JP2004031173A - Proton exchange film and its forming method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton exchange film having high proton conductivity at room temperature, enabled to be manufactured at a low cost. <P>SOLUTION: The proton exchange film has high proton conductivity by forming layers of coordination polymer metal complex R<SB>2</SB>dtoaM (here, M is metal) so as to absorb a water molecule between them. The coordination polymer metal complex may have hydrogen coordinated H<SB>2</SB>dtoaCu, (C<SB>2</SB>H<SB>4</SB>OH)<SB>2</SB>dtoaCu, (C<SB>3</SB>H<SB>6</SB>OH)<SB>2</SB>dtoaCu or the like at the position of an alkyl group R. The proton exchange film of H<SB>2</SB>dtoaCu has a high proton conductivity of 10<SP>-2</SP>S×cm<SP>-1</SP>equivalent to Naphyon at room temperature, and capable of operating at a temperature ranging up to 150°C. Further, a manufacturing method of the proton exchange film is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として利用されるプロトン交換膜及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境問題に関し、所謂クリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されてきている。このような燃料電池は、効率が高く、天然ガス,メタノール等の多様な燃料の使用が可能であることから、石油代替の促進にも寄与するものとして、その環境保全上の効果が期待されている。特に、固体高分子型燃料電池は、高出力密度,低温作動等の特長を有していることから、家庭用,可搬型電源等としての普及が期待されている。
【0003】
ところで、固体高分子型燃料電池の電解質としては、化学的,熱的及び機械的安定性の観点から、従来は、フッ素系樹脂、例えばナフィオンから成るフィルム状の導電性イオン交換膜(プロトン交換膜)が使用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなプロトン交換膜は、強度の点からフッ素系樹脂に限定されており、その性能向上は限界にきている。
また、フッ素系樹脂、特にナフィオンを使用したプロトン交換膜は、比較的高価である。
【0005】
本発明は、以上の点にかんがみて、室温で高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得るようにした、プロトン交換膜及びその製造方法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の第一の構成によれば、プロトン交換膜は、配位高分子金属錯体R2 dtoaM(ここで、Mは金属)の薄膜から構成されることを特徴としている。
【0007】
本発明において、上記プロトン交換膜は、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaの層間に水分子を吸蔵させて、室温において高いプロトン伝導性を備えたことを特徴とする。
【0008】
本発明において、上記プロトン交換膜は、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMの金属Mが遷移金属である。
【0009】
本発明において、上記プロトン交換膜は、上記遷移金属が、銅(Cu),ニッケル(Ni),鉄(Fe)またはコバルト(Co)の何れか一つである。
【0010】
本発明において、上記プロトン交換膜は、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rの位置に、水素(H)が配位している。
【0011】
本発明によるプロトン交換膜は、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rが、(C2 4 OH)である。
【0012】
本発明によるプロトン交換膜は、上記配位高分子金属錯体R2 dtaoMのアルキル基Rが、(C3 6 OH)である。
【0013】
上記第一の構成によれば、プロトン交換膜は、配位高分子金属錯体R2 dtoaM(ここで、Mは金属)により構成される。
また、本発明のプロトン交換膜は、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMの層間に水分子を吸蔵させて、室温において高いプロトン伝導性を備えたことを特徴とする。金属が、とくに遷移金属、好ましくは、銅(Cu),ニッケル(Ni),鉄(Fe)またはコバルト(Co)の何れか一つである。
上記構成によれば、上記配位高分子金属錯体が、プロトンの伝導性を大きくするために層間に水分子を含ませていることから、室温において、プロトン伝導性が非常に高く、かつ、電子伝導性は極めて低くほぼ絶縁体と同様である。
従って、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMが、室温にて高いプロトン伝導性を有し、電子伝導がないから、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として、即ちプロトン交換膜として使用することにより、従来のフッ素系樹脂によるプロトン交換膜と同様のプロトン伝導性を得ることができる。
【0014】
また、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMは、熱的耐久性が150℃程度まであるので、十分に使用に耐え得ることができる。
【0015】
