JP2005154710A - Polymer solid electrolyte, method for producing the same, and solid polymer type fuel cell by using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子固体電解質材、それからなる電解質膜、その製造法、およびそれを用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer solid electrolyte material, an electrolyte membrane comprising the same, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.
燃料電池は、排出物が少なく、かつエネルギー効率が高く、環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。 A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low burden on the environment. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.
固体高分子型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCともいう)に加えて、メタノールを直接供給するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCともいう)も注目されている。DMFCは、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。 In a polymer electrolyte fuel cell, in addition to a conventional polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as a fuel (hereinafter also referred to as PEFC), a direct methanol fuel cell (hereinafter also referred to as DMFC) that directly supplies methanol. ) Is also attracting attention. Although the DMFC has a lower output than the conventional PEFC, the fuel is liquid and does not use a reformer. Therefore, the energy density is high, and the use time of the portable device per filling is long. is there.
燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソードとの間でイオン伝導体となる電解質膜とが、膜―電極複合体(MEA)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえば固体高分子型燃料電池のアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、イオン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、電解質膜を通して伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、イオン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。 In a fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and an electrolyte membrane serving as an ion conductor between the anode and the cathode constitute a membrane-electrode complex (MEA). A cell sandwiched between separators is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode substrate (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. ing. For example, in an anode electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel such as hydrogen gas reacts with a catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are conducted to the electrolyte membrane. . For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is produced in the catalyst layer of the cathode electrode, and protons conducted through the electrolyte membrane react with electrons conducted from the electrode substrate to generate water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and ion conductivity.
特に、固体高分子型燃料電池の中でも、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするDMFC用電解質膜においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFC用の電解質膜に要求される性能に加えて、燃料のメタノール水溶液透過抑制も要求される。電解質膜のメタノール透過は、メタノールクロスオーバー(以下、MCOと略すこともある)、ケミカルショートとも呼ばれ、電池出力およびエネルギー効率が低下するという問題を引き起こす。 In particular, among solid polymer fuel cells, in an electrolyte membrane for DMFC using an organic solvent such as methanol as a fuel, in addition to the performance required for a conventional electrolyte membrane for PEFC using hydrogen gas as a fuel, Inhibition of methanol aqueous solution permeation is also required. Methanol permeation of the electrolyte membrane is also referred to as methanol crossover (hereinafter sometimes abbreviated as MCO) or chemical short, and causes a problem that battery output and energy efficiency are lowered.
これまで、固体高分子型燃料電池の電解質膜においては、例えばパーフルオロスルホン酸系高分子膜の“ナフィオン”(Nafion、デュポン社の登録商標。以下同様。)が用いられてきた。しかし、“ナフィオン”は多段階合成を経て製造されるフッ素系ポリマーの膜であるため非常に高価なものとなっており、かつ、クラスター構造を形成するために水と親和性の高いメタノールなどの燃料が膜を透過しやすい、すなわちメタノールなどの燃料クロスオーバーが大きいという問題があった。また、膨潤によって膜の機械強度が低下するという問題もあった。そこで、これら高分子膜を電解質膜として実用化するためには、安価でメタノールなどの燃料クロスオーバーの抑制された高分子固体電解質膜が市場から望まれていた。 In the past, for example, “Nafion” (Nafion, a registered trademark of DuPont), which is a perfluorosulfonic acid polymer membrane, has been used in an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell. However, "Nafion" is a very expensive film because it is a fluoropolymer film manufactured through multi-step synthesis, and methanol, which has a high affinity for water, is used to form a cluster structure. There is a problem that the fuel easily permeates the membrane, that is, the fuel crossover of methanol or the like is large. There is also a problem that the mechanical strength of the film is reduced by swelling. Therefore, in order to put these polymer membranes into practical use as electrolyte membranes, there has been a demand from the market for polymer solid electrolyte membranes that are inexpensive and suppress fuel crossover such as methanol.
