JP2005146264A - Compound, ion-exchange body, proton conductor and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物及びそれを含む、イオン交換体、プロトン伝導体、電極膜複合体、およびそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a compound and an ion exchanger, a proton conductor, an electrode membrane composite containing the compound, and a fuel cell using the same.
近年、固体高分子型燃料電池は地球環境にやさしいクリーンな発電装置として、家庭用電源、車載用電源等への実用化が期待されている。これらの固体高分子型燃料電池では、水素と酸素を燃料として使用するものが主流となっている。また、最近では、燃料として水素の替わりにメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(DMFC)が提案され、リチウム2次電池に代わる携帯機器用高容量電池として期待され、活発に研究されている。 In recent years, solid polymer fuel cells are expected to be put to practical use in household power sources, in-vehicle power sources, and the like as clean power generation devices that are friendly to the global environment. In these polymer electrolyte fuel cells, those using hydrogen and oxygen as fuels are the mainstream. Recently, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol instead of hydrogen as a fuel has been proposed, and it is expected to be a high-capacity battery for portable devices that replaces the lithium secondary battery, and has been actively researched.
固体高分子型燃料電池用電解質膜(プロトン伝導体)の重要な機能は、正極触媒電極に供給される燃料(水素、メタノール水溶液等)と負極に供給される酸化剤ガス(酸素等)を物理的に絶縁すること、正極と負極を電気的に絶縁すること、および正極上で生じるプロトンを負極に伝達することである。これらの機能を満たすためには、ある程度の機械的強度と高いプロトン伝導性が要求される。 The important functions of the electrolyte membrane (proton conductor) for polymer electrolyte fuel cells are to physically use the fuel (hydrogen, methanol aqueous solution, etc.) supplied to the positive electrode and the oxidant gas (oxygen, etc.) supplied to the negative electrode. Insulating the positive electrode, electrically insulating the positive electrode and the negative electrode, and transmitting protons generated on the positive electrode to the negative electrode. In order to satisfy these functions, a certain degree of mechanical strength and high proton conductivity are required.
固体高分子型燃料電池電解質膜には、一般にナフィオン(登録商標)に代表されるスルホン酸基含有パーフルオロカーボン重合体が用いられている。これらの電解質膜はイオン伝導度に優れ、機械的強度も比較的高いものであるが、以下のような改善すべき点がある。すなわち、これらの電解質膜では膜に含まれる水とスルホン酸基により生成したクラスターチャンネルの中で水を介してプロトンが伝導するため、イオン伝導度が電池使用環境の湿度による膜含水率に大きく依存する。固体高分子型燃料電池は、COによる触媒電極の被毒低減と触媒電極の高活性化の観点から、100〜150℃の温度領域で作動させるのが好ましい。しかし、このような中温度領域では電解質膜の含水率の低下とともにイオン伝導度が低下するため、期待した電池特性が得られない。また、電解質膜の軟化点が120℃付近にあり、この温度域で作動させた場合には電解質膜の機械的強度に乏しい。一方、これらの電解質膜をDMFCに用いた場合には、本質的に含水し易いこれらの膜は、燃料のメタノールに対するバリヤ性が低いため、正極に供給したメタノールが電解質膜を透過し負極に到達してしまう。これが原因となり電池出力が低下する、いわゆるメタノールクロスオーバー現象が起こり、DMFC実用化のための解決すべき重要な課題の一つとなっている。 In general, a sulfonic acid group-containing perfluorocarbon polymer represented by Nafion (registered trademark) is used for the polymer electrolyte fuel cell electrolyte membrane. These electrolyte membranes have excellent ionic conductivity and relatively high mechanical strength, but have the following points to be improved. That is, in these electrolyte membranes, protons conduct through water in the cluster channels formed by the water and sulfonic acid groups contained in the membrane, so that the ionic conductivity depends greatly on the moisture content of the membrane due to the humidity of the battery usage environment. To do. The polymer electrolyte fuel cell is preferably operated in a temperature range of 100 to 150 ° C. from the viewpoint of reducing poisoning of the catalyst electrode by CO and increasing the activation of the catalyst electrode. However, in such an intermediate temperature range, the ionic conductivity decreases with a decrease in the water content of the electrolyte membrane, so that expected battery characteristics cannot be obtained. Further, the softening point of the electrolyte membrane is around 120 ° C., and when operated in this temperature range, the mechanical strength of the electrolyte membrane is poor. On the other hand, when these electrolyte membranes are used in DMFC, these membranes, which are inherently water-containing, have low barrier properties against fuel methanol, so that methanol supplied to the positive electrode permeates the electrolyte membrane and reaches the negative electrode. Resulting in. This causes a so-called methanol crossover phenomenon, in which the battery output decreases, which is one of the important issues to be solved for commercialization of DMFC.
ナフィオン(登録商標)に代わるプロトン伝導体を開発する機運が高まり、幾つかの有望な電解質材料が提案されている。例えば、無機材料の特性を活かしながら製膜を容易にするための方策として、一つには高分子材料と複合化したナノコンポジッド材料が提案されている。例えば、スルホン酸基を側鎖に有する高分子化合物と、ケイ素酸化物およびプロトン酸との複合化によりプロトン伝導体を作製する方法が開示されている(特許文献1〜3)。他には有機ケイ素化合物を前駆体とし、プロトン酸存在下のゾル−ゲル反応により生成する有機−無機ナノハイブリッド型のプロトン伝導体が提案されている(特許文献4〜5および非特許文献1〜3)。これらの有機−無機コンポジッドおよびハイブリッド型プロトン伝導体は、ケイ酸とプロトン酸からなりプロトン伝導部位である無機成分と材料に柔軟性を付与する有機成分とにより構成されるが、膜のプロトン伝導度を高めるために無機成分を増やすと膜の機械的強度が低下し、柔軟性を得るために有機成分を増やすとプロトン伝導度が低下するため、2つの特性を満足する材料を得ることが困難である。また、DMFC用途として重要な特性であるメタノール透過性に関しては、十分な記載がない。 Increasing momentum to develop proton conductors to replace Nafion®, several promising electrolyte materials have been proposed. For example, as a measure for facilitating film formation while taking advantage of the properties of inorganic materials, nanocomposite materials combined with polymer materials have been proposed. For example, a method for producing a proton conductor by combining a polymer compound having a sulfonic acid group in the side chain with a silicon oxide and a protonic acid is disclosed (Patent Documents 1 to 3). In addition, organic-inorganic nano-hybrid proton conductors that are produced by a sol-gel reaction in the presence of a protonic acid using an organosilicon compound as a precursor have been proposed (Patent Documents 4 to 5 and Non-Patent Documents 1 to 1). 3). These organic-inorganic composites and hybrid proton conductors are composed of silicic acid and protonic acid, which is composed of an inorganic component that is a proton conducting site and an organic component that imparts flexibility to the material, but the proton conductivity of the membrane. If the inorganic component is increased to increase the mechanical strength of the membrane, the mechanical strength of the membrane decreases, and if the organic component is increased to increase flexibility, the proton conductivity decreases. Therefore, it is difficult to obtain a material that satisfies the two characteristics. is there. Moreover, there is no sufficient description regarding methanol permeability, which is an important characteristic for DMFC applications.
本発明の目的は、DMFC用として好適なメタノール透過性の低いプロトン伝導体およびそれを用いた燃料電池の提供にある。 An object of the present invention is to provide a proton conductor having low methanol permeability suitable for DMFC and a fuel cell using the proton conductor.
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、有機ケイ素化合物からなるゾル−ゲル反応前駆体と、電子供与性基(好ましくは水酸基)を有するアリール基をスルホン化したゾル−ゲル反応前駆体を複合化することにより、有機分子鎖とプロトン伝導経路となるプロトン供与性基が結合したケイ素−酸素マトリックス部がナノサイズで相分離し、好ましくは有機分子鎖が膜面に対して水平に配向することにより、プロトン伝導経路が膜面を横切る方向で形成された有機−無機ナノハイブリッド材料が構築でき、また得られる膜は柔軟で機械的強度も高いことを発見し、本発明に想到した。特に、一般式(VII)および/または(VIII)のいずれか1以上で表される有機ケイ素化合物と、一般式(III)および/または(IV)で表される化合物をスルホン化して得られるスルホン酸化合物とを含む溶液を組み合わせたゾル−ゲル反応により得られる有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導体は、その傾向が強い。そして、これらのプロトン伝導体は、有機分子鎖が配向してなる集合体を形成することが偏光顕微鏡観察により判明した。この場合、プロトン伝導経路となるプロトン供与性基が結合したケイ素−酸素ネットワークは、必然的に有機分子集合体の配向方向と直交する方向に形成される。従って、有機分子鎖の配向方向を膜面に対して水平方向に制御することにより、膜を横断するプロトン伝導経路が構築できる。 As a result of diligent research in view of the above object, the present inventor has found that a sol-gel reaction precursor composed of an organosilicon compound and a sol-gel reaction precursor obtained by sulfonating an aryl group having an electron donating group (preferably a hydroxyl group). The silicon-oxygen matrix part in which the organic molecular chain and the proton-donating group that becomes the proton conduction path are combined is phase-separated in nano size, and the organic molecular chain is preferably oriented horizontally with respect to the film surface. By doing so, it was found that an organic-inorganic nanohybrid material in which the proton conduction path was formed in a direction crossing the membrane surface, and that the resulting membrane was flexible and had high mechanical strength, and reached the present invention. In particular, a sulfone obtained by sulfonation of an organosilicon compound represented by any one or more of general formulas (VII) and / or (VIII) and a compound represented by general formulas (III) and / or (IV) The organic-inorganic hybrid proton conductor obtained by a sol-gel reaction in which a solution containing an acid compound is combined has a strong tendency. These proton conductors were found to form an aggregate of organic molecular chains by polarization microscope observation. In this case, a silicon-oxygen network to which a proton donating group serving as a proton conduction path is bound is inevitably formed in a direction perpendicular to the orientation direction of the organic molecular assembly. Therefore, a proton conduction path across the membrane can be constructed by controlling the orientation direction of the organic molecular chain in the horizontal direction with respect to the membrane surface.
本発明の目的は下記の構成により達成することができる。 The object of the present invention can be achieved by the following constitution.
(1)下記一般式(III)及び(IV)で表される化合物の少なくとも一種を、スルホン化反応をした後、ゾル−ゲル反応を施す方法、又はゾル−ゲル反応をした後、スルホン化反応を施す方法により得られる化合物。
(2)前記電子供与性基が水酸基である上記(1)に記載の化合物。 (2) The compound according to (1), wherein the electron donating group is a hydroxyl group.
(3)前記ゾル−ゲル反応において、メソゲンを含む基を有する有機ケイ素化合物の少なくとも一種をさらに添加する方法により得られる上記(1)又は(2)に記載の化合物。 (3) The compound according to (1) or (2), which is obtained by a method of further adding at least one organosilicon compound having a mesogen-containing group in the sol-gel reaction.
(4)前記メソゲンを含む基を有する有機ケイ素化合物が、下記一般式(VII)及び(VIII)で表される化合物の少なくとも一種である上記(3)に記載の化合物。
(5)上記(1)〜(4)のいずれかに記載の化合物を有するイオン交換体。 (5) An ion exchanger comprising the compound according to any one of (1) to (4) above.
(6)上記(1)〜(4)のいずれかに記載の化合物を有するプロトン伝導体。 (6) A proton conductor having the compound according to any one of (1) to (4) above.
(7)膜状である(6)に記載のプロトン伝導体。
(8)陽極及び陰極の間に(6)または(7)に記載のプロトン伝導体を有する電極膜接合体。
(7) The proton conductor according to (6), which is in the form of a membrane.
(8) An electrode membrane assembly having the proton conductor according to (6) or (7) between an anode and a cathode.
(8−2)上記(7)に記載の電極膜接合体を有する燃料電池。 (8-2) A fuel cell having the electrode membrane assembly according to (7).
(9)下記一般式(III)および/または(IV)で表される化合物をゾル−ゲル反応してからスルホン化反応する工程を含む上記(6)または(7)に記載のプロトン伝導体の製造方法。 (9) The proton conductor according to the above (6) or (7), which comprises a step of subjecting a compound represented by the following general formula (III) and / or (IV) to a sol-gel reaction followed by a sulfonation reaction Production method.
(10)下記一般式(III)および/または(IV)で表される化合物をスルホン化反応してからゾル−ゲル反応する工程を含む上記(6)または(7)に記載のプロトン伝導体の製造方法。 (10) The proton conductor according to (6) or (7) above, comprising a step of sulfonating a compound represented by the following general formula (III) and / or (IV) and then subjecting it to a sol-gel reaction. Production method.
(11)上記(9)または(10)のいずれかにおいて、SO3またはSO3有機物錯体でスルホン化することを特徴とする上記(6)に記載のプロトン伝導体の製造方法。
(12)スルホン化反応温度が−50℃から150℃であることを特徴とする上記(11)に記載のプロトン伝導体の製造方法。
(11) The method for producing a proton conductor as described in (6) above, wherein in any one of the above (9) or (10), sulfonation is performed with an SO 3 or SO 3 organic complex.
(12) The method for producing a proton conductor as described in (11) above, wherein the sulfonation reaction temperature is from −50 ° C. to 150 ° C.
本発明のプロトン伝導体は、スルホ基が、ケイ素酸素3次元架橋マトリックスに共有結合しており、室温でのイオン伝導度が高く、かつメタノール水溶液に対する耐性が高くメタノールクロスオーバーが低減されている。そのため、直接メタノール型燃料電池に用いた場合には、従来のプロトン伝導体より高い出力を得ることが可能である。また、有機分子鎖の少なくとも一部が配向してなる集合体が形成されている場合、イオン伝導度がより高く、かつメタノール水溶液に対する耐性が高くメタノールクロスオーバーがさらに低減される為電圧低下の割合が小さくなる。 In the proton conductor of the present invention, the sulfo group is covalently bonded to the silicon-oxygen three-dimensional cross-linked matrix, the ion conductivity at room temperature is high, the resistance to methanol aqueous solution is high, and the methanol crossover is reduced. Therefore, when used in a direct methanol fuel cell, it is possible to obtain a higher output than a conventional proton conductor. In addition, when an aggregate formed by aligning at least part of the organic molecular chain is formed, the rate of voltage decrease because the ionic conductivity is higher and the resistance to methanol aqueous solution is high and the methanol crossover is further reduced. Becomes smaller.
以下において、本願発明の内容について詳細に説明する。尚、本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. In the present specification, “to” is used to mean that the numerical values described before and after it are included as a lower limit value and an upper limit value.
[1]有機ケイ素化合物およびスルホン酸基含有前駆体
本発明のプロトン伝導体は、電子供与性基、好ましくは水酸基を含むアリール基およびスルホ基がケイ素酸素3次元架橋マトリックスに共有結合した構造を有する。プロトン伝導体は、それぞれ、一般式(III)および(IV)で表される有機ケイ素化合物を前駆体としたゾル−ゲル反応により形成することができる。以下これらを形成するための前駆体について詳しく説明する。
[1] Organosilicon compound and sulfonic acid group-containing precursor The proton conductor of the present invention has a structure in which an electron donating group, preferably an aryl group containing a hydroxyl group and a sulfo group are covalently bonded to a silicon oxygen three-dimensional crosslinked matrix. . The proton conductor can be formed by a sol-gel reaction using the organosilicon compounds represented by the general formulas (III) and (IV) as precursors, respectively. The precursor for forming these will be described in detail below.