本発明の第二の構成によれば、配位高分子金属錯体R2 dtoaM(ここで、Mは金属)を加圧成型して薄膜化する工程と、上記配位高分子金属錯体に水分子を吸蔵させる工程とにより、プロトン交換膜を生成することを特徴とするものである。
【0016】
また、本発明のプロトン交換膜の製造方法によれば、配位高分子金属錯体R2 dtoaMは、アルキル基Rの位置にH(水素)が配位し、且つ、MをCuとしたH2 dtoaCuであることを特徴とする。
【0017】
本発明のプロトン交換膜の製造方法の上記第二の構成によれば、銅配位高分子錯体(R)2 dtoaCuの薄膜によるプロトン交換膜が、安価な材料により、容易に且つ低コストで製造されることになる。従って、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して低コストで製造することができる。
【0018】
プロトン交換膜が配位高分子金属錯体、即ちポリマーから構成されているので、容易に薄膜化され得ると共に、側鎖であるアルキル基Rの改良により、プロトン伝導性や耐久性をより一層向上させることが可能である。
【0019】
上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rの位置に、H(水素)が配位している場合には、当該配位高分子金属錯体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
なお、この場合、配位高分子金属錯体H2 dtoaMの層間に延びる側鎖が小さいことから、分子中の水分子量が比較的多くなり、より高いプロトン伝導性を得ることが可能である。
【0020】
さらに、本発明のプロトン交換膜の製造方法の第三の構成によれば、ジチオオキサミドをプロパノールアミンと反応させる工程と、上記ジチオオキサミドとプロパノールアミンとの反応生成物を硫酸銅と共にエタノール水溶液中で混合する工程とにより、銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoaCuを生成し、次いで、上記銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoCuを加圧成型して薄膜化する工程と、上記薄膜化した銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoCuに水分子を吸蔵させる工程とを経ることにより、プロトン交換膜を製造することを特徴としている。
【0021】
上記第三の構成によれば、銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoaCuの薄膜によるプロトン交換膜が、安価な材料により、容易に且つ低コストで製造され得ることになる。従って、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して、低コストで製造することができる。
【0022】
このようにして、本発明によれば、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として使用されるプロトン交換膜を、層間に水分子を含む配位高分子金属錯体R2 dtoaMの薄膜により構成することにより、室温において高いプロトン伝導性を有するプロトン交換膜を低コストで提供することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明によるプロトン交換膜の一実施形態の構成を示している。図1において、プロトン交換膜10は、配位高分子金属錯体R2 dtoaMの薄膜である。そして、この配位高分子金属錯体R2 dtoaMの薄膜は多層構造を有しており、その層間に水分子を吸蔵させることにより、室温において高いプロトン(H+ :水素イオン)伝導性を有している。
【0024】
ここで、R2 dtoa(ジチオオキサミド)は、アルキル基Rが、(C2 4 OH)、(C3 6 OH)、また、アルキル基Rの位置に水素(H)が配位された高分子、即ちポリマー材料であり、図2に示す構造式で表わされる。
【0025】
以下、配位高分子金属錯体(C2 4 OH)2 dtoaM(ここでMは、金属)において、Mが遷移金属の銅(Cu)である場合を例にとって説明する。
銅配位高分子錯体R2 dtoaCuは、R2 dtoaに遷移金属のCuが図3に示すように結合した層状の分子構造を有しており、各層間の距離dを有し、層状となり高分子錯体となっている。
ここで、H2 toaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuのdは、それぞれ、5.7Å,9.95Å,11.82Åである。
【0026】
銅配位高分子錯体R2 dtoaCuは、水分子が吸蔵されることにより、プロトン伝導を示す。一方、銅配位高分子錯体R2 dtoaCuは、水素を吸蔵すると還元され、電子伝導を生じるので、プロトンのみを伝導させるプロトン交換膜としては好ましくない。
従って、銅配位高分子錯体R2 dtoaCuは、水素が吸蔵されていない状態、即ち十分に酸化状態となり、電子伝導度が小さい絶縁物状態としてから、十分に水分子を吸蔵させプロトン伝導度を大きくしておく。
【0027】
つぎに、本発明のプロトン交換膜のプロトン伝導度の測定方法について説明する。銅配位高分子錯体R2 dtoaCuは、水素が吸蔵されると電子伝導が生起し、また水分が吸蔵されるとプロトン伝導が生起する。従って、水素と水分子の両方が吸蔵された混在状態においては、電子伝導とプロトン伝導の両方が起こるので、以下のようにしてプロトン伝導度を求めた。
【0028】
銅配位高分子錯体R2 dtoaCuの伝導度を直流で測定すると、直流電源からはプロトンは供給されないので、直流の印加直後にプロトン伝導は起こるがすぐに消滅し、電子による伝導だけになる。これにより、直流伝導度の測定から、直ちに電子伝導度が求まる。
また、銅配位高分子錯体R2 dtoaCuの交流の複素コンダクタンスを測定することにより、プロトン伝導と電子伝導に両方が寄与した伝導度を測定することができる。従って、複素コンダクタンス測定と直流伝導度測定の差としてプロトン伝導度が計算できる。
【0029】
図4は本発明のプロトン交換膜のプロトン伝導率と相対湿度を示す図である。図4において、横軸は相対湿度(RH)で、縦軸がプロトン伝導率σp (S・cm−1)である。ここで、相対湿度(RH)は、銅配位高分子錯体R2 dtoaCuに水分子を吸蔵させるときの湿度である。
図の●,□,◇は、それぞれ、H2 dtoaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuのプロトン伝導率を表している。図において、相対湿度RHが約15%から100%の場合のプロトン伝導率の変化を示している。
何れの銅配位高分子錯体R2 dtoaCuにおいても、相対湿度RHが100%のときに、プロトン伝導率が最大になっていることが分かる。
