JP2004349034A - Electrolyte film and fuel cell using the electrolyte film - Google Patents

Electrolyte film and fuel cell using the electrolyte film Download PDF

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秀樹 平岡
Kozo Kubota
耕三 窪田
Takehisa Yamaguchi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte film with high productivity, low cost, and excellent durability in the case of operation as a fuel cell, by solving the problem of permeation of methanol or swelling when used as a direct methanol type fuel cell (DMFC). <P>SOLUTION: The electrolyte film is formed by filling cross-linked polymers having an epoxy-group-containing compound or an oxetanyl-group-containing compound as a component substance into pores of a porous base material. The cross-linked polymers contains an ion-exchange group. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜に関するもので、当該電解質膜は電気化学装置、特に燃料電池、さらに詳細には直接アルコール形燃料電池用途として好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
高分子電解質膜を用いた電気化学装置の一種である固体高分子形燃料電池は、近年電解質膜や触媒技術の発展により性能の向上が著しくなり、低公害自動車用電源や高効率発電方法として注目を集めている。固体高分子形燃料電池は、膜の表面に酸化、還元触媒を有する反応層を形成した構造を有している。固体高分子形燃料電池においては燃料極において、水素分子がプロトンと電子に分解される反応が起き、発生した電子は導線を通って電気部品を作動させて酸素極側に運ばれ、酸素極においては酸素とプロトンと燃料極から導線を通って運ばれてきた電子から水が生成する。また直接メタノール形燃料電池(DMFC)においては燃料極にはメタノールと水が供給され、膜近傍の触媒によってメタノールと水を反応させてプロトンを取り出す。これらの燃料電池には通常ポリパーフルオロスルホン酸からなる電解質膜が使用される。
【0003】
しかしながら、ポリパーフルオロスルホン酸からなる電解質膜は直接メタノール形燃料電池に用いるとメタノールが膜を通過してしまいエネルギーロスが生じるという問題やメタノールにより膨潤して膜面積が大きく変化するため電極と膜の接合部が剥がれる等の不具合を生じ易く、燃料濃度が上げられないという問題がある。また、フッ素原子を有することで材料自体の価格が高く、また製造工程が複雑で生産性が低いため非常に高価であるという経済的問題もある。
【0004】
このため、直接メタノール形燃料電池としたときのメタノール透過を抑制し、しかも安価な炭化水素骨格からなる高分子電解質膜が求められていた。本発明者等による特許文献1において開示された燃料電池用電解質膜は、多孔性基材に安価な高分子電解質を充填してなるもので、高分子電解質が孔内に充填された構造のため高分子電解質のメタノール水溶液による過度な膨潤を防ぐことができ、その結果、メタノールの透過を抑制することができるものである。しかしながら直接メタノール形燃料電池として連続運転した場合の耐久性は充分でなかった。
【0005】
また、上述の高分子電解質膜は、多孔性基材にアクリル酸誘導体等の炭素炭素二重結合を有する単量体を含む混合物を充填し、これをラジカル重合することによって得るものであったが、空気中に存在する酸素により重合が阻害されるため、重合工程を窒素等の不活性ガス雰囲気下で行うかガラス板等で挟んで空気を遮断する必要があった。このため重合雰囲気の不活性ガスによる置換が不十分であったり、前記混合物に溶存酸素が多く存在する場合、ガラス板等と前記混合物を充填した多孔性基材の間に空気による気泡が入る等の原因により、重合が不十分な場所ができ、膜中にピンホール等の欠陥が生じ易くなり問題があった。できあがった膜にピンホール等の欠陥が存在すると燃料電池セルの中で燃料と酸化剤が直接混ざり合い、その結果電池性能が低下したり、セルが損傷する等の恐れがあるためピンホールの発生は好ましくないものである。また燃料電池運転中に発生する過酸化水素に由来するラジカルや使用する材料によっては加水分解によって高分子電解質が分解するため耐久性が不足していた。
【0006】
このようなラジカル重合系重合体はラジカルの存在により解重合を起こして連鎖反応的に分子量が低下することが知られている。また本発明者等が特願2002−311929等において使用している2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸や架橋剤として使用するN,N’−メチレンビスアクリルアミドのようにアミド結合を有している重合体は徐々に加水分解を受けることも知られている。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−83612号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような燃料電池用電解質膜におけるメタノールの透過・膨潤という問題点を解消し、生産性が高く安価で、かつ燃料電池として運転した場合の耐久性に優れる電解質膜を提供すべく検討を行なったものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、エポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物からなる単量体と必要に応じて硬化触媒、溶剤等を加えた混合物(以下、「ポリマー前駆体」と称する。)を、多孔性基材の細孔に充填した後これを硬化および架橋して架橋重合体とし、さらにこの架橋重合体にイオン導伝性基を導入する工程を経て作成した電解質膜が燃料電池としての出力特性と耐久性を併せ持つことを見出して本発明を完成するに至った。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の電解質膜は、多孔性基材の細孔にイオン交換基を有する架橋重合体を充填しており、耐久性を有し、かつ従来のフッ素系電解質膜に比べてメタノール透過性が抑制できるものである。
【0011】
本発明で用いる多孔性基材は、メタノールおよび水に対して実質的に膨潤しない材料であることが好ましく、特に乾燥時に比べて水による湿潤時の面積変化が少ないか、ほとんどないことが望ましい。面積増加率は、浸漬時間や温度によって変化するが、乾燥時に比較して純水に浸漬したときの面積増加率が最大でも20%以下であることが好ましい。
【0012】
本発明の多孔性基材はまた、引張り弾性率が500〜5000MPaであるものが好ましく、さらに好ましくは1000〜5000MPaであり、また破断強度が50〜500MPaを有するのが好ましく、さらに好ましくは100〜500MPaである。
これらの範囲を低い方に外れると充填した重合体がメタノールや水により膨潤しようとする力によって膜が変形し易くなり、高い方に外れると基材が脆くなり過ぎて電極接合時のプレス成形や電池に組み込む際の締付け等によって膜がひび割れたりし易い。また、多孔性基材は燃料電池を運転する際の温度に対して耐熱性を有するものがよく、外力が加えられても容易に延びないものがよい。
そのような性質を持つ材料として、無機材料ではガラスまたはアルミナ若しくはシリカ等のセラミックス等がある。また、有機材料では芳香族ポリイミド等のエンジニアリングプラスチック、ポリオレフィンを放射線の照射や架橋剤を加えて架橋したり延伸する等の方法で外力に対して延び等の変形をし難くしたもの等がある。これらの材料は単独で用いても2種以上を積層する等により複合化して用いてもよい。
【0013】
これらの多孔性基材の中では、延伸ポリオレフィン、架橋ポリオレフィン、延伸後架橋されたポリオレフィン、ポリイミド類からなるものが充填工程の作業性が良く、また柔軟性を有するため電池内でひび割れが生じたりすることが少ないため好ましく、安価な点から前述のポリオレフィンからなるものがさらに好ましい。
【0014】
多孔性基材の空孔率は、5〜95%が好ましく、さらに好ましくは5〜90%、特に好ましくは20〜80%である。また平均孔径は0.001〜100μmの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは0.01〜1μmの範囲である。空孔率が小さすぎると面積当たりのプロトン伝導性基であるプロトン酸基が少なすぎて燃料電池としては出力が低くなり、大きすぎると膜強度が低下し好ましくない。基材の厚さは200μm以下が好ましい。より好ましくは1〜150μm、さらに好ましくは5〜100μm、特に好ましくは5〜50μmである。膜厚が薄すぎると膜強度が低下しメタノールの透過量も増え、厚すぎると膜抵抗が大きくなりすぎ燃料電池の出力が低いため何れも好ましくない。
【0015】
また多孔性基材の表面、特に細孔内表面にイオン交換基を有する架橋重合体が化学的に結合されているのが好ましく、その結合を形成する手段としては多孔性基材を酸化処理してエポキシ基やオキセタニル基と反応することができる、水酸基、カルボキシル基等を導入する方法や、充填したポリマー前駆体を重合させる工程の後に電子線、ガンマ線を照射させて、基材や架橋重合体中に一旦ラジカルが発生させ、これが再結合すると基材と架橋重合体の間に結合が生じる。これらは単独で行っても複数の方法を併用してもよい。
【0016】
本発明の電解質膜は、多孔性基材の細孔内にエポキシ基含有化合物由来またはオキセタニル基含有化合物由来のイオン交換基含有架橋重合体を充填してなる。重合体の充填方法は、多孔性基材にポリマー前駆体を含浸させ、その後に重合し、続いて当該重合体にイオン交換基を導入することによって得ることができる。その際、充填するポリマー前駆体には必要に応じて触媒、硬化剤、界面活性剤等を含んでいてもよい。