[1−1]有機ケイ素化合物前駆体
本発明のプロトン伝導体では、上記一般式(III)および/または(IV)で表される有機ケイ素化合物を前駆体とするゾル−ゲル反応によりで形成することができる。
[1-1] Organosilicon compound precursor The proton conductor of the present invention is formed by a sol-gel reaction using the organosilicon compound represented by the general formula (III) and / or (IV) as a precursor. be able to.
一般式(III)および/または(IV)で表される有機ケイ素化合物において、R3およびR5は、アルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表し、R4およびR6は水素原子、アルキル基、アリール基またはシリル基を表す。R3〜R6で表されるアルキル基の好ましい例としては、直鎖、分岐鎖または環状のアルキル基(例えば、炭素数1〜20のアルキル基、好ましくはメチル基やエチル基、イソプロピル基、n−ブチル基、2−エチルヘキシル基、n−デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等)が挙げられ、R3〜R6で表されるアリール基の好ましい例としては、炭素数6〜20の置換または無置換のフェニル基、ナフチル基等が挙げられ、R3およびR5で表されるヘテロ環基の好ましい例としては、置換または無置換のへテロ6員環(ピリジル、モルホリノ基等)、置換または無置換のヘテロ5員環(フリル、チオフェン基等)等が挙げられる。また、R4およびR6で表されるシリル基の好ましい例としては、炭素数1〜10のアルキル基から選ばれた3つのアルキル基で置換されたシリル基(トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリイソプロピルシリル基等)、またはポリシロキサン基(−(Me2SiO)nH(n=10〜100)等)が挙げられる。また、m3およびm4は、好ましくは、m3およびm4が2または3、より好ましくは3の場合である。尚、m3、3−m3、m4または3−m4が2以上の場合、それぞれのカッコ内は同一であっても良いし、異なっていてもよい。 In the organosilicon compound represented by the general formula (III) and / or (IV), R 3 and R 5 represent an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, and R 4 and R 6 represent a hydrogen atom or an alkyl group. Represents an aryl group or a silyl group. Preferable examples of the alkyl group represented by R 3 to R 6 include a linear, branched or cyclic alkyl group (for example, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, preferably a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, n-butyl group, 2-ethylhexyl group, n-decyl group, cyclopropyl group, cyclohexyl group, cyclododecyl group and the like), and preferred examples of the aryl group represented by R 3 to R 6 include Examples thereof include 6-20 substituted or unsubstituted phenyl groups, naphthyl groups, etc. Preferred examples of the heterocyclic groups represented by R 3 and R 5 include substituted or unsubstituted hetero 6-membered rings (pyridyl, Morpholino groups, etc.), substituted or unsubstituted hetero 5-membered rings (furyl, thiophene groups, etc.) and the like. In addition, preferable examples of the silyl group represented by R 4 and R 6 include a silyl group (trimethylsilyl group, triethylsilyl group, triethylsilyl group) substituted with three alkyl groups selected from alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms. An isopropylsilyl group), or a polysiloxane group (-(Me 2 SiO) n H (n = 10 to 100) or the like). Further, m3 and m4 are preferably the case where m3 and m4 are 2 or 3, more preferably 3. In addition, when m3, 3-m3, m4, or 3-m4 is 2 or more, the respective parentheses may be the same or different.
L3およびL4は単結合または2価の連結基を表す。2価の連結基の例としては、アルキレン基、アルケニレン基、アリーレン基、−O−、−S−、−CO−、−NR'−(R'は水素原子またはアルキル基)、−SO2−、およびこれらを2つ以上組み合わせてなる2価連結基等が挙げられる。上記連結基のうち、好ましくは、単結合、アルキレン基またはアルキレン基と−O−の組み合わせ又はアルキレン基、−CO−、及び−O−との組み合わせが好ましく、アルキレン基は、炭素数2〜6のものが好ましい。尚、単結合とは、SiとAr3またはAr4が直接結合している場合をいう。 L 3 and L 4 each represents a single bond or a divalent linking group. Examples of the divalent linking group include an alkylene group, an alkenylene group, an arylene group, —O—, —S—, —CO—, —NR′— (R ′ is a hydrogen atom or an alkyl group), —SO 2 —. And a divalent linking group formed by combining two or more of these. Among the above linking groups, a single bond, an alkylene group or a combination of an alkylene group and —O— or a combination of an alkylene group, —CO— and —O— is preferable, and the alkylene group has 2 to 6 carbon atoms. Are preferred. The single bond refers to the case where Si and Ar 3 or Ar 4 are directly bonded.
Ar3は、少なくとも1つの電子供与性基で置換されたアリール基またはヘテロアリール基(以下、(ヘテロ)アリール基と表す)を表す。電子供与性基としては、Chemical Review 第91巻2号(1991年)165−195頁に記載のハメットのσp値が、−0.15以下の置換基が好ましい。例えば、メチル基(−0.17)、メトキシ基(−0.27)、水酸基(−0.37)、ジメチルアミノ基(−0.83)などが挙げられる。特に好ましくは、水酸基である。電子供与性基が置換される位置は、電子供与性基の数が1の場合、(R4O)m3-Si(R3)3-m3-L3-に対してオルト、メタ、パラのいずれの位置であってもよく、好ましくはオルト位またはパラ位であり、さらに好ましくはオルト位である。電子供与性基の数が、2以上の場合もいずれの位置が置換されていてもよい。(ヘテロ)アリール基はさらに電子供与性基以外の置換基を有していてもよい。この場合の置換される位置もいずれの位置であってもよい。さらに当該(ヘテロ)アリール基は、縮環していてもよく、この場合好ましくは2環である。Ar3として、少なくとも1つの電子供与性基で置換されたアリール基として、好ましくは炭素数6〜24の(ヘテロ)アリール基であり、例えばヒドロキシフェニル基、ヒドロキシナフチル基、ヒドロキシビフェニル基、メトキシフリル基、メトキシチエニル基、ヒドロキシピリジル基等である。 Ar 3 represents an aryl group or heteroaryl group (hereinafter referred to as a (hetero) aryl group) substituted with at least one electron donating group. The electron donating group is preferably a substituent having a Hammett σp value of −0.15 or less as described in Chemical Review Vol. 91, No. 2 (1991), pages 165 to 195. For example, a methyl group (-0.17), a methoxy group (-0.27), a hydroxyl group (-0.37), a dimethylamino group (-0.83), etc. are mentioned. Particularly preferred is a hydroxyl group. When the number of electron donating groups is 1, the position at which the electron donating group is substituted is ortho, meta, para to (R 4 O) m3-Si (R 3 ) 3-m3-L 3- . Any position may be sufficient, Preferably it is an ortho position or a para position, More preferably, it is an ortho position. When the number of electron donating groups is 2 or more, any position may be substituted. The (hetero) aryl group may further have a substituent other than the electron donating group. In this case, the position to be replaced may be any position. Further, the (hetero) aryl group may be condensed, and in this case, it is preferably bicyclic. Ar3 is preferably a (hetero) aryl group having 6 to 24 carbon atoms as an aryl group substituted with at least one electron donating group, such as a hydroxyphenyl group, a hydroxynaphthyl group, a hydroxybiphenyl group, or a methoxyfuryl group. A methoxythienyl group, a hydroxypyridyl group, and the like.
Ar4は、少なくとも1つの電子供与性基で置換されたアリーレン基またはヘテロアリーレン基(以下、(ヘテロ)アリーレン基と表す)を表す。電子供与性基は、Ar3に置換しうるそれと同義であり、好ましい範囲も同様である。電子供与性基が置換される位置は、Ar4が6員環で電子供与性基の数が1の場合、(R6O)m4-Si(R5)3-m4-L4-あるいは、Y1-に対してオルト、メタ、パラのいずれの位置であってもよく、好ましくはオルト位またはパラ位であり、さらに好ましくはオルト位である。電子供与性基の数が2以上の場合もいずれの位置が置換されていてもよい。Ar4が5員環での場合、(R6O)m4-Si(R5)3-m4-L4-あるいは、Y1-に対していずれの位置であってもよく、好ましくは隣の炭素上が好ましい。(ヘテロ)アリーレン基はさらに電子供与性基以外の置換基を有していてもよい。この場合の置換される位置もいずれの位置であってもよい。さらに当該(ヘテロ)アリーレン基は、縮環していてもよく、この場合好ましくは2環である。Ar4として、少なくとも1つの電子供与性基で置換されたアリーレン基として、好ましくは炭素数6〜24の(ヘテロ)アリーレン基であり、例えばヒドロキシフェニレン基、ヒドロキシナフチレン基、ヒドロキシビフェニレン基、メトキシフランジイル基、メトキシチオフェンジイル基、ヒドロキシピリジンジイル基等である。好ましい置換基としては以下の基が挙げられる。 Ar 4 represents an arylene group or heteroarylene group (hereinafter referred to as a (hetero) arylene group) substituted with at least one electron donating group. The electron donating group has the same meaning as that which can be substituted with Ar 3 , and the preferred range is also the same. The position at which the electron donating group is substituted is (R 6 O) m4 -Si (R 5 ) 3-m4 -L 4 - when Ar 4 is a 6-membered ring and the number of electron donating groups is 1, or The position may be any of ortho, meta, and para with respect to Y 1- , preferably ortho or para, and more preferably ortho. When the number of electron donating groups is 2 or more, any position may be substituted. When Ar 4 is a 5-membered ring, it may be in any position with respect to (R 6 O) m4 -Si (R 5 ) 3-m4 -L 4 -or Y 1- , and preferably On carbon is preferred. The (hetero) arylene group may further have a substituent other than the electron donating group. In this case, the position to be replaced may be any position. Further, the (hetero) arylene group may be condensed, and in this case, it is preferably bicyclic. Ar 4 is preferably an arylene group substituted with at least one electron-donating group, preferably a (hetero) arylene group having 6 to 24 carbon atoms, such as hydroxyphenylene group, hydroxynaphthylene group, hydroxybiphenylene group, methoxy For example, a flangyl group, a methoxythiophene diyl group, and a hydroxypyridine diyl group. Preferred groups include the following groups.
1.アルキル基
アルキル基は置換基を有していてもよく、より好ましくは炭素数1〜24、さらに好ましくは炭素数1〜10のアルキル基であり、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよい。例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、i−プロピル基、i−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基、tert−オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、2−ヘキシルデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、シクロヘキシルメチル基、オクチルシクロヘキシル基等である。
1. Alkyl group The alkyl group may have a substituent, more preferably an alkyl group having 1 to 24 carbon atoms, still more preferably 1 to 10 carbon atoms, and may be linear or branched. May be. For example, methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, i-propyl group, i-butyl group, pentyl group, hexyl group, octyl group, 2-ethylhexyl group, tert-octyl group, decyl group, dodecyl group, tetradecyl group 2-hexyldecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, cyclohexylmethyl group, octylcyclohexyl group and the like.
2.アリール基
アリール基は置換基を有していても縮環していてもよく、より好ましくは炭素数6〜24のアリール基であり、例えばフェニル基、4−メチルフェニル基、3−シアノフェニル基、2−クロロフェニル基、2−ナフチル基等である。
2. Aryl group The aryl group may have a substituent or may be condensed, and more preferably an aryl group having 6 to 24 carbon atoms, such as a phenyl group, a 4-methylphenyl group, and a 3-cyanophenyl group. , 2-chlorophenyl group, 2-naphthyl group and the like.
3.複素環基
複素環基は置換基を有していても縮環していてもよく、含窒素複素環基のときは環中の窒素が4級化していてもよい。より好ましくは炭素数2〜24の複素環基であり、例えば4−ピリジル基、2−ピリジル基、1−オクチルピリジニウム−4−イル基、2−ピリミジル基、2−イミダゾリル基、2−チアゾリル基等である。
3. Heterocyclic Group The heterocyclic group may have a substituent or may be condensed. In the case of a nitrogen-containing heterocyclic group, the nitrogen in the ring may be quaternized. More preferably, it is a C2-C24 heterocyclic group, for example, 4-pyridyl group, 2-pyridyl group, 1-octylpyridinium-4-yl group, 2-pyrimidyl group, 2-imidazolyl group, 2-thiazolyl group. Etc.
4.アルコキシ基
より好ましくは炭素数1〜24のアルコキシ基であり、例えばメトキシ基、エトキシ基、ブトキシ基、オクチルオキシ基、メトキシエトキシ基、メトキシペンタ(エチルオキシ)基、アクリロイルオキシエトキシ基、ペンタフルオロプロポキシ基等である。
4). More preferably an alkoxy group having 1 to 24 carbon atoms, such as a methoxy group, an ethoxy group, a butoxy group, an octyloxy group, a methoxyethoxy group, a methoxypenta (ethyloxy) group, an acryloyloxyethoxy group, or a pentafluoropropoxy group Etc.
5.アシルオキシ基
より好ましくは炭素数1〜24のアシルオキシ基であり、例えばアセチルオキシ基、ベンゾイルオキシ基等である。
5). An acyloxy group is more preferably an acyloxy group having 1 to 24 carbon atoms, such as an acetyloxy group and a benzoyloxy group.
6.アルコキシカルボニル基
より好ましくは炭素数2〜24のアルコキシカルボニル基であり、例えばメトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等である。
6. An alkoxycarbonyl group is more preferably an alkoxycarbonyl group having 2 to 24 carbon atoms, such as a methoxycarbonyl group or an ethoxycarbonyl group.