このとき、H2 dtoaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuのプロトン伝導率は、それぞれ、10−2S・cm−1,3×10−4S・cm−1,5×10−6S・cm−1となる。このときの、イオン輸率はほぼ1である。
2 dtoaCuのプロトン伝導率である10−2S・cm−1は、固体高分子型燃料電池に実用化されているナフィオン膜に匹敵する値である。
【0030】
相対湿度RHが低下すると、何れの銅配位高分子錯体R2 dtoaCuにおいても、プロトン伝導率は低下することが分かる。
このように、水分子が十分に吸蔵されないと、プロトン伝導率が低くプロトン交換膜として動作しない。
【0031】
従って、上記銅配位高分子錯体(R)2 dtoaCuプロトン伝導機構は、従来燃料電池の電解質として使用されているナフィオンにおけるプロトン伝導の機構に類似しているものと推察される。
【0032】
図5は、本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体R2 dtoaCuのダイマー当たりの水分子数を示す表である。水分子数の値は、熱重量分析により測定した。本発明のプロトン交換膜の水分子を吸蔵させる相対湿度RHが100%の条件においては、H2 dtoaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuのダイマー当たりの水分子数は、それぞれ、9.0,3.3,3.3である。
このことから、図5で示したように、プロトン伝導率の大きいH2 dtoaCuは、ダイマー当たりの水分子数が一番大きいことが分かる。
【0033】
また、相対湿度RHが75%においては、上記の銅配位高分子錯体R2 dtoaCuのダイマー当たりの水分子数は、それぞれ、2.8,1.8,2.2と減少することが分かる。このことから、本発明のプロトン交換膜は、R2 dtoaCuの水分子が減少しないように、密封保持することが好ましい。
【0034】
図6は、本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体H2 dtoaCuの熱耐久性を示す図である。図において、横軸は周囲温度(℃)で、縦軸が重量損失(%)である。重量損失の値は、熱重量分析により測定した。
相対湿度RHが0%、75%、100%の場合を示している。相対湿度RHが100%の本発明のプロトン交換膜は、20℃から50℃において約9%の重量損失があるが、50℃から150℃では、重量損失は温度により変化せず、ほぼ一定の約10%となる。そして、150℃以上で再び重量損失が増加する。
これより、本発明のプロトン交換膜であるH2 dtoaCuは、150℃まで使用可能であることが分かる。
【0035】
(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuの重量損失も、また、上記のR2 dtoaCuの重量損失と同様な温度特性を示し、150℃まで使用可能である。
【0036】
本発明によるプロトン交換膜10は以上のように構成されており、以下のように動作する。
即ち、プロトン交換膜10は、上述したように、銅配位高分子錯体R2 dtoaCuの分子中に含まれる水分子を媒介として、室温にて高いプロトン伝導率を示す。特に、H2 dtoaCuの場合には、分子中の水分子がダイマー当たり9分子となって、ナフィオン膜に匹敵する極めて高いプロトン伝導率を示す。
【0037】
従って、本発明のプロトン交換膜10は、従来固体高分子型燃料電池の電解質として使用されるフッ素系樹脂によるプロトン交換膜とほぼ同等のプロトン伝導率を有すると共に、安価な材料により容易に製造され得るので、低コストで製造され、さらに熱的耐久性も150℃程度まであることから、十分に実用化されることができる。
また、上記銅配位高分子錯体であるH2 dtoaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuがポリマーであることから、容易に薄膜として形成することができる。
【0038】
このようにして、水分子を含む銅配位高分子錯体であるH2 dtoaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuに、水分子を吸蔵させた薄膜から成る本発明のプロトン交換膜10は、室温にて高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得る。
【0039】
次に、本発明のプロトン交換膜の製造方法の実施の形態を説明する。始めに、銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoaCuは、新規な材料であるので、その製造方法を説明する。
図7は銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoaCuの薄膜から成るプロトン交換膜の製造方法を示している。
先ず、図7(A)において、ジチオオキサミドとプロパノールアミンを混合すると、中間物質であるN,N’−ビス(3−ヒドロキシプロピル)ジチオオキサミドとアンモニアガスが発生する。
【0040】
次に、上記中間物質を取り出して、図7(B)に示すように、硫酸銅と共に、60℃の5%エタノール水溶液中に入れて混合すると、N,N’−ビス(3−ヒドロキシプロピル)ジチオオキサミダト銅(II)、即ち、上記銅配位高分子錯体(HOC3 6 2 dtoaCuが生成される。
【0041】
上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rの位置に、H(水素)が配位している場合には、配位高分子金属錯体自体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
なお、この場合、配位高分子金属錯体R2 dtoaMの層間に延びる側鎖が小さいことから、分子中の水分子量が多くなり、より高いプロトン伝導性を得ることが可能である。
【0042】
配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rが(C2 4 OH)である場合には、同様にして、配位高分子金属錯体自体は、ジチオオキサミドから容易に製造することができる。
【0043】
このようにして生成された銅配位高分子錯体である(H)2 dtoaCu,(C2 4 OH)2 dtoaCu,(C3 6 OH)2 dtoaCuは、加圧成型することにより、所望の厚さのシート状薄膜を形成する。
【0044】
次に、このシート状薄膜が還元状態にあり、水素吸蔵により電子伝導が生じていないことを調べる。水素吸蔵されている場合には、酸化を行う。
