JP2002105200A - Proton conductive membrane for direct type alcohol fuel cell and direct type alcohol fuel cell utilizing the same - Google Patents

Proton conductive membrane for direct type alcohol fuel cell and direct type alcohol fuel cell utilizing the same

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JP2002105200A
JP2002105200A JP2000301438A JP2000301438A JP2002105200A JP 2002105200 A JP2002105200 A JP 2002105200A JP 2000301438 A JP2000301438 A JP 2000301438A JP 2000301438 A JP2000301438 A JP 2000301438A JP 2002105200 A JP2002105200 A JP 2002105200A
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JP
Japan
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fuel cell
proton conductive
alcohol fuel
conductive membrane
direct alcohol
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Japanese (ja)
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Hidetoshi Kuromatsu
秀寿 黒松
Kiyoyuki Minamimura
清之 南村
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive membrane for direct type alcohol fuel cell having a high proton conductivity and excellent blocking property to alcohol. SOLUTION: This proton conductive membrane for direct type alcohol fuel cell mainly comprises a polyimide partly including a proton conductive substituent.

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、プロトン伝導性膜
を電解質として用いる固体高分子型燃料電池において、
メタノールなどのアルコール類を直接燃料として使用す
る直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜、およ
びそれを使用した直接アルコール型燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell using a proton conductive membrane as an electrolyte,
The present invention relates to a proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell using an alcohol such as methanol as a direct fuel, and a direct alcohol fuel cell using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導
性を有する高分子膜からなる電解質の両側に2つの電極
を備え、一方の電極に酸素や空気などの酸化ガス(酸化
剤)を供給し、他方の電極に水素や炭化水素などの燃料
(還元剤)を供給し、電気化学反応を起こさせて電気を
発生させる電池である。
2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell is provided with two electrodes on both sides of an electrolyte comprising a polymer membrane having proton conductivity, and supplies an oxidizing gas (oxidizing agent) such as oxygen or air to one electrode. Then, a fuel (reducing agent) such as hydrogen or hydrocarbon is supplied to the other electrode to cause an electrochemical reaction to generate electricity.

【0003】燃料電池には使用する電解質や燃料の種類
によりいくつかの種類があり、特にメタノールを直接燃
料に使用するものは直接メタノール型燃料電池(以下、
DMFCと略す)と言われる。DMFCはメタノールを
直接アノード電極に供給するため、多くの燃料電池が水
素、あるいは炭化水素を改質した水素を使用しているの
と比較して、燃料が取り扱いやすく、装置が簡便とな
り、家庭用や産業用の比較的小出力規模の電源として期
待されている。特に携帯電話やノート型パソコンのよう
な民生用携帯機器の将来の電力源として、直接メタノー
ル型燃料電池は有力視されている。
[0003] There are several types of fuel cells depending on the type of electrolyte and fuel used. Particularly, those using methanol directly as a fuel are direct methanol fuel cells (hereinafter, referred to as fuel cells).
DMFC). DMFC feeds methanol directly to the anode electrode, which makes it easier to handle fuel, makes the equipment simpler, and makes it easier for households to use, compared to many fuel cells that use hydrogen or hydrocarbon-modified hydrogen. It is expected to be used as a power source with a relatively small output for industrial and industrial use. In particular, direct methanol fuel cells are considered promising as a future power source for consumer portable devices such as mobile phones and notebook computers.

【0004】メタノール−酸素燃料電池の理論出力電圧
は、水素を燃料とするものとほぼ同じ1.2V(25
℃)であり、原理的には水素−酸素燃料電池と同等の特
性が期待できる。固体高分子電解質を使用したDMFC
については、数多くの研究がなされ、その性能も初期の
ものと比較してかなりの改善が見られが、水素−酸素燃
料電池の性能と比較してその性能は不充分である。これ
は、メタノールの酸化活性が充分な触媒が見いだせてい
ないこと以外に、電解質膜のメタノール透過性が高いこ
とが原因となっている。
[0004] The theoretical output voltage of a methanol-oxygen fuel cell is 1.2 V (25
° C), and in principle, the same characteristics as a hydrogen-oxygen fuel cell can be expected. DMFC using solid polymer electrolyte
Has been studied a lot and its performance is considerably improved as compared with the initial one, but its performance is insufficient compared with the performance of the hydrogen-oxygen fuel cell. This is due to the fact that a catalyst having sufficient methanol oxidizing activity has not been found, and the methanol permeability of the electrolyte membrane is high.

【0005】従来、固体高分子電解質としては、Du
Pont社のナフィオン(登録商標)に代表されるパー
フルオロスルホン酸膜が主として検討されてきた。これ
らの膜は、一般的にメタノール遮断性が低く、DMFC
用膜として使用した場合に、メタノールのクロスオーバ
ーが生じ、所望の電池特性を発現しないとされている
(J.T.Wang,J.S.Wainright,
R.F.Savinelland M.Litt J.
Appl.Electrochem.,26,751
(1996).)。これらの膜を用いたDMFCは、上
記問題を解決するため、反応温度を100℃以上に設定
し、メタノールの酸化速度を上げるとともに、メタノー
ルを気相で供給し、膜のアノード側のメタノール濃度を
下げる方法などが報告されているが、充分な特性は得ら
れていない。また、その他の高分子電解質膜のメタノー
ル透過性を改善する方法としては、多孔質支持体上でポ
リスチレンスルホン酸とポリビニルアルコールを含有す
る高分子化合物を熱架橋した膜を使用する方法(特開平
5−174856号公報)、電解質膜中にメタノールを
トラップする層を設けて外部に排出する方法(特開平1
1−3724号公報、特開平11−26005号公
報)、アニオン交換膜を使用する方法(特開平11−1
35137号公報、特開平11−144745号公報、
特開平11−273695号公報)などが検討されてい
るが、電池特性、電解質膜の長期的な安定性などの点
で、充分な特性を得られていない。
Conventionally, as a solid polymer electrolyte, Du has been used.
Perfluorosulfonic acid membranes represented by Nafion (registered trademark) of Pont have been mainly studied. These membranes generally have low methanol barrier properties,
When used as a membrane for use, crossover of methanol occurs and desired battery characteristics are not exhibited (JT Wang, JS Wainright,
R. F. Savinelland M. Litt J. et al.
Appl. Electrochem. , 26,751
(1996). ). In order to solve the above problems, DMFCs using these membranes set the reaction temperature to 100 ° C. or higher, increase the methanol oxidation rate, supply methanol in the gas phase, and reduce the methanol concentration on the anode side of the membrane. Although methods for lowering the properties have been reported, sufficient properties have not been obtained. Another method for improving the methanol permeability of a polymer electrolyte membrane is to use a membrane obtained by thermally cross-linking a polymer compound containing polystyrene sulfonic acid and polyvinyl alcohol on a porous support (see Japanese Patent Application Laid-Open No. HEI-5-205). 174856), a method of providing a layer for trapping methanol in an electrolyte membrane and discharging the same to the outside (Japanese Patent Laid-Open No.
No. 1-3724, JP-A-11-26005), a method using an anion exchange membrane (JP-A-11-1)
JP-A-35137, JP-A-11-144745,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-273695) has been studied, but sufficient characteristics have not been obtained in terms of battery characteristics and long-term stability of the electrolyte membrane.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、直接
メタノール型燃料電池を始めとする直接アルコール型燃
料電池の電解質膜として使用可能な、メタノールなどの
アルコール類の透過性が低く、高いプロトン伝導性を有
する直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜、お
よびそれを使用した直接アルコール型燃料電池、直接メ
タノール型燃料電池を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a low-permeability and high-proton protons for alcohols such as methanol, which can be used as an electrolyte membrane for a direct alcohol fuel cell such as a direct methanol fuel cell. An object of the present invention is to provide a proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell having conductivity, and a direct alcohol fuel cell and a direct methanol fuel cell using the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、下記
一般式(I)で表される繰り返し単位を含むポリイミド
を主たる構成成分とする直接アルコール型燃料電池用プ
ロトン伝導性膜である。
That is, the present invention relates to a proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell which comprises a polyimide containing a repeating unit represented by the following general formula (I) as a main component.

【0008】[0008]

【化3】 [式中、Xは少なくとも1種の4価の有機基、Yは少な
くとも1種の2価の有機基を示し、X、Yの一部はプロ
トン伝導性置換基を含有するものである。] 前記プロトン伝導性置換基は、フェノール性水酸基、ス
ルホン酸基、カルボン酸基及びリン酸基よりなる群から
選択される少なくとも1種が使用できる。
Embedded image [In the formula, X represents at least one kind of tetravalent organic group, Y represents at least one kind of divalent organic group, and a part of X and Y contains a proton conductive substituent. As the proton-conductive substituent, at least one selected from the group consisting of a phenolic hydroxyl group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphoric acid group can be used.

【0009】また、前記ポリイミドは下記一般式(II)
で表される繰り返し単位を含むポリイミドであるのが好
ましい。
The polyimide has the following general formula (II):
It is preferably a polyimide containing a repeating unit represented by the formula:

【0010】[0010]

【化4】 [式中、X1とX2は同一または異なる4価の有機基、Y
1はプロトン伝導性置換基を含有する2価の有機基、Y2
はプロトン伝導性置換基を含有しない2価の有機基を示
すものである。mは1以上の整数であり、nは0以上の
整数である。] 本発明においては、ポリイミドのmの繰り返し単位が2
0〜85モル%、nの繰り返し単位が15〜80モル%
であるのが好ましく、ポリイミドは、アミノ基を3つ以
上含む多官能成分と、テトラカルボン酸二無水物の重縮
合により得られる繰り返し構造単位を含むのが好まし
い。
Embedded image [Wherein X 1 and X 2 are the same or different tetravalent organic groups, Y
1 is a divalent organic group containing a proton conductive substituent, Y 2
Represents a divalent organic group containing no proton conductive substituent. m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more. In the present invention, the repeating unit of m of the polyimide is 2
0 to 85 mol%, the repeating unit of n is 15 to 80 mol%
The polyimide preferably contains a polyfunctional component having three or more amino groups and a repeating structural unit obtained by polycondensation of tetracarboxylic dianhydride.