7.カルバモイルオキシ基
(例えば、N,N−ジメチルカルバモイルオキシ基、N,N−ジエチルカルバモイルオキシ基、モルホリノカルボニルオキシ基、N,N−ジ−n−オクチルアミノカルボニルオキシ基、N−n−オクチルカルバモイルオキシ基)、
アルコキシカルボニルオキシ基(例えば、メトキシカルボニルオキシ基、エトキシカルボニルオキシ基、tert−ブトキシカルボニルオキシ基、n−オクチルカルボニルオキシ基)
7). Carbamoyloxy group (for example, N, N-dimethylcarbamoyloxy group, N, N-diethylcarbamoyloxy group, morpholinocarbonyloxy group, N, N-di-n-octylaminocarbonyloxy group, Nn-octylcarbamoyloxy group) Group),
Alkoxycarbonyloxy group (eg, methoxycarbonyloxy group, ethoxycarbonyloxy group, tert-butoxycarbonyloxy group, n-octylcarbonyloxy group)
8.アリールオキシカルボニルオキシ基
(例えば、フェノキシカルボニルオキシ基、p−メトキシフェノキシカルボニルオキシ基、p−n−ヘキサデシルオキシフェノキシカルボニルオキシ基、
アミノ基(例えば、アミノ基、メチルアミノ基、ジメチルアミノ基、アニリノ基、N-メチル−アニリノ基、ジフェニルアミノ基)、
アシルアミノ基(例えば、ホルミルアミノ基、アセチルアミノ基、ピバロイルアミノ基、ラウロイルアミノ基、ベンゾイルアミノ基、3,4,5−トリ−n−オクチルオキシフェニルカルボニルアミノ基)
8). Aryloxycarbonyloxy group (for example, phenoxycarbonyloxy group, p-methoxyphenoxycarbonyloxy group, pn-hexadecyloxyphenoxycarbonyloxy group,
An amino group (for example, amino group, methylamino group, dimethylamino group, anilino group, N-methyl-anilino group, diphenylamino group),
Acylamino group (for example, formylamino group, acetylamino group, pivaloylamino group, lauroylamino group, benzoylamino group, 3,4,5-tri-n-octyloxyphenylcarbonylamino group)
9.アミノカルボニルアミノ基
(例えば、カルバモイルアミノ基、N,N−ジメチルアミノカルボニルアミノ基、N,N−ジエチルアミノカルボニルアミノ基、モルホリノカルボニルアミノ基
9. Aminocarbonylamino group (for example, carbamoylamino group, N, N-dimethylaminocarbonylamino group, N, N-diethylaminocarbonylamino group, morpholinocarbonylamino group)
10.アルコキシカルボニルアミノ基
(例えば、メトキシカルボニルアミノ基、エトキシカルボニルアミノ基、tert−ブトキシカルボニルアミノ基、n−オクタデシルオキシカルボニルアミノ基、N−メチル−メトキシカルボニルアミノ基)、
10. Alkoxycarbonylamino group (for example, methoxycarbonylamino group, ethoxycarbonylamino group, tert-butoxycarbonylamino group, n-octadecyloxycarbonylamino group, N-methyl-methoxycarbonylamino group),
11.アリールオキシカルボニルアミノ基
(例えば、フェノキシカルボニルアミノ基、p-クロロフェノキシカルボニルアミノ基、m−n−オクチルオキシフェノキシカルボニルアミノ基)、
11. Aryloxycarbonylamino group (for example, phenoxycarbonylamino group, p-chlorophenoxycarbonylamino group, mn-octyloxyphenoxycarbonylamino group),
12.スルファモイルアミノ基
(例えば、スルファモイルアミノ基、N,N−ジメチルアミノスルホニルアミノ基、N−n−オクチルアミノスルホニルアミノ基)、
12 Sulfamoylamino group (for example, sulfamoylamino group, N, N-dimethylaminosulfonylamino group, Nn-octylaminosulfonylamino group),
13.アルキルおよびアリールスルホニルアミノ基
(例えば、メチルスルホニルアミノ基、ブチルスルホニルアミノ基、フェニルスルホニルアミノ基、2,3,5−トリクロロフェニルスルホニルアミノ基、p−メチルフェニルスルホニルアミノ基)
13. Alkyl and arylsulfonylamino groups (for example, methylsulfonylamino group, butylsulfonylamino group, phenylsulfonylamino group, 2,3,5-trichlorophenylsulfonylamino group, p-methylphenylsulfonylamino group)
14.スルファモイル基
(例えば、N−エチルスルファモイル基、N−(3−ドデシルオキシプロピル)スルファモイル基、N,N−ジメチルスルファモイル基、N−アセチルスルファモイル基、N−ベンゾイルスルファモイル基、N−(N'−フェニルカルバモイル)スルファモイル基)、
14 Sulfamoyl group (for example, N-ethylsulfamoyl group, N- (3-dodecyloxypropyl) sulfamoyl group, N, N-dimethylsulfamoyl group, N-acetylsulfamoyl group, N-benzoylsulfamoyl group) N- (N′-phenylcarbamoyl) sulfamoyl group),
15.アルキルおよびアリールスルフィニル基
(例えば、メチルスルフィニル基、エチルスルフィニル基、フェニルスルフィニル基、p−メチルフェニルスルフィニル基)、
15. Alkyl and arylsulfinyl groups (eg, methylsulfinyl group, ethylsulfinyl group, phenylsulfinyl group, p-methylphenylsulfinyl group),
16.アルキルおよびアリールスルホニル基
(例えば、メチルスルホニル基、エチルスルホニル基、フェニルスルホニル基、p−メチルフェニルスルホニル基)、
16. Alkyl and arylsulfonyl groups (eg, methylsulfonyl group, ethylsulfonyl group, phenylsulfonyl group, p-methylphenylsulfonyl group),
17.アシル基
(例えば、アセチル基、ピバロイル基、2−クロロアセチル基、ステアロイル基、ベンゾイル基、p−n−オクチルオキシフェニルカルボニル基)、
アリールオキシカルボニル基(例えば、フェノキシカルボニル基、o−クロロフェノキシカルボニル基、m−ニトロフェノキシカルボニル基、p−tert−ブチルフェノキシカルボニル基)、
17. An acyl group (for example, acetyl group, pivaloyl group, 2-chloroacetyl group, stearoyl group, benzoyl group, pn-octyloxyphenylcarbonyl group),
An aryloxycarbonyl group (for example, phenoxycarbonyl group, o-chlorophenoxycarbonyl group, m-nitrophenoxycarbonyl group, p-tert-butylphenoxycarbonyl group),
18.カルバモイル基
(例えば、カルバモイル基、N−メチルカルバモイル基、N,N−ジメチルカルバモイル基、N,N−ジ−n−オクチルカルバモイル基、N−(メチルスルホニル)カルバモイル基)、
18. A carbamoyl group (for example, carbamoyl group, N-methylcarbamoyl group, N, N-dimethylcarbamoyl group, N, N-di-n-octylcarbamoyl group, N- (methylsulfonyl) carbamoyl group),
19.シリル基(炭素数3〜30のシリル基が好ましく、例えば、トリメチルシリル基、tert−ブチルジメチルシリル基、フェニルジメチルシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル、ジメトキシメチルシリル、ジエトキシメチルシリル、トリアセトキシシリル)、 19. Silyl group (preferably a silyl group having 3 to 30 carbon atoms, for example, trimethylsilyl group, tert-butyldimethylsilyl group, phenyldimethylsilyl, trimethoxysilyl, triethoxysilyl, dimethoxymethylsilyl, diethoxymethylsilyl, triacetoxysilyl ),
20.シアノ基、
21.フルオロ基、
22.メルカプト基、
23.水酸基
20. A cyano group,
21. A fluoro group,
22. Mercapto group,
23. Hydroxyl group
s3、s41およびs42は、1〜4の整数であり、1〜3であるのが好ましい。尚、s3、s41およびs42が2以上の場合、それぞれのカッコ内は同一であっても良いし、異なっていてもよい。 s3, s41 and s42 are integers of 1 to 4, preferably 1 to 3. In addition, when s3, s41, and s42 are two or more, each parenthesis may be the same or different.
Y1は、炭素−炭素または炭素−酸素結合を形成し重合体を生成しうる重合性基であり、例えばアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、エチニル基、アルキレンオキシド基(エチレンオキシド基、トリメチレンオキシド基等)等が挙げられる。中でもアクリロイル基、メタクリロイル基、エチレンオキシド基、トリメチレンオキシド基等が好ましい。特に好ましくは、エチレンオキシド基、トリメチレンオキシド基である。 Y 1 is a polymerizable group capable of forming a polymer by forming a carbon-carbon or carbon-oxygen bond. For example, acryloyl group, methacryloyl group, vinyl group, ethynyl group, alkylene oxide group (ethylene oxide group, trimethylene oxide) Group) and the like. Of these, acryloyl group, methacryloyl group, ethylene oxide group, trimethylene oxide group and the like are preferable. Particularly preferred are an ethylene oxide group and a trimethylene oxide group.
Y1はAr4に単結合するか、Ar4上の置換基を介して結合する。 Y 1 is bonded to Ar 4 by a single bond or via a substituent on Ar 4 .
以下に有機ケイ素化合物の具体例を挙げるがこれらに限定されるものではない。 Specific examples of the organosilicon compound are listed below, but are not limited thereto.
[1−2]スルホ基の導入
本発明のプロトン伝導体では、一般式(III)または(IV)で表される有機ケイ素化合物に後述するゾル−ゲル反応前後あるいは製膜後のいずれかにおいてスルホン化剤を作用させ、スルホ基を導入することが好ましい。スルホン化剤は、一般式(III)または(IV)中のAr3またはAr4の(ヘテロ)アリール基に直接またはその置換基上に反応することによりスルホ基が導入される。
[1-2] Introduction of sulfo group In the proton conductor of the present invention, sulfone is added to the organosilicon compound represented by the general formula (III) or (IV) either before or after the sol-gel reaction described later or after film formation. It is preferable to introduce a sulfo group by acting an agent. In the sulfonating agent, a sulfo group is introduced by reacting directly with or on the substituent of Ar 3 or Ar 4 (hetero) aryl group in general formula (III) or (IV).
スルホン化剤としては、例えば「第3版 新実験化学講座14巻 有機化合物の合成と反応」(日本化学会編)に記載のスルホン化剤が使用できる。好ましくは、硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸、アミド硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄錯体(たとえば、SO3−DMF、SO3−THF、SO3−ジオキサン、SO3−ピリジンなど)が挙げられる。特に好ましくは、三酸化硫黄錯体である。
スルホン化反応に用いる溶媒は後述するゾル−ゲル反応に用いる溶媒で説明する溶媒が好ましく用いられる。全溶媒量は前駆体化合物1gに対し好ましくは0.1〜100gであり、より好ましくは1〜10gである。反応温度は反応速度に関連し、前駆体の反応性と選択したスルホ化剤の種類及び量に応じて選択することができる。好ましくは−20℃〜150℃であり、より好ましくは0℃〜120℃であり、さらに好ましくは20℃〜100℃である。スルホ化剤の使用量は一般式(III)の化合物と一般式(IV)の化合物のモル数の合計に対して1〜10倍モルが好ましく、2〜5倍モルがさらに好ましい。スルホン化反応はスルホ化剤の分解を抑制するために、溶媒等を脱水し、無水に近い条件で行うのが好ましい。
As the sulfonating agent, for example, the sulfonating agent described in “3rd edition, New Experimental Chemistry Course Vol. 14, Synthesis and Reaction of Organic Compounds” (edited by Chemical Society of Japan) can be used. Preferably, sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, amido sulfuric acid, sulfur trioxide, sulfur trioxide complex (e.g., SO 3 -DMF, SO 3 -THF , SO 3 - , such as pyridine - dioxane, SO 3) include . Particularly preferred is a sulfur trioxide complex.
As the solvent used in the sulfonation reaction, the solvent described in the solvent used in the sol-gel reaction described later is preferably used. The total amount of the solvent is preferably 0.1 to 100 g, more preferably 1 to 10 g, relative to 1 g of the precursor compound. The reaction temperature is related to the reaction rate and can be selected depending on the reactivity of the precursor and the type and amount of the selected sulfating agent. Preferably it is -20 degreeC-150 degreeC, More preferably, it is 0 degreeC-120 degreeC, More preferably, it is 20 degreeC-100 degreeC. The amount of the sulfonating agent used is preferably 1 to 10 times, more preferably 2 to 5 times the total number of moles of the compound of the general formula (III) and the compound of the general formula (IV). In order to suppress decomposition of the sulfonating agent, the sulfonation reaction is preferably performed under conditions close to anhydrous conditions by dehydrating the solvent and the like.
[1−3]メソゲン含有有機ケイ素化合物
本発明では前記ゾルーゲル反応において、メソゲンを含む基を有するケイ素化合物の少なくとも一種をさらに添加することが好ましく、このメソゲンを含む基を有するケイ素化合物は一般式(VII)および一般式(VII)で表される化合物の少なくとも1種であることが好ましい。
[1-3] Mesogen-containing organosilicon compound In the present invention, in the sol-gel reaction, it is preferable to further add at least one silicon compound having a mesogen-containing group, and the silicon compound having a mesogen-containing group is represented by the general formula ( VII) and at least one compound represented by formula (VII) are preferred.
一般式(VII)および(VIII)で表されるメソゲンを含む有機ケイ素化合物において、R9およびR11はアルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表し、R10およびR12は水素原子、アルキル基、アリール基またはシリル基を表す。R9〜R12で表されるアルキル基の好ましい例としては、直鎖、分岐鎖または環状のアルキル基(例えば炭素数1〜20のアルキル基であり、メチル基、エチル基、イソプロピル基、n−ブチル基、2−エチルヘキシル基、n−デシル基、シクロプロピル基、シクロヘキシル基、シクロドデシル基等)が挙げられ、R9〜R12で表されるアリール基の好ましい例としては、炭素数6〜20の置換または無置換のフェニル基、ナフチル基等が挙げられ、R9およびR11で表されるヘテロ環基の好ましい例としては、置換または無置換のへテロ6員環(ピリジル、モルホリノ基等)、置換または無置換のヘテロ5員環(フリル、チオフェン基等)等が挙げられる。また、R10およびR12で表されるシリル基の好ましい例としては、炭素数1〜10のアルキル基から選ばれた3つのアルキル基で置換されたシリル基(トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリイソプロピルシリル基等)、またはポリシロキサン基(−(Me2SiO)nH(n=10〜100)等)が挙げられる。m7およびm8は、好ましくはm7および/またはm8が2または3の場合であり、より好ましくはm7および/またはm8が3の場合である。尚、m7、m8、3−m7、3−m8、s71、s72またはs8が2以上の場合、それぞれのカッコ内は、同一であっても良いし、異なっていてもよい。
s71は1〜8の整数であり、1〜4が好ましく、1〜2がさらに好ましい。s72は1〜4の整数であり、1〜2が好ましく、1がさらに好ましい。s8は1〜8の整数であり、1〜4が好ましく、1〜2がさらに好ましい。
In the organosilicon compound containing mesogens represented by the general formulas (VII) and (VIII), R 9 and R 11 represent an alkyl group, an aryl group or a heterocyclic group, and R 10 and R 12 represent a hydrogen atom, an alkyl group Represents an aryl group or a silyl group. Preferable examples of the alkyl group represented by R 9 to R 12 include a linear, branched or cyclic alkyl group (for example, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, such as a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, n -Butyl group, 2-ethylhexyl group, n-decyl group, cyclopropyl group, cyclohexyl group, cyclododecyl group, etc.). Preferred examples of the aryl group represented by R 9 to R 12 include 6 carbon atoms. -20 substituted or unsubstituted phenyl groups, naphthyl groups and the like. Preferred examples of the heterocyclic group represented by R 9 and R 11 include substituted or unsubstituted hetero 6-membered rings (pyridyl, morpholino). Group), a substituted or unsubstituted hetero 5-membered ring (furyl, thiophene group, etc.) and the like. In addition, preferable examples of the silyl group represented by R 10 and R 12 include a silyl group (trimethylsilyl group, triethylsilyl group, trimethylsilyl group substituted with three alkyl groups selected from alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms). An isopropylsilyl group), or a polysiloxane group (-(Me 2 SiO) n H (n = 10 to 100) or the like). m7 and m8 are preferably when m7 and / or m8 is 2 or 3, and more preferably when m7 and / or m8 is 3. In addition, when m7, m8, 3-m7, 3-m8, s71, s72 or s8 is 2 or more, the respective parentheses may be the same or different.
s71 is an integer of 1 to 8, preferably 1 to 4, and more preferably 1 to 2. s72 is an integer of 1 to 4, preferably 1 to 2, and more preferably 1. s8 is an integer of 1 to 8, preferably 1 to 4, and more preferably 1 to 2.
A3およびA4は、メソゲンを含む有機原子団であり、メソゲン基の好ましい例としては、Dietrich Demus および Horst Zaschkeによる 「Flussige Kristalle in Tabellen II」, 1984年, p.7-18に記載されているものが挙げられる。中でも、下記一般式(IX)で表されるものが好ましい。 A 3 and A 4 are organic groups containing mesogens, and preferable examples of mesogenic groups are described in “Flussige Kristalle in Tabellen II” by Dietrich Demus and Horst Zaschke, 1984, p.7-18. The thing that is. Among these, those represented by the following general formula (IX) are preferable.