還元状態を測定するためには、上述したように、直流のコンダクタンス測定により水素吸蔵による電子伝導率を求め、判定することができる。
【0045】
次に、還元状態のシート状薄膜を水に浸漬し、水分子を吸蔵させてプロトン伝導率が大きい状態に改質して、プロトン交換膜が製造できる。
これにより、固体高分子型燃料電池の電解質に好適な所望の厚さのシート状薄膜のプロトン交換膜10が形成され得ることになる。この場合、各材料は安価であり、しかも大型の加熱装置等は不要であるので、銅配位高分子錯体(R)2 dtoaCuは、低コストで容易に製造され得る。
【0046】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば上記実施形態においては、プロトン交換膜10が、銅配位高分子錯体R2 dtoaCuにて、アルキル基Rの位置に水素が配位されたH2 dtoaCu、または、アルキル基Rが、(C2 4 OH)または(C3 6 OH)である銅配位高分子錯体R2 dtoaCuから構成されているが、これに限らず、他のアルキル基R、例えば(CH2 OH)であってもよいことは勿論である。
【0047】
また、上述した実施形態においては、銅を中心金属とする銅配位高分子錯体R2 dtoaCuの場合について説明したが、これに限らず他の金属M、例えばニッケル(Ni),鉄(Fe)またはコバルト(Co)等の遷移金属を使用してもよいことは言うまでもない。
【0048】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、プロトン交換膜を構成するR2 dtoa(ジチオオキサミド)の配位高分子金属錯体R2 dtoaMは、室温にて電子伝導性は極めて低くほぼ絶縁体と同様であるが、プロトン伝導性は非常に高い。
したがって、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMが、室温にて高いプロトン伝導性を有することから、例えば固体高分子型燃料電池の電解質として、即ちプロトン交換膜として使用することにより、従来のフッ素系樹脂によるプロトン交換膜と同様のプロトン伝導性を得ることができる。
【0049】
また、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMは、熱的耐久性が150℃程度まであるので、十分に使用に耐え得ることになる。
しかも、上記配位高分子金属錯体R2 dtoaMは、安価な材料から容易に合成することができるので、従来のナフィオン等のフッ素系樹脂と比較して、低コストで製造することができる。
さらに、プロトン交換膜が配位高分子金属錯体、即ちポリマーから構成されているので、容易に薄膜化されると共に、側鎖であるアルキル基Rの改良により、プロトン伝導性や耐久性をより一層向上させることも可能である。
このようにして、本発明によれば、室温で高いプロトン伝導性を有すると共に、低コストで製造され得るようにした、極めて優れたプロトン交換膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるプロトン交換膜の一実施形態の構成を示す概略斜視図である。
【図2】R2 dtoa(ジチオオキサミド)の構造式である。
【図3】銅配位高分子錯体の分子構造を示す概略斜視図である。
【図4】本発明のプロトン交換膜を構成する銅配位高分子錯体の相対湿度とプロトン伝導率との関係を示すグラフである。
【図5】本発明のプロトン交換膜を構成する銅配位高分子錯体の相対湿度における分子中に含まれる水分子数を示す図である。
【図6】本発明のプロトン交換膜である銅配位高分子錯体H2 dtoaCuの熱耐久性を示す図である。
【図7】本発明によるプロトン交換膜の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
10  プロトン交換膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a proton exchange membrane used, for example, as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, regarding environmental issues, fuel cells have been receiving attention as so-called clean energy sources. Such fuel cells are highly efficient and can use a variety of fuels such as natural gas and methanol. Therefore, they are expected to contribute to promoting the substitution of petroleum and have an environmental conservation effect. I have. In particular, polymer electrolyte fuel cells are expected to be widely used as home and portable power supplies because of their features such as high output density and low-temperature operation.
[0003]
By the way, as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, from the viewpoint of chemical, thermal and mechanical stability, conventionally, a film-shaped conductive ion exchange membrane (proton exchange membrane) made of a fluorine resin, for example, Nafion is used. ) Is used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a proton exchange membrane is limited to a fluorinated resin in terms of strength, and its performance improvement has reached its limit.
Further, a proton exchange membrane using a fluorine-based resin, particularly Nafion, is relatively expensive.