【0011】アミノ基を3つ以上含む多官能成分と、テ
トラカルボン酸二無水物の重縮合により得られる繰り返
し構造単位は0.1〜20モル%の範囲であるのが好ま
しく、さらにポリイミドは、テトラカルボン酸二無水物
とプロトン伝導性置換基を含有するジアミン、および/
または、プロトン伝導性置換基を含有しないジアミンの
重縮合により得られるポリイミドであるのが好ましい。
The repeating structural unit obtained by polycondensation of a polyfunctional component containing three or more amino groups and a tetracarboxylic dianhydride is preferably in the range of 0.1 to 20 mol%. A tetracarboxylic dianhydride and a diamine containing a proton conductive substituent, and / or
Alternatively, a polyimide obtained by polycondensation of a diamine containing no proton conductive substituent is preferable.

【0012】テトラカルボン酸二無水物は、1,4,
5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物であるの
が好ましく、プロトン伝導性置換基を含有するジアミン
としては、2,2’−ベンジジンスルホン酸、2,4−
ジアミノベンゼンスルホン酸、2,5−ジアミノベンゼ
ンスルホン酸、及び3,3’−ジメチル−4,4’−ジ
アミノビフェニル−6,6’−ジスルホン酸よりなる群
から選択される少なくとも1種であるのが好ましい。一
方、プロトン伝導性置換基を含有しないジアミンは、
9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、4,
4’−ジアミノジフェニルエーテル、パラフェニレンジ
アミン及び2,2’−ビス[4−(4−アミノフェノキ
シ)フェニル]プロパンよりなる群から選択される少な
くとも1種であるのが好ましい。
The tetracarboxylic dianhydrides are 1,4
5,8-Naphthalenetetracarboxylic dianhydride is preferred. Examples of the diamine having a proton conductive substituent include 2,2′-benzidinesulfonic acid and 2,4-diamine.
At least one selected from the group consisting of diaminobenzenesulfonic acid, 2,5-diaminobenzenesulfonic acid, and 3,3′-dimethyl-4,4′-diaminobiphenyl-6,6′-disulfonic acid Is preferred. On the other hand, the diamine containing no proton conductive substituent is
9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene, 4,
It is preferably at least one selected from the group consisting of 4'-diaminodiphenyl ether, paraphenylenediamine and 2,2'-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane.

【0013】本発明の燃料電池は上記したプロトン伝導
性膜を使用した直接アルコール型燃料電池であり、作動
温度が50℃以下であるのが好ましい。
The fuel cell of the present invention is a direct alcohol fuel cell using the above-mentioned proton conductive membrane, and its operating temperature is preferably 50 ° C. or lower.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る直接アルコー
ル型燃料電池用プロトン伝導性膜およびそれを使用した
直接アルコール型燃料電池、直接メタノール型燃料電池
について具体的に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell and a direct alcohol fuel cell and a direct methanol fuel cell using the same according to the present invention will be described in detail.

【0015】本発明のプロトン伝導性膜は、下記式
(I)又は(II)のいずれかの構成のポリイミドを主たる
構成成分とすることが好ましい。
The proton conductive membrane of the present invention preferably comprises a polyimide having any one of the following formulas (I) and (II) as a main component.

【0016】[0016]

【化5】 [式中、Xは少なくとも1種の4価の有機基、Yは少な
くとも1種の2価の有機基を示し、X、Yの一部はプロ
トン伝導性置換基を含有するものである。]で表される
繰り返し単位を含むポリイミド。
Embedded image [In the formula, X represents at least one kind of tetravalent organic group, Y represents at least one kind of divalent organic group, and a part of X and Y contains a proton conductive substituent. ] The polyimide containing the repeating unit represented by these.

【0017】[0017]

【化6】 [式中、X1とX2は同一または異なる4価の有機基、Y
1はプロトン伝導性置換基を含有する2価の有機基、Y2
はプロトン伝導性置換基を含有しない2価の有機基を示
すものである。mは1以上の整数であり、nは0以上の
整数である。]で表される繰り返し単位を含むポリイミ
ド。
Embedded image [Wherein X 1 and X 2 are the same or different tetravalent organic groups, Y
1 is a divalent organic group containing a proton conductive substituent, Y 2
Represents a divalent organic group containing no proton conductive substituent. m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more. ] The polyimide containing the repeating unit represented by these.

【0018】本発明のプロトン伝導性を有する置換基と
は、例えばフェノール性水酸基、スルホン酸基、カルボ
ン酸基、リン酸基などが挙げられる。特に高いプロトン
伝導度を発現させる点から、プロトンが解離しやすいス
ルホン酸基、リン酸基が好ましい。スルホン酸基等のプ
ロトン伝導性置換基の導入方法としては、芳香族環など
を含有するポリイミドを使用する場合には、芳香族系化
合物の公知のスルホン化の方法で行える。このような方
法としては、ポリイミドの有機溶媒溶液や懸濁液を調製
し、スルホン化剤を添加、混合してスルホン酸基を導入
したポリイミドを調製した後、成膜してプロトン伝導性
膜を得る方法や、ポリイミド膜を有機溶媒に浸漬させ
て、スルホン化剤を添加し、プロトン伝導性膜を得る方
法などが挙げられる。本発明で使用可能なスルホン化剤
としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合液、ク
ロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシ
リルとの混合液、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチル
ホスフェート、さらに2,4,6−トリメチルベンゼン
スルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸などが例
示できる。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチ
レンなどのハロゲン化炭化水素類、ヘキサンなどの直鎖
式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサンなどの環式脂肪族
炭化水素類などが例示できる。これらの、スルホン化剤
および有機溶媒は、必要に応じて複数の組合せから適宜
選択しても良い。
The substituent having proton conductivity according to the present invention includes, for example, a phenolic hydroxyl group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group and a phosphoric acid group. In particular, a sulfonic acid group or a phosphoric acid group from which protons are easily dissociated is preferable from the viewpoint of expressing high proton conductivity. When a polyimide containing an aromatic ring or the like is used as a method for introducing a proton conductive substituent such as a sulfonic acid group, a known sulfonation method of an aromatic compound can be used. As such a method, a polyimide organic solvent solution or suspension is prepared, a sulfonating agent is added and mixed to prepare a polyimide into which a sulfonic acid group is introduced, and then a proton conductive membrane is formed by forming a film. And a method of immersing a polyimide membrane in an organic solvent and adding a sulfonating agent to obtain a proton conductive membrane. Examples of the sulfonating agent usable in the present invention include sulfuric acid, a mixed solution of sulfuric acid and an aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixed solution of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, sulfur trioxide and triethyl. Phosphates and aromatic organic sulfonic acids typified by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid can be exemplified. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, and cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane. These sulfonating agents and organic solvents may be appropriately selected from a plurality of combinations as necessary.

【0019】また、プロトン伝導性置換基を含有するモ
ノマー成分を使用して、ポリイミドを合成、成膜して、
プロトン伝導性膜を得る方法は、より簡便で好ましい。
特に、テトラカルボン酸二無水物とプロトン伝導性置換
基を含有するジアミン、および/または、プロトン伝導
性置換基を含有しないジアミンの重縮合により得られる
ポリイミドを使用することは、製造の簡略化やプロトン
伝導性置換基が確実かつ均一に分散することにより、特
性が発現しやすく、好ましい。
Further, polyimide is synthesized and formed into a film by using a monomer component having a proton conductive substituent,
A method for obtaining a proton conductive membrane is more convenient and preferable.
In particular, the use of a polyimide obtained by polycondensation of a tetracarboxylic dianhydride and a diamine containing a proton conductive substituent, and / or a diamine containing no proton conductive substituent can simplify the production and When the proton conductive substituent is surely and uniformly dispersed, characteristics are easily developed, which is preferable.

【0020】本発明のプロトン伝導性膜は、アミノ基を
3つ以上含む多官能成分と、テトラカルボン酸二無水物
との重縮合反応により得られる繰り返し構造単位を含む
ことが好ましい。このような構成成分を含有することに
より、プロトン伝導性が著しく向上する。
The proton conductive membrane of the present invention preferably contains a repeating structural unit obtained by a polycondensation reaction between a polyfunctional component having three or more amino groups and a tetracarboxylic dianhydride. By containing such a component, the proton conductivity is significantly improved.