【0017】
本発明で使用されるポリマー前駆体の内、エポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物とは、一分子中にエポキシ基またはオキセタニル基を1個以上有する化合物である。その際1官能化合物のみを単独で用いると架橋構造が殆どできないので2官能以上の化合物を混合する必要がある。その際の配合比率はエポキシ基含有化合物の場合では2官能以上の化合物に由来するエポキシ基の数が全エポキシ基の数に対して10%以上となるのが好ましく、さらに好ましくは20%以上である。この割合が10%未満の場合は架橋構造が形成され難く、重合後も流動性があるために電解質膜として機能し難い。またオキセタニル基含有化合物の場合は同様に全オキセタニル基に対して、2官能以上の化合物に由来するオキセタニル基は3%以上が好ましく、さらに好ましくは5%以上である。オキセタニル基含有化合物の方がエポキシ基含有化合物に比べて2官能以上の成分が少なくても良い理由はオキセタニル基含有化合物の重合反応性が高いためである。
【0018】
なお、架橋構造を設けるためには、前述のように多官能のエポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物を用いる以外に、特定の架橋剤を使用することも可能である。例えばエポキシ基含有化合物が硬化反応後に水酸基ができる場合はメチロール化合物で架橋できる。しかしながら、この場合には、酸触媒が必要となったり、イオン交換基の導入に工夫が必要になる等で工程が煩雑になるため、あまり好ましい方法ではない。
【0019】
多孔性基材の細孔にイオン交換基を有している架橋重合体を得るためには、ポリマー前駆体の、エポキシ基含有化合物およびオキセタニル基含有化合物の少なくとも一部がイオン交換基を導入可能な部位を有することが好ましい。このようなイオン交換基導入可能部位としては、直接スルホン化することができるベンゼン環が好ましく、ベンゼン環の6個の炭素原子上に1ないし5個の酸素原子が結合している化合物は、スルホン化等の反応がより起り易いことからさらに好ましい。これらのイオン交換基を導入可能な部位を有する化合物の配合量はポリマー前駆体の内、10質量%以上、好ましくは30質量%以上である。これより少ないとイオン交換容量が少なくなり過ぎて燃料電池等の電気化学装置の性能が劣る恐れがある。
【0020】
好ましいエポキシ基含有化合物およびオキセタニル基含有化合物は、化学式(a)で示されるものである。
【化2】

Figure 2004349034
ここで、Aは酸素原子を含むエポキシ基またはオキセタニル基を有する基であり、Aはベンゼン環に1ないし複数個有しており、複数ある場合は同じでも違っていてもよい。Xは水素またはメチル基、Yは水素、メチル基またはエチル基である。Rのうち少なくとも1つは水素であるが、他は水素または官能基を示し、またRの内の一つは、直接または他の原子もしくは原子鎖を介しての他のベンゼン環との結合でも良い。なお複数のRは同じでも違っていてもよい。nは1〜5の整数である。
Rの内の一つが、直接または他の原子もしくは原子鎖を介しての他のベンゼン環と結合している場合は、化学式(a)で示される化合物は、ベンゼン環が2つ以上有することとなる。
【0021】
本発明で使用することができるエポキシ基含有化合物の具体例のうち、ベンゼン環含有エポキシ化合物としては、化合物(a)に該当するフェニルグリシジルエーテル、クレジルグリシジルエーテル、イソプロピルフェニルグリシジルエーテル、t―ブチルグリシジルエーテル、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、ビスフェノールFジグリシジルエーテル、ビスフェノールSジグリシジルエーテル、ナフタレンジグリシジルエーテル、ビフェニルジグリシジルエーテル、テトラメチルビスフェノールAジグリシジルエーテル、テトラブロモビスフェノールAジグリシジルエーテル、テトラメチルビフェニルジグリシジルエーテル、ハイドロキノンジグリシジルエーテル、レゾルシノールジグリシジルエーテル、フェノールノボラック型グリシジルエーテル、クレゾールノボラック型グリシジルエーテル、トリフェニルメタントリグリシジルエーテル、テトラフェニルエタンテトラグリシジルエーテル、トリグリシジルアミノフェノール、トリグリシジルアミノクレゾール、ビスフェノールヘキサフルオロアセトンジグリシジルエーテル、1,3−ビス〔1−(2,3−エポキシプロポキシ)−1−トリフルオロメチル−2,2,2−トリフルオロエチル〕ベンゼン、1,4−ビス〔1−(2,3−エポキシプロポキシ)−1−トリフルオロメチル−2,2,2−トリフルオロエチル〕ベンゼン等が挙げられる。
また、化合物(a)に該当しないものとして、スチレンオキサイド、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルジアミノキシレン、ジグリシジルアニリン等が挙げられる。
これらの中ではスルホン化等イオン交換基を導入し易い点でグリシジルエーテル型の化合物が好ましい。
【0022】
ベンゼン環を含有しないエポキシ含有化合物はイオン交換基の導入には適さないが、架橋重合体の弾性率、吸水率の調整等の目的でポリマー前駆体に配合することができる。そのような化合物としてはエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリテトラメチレングリコールジグリシジルエーテル、ブタンジオールジグリシジルエーテル、ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、トリグリシジルイソシアヌレート、水添ビスフェノールAジグリシジルエーテル、テトラグリシジル−1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン、2−エチルヘキシルグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル等が挙げられる。
【0023】
本発明で用いるエポキシ基含有化合物を重合させる際の触媒としては、3フッ化ホウ素誘導体や3級アミン、4級アンモニウム塩等が使用できる。このような化合物の具体例としては3フッ化ホウ素、3フッ化ホウ素エチルアミン塩、3フッ化ホウ素ジエチルアミン塩、3フッ化ホウ素トリエチルアミン塩、3フッ化ホウ素ヘキシルアミン塩、3フッ化ホウ素ベンジルアミン塩、3フッ化ホウ素ベンジルアミン塩、3フッ化ホウ素ピペリジン塩、3フッ化ホウ素アニリン塩、ジメチルベンジルアミン、4−ジメチルアミノピリジン、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]ウンデセン−7、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、トリエチレンジアミン、ピペリジン、N,N’−ジメチルピペラジン、イミダゾール、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−エチル−4−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物やその塩が挙げられる。
この中で好ましいものはイミダゾール化合物である。さらに好ましくは2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−エチル−4−メチルイミダゾールである。好ましい理由としては本発明で用いる多孔性基材がポリオレフィン等である場合、硬化温度が高いと基材が収縮する等の問題があるため、硬化温度を150℃以下、より好ましくは130℃以下で行う必要があるが、イミダゾール化合物以外の触媒では重合反応が遅いため生産性が悪くなるからである。
【0024】
これらの触媒の使用量は、エポキシ基含有化合物を含んでなるポリマー前駆体の総質量に対して0.001〜10質量%が好ましく、さらに好ましくは0.001〜5質量%、特に好ましくは0.01〜3質量%である。
【0025】
本発明で使用することができるオキセタニル基含有化合物としては化合物(a)に該当するものが好ましく、具体的には、3−エチル−3−(フェノキシメチル)オキセタン、1,4−ビス{〔(3−エチルオキセタン−3−イル)メトキシ〕メチル}ベンゼン、1,3−ビス{〔(3−エチルオキセタン−3−イル)メトキシ〕メチル}ベンゼン、フェノールノボラックオキセタン、4,4’−ビス〔(3−エチルオキセタン−3−イル)メトキシ〕ビフェニル等が挙げられる。これら化合物はいずれも好ましく使用することができるがフェノールノボラックやビフェニル骨格のものは重合物が硬すぎるため、単官能化合物等で希釈して用いると良い。
【0026】
ベンゼン環を有していないオキセタニル基含有化合物の具体例としては3−エチル−3−ヒドロキシオキセタン、ビス〔1−エチル(3−オキセタニル)〕メチルエーテル、3−エチル−3−(2−エチルヘキシロキシメチル)オキセタン等が挙げられる。これらはイオン交換基の導入には適さないが何れも低粘度であるため、ポリマー前駆体の粘度を下げ多孔性基材への充填を容易にさせる目的や重合体の膨潤性を調製する等の目的で使用することができる。
【0027】
イオン交換基の導入に適さないエポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物を使用する場合、または得られる架橋重合体のイオン交換容量を増す目的で、イオン交換基を導入可能な部位を有しているこれら化合物の硬化剤を用いることができる。当該硬化剤の内、エポキシ基含有化合物用硬化剤の例としては、ベンゼン環を有し、かつカルボキシル基、水酸基若しくはチオール基等を2個以上有するかまたはアミノ基を1個以上有する化合物が挙げられ、オキセタニル基含有化合物用硬化剤の例としては、ベンゼン環を有し、かつカルボキシル基を2個以上有する化合物等が挙げられる。
【0028】
またオキセタニル基含有化合物とエポキシ基含有化合物はカチオン重合において共重合性があることが確認されており、オキセタニル基含有化合物を後述の光や加熱により酸を発生する化合物を用いて重合する際はオキセタニル基含有化合物にエポキシ基含有化合物を混合して用いることができる。オキセタニル基含有化合物にエポキシ基含有化合物を少量添加すると、重合速度が大きく向上するため本発明の電解質膜を連続的に生産する場合に好ましい。
【0029】
