same, ozone generator, and deoxidation device
JP2005268048A (en) Membrane electrode assembly, manufacturing method of membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP2009070631A (en) Electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and fuel cell using membrane electrode assembly
JP3675473B2 (en) Method for producing solid polymer electrolyte fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20040701

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20050419