【0021】本発明に使用するテトラカルボン酸二無水
物としては、例えば、パラ−ターフェニル−3,4,
3’’,4’’−テトラカルボン酸二無水物、ピロメリ
ット酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノン
テトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ビフ
ェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、1,2,
5,6−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,
3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、
2,3,5,6−ピリジンテトラカルボン酸二無水物、
1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水
物、3,4,9,10−ペリレンテトラカルボン酸二無
水物、4,4’−スルホニルジフタル酸二無水物、3,
3’,4,4’−テトラフェニルシランテトラカルボン
酸二無水物、メタ−ターフェニル−3,3’’,4,
4’’−テトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,
4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、
1,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)−1,
1,3,3−テトラメチルジシロキサン二無水物、1−
(2,3−ジカルボキシフェニル)−3−(3,4−ジ
カルボキシフェニル)−1,1,3,3−テトラメチル
ジシロキサン二無水物、2,2−ビス(3,4−ジカル
ボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン酸二無水物、
1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物、
1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−5−(テ
トラヒドロ−2,5−ジオキソー3ーフラニル)−ナフ
ト[1,2−c]フラン−1,3−ジオンなどが挙げら
れるが、これに限定されるものではない。特に、本発明
においては、直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導
性膜として使用する際の化学的安定性、特に耐水(酸)
性を考慮すると、1,4,5,8−ナフタレンテトラカ
ルボン酸二無水物であることが好ましい。
The tetracarboxylic dianhydride used in the present invention includes, for example, para-terphenyl-3,4,4
3 ″, 4 ″ -tetracarboxylic dianhydride, pyromellitic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4,4′- Biphenyl ether tetracarboxylic dianhydride, 1,2,2
5,6-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 2,
3,6,7-naphthalenetetracarboxylic dianhydride,
2,3,5,6-pyridinetetracarboxylic dianhydride,
1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, 4,4′-sulfonyldiphthalic dianhydride, 3,
3 ′, 4,4′-tetraphenylsilanetetracarboxylic dianhydride, meta-terphenyl-3,3 ″, 4
4 ″ -tetracarboxylic dianhydride, 3,3 ′, 4
4'-diphenyl ether tetracarboxylic dianhydride,
1,3-bis (3,4-dicarboxyphenyl) -1,
1,3,3-tetramethyldisiloxane dianhydride, 1-
(2,3-dicarboxyphenyl) -3- (3,4-dicarboxyphenyl) -1,1,3,3-tetramethyldisiloxane dianhydride, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl) Phenyl) hexafluoropropanoic acid dianhydride,
1,2,3,4-butanetetracarboxylic dianhydride,
1,3,3a, 4,5,9b-Hexahydro-5- (tetrahydro-2,5-dioxo-3-furanyl) -naphtho [1,2-c] furan-1,3-dione. However, the present invention is not limited to this. In particular, in the present invention, chemical stability when used as a proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell, particularly water resistance (acid)
In consideration of the properties, 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride is preferred.

【0022】プロトン伝導性を有する置換基を含有する
ジアミンとしては、例えば下記化合物などが挙げられる
が、これに限定されるものではない。
Examples of the diamine containing a substituent having proton conductivity include, for example, the following compounds, but are not limited thereto.

【0023】[0023]

【化7】 Embedded image

【0024】[0024]

【化8】 Embedded image

【0025】[0025]

【化9】 Embedded image

【0026】[0026]

【化10】 特に本発明においては、化合物の安定性、工業的入手の
容易さ、ポリイミドの合成のしやすさ、プロトン伝導度
などを考慮すると、下記化学式(III)〜(VI)で
表される2,2’−ベンジジンスルホン酸(III)、
2,4−ジアミノベンゼンスルホン酸(IV)、2,5
−ジアミノベンゼンスルホン酸(V)、3,3’−ジメ
チル−4,4’−ジアミノビフェニル−6,6’−ジス
ルホン酸(VI)から選択される少なくとも1種である
ことが好ましい。
Embedded image In particular, in the present invention, considering the stability of the compound, industrial availability, ease of polyimide synthesis, proton conductivity and the like, 2,2 represented by the following chemical formulas (III) to (VI) '-Benzidinesulfonic acid (III),
2,4-diaminobenzenesulfonic acid (IV), 2,5
It is preferably at least one selected from -diaminobenzenesulfonic acid (V) and 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminobiphenyl-6,6'-disulfonic acid (VI).

【0027】[0027]

【化11】 Embedded image

【0028】[0028]

【化12】 Embedded image

【0029】[0029]

【化13】 Embedded image

【0030】[0030]

【化14】 プロトン伝導性置換基を含有しないジアミンとしては、
例えば、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、4,
4’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミ
ノジフェニルスルフィド、ベンジジン、メタフェニレン
ジアミン、パラフェニレンジアミン、1,5−ナフタレ
ンジアミン、2,6−ナフタレンジアミン、ビス[4−
(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス−
(4−アミノフェノキシフェニル)スルフィド、ビス−
(4−アミノフェノキシフェニル)ビフェニル、1,4
−ビス−(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−
ビス−(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、3,4’−
ジアミノジフェニルエーテル、4,4’−ジアミノジフ
ェニルエーテル−3−スルホンアミド、3,4’−ジア
ミノジフェニルエーテル−4−スルホンアミド、3,
4’−ジアミノジフェニルエーテル−3’−スルホンア
ミド、3,3’−ジアミノジフェニルエーテル−4−ス
ルホンアミド、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン
−3−スルホンアミド、3,4’−ジアミノジフェニル
スルホン−4−スルホンアミド、3,4’−ジアミノジ
フェニルスルホン−3’−スルホンアミド、3,3’−
ジアミノジフェニルスルホン−4−スルホンアミド、
4,4’−ジアミノジフェニルサルファイド−3−スル
ホンアミド、3,4’−ジアミノジフェニルサルファイ
ド−4−スルホンアミド、3,3’−ジアミノジフェニ
ルサルファイド−4−スルホンアミド、3,4’−ジア
ミノジフェニルサルファイド−3’−スルホンアミド、
1,4−ジアミノベンゼン−2−スルホンアミド、4,
4’−ジアミノジフェニルエーテル−3−カルボンアミ
ド、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル−4−カル
ボンアミド、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル−
3’−カルボンアミド、3,3’−ジアミノジフェニル
エーテル−4−カルボンアミド、4,4’−ジアミノジ
フェニルメタン−3−カルボンアミド、3,4’−ジア
ミノジフェニルメタン−4−カルボンアミド、3,4’
−ジアミノジフェニルメタン−3’−カルボンアミド、
3,3’−ジアミノジフェニルメタン−4−カルボンア
ミド、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン−3−カ
ルボンアミド、3,4’−ジアミノジフェニルスルホン
−4−カルボンアミド、3,4’−ジアミノジフェニル
スルホン−3’−カルボンアミド、3,3’−ジアミノ
ジフェニルスルホン−4−カルボンアミド、4,4’−
ジアミノジフェニルサルファイド−3−カルボンアミ
ド、3,4’−ジアミノジフェニルサルファイド−4−
カルボンアミド、3,3’−ジアミノジフェニルサルフ
ァイド−4−カルボンアミド、3,4’−ジアミノジフ
ェニルサルファイド−3’−スルホンアミド、1,4−
ジアミノベンゼン−2−カルボンアミド、4,4’−ビ
ス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル、ビス{4−
(3−アミノフェノキシ)フェニル}スルホン、9,9
−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、2,2−ビ
ス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフ
ルオロプロパン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェ
ノキシ)フェニル]プロパン、2,2’−ビス(トリフ
ルオロメチル)−ベンジジンなどが挙げられるが、これ
に限定されるものではない。これらは物理的性質や化学
的性質などプロトン伝導性膜の所望の特性を損なわない
範囲で、2種以上を組み合わせて使用しても良い。
Embedded image As a diamine containing no proton conductive substituent,
For example, 4,4′-diaminodiphenyl ether,
4'-diaminodiphenyl sulfone, 4,4'-diaminodiphenyl sulfide, benzidine, metaphenylenediamine, paraphenylenediamine, 1,5-naphthalenediamine, 2,6-naphthalenediamine, bis [4-
(4-aminophenoxy) phenyl] sulfone, bis-
(4-aminophenoxyphenyl) sulfide, bis-
(4-aminophenoxyphenyl) biphenyl, 1,4
-Bis- (4-aminophenoxy) benzene, 1,3-
Bis- (4-aminophenoxy) benzene, 3,4'-
Diaminodiphenyl ether, 4,4′-diaminodiphenylether-3-sulfonamide, 3,4′-diaminodiphenylether-4-sulfonamide, 3,
4'-diaminodiphenylether-3'-sulfonamide, 3,3'-diaminodiphenylether-4-sulfonamide, 4,4'-diaminodiphenylsulfone-3-sulfonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfone-4- Sulfonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfone-3'-sulfonamide, 3,3'-
Diaminodiphenylsulfone-4-sulfonamide,
4,4'-diaminodiphenylsulfide-3-sulfonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfide-4-sulfonamide, 3,3'-diaminodiphenylsulfide-4-sulfonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfide -3'-sulfonamide,
1,4-diaminobenzene-2-sulfonamide, 4,
4'-diaminodiphenylether-3-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenylether-4-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenylether-
3'-carbonamide, 3,3'-diaminodiphenylether-4-carbonamide, 4,4'-diaminodiphenylmethane-3-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenylmethane-4-carbonamide, 3,4 '
-Diaminodiphenylmethane-3'-carbonamide,
3,3'-diaminodiphenylmethane-4-carbonamide, 4,4'-diaminodiphenylsulfone-3-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfone-4-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfone- 3'-carbonamide, 3,3'-diaminodiphenylsulfone-4-carbonamide, 4,4'-
Diaminodiphenyl sulfide-3-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenyl sulfide-4-
Carbonamide, 3,3'-diaminodiphenylsulfide-4-carbonamide, 3,4'-diaminodiphenylsulfide-3'-sulfonamide, 1,4-
Diaminobenzene-2-carbonamide, 4,4'-bis (4-aminophenoxy) biphenyl, bis @ 4-
(3-aminophenoxy) phenyl} sulfone, 9,9
-Bis (4-aminophenyl) fluorene, 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] hexafluoropropane, 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane, 2, Examples include, but are not limited to, 2'-bis (trifluoromethyl) -benzidine. These may be used in combination of two or more kinds as long as desired properties of the proton conductive membrane such as physical properties and chemical properties are not impaired.