オキセタニル基含有化合物を重合させるためのカチオン重合触媒としては、光酸発生剤、すなわち光や加熱により酸を発生する化合物が用いられる。そのような化合物としてはスルホニウム塩やヨードニウム塩が挙げられ、具体的にはサートマー社製、商品名CD−1011、商品名CD−1010、商品名CD−1012;旭電化(株)製、アデカオプトマーSP−150、同SP−152、同SP−170、同SP−172;ローディア社製、商品名フォトイニシエイター2074、チバスペシャリティーケミカル社製、商品名イルガキュアー261;日本曹達(株)製、商品名CI−1370、同2397、同2624、同2639、同2064;三新化学(株)製サンエードSI−60L、同80L、同100L等がある。
【0030】
これらカチオン重合触媒の使用量は、オキセタニル基含有化合物あるいは必要に応じて一部エポキシ基含有化合物を添加してなるポリマー前駆体の総質量に対して0.001〜10質量%が好ましく、さらに好ましくは0.001〜5質量%、特に好ましくは0.01〜3質量%である。
【0031】
オキセタニル基含有化合物を含んでなるポリマー前駆体の重合を紫外線または可視光線で行う場合は照射量を1〜5000mJ/cm、好ましくは100〜2000mJ/cmで行う。照射量がこれ以下の場合は重合が不十分となりやすく、これ以上照射してもそれ以前に充分な重合が起っているためエネルギーの無駄である。
【0032】
本発明において多孔性基材にポリマー前駆体を含浸する際は、エポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物に重合触媒等を混合し液状にしてポリマー前駆体液とすることが好ましい。ポリマー前駆体だけの混合物が低粘度の液体である場合はそのまま含浸に用いることもできる。溶液として用いる場合の溶剤はアニオン重合やカチオン重合を阻害しないものが好ましく、不純物としての水分等もできるだけ取り除いて使用し、水分は500ppmより好ましくは100ppm以下にするのが良い。
【0033】
また含浸作業をより行い易くする目的で含浸中に超音波の照射を行ったり振動を与えたりするのが好ましい。
【0034】
本発明においてイオン交換基は燃料電池用電解質膜とした場合に内部抵抗が低いという点で陽イオン交換基であるのが好ましく、その例としてはカルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、硫酸基等が挙げられる。このうちスルホン酸基はプロトン移動抵抗が小さく燃料電池性能が高くなるため好ましい。
【0035】
このような基を導入するには、公知の方法を採用することができる。このうちスルホン酸基を導入する方法としては、濃硫酸による方法、発煙硫酸による方法、クロロスルホン酸による方法、三酸化硫黄による方法等が挙げられる。このような方法を記した文献としては例えば高分子学会編「高分子化学実験法」東京化学同人p71〜75、日本化学会編「新実験科学講座14(III)」丸善、p1776〜1784(1978)等がある。
【0036】
上記の方法はいずれも強酸を使用するが、エポキシ基含有化合物やオキセタニル基含有化合物に由来する重合体は強い酸によって結合が切れ易いエーテル結合を有しているため、50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは5℃以下でスルホン化を行う必要がある。これ以上の温度でスルホン化を行うと基材の細孔に充填した重合体がスルホン化工程中に分解してしまい電解質膜として機能しなくなるため好ましくない。またスルホン化の際はパークロロエチレン、トリクロロエチレン、クロロホルム、ジクロロメタン、四塩化炭素、ジクロロエチレン等のハロゲン系溶剤を使用することができる。
【0037】
具体的なスルホン化方法の例としてクロロスルホン酸による方法を挙げる。この方法は、多孔性基材にエポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物からなるポリマー前駆体を充填し重合した後に、上述の塩素系溶剤に膜を浸し、膜を浸している容器の外側から氷浴等で冷却しながらクロロスルホン酸またはその塩素系溶剤で希釈した溶液を少しずつ添加していき、添加後は必要な反応が進むまで攪拌することで、まずクロロスルホン化する。これを一旦乾燥し水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等で分解してスルホン酸塩とし、最後に塩酸等の酸でプロトン酸型に変換することでスルホン化を行うことができる。
【0038】
本発明の電解質膜は固体高分子形燃料電池、特に直接メタノール形燃料電池に好ましく用いることができる。このような燃料電池に電解質膜を用いる際は白金に代表される触媒を付与した2枚の電極間に電解質膜を挟んで加熱プレス等によって一体化した電解質膜電極接合体(MEA)とし、燃料電池セルに組み込んで使用することは広く知られており、本発明による電解質膜も同様の方法によってMEAを作成し、燃料電池セルに組み込んで使用することができる。
【0039】
【作用】
本発明の電解質膜は、外力に対して変形し難い材質でできた多孔性基材にプロトン伝導性を有する重合体を充填しているため、充填された重合体が水やメタノールによって膨潤しようとしても物理的にそれを抑えることができ、メタノールの透過を抑制することができる。またポリマー前駆体の重合反応がラジカル反応ではないため、空気中の酸素やポリマー前駆体中に溶存する酸素の影響で重合性が変化することがなく生産性が高い。また、充填された重合体が架橋点を多く有しているため、重合体内でフリーラジカルが生じても全体が溶出するまでには到らずまたラジカルによる解重合等も起らないことからゲル形状を保持することができるため耐久性が高く、固体高分子形燃料電池、特に直接メタノール形燃料電池に好ましく用いることができる。
【0040】
【実施例】
(実施例1)
多孔性基材として架橋ポリエチレン膜(大きさ5cm×6cm、厚さ16μm、空孔率40%、平均孔径約0.1μm)を用いた。エポキシ基含有化合物として、フェニルグリシジルエーテル4.5gおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル3.4gを用い、これに2−エチル−4−メチルイミダゾール0.6gを混合したポリマー前駆体液に前記膜を浸漬させ、当該前駆体液を充填した。次いで、膜を液から引き上げた後、ポリ4フッ化エチレン製シートで膜を挟んで120℃に加熱したオーブンで2時間放置して細孔内部のポリマー前駆体を重合させた。重合工程が終了後、膜を取出して1,2−ジクロロエタン30mlに浸して氷浴により約1℃に冷却した。膜を浸した容器を攪拌しながら、ここへ1体積%に希釈したクロロスルホン酸の1,2−ジクロロエタン溶液71mlを10分かけて滴下し、滴下終了後20分攪拌を続けた。次に攪拌を止めて、膜を取出し、1,2−ジクロロエタンで3回洗浄し自然乾燥させた。次にこの膜を1N水酸化カリウム水溶液に室温下で20時間浸漬し、これを水洗した。最後に1Nの塩酸水溶液に2時間浸漬してから表面に付着している余分な重合体をプラスチック製ヘラで掻き取り蒸留水で洗浄して乾燥して電解質膜を得た。得られた電解質膜の評価結果を表1にまとめた。
【0041】
(実施例2)
エポキシ基含有化合物を、フェニルグリシジルエーテル4.5gおよびビスフェノールFジグリシジルエーテル(油化シェルエポキシ(株)製、商品名エピコート807)6.1gとしたこと以外は実施例1に準じて電解質膜を作成し、評価を行った。その結果を表1に示す。
【0042】
(実施例3)
実施例1で使用した多孔性基材を用い、ポリマー前駆体として、3−エチル−3−(フェノキシメチル)オキセタン(東亞合成(株)製、商品名アロンオキセタンOXT−211)5.8g、1,3−ビス〔(3−エチルオキセタン−3−イル)メトキシ〕ベンゼン(東亞合成(株)製、商品名アロンオキセタンRSOX)6.0gおよび光酸発生剤(旭電化(株)製、商品名アデカオプトマーSP150)0.12gからなる混合液を用い、実施例1と同様にポリマー前駆体を充填した。ポリマー前駆体充填後、厚さ25μmのPETフィルムで挟んで、高圧水銀ランプで紫外線を1000mJ/cm照射して重合を行った。重合工程の後は実施例1に準じて電解質膜を作成し、評価を行った。その結果を表1に示す。
【0043】
(実施例4)
実施例1で使用した多孔性基材を用い、ポリマー前駆体として、3−エチル−3−(フェノキシメチル)オキセタン(東亞合成(株)製、商品名アロンオキセタンOXT−211)5.8g、1,4−ビス{〔(3−エチルオキセタン−3−イル)メトキシ〕メチル}ベンゼン(東亞合成(株)製、商品名アロンオキセタンOXT−121)6.5gおよび光酸発生剤(旭電化(株)製、商品名アデカオプトマーSP150)0.12gからなる混合液を用い実施例1と同様にポリマー前駆体を充填した。ポリマー前駆体充填後厚さ25μmのPETフィルムで挟んで、高圧水銀ランプで紫外線を1000mJ/cm照射して重合を行った。重合工程の後は実施例1に準じて電解質膜を作成し、評価を行った。その結果を表1に示す。
【0044】
(実施例5)化学式(a)の化合物の効果確認
エポキシ基含有化合物を、スチレンオキサイド3.6gおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル3.4gとしたこと以外は実施例1に準じて電解質膜を作成し、評価を行ったところ、イオン交換容量は0.1meq/gであり電解質膜としての機能は極めて低いものであった。このためエチレングリコールジグリシジルエーテルの代わりにビスフェノールFジグリシジルエーテル(油化シェルエポキシ(株)製、商品名エピコート807)6.1gとしたところスルホン酸が導入され電解質膜として機能することがわかった。このため化学式(a)の構造を有する化合物にはスルホン酸基の導入が容易に起こることが判明した。化学式(a)の構造を有さないスチレンオキサイドはスルホン酸導入には適さないが共重合成分としては好ましく使用することができる。本実施例で作成した膜の内、後者のものについての評価結果を表1に示す。
【0045】
(比較例1)
実施例1で使用した多孔性基材(膜)を用い、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸10g、N,N’−メチレンビスアクリルアミド0.1g、ノニオン性界面活性剤0.001g、過硫酸アンモニウム(水素引き抜き型光重合開始剤)0.001gおよび水10gからなるポリマー前駆体水溶液に窒素ガスを吹き込んで酸素を除去した後、前記膜を浸漬させ当該水溶液を充填させた。次いで、当該膜を溶液から引き上げた後、ガラスで挟んで80℃に加熱したオーブンで2時間放置して細孔内部のポリマー前駆体を重合させた。得られた膜について評価を行った結果を表1に示す。