[0005]
In view of the above, an object of the present invention is to provide a proton exchange membrane and a method for producing the same, which have high proton conductivity at room temperature and can be produced at low cost.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The object is, according to the first configuration of the present invention, characterized in that the proton exchange membrane is composed of a thin film of a coordination polymer metal complex R 2 dtoaM (where M is a metal).
[0007]
In the present invention, the proton exchange membrane has high proton conductivity at room temperature by absorbing water molecules between layers of the coordination polymer metal complex R 2 dtoa.
[0008]
In the present invention, in the proton exchange membrane, the metal M of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is a transition metal.
[0009]
In the present invention, in the proton exchange membrane, the transition metal is one of copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co).
[0010]
In the present invention, in the proton exchange membrane, hydrogen (H) is coordinated at the position of the alkyl group R of the coordinated polymer metal complex R 2 dtoaM.
[0011]
In the proton exchange membrane according to the present invention, the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is (C 2 H 4 OH).
[0012]
In the proton exchange membrane according to the present invention, the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtaoM is (C 3 H 6 OH).
[0013]
According to the first configuration, the proton exchange membrane is composed of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM (where M is a metal).
Further, the proton exchange membrane of the present invention is characterized by having high proton conductivity at room temperature by absorbing water molecules between the layers of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM. The metal is in particular a transition metal, preferably one of copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe) or cobalt (Co).
According to the above configuration, since the coordination polymer metal complex contains water molecules between layers in order to increase proton conductivity, the proton conductivity is very high at room temperature, and Conductivity is very low and is almost the same as insulator.
Therefore, the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM has high proton conductivity at room temperature and has no electron conduction, so that it is used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, that is, as a proton exchange membrane. Thereby, the same proton conductivity as that of a conventional proton exchange membrane made of a fluorine-based resin can be obtained.
[0014]
Further, the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM has a thermal durability up to about 150 ° C., and thus can sufficiently withstand use.
[0015]
According to the second configuration of the present invention, a step of forming a coordination polymer metal complex R 2 dtoaM (where M is a metal) into a thin film by pressure molding; And forming a proton exchange membrane by the step of storing ozone.
[0016]
Further, according to the method for producing a proton exchange membrane of the present invention, the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is such that H (hydrogen) is coordinated at the position of the alkyl group R, and H 2 where M is Cu. dtoaCu.
[0017]
According to the second configuration of the method for producing a proton exchange membrane of the present invention, a proton exchange membrane made of a thin film of a copper coordination polymer complex (R) 2 dtoaCu can be produced easily and at low cost using an inexpensive material. Will be done. Therefore, it can be manufactured at a lower cost as compared with a conventional fluorine resin such as Nafion.
[0018]
Since the proton exchange membrane is composed of a coordination polymer metal complex, that is, a polymer, it can be easily thinned, and the proton conductivity and durability can be further improved by improving the alkyl group R as a side chain. It is possible.
[0019]
When H (hydrogen) is coordinated at the position of the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM, the coordination polymer metal complex can be easily produced from dithiooxamide. .
In this case, since the side chain extending between the layers of the coordination polymer metal complex H 2 dtoaM is small, the molecular weight of water in the molecule is relatively large, and higher proton conductivity can be obtained.
[0020]
Furthermore, according to the third configuration of the method for producing a proton exchange membrane of the present invention, a step of reacting dithiooxamide with propanolamine, and mixing the reaction product of dithiooxamide and propanolamine in an aqueous ethanol solution together with copper sulfate. Through the steps, a copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoCu is generated, and then the copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoCu is formed into a thin film by pressure molding. It is characterized in that a proton exchange membrane is produced by passing through a step and a step of absorbing water molecules in the thinned copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoCu.
[0021]
According to the third configuration, a proton exchange membrane formed of a thin film of a copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu can be easily and inexpensively manufactured from an inexpensive material. Therefore, it can be manufactured at low cost as compared with a conventional fluorine resin such as Nafion.
[0022]
Thus, according to the present invention, for example, a proton exchange membrane used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell is constituted by a thin film of a coordination polymer metal complex R 2 dtoaM containing water molecules between layers. Accordingly, a proton exchange membrane having high proton conductivity at room temperature can be provided at low cost.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of one embodiment of a proton exchange membrane according to the present invention. In FIG. 1, a proton exchange membrane 10 is a thin film of a coordination polymer metal complex R 2 dtoaM. The thin film of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM has a multilayer structure, and has high proton (H + : hydrogen ion) conductivity at room temperature by absorbing water molecules between the layers. ing.
[0024]
Here, R 2 dtoa (dithiooxamide) has a structure in which the alkyl group R is (C 2 H 4 OH) or (C 3 H 6 OH), and hydrogen (H) is coordinated at the position of the alkyl group R. It is a molecule, that is, a polymer material, and is represented by the structural formula shown in FIG.