【0031】特に本発明に使用するプロトン伝導性置換
基を含有しないジアミンとしては、ポリイミドの合成の
し易さ、成膜のし易さやプロトン伝導度などを考慮する
と、下記化学式(VII)〜(X)で表される9,9−
ビス(4−アミノフェニル)フルオレン(VII)、
4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(VIII)、
パラフェニレンジアミン(IX)、2,2’−ビス[4
−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン(X)
から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
In particular, as the diamine containing no proton conductive substituent used in the present invention, the following chemical formulas (VII) to (VII) are considered in consideration of easiness of synthesis of polyimide, easiness of film formation and proton conductivity. 9,9- represented by X)
Bis (4-aminophenyl) fluorene (VII),
4,4′-diaminodiphenyl ether (VIII),
Paraphenylenediamine (IX), 2,2'-bis [4
-(4-aminophenoxy) phenyl] propane (X)
It is preferably at least one selected from

【0032】[0032]

【化15】 Embedded image

【0033】[0033]

【化16】 Embedded image

【0034】[0034]

【化17】 Embedded image

【0035】[0035]

【化18】 アミノ基を3つ以上含む多官能成分としては、例えば、
3,3’ジアミノベンジジン、3,3’,4,4’−テ
トラアミノジフェニルメタン、1,2,4,5−テトラ
アミノベンゼン、3,3’,4,4’−テトラアミノジ
フェニルイソプロピリデン、3,3’,4,4’−テト
ラアミノジフェニルヘキサフルオロイソプロピリデン、
の他、下記化合物などが挙げられるが、これに限定され
るものではない。
Embedded image Examples of the polyfunctional component containing three or more amino groups include, for example,
3,3 ′ diaminobenzidine, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylmethane, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3 ′, 4,4′-tetraaminodiphenylisopropylidene, , 3 ', 4,4'-Tetraaminodiphenylhexafluoroisopropylidene,
In addition, the following compounds may be mentioned, but the present invention is not limited thereto.

【0036】[0036]

【化19】 Embedded image

【0037】[0037]

【化20】 Embedded image

【0038】[0038]

【化21】 Embedded image

【0039】[0039]

【化22】 Embedded image

【0040】[0040]

【化23】 Embedded image

【0041】[0041]

【化24】 特に本発明においては、化合物の安定性、工業的入手の
容易さ、ポリイミド樹脂組成物の合成のしやすさ、膜加
工のし易さ、膜の物性などを考慮すると、下記化学式
(XI)で表される3,3’−ジアミノベンジジンであ
ることが好ましい。
Embedded image In particular, in the present invention, considering the stability of the compound, industrial availability, ease of synthesis of the polyimide resin composition, ease of film processing, physical properties of the film, etc., the following chemical formula (XI) Preferably, it is the 3,3'-diaminobenzidine represented.

【0042】[0042]

【化25】 ここで下記一般式(II)Embedded image Where the following general formula (II)

【0043】[0043]

【化26】 [式中、X1とX2は同一または異なる4価の有機基、Y
1はプロトン伝導性置換基を含有する2価の有機基、Y2
はプロトン伝導性置換基を含有しない2価の有機基を示
すものである。mは1以上の整数であり、nは0以上の
整数である。]で表される繰り返し単位を含むポリイミ
ドにおいて、mの繰り返し単位が20〜85モル%、n
の繰り返し単位が15〜80モル%の構成成分比である
ことが好ましい。mの繰り返し単位がこの範囲よりも小
さい場合は、使用するモノマー成分にもよるが、得られ
たプロトン伝導性膜のイオン交換容量が低く、充分なプ
ロトン伝導を発現しない。また、この範囲よりも大きい
場合は、得られたポリイミド樹脂組成物の加工性が低下
したり、水溶性になる恐れが生じ、用途によっては使用
できなくなる。実際には、これらの構成成分比は、使用
するモノマー成分(テトラカルボン酸二無水物、プロト
ン伝導性置換基を含有するジアミン、プロトン伝導性置
換基を含有しないジアミン)、必要なプロトン伝導度、
得られたポリイミドの加工性(成膜性)、取得した膜の
機械的強度、アルコール遮断性などを考慮して、適宜設
定すれば良いが、より好ましくはmの繰り返し単位が3
0〜70モル%、nの繰り返し単位が30〜70モル%
である。
Embedded image [Wherein X 1 and X 2 are the same or different tetravalent organic groups, Y
1 is a divalent organic group containing a proton conductive substituent, Y 2
Represents a divalent organic group containing no proton conductive substituent. m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more. In the polyimide containing a repeating unit represented by the formula:
It is preferable that the repeating unit of the above has a constituent component ratio of 15 to 80 mol%. When the repeating unit of m is smaller than this range, the obtained proton conductive membrane has a low ion exchange capacity and does not exhibit sufficient proton conduction, depending on the monomer component used. On the other hand, if it is larger than this range, the processability of the obtained polyimide resin composition may be reduced, or the polyimide resin composition may become water-soluble, and may not be used depending on the application. In practice, the ratio of these constituents depends on the monomer components used (tetracarboxylic dianhydride, diamine containing a proton conductive substituent, diamine not containing a proton conductive substituent), the required proton conductivity,
It may be appropriately set in consideration of the processability (film formability) of the obtained polyimide, the mechanical strength of the obtained film, the alcohol barrier property, and the like.
0 to 70 mol%, 30 to 70 mol% of n repeating units
It is.

【0044】また、アミノ基を3つ以上含む多官能成分
と、テトラカルボン酸二無水物の重縮合により得られる
繰り返し構造単位、が0.1〜20モル%の範囲である
ことが好ましい。この範囲より小さい場合は、組成物中
の多官能成分による分岐構造や架橋構造が相対的に少な
くなり、その効果が充分ではない。また、この範囲より
も大きい場合は、プロトン伝導性膜の加工性が低下して
膜の取得が困難となったり、得られた膜の弾性率や強度
などの物理的な特性が低下する場合がある。
The content of the repeating structural unit obtained by polycondensation of a polyfunctional component containing three or more amino groups and tetracarboxylic dianhydride is preferably in the range of 0.1 to 20 mol%. If it is smaller than this range, the number of branched structures and crosslinked structures due to the polyfunctional components in the composition becomes relatively small, and the effect is not sufficient. In addition, when it is larger than this range, the processability of the proton conductive membrane may decrease, making it difficult to obtain the membrane, or the physical properties such as elastic modulus and strength of the obtained membrane may decrease. is there.

【0045】本発明のプロトン伝導性膜のイオン交換容
量は、0.50meq/g以上であることが好ましい。
イオン交換容量がこの範囲より低い場合、プロトン伝導
性膜として、充分なプロトン伝導度を発現しない可能性
がある。
The ion exchange capacity of the proton conductive membrane of the present invention is preferably 0.50 meq / g or more.
If the ion exchange capacity is lower than this range, there is a possibility that the proton conductive membrane does not exhibit sufficient proton conductivity.

【0046】本発明のプロトン伝導性膜の室温下でのプ
ロトン伝導度は、1.0×10-2S/cm以上であるこ
とが好ましい。プロトン伝導度がこの範囲よりも低い場
合、これを使用した直接アルコール型燃料電池は充分な
発電特性を示さない可能性がある。
The proton conductivity of the proton conductive membrane of the present invention at room temperature is preferably 1.0 × 10 −2 S / cm or more. If the proton conductivity is lower than this range, a direct alcohol fuel cell using the same may not exhibit sufficient power generation characteristics.

【0047】本発明のプロトン伝導性膜の室温下でのメ
タノール透過係数は、1.3×10 -12(cm3・cm)
/(cm2・s・Pa)以下であることが好ましい。メ
タノール透過係数がこの範囲よりも大きい場合は、ナフ
ィオンなどのパーフルオロスルホン酸膜と同等のメタノ
ール遮断性となり、メタノールのクロスオーバーによる
電池特性の低下が生じる恐れがある。
The proton conductive membrane of the present invention can be used at room temperature.
The tanol permeability coefficient is 1.3 × 10 -12(CmThree・ Cm)
/ (CmTwo.S.Pa) or less. Me
If the tanol permeability coefficient is larger than this range,
Methano equivalent to perfluorosulfonic acid membranes such as Zion
Cut off due to methanol crossover
Battery characteristics may be degraded.

【0048】本発明のプロトン伝導性膜の構成成分であ
るポリイミドの合成は、公知のいずれかの方法によって
合成すれば良い。すなわち、 1)有機溶媒中でポリアミド酸を合成し、溶剤を減圧な
どの手法により除去するか、得られたポリアミド酸溶液
を貧溶媒などに排出する方法によりポリアミド酸を単離
した後、これを加熱してイミド化を行い、ポリイミド樹
脂組成物を得る方法。 2)1)と同様にしてポリアミド酸を得、さらに無水酢
酸に代表される脱水剤を加え、また必要に応じて触媒を
加えて化学的にイミド化を行った後、公知の方法により
ポリイミドを単離し、必要に応じて洗浄、乾燥を行う方
法。 3)1)と同様にしてポリアミド酸溶液を得た後、減圧
もしくは加熱により溶媒を除去すると同時に熱的にイミ
ド化を行う方法。 4)有機溶媒中に原料を投入後、加熱を行い、ポリアミ
ド酸の合成とイミド化反応を同時に行い、必要に応じて
触媒や共沸剤、脱水剤などを共存させる方法。などが例
示できる。
The polyimide as a component of the proton conductive membrane of the present invention may be synthesized by any known method. 1) Synthesizing a polyamic acid in an organic solvent and removing the solvent by a method such as reduced pressure, or isolating the polyamic acid by discharging the obtained polyamic acid solution into a poor solvent or the like, and then isolating the polyamic acid. A method in which a polyimide resin composition is obtained by imidization by heating. 2) A polyamic acid is obtained in the same manner as in 1), a dehydrating agent such as acetic anhydride is further added, and if necessary, a catalyst is added to chemically imidize the compound. A method of isolating, washing and drying as necessary. 3) A method in which, after obtaining a polyamic acid solution in the same manner as in 1), the solvent is removed under reduced pressure or heating, and at the same time, thermal imidization is performed. 4) A method in which a raw material is charged into an organic solvent, followed by heating to simultaneously perform synthesis of a polyamic acid and an imidization reaction, and coexist with a catalyst, an azeotropic agent, a dehydrating agent and the like as necessary. And the like.