【0046】
(比較例2)
市販のパーフルオロアルキルスルホン酸製の電解質膜(デュポン社製、商品名ナフィオン115)について評価を行った結果を表1に示す。
【0047】
【表1】
Figure 2004349034
【0048】
(電解質膜の評価方法)
▲1▼イオン交換容量
得られた電解質膜を0.01N水酸化ナトリウム水溶液20mlに浸して密栓し、50℃で2時間放置後室温まで冷却した後に膜を取出した。膜を取出す際、蒸留水で数回膜を洗浄し残りの水酸化ナトリウム水溶液に加えた。この液を0.01Nの塩酸水溶液で滴定し、消費された塩酸のモル数を電解質膜の乾燥重量で割ってイオン交換容量とした。
▲2▼プロトン伝導性
25℃における膨潤試料の伝導度測定を行なった。純水に1時間浸して膨潤させた電解質膜を2枚の白金板で挟み込み測定用試料とした。その後、100Hzから40MHzの交流インピーダンス測定を実施して、伝導率を測定した。
▲3▼メタノール透過性
25℃における浸透実験を以下のように行なった。電解質膜を透析用ガラス製セルに挟み、一方のセルに10%メタノール水溶液を入れ、もう一方のセルに純水を入れた。純水側に浸透するメタノール量をガスクロマトグラフ分析により経時的に測定し、定常状態になった時の透過係数を測定した。透過係数が低い((透過係数)−1が大きい)ほど、電解質膜中をメタノールが透過し難く、燃料電池用途に適していることを示す。
▲4▼耐久性(強制劣化試験)
電池内で発生する過酸化水素によるポリマーの劣化現象を確認する代わりに強制劣化により評価するため、0.5%過酸化水素および0.005%硫酸第二鉄7水和物を含む水溶液を調整し、その中に電解質膜を浸し、70℃で2時間放置した後、電解質膜を引き上げた。試験前後の重量変化から電解質膜中の充填ポリマーの残存率を求めた。残存率が小さいほど、電池として運転した時の劣化が早く、大きいほど劣化し難いことを示す。実施例はいずれも比較例1より劣化が少ないことを確認した。
▲5▼メタノール水溶液中での面積変化率
電解質膜を70℃で2時間真空乾燥して面積を測定後、25℃の10%メタノール水溶液に1時間浸漬して面積を測定。下記式により面積変化率を求めた。
面積変化率=100×(メタノール水溶液膨潤後の面積−乾燥時面積)/乾燥時面積
【0049】
(実施例6)
得られた膜が燃料電池として機能することを確認するため実施例1で作成した膜をDMFCセルに組み込んで評価を行った。
酸素極用に白金担持カーボン(田中貴金属工業(株)製:TEC10E50E)、および燃料極用に白金ルテニウム合金担持カーボン(田中貴金属工業(株)製:TEC61E54)をそれぞれ用い、これらの触媒粉末に高分子電解質溶液(デュポン社製:ナフィオン5%溶液)とポリテトラフルオロエチレンディスパージョンを配合し、水を適宜加えて攪拌して反応層用塗料を得た。これをスクリーン印刷法でカーボンペーパー(東レ(株)製:TGP−H−060)の片面に印刷し乾燥して電極とした。その際酸素極側は白金量が1mg/cm、燃料極側は白金とルテニウムの総量が3mg/cmとした。これらを実施例1で得られた電解質膜の中央部に塗料面を内側にして重ね合せ、120℃で加熱プレスし燃料電池用膜電極接合体(MEA)を作成した。これをDMFC単セルに組み込んで運転し、性能を確認した。DMFC運転条件はセル温度を50℃とし、燃料極へ濃度2mol/lのメタノール水溶液を10ml/分で供給し、酸素極には純酸素を100ml/分で供給した。電流値を上げながら電圧を読み取り図1の電流密度−電圧曲線を得た。
【0050】
【発明の効果】
本発明の電解質膜は、従来燃料電池用電解質膜に用いられてきたポリパーフルオロスルホン酸系電解質膜をDMFCに用いる場合に問題とされていたメタノール透過の問題を克服し、さらに炭化水素系電解質重合体を使用することによって問題となっていた膜作成時の酸素による重合阻害の影響がないため生産性が良好になる。また耐久性も向上させることができる。
これは充分な強度と弾性率を有する多孔性基材の細孔にプロトン導電性を有する架橋重合体を充填したことによって、水やメタノールが透過し難くなるためと、架橋重合体の高度な架橋構造によって燃料電池運転中に充填した重合体が分解して細孔から脱落するのを防止するためである。
これらのため、本発明の電解質膜は燃料電池としての出力特性と耐久性を併せ持ち、燃料電池等用途として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例6の燃料電池における電流密度−電圧曲線を示したグラフである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is suitable for use in an electrochemical device, particularly a fuel cell, and more specifically, a direct alcohol fuel cell.
[0002]
[Prior art]
The performance of polymer electrolyte fuel cells, a type of electrochemical device using polymer electrolyte membranes, has been remarkably improved due to the development of electrolyte membranes and catalyst technology in recent years, and has attracted attention as a power source for low-emission vehicles and a high-efficiency power generation method. Are gathering. A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a reaction layer having an oxidation and reduction catalyst is formed on the surface of a membrane. In a polymer electrolyte fuel cell, a reaction occurs in which hydrogen molecules are decomposed into protons and electrons at the fuel electrode, and the generated electrons are transported to the oxygen electrode side by operating electrical components through a conducting wire. In water, water is generated from oxygen, protons, and electrons transported from the anode through a conductor. In a direct methanol fuel cell (DMFC), methanol and water are supplied to a fuel electrode, and a catalyst near the membrane reacts methanol and water to extract protons. In these fuel cells, an electrolyte membrane made of polyperfluorosulfonic acid is usually used.
[0003]
However, when the electrolyte membrane made of polyperfluorosulfonic acid is used in a direct methanol fuel cell, methanol passes through the membrane and energy loss occurs. However, there is a problem in that a problem such as peeling of the joint portion easily occurs, and the fuel concentration cannot be increased. Further, there is an economical problem that the material itself is expensive due to having a fluorine atom, and it is very expensive due to a complicated manufacturing process and low productivity.
[0004]
For this reason, there has been a demand for a polymer electrolyte membrane comprising a hydrocarbon skeleton, which suppresses methanol permeation in a direct methanol fuel cell and is inexpensive. The electrolyte membrane for a fuel cell disclosed in Patent Document 1 by the present inventors comprises a porous substrate filled with an inexpensive polymer electrolyte, and has a structure in which the polymer electrolyte is filled in pores. Excessive swelling of the polymer electrolyte by the aqueous methanol solution can be prevented, and as a result, permeation of methanol can be suppressed. However, durability in continuous operation as a direct methanol fuel cell was not sufficient.