一般式(IX)中、Q11およびQ12は2価の連結基または単結合を表す。2価の連結基としては、−CH=CH−、−CH=N−、−N=N−、−N(O)=N−、−COO−、−COS−、−CONH−、−COCH2−、−CH2CH2−、−OCH2−、−CH2NH−、−CH2−、−CO−、−O−、−S−、−NH−、−(CH2)1〜3−、−CH=CH−COO−、−CH=CH−CO−、−(C≡C)1〜3−、これらの組合せ等が好ましく、−CH2−、−CO−、−O−、−CH=CH−、−CH=N−、−N=N−、これらの組合せ等がより好ましい。これらの2価の連結基は水素原子が他の置換基で置換された基であってもよい。Q11およびQ12は、アルケニレン基、アルキレン基、1以上の−O−と1以上の−(CH2)1〜3−の組み合わせまたは単結合であるのが好ましく、−[−O−(CH2)m11]m10−(m11は1〜24の整数であり、2〜16が好ましく、3〜11がさらに好ましい。m10は1〜3の整数であり、1〜2が好ましく、1がさらに好ましい。m10が2以上の場合は、それぞれのカッコ内は同一であっても異なっていてもよい。)がより好ましい。 In general formula (IX), Q 11 and Q 12 represent a divalent linking group or a single bond. Examples of the divalent linking group include —CH═CH—, —CH═N—, —N═N—, —N (O) ═N—, —COO—, —COS—, —CONH—, —COCH 2. —, —CH 2 CH 2 —, —OCH 2 —, —CH 2 NH—, —CH 2 —, —CO—, —O—, —S—, —NH—, — (CH 2 ) 1 to 3 — , —CH═CH—COO—, —CH═CH—CO—, — (C≡C) 1 to 3 —, combinations thereof, and the like are preferable, —CH 2 —, —CO—, —O—, —CH = CH-, -CH = N-, -N = N-, combinations thereof, and the like are more preferable. These divalent linking groups may be groups in which a hydrogen atom is substituted with another substituent. Q 11 and Q 12 are alkenylene group, an alkylene group, one or more -O- and one or more - (CH 2) 1 ~ 3 - a combination or a single bond of preferably, - [- O- (CH 2 ) m11 ] m10- (m11 is an integer of 1 to 24, preferably 2 to 16, more preferably 3 to 11. m10 is an integer of 1 to 3, preferably 1 to 2, and more preferably 1. When m10 is 2 or more, each parenthesis may be the same or different.) Is more preferable.
Y11は2価の4〜7員環の置換基、またはそれらから構成される縮合環の置換基を表し、m9は1〜3の整数を表す。Y11は好ましくは6員環の芳香族基、4〜6員環の飽和または不飽和脂肪族基、5または6員環の複素環基、またはそれらの縮合環である。Y11の好ましい具体例としては、以下に示す(Y−1)〜(Y−30)で表される置換基、およびこれらの組合せが挙げられる。これらの置換基の中でより好ましくは(Y−1)、(Y−2)、(Y−18)、(Y−19)、(Y−21)、(Y−22)および(Y−29)であり、さらに好ましくは(Y−1)、(Y−2)、(Y−21)および(Y−29)である。 Y 11 represents a divalent 4- to 7-membered ring substituent or a condensed ring substituent composed of them, and m9 represents an integer of 1 to 3. Y 11 is preferably a 6-membered aromatic group, a 4- to 6-membered saturated or unsaturated aliphatic group, a 5- or 6-membered heterocyclic group, or a condensed ring thereof. Preferable specific examples of Y 11 include substituents represented by (Y-1) to (Y-30) shown below, and combinations thereof. Among these substituents, (Y-1), (Y-2), (Y-18), (Y-19), (Y-21), (Y-22) and (Y-29) are more preferable. More preferably (Y-1), (Y-2), (Y-21) and (Y-29).
上記メソゲン基を含む有機ケイ素化合物は、分子の配向性を高めるために、メソゲンとともに炭素数5以上のアルキル基またはアルキレン基を少なくともひとつ含むものが好ましい。このアルキレン基の炭素数は5〜24が好ましく、6〜16がより好ましい。有機ケイ素化合物に含まれるアルキル基またはアルキレン基は置換基を有していてもよい。好ましい置換基としては、上述の置換基で示した、アルキル基、アリール基、複素環基、アルコキシ基、アシルオキシ基の他、シアノ基、フルオロ基、アルコキシカルボニル基等があげられる。 The organosilicon compound containing a mesogenic group preferably contains at least one alkyl group or alkylene group having 5 or more carbon atoms together with a mesogen in order to enhance molecular orientation. 5-24 are preferable and, as for carbon number of this alkylene group, 6-16 are more preferable. The alkyl group or alkylene group contained in the organosilicon compound may have a substituent. Preferable substituents include alkyl groups, aryl groups, heterocyclic groups, alkoxy groups, acyloxy groups, cyano groups, fluoro groups, alkoxycarbonyl groups, and the like shown for the above-described substituents.
Y2は、炭素−炭素または炭素−酸素結合を形成し重合体を生成しうる重合性基であり、例えばアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、エチニル基、アルキレンオキシド基(エチレンオキシド基、トリメチレンオキシド基等)等が挙げられる。中でもアクリロイル基、メタクリロイル基、エチレンオキシド基、トリメチレンオキシド基等が好ましい。 Y 2 is a polymerizable group capable of forming a carbon-carbon or carbon-oxygen bond to form a polymer. For example, acryloyl group, methacryloyl group, vinyl group, ethynyl group, alkylene oxide group (ethylene oxide group, trimethylene oxide) Group) and the like. Of these, acryloyl group, methacryloyl group, ethylene oxide group, trimethylene oxide group and the like are preferable.
一般式(VII)および(VIII)中、シリル基(−Si(OR10)m7(R9)3-m7、または−Si(OR12)m8(R11)3-m8)は、有機原子団A3またはA4を構成するメソゲン基、アルキレン基またはアルケニレン基に単結合するか、連結基を介して結合する。連結基は炭素数1〜15のアルキレン基であるか、それらのアルキレン基とメソゲンの連結基Q11、Q12との組合せであるのが好ましい。シリル基はアルキレン基に結合しているのが好ましい。 In the general formulas (VII) and (VIII), the silyl group (—Si (OR 10 ) m7 (R 9 ) 3-m7 or —Si (OR 12 ) m8 (R 11 ) 3-m8 ) is an organic atomic group A single bond to a mesogen group, an alkylene group or an alkenylene group constituting A 3 or A 4 , or a bond via a linking group. The linking group is preferably an alkylene group having 1 to 15 carbon atoms or a combination of these alkylene groups and mesogenic linking groups Q 11 and Q 12 . The silyl group is preferably bonded to the alkylene group.
以下にメソゲン含有有機ケイ素化合物の具体例を挙げるがこれらに限定されるものではない。 Although the specific example of a mesogen containing organosilicon compound is given to the following, it is not limited to these.
[2]プロトン伝導体の作製法
[2−1]ゾル−ゲル法
本発明では、一般にゾル−ゲル法と呼ばれる金属アルコキシドの加水分解、縮合、乾燥、(場合によっては焼成)等によって固体を得る方法を用いる。例えば、特許文献1〜3、特許文献8および非特許文献3等に記載されている方法を用いることができる。一般には、縮合のために酸触媒を用いるが、本発明では、[1−2]で述べた前駆体自身が酸触媒となるため、別途酸を添加しなくてもよい。
[2] Proton Conductor Production Method [2-1] Sol-Gel Method In the present invention, a solid is obtained by hydrolysis, condensation, drying, or (in some cases firing) a metal alkoxide, which is generally called a sol-gel method. Use the method. For example, the methods described in Patent Documents 1 to 3, Patent Document 8 and Non-Patent Document 3 can be used. In general, an acid catalyst is used for the condensation. However, in the present invention, the precursor itself described in [1-2] itself becomes an acid catalyst, and thus it is not necessary to add an acid separately.
本発明のプロトン伝導体の典型的な作製方法は、一般式(III)または(IV)で表される化合物を溶媒(例えば、DMF、THF、ジオキサン、塩化メチレン、ジエチルエーテルなど)に溶解し、スルホン化剤と反応させる。スルホン化反応終了後、任意の溶媒に溶解した[1−3]に記載のメソゲン含有有機ケイ素化合物と混合し、アルコキシシリル基の加水分解と縮重合(以後「ゾル−ゲル反応」と呼ぶ)を進行させる。あるいは一般式(III)または(IV)で表される化合物と[1−3]に記載したメソゲン含有有機ケイ素化合物を任意の溶媒に溶解した後スルホン化剤を添加し、スルホ基を導入後、ゾル−ゲル反応を進行させる。これらの反応においては、必要に応じ加熱してもよい。反応混合液(ゾル)の粘度は徐々に増し、溶媒を留去、乾燥すると固体(ゲル)が得られる。流動性がある段階でゾルを所望の容器に流し込むか、塗布した後、溶媒留去、乾燥することにより膜状の個体を得ることができる。生成するシリカのネットワークをより緻密にするため、必要に応じ乾燥後さらに加熱することも可能である。また、一般式(III)または(IV)で表される化合物と[1−3]に記載したメソゲン含有有機ケイ素化合物を任意の溶媒に溶解し、ゾルーゲル反応後に得られる生成物をスルホン化剤で処理してスルホ基を導入し、膜を作製してもよい。 A typical method for producing the proton conductor of the present invention is to dissolve a compound represented by the general formula (III) or (IV) in a solvent (for example, DMF, THF, dioxane, methylene chloride, diethyl ether, etc.) React with sulfonating agent. After completion of the sulfonation reaction, it is mixed with the mesogen-containing organosilicon compound described in [1-3] dissolved in an arbitrary solvent, and hydrolysis and polycondensation of alkoxysilyl groups (hereinafter referred to as “sol-gel reaction”). Make it progress. Alternatively, the compound represented by the general formula (III) or (IV) and the mesogen-containing organosilicon compound described in [1-3] are dissolved in an arbitrary solvent, a sulfonating agent is added, and a sulfo group is introduced. The sol-gel reaction is allowed to proceed. In these reactions, heating may be performed as necessary. The viscosity of the reaction mixture (sol) gradually increases, and the solvent is distilled off and dried to obtain a solid (gel). A film-like solid can be obtained by pouring the sol into a desired container or applying it at a stage where fluidity exists, and then evaporating and drying the solvent. In order to make the generated silica network more dense, it is possible to further heat after drying if necessary. Further, the compound represented by the general formula (III) or (IV) and the mesogen-containing organosilicon compound described in [1-3] are dissolved in an arbitrary solvent, and the product obtained after the sol-gel reaction is dissolved with a sulfonating agent. A membrane may be prepared by introducing a sulfo group by treatment.
ゾル−ゲル反応に用いる溶媒は、前駆体の有機ケイ素化合物を溶解するものであれば特に制限はないが、好ましくはカーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステル等)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、水等を用いることができる。中でも、エタノール、イソプロパノール、フッ素置換アルコール等のアルコール類、アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル化合物、ジオキサン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類等が特に好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。また乾燥速度を制御する目的で、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、スルホラン、ジオキサン等の沸点100℃以上の溶媒を上記溶媒に添加しても良い。全溶媒量は、前駆体化合物1gに対し好ましくは0.1〜100gであり、より好ましくは1〜10gである。 The solvent used in the sol-gel reaction is not particularly limited as long as it dissolves the precursor organosilicon compound, but is preferably a carbonate compound (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), a heterocyclic compound (3-methyl-2). -Oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), Alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol mono Alkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile) Etc.), esters (carboxylic acid esters, phosphoric acid esters, phosphonic acid esters, etc.), aprotic polar substances (dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorine-based A solvent (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), water or the like can be used. Of these, alcohols such as ethanol, isopropanol and fluorine-substituted alcohol, nitrile compounds such as acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile and benzonitrile, and cyclic ethers such as dioxane and tetrahydrofuran are particularly preferable. These may be used alone or in combination of two or more. For the purpose of controlling the drying rate, a solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, sulfolane, dioxane and the like may be added to the solvent. The total amount of the solvent is preferably 0.1 to 100 g, more preferably 1 to 10 g, relative to 1 g of the precursor compound.
ゾル−ゲル反応の進行を速める目的で酸触媒を用いてもよい。酸触媒としては無機または有機のプロトン酸が好ましい。無機プロトン酸としては、塩酸、硫酸、リン酸類(H3PO4、H3PO3、H4P2O7、H5P3O10、メタリン酸、ヘキサフルオロリン酸等)、硼酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロ硼酸、ヘキサフルオロ砒素酸、臭化水素酸、固体酸(タングストリン酸、タングステンペルオキソ錯体等)等が挙げられる。有機プロトン酸としては、リン酸エステル類(例えば炭素数1〜30のリン酸エステル類であり、リン酸メチルエステル、リン酸プロピルエステル、リン酸ドデシルエステル、リン酸フェニルエステル、リン酸ジメチルエステル、リン酸ジドデシルエステル等)、亜リン酸エステル類(例えば炭素数1〜30の亜リン酸エステル類であり、亜リン酸メチルエステル、亜リン酸ドデシルエステル、亜リン酸ジエチルエステル、亜リン酸ジイソプロピル、亜リン酸ジドデシルエステル等)、スルホン酸類(例えば炭素数1〜15のスルホン酸類であり、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ヘキサフルオロベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ドデシルスルホン酸等)、カルボン酸類(例えば炭素数1〜15のカルボン酸類であり、酢酸、トリフルオロ酢酸、安息香酸、置換安息香酸等)、イミド類(ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド酸、トリフルオロメタンスルホニルトリフルオロアセトアミド等)、ホスホン酸類(例えば炭素数1〜30のホスホン酸類であり、メチルホスホン酸、エチルホスホン酸、フェニルホスホン酸、ジフェニルホスホン酸、1,5−ナフタレンビスホスホン酸等)等の低分子化合物、またはナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート(例えば、特開2001−114834号公報に記載のもの)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(例えば、特開平6−93111号公報に記載のもの)、スルホン化ポリエーテルスルホン(例えば、特開平10−45913号公報に記載のもの)、スルホン化ポリスルホン(例えば、特開平9−245818号公報に記載のもの)等の耐熱芳香族高分子のスルホン化物等のプロトン酸部位を有する高分子化合物が挙げられる。これらを2種以上併用することも可能である。 An acid catalyst may be used for the purpose of accelerating the progress of the sol-gel reaction. The acid catalyst is preferably an inorganic or organic proton acid. Examples of inorganic protonic acids include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acids (H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , H 4 P 2 O 7 , H 5 P 3 O 10 , metaphosphoric acid, hexafluorophosphoric acid, etc.), boric acid, nitric acid Perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluoroarsenic acid, hydrobromic acid, solid acids (tungstophosphoric acid, tungsten peroxo complex, etc.), and the like. Examples of organic protonic acids include phosphoric acid esters (for example, phosphoric acid esters having 1 to 30 carbon atoms, phosphoric acid methyl ester, phosphoric acid propyl ester, phosphoric acid dodecyl ester, phosphoric acid phenyl ester, phosphoric acid dimethyl ester, Phosphorous acid dododecyl ester, etc.), phosphorous acid esters (for example, phosphorous acid esters having 1 to 30 carbon atoms, phosphorous acid methyl ester, phosphorous acid dodecyl ester, phosphorous acid diethyl ester, phosphorous acid Diisopropyl, phosphorous acid dododecyl ester, etc.), sulfonic acids (for example, sulfonic acids having 1 to 15 carbon atoms, such as benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, hexafluorobenzenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, dodecylsulfonic acid, etc.) Carboxylic acids (for example, carboxylic acids having 1 to 15 carbon atoms) Acetic acid, trifluoroacetic acid, benzoic acid, substituted benzoic acid, etc.), imides (bis (trifluoromethanesulfonyl) imidic acid, trifluoromethanesulfonyl trifluoroacetamide, etc.), phosphonic acids (for example, phosphones having 1 to 30 carbon atoms) Perfluorocarbon sulfonic acid polymers represented by low molecular weight compounds such as methylphosphonic acid, ethylphosphonic acid, phenylphosphonic acid, diphenylphosphonic acid, 1,5-naphthalene bisphosphonic acid, etc., or Nafion (registered trademark), Poly (meth) acrylates having a phosphate group in the side chain (for example, those described in JP-A-2001-114844), sulfonated polyether ether ketones (for example, those described in JP-A-6-93111) Sulfonated polyethersulfone For example, it has proton acid sites such as sulfonated products of heat-resistant aromatic polymers such as those described in JP-A-10-45913) and sulfonated polysulfone (for example, described in JP-A-9-245818). A high molecular compound is mentioned. Two or more of these may be used in combination.