非フッ素系ポリマーをベースとした高分子プロトン伝導体についても既にいくつかの取り組みがなされている。1950年代には、スチレン系の陽イオン交換樹脂が検討された。しかし、通常燃料電池に使用する際の形態である膜としての強度が十分ではなかったため十分な電池寿命を得るには至らなかった。スルホン化芳香族ポリエーテルエーテルケトンを電解質膜に用いた燃料電池の検討もなされている。非特許文献1の中で、有機溶媒に難溶性の芳香族ポリエーテルエーテルケトン(以降、PEEKと略称することがある。)が、高度にスルホン化することにより有機溶媒に可溶となり成膜が容易になることが紹介されている。しかし、これらのスルホン化PEEKは、同時に親水性も向上し、水溶性となったり、あるいは吸水時の強度低下などを引き起こす。燃料電池は通常燃料と酸素の反応により水を副生するか、あるいはDMFCにおいては燃料自体がメタノールなどの燃料水溶液等であることから、スルホン化PEEKが水溶性となる場合にはそのまま燃料電池用電解質膜へ利用するには適さない。 Some efforts have already been made on polymer proton conductors based on non-fluorinated polymers. In the 1950s, styrene-based cation exchange resins were studied. However, since the strength as a membrane, which is a form used in a normal fuel cell, was not sufficient, a sufficient battery life could not be obtained. A fuel cell using a sulfonated aromatic polyetheretherketone as an electrolyte membrane has also been studied. In Non-Patent Document 1, an aromatic polyether ether ketone (hereinafter sometimes abbreviated as PEEK), which is sparingly soluble in an organic solvent, becomes highly soluble in an organic solvent by being highly sulfonated to form a film. It is introduced that it becomes easy. However, these sulfonated PEEKs simultaneously improve hydrophilicity, become water-soluble, or cause a decrease in strength during water absorption. Fuel cells usually produce water as a by-product by the reaction of fuel and oxygen, or in DMFC, the fuel itself is a fuel aqueous solution such as methanol. Therefore, when sulfonated PEEK becomes water-soluble, it is used as it is for fuel cells. Not suitable for use in electrolyte membranes.
また、非特許文献2には、芳香族ポリエーテルスルホンであるPSF(UDELP−1700)やPESのスルホン化物について記載されている。PSFおよびPESは、それぞれ下記式(F1)および下記式(F2)の構造を有するポリマーである。 Non-Patent Document 2 describes PSF (UDELP-1700) which is an aromatic polyethersulfone and a sulfonated product of PES. PSF and PES are polymers having structures of the following formula (F1) and the following formula (F2), respectively.
この非特許文献2には、スルホン化PSFは完全に水溶性となってしまい、電解質膜としての評価ができないと説明されている。スルホン化PESについては水溶性とはならないけれども、高吸水率の問題から架橋構造の導入を提案している。しかしこれらはいずれも上述した高プロトン伝導性、メタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果、経済性を全て同時に満たすものではなく、更に高度な要求を満たす高分子材料の開発が待ち望まれていた。 Non-Patent Document 2 describes that sulfonated PSF is completely water-soluble and cannot be evaluated as an electrolyte membrane. Although sulfonated PES is not water-soluble, it has been proposed to introduce a crosslinked structure due to the problem of high water absorption. However, none of these satisfy the above-mentioned high proton conductivity, the effect of suppressing fuel crossover such as methanol, and the economy at the same time, and the development of a polymer material that satisfies a higher level of demand has been awaited.
下記一般式(I)で表されるポリビニルアルコール(以下、PVAともいう)を架橋したものは、水/アルコールの浸透気化法分離膜に用いることができる(非特許文献3参照)。 What cross-linked polyvinyl alcohol (hereinafter also referred to as PVA) represented by the following general formula (I) can be used for a water / alcohol pervaporation separation membrane (see Non-Patent Document 3).
(一般式I)
しかし、PVAは高分子固体電解質として用いるにはプロトン伝導性が著しく低い。 However, PVA has extremely low proton conductivity for use as a polymer solid electrolyte.