[0005]
Further, the above-mentioned polymer electrolyte membrane is obtained by filling a porous substrate with a mixture containing a monomer having a carbon-carbon double bond such as an acrylic acid derivative, and subjecting the mixture to radical polymerization. Since the polymerization is inhibited by oxygen present in the air, it is necessary to shut off the air by performing the polymerization step in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or by sandwiching the glass plate or the like. For this reason, if the replacement with the inert gas in the polymerization atmosphere is insufficient or if the mixture contains a large amount of dissolved oxygen, air bubbles enter between the glass plate or the like and the porous substrate filled with the mixture. In some cases, insufficient polymerization occurs in some places, causing defects such as pinholes in the film. If a defect such as a pinhole exists in the formed film, the fuel and the oxidizing agent are directly mixed in the fuel cell, and as a result, there is a possibility that the cell performance may be reduced or the cell may be damaged. Is not preferred. In addition, depending on radicals derived from hydrogen peroxide generated during operation of the fuel cell and on the materials used, the polymer electrolyte is decomposed by hydrolysis, so that the durability was insufficient.
[0006]
It is known that such a radical polymerization-based polymer undergoes depolymerization due to the presence of a radical, and the molecular weight decreases in a chain reaction. Further, it has an amide bond such as 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid used by the present inventors in Japanese Patent Application No. 2002-311929 and N, N'-methylenebisacrylamide used as a crosslinking agent. It is also known that some polymers undergo gradual hydrolysis.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-83612
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the problems of permeation and swelling of methanol in the fuel cell electrolyte membrane as described above, and provides an electrolyte membrane having high productivity, low cost, and excellent durability when operated as a fuel cell. The study was conducted in order to do so.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, and as a result, a mixture obtained by adding a monomer composed of an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound and, if necessary, a curing catalyst, a solvent, etc. ) Is filled into the pores of the porous substrate, and then cured and cross-linked to form a cross-linked polymer, and further a step of introducing an ion-conductive group into the cross-linked polymer. The inventors have found that the prepared electrolyte membrane has both output characteristics and durability as a fuel cell, and have completed the present invention.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The electrolyte membrane of the present invention is filled with a crosslinked polymer having an ion-exchange group in the pores of a porous substrate, has durability, and suppresses methanol permeability as compared with a conventional fluorine-based electrolyte membrane. You can do it.
[0011]
The porous base material used in the present invention is preferably a material that does not substantially swell with methanol and water, and it is particularly desirable that the area change when wet with water is small or little compared to when dry. The area increase rate varies depending on the immersion time and temperature, but it is preferable that the area increase rate when immersed in pure water is 20% or less at the maximum as compared with the time of drying.
[0012]
The porous substrate of the present invention also preferably has a tensile modulus of 500 to 5000 MPa, more preferably 1000 to 5000 MPa, and preferably has a breaking strength of 50 to 500 MPa, more preferably 100 to 500 MPa. 500 MPa.
If these ranges are deviated to the lower side, the filled polymer tends to be deformed by the force of swelling with methanol or water, and if deviated to the higher side, the base material becomes too brittle and press molding at the time of electrode bonding and The membrane is likely to crack due to tightening or the like when assembled in the battery. The porous substrate preferably has heat resistance to the temperature at which the fuel cell is operated, and preferably does not easily expand even when an external force is applied.
Examples of materials having such properties include inorganic materials such as glass and ceramics such as alumina and silica. Examples of the organic materials include engineering plastics such as aromatic polyimides, and those in which polyolefins are hardly deformed by elongation against external force by a method such as irradiation or irradiation with a cross-linking agent, cross-linking or stretching. These materials may be used alone or may be used as a composite by laminating two or more kinds.
[0013]
Among these porous substrates, those comprising stretched polyolefin, cross-linked polyolefin, cross-linked polyolefin after stretching, and polyimides have good workability in the filling step, and have cracks in the battery due to their flexibility. It is preferable to use the above-mentioned polyolefin from the viewpoint of low cost.
[0014]
The porosity of the porous substrate is preferably from 5 to 95%, more preferably from 5 to 90%, and particularly preferably from 20 to 80%. Further, the average pore size is preferably in the range of 0.001 to 100 μm, and more preferably in the range of 0.01 to 1 μm. If the porosity is too small, the proton acid group, which is a proton conductive group per area, is too small, resulting in a low output for a fuel cell. If the porosity is too large, the membrane strength is undesirably reduced. The thickness of the substrate is preferably 200 μm or less. It is more preferably from 1 to 150 μm, further preferably from 5 to 100 μm, particularly preferably from 5 to 50 μm. If the film thickness is too small, the membrane strength is reduced and the amount of permeation of methanol is increased. If the film thickness is too large, the membrane resistance becomes too large and the output of the fuel cell is low.
[0015]
Further, it is preferable that a crosslinked polymer having an ion exchange group is chemically bonded to the surface of the porous substrate, particularly to the inner surface of the pores. As a means for forming the bond, the porous substrate is subjected to oxidation treatment. A method of introducing a hydroxyl group, a carboxyl group, etc., which can react with an epoxy group or an oxetanyl group, or irradiating an electron beam or a gamma ray after the step of polymerizing a filled polymer precursor, thereby obtaining a substrate or a crosslinked polymer. Once radicals are generated in the inside, and when they are recombined, a bond is formed between the substrate and the crosslinked polymer. These may be performed alone or in combination of a plurality of methods.
[0016]
The electrolyte membrane of the present invention is obtained by filling the pores of a porous substrate with an ion-exchange group-containing crosslinked polymer derived from an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound. The method for filling the polymer can be obtained by impregnating a porous substrate with a polymer precursor, polymerizing the porous substrate, and subsequently introducing an ion exchange group into the polymer. At that time, the polymer precursor to be filled may contain a catalyst, a curing agent, a surfactant, and the like, if necessary.
[0017]
Among the polymer precursors used in the present invention, the epoxy group-containing compound or oxetanyl group-containing compound is a compound having one or more epoxy groups or oxetanyl groups in one molecule. In this case, if only a monofunctional compound is used alone, a crosslinked structure can hardly be formed, and therefore it is necessary to mix bifunctional or more compounds. In the case of an epoxy group-containing compound, the number of epoxy groups derived from a compound having two or more functional groups is preferably 10% or more, and more preferably 20% or more, based on the total number of epoxy groups. is there. When this ratio is less than 10%, a crosslinked structure is hardly formed, and since it has fluidity even after polymerization, it does not easily function as an electrolyte membrane. In the case of the oxetanyl group-containing compound, the oxetanyl group derived from a compound having two or more functional groups is preferably 3% or more, more preferably 5% or more, based on all oxetanyl groups. The reason that the oxetanyl group-containing compound may have less bifunctional or more functional components than the epoxy group-containing compound is that the oxetanyl group-containing compound has higher polymerization reactivity.
[0018]
In order to provide a crosslinked structure, it is possible to use a specific crosslinking agent in addition to using a polyfunctional epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound as described above. For example, when a hydroxyl group is formed in the epoxy group-containing compound after the curing reaction, it can be crosslinked with a methylol compound. However, in this case, it is not a very preferable method because an acid catalyst is required or a step is required to introduce an ion exchange group, which complicates the process.
[0019]
In order to obtain a crosslinked polymer having ion exchange groups in the pores of the porous substrate, at least a part of the epoxy group-containing compound and the oxetanyl group-containing compound of the polymer precursor can introduce an ion exchange group. It is preferable to have a unique site. As such a site into which an ion exchange group can be introduced, a benzene ring which can be directly sulfonated is preferable, and a compound having 1 to 5 oxygen atoms bonded to 6 carbon atoms of the benzene ring is preferably a sulfone. It is more preferable because a reaction such as conversion is more likely to occur. The compounding amount of the compound having a site into which the ion exchange group can be introduced is 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more of the polymer precursor. If it is less than this, the ion exchange capacity becomes too small, and the performance of an electrochemical device such as a fuel cell may be deteriorated.
[0020]
Preferred epoxy group-containing compounds and oxetanyl group-containing compounds are those represented by the chemical formula (a).
Embedded image
Figure 2004349034
Here, A is a group having an epoxy group or an oxetanyl group containing an oxygen atom, and A has one or more benzene rings, and when there are a plurality of them, they may be the same or different. X is hydrogen or a methyl group, and Y is hydrogen, a methyl group or an ethyl group. At least one of R is hydrogen, the other represents hydrogen or a functional group, and one of R is bonded to another benzene ring directly or through another atom or an atom chain. good. A plurality of Rs may be the same or different. n is an integer of 1 to 5.