ゾル−ゲル反応の反応温度は反応速度に関連し、前駆体の反応性と選択した酸の種類および量に応じて選択することができる。好ましくは−20℃〜150℃であり、より好ましくは0℃〜80℃であり、さらに好ましくは20℃〜60℃である。 The reaction temperature of the sol-gel reaction is related to the reaction rate and can be selected depending on the reactivity of the precursor and the type and amount of the selected acid. Preferably it is -20 degreeC-150 degreeC, More preferably, it is 0 degreeC-80 degreeC, More preferably, it is 20 degreeC-60 degreeC.
[2−2]重合性基Yによる重合
重合性基Y1およびY2が、(メタ)アクリロイル基、ビニル基、エチニル基等の炭素−炭素不飽和結合である場合、大津隆行・木下雅悦共著,「高分子合成の実験法」,化学同人や大津隆行著,「講座重合反応論1ラジカル重合(I)」,化学同人に記載された一般的な高分子合成法であるラジカル重合法を用いることができる。
[2-2] Polymerization by polymerizable group Y When the polymerizable groups Y 1 and Y 2 are carbon-carbon unsaturated bonds such as (meth) acryloyl group, vinyl group, ethynyl group, etc., Takayuki Otsu and Masami Kinoshita Co-authored, “Experimental Methods for Polymer Synthesis”, Chemical Doujin and Takatsu Otsu, “Lecture Polymerization Reaction Theory 1 Radical Polymerization (I)”, Radical Polymerization, a general polymer synthesis method described in Chemical Dojin Can be used.
ラジカル重合法として、熱重合開始剤を用いる熱重合法と光重合開始剤を用いる光重合法を使用することができる。熱重合開始剤の好ましい例としては、2,2'−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2'−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2'−アゾビス(2−メチルプロピオネート)等のアゾ系開始剤、ベンゾイルパーオキシド等の過酸化物系開始剤等が挙げられ、光重合開始剤の好ましい例としては、α−カルボニル化合物(米国特許2367661号および同2367670号の各明細書)、アシロインエーテル(米国特許244828号明細書)、α−炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許2722512号明細書)、多核キノン化合物(米国特許3046127号および同2951758号の各明細書)、トリアリールイミダゾールダイマーとp−アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許35493676号明細書)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60−105667号公報および米国特許4239850号明細書)およびオキサジアゾール化合物(米国特許4212970号明細書)が挙げられる。 As the radical polymerization method, a thermal polymerization method using a thermal polymerization initiator and a photopolymerization method using a photopolymerization initiator can be used. Preferred examples of the thermal polymerization initiator include 2,2'-azobis (isobutyronitrile), 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl 2,2'-azobis (2-methyl). Azo initiators such as propionate) and peroxide initiators such as benzoyl peroxide. Preferred examples of the photopolymerization initiator include α-carbonyl compounds (US Pat. Nos. 2,367,661 and 2,367,670). ), Acyloin ether (US Pat. No. 2,244,828), α-hydrocarbon-substituted aromatic acyloin compound (US Pat. No. 2,722,512), polynuclear quinone compound (US Pat. Nos. 3,046,127 and 2,951,758) Description), a combination of triarylimidazole dimer and p-aminophenyl ketone (US Pat. No. 3,549) 3676), acridine and phenazine compounds (JP-A-60-105667 and US Pat. No. 4,239,850) and oxadiazole compounds (US Pat. No. 4,221,970).
重合開始剤は、上記[2−1]のゾル−ゲル反応前に反応液に添加しても、ゾル−ゲル反応後であって反応液を塗布する直前に添加しても良い。重合開始剤の添加量はモノマー総量に対し好ましくは0.01〜20質量%であり、より好ましくは0.1〜10質量%である。 The polymerization initiator may be added to the reaction solution before the sol-gel reaction of [2-1] or may be added after the sol-gel reaction and immediately before the reaction solution is applied. The addition amount of the polymerization initiator is preferably 0.01 to 20% by mass, more preferably 0.1 to 10% by mass, based on the total amount of monomers.
Y1およびY2で表される重合性基がエチレンオキシド基、トリメチレンオキシド基等のアルキレンオキシド基の場合、重合触媒としてはプロトン酸(上記[2−1]で挙げたプロトン酸)やルイス酸(好ましくは三フッ化ホウ素(エーテル錯体を含む)、塩化亜鉛、塩化アルミニウム等)を好ましく用いることができる。プロトン酸としてゾル−ゲル反応のプロトン酸を用いる場合には、重合性基Y1およびY2の重合用に特に添加する必要はない。重合触媒を添加する場合には、塗布する直前に反応液に添加するのが好ましい。通常、重合は塗布後に加熱または光照射により膜中で進行させる。これにより分子の配向状態が固定され、また膜の強度も向上する。 When the polymerizable group represented by Y 1 and Y 2 is an alkylene oxide group such as an ethylene oxide group or a trimethylene oxide group, the polymerization catalyst is a proton acid (the proton acid mentioned in [2-1] above) or a Lewis acid. (Preferably boron trifluoride (including ether complex), zinc chloride, aluminum chloride, etc.) can be preferably used. When a sol-gel reaction proton acid is used as the proton acid, it is not particularly necessary to add it for the polymerization of the polymerizable groups Y 1 and Y 2 . When adding a polymerization catalyst, it is preferable to add to a reaction liquid just before apply | coating. Usually, the polymerization proceeds in the film by heating or light irradiation after coating. As a result, the molecular orientation is fixed and the strength of the film is improved.
[2−3] 他のケイ素化合物との併用
材料の膜特性を向上させるため、必要に応じて、上記[1−1]〜[1−3]に記載した2種以上の前駆体を混合して用いてもよい。例えば、一般式(III)または(IV)で表される前駆体におけるm3またはm4がそれぞれ3と2の化合物を混合するか、一般式(VII)または(VIII)で表される前駆体におけるm7またはm8がそれぞれ3と2の化合物を混合するか、あるいはこれらを組み合わせることよってより柔軟な膜を形成することができる。これらの前駆体にさらに他のケイ素化合物を添加してもよい。他のケイ素化合物の例としては、下記一般式(X)で表される有機ケイ素化合物またはそれらをモノマーとするポリマーが挙げられる。
[2-3] Combined use with other silicon compounds In order to improve the film characteristics of the material, two or more kinds of precursors described in the above [1-1] to [1-3] may be mixed as necessary. May be used. For example, m3 or m4 in the precursor represented by the general formula (III) or (IV) is a mixture of 3 and 2, respectively, or m7 in the precursor represented by the general formula (VII) or (VIII) Alternatively, a more flexible film can be formed by mixing compounds having m8 of 3 and 2, respectively, or combining them. You may add another silicon compound to these precursors further. Examples of the other silicon compounds include organic silicon compounds represented by the following general formula (X) or polymers having these as monomers.
一般式(X)中、R13は置換または無置換のアルキル基、アリール基またはヘテロ環基を表し、R14は水素原子、アルキル基、アリール基またはシリル基を表し、m12は0〜4の整数を表し、m12または4−m12が2以上のとき、R13またはR14はそれぞれ同一でも異なってもよい。また、R13またはR13の置換基により互いに連結し、多量体を形成してもよい。 In the general formula (X), R 13 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, aryl group or heterocyclic group, R 14 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an aryl group or a silyl group, and m12 is 0-4. It represents an integer, when m12 or 4-m12 is 2 or more, R 13 or R 14 may be the same or different. Further, they may be linked to each other by a substituent of R 13 or R 13 to form a multimer.
一般式(X)のm12は0または1が好ましく、R14はアルキル基が好ましい。さらにm12が0のときの好ましい化合物の例としては、テトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエトキシシラン(TEOS)等が挙げられ、m12が1または2のときの好ましい化合物の例としては以下の化合物が挙げられる。 M12 in the general formula (X) is preferably 0 or 1, and R 14 is preferably an alkyl group. Further, examples of preferable compounds when m12 is 0 include tetramethoxysilane (TMOS), tetraethoxysilane (TEOS) and the like, and examples of preferable compounds when m12 is 1 or 2 include the following compounds. Can be mentioned.
[2-4] 製膜方法
本発明において、ゾル−ゲル反応混合物を塗布する際の支持体は特に限定されないが、好ましい例としてはガラス基板、金属基板、高分子フイルム、反射板等を挙げることができる。高分子フイルムとしては、例えば、TAC(トリアセチルセルロース)等のセルロース系高分子フイルム、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のエステル系高分子フイルム、PTFE(ポリトリフルオロエチレン)等のフッ素系高分子フィルム、ポリイミドフィルム等が挙げられる。塗布方式は公知の方法でよく、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法等を用いることができる。
[2-4] Film-forming method In the present invention, the support for applying the sol-gel reaction mixture is not particularly limited, but preferred examples include a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, a reflector and the like. Can do. Examples of the polymer film include cellulose-based polymer films such as TAC (triacetyl cellulose), ester-based polymer films such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate), PTFE (polytrifluoroethylene), and the like. Fluoropolymer film, polyimide film and the like. The coating method may be a known method, for example, curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. it can.
[2−5]高分子化合物の添加
本発明のプロトン伝導体には、(1)膜の機械的強度を高める目的、および(2)膜中の酸濃度を高める目的で種々の高分子化合物を含有させてもよい。(1)機械的強度を高める目的には、分子量10,000〜1,000,000程度で本発明のプロトン伝導体と相溶性のよい高分子化合物が適する。例えば、パーフッ素化ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレングリコール、ポリオキセタン、ポリ(メタ)アクリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリなど、およびこれらの共重合体が好ましく、含有量としては1〜30質量%の範囲が好ましい。(2)酸濃度を高める目的には、ナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱芳香族高分子のスルホン化物などのプトロン酸部位を有する高分子化合物などが好ましく、含有量としては1〜30質量%の範囲が好ましい。
[2-5] Addition of polymer compound The proton conductor of the present invention contains various polymer compounds for the purpose of (1) increasing the mechanical strength of the membrane and (2) increasing the acid concentration in the membrane. You may make it contain. (1) For the purpose of increasing mechanical strength, a polymer compound having a molecular weight of about 10,000 to 1,000,000 and having good compatibility with the proton conductor of the present invention is suitable. For example, perfluorinated polymer, polystyrene, polyethylene glycol, polyoxetane, poly (meth) acrylate, polyether ketone, polyether sulfone, poly and the like, and copolymers thereof are preferable, and the content is 1 to 30% by mass. The range of is preferable. (2) For the purpose of increasing the acid concentration, perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by Nafion, poly (meth) acrylate having a phosphate group in the side chain, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfone Polymer compounds having a ptronic acid moiety such as sulfonated products of heat-resistant aromatic polymers such as sulfonated polysulfone and sulfonated polybenzimidazole are preferred, and the content is preferably in the range of 1 to 30% by mass.
有機ケイ素化合物前駆体を用いたゾル−ゲル反応は、ゾル−ゲル反応混合物を塗布した後、有機ケイ素化合物の有機部位が配向しながら進行する。ゾル−ゲル組成物の配向を促進させるために、様々な手法を採用することができる。例えば、前述の支持体等に事前に配向処理を施すことができる。配向処理としては種々の一般的な方法を採用できるが、好ましくは各種ポリイミド系配向膜、ポリビニルアルコール系配向膜等の液晶配向層を支持体等の上に設け、ラビング等の配向処理行う方法、支持体上のゾル−ゲル組成物に磁場や電場等を印加する方法、加熱する方法等を用いることができる。 The sol-gel reaction using the organosilicon compound precursor proceeds after applying the sol-gel reaction mixture, while the organic sites of the organosilicon compound are oriented. Various techniques can be employed to promote the orientation of the sol-gel composition. For example, the above-described support or the like can be subjected to an orientation treatment in advance. Various general methods can be adopted as the alignment treatment, but preferably a method for performing alignment treatment such as rubbing by providing a liquid crystal alignment layer such as various polyimide alignment films and polyvinyl alcohol alignment films on a support, etc. A method of applying a magnetic field or an electric field to the sol-gel composition on the support, a method of heating, or the like can be used.
有機-無機ハイブリッド型プロトン伝導体の配向状態は、偏光顕微鏡により光学異方性を観察することにより確認することができる。観察方向は任意でよいが、クロスニコル下でサンプルを回転させ、明暗が切り替わる部分があれば異方性があるといえる。配向状態は異方性を示す状態であれば特に制限はない。液晶相と認識できるテクスチャーが観察される場合は相を特定することができ、リオトロピック液晶相でもサーモトロピック液晶相でもよい。配向状態はリオトロピック液晶相の場合はヘキサゴナル相、キュービック相、ラメラ相、スポンジ相、ミセル相が好ましく、特に室温でラメラ相もしくはスポンジ相を示すことが好ましい。サーモトロピック液晶相ではネマチック相、スメクチック相、クリスタル相、カラムナー相およびコレステリック相が好ましく、特に室温でスメクチック相、クリスタル相を示すことが好ましい。また、これらの相における配向が固体状態で保持されている配向状態も好ましい。ここでいう異方性とは分子の方向ベクトルが等方的ではない状態をいう。 The orientation state of the organic-inorganic hybrid proton conductor can be confirmed by observing optical anisotropy with a polarizing microscope. The observation direction may be arbitrary, but it can be said that there is anisotropy if there is a portion where the light and darkness are switched by rotating the sample under crossed Nicols. The orientation state is not particularly limited as long as it exhibits anisotropy. When a texture that can be recognized as a liquid crystal phase is observed, the phase can be specified, and may be a lyotropic liquid crystal phase or a thermotropic liquid crystal phase. In the case of a lyotropic liquid crystal phase, the alignment state is preferably a hexagonal phase, a cubic phase, a lamellar phase, a sponge phase, or a micelle phase, and particularly preferably exhibits a lamellar phase or a sponge phase at room temperature. The thermotropic liquid crystal phase is preferably a nematic phase, a smectic phase, a crystal phase, a columnar phase and a cholesteric phase, and particularly preferably exhibits a smectic phase or a crystal phase at room temperature. An orientation state in which the orientation in these phases is maintained in a solid state is also preferable. The anisotropy here means a state where the direction vector of the molecule is not isotropic.
支持体より剥離して得られる有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導体の厚さは、10〜500μmが好ましく、25〜100μmが特に好ましい。 10-500 micrometers is preferable and, as for the thickness of the organic-inorganic hybrid type proton conductor obtained by peeling from a support body, 25-100 micrometers is especially preferable.