【0049】ここでポリイミドの重合に使用される溶媒
としては、例えば、ジメチルスルホキシド、ジエチルス
ルホキシドなどのスルホキシド系溶媒、N,N−ジメチ
ルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミドなどの
ホルムアミド系溶媒、N,N−ジメチルアセトアミド、
N,N−ジエチルアセトアミドなどのアセトアミド系溶
媒、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピ
ロリドンなどのピロリドン系溶媒、フェノール、o−ク
レゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、m−クレ
ゾール酸、キシレノール、p−クロロフェノールなどの
ハロゲン化フェノール、カテコールなどのフェノール系
溶媒、あるいはヘキサメチルホスホルアミド、γ−ブチ
ロラクトンなどを挙げることができる。また、これらの
有機溶媒は単独でも、または2種以上混合して使用して
も良い。また、さらにキシレン、トルエンのような芳香
族炭化水素の一部も使用可能である。
The solvent used for the polymerization of polyimide includes, for example, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, formamide solvents such as N, N-dimethylformamide and N, N-diethylformamide, and N, N-dimethylformamide. N-dimethylacetamide,
Acetamide solvents such as N, N-diethylacetamide, pyrrolidone solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone and N-vinyl-2-pyrrolidone, phenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, m-cresol Examples include acid, xylenol, halogenated phenols such as p-chlorophenol, phenol solvents such as catechol, hexamethylphosphoramide, and γ-butyrolactone. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more. Further, some of aromatic hydrocarbons such as xylene and toluene can be used.

【0050】また、スルホン酸基などのプロトン伝導性
置換基を含有するジアミンをモノマーとして使用する場
合は、例えばトリエチルアミンなどの脂肪族第3級アミ
ン類、ジメチルアニリンなどの芳香族第3級アミン類、
ピリジン、ピコリン、イソキノリンなどの複素環式第3
級アミン類などを上記有機溶媒に添加し、プロトン伝導
性置換基のアンモニウム塩を形成させた後、重合する方
法や、スルホン酸基の水素原子を予めナトリウムなどの
アルカリ金属などで置換してスルホン酸アルカリ金属塩
を調製した後、重合する方法などが例示できる。これら
の方法でポリイミドを重合した場合は、ポリイミドの回
収時や、成膜後に、所定濃度の硫酸や塩酸などに浸漬さ
せ、もとのスルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の
状態に変換させることが必要である。
When a diamine having a proton conductive substituent such as a sulfonic acid group is used as a monomer, an aliphatic tertiary amine such as triethylamine and an aromatic tertiary amine such as dimethylaniline are used. ,
Heterocyclic tertiary compounds such as pyridine, picoline and isoquinoline
A secondary amine is added to the above organic solvent to form an ammonium salt of a proton-conductive substituent, followed by a polymerization method, or by replacing a hydrogen atom of a sulfonic acid group with an alkali metal such as sodium in advance to obtain a sulfonate. A method of preparing an alkali metal salt of an acid and then polymerizing the salt can be exemplified. When the polyimide is polymerized by these methods, when the polyimide is recovered or after the film is formed, the polyimide is immersed in a predetermined concentration of sulfuric acid, hydrochloric acid, or the like, and converted into the original state of the proton conductive substituent such as a sulfonic acid group. It is necessary.

【0051】さらに具体的に本発明のポリイミド樹脂組
成物の合成例を以下に示す。 合成例 容器に、有機溶媒とプロトン伝導性置換基を含有する
ジアミンの少なくとも1種を所定量とる。 プロトン伝導性置換基を含有するジアミンの当量以上
の脂肪族第3級アミンを加え、好ましくは15分以上室
温で攪拌する。 テトラカルボン酸二無水物、プロトン伝導性置換基を
含有しないジアミンをそれぞれ所定量加える。 トルエンなどを所定量加え、反応液を120℃以上に
昇温する。 生成する水をトルエンなどと共沸させながら除去し、
好ましくは2時間以上攪拌する。 トルエンなどを環流除去した後、反応液を室温まで冷
却する。 反応液を塩酸などの強酸とメタノールなどの貧溶媒の
混合液に滴下し、沈殿物させる。 沈殿物をメタノールなどの貧溶媒で洗浄する。 120℃で減圧乾燥し、ポリイミドを得る。
A more specific example of the synthesis of the polyimide resin composition of the present invention is shown below. Synthesis Example At least one of an organic solvent and a diamine containing a proton conductive substituent is taken in a container in a predetermined amount. An aliphatic tertiary amine in an amount equal to or more than the equivalent of the diamine containing a proton conductive substituent is added, and the mixture is stirred at room temperature for preferably 15 minutes or more. Predetermined amounts of tetracarboxylic dianhydride and diamine containing no proton conductive substituent are added. A predetermined amount of toluene or the like is added, and the reaction solution is heated to 120 ° C. or higher. Remove the generated water while azeotroping with toluene etc.,
Preferably, stirring is performed for 2 hours or more. After removing toluene and the like by reflux, the reaction solution is cooled to room temperature. The reaction solution is dropped into a mixture of a strong acid such as hydrochloric acid and a poor solvent such as methanol to precipitate. The precipitate is washed with a poor solvent such as methanol. Dry under reduced pressure at 120 ° C. to obtain polyimide.

【0052】上記方法なでで得られたポリイミドは、公
知のいずれかの方法によって膜形状に加工して得られ
る。すなわち、 イ)前記の方法で合成したポリイミドを、所定の濃度に
有機溶媒に溶解させ、ガラスなどの支持体上に流延また
は塗布して膜状とし、所定の条件下で溶媒を除去し、プ
ロトン伝導性膜を取得する方法。 ロ)前記の方法で合成したポリイミドの重合溶液を、ガ
ラスなどの支持体上に流延または塗布して膜状とし、所
定の条件下で溶媒を除去し、プロトン伝導性膜を取得す
る方法。 ハ)前記の方法で合成したポリイミドの前駆体であるポ
リアミド酸を、所定の濃度に有機溶媒に溶解させ、ガラ
スなどの支持体上に流延または塗布して膜状とし、所定
の条件下でイミド化と溶媒除去を行い、プロトン伝導性
膜を取得する方法。 ニ)前記の方法で合成したポリイミドの前駆体であるポ
リアミド酸重合溶液を、ガラスなどの支持体上に流延ま
たは塗布して膜状とし、所定の条件下でイミド化と溶媒
除去を行い、プロトン伝導性膜を取得する方法。 などが挙げられる。
The polyimide obtained by the above method can be obtained by processing into a film by any known method. That is, a) Polyimide synthesized by the above method is dissolved in an organic solvent at a predetermined concentration, cast or coated on a support such as glass to form a film, and the solvent is removed under predetermined conditions. A method for obtaining a proton conductive membrane. B) A method in which the polyimide polymerization solution synthesized by the above method is cast or coated on a support such as glass to form a film, and the solvent is removed under predetermined conditions to obtain a proton conductive film. C) Polyamic acid, which is a precursor of the polyimide synthesized by the above method, is dissolved in an organic solvent at a predetermined concentration, cast or coated on a support such as glass to form a film, and under predetermined conditions. A method of obtaining a proton conductive membrane by imidation and solvent removal. D) Polyamic acid polymerization solution, which is a precursor of polyimide synthesized by the above method, is cast or coated on a support such as glass to form a film, and is subjected to imidization and solvent removal under predetermined conditions. A method for obtaining a proton conductive membrane. And the like.

【0053】上記方法で取得したプロトン伝導性膜は、
前述した方法などでプロトン伝導性置換基の状態に変換
させることにより、プロトン伝導性膜としての性能を発
現する。
The proton conductive membrane obtained by the above method is
By converting into the state of the proton conductive substituent by the method described above, the performance as a proton conductive membrane is exhibited.

【0054】上記方法で使用する有機溶媒は、該ポリイ
ミド樹脂組成物の重合時に使用するものと類似のものが
使用可能であり、例えば、ジメチルスルホキシド、ジエ
チルスルホキシドなどのスルホキシド系溶媒、N,N−
ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド
などのホルムアミド系溶媒、N,N−ジメチルアセトア
ミド、N,N−ジエチルアセトアミドなどのアセトアミ
ド系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−
2−ピロリドンなどのピロリドン系溶媒、フェノール、
o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、m
−クレゾール酸、キシレノール、p−クロロフェノール
などのハロゲン化フェノール、カテコールなどのフェノ
ール系溶媒、あるいはヘキサメチルホスホルアミド、γ
−ブチロラクトンなどを挙げることができる。また、こ
れらの有機溶媒は単独でも、または2種以上混合して使
用しても良い。さらにキシレン、トルエンのような芳香
族炭化水素の一部も使用可能である。上記以外にも、該
ポリイミドや該ポリアミド酸の構造を分解することな
く、均一に溶解させるものであれば使用可能である。
As the organic solvent used in the above method, those similar to those used in the polymerization of the polyimide resin composition can be used. For example, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, and N, N-
Formamide solvents such as dimethylformamide and N, N-diethylformamide; acetamido solvents such as N, N-dimethylacetamide and N, N-diethylacetamide; N-methyl-2-pyrrolidone; N-vinyl-
A pyrrolidone solvent such as 2-pyrrolidone, phenol,
o-cresol, m-cresol, p-cresol, m
-Halogenated phenols such as cresylic acid, xylenol, p-chlorophenol, phenolic solvents such as catechol, or hexamethylphosphoramide, γ
-Butyrolactone and the like. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more. Further, some of aromatic hydrocarbons such as xylene and toluene can be used. In addition to the above, any material can be used as long as it can be uniformly dissolved without decomposing the structure of the polyimide or the polyamic acid.