When one of R is bonded to another benzene ring directly or via another atom or an atomic chain, the compound represented by the chemical formula (a) has two or more benzene rings. Become.
[0021]
Among the specific examples of the epoxy group-containing compound that can be used in the present invention, the benzene ring-containing epoxy compound includes phenyl glycidyl ether, cresyl glycidyl ether, isopropylphenyl glycidyl ether, t-butyl corresponding to compound (a). Glycidyl ether, bisphenol A diglycidyl ether, bisphenol F diglycidyl ether, bisphenol S diglycidyl ether, naphthalenediglycidyl ether, biphenyl diglycidyl ether, tetramethylbisphenol A diglycidyl ether, tetrabromobisphenol A diglycidyl ether, tetramethylbiphenyl Diglycidyl ether, hydroquinone diglycidyl ether, resorcinol diglycidyl ether, phenol novolak type Lysidyl ether, cresol novolak glycidyl ether, triphenylmethane triglycidyl ether, tetraphenylethane tetraglycidyl ether, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol, bisphenol hexafluoroacetone diglycidyl ether, 1,3-bis [1- (2,3-epoxypropoxy) -1-trifluoromethyl-2,2,2-trifluoroethyl] benzene, 1,4-bis [1- (2,3-epoxypropoxy) -1-trifluoromethyl- 2,2,2-trifluoroethyl] benzene and the like.
In addition, styrene oxide, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, tetraglycidyldiaminoxylene, diglycidylaniline, and the like are not included in the compound (a).
Among these, a glycidyl ether type compound is preferable because an ion exchange group such as sulfonation can be easily introduced.
[0022]
Epoxy-containing compounds that do not contain a benzene ring are not suitable for introducing ion-exchange groups, but can be added to the polymer precursor for the purpose of adjusting the elastic modulus and water absorption of the crosslinked polymer. Such compounds include ethylene glycol diglycidyl ether, propylene glycol diglycidyl ether, polyethylene glycol diglycidyl ether, polypropylene glycol diglycidyl ether, polytetramethylene glycol diglycidyl ether, butanediol diglycidyl ether, hexanediol diglycidyl ether, Neopentyl glycol diglycidyl ether, triglycidyl isocyanurate, hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether, tetraglycidyl-1,3-bisaminomethylcyclohexane, 2-ethylhexyl glycidyl ether, pentaerythritol polyglycidyl ether, and the like.
[0023]
As a catalyst for polymerizing the epoxy group-containing compound used in the present invention, boron trifluoride derivatives, tertiary amines, quaternary ammonium salts, and the like can be used. Specific examples of such compounds include boron trifluoride, boron trifluoride ethylamine, boron trifluoride diethylamine, boron trifluoride triethylamine, boron trifluoride hexylamine, boron trifluoride benzylamine, and the like. Boron trifluoride benzylamine salt, boron trifluoride piperidine salt, boron trifluoride aniline salt, dimethylbenzylamine, 4-dimethylaminopyridine, 1,8-diazabicyclo [5,4,0] undecene-7,2 -(Dimethylaminomethyl) phenol, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol, triethylenediamine, piperidine, N, N'-dimethylpiperazine, imidazole, 2-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole , 2-undecylimidazole, 2-hepta Examples thereof include imidazole compounds such as decyl imidazole, 2-phenylimidazole, 1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole and salts thereof.
Preferred among these are imidazole compounds. More preferred are 2-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole and 1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole. As a preferable reason, when the porous substrate used in the present invention is a polyolefin or the like, there is a problem such as shrinkage of the substrate when the curing temperature is high, so that the curing temperature is 150 ° C. or lower, more preferably 130 ° C. or lower. This is because the polymerization reaction is slow with a catalyst other than the imidazole compound, so that productivity is deteriorated.
[0024]
The use amount of these catalysts is preferably 0.001 to 10% by mass, more preferably 0.001 to 5% by mass, and particularly preferably 0 to 10% by mass with respect to the total mass of the polymer precursor containing the epoxy group-containing compound. 0.01 to 3% by mass.
[0025]
As the oxetanyl group-containing compound that can be used in the present invention, those corresponding to compound (a) are preferable, and specifically, 3-ethyl-3- (phenoxymethyl) oxetane, 1,4-bis} [( 3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] methyl} benzene, 1,3-bis {[(3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] methyl} benzene, phenol novolak oxetane, 4,4′-bis [( 3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] biphenyl and the like. Any of these compounds can be preferably used, but those having a phenol novolak or a biphenyl skeleton are preferably used after dilution with a monofunctional compound or the like because the polymer is too hard.
[0026]
Specific examples of the oxetanyl group-containing compound having no benzene ring include 3-ethyl-3-hydroxyoxetane, bis [1-ethyl (3-oxetanyl)] methyl ether, and 3-ethyl-3- (2-ethylhexane). (Siloxymethyl) oxetane and the like. These are not suitable for introducing ion-exchange groups, but all have a low viscosity, so that the viscosity of the polymer precursor is lowered and the purpose of facilitating the filling of the porous substrate or the swelling property of the polymer is adjusted. Can be used for purpose.
[0027]
When using an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound that is not suitable for introducing an ion-exchange group, or for the purpose of increasing the ion-exchange capacity of the obtained crosslinked polymer, it has a site where an ion-exchange group can be introduced. Curing agents of these compounds can be used. Among the curing agents, examples of the curing agent for an epoxy group-containing compound include compounds having a benzene ring and having two or more carboxyl groups, hydroxyl groups or thiol groups, or having one or more amino groups. Examples of the curing agent for the oxetanyl group-containing compound include compounds having a benzene ring and having two or more carboxyl groups.
[0028]
In addition, it has been confirmed that the oxetanyl group-containing compound and the epoxy group-containing compound have copolymerizability in cationic polymerization, and when the oxetanyl group-containing compound is polymerized using a compound that generates an acid by light or heating as described below, oxetanyl is used. An epoxy group-containing compound can be used as a mixture with the group-containing compound. The addition of a small amount of the epoxy group-containing compound to the oxetanyl group-containing compound is preferable when the electrolyte membrane of the present invention is continuously produced because the polymerization rate is greatly improved.
[0029]
As the cationic polymerization catalyst for polymerizing the oxetanyl group-containing compound, a photoacid generator, that is, a compound that generates an acid by light or heating is used. Examples of such a compound include a sulfonium salt and an iodonium salt, specifically, manufactured by Sartomer Co., Ltd., trade name CD-1011, trade name CD-1010, trade name CD-1012; Asahi Denka Co., Ltd., Adeka Opto Mer SP-150, SP-152, SP-170, SP-172; Rhodia Co., Ltd., trade name Photo Initiator 2074, Ciba Specialty Chemical Co., Ltd., trade name Irgacure 261; Nippon Soda Co., Ltd. CI-1370, 2397, 2624, 2639, and 2064 (trade names); Sanade SI-60L, 80L, and 100L manufactured by Sanshin Chemical Co., Ltd.
[0030]
The use amount of these cationic polymerization catalysts is preferably 0.001 to 10% by mass, more preferably 0.001 to 10% by mass, based on the total mass of the oxetanyl group-containing compound or the polymer precursor obtained by partially adding the epoxy group-containing compound as required. Is 0.001 to 5% by mass, particularly preferably 0.01 to 3% by mass.
[0031]
When the polymerization of the polymer precursor containing the oxetanyl group-containing compound is performed by ultraviolet light or visible light, the irradiation amount is 1 to 5000 mJ / cm. 2 , Preferably 100 to 2000 mJ / cm 2 Do with. If the irradiation amount is less than this, polymerization tends to be insufficient, and even if irradiation is performed further, sufficient polymerization has occurred before that, so that energy is wasted.
[0032]
When the porous substrate is impregnated with the polymer precursor in the present invention, it is preferable to mix the epoxy group-containing compound or the oxetanyl group-containing compound with a polymerization catalyst or the like to form a liquid, thereby obtaining a polymer precursor liquid. When a mixture of only the polymer precursor is a low-viscosity liquid, it can be used for impregnation as it is. When used as a solution, the solvent is preferably one that does not inhibit anionic polymerization or cationic polymerization, and water used as impurities is removed as much as possible. The water content is preferably 500 ppm, more preferably 100 ppm or less.
[0033]
It is preferable to irradiate ultrasonic waves or apply vibration during the impregnation for the purpose of making the impregnation work easier.
[0034]
In the present invention, the ion exchange group is preferably a cation exchange group in terms of low internal resistance when used as an electrolyte membrane for a fuel cell, and examples thereof include a carboxyl group, a sulfonic group, a phosphonic group, and a sulfate group. And the like. Among them, a sulfonic acid group is preferable because proton transfer resistance is small and fuel cell performance is high.