[2−6] 細孔膜への充填
本発明のプロトン伝導体を、多孔質基材の細孔に含浸させて膜を形成することが可能である。細孔を有する基材上に本発明のゾル−ゲル反応液を塗布して含浸させるか、基材をゾル−ゲル反応液に浸漬し、細孔内にプロトン伝導体を満たして膜を形成してもよい。細孔を有する基材の好ましい例としては、多孔性ポリプロピレン、多孔性ポリテトラフルオロエチレン、多孔性架橋型耐熱性ポリエチレン、多孔性ポリイミドなどが挙げられる。
[2-6] Filling the pore membrane The proton conductor of the present invention can be impregnated into the pores of the porous substrate to form a membrane. The sol-gel reaction solution of the present invention is applied on a substrate having pores and impregnated, or the substrate is immersed in the sol-gel reaction solution, and a proton conductor is filled in the pores to form a membrane. May be. Preferable examples of the substrate having pores include porous polypropylene, porous polytetrafluoroethylene, porous cross-linked heat-resistant polyethylene, and porous polyimide.
[2−7]プロトン伝導体への触媒金属の添加
本発明のプロトン伝導体には、アノード燃料とカソード燃料の酸化還元反応を促進させる活性金属触媒を添加してもよい。これにより、プロトン伝導体中に浸透した燃料が他方極に到達すること無くプロトン伝導体中で消費され、クロスオーバーを防ぐことができる。用いられる活性金属種は、電極触媒として機能するものであれば制限は無いが、白金または白金を基にした合金が適している。
[2-7] Addition of catalytic metal to proton conductor An active metal catalyst that promotes the oxidation-reduction reaction between the anode fuel and the cathode fuel may be added to the proton conductor of the present invention. Thereby, the fuel which has penetrated into the proton conductor is consumed in the proton conductor without reaching the other electrode, and crossover can be prevented. The active metal species used is not limited as long as it functions as an electrode catalyst, but platinum or an alloy based on platinum is suitable.
[3] 燃料電池
[3−1]電池の構成
本発明の有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導体を用いた燃料電池について説明する。図1は燃料電池電極膜複合体(以下「MEA」;Membraue and Electrode Assembly という)10の構成を示す。MEA10は、プロトン伝導体11と、それを挟んで対向するアノード電極12およびカソード電極13を備える。
[3] Fuel Cell [3-1] Configuration of Battery A fuel cell using the organic-inorganic hybrid proton conductor of the present invention will be described. FIG. 1 shows the structure of a fuel cell electrode membrane assembly (hereinafter referred to as “MEA”; hereinafter referred to as “Membraue and Electrode Assembly”) 10. The
アノード電極12とカソード電極13は、多孔質導電シート(例えばカーボンペーパー)12a、13aと触媒層12b、13bからなる。触媒層12b、13bは、白金粒子等の触媒金属を担持したカーボン粒子(例えばケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等)をプロトン伝導体(例えばナフィオン等)に分散させた分散物からなる。触媒層12b、13bをプロトン伝導体11に密着させるために、多孔質導電シート12a、13aに触媒層12b、13bを塗設したものを、プロトン交換膜11にホットプレス法(好ましくは120〜130℃、2〜100 kg/cm2)で圧着するか、適当な支持体に触媒層12b、13bを塗設したものを、プロトン伝導体11に転写しながら圧着した後、多孔質導電シート12a、13aで挟み込む方法を一般に用いる。
The
図2は燃料電池単セルの一例を示す。燃料電池はMEA10と、MEA10を挟持する一対のセパレータ21、22と、セパレータ21、22に取り付けられたステンレスネットからなる集電体17およびパッキン14とを有する。アノード極側のセパレータ21にはアノード極側開口部15が設けられ、カソード極側のセパレータ22にはカソード極側開口部16が設けられている。アノード極側開口部15からは、水素、アルコール類(メタノール等)等のガス燃料またはアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、カソード極側開口部16からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。
FIG. 2 shows an example of a single fuel cell. The fuel cell includes an
[3−2]触媒材料
アノード電極およびカソード電極には、カーボン材料に白金などの活性金属粒子を担持した触媒が用いられる。通常用いられる活性金属の粒子サイズは、2〜10nmの範囲であり、粒子サイズが小さい程単位質量当りの表面積が大きくなるので活性が高まり有利であるが、小さすぎると凝集させずに分散させることが難しくなり、2nm程度が限度といわれている。
[3-2] Catalyst Material A catalyst in which active metal particles such as platinum are supported on a carbon material is used for the anode electrode and the cathode electrode. The particle size of the active metal that is usually used is in the range of 2 to 10 nm. The smaller the particle size, the greater the surface area per unit mass and the greater the activity, which is advantageous. It is said that the limit is about 2 nm.
水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極(水素極)に比べ、カソード極(空気極)が大きい。これは、アノード極に比べ、カソード極の反応(酸素の還元)が遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Cu、Pt−Feなどのさまざまな白金基二元金属を用いることができる。アノード燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール燃料電池においては、メタノールの酸化過程で生じるCOによる触媒被毒を抑制することが重要である。この目的のために、Pt−Ru、Pt−Fe、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Moなどの白金基二元金属、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−W、Pt−Ru−Co、Pt−Ru−Fe、Pt−Ru−Ni、Pt−Ru−Cu、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Auなどの白金基三元金属を用いることができる。 The active polarization in the hydrogen-oxygen fuel cell is larger in the cathode electrode (air electrode) than in the anode electrode (hydrogen electrode). This is because the cathode electrode reaction (oxygen reduction) is slower than the anode electrode. For the purpose of improving the activity of the oxygen electrode, various platinum-based binary metals such as Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Cu, and Pt—Fe can be used. In a direct methanol fuel cell using an aqueous methanol solution as an anode fuel, it is important to suppress catalyst poisoning due to CO that occurs during the oxidation process of methanol. For this purpose, platinum-based binary metals such as Pt—Ru, Pt—Fe, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Mo, Pt—Ru—Mo, Pt—Ru—W, Pt—Ru—Co Platinum-based ternary metals such as Pt—Ru—Fe, Pt—Ru—Ni, Pt—Ru—Cu, Pt—Ru—Sn, and Pt—Ru—Au can be used.
活性金属を担持させるカーボン材料としては、アセチレンブラック、Vulcan XC−72、ケチェンブラック、カーボンナノホーン(CNH)、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましく用いられる。 As the carbon material for supporting the active metal, acetylene black, Vulcan XC-72, ketjen black, carbon nanohorn (CNH), and carbon nanotube (CNT) are preferably used.
[3−3]触媒層の構成と材料
触媒層の機能は、(1)燃料を活性金属に輸送すること(2)燃料の酸化(アノード極)、還元(カソード極)反応の場を提供すること、(3)酸化還元により生じた電子を集電体に伝達すること、(4)反応により生じたプロトンをプロトン伝導体に輸送すること、である。(1)のために触媒層は、液体および気体燃料が奥まで透過できる多孔質性であることが必要である。(2)は[3−2]で述べた活性金属触媒が、(3)は同じく[3−2]で述べたカーボン材料が担う。(4)の機能を果たすために、触媒層にプロトン伝導体を混在させる。
[3-3] Structure and material of catalyst layer The function of the catalyst layer provides (1) transport of fuel to active metal, and (2) oxidation (anode) and reduction (cathode) reaction fields of the fuel. (3) transferring electrons generated by oxidation-reduction to the current collector, and (4) transporting protons generated by the reaction to the proton conductor. For (1), the catalyst layer needs to be porous so that liquid and gaseous fuel can permeate deeply. (2) is the active metal catalyst described in [3-2], and (3) is the same as the carbon material described in [3-2]. In order to fulfill the function (4), a proton conductor is mixed in the catalyst layer.
触媒層のプロトン伝導体としては、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、プロトン伝導体に用いられる酸残基を有する高分子化合物(例えばナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸、側鎖リン酸基ポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱性芳香族高分子のスルホン化物など)、酸が固定された有機−無機ハイブリッド型プロトン伝導体(例えば、前述特許文献1〜8、非特許文献1〜3に記載のプロトン伝導体)などが好ましく用いられる。本発明のプロトン伝導体に用いる前駆体をゾル−ゲル反応して得られるプロトン伝導体を触媒層に用いてもよい。この場合、プロトン伝導体と同種の材料であるため、プロトン伝導体と触媒層との密着性が高まり有利である。 The proton conductor of the catalyst layer is not limited as long as it is a solid having a proton donating group, but a polymer compound having an acid residue used for the proton conductor (for example, perfluorocarbon sulfonic acid represented by Nafion, Side chain phosphate group poly (meth) acrylate, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polybenzimidazole and other heat-resistant aromatic polymers), acid-fixed organic-inorganic hybrid proton conductor (For example, the proton conductors described in Patent Documents 1 to 8 and Non-Patent Documents 1 to 3) are preferably used. A proton conductor obtained by sol-gel reaction of a precursor used for the proton conductor of the present invention may be used for the catalyst layer. In this case, since it is the same kind of material as the proton conductor, the adhesion between the proton conductor and the catalyst layer is advantageously increased.
活性金属の使用量は、0.03〜10mg/cm2の範囲が電池出力と経済性の観点から適している。活性金属を担持するカーボン材料の量は、活性金属の質量に対して、1〜10倍が適している。プロトン伝導体の量は、活性金属担持カーボンの質量に対して、0.1〜0.7倍が適している。 The amount of active metal used is suitably in the range of 0.03 to 10 mg / cm 2 from the viewpoint of battery output and economy. The amount of the carbon material supporting the active metal is suitably 1 to 10 times the mass of the active metal. The amount of the proton conductor is suitably 0.1 to 0.7 times the mass of the active metal-carrying carbon.
[3−4] 多孔質導電シート(電極基材)
電極基材、拡散層、あるいは裏打ち材とも呼ばれ、集電機能および水がたまりガスの拡散が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用し、撥水化のためにPTFE処理を施したものを使用することもできる。
[3-4] Porous conductive sheet (electrode substrate)
It is also called an electrode base material, a diffusion layer, or a backing material, and plays a role of collecting current and preventing water accumulation and gas diffusion from deteriorating. Usually, carbon paper or carbon cloth is used, and PTFE treatment for water repellency can also be used.
[3−5] MEA(電極膜複合体)の作成
MEAの作製には、次の4つの方法が好ましい。
プロトン伝導体塗布法:活性金属担持カーボン、プトロン伝導材料、溶媒を基本要素とする触媒ペースト(インク)をプロトン伝導体の両側に直接塗布し、多孔質導電シートを(熱)圧着して5層構成のMEAを作製する。
多孔質導電シート塗布法:触媒ペーストを多孔質導電シート表面に塗布し、触媒層を形成させた後、プロトン伝導体と圧着し、5層構成のMEAを作製する。
Decal法:触媒ペーストをPTFE上に塗布し、触媒層を形成させた後、プロトン伝導体に触媒層のみを転写させ3層のMEAを形成させ、多孔質導電シートを圧着し、5層構成のMEAを作製する。
触媒後担持法:白金未担持カーボン材料をプロトン伝導体とともに混合したインクをプロトン伝導体、多孔質導電シートあるいはPTFE上に塗布・製膜した後、白金イオンを当該膜に含浸させ、白金粒子を膜中で還元析出させて触媒層を形成させる。触媒層を形成させた後は、上記(1)〜(3)の方法にてMEAを作製する。
[3-5] Preparation of MEA (Electrode Membrane Complex) The following four methods are preferable for the preparation of MEA.
Proton conductor coating method: Cathode paste (ink) based on active metal-supported carbon, putron conductive material, and solvent is applied directly on both sides of the proton conductor, and a porous conductive sheet is (thermally) pressed into five layers. An MEA having a configuration is manufactured.
Porous conductive sheet coating method: A catalyst paste is applied to the surface of a porous conductive sheet to form a catalyst layer, and then pressure-bonded to a proton conductor to produce a 5-layer MEA.
Decal method: After applying a catalyst paste on PTFE to form a catalyst layer, only the catalyst layer is transferred to the proton conductor to form a three-layer MEA, and a porous conductive sheet is pressure-bonded to form a five-layer structure. An MEA is produced.
Post-catalyst loading method: After coating and forming an ink in which a platinum-unsupported carbon material is mixed with a proton conductor on a proton conductor, a porous conductive sheet or PTFE, the film is impregnated with platinum ions, A catalyst layer is formed by reducing and precipitating in the membrane. After forming the catalyst layer, the MEA is produced by the above methods (1) to (3).
[3−6] 燃料および供給方法
固体高分子膜を用いる燃料電池の燃料として用いることのできるのは、アノード燃料としては、水素、アルコール類(メタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど)、エーテル類(ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど)、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられる。カソード燃料としては、酸素(大気中の酸素も含む)、過酸化水素などが挙げられる。
[3-6] Fuel and supply method As fuel for a fuel cell using a solid polymer membrane, anode fuel may be hydrogen, alcohols (methanol, isopropanol, ethylene glycol, etc.), ethers (dimethyl ether). , Dimethoxymethane, trimethoxymethane, etc.), formic acid, borohydride complexes, ascorbic acid and the like. Examples of the cathode fuel include oxygen (including oxygen in the atmosphere) and hydrogen peroxide.
直接メタノール型燃料電池では、アノード燃料として、メタノール濃度3〜64質量%のメタノール水溶液が使用される。アノード反応式(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e)により、1モルのメタノールに対し、1モルの水が必要であり、この時のメタノール濃度は64質量%に相当する。メタノール濃度が高い程、同エネルギー容量での燃料タンクを含めた電池の質量および体積が小さくできる利点がある。しかしながら、メタノール濃度が高い程、メタノールがプロトン伝導体を透過しカソード側で酸素と反応し電圧を低下させる、いわゆるクロスオーバー現象、が顕著となり、出力が低下するため、用いるプロトン伝導体のメタノール透過性により、最適濃度が決められる。直接メタノール型燃料電池のカソード反応式は、(3/2O2+6H++6e→H2O)であり、燃料として酸素(通常は空気中の酸素)が用いられる。 In the direct methanol fuel cell, a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 3 to 64% by mass is used as the anode fuel. According to the anode reaction formula (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e), 1 mol of water is required for 1 mol of methanol, and the methanol concentration at this time corresponds to 64% by mass. The higher the methanol concentration, there is an advantage that the mass and volume of the battery including the fuel tank with the same energy capacity can be reduced. However, the higher the methanol concentration, the more the so-called crossover phenomenon, in which methanol permeates the proton conductor and reacts with oxygen on the cathode side to lower the voltage, and the output decreases. The optimal concentration is determined by the nature. The cathode reaction formula of the direct methanol fuel cell is (3 / 2O 2 + 6H + + 6e → H 2 O), and oxygen (usually oxygen in the air) is used as the fuel.
上記、アノード燃料およびカソード燃料を、それぞれの触媒層に供給する方法には、(1)ポンプ等の補機を用いて強制循環させる方法(アクティブ型)と、(2)補機を用いない方法(例えば、液体の場合には毛管現象や自然落下により、気体の場合には大気に触媒層を晒し供給するパッシブ型)の2通りがあり、アノードおよびカソードに対し、これらを組み合わせることも可能である。前者は、カソードで生成する水を循環させることにより燃料として高濃度のメタノールが使用可能、空気供給による高出力化が可能であるなどの利点がある反面、燃料供給系を備える事により小型化がし難い欠点がある。後者は、小型化が可能な利点がある反面、燃料供給が律速となり易く高い出力が出にくい欠点がある。 The methods for supplying the anode fuel and the cathode fuel to the respective catalyst layers include (1) a method of forced circulation using an auxiliary device such as a pump (active type), and (2) a method not using an auxiliary device. There are two types (for example, a passive type in the case of liquid due to capillary action or natural fall, and in the case of gas, the catalyst layer is exposed and supplied to the atmosphere), and these can be combined with the anode and cathode. is there. The former has advantages such as the ability to use high-concentration methanol as a fuel by circulating the water produced at the cathode, and the ability to increase the output by supplying air, but the fuel supply system reduces the size. There is a difficult drawback. The latter is advantageous in that it can be miniaturized, but has the disadvantage that the fuel supply tends to be rate-limiting and it is difficult to produce a high output.