【0055】上記方法で、イミド化や溶媒除去法は任意
のものを組み合わせて実施することが可能である。イミ
ド化の方法としては、熱的処理による方法や、無水酢酸
などの脱水剤を使用する化学的処理による方法のいずれ
も使用可能である。また、溶媒除去は、常圧下あるいは
減圧下において、充分に溶媒が除去できる条件であれば
よいが、プロトン伝導性置換基が脱離や変性しない条件
を選択する必要がある。
In the above method, the imidization and the solvent removal method can be carried out in combination with any method. As the imidation method, any of a method by a thermal treatment and a method by a chemical treatment using a dehydrating agent such as acetic anhydride can be used. The solvent may be removed under conditions in which the solvent can be sufficiently removed under normal pressure or reduced pressure. However, it is necessary to select conditions in which the proton conductive substituent is not eliminated or denatured.

【0056】本発明のプロトン伝導性膜の膜厚について
は、適宜選択可能であるが、直接アルコール型燃料電池
用プロトン伝導性膜として使用する場合には、10〜5
00μmが好ましく、10μ〜100μmがより好まし
い。膜厚が500μmを越えると、膜の抵抗性が増大
し、また、10μm未満では、膜の機械強度やメタノー
ルなどのアルコール類の遮断性が不充分となる場合があ
る。
The thickness of the proton conductive membrane of the present invention can be appropriately selected. However, when it is used directly as a proton conductive membrane for an alcohol fuel cell, 10 to 5 times.
00 μm is preferable, and 10 μm to 100 μm is more preferable. If the film thickness exceeds 500 μm, the resistance of the film increases, and if it is less than 10 μm, the mechanical strength of the film and the barrier property against alcohols such as methanol may be insufficient.

【0057】次に、本発明のプロトン伝導性膜を使用し
た直接アルコール型燃料電池について、一例として、図
面を引用して説明する。
Next, a direct alcohol fuel cell using the proton conductive membrane of the present invention will be described as an example with reference to the drawings.

【0058】図1は、本発明のプロトン伝導性膜を使用
した直接アルコール型燃料電池の要部断面図である。こ
れは、本発明のプロトン伝導性膜(1)と、(1)の膜
に接触する触媒担持ガス拡散電極(2)、セパレーター
(4)に形成された燃料ガスまたは液体、並びに、酸化
剤を送り込む流路(3)、の構成よりなるものである。
FIG. 1 is a sectional view of a principal part of a direct alcohol fuel cell using the proton conductive membrane of the present invention. This is because the proton conductive membrane (1) of the present invention, the catalyst-carrying gas diffusion electrode (2) in contact with the membrane of (1), the fuel gas or liquid formed on the separator (4), and the oxidizing agent It has a configuration of a flow path (3) for feeding.

【0059】プロトン伝導性膜(1)に、触媒担持ガス
拡散電極(2)を接合する方法は、例えば、パーフルオ
ロカーボンスルホン酸膜からなるプロトン伝導性膜で行
われる公知の方法が適用可能である。
As a method for joining the catalyst-carrying gas diffusion electrode (2) to the proton conductive membrane (1), for example, a known method performed with a proton conductive membrane composed of a perfluorocarbon sulfonic acid membrane can be applied. .

【0060】具体的には、市販のガス拡散電極(米国E
−TEK社製、など)を用いる方法が例示できるが、こ
れに限定されるものではない。
Specifically, a commercially available gas diffusion electrode (US E.
-TEK, etc.), but the method is not limited thereto.

【0061】実際の方法としては、本発明のプロトン伝
導性膜(1)の両面に、パーフルオロスルホン酸高分子
のアルコール溶液、本発明のポリイミドの有機溶媒溶液
などをバインダーとして、触媒担持ガス拡散電極(2)
の触媒層側の面を合わせ、ホットプレス機やロールプレ
ス機などのプレス機を使用して、一般的には120〜2
50℃程度のプレス温度で接合できる。また、別途下記
に示すような材料を使用して触媒担持ガス拡散電極
(2)を調製し、プロトン伝導性膜(1)に接合させて
使用しても構わない。
As a practical method, the catalyst-supporting gas diffusion is performed by using a binder such as an alcohol solution of a perfluorosulfonic acid polymer or an organic solvent solution of the polyimide of the present invention on both sides of the proton conductive membrane (1) of the present invention. Electrode (2)
The surfaces on the catalyst layer side are generally aligned with each other using a press machine such as a hot press machine or a roll press machine.
Joining can be performed at a press temperature of about 50 ° C. Alternatively, the catalyst-carrying gas diffusion electrode (2) may be separately prepared by using a material as described below and bonded to the proton conductive membrane (1).

【0062】ここで、触媒担持ガス拡散電極(2)を調
製するのに使用する材料としては、触媒として、燃料の
酸化反応および酸素の還元反応を促進する、白金、ルテ
ニウムなどの金属あるいはそれらの合金、導電材とし
て、微粒子の炭素材料などの導電性物質など、結着剤と
して、撥水性を有する含フッ素樹脂など、必要に応じ
て、上記材料の支持体として、カーボンクロスやカーボ
ンペーパーなど、更に、含浸・被覆材として、パーフル
オロスルホン酸系高分子が例示できるが、本発明はこれ
に限定されるものではない。
Here, as a material used for preparing the catalyst-supporting gas diffusion electrode (2), as a catalyst, a metal such as platinum or ruthenium, which promotes an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of oxygen, or a metal thereof. Alloys, conductive materials, such as conductive materials such as fine-particle carbon materials, binders, such as water-repellent fluorine-containing resins, if necessary, as a support of the above materials, such as carbon cloth or carbon paper, Further, as the impregnating / coating material, a perfluorosulfonic acid-based polymer can be exemplified, but the present invention is not limited to this.

【0063】上記のような方法で得られたプロトン伝導
性膜(1)と、触媒担持ガス拡散電極(2)の接合体
を、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流
路(3)が形成された一対のグラファイト製などのガス
セパレーター(4)などの間に挿入することにより、請
求項10記載の本発明の直接アルコール型燃料電池が得
られる。また燃料としてメタノールを使用した場合は、
請求項11記載の直接メタノール型燃料電池が得られ
る。これに燃料として、メタノールなどのアルコール類
の液体あるいは気化させた気体を、酸化剤として、酸素
を含むガス(酸素あるいは空気)を、それぞれ別個の流
路(3)より、触媒担持ガス拡散電極(2)に供給する
ことにより、燃料電池は作動する。
The assembly of the proton conductive membrane (1) obtained by the above-described method and the catalyst-carrying gas diffusion electrode (2) is connected to a flow path (3) for feeding a fuel gas or liquid and an oxidizing agent. The direct alcohol fuel cell according to the present invention is obtained by inserting it between a pair of gas separators (4) made of graphite or the like in which is formed. When methanol is used as fuel,
A direct methanol fuel cell according to claim 11 is obtained. As a fuel, a liquid of an alcohol such as methanol or a vaporized gas, and a gas containing oxygen as an oxidizing agent (oxygen or air) are supplied from separate flow paths (3) through a catalyst-supporting gas diffusion electrode (3). By supplying to 2), the fuel cell operates.

【0064】本発明の直接アルコール型燃料電池を単独
で、あるいは複数積層して、スタックを形成し、使用す
ることや、それらを組み込んだ燃料電池システムとする
こともできる。
The direct alcohol fuel cell of the present invention may be used alone or in a plurality of layers to form a stack and used, or a fuel cell system incorporating them may be used.

【0065】本発明の直接アルコール型燃料電池の燃料
は、メタノールやエタノールなどのアルコール類が使用
される。燃料電池に直接使用する燃料としては、前記ア
ルコール類の他にも、ホルマリン、ヒドラジン、ジメチ
ルエーテルなどが検討されているが、燃料の安全性、工
業的入手の容易さ、燃料としての性能などを考慮する
と、アルコール類が好ましく、特にメタノール及びエタ
ノールを使用することが好ましい。
As the fuel for the direct alcohol fuel cell of the present invention, alcohols such as methanol and ethanol are used. As the fuel directly used for the fuel cell, formalin, hydrazine, dimethyl ether, and the like have been studied in addition to the alcohols described above. Considering fuel safety, industrial availability, fuel performance, etc. Then, alcohols are preferable, and it is particularly preferable to use methanol and ethanol.

【0066】アルコール類の供給方法は、直接あるいは
所定濃度の水溶液とした後、液体のまま供給する方法
や、気化させてガス状態で供給する方法などが例示で
き、いずれの方法の使用可能である。
Examples of the method for supplying alcohols include a method of directly supplying an aqueous solution having a predetermined concentration, and then supplying the liquid as it is, and a method of supplying the liquid in a gaseous state after vaporization, and any method can be used. .