[0025]
Hereinafter, a case where M is a transition metal copper (Cu) in the coordination polymer metal complex (C 2 H 4 OH) 2 dtoaM (where M is a metal) will be described as an example.
The copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu has a layered molecular structure in which transition metal Cu is bonded to R 2 dtoa as shown in FIG. 3, has a distance d between each layer, and has a layered structure. It is a molecular complex.
Here, H 2 toaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu of d, respectively, 5.7 Å, 9.95A, is 11.82A.
[0026]
The copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu exhibits proton conduction due to occlusion of water molecules. On the other hand, the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu is reduced as a result of absorbing hydrogen, and causes electron conduction. Therefore, it is not preferable as a proton exchange membrane for conducting only protons.
Therefore, the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu is in a state where hydrogen is not occluded, that is, it is in a sufficiently oxidized state and an insulator state having a small electron conductivity. Keep it large.
[0027]
Next, a method for measuring the proton conductivity of the proton exchange membrane of the present invention will be described. In the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu, electron conduction occurs when hydrogen is absorbed, and proton conduction occurs when moisture is absorbed. Therefore, in a mixed state in which both hydrogen and water molecules are occluded, both electron conduction and proton conduction occur. Therefore, the proton conductivity was determined as follows.
[0028]
When the conductivity of the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu is measured by direct current, proton is not supplied from the direct current power source, so proton conduction occurs immediately after application of direct current but disappears immediately, and only conduction by electrons occurs. Thus, the electronic conductivity is immediately obtained from the measurement of the DC conductivity.
Further, by measuring the complex conductance of alternating current of the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu, it is possible to measure the conductivity contributed to both proton conduction and electron conduction. Therefore, the proton conductivity can be calculated as the difference between the complex conductance measurement and the DC conductivity measurement.
[0029]
FIG. 4 is a diagram showing the proton conductivity and the relative humidity of the proton exchange membrane of the present invention. In FIG. 4, the horizontal axis is relative humidity (RH), and the vertical axis is proton conductivity σ p (S · cm −1 ). Here, the relative humidity (RH) is the humidity when the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu absorbs water molecules.
In the figure, ●, □, and Δ represent the proton conductivity of H 2 dtoaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, and (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu, respectively. The figure shows the change in proton conductivity when the relative humidity RH is about 15% to 100%.
It can be seen that the proton conductivity of any of the copper coordination polymer complexes R 2 dtoaCu is maximized when the relative humidity RH is 100%.
At this time, the proton conductivity of H 2 dtoaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, and (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu is 10 −2 S · cm −1 and 3 × 10 −4 S · cm −1 , 5 × 10 −6 S · cm −1 . At this time, the ion transport number is almost 1.
The proton conductivity of H 2 dtoaCu, 10 −2 S · cm −1, is a value comparable to a Nafion membrane practically used in a polymer electrolyte fuel cell.
[0030]
It can be seen that, when the relative humidity RH decreases, the proton conductivity of any of the copper coordination polymer complexes R 2 dtoaCu decreases.
As described above, if the water molecules are not occluded sufficiently, the proton conductivity is so low that it does not operate as a proton exchange membrane.
[0031]
Therefore, it is inferred that the proton conduction mechanism of the copper coordination polymer complex (R) 2 dtoaCu is similar to the proton conduction mechanism of Nafion conventionally used as an electrolyte of a fuel cell.
[0032]
FIG. 5 is a table showing the number of water molecules per dimer of the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu which is the proton exchange membrane of the present invention. The value of the number of water molecules was measured by thermogravimetric analysis. Under the condition where the relative humidity RH for absorbing water molecules of the proton exchange membrane of the present invention is 100%, H 2 dtoaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, and (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu per dimer The number of water molecules is 9.0, 3.3, and 3.3, respectively.
From this, as shown in FIG. 5, it can be seen that H 2 dtoaCu having a large proton conductivity has the largest number of water molecules per dimer.
[0033]
At a relative humidity RH of 75%, the number of water molecules per dimer of the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu decreases to 2.8, 1.8, and 2.2, respectively. . For this reason, it is preferable that the proton exchange membrane of the present invention be hermetically sealed so that water molecules of R 2 dtoaCu are not reduced.
[0034]
FIG. 6 is a diagram showing the thermal durability of the copper coordination polymer complex H 2 dtoaCu which is the proton exchange membrane of the present invention. In the figure, the horizontal axis is the ambient temperature (° C.), and the vertical axis is the weight loss (%). Weight loss values were determined by thermogravimetric analysis.
The cases where the relative humidity RH is 0%, 75%, and 100% are shown. The proton exchange membrane of the present invention having a relative humidity RH of 100% has a weight loss of about 9% from 20 ° C. to 50 ° C., but from 50 ° C. to 150 ° C., the weight loss does not change with temperature and is almost constant. It is about 10%. Then, at 150 ° C. or higher, the weight loss increases again.