[0035]
In order to introduce such a group, a known method can be adopted. Among them, methods for introducing a sulfonic acid group include a method using concentrated sulfuric acid, a method using fuming sulfuric acid, a method using chlorosulfonic acid, a method using sulfur trioxide, and the like. Documents describing such a method include, for example, “Polymer Chemistry Experimental Method” edited by the Society of Polymer Science, Tokyo Chemical Doujins, p71-75, “New Experimental Science Course 14 (III)” edited by The Chemical Society of Japan, Maruzen, p1776-1784 (1978) ).
[0036]
All of the above methods use a strong acid, but a polymer derived from an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound has an ether bond that can be easily broken by a strong acid, and thus is 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. It is necessary to carry out the sulfonation at a temperature of not more than 5 ° C, more preferably at most 5 ° C. If the sulfonation is carried out at a temperature higher than this, the polymer filled in the pores of the substrate is decomposed during the sulfonation step, and the polymer does not function as an electrolyte membrane. In the case of sulfonation, halogen solvents such as perchlorethylene, trichloroethylene, chloroform, dichloromethane, carbon tetrachloride, and dichloroethylene can be used.
[0037]
An example of a specific sulfonation method is a method using chlorosulfonic acid. In this method, after filling and polymerizing a polymer precursor comprising an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound in a porous substrate, the film is immersed in the above-mentioned chlorinated solvent, and ice is applied from the outside of the vessel in which the film is immersed. While cooling in a bath or the like, chlorosulfonic acid or a solution thereof diluted with a chlorinated solvent is added little by little, and after the addition, the mixture is stirred until the required reaction proceeds, thereby first chlorosulfonating. This is once dried, decomposed with a sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution or the like to form a sulfonic acid salt, and finally converted to a proton acid form with an acid such as hydrochloric acid, whereby sulfonation can be performed.
[0038]
The electrolyte membrane of the present invention can be preferably used for a polymer electrolyte fuel cell, particularly for a direct methanol fuel cell. When an electrolyte membrane is used in such a fuel cell, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is formed by sandwiching the electrolyte membrane between two electrodes provided with a catalyst typified by platinum by a heat press, etc. It is widely known that the electrolyte membrane according to the present invention is used by incorporating it into a battery cell, and an MEA can be prepared in the same manner as the electrolyte membrane according to the present invention and used by incorporating it into a fuel cell.
[0039]
[Action]
Since the electrolyte membrane of the present invention is filled with a polymer having proton conductivity in a porous substrate made of a material that is not easily deformed by an external force, the filled polymer tends to swell with water or methanol. Can also be physically suppressed, and the permeation of methanol can be suppressed. Further, since the polymerization reaction of the polymer precursor is not a radical reaction, the polymerizability is not changed by the influence of oxygen in the air or oxygen dissolved in the polymer precursor, and the productivity is high. In addition, since the filled polymer has many cross-linking points, even if free radicals are generated in the polymer, the polymer does not reach the whole and does not depolymerize due to radicals. Since it can maintain its shape, it has high durability and can be preferably used for a polymer electrolyte fuel cell, particularly a direct methanol fuel cell.
[0040]
【Example】
(Example 1)
A cross-linked polyethylene membrane (size 5 cm × 6 cm, thickness 16 μm, porosity 40%, average pore diameter about 0.1 μm) was used as a porous substrate. As the epoxy group-containing compound, 4.5 g of phenyl glycidyl ether and 3.4 g of ethylene glycol diglycidyl ether were used, and the film was immersed in a polymer precursor solution obtained by mixing 0.6 g of 2-ethyl-4-methylimidazole, The precursor liquid was filled. Next, after the film was pulled out of the liquid, the film was sandwiched between polytetrafluoroethylene sheets and left in an oven heated to 120 ° C. for 2 hours to polymerize the polymer precursor inside the pores. After the completion of the polymerization step, the membrane was taken out, immersed in 30 ml of 1,2-dichloroethane, and cooled to about 1 ° C. with an ice bath. While stirring the container in which the membrane was immersed, 71 ml of a 1,2-dichloroethane solution of chlorosulfonic acid diluted to 1% by volume was added dropwise over 10 minutes, and stirring was continued for 20 minutes after completion of the dropwise addition. Next, the stirring was stopped, the membrane was taken out, washed three times with 1,2-dichloroethane, and air-dried. Next, this film was immersed in a 1N aqueous solution of potassium hydroxide at room temperature for 20 hours and washed with water. Finally, the polymer was immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution for 2 hours, and the excess polymer adhering to the surface was scraped off with a plastic spatula, washed with distilled water, and dried to obtain an electrolyte membrane. Table 1 summarizes the evaluation results of the obtained electrolyte membranes.
[0041]
(Example 2)
The electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that the epoxy group-containing compound was changed to 4.5 g of phenyl glycidyl ether and 6.1 g of bisphenol F diglycidyl ether (trade name: Epicoat 807, manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd.). Created and evaluated. Table 1 shows the results.
[0042]
(Example 3)
Using the porous substrate used in Example 1, 5.8 g of 3-ethyl-3- (phenoxymethyl) oxetane (trade name: Alonoxetane OXT-211 manufactured by Toagosei Co., Ltd.) as a polymer precursor 6.0 g of 3,3-bis [(3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] benzene (trade name: Alonoxetane RSOX, manufactured by Toagosei Co., Ltd.) and a photoacid generator (trade name, manufactured by Asahi Denka Co., Ltd.) A polymer precursor was filled in the same manner as in Example 1 using a mixed solution consisting of 0.12 g of Adeka Optomer SP150). After filling the polymer precursor, sandwiched by a PET film having a thickness of 25 μm, ultraviolet rays were irradiated with a high-pressure mercury lamp at 1000 mJ / cm. 2 The polymerization was performed by irradiation. After the polymerization step, an electrolyte membrane was prepared according to Example 1 and evaluated. Table 1 shows the results.
[0043]
(Example 4)
Using the porous substrate used in Example 1, 5.8 g of 3-ethyl-3- (phenoxymethyl) oxetane (trade name: Alonoxetane OXT-211 manufactured by Toagosei Co., Ltd.) as a polymer precursor 6.5 g of 4,4-bis {[(3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] methyl} benzene (produced by Toagosei Co., Ltd., trade name: Aronoxetane OXT-121) and a photoacid generator (Asahi Denka Co., Ltd.) The polymer precursor was filled in the same manner as in Example 1 using a mixed solution consisting of 0.12 g of Adeka Optomer SP150 (trade name). After filling the polymer precursor, sandwich it with a PET film having a thickness of 25 μm, and apply ultraviolet light with a high-pressure mercury lamp at 1000 mJ / cm. 2 The polymerization was performed by irradiation. After the polymerization step, an electrolyte membrane was prepared according to Example 1 and evaluated. Table 1 shows the results.
[0044]
Example 5 Confirmation of Effect of Compound of Chemical Formula (a)
An electrolyte membrane was prepared and evaluated according to Example 1 except that the epoxy group-containing compound was changed to 3.6 g of styrene oxide and 3.4 g of ethylene glycol diglycidyl ether. The ion exchange capacity was 0.1 meq. / G, and the function as an electrolyte membrane was extremely low. For this reason, when 6.1 g of bisphenol F diglycidyl ether (trade name: Epicoat 807, manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd.) was used instead of ethylene glycol diglycidyl ether, it was found that sulfonic acid was introduced and functioned as an electrolyte membrane. . For this reason, it was found that introduction of a sulfonic acid group easily occurs in a compound having the structure of the chemical formula (a). Styrene oxide having no structure represented by the chemical formula (a) is not suitable for sulfonic acid introduction, but can be preferably used as a copolymerization component. Table 1 shows the evaluation results of the latter film among the films prepared in this example.
[0045]
(Comparative Example 1)
Using the porous substrate (membrane) used in Example 1, 10 g of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 0.1 g of N, N'-methylenebisacrylamide, 0.001 g of nonionic surfactant, After nitrogen gas was blown into an aqueous solution of a polymer precursor composed of 0.001 g of ammonium sulfate (hydrogen abstraction type photopolymerization initiator) and 10 g of water to remove oxygen, the film was immersed and filled with the aqueous solution. Then, after the film was pulled out of the solution, the film was sandwiched between glass and left in an oven heated to 80 ° C. for 2 hours to polymerize the polymer precursor inside the pores. Table 1 shows the results of evaluation of the obtained film.
[0046]
(Comparative Example 2)
Table 1 shows the results of evaluation of a commercially available electrolyte membrane made of perfluoroalkylsulfonic acid (manufactured by DuPont, trade name: Nafion 115).