【0067】本発明の直接アルコール型燃料電池の作動
温度は、室温から100℃以上の温度まで任意の温度が
設定可能である。一般的に、燃料電池は作動温度を高く
するに従って、電池特性は向上する傾向を示す。しかし
ながら、例えば100℃以上の温度で作動させようとす
ると、プロトン伝導性膜の乾燥を抑制するため、セルの
加圧が必要などが生じるなど、新たな制御や周辺機器の
設置の必要が生じる。また、使用するプロトン伝導性膜
やセルの構成部材にも高い耐久性が要求される。一方、
作動温度を室温のように低温に設定するに従って、前記
の高温の場合と逆の傾向を示す。特に、ノート型パソコ
ンや携帯電話などの民生用携帯機器への適用を想定した
場合、高い電池特性よりも、燃料電池本体や周辺機器の
小型・簡略化の要求が高いため、室温のような低温で作
動させることも好ましい形態の1種であることから、直
接メタノール型燃料電池の作動温度は50℃以下である
ことが好ましい。
The operating temperature of the direct alcohol fuel cell according to the present invention can be set at any temperature from room temperature to 100 ° C. or higher. In general, as the operating temperature of a fuel cell increases, the cell characteristics tend to improve. However, if it is attempted to operate at a temperature of 100 ° C. or higher, for example, it is necessary to pressurize the cell in order to suppress drying of the proton conductive membrane. In addition, high durability is also required for the proton conductive membrane and constituent members of the cell to be used. on the other hand,
As the operating temperature is set at a low temperature such as room temperature, the tendency is opposite to that at the high temperature. In particular, assuming application to consumer portable devices such as notebook PCs and mobile phones, the demand for smaller and simpler fuel cells and peripheral devices is higher than for high cell characteristics, so low temperature such as room temperature The operation temperature of the direct methanol fuel cell is preferably 50 ° C. or lower, since it is one of the preferable modes to operate the fuel cell.

【0068】[0068]

【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定さ
れるものではなく、その要旨を変更しない範囲において
適宜変更実施可能である。実施例中、BDSAは2,
2’−ベンジジンスルホン酸、NTDAは1,4,5,
8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、FDAは
9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、NM
PはN−メチル−2−ピロリドンを表す。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples, and can be appropriately modified without departing from the scope of the invention. In the examples, BDSA is 2,
2′-benzidinesulfonic acid, NTDA 1,4,5,
8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride, FDA is 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene, NM
P represents N-methyl-2-pyrrolidone.

【0069】尚、実施例に先立ち測定法などについて説
明する。
The measurement method and the like will be described prior to the examples.

【0070】(イオン交換容量の測定方法)試験体を塩
化ナトリウム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で
60℃、3時間反応させる。室温まで冷却した後、サン
プルをイオン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレ
イン溶液を指示薬として、0.01Nの水酸化ナトリウ
ム水溶液で滴定し、イオン交換容量を算出した。
(Method for Measuring Ion Exchange Capacity) A test sample is immersed in a saturated aqueous solution of sodium chloride and reacted in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, the sample was sufficiently washed with ion-exchanged water, and titrated with a 0.01 N aqueous sodium hydroxide solution using a phenolphthalein solution as an indicator to calculate the ion exchange capacity.

【0071】(プロトン伝導度)イオン交換水中に保管
した試験体(10mm×40mm)を取り出し、試験体
表面の水をろ紙で拭き取る。電極間距離30mmで白金
電極間に試験体を装着し、2極非密閉系のテフロン(登
録商標)製のセルに設置した後、室温下で電圧0.2V
の条件で、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜
5MHz)により、試験体の膜抵抗を測定し、プロトン
伝導度を算出した。
(Proton conductivity) A test specimen (10 mm × 40 mm) stored in ion-exchanged water is taken out, and water on the surface of the test specimen is wiped off with a filter paper. A test piece was mounted between platinum electrodes at a distance between the electrodes of 30 mm, and placed in a two-pole unsealed Teflon (registered trademark) cell.
Under the conditions of AC impedance method (frequency: 42 Hz to
5 MHz), the membrane resistance of the specimen was measured, and the proton conductivity was calculated.

【0072】(メタノール透過係数)図2メタノール透
過量測定装置のフロー図を示す。プロトン伝導性膜(1
1)を狭時して、上部(12)と下部(13)の2室に
分かれた測定セルに、窒素ボンベ(6)よりウォーター
バス(10)で約60℃に加熱されたメタノール溶液
(9)に窒素ガスを供給してバブリングさせて得られた
メタノール−窒素ガスをセル上部(12)に流通させ
る。ヘリウムボンベ(7)より供給されたヘリウムガス
でパージされたセル下部(13)に、プロトン伝導性膜
(11)中を透過してきたメタノールをガスクロマトグ
ラフ(14)により分析した。このとき、測定セルの温
度は25℃に維持した。これにより得られたメタノール
透過量から、プロトン伝導性膜(11)のメタノール透
過係数を算出した。
(Methanol Permeability Coefficient) FIG. 2 is a flow chart of the apparatus for measuring the amount of methanol permeated. Proton conductive membrane (1
1), the methanol solution (9) heated to about 60 ° C. in a water bath (10) from a nitrogen cylinder (6) was placed in a measuring cell divided into two chambers, an upper part (12) and a lower part (13). ) Is supplied with nitrogen gas and bubbling is performed to flow methanol-nitrogen gas obtained through the upper portion (12) of the cell. Methanol permeating through the proton conductive membrane (11) was analyzed by a gas chromatograph (14) into the lower part (13) of the cell purged with helium gas supplied from the helium cylinder (7). At this time, the temperature of the measurement cell was maintained at 25 ° C. From the obtained methanol permeation amount, the methanol permeation coefficient of the proton conductive membrane (11) was calculated.

【0073】(実施例1)以下の方法に従って、本発明
のプロトン伝導性膜を取得した。
Example 1 A proton conductive membrane of the present invention was obtained according to the following method.

【0074】0.5LのセパラブルフラスコにBDSA
を4.30g(0.0125mol)、フェノールを1
05g、p−クロロフェノールを70g、トリエチルア
ミンを15.18g(0.15mol)とり、窒素気流
下で室温で0.5時間攪拌した。次に、NTDAを6.
70g(0.025mol)、FDAを4.36g
(0.0125mol)一気に加え、トルエンを50g
加えた。窒素気流下で150℃で5時間攪拌した。この
とき、生成する水はトルエンで共沸させながら除去し
た。このとき、生成水を0.9mL回収、除去した。次
いでトルエンを環流除去し、セパラブルフラスコを氷冷
し、反応液を室温まで冷却した。塩酸を26.1gとメ
タノールを1Lの混合溶液を激しく攪拌しながら、上記
反応液を徐々に滴下した。このとき、線状の茶色沈殿物
が生成した。得られた沈殿物をメタノール0.5Lで2
回洗浄したのち、減圧下で120℃、3時間乾燥し、ポ
リイミドを得た。
BDSA was placed in a 0.5 L separable flask.
4.30 g (0.0125 mol) and phenol 1
05 g, 70 g of p-chlorophenol, and 15.18 g (0.15 mol) of triethylamine were stirred at room temperature under a nitrogen stream for 0.5 hour. Next, NTDA was changed to 6.
70 g (0.025 mol), 4.36 g of FDA
(0.0125mol) Add all at once and add 50g of toluene
added. The mixture was stirred at 150 ° C. for 5 hours under a nitrogen stream. At this time, generated water was removed while azeotropic distillation with toluene. At this time, 0.9 mL of produced water was collected and removed. Then, toluene was removed by reflux, the separable flask was cooled with ice, and the reaction solution was cooled to room temperature. The reaction solution was gradually added dropwise while vigorously stirring a mixed solution of 26.1 g of hydrochloric acid and 1 L of methanol. At this time, a linear brown precipitate was formed. The obtained precipitate is washed with 0.5 L of methanol for 2 hours.
After washing twice, it was dried under reduced pressure at 120 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide.

【0075】得られたポリイミドの20wt%NMP溶
液を調製し、フロートガラス上に300μmの厚みで塗
布し、減圧下で、50℃、100℃、150℃、200
℃の温度でそれぞれ0.5時間溶媒を除去し、約40μ
mのプロトン伝導性膜を得た。このプロトン伝導性膜の
イオン交換容量とプロトン伝導度を表1に示した。ま
た、メタノール透過係数を表2に示した。
A 20 wt% NMP solution of the obtained polyimide was prepared, applied on a float glass to a thickness of 300 μm, and then reduced pressure at 50 ° C., 100 ° C., 150 ° C., 200 ° C.
The solvent is removed at a temperature of
m was obtained. Table 1 shows the ion exchange capacity and proton conductivity of this proton conductive membrane. Table 2 shows the methanol permeability coefficient.

【0076】(比較例1)ナフィオン112(Du P
ont社、登録商標)のメタノール透過係数を測定し
た。結果を表2に示した。
Comparative Example 1 Nafion 112 (Du P
ont, registered trademark) was measured. The results are shown in Table 2.

【0077】[0077]

【表1】 [Table 1]

【0078】[0078]

【表2】 表1より、本発明のプロトン伝導性膜は、高いプロトン
伝導性を有することが明らかとなった。
[Table 2] Table 1 shows that the proton conductive membrane of the present invention has high proton conductivity.

【0079】表2の実施例1と比較例1の比較から、本
発明のプロトン伝導性膜は、優れたメタノール遮断性を
有することが明らかとなった。
From a comparison between Example 1 and Comparative Example 1 in Table 2, it was revealed that the proton conductive membrane of the present invention had excellent methanol barrier properties.

【0080】以上の結果より、本発明のプロトン伝導性
膜は、直接アルコール型燃料電池用膜として充分な性能
を発現しうる高いプロトン伝導性と、優れたメタノール
遮断性から、本発明の有効性が示された。
From the above results, it can be seen that the proton conductive membrane of the present invention has high proton conductivity capable of expressing sufficient performance as a membrane for a direct alcohol fuel cell, and excellent methanol barrier properties. It has been shown.

【0081】[0081]

【発明の効果】本発明によれば、下記一般式(I)According to the present invention, the following general formula (I)

【0082】[0082]

【化27】 [式中、Xは少なくとも1種の4価の有機基、Yは少な
くとも1種の2価の有機基を示し、X、Yの一部はプロ
トン伝導性置換基を含有するものである。]で表される
繰り返し単位を含むポリイミドを主たる構成成分とする
直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜により、
高いプロトン伝導性と優れたアルコール遮断性を有する
直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜を提供す
ることができる。また、それを使用した直接アルコール
型燃料電池は、特に、直接メタノール型燃料電池として
有用である。
Embedded image [In the formula, X represents at least one kind of tetravalent organic group, Y represents at least one kind of divalent organic group, and a part of X and Y contains a proton conductive substituent. A proton-conducting membrane for direct alcohol fuel cells containing polyimide as a main component containing a repeating unit represented by the following formula:
A proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell having high proton conductivity and excellent alcohol barrier properties can be provided. Further, a direct alcohol fuel cell using the same is particularly useful as a direct methanol fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の直接アルコール型燃料電池の要部断面
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a direct alcohol fuel cell according to the present invention.