This indicates that H 2 dtoaCu, which is the proton exchange membrane of the present invention, can be used up to 150 ° C.
[0035]
The weight loss of (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu also shows the same temperature characteristics as the above-mentioned weight loss of R 2 dtoaCu, and can be used up to 150 ° C.
[0036]
The proton exchange membrane 10 according to the present invention is configured as described above and operates as follows.
That is, as described above, the proton exchange membrane 10 exhibits a high proton conductivity at room temperature through water molecules contained in the molecules of the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu. In particular, in the case of H 2 dtoaCu, the number of water molecules in the molecule is 9 per dimer, and shows an extremely high proton conductivity comparable to a Nafion membrane.
[0037]
Therefore, the proton exchange membrane 10 of the present invention has a proton conductivity substantially equal to that of a proton exchange membrane made of a fluorine-based resin conventionally used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, and is easily manufactured using inexpensive materials. Therefore, it can be manufactured at low cost and has thermal durability up to about 150 ° C., so that it can be practically used.
Further, since the copper coordination polymer complex, H 2 dtoaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, and (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu, are polymers, they can be easily formed as a thin film. .
[0038]
Thus, a thin film in which water molecules are occluded in H 2 dtoaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, and (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu, which are copper coordination polymer complexes containing water molecules. The resulting proton exchange membrane 10 of the present invention has high proton conductivity at room temperature and can be manufactured at low cost.
[0039]
Next, an embodiment of the method for producing a proton exchange membrane of the present invention will be described. First, since the copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu is a novel material, its manufacturing method will be described.
FIG. 7 shows a method for producing a proton exchange membrane composed of a thin film of a copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu.
First, in FIG. 7A, when dithiooxamide and propanolamine are mixed, N, N′-bis (3-hydroxypropyl) dithiooxamide, which is an intermediate substance, and ammonia gas are generated.
[0040]
Next, as shown in FIG. 7 (B), the above-mentioned intermediate substance is taken out and put into a 5% ethanol aqueous solution at 60 ° C. together with copper sulfate to obtain N, N′-bis (3-hydroxypropyl). Dithiooxamidato copper (II), that is, the above-mentioned copper coordination polymer complex (HOC 3 H 6 ) 2 dtoaCu is produced.
[0041]
When H (hydrogen) is coordinated at the position of the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM, the coordination polymer metal complex itself can be easily produced from dithiooxamide. .
In this case, since the side chain extending between the layers of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is small, the molecular weight of water in the molecule is increased, and higher proton conductivity can be obtained.
[0042]
When the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is (C 2 H 4 OH), the coordination polymer metal complex itself can be easily produced from dithiooxamide.
[0043]
The copper coordination polymer complex (H) 2 dtoaCu, (C 2 H 4 OH) 2 dtoaCu, and (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu thus formed are preferably subjected to pressure molding. To form a sheet-like thin film having a thickness of
[0044]
Next, it is checked that the sheet-like thin film is in a reduced state and no electron conduction is caused by hydrogen absorption. If hydrogen is stored, oxidation is performed.
In order to measure the reduced state, as described above, it is possible to determine and determine the electron conductivity due to hydrogen occlusion by direct current conductance measurement.
[0045]
Next, the sheet-like thin film in the reduced state is immersed in water to absorb water molecules and reform the state to have a high proton conductivity, thereby producing a proton exchange membrane.
Thereby, the proton exchange membrane 10 of a sheet-like thin film having a desired thickness suitable for the electrolyte of the polymer electrolyte fuel cell can be formed. In this case, since each material is inexpensive and a large-sized heating device is not required, the copper coordination polymer complex (R) 2 dtoaCu can be easily manufactured at low cost.
[0046]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that they are also included in the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the proton exchange membrane 10 is made of a copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu, wherein H 2 dtoaCu in which hydrogen is coordinated at the position of the alkyl group R or the alkyl group R is (C 2 H 4 OH) or (although C 3 H 6 OH) copper coordination and a polymer complex R 2 dtoaCu is not limited to this, other alkyl groups R, met for example (CH 2 OH) Of course, it may be possible.
[0047]
Further, in the above-described embodiment, the case of the copper coordination polymer complex R 2 dtoaCu having copper as a central metal has been described. Alternatively, it goes without saying that a transition metal such as cobalt (Co) may be used.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM of R 2 dtoa (dithiooxamide) constituting the proton exchange membrane has extremely low electron conductivity at room temperature and is almost the same as an insulator. However, the proton conductivity is very high.
Therefore, since the above-mentioned coordination polymer metal complex R 2 dtoaM has high proton conductivity at room temperature, it can be used as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, that is, by using it as a proton exchange membrane to obtain the conventional fluorine. It is possible to obtain the same proton conductivity as that of a proton exchange membrane made of a resin.
[0049]
Further, the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM has a thermal durability up to about 150 ° C., and thus can be sufficiently used.