[3−7] セルのスタッキング
燃料電池の単セル電圧は一般的に1V以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて、単セルを直列スタッキングして用いる。スタッキングの方法としては、単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」および、単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレーターを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。前者は、カソード極(空気極)が表面に出るため、空気を取り入れ易く、薄型にできることから小型燃料電池に適している。この他にも、MEMS技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も提案されている。
[3-7] Cell Stacking Since the single cell voltage of a fuel cell is generally 1 V or less, single cells are stacked in series according to the required voltage of the load. As the stacking method, “planar stacking” in which the single cells are arranged on a plane and “bipolar stacking” in which the single cells are stacked via separators having fuel flow paths formed on both sides are used. The former is suitable for a small fuel cell because the cathode electrode (air electrode) comes out on the surface, so that air can be easily taken in and can be made thin. In addition to this, a method of applying MEMS technology, performing fine processing on a silicon wafer, and stacking has been proposed.
[4]燃料電池のアプリケーション
燃料電池は、自動車用、家庭用、携帯機器用など様々な利用が考えられているが、特に、直接メタノール型燃料電池は、小型、軽量化が可能である、充電が不要である利点を活かし、様々な携帯機器やポータブル機器用エネルギー源としての利用が期待されている。例えば、好ましく適用できる携帯機器としては、携帯電話、モバイルノートパソコン、電子スチルカメラ、PDA、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、モバイルサーバー、ウエラブルパソコン、モバイルディスプレイなどが挙げられる。好ましく適用できるポータブル機器としては、ポータブル発電機、野外照明機器、懐中電灯、電動(アシスト)自転車などが挙げられる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された2次電池の充電用電源としても有用である。
[4] Applications of fuel cells Fuel cells are considered to be used in various applications such as automobiles, households, and portable devices. In particular, direct methanol fuel cells can be reduced in size and weight. Taking advantage of the fact that it is unnecessary, it is expected to be used as an energy source for various portable devices and portable devices. For example, mobile devices that can be preferably applied include mobile phones, mobile notebook computers, electronic still cameras, PDAs, video cameras, portable game machines, mobile servers, wearable personal computers, and mobile displays. Examples of portable devices that can be preferably applied include portable generators, outdoor lighting devices, flashlights, and electric (assist) bicycles. Moreover, it can be preferably used as a power source for industrial or household robots or other toys. Furthermore, it is also useful as a power source for charging secondary batteries mounted on these devices.
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.
実施例1−1
1.プロトン伝導体の作製
(1) プロトン伝導体(E−1−1)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V-2(38mg)および水(0.05ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの膜を得た。
Example 1-1
1. Proton conductor fabrication
(1) Preparation of proton conductor (E-1-1) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich Co., Ltd.) (0 .15 g) was added and allowed to react at room temperature for 12 hours. Thereafter, V-2 (38 mg) and water (0.05 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a 120 μm thick film was obtained.
(2) プロトン伝導体(E−1−2)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15 g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V−5(73mg)および水(0.11ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ110μmの膜を得た。
(2) Preparation of proton conductor (E-1-2) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved, SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-5 (73 mg) and water (0.11 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 110 μm was obtained.
(3) プロトン伝導体(E−1−3)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15 g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V−8(86mg)および水(0.11ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ110μmの膜を得た。
(3) Preparation of proton conductor (E-1-3) A solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved was added to a SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-8 (86 mg) and water (0.11 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 110 μm was obtained.
(4) プロトン伝導体(E−1−4)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15 g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V−13(79mg)、TEOS(50mg)および水(0.16ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ130μmの白色の膜を得た。
(4) Preparation of proton conductor (E-1-4) A solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved was added to a SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-13 (79 mg), TEOS (50 mg) and water (0.16 ml) were added, and the mixture was heated with stirring at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 130 μm was obtained.
(5) プロトン伝導体(E−1−5)の作製
A−9(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.13g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V−13(68mg)および水(0.09ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの膜を得た。
(5) Production of proton conductor (E-1-5) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-9 (0.1 g) was dissolved, SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.13 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-13 (68 mg) and water (0.09 ml) were added, and the mixture was heated with stirring at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a 120 μm thick film was obtained.
(6) プロトン伝導体(E−1−6)の作製
A−11(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.18g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V-13(92mg)および水(0.13ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ110μmの膜を得た。
(6) Preparation of proton conductor (E-1-6) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-11 (0.1 g) was dissolved, SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.18 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-13 (92 mg) and water (0.13 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 110 μm was obtained.
(7) プロトン伝導体(E−1−7)の作製
A−16(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.11g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V-14(67mg)および水(0.08ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの膜を得た。
(7) Preparation of proton conductor (E-1-7) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-16 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich Co., Ltd.) ( 0.11 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-14 (67 mg) and water (0.08 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a 120 μm thick film was obtained.
(8) プロトン伝導体(E−1−8)の作製
A−1(0.1g)およびA-16(0.13g)を溶解したDMF(1 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.31g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、水(0.11ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ130μmの膜を得た。
(8) Preparation of proton conductor (E-1-8) To a solution of DMF (1 ml) in which A-1 (0.1 g) and A-16 (0.13 g) were dissolved, an SO 3 -DMF complex ( Aldrich (manufactured)) (0.31 g) was added and reacted at room temperature for 12 hours. Thereafter, water (0.11 ml) was added, and the mixture was heated with stirring at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 130 μm was obtained.
(9) プロトン伝導体(E−1−9)の作製
A−1(0.1g)、V-13(79mg)、およびTEOS(50mg)をエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、72時間放置した。当該ホ゜リイミト゛膜をSO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15 g)を溶解したDMF(0.5 ml)に浸漬した後、塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ130μmの膜を得た。
(9) Preparation of proton conductor (E-1-9) A-1 (0.1 g), V-13 (79 mg), and TEOS (50 mg) were dissolved in ethanol, and 2% hydrochloric acid water 50 μl at 25 ° C. Was added and stirred for 20 minutes. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 72 hours. The polyimide film was immersed in DMF (0.5 ml) in which SO3-DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0.15 g) was dissolved, and then the coated material was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 130 μm was obtained.
(10) プロトン伝導体(E−1−10)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、V−13(79mg)および水(0.10ml)を加え、50℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ130μmの膜を得た。
(10) Preparation of proton conductor (E-1-10) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved, SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0 .15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, V-13 (79 mg) and water (0.10 ml) were added, and the mixture was heated and stirred at 50 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 130 μm was obtained.
(11) プロトン伝導体(R−1−1)の作製
V−13(800 mg)とTEOS(200 mg)をエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4, 500 mg)/イソプロパノール1ml)を添加し、25℃で30分間攪拌した後、テフロンシート上にアプリケータを用いて塗布した。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後テフロンシートから剥がし、厚さ85μmの比較用の透明シート状固体(R−1−1)を得た。
(12) プロトン伝導体(R−1−2)の作製
トリエトキシフェニルシラン(0.24g)の塩化メチレン(0.5ml)溶液に、SO3(80mg)を塩化メチレン0.2mlに溶解させた溶液を滴下した。室温で5時間反応後、溶媒を留去した。得られた残渣にV−13(0.24g)のエタノール溶液および水を加え、60℃で4時間撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗、乾燥後、厚さ130μmの膜を得た。
(11) Preparation of proton conductor (R-1-1) V-13 (800 mg) and TEOS (200 mg) were dissolved in ethanol, and 50 μl of 2% aqueous hydrochloric acid was added at 25 ° C. and stirred for 20 minutes. . To this solution was added an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 500 mg) / isopropanol 1 ml), and the mixture was stirred at 25 ° C. for 30 minutes, and then applied onto a Teflon sheet using an applicator. After standing at room temperature for 2 hours, it was heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the Teflon sheet to obtain a comparative transparent sheet-like solid (R-1-1) having a thickness of 85 μm.
(12) Preparation of proton conductor (R-1-2) SO 3 (80 mg) was dissolved in 0.2 ml of methylene chloride in a solution of triethoxyphenylsilane (0.24 g) in methylene chloride (0.5 ml). The solution was added dropwise. After reacting at room temperature for 5 hours, the solvent was distilled off. To the obtained residue, an ethanol solution of V-13 (0.24 g) and water were added, and the mixture was stirred at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and allowed to stand for 24 hours. The solidified coated material was peeled off from the polyimide film, washed with water and dried to obtain a film having a thickness of 130 μm.
(13) プロトン伝導体(R−1−3)の作製
3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(0.19g) とジエトキシジメチルシラン(0.15g)をエタノール(0.5ml)に溶解し、2%塩酸水50μlを添加し、50℃3時間攪拌した。溶媒留去し、0.15gの粘調なオイルを得た。このオイルを塩化メチレンに溶解し、氷浴で冷却した。m-クロロ過安息香酸(0.67g)を徐々に加え、加え終わったら室温まで昇温しさらに2時間撹拌した。反応液から固体が析出し、膜作成できなかった。
(13) Preparation of proton conductor (R-1-3) 3-Mercaptopropyltrimethoxysilane (0.19 g) and diethoxydimethylsilane (0.15 g) were dissolved in ethanol (0.5 ml) to obtain 2% Hydrochloric acid water (50 μl) was added and stirred at 50 ° C. for 3 hours. The solvent was distilled off to obtain 0.15 g of viscous oil. This oil was dissolved in methylene chloride and cooled in an ice bath. m-Chloroperbenzoic acid (0.67 g) was gradually added, and when the addition was completed, the mixture was warmed to room temperature and further stirred for 2 hours. A solid precipitated from the reaction solution, and a film could not be formed.
(14) プロトン伝導体(R−1−4)の作製
「ソリッド ステート イオニクス(Solid State Ionics)」,2001年,第145号,p.127に記載の参考文献を基に、下記化合物を合成したが、膜にならなかった。
(14) Preparation of proton conductor (R-1-4) The following compounds were synthesized based on the references described in “Solid State Ionics”, 2001, No. 145, p.127. However, it did not become a film.
実施例1−2
(1)プロトン伝導体(E−2−1)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、S−13(207mg)および水(0.11ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
Example 1-2
(1) Preparation of proton conductor (E-2-1) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0 .15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, S-13 (207 mg) and water (0.11 ml) were added, and the mixture was heated with stirring at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 120 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was composed of a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(2)プロトン伝導体(E−2−2)の作製
A−1(0.1g)およびS−13(207mg)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、水(0.11ml)を加え、60℃3時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
(2) Preparation of proton conductor (E-2-2) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) and S-13 (207 mg) were dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich) (Made)) (0.15 g) was added and allowed to react at room temperature for 12 hours. Thereafter, water (0.11 ml) was added, and the mixture was heated and stirred at 60 ° C. for 3 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 120 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was composed of a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(3) プロトン伝導体(E−2−3)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、S−21(235mg)および水(0.15ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ110μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−21のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
(3) Preparation of proton conductor (E-2-3) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0 .15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, S-21 (235 mg) and water (0.15 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 110 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. Thus, it was found that the film was constituted by a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-21 were accumulated in a certain direction.
(4)プロトン伝導体(E−2−4)の作製
A−9(0.1g)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、S−13(177mg)および水(0.09ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ110μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
(4) Preparation of proton conductor (E-2-4) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-9 (0.1 g) was dissolved, SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0 .15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, S-13 (177 mg) and water (0.09 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 110 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was composed of a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(5)プロトン伝導体(E−2−5)の作製
A−11(0.1g)を溶解したDMF(0.5ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.18g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、S−13(240mg)、水(0.16ml)を加え、50℃3時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ130μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった
(5) Preparation of proton conductor (E-2-5) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-11 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0 .18 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, S-13 (240 mg) and water (0.16 ml) were added, and the mixture was heated and stirred at 50 ° C. for 3 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 130 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was constituted by a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(6) プロトン伝導体(E−2−6)の作製
A−16(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.22g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、S−13(150mg)および水(0.10ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった
(6) Preparation of proton conductor (E-2-6) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-16 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.22 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, S-13 (150 mg) and water (0.10 ml) were added, and the mixture was heated with stirring at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 120 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was constituted by a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(7)プロトン伝導体(E−2−7)の作製
A−1(0.1g)およびS−13(207mg)をエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、72時間放置した。当該ポリイミド膜をSO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を溶解したDMF(0.5ml)に浸漬した後、塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ130μmの膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった
(7) Preparation of proton conductor (E-2-7) A-1 (0.1 g) and S-13 (207 mg) were dissolved in ethanol, and 50 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C. for 20 minutes. Stir. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 72 hours. The polyimide film was immersed in DMF (0.5 ml) in which SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) (0.15 g) was dissolved, and then the coated material was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 130 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was constituted by a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(8) プロトン伝導体(E−2−8)の作製
A−1(0.1g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15 g)を添加し、室温で12時間反応させた。その後、S−25(200mg)および水(0.11ml)を加え、60℃4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス−75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ120μmの白色の膜を得た。膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−25のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
(8) Preparation of proton conductor (E-2-8) To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) was dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich (manufactured)) ( 0.15 g) was added and allowed to react for 12 hours at room temperature. Thereafter, S-25 (200 mg) and water (0.11 ml) were added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 120 μm was obtained. A membrane was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was composed of a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-25 were accumulated in a certain direction.
(9)プロトン伝導体(E−2−9)の作製
SO3−DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.053g)、A−1(0.0347g)及びS−30(0.15g)をDMF(0.75ml)に溶解し、25℃で7時間攪拌した(この溶液をSOL-1とする)。SOL-1に水(0.06ml)を添加した後、テフロンシート上に流延し、70℃で4時間放置した。固化した塗布物をテフロンシートより剥がし、水洗した。乾燥後、厚さ150μmの白色の膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインが観察され、S−30のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
(10) プロトン伝導体(E−2−10)の作製
A-1(0.1g)及びS−13(0.207g)を溶解したDMF(0.5 ml)の溶液に、SO3-DMF錯体(アルドリッチ社(製))(0.15g)を添加し、80℃で4時間反応させた。その後、水(0.11ml)を加え、60℃で4時間加熱撹拌した。当該混合物をポリイミド膜(ユーピレックス-75S、宇部興産(株)製)上に流延し、24時間放置した。固化した塗布物をポリイミド膜より剥離し、水洗した。乾燥後、厚さ125μmの膜を得た。偏光顕微鏡により光学異方性のある微細なドメインを確認した。これによりS−13のメソゲン部が一定方向に集積した集合体の集まりにより膜が構成されていることがわかった。
(9) Preparation of proton conductor (E-2-9) SO 3 -DMF complex (Aldrich) (0.053 g), A-1 (0.0347 g) and S-30 (0.15 g) were converted to DMF ( 0.75 ml) and stirred at 25 ° C. for 7 hours (this solution is referred to as SOL-1). After adding water (0.06 ml) to SOL-1, it was cast on a Teflon sheet and left at 70 ° C. for 4 hours. The solidified coating was peeled off from the Teflon sheet and washed with water. After drying, a white film having a thickness of 150 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were observed with a polarizing microscope, and it was found that the film was constituted by a collection of aggregates in which mesogenic portions of S-30 were accumulated in a certain direction.