【図2】メタノール透過量測定装置のフロー図FIG. 2 is a flowchart of a methanol permeation amount measuring apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:プロトン伝導性膜 2:触媒担持ガス拡散電極 3:流路 4:セパレーター 5:ガスケット 6:窒素ボンベ 7:ヘリウムボンベ 8:バブラー 9:メタノール溶液 10:ウォータートラップ 11:プロトン伝導性膜 12:セル上部 13:セル下部 14:ガスクロマトグラフ 1: Proton conductive membrane 2: Catalyst supported gas diffusion electrode 3: Flow path 4: Separator 5: Gasket 6: Nitrogen cylinder 7: Helium cylinder 8: Bubbler 9: Methanol solution 10: Water trap 11: Proton conductive membrane 12: Cell upper part 13: Cell lower part 14: Gas chromatograph

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4J043 PA04 PC066 PC186 PC206 QB15 QB26 QB31 RA34 SA06 SA07 SA08 SA62 SA71 SA82 SA87 SB02 TA14 TA22 TB01 UA121 UA131 UA151 UA262 UB011 UB021 UB121 ZA41 ZA44 ZB47 5H026 AA06 AA08 CC03 CX05 EE18 HH00 HH05 HH06 HH08  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference) 4J043 PA04 PC066 PC186 PC206 QB15 QB26 QB31 RA34 SA06 SA07 SA08 SA62 SA71 SA82 SA87 SB02 TA14 TA22 TB01 UA121 UA131 UA151 UA262 UB011 UB021 UB121 ZA41 ZA44 ZB47 5H0AH05 A03 A0506 A05 HH06 HH08

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】下記一般式(I)で表される繰り返し単位
を含むポリイミドを主たる構成成分とする直接アルコー
ル型燃料電池用プロトン伝導性膜。 【化1】 [式中、Xは少なくとも1種の4価の有機基、Yは少な
くとも1種の2価の有機基を示し、X、Yの一部はプロ
トン伝導性置換基を含有するものである。]
1. A proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell comprising a polyimide containing a repeating unit represented by the following general formula (I) as a main component. Embedded image [In the formula, X represents at least one kind of tetravalent organic group, Y represents at least one kind of divalent organic group, and a part of X and Y contains a proton conductive substituent. ]
【請求項2】前記プロトン伝導性置換基が、フェノール
性水酸基、スルホン酸基、カルボン酸基及びリン酸基よ
りなる群から選択される少なくとも1種である請求項1
記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜。
2. The proton conductive substituent is at least one selected from the group consisting of a phenolic hydroxyl group, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group and a phosphoric acid group.
The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to the above.
【請求項3】前記ポリイミドが下記一般式(II)で表さ
れる繰り返し単位を含むポリイミドである請求項1又は
2に記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性
膜。 【化2】 [式中、X1とX2は同一または異なる4価の有機基、Y
1はプロトン伝導性置換基を含有する2価の有機基、Y2
はプロトン伝導性置換基を含有しない2価の有機基を示
すものである。mは1以上の整数であり、nは0以上の
整数である。]
3. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 1, wherein the polyimide is a polyimide containing a repeating unit represented by the following general formula (II). Embedded image [Wherein X 1 and X 2 are the same or different tetravalent organic groups, Y
1 is a divalent organic group containing a proton conductive substituent, Y 2
Represents a divalent organic group containing no proton conductive substituent. m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more. ]
【請求項4】ポリイミドのmの繰り返し単位が20〜8
5モル%、nの繰り返し単位が15〜80モル%である
請求項3記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝
導性膜。
4. The polyimide, wherein m is 20 to 8 repeating units.
4. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 3, wherein the repeating unit of 5 mol% and n is 15 to 80 mol%.
【請求項5】ポリイミドが、アミノ基を3つ以上含む多
官能成分と、テトラカルボン酸二無水物の重縮合により
得られる繰り返し構造単位を含むことを特徴とする請求
項1〜4のいずれかに記載の直接アルコール型燃料電池
用プロトン伝導性膜。
5. The polyimide according to claim 1, wherein the polyimide contains a polyfunctional component having three or more amino groups and a repeating structural unit obtained by polycondensation of tetracarboxylic dianhydride. 3. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to item 1.
【請求項6】アミノ基を3つ以上含む多官能成分と、テ
トラカルボン酸二無水物の重縮合により得られる繰り返
し構造単位が0.1〜20モル%の範囲である請求項5
記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜。
6. The repeating structural unit obtained by polycondensation of a polyfunctional component containing three or more amino groups and tetracarboxylic dianhydride is in the range of 0.1 to 20 mol%.
The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to the above.
【請求項7】前記ポリイミドが、テトラカルボン酸二無
水物とプロトン伝導性置換基を含有するジアミン及び/
又は、プロトン伝導性置換基を含有しないジアミンの重
縮合により得られるポリイミドである請求項3〜6のい
ずれかに記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝
導性膜。
7. The polyimide according to claim 1, wherein the polyimide is a tetracarboxylic dianhydride and a diamine containing a proton conductive substituent.
The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to any one of claims 3 to 6, which is a polyimide obtained by polycondensation of a diamine containing no proton conductive substituent.
【請求項8】前記テトラカルボン酸二無水物が、1,
4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物であ
る請求項7記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン
伝導性膜。
8. The method according to claim 1, wherein the tetracarboxylic dianhydride is 1,2.
The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 7, wherein the proton conductive membrane is 4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride.
【請求項9】プロトン伝導性置換基を含有するジアミン
が、2,2’−ベンジジンスルホン酸、2,4−ジアミ
ノベンゼンスルホン酸、2,5−ジアミノベンゼンスル
ホン酸、及び3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノ
ビフェニル−6,6’−ジスルホン酸よりなる群から選
択される少なくとも1種である請求項7記載の直接アル
コール型燃料電池用プロトン伝導性膜。
9. The diamine containing a proton conductive substituent is 2,2'-benzidinesulfonic acid, 2,4-diaminobenzenesulfonic acid, 2,5-diaminobenzenesulfonic acid, and 3,3'-dimethyl. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 7, which is at least one member selected from the group consisting of -4,4'-diaminobiphenyl-6,6'-disulfonic acid.
【請求項10】プロトン伝導性置換基を含有しないジア
ミンが、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレ
ン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、パラフェ
ニレンジアミン、及び2,2’−ビス[4−(4−アミ
ノフェノキシ)フェニル]プロパンよりなる群から選択
される少なくとも1種である請求項7記載の直接アルコ
ール型燃料電池用プロトン伝導性膜。
10. A diamine containing no proton-conducting substituent is 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene, 4,4'-diaminodiphenyl ether, paraphenylenediamine, and 2,2'-bis [4 The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 7, which is at least one member selected from the group consisting of-(4-aminophenoxy) phenyl] propane.
【請求項11】アミノ基を3つ以上含む多官能成分が、
3,3’−ジアミノベンジジンである請求項5又は6に
記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜。
11. A polyfunctional component containing three or more amino groups,
7. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 5, which is 3,3'-diaminobenzidine.
【請求項12】。プロトン伝導性膜のイオン交換容量
が、0.50meq/g以上である請求項1〜11のい
ずれかに記載の直接アルコール型燃料電池用プロトン伝
導性膜。
12. 12. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to claim 1, wherein the proton exchange membrane has an ion exchange capacity of 0.50 meq / g or more.
【請求項13】プロトン伝導性膜の室温下でのプロトン
伝導度が、1.0×10-2S/cm以上である請求項1
〜12のいずれかに記載の直接アルコール型燃料電池用
プロトン伝導性膜。
13. The proton conductive membrane at room temperature having a proton conductivity of 1.0 × 10 −2 S / cm or more.
13. The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to any one of items 1 to 12.
【請求項14】プロトン伝導性膜のメタノール透過係数
が、1.3×10-1 2(cm3・cm)/(cm2・s・
Pa)以下である請求項1〜13のいずれかに記載の直
接アルコール型燃料電池用プロトン伝導性膜。
Methanol permeability coefficient 14. The proton conducting membrane is, 1.3 × 10 -1 2 (cm 3 · cm) / (cm 2 · s ·
The proton conductive membrane for a direct alcohol fuel cell according to any one of claims 1 to 13, which is not higher than Pa).
【請求項15】請求項1〜14のいずれかに記載のプロ
トン伝導性膜を使用した直接アルコール型燃料電池。
15. A direct alcohol fuel cell using the proton conductive membrane according to claim 1.
【請求項16】直接アルコール型燃料電池が、直接メタ
ノール型燃料電池である請求項15記載の直接アルコー
ル型燃料電池。
16. The direct alcohol fuel cell according to claim 15, wherein the direct alcohol fuel cell is a direct methanol fuel cell.
【請求項17】直接アルコール型燃料電池が、直接エタ
ノール型燃料電池である請求項15記載の直接アルコー
ル型燃料電池。
17. The direct alcohol fuel cell according to claim 15, wherein the direct alcohol fuel cell is a direct ethanol fuel cell.
【請求項18】直接アルコール型燃料電池の作動温度が
50℃以下である請求項15記載の直接アルコール型燃
料電池。
18. The direct alcohol fuel cell according to claim 15, wherein the operating temperature of the direct alcohol fuel cell is 50 ° C. or less.
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