In addition, the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM can be easily synthesized from an inexpensive material, and thus can be manufactured at a lower cost than conventional fluorine resins such as Nafion.
Further, since the proton exchange membrane is composed of a coordination polymer metal complex, that is, a polymer, the membrane can be easily thinned, and the proton conductivity and durability can be further improved by improving the alkyl group R as a side chain. It is also possible to improve.
As described above, according to the present invention, an extremely excellent proton exchange membrane having high proton conductivity at room temperature and capable of being manufactured at low cost is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of one embodiment of a proton exchange membrane according to the present invention.
FIG. 2 is a structural formula of R 2 dtoa (dithiooxamide).
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the molecular structure of a copper coordination polymer complex.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the relative humidity and the proton conductivity of the copper coordination polymer complex constituting the proton exchange membrane of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the number of water molecules contained in the copper coordination polymer complex constituting the proton exchange membrane of the present invention at relative humidity.
FIG. 6 is a view showing the thermal durability of a copper coordination polymer complex H 2 dtoaCu which is a proton exchange membrane of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a method for producing a proton exchange membrane according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10. Proton exchange membrane

Claims (10)

配位高分子金属錯体R2 dtoaM(ここで、Mは金属)からなることを特徴とする、プロトン交換膜。A proton exchange membrane comprising a coordination polymer metal complex R 2 dtoaM (where M is a metal). 前記配位高分子金属錯体R2 dtoaMの層間に水分子を吸蔵させて、室温において高いプロトン伝導性を備えたことを特徴とする、請求項1に記載のプロトン交換膜。 2. The proton exchange membrane according to claim 1, wherein water molecules are occluded between layers of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM to provide high proton conductivity at room temperature. 3. 前記配位高分子金属錯体R2 dtoaMの金属Mが遷移金属であることを特徴とする、請求項1または2に記載のプロトン交換膜。The proton exchange membrane according to claim 1, wherein the metal M of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is a transition metal. 前記遷移金属が、銅(Cu),ニッケル(Ni),鉄(Fe)またはコバルト(Co)の何れか一つであることを特徴とする、請求項3に記載のプロトン交換膜。The proton exchange membrane according to claim 3, wherein the transition metal is one of copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), and cobalt (Co). 前記配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rの位置に、H(水素)が配位していることを特徴とする、請求項1から4の何れかに記載のプロトン交換膜。5. The proton exchange membrane according to claim 1, wherein H (hydrogen) is coordinated at the position of the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM. 前記配位高分子金属錯体R2 dtoaMのアルキル基Rが、(C2 4 OH)であることを特徴とする、請求項1から4の何れかに記載のプロトン交換膜。The proton exchange membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is (C 2 H 4 OH). 前記配位高分子金属錯体R2 dtaoMのアルキル基Rが、(C3 6 OH)であることを特徴とする、請求項1から4の何れかに記載のプロトン交換膜。The proton exchange membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the alkyl group R of the coordination polymer metal complex R 2 dtaoM is (C 3 H 6 OH). 配位高分子金属錯体R2 dtoaM(ここで、Mは金属)を加圧成型して薄膜化する工程と、
上記配位高分子金属錯体に水分子を吸蔵させる工程と、
により、プロトン交換膜を生成することを特徴とする、プロトン交換膜の製造方法。
Pressure-forming a coordination polymer metal complex R 2 dtoaM (where M is a metal) to form a thin film;
Causing the coordination polymer metal complex to absorb water molecules,
A method for producing a proton exchange membrane, comprising:
前記配位高分子金属錯体R2 dtoaMは、アルキル基Rの位置にH(水素)が配位し、且つ、MをCuとしたH2 dtoaCuであることを特徴とする、請求項8に記載のプロトン交換膜の製造方法。9. The coordination polymer metal complex R 2 dtoaM is H 2 dtoaCu in which H (hydrogen) is coordinated at the position of the alkyl group R and M is Cu. 10. A method for producing a proton exchange membrane. ジチオオキサミドをプロパノールアミンと反応させる工程と、上記ジチオオキサミドとプロパノールアミンとの反応生成物を硫酸銅と共にエタノール水溶液中で混合する工程とにより、銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoaCuを生成し、
次いで、上記銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoCuを加圧成型して薄膜化する工程と、
上記薄膜化した銅配位高分子錯体(C3 6 OH)2 dtoCuに水分子を吸蔵させる工程と、
により、プロトン交換膜を生成することを特徴とする、プロトン交換膜の製造方法。
The step of reacting dithiooxamide with propanolamine and the step of mixing the reaction product of dithiooxamide and propanolamine together with copper sulfate in an aqueous ethanol solution form copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoaCu. Generate
Next, pressure-molding the copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoCu to form a thin film,
Causing the thinned copper coordination polymer complex (C 3 H 6 OH) 2 dtoCu to absorb water molecules;
A method for producing a proton exchange membrane, comprising:
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