[0047]
[Table 1]
Figure 2004349034
[0048]
(Evaluation method of electrolyte membrane)
(1) Ion exchange capacity
The obtained electrolyte membrane was immersed in 20 ml of a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution, sealed tightly, left at 50 ° C. for 2 hours, cooled to room temperature, and then taken out. When removing the membrane, the membrane was washed several times with distilled water and added to the remaining aqueous sodium hydroxide solution. This solution was titrated with a 0.01 N hydrochloric acid aqueous solution, and the number of moles of consumed hydrochloric acid was divided by the dry weight of the electrolyte membrane to obtain an ion exchange capacity.
(2) Proton conductivity
The conductivity of the swollen sample at 25 ° C. was measured. The electrolyte membrane swelled by immersion in pure water for 1 hour was sandwiched between two platinum plates to obtain a measurement sample. Thereafter, an alternating current impedance measurement from 100 Hz to 40 MHz was performed to measure the conductivity.
(3) Methanol permeability
A penetration experiment at 25 ° C. was performed as follows. The electrolyte membrane was sandwiched between dialysis glass cells, and one cell was charged with a 10% aqueous methanol solution, and the other cell was charged with pure water. The amount of methanol permeating into the pure water side was measured over time by gas chromatography analysis, and the permeation coefficient at the time of steady state was measured. Low transmission coefficient ((transmission coefficient) -1 The larger the value, the more difficult it is for methanol to permeate through the electrolyte membrane, indicating that it is more suitable for use in fuel cells.
4) Durability (compulsory deterioration test)
An aqueous solution containing 0.5% hydrogen peroxide and 0.005% ferric sulfate heptahydrate was prepared to evaluate by forced deterioration instead of confirming the polymer deterioration phenomenon due to hydrogen peroxide generated in the battery. Then, the electrolyte membrane was immersed therein, left at 70 ° C. for 2 hours, and then pulled up. From the weight change before and after the test, the residual ratio of the filled polymer in the electrolyte membrane was determined. The smaller the residual ratio, the quicker the deterioration when operating as a battery, and the larger the residual ratio, the less the deterioration. In each of the examples, it was confirmed that the deterioration was smaller than that of the comparative example 1.
(5) Area change rate in methanol aqueous solution
After vacuum drying the electrolyte membrane at 70 ° C. for 2 hours and measuring the area, it was immersed in a 10% aqueous methanol solution at 25 ° C. for 1 hour to measure the area. The area change rate was determined by the following equation.
Area change rate = 100 × (area after swelling of aqueous methanol solution−area when dried) / area when dried
[0049]
(Example 6)
In order to confirm that the obtained membrane functions as a fuel cell, the membrane prepared in Example 1 was incorporated into a DMFC cell and evaluated.
Platinum-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) is used for the oxygen electrode, and platinum-ruthenium alloy-carrying carbon (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC61E54) is used for the fuel electrode. A molecular electrolyte solution (manufactured by DuPont: Nafion 5% solution) and polytetrafluoroethylene dispersion were blended, water was appropriately added and the mixture was stirred to obtain a coating for a reaction layer. This was printed on one side of carbon paper (TGP-H-060, manufactured by Toray Industries, Inc.) by screen printing and dried to form electrodes. At that time, the amount of platinum on the oxygen electrode side was 1 mg / cm. 2 The total amount of platinum and ruthenium on the fuel electrode side is 3 mg / cm 2 And These were superimposed on the central part of the electrolyte membrane obtained in Example 1 with the paint surface inside, and heated and pressed at 120 ° C. to produce a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell. This was installed in a DMFC single cell and operated, and the performance was confirmed. The DMFC operation conditions were as follows: the cell temperature was 50 ° C., a 2 mol / l aqueous methanol solution was supplied to the fuel electrode at 10 ml / min, and pure oxygen was supplied to the oxygen electrode at 100 ml / min. The voltage was read while increasing the current value to obtain a current density-voltage curve of FIG.
[0050]
【The invention's effect】
The electrolyte membrane of the present invention overcomes the problem of methanol permeation, which has been a problem when a polyperfluorosulfonic acid-based electrolyte membrane conventionally used for fuel cell electrolyte membranes is used for DMFC, and furthermore, a hydrocarbon-based Use of the polymer improves productivity because there is no effect of polymerization inhibition due to oxygen at the time of film formation, which has been a problem. In addition, durability can be improved.
This is because the pores of a porous substrate having sufficient strength and elastic modulus are filled with a cross-linked polymer having proton conductivity, which makes it difficult for water and methanol to permeate. This is because the structure prevents the filled polymer from decomposing and dropping out of the pores during operation of the fuel cell.
For these reasons, the electrolyte membrane of the present invention has both output characteristics and durability as a fuel cell, and is extremely useful as a fuel cell or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a current density-voltage curve in a fuel cell of Example 6.

Claims (8)

エポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物を構成成分とする架橋重合体を多孔性基材の細孔に充填しており、当該架橋重合体がイオン交換基を有していることを特徴とする電解質膜。An electrolyte characterized in that a crosslinked polymer containing an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound as a component is filled in pores of a porous substrate, and the crosslinked polymer has an ion exchange group. film. 下記工程を含む製造方法により得られたものであることを特徴とする請求項1に記載の電解質膜。
(1)少なくともその一部がイオン交換基を導入可能な部位を有しているエポキシ基含有化合物若しくはオキセタニル基含有化合物を構成成分とする単量体またはその混合物、或いはエポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物とイオン交換基を導入可能な部位を有しているこれら化合物の硬化剤との混合物を多孔性基材の細孔に充填する工程
(2)前記単量体を重合する工程
(3)細孔内の重合体にイオン交換基を導入する工程
The electrolyte membrane according to claim 1, which is obtained by a manufacturing method including the following steps.
(1) A monomer or a mixture thereof containing an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group-containing compound at least partially having a site into which an ion exchange group can be introduced, or an epoxy group-containing compound or an oxetanyl group A step of filling a mixture of a compound containing a compound and a curing agent of these compounds having a site into which an ion exchange group can be introduced into pores of a porous substrate (2) a step of polymerizing the monomer (3) Step of introducing ion exchange groups into polymer in pores
前記単量体の重合が、150℃以下の温度で加熱するか、または活性エネルギー線照射によるものであることを特徴とする請求項2に記載の電解質膜。3. The electrolyte membrane according to claim 2, wherein the polymerization of the monomer is performed by heating at a temperature of 150 ° C. or less or by irradiation with active energy rays. 4. 多孔性基材がポリオレフィンからなることを特徴とする請求項1ないし3に記載の電解質膜。4. The electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous substrate is made of a polyolefin. 架橋重合体がエポキシ基含有化合物を構成成分とし、重合触媒としてイミダゾール誘導体を用いて得られたものであることを特徴とする請求項1ないし4に記載の電解質膜。The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the crosslinked polymer is obtained using an epoxy group-containing compound as a constituent component and using an imidazole derivative as a polymerization catalyst. 架橋重合体がオキセタニル基含有化合物を構成成分とし、重合触媒として光酸発生剤を用いて得られたものであることを特徴とする請求項1ないし4に記載の電解質膜。The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the crosslinked polymer is obtained using an oxetanyl group-containing compound as a constituent component and a photoacid generator as a polymerization catalyst. エポキシ基含有化合物またはオキセタニル基含有化合物の少なくとも一部が下記の化学式(a)で表される構造であることを特徴とする請求項1ないし6に記載の電解質膜。
Figure 2004349034
ここで、Aは酸素原子を含むエポキシ基またはオキセタニル基を有する基であり、Aはベンゼン環に1ないし複数個有しており、複数ある場合は同じでも違っていてもよい。Xは水素またはメチル基、Yは水素、メチル基またはエチル基である。Rのうち少なくとも1つは水素であるが、他は水素または官能基を示し、またRの内の一つは、直接または他の原子もしくは原子鎖を介しての他のベンゼン環との結合でも良い。なお複数のRは同じでも違っていてもよい。nは1〜5の整数である。
7. The electrolyte membrane according to claim 1, wherein at least a part of the epoxy group-containing compound or the oxetanyl group-containing compound has a structure represented by the following chemical formula (a).
Figure 2004349034
Here, A is a group having an epoxy group or an oxetanyl group containing an oxygen atom, and A has one or more benzene rings, and when there are a plurality of them, they may be the same or different. X is hydrogen or a methyl group, and Y is hydrogen, a methyl group or an ethyl group. At least one of R is hydrogen, the other represents hydrogen or a functional group, and one of R is bonded to another benzene ring directly or through another atom or an atom chain. good. A plurality of Rs may be the same or different. n is an integer of 1 to 5.
請求項1ないし7に記載の電解質膜を用いることを特徴とする燃料電池。A fuel cell using the electrolyte membrane according to claim 1.
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