(10) Preparation of proton conductor (E-2-10)
To a solution of DMF (0.5 ml) in which A-1 (0.1 g) and S-13 (0.207 g) were dissolved, an SO 3 -DMF complex (Aldrich) (0.15 g) was added and the mixture was heated at 80 ° C. The reaction was performed for 4 hours. Thereafter, water (0.11 ml) was added, and the mixture was stirred with heating at 60 ° C. for 4 hours. The mixture was cast on a polyimide membrane (Upilex-75S, Ube Industries, Ltd.) and left for 24 hours. The solidified coating was peeled off from the polyimide film and washed with water. After drying, a film having a thickness of 125 μm was obtained. Fine domains with optical anisotropy were confirmed by a polarizing microscope. As a result, it was found that the film was composed of a collection of aggregates in which the mesogenic portions of S-13 were accumulated in a certain direction.
(11) プロトン伝導体(R−2−1)の作製
V−13(800mg)とTEOS(200mg)をエタノールに溶解し、25℃で2%塩酸水50μlを添加し、20分間攪拌した。この溶液にリン酸イソプロパノール溶液(リン酸(H3PO4,500mg)/イソプロパノール1ml)を添加し、25℃で30分間攪拌した後、テフロンシート上にアプリケータを用いて塗布した。室温で2時間静置後、50℃で2時間加熱し、さらに80℃で3時間加熱した。その後テフロンシートから剥がし、厚さ85μmの比較用の透明シート状固体(R−2−1)を得た。
(11) Preparation of proton conductor (R-2-1) V-13 (800 mg) and TEOS (200 mg) were dissolved in ethanol, 50 μl of 2% hydrochloric acid water was added at 25 ° C., and the mixture was stirred for 20 minutes. To this solution, an isopropanol phosphate solution (phosphoric acid (H 3 PO 4 , 500 mg) / isopropanol 1 ml) was added and stirred at 25 ° C. for 30 minutes, and then applied onto a Teflon sheet using an applicator. After standing at room temperature for 2 hours, it was heated at 50 ° C. for 2 hours, and further heated at 80 ° C. for 3 hours. Thereafter, it was peeled off from the Teflon sheet to obtain a comparative transparent sheet-like solid (R-2-1) having a thickness of 85 μm.
2.メタノール水溶液に対する耐性
得られたプロトン伝導体(E−1−1〜E−1−10、E−2−1〜E−2−10)、および比較用のプロトン伝導体(R−1−1〜R−1−2、R−2−1)およびナフィオン117(デュポン社製)を直径13mmの円形に打ち抜いたサンプルを、それぞれ10質量%メタノール水溶液5mlに、48時間浸漬した。本発明のプロトン伝導体(E−1−1〜E−1−10、E−2−1〜E−2−10)は、ほとんど膨潤が見られず、浸漬前と形状および強度の変化が見られなかった。それに対して比較サンプルR−1−1、R−1−2はヒビ割れが生じた。R−1−1では、メタノール水溶液に理論量の85質量%のリン酸が溶出した。ナフィオン117では、約70質量%の膨潤が見られ、膜の形状変化も観察された。以上から本発明のプロトン伝導体は、直接メタノール型燃料電池に使用する燃料のメタノール水溶液に対して、十分な耐性を有することがわかった。
2. Resistance to methanol aqueous solution Proton conductors obtained (E-1-1-1 to E-1-10, E-2-1 to E-2-10), and proton conductors for comparison (R-1-1-1) Samples obtained by punching R-1-2, R-2-1) and Nafion 117 (manufactured by DuPont) into a circle having a diameter of 13 mm were each immersed in 5 ml of a 10% by mass methanol aqueous solution for 48 hours. The proton conductors of the present invention (E-1-1 to E-1-10, E-2-1 to E-2-10) show almost no swelling and change in shape and strength before immersion. I couldn't. On the other hand, the comparative samples R-1-1 and R-1-2 were cracked. In R-1-1, 85% by mass of phosphoric acid was eluted in the methanol aqueous solution. In Nafion 117, swelling of about 70% by mass was observed, and a change in the shape of the film was also observed. From the above, it has been found that the proton conductor of the present invention has sufficient resistance to a methanol aqueous solution of fuel used in a direct methanol fuel cell.
3.メタノール透過性の測定
得られたプロトン伝導体(E−1−1、E−1−3、E−1−4、E−1−6、E−1−8、E−1−10、E−2−1〜E−2−10)、および比較用のプロトン伝導体(R−1−1、R−2−1)およびナフィオン117を直径13mmの円形に打ち抜いたサンプルを、円形の穴(直径5mm)が空いたテプロンテープで補強した。当該補強膜を図3に示すステンレス製のセルに備え付け、上部にメタノール水溶液を注入し、下部ガス導入口より一定流速で水素ガスを流し、膜を透過するメタノール量を下部検出口に接続したガスクロマトグラフィーにより測定した。その結果を表1および表2に示す。ここで、メタノール濃度の各数値は、ナフィオン117の検出量を1としたときの相対値を示す。
3. Measurement of methanol permeability The obtained proton conductors (E-1-1, E-1-3, E-1-4, E-1-6, E-1-8, E-1-10, E- 2-1 to E-2-10), and a proton conductor (R-1-1, R-2-1) for comparison and a sample obtained by punching Nafion 117 into a circle having a diameter of 13 mm were formed into a circular hole (diameter 5 mm) was reinforced with vacant teplon tape. The stainless steel cell shown in FIG. 3 is provided with the reinforcing membrane, a methanol aqueous solution is injected into the upper part, hydrogen gas is allowed to flow from the lower gas inlet at a constant flow rate, and the amount of methanol that permeates the membrane is connected to the lower detector. Measured by chromatography. The results are shown in Tables 1 and 2. Here, each numerical value of methanol concentration shows a relative value when the detected amount of Nafion 117 is 1.
(結果)
表1より、本発明のプロトン伝導体のメタノール透過性は、ナフィオン117の1/5以下であることがわかる。さらに、表2より、メソゲン基を含む有機分子鎖を含むプロトン伝導体においては、そのメタノール透過性は、ナフィオン117の1/10以下であることがわかる。
(result)
From Table 1, it can be seen that the methanol permeability of the proton conductor of the present invention is 1/5 or less that of Nafion 117. Furthermore, it can be seen from Table 2 that the methanol permeability of the proton conductor including an organic molecular chain including a mesogenic group is 1/10 or less of that of Nafion 117.
4.イオン伝導の測定
1で得られた本発明のプロトン伝導体(E−1−1〜E−1−10、E−2−1〜E−2−10)、および比較用のプロトン伝導体(R−1−1〜R−1−2、R−2−1)およびナフィオン117を直径13mmの円形に打ち抜き、2枚のステンレス板に挟み、交流インピーダンス法により、25℃、相対湿度95%におけるイオン伝導度を測定した。結果を表3および4に示す。
4). Proton conductors (E-1-1-1 to E-1-10, E-2-1 to E-2-10) of the present invention obtained in Measurement 1 of ion conduction, and proton conductors for comparison (R -1-1 to R-1-2, R-2-1) and Nafion 117 are punched into a circle with a diameter of 13 mm, sandwiched between two stainless steel plates, and ionized at 25 ° C. and 95% relative humidity by the AC impedance method. Conductivity was measured. The results are shown in Tables 3 and 4.
(結果)
本発明のプロトン伝導体は、ナフィオン117には及ばないものの、比較例の光学異方性を示さないハイブリッド膜(R−1−1〜R−1−2、R−2−1)に比べ、高いイオン伝導度を示すことがわかる。
(result)
Although the proton conductor of the present invention does not reach Nafion 117, compared to the hybrid membranes (R-1-1-1 to R-1-2, R-2-1) that do not show the optical anisotropy of the comparative example, It turns out that high ionic conductivity is shown.
実施例3
(1)触媒膜の作製
(1−1)触媒膜Aの作製
白金担持カーボン(VulcanXC72に白金50質量%が担持)2gとナフィオン溶液(5%アルコール水溶液)15gを混合し、超音波分散器で30分間分散させた。分散物の平均粒子サイズは約500nmであった。得られた分散物をカーボンペーパー(厚さ350μm)上に塗設し、乾燥した後、直径9mmの円形に打ち抜き、触媒膜Aを作製した。
Example 3
(1) Preparation of catalyst film (1-1) Preparation of catalyst film A 2 g of platinum-supported carbon (50 mass% of platinum is supported on Vulcan XC72) and 15 g of Nafion solution (5% alcohol aqueous solution) are mixed with an ultrasonic disperser. Dispersed for 30 minutes. The average particle size of the dispersion was about 500 nm. The obtained dispersion was coated on carbon paper (thickness 350 μm), dried, and then punched out into a circle having a diameter of 9 mm to prepare a catalyst film A.
(1−2)触媒膜Bの作製
水0.3mlで湿らせた白金/ルテニウム担持カーボン(ケッチェンブラックに白金20質量%、ルテニウム20質量%が担持)300mgに、実施例1−2(9)で調製したSOL-1(0.8ml)を添加した後、超音波分散器で10分間分散させた。得られたペーストをカーボンペーパー(厚さ350μm)上に塗設し、乾燥した後、直径9mmの円形に打ち抜き触媒膜Bを作製した。
(1-2) Production of catalyst membrane B Example 1-2 (9) on 300 mg of platinum / ruthenium-supported carbon (20% by mass of platinum and 20% by mass of ruthenium supported on ketjen black) moistened with 0.3 ml of water After adding SOL-1 (0.8 ml) prepared in (1), the mixture was dispersed with an ultrasonic disperser for 10 minutes. The obtained paste was applied onto carbon paper (thickness 350 μm), dried, and then punched out into a circle having a diameter of 9 mm to produce a catalyst film B.
(1−3)触媒膜Cの作製
上記(1−2)の白金/ルテニウム担持カーボンを(1−1)で用いた白金担持カーボンに変えた他は同様にして触媒膜Cを作製した。
(1-3) Preparation of catalyst film C A catalyst film C was prepared in the same manner except that the platinum / ruthenium-supported carbon in (1-2) was changed to the platinum-supported carbon used in (1-1).
(2)MEAの作製
実施例1で作製したプロトン伝導体(E−1−3、E−1−4、E−1−6、E−1−7、E−1−8、E−2−1、E−2−4、E−2−6、E−2−8、E−2−9)およびナフィオン117の両面に、上記で得た触媒膜Aを、塗布面がプロトン伝導体に接するように張り合わせ、80℃、3Mpa、2分間で熱圧着し、MEA−1−1〜1−5およびMEA−2−1〜2−5、MEA6を作製した。また、プロトン伝導体(E-2-9)及びナフィオン117の片面に触媒膜Bを、他の片面に触媒膜Cを貼り合わせ、80℃、1MPa、1分間で熱圧着し、MEA−2−7及びMEA−2−8を作製した。
(2) Production of MEA Proton conductors produced in Example 1 (E-1-3, E-1-4, E-1-6, E-1-7, E-1-8, E-2- 1, E-2-4, E-2-6, E-2-8, E-2-9) and Nafion 117 on both sides of the catalyst membrane A obtained above, and the coated surface is in contact with the proton conductor The films were laminated together and thermocompression bonded at 80 ° C., 3 Mpa for 2 minutes to prepare MEA-1-1 to 1-5, MEA-2-1 to 2-5, and MEA6. Further, the catalyst membrane B is bonded to one side of the proton conductor (E-2-9) and Nafion 117, and the catalyst membrane C is bonded to the other side, and thermocompression bonded at 80 ° C., 1 MPa for 1 minute, and MEA-2- 7 and MEA-2-8 were produced.
(3)燃料電池特性
(2)で得たMEAを図2に示す燃料電池にセットし、アノード側開口部15に46質量%のメタノール水溶液を注入した。なおMEA−2−7及びMEA−2−8は、触媒膜Bがアノード側に、触媒膜Cがカソード側にくるようにセットした。この時、カソード側開口部16は大気に開放されている。アノード電極12とカソード電極13の間に、ガルバノスタットで5mA/cm2の定電流を通電し、この時のセル電圧を測定した。結果を表5および6に示す。
(3) Fuel Cell Characteristics The MEA obtained in (2) was set in the fuel cell shown in FIG. 2, and a 46 mass% methanol aqueous solution was injected into the
(結果)
ナフィオン膜を用いたMEA−6により作製した電池Cの6の初期電圧は高いものの、経時的に電圧が低下した。この経時的な電圧低下は、アノード電極側に供給された燃料のメタノールが、ナフィオン膜を通過してカソード電極側に漏れる、いわゆるメタノールクロスオーバー現象による。それに対し、本発明のプロトン伝導体を用いたMEA−1−1〜5およびMEA−2−1〜5により作製した電池Cの1−1〜1−5および2−1〜2−5は電圧が安定しており、より高い電圧を維持できることがわかった。さらに、プロトン伝導体及び触媒膜中のプロトン伝導体に同種にものを用いた電池C-2-7が特に優れていることが判った。
(result)
The initial voltage of battery C 6 produced by MEA-6 using a Nafion membrane was high, but the voltage decreased over time. This voltage drop with time is due to a so-called methanol crossover phenomenon in which the methanol of fuel supplied to the anode electrode leaks to the cathode electrode through the Nafion membrane. On the other hand, the batteries 1-1 to 1-5 and 2-1 to 2-5 of the battery C produced by the MEA-1-1 to 5 and MEA-2-1 to 5 using the proton conductor of the present invention are voltage Is stable and can be maintained at a higher voltage. Furthermore, it was found that the battery C-2-7 using the same kind of proton conductor and proton conductor in the catalyst membrane was particularly excellent.
10・・・燃料電池電極膜複合体(MEA)
11・・・プロトン伝導体
12・・・アノード電極
12a・・・アノード極多孔質導電シート
12b・・・アノード極触媒層
13・・・カソード電極
13a・・・カソード極多孔質導電シート
13b・・・カソード極触媒層
14・・・パッキン
15・・・アノード極側開口部
16・・・カソード極側開口部
17・・・集電体
21,22・・・セパレータ
31 ・ ・ ・ プロトン伝導体
32 ・ ・ ・ テフロンテープ補強材
33 ・ ・ ・ メタノール水溶液注入部分
34 ・ ・ ・ キャリアガス導入口
35 ・ ・ ・ 検出口(ガスクロマトグラフィーに接続)
36 ・ ・ ・ ゴムパッキン
10 ... Fuel cell electrode membrane composite (MEA)
DESCRIPTION OF
36 ・ ・ ・ Rubber packing
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Cited By (4)
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JP2006193525A (en) * | 2005-01-13 | 2006-07-27 | Xerox Corp | Aromatic silicon-containing compound and outmost layer of photoreceptor of crosslinked siloxane containing the compound |
JP2008204857A (en) * | 2007-02-21 | 2008-09-04 | Japan Atomic Energy Agency | Polymer electrolyte membrane consisting of alkyl graft chain, and its manufacturing method |
JP2011515378A (en) * | 2008-03-19 | 2011-05-19 | サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク | Sulfone hybrid precursor, synthesis method thereof and use thereof |
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2004
- 2004-09-30 JP JP2004289018A patent/JP2005146264A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006193525A (en) * | 2005-01-13 | 2006-07-27 | Xerox Corp | Aromatic silicon-containing compound and outmost layer of photoreceptor of crosslinked siloxane containing the compound |
JP2008204857A (en) * | 2007-02-21 | 2008-09-04 | Japan Atomic Energy Agency | Polymer electrolyte membrane consisting of alkyl graft chain, and its manufacturing method |
JP2011515378A (en) * | 2008-03-19 | 2011-05-19 | サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク | Sulfone hybrid precursor, synthesis method thereof and use thereof |
JP2011517711A (en) * | 2008-03-19 | 2011-06-16 | サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク | Superconducting electrolytic hybrid material and method for producing and using the same |
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