そのため、非特許文献4の中では、ポリスチレンスルホン酸とPVAとからなる均質膜を熱処理して得られる陽イオン交換膜の検討がなされている。このPVA系架橋膜においては、熱処理するにつれてポリスチレンスルホン酸を酸触媒としたPVAの分子間脱水縮合により水に不溶となるものの、同時に可とう性が減少し、固くかつ脆くなってしまうため補強剤を用いることが提案されている。 Therefore, in Non-Patent Document 4, a cation exchange membrane obtained by heat-treating a homogeneous membrane composed of polystyrene sulfonic acid and PVA has been studied. This PVA-based crosslinked membrane becomes insoluble in water due to intermolecular dehydration condensation of PVA using polystyrene sulfonic acid as an acid catalyst as it is heat-treated, but at the same time, its flexibility is reduced and it becomes hard and brittle. It has been proposed to use
また、非特許文献4の中では、PVA、スルホン化剤および架橋剤の混合物を熱処理して得られるスルホン酸基含有PVAを用いた電解質膜の検討がなされている。しかし、この中の架橋系PVAにおいてはスルホン化剤の量を増やしても“ナフィオン”に比べ1桁低いプロトン伝導度しか得られておらず、“ナフィオン”との複合膜としての利用が提案されている。 Further, in Non-Patent Document 4, an electrolyte membrane using a sulfonic acid group-containing PVA obtained by heat-treating a mixture of PVA, a sulfonating agent and a cross-linking agent has been studied. However, in the cross-linked PVA, the proton conductivity is only one digit lower than that of “Nafion” even if the amount of sulfonating agent is increased, and the use as a composite membrane with “Nafion” is proposed. ing.
さらに、非特許文献5の中では、PVAおよびタングステン酸の混合物を熱処理して得られる電解質膜の検討がなされている。しかし、この中のタングステン酸/PVA膜においてはPVA重量に対して最大でも48%のタングステン酸しか導入していないため、常温で伝導度が1mS/cm以下と極めて低い膜しか得られていない。また、珪酸化合物の量は明記されていないが、少量のみ添加したと記載されており、さらに熱処理温度に関しても100℃で実施しており、充分な架橋反応が進行し、膜の膨潤を抑えているとは考えにくい。その結果、MCOも“Nafion”より大きなものしか得られておらず、イゾブチルアルデヒド処理による膨潤抑制が提案されている。 Further, in Non-Patent Document 5, an electrolyte membrane obtained by heat-treating a mixture of PVA and tungstic acid has been studied. However, in the tungstic acid / PVA film, only 48% of the tungstic acid is introduced at the maximum with respect to the PVA weight, so that only a film having an extremely low conductivity of 1 mS / cm or less at room temperature is obtained. Moreover, although the amount of the silicic acid compound is not specified, it is described that only a small amount is added, and the heat treatment temperature is also carried out at 100 ° C., and sufficient crosslinking reaction proceeds to suppress the swelling of the film. It is difficult to think. As a result, only MCO larger than “Nafion” has been obtained, and suppression of swelling by treatment with isobutyraldehyde has been proposed.
これら従来の技術においては、得られる電解質膜が高価であったり、イオン伝導度が不足したり、あるいはメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果が不十分である等の問題点があった。本発明の目的は、安価で機械強度が良好であり、メタノールなどの燃料水溶液等に膨潤することがなく、高プロトン伝導性とメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果が両立され、高性能な燃料電池に適した高分子固体電解質材、それからなる電解質膜、およびそれを用いた高性能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。 In these conventional techniques, there are problems that the obtained electrolyte membrane is expensive, the ion conductivity is insufficient, or the effect of suppressing the crossover of fuel such as methanol is insufficient. An object of the present invention is a high-performance fuel cell that is inexpensive, has good mechanical strength, does not swell in a fuel aqueous solution such as methanol, and has both high proton conductivity and a fuel crossover suppression effect such as methanol. It is an object to provide a polymer solid electrolyte material suitable for the above, an electrolyte membrane comprising the same, and a high-performance solid polymer fuel cell using the same.
上記の目的を達成するために、本発明は次のように特定される。
すなわち、「少なくとも、高分子多官能アルコール及び、水酸基と反応可能な多官能架橋剤からなる架橋体と、イオン性基を有するポリマーとから構成されることを特徴とする高分子固体電解質材」あるいは「少なくとも、高分子多官能アルコールからなる架橋体及び、無機のプロトン伝導体から構成されることを特徴とする高分子固体電解質材」であり、また、その種々の派生あるいは改良された態様である。
In order to achieve the above object, the present invention is specified as follows.
That is, “a polymer solid electrolyte material comprising at least a polymer polyfunctional alcohol and a crosslinked product composed of a polyfunctional crosslinking agent capable of reacting with a hydroxyl group, and a polymer having an ionic group” or It is “a polymer solid electrolyte material comprising at least a crosslinked product composed of a polymer polyfunctional alcohol and an inorganic proton conductor”, and various derivatives or improvements thereof. .
本発明によれば、メタノールなどの燃料クロスオーバーを抑制し、イオン伝導性が高く、高出力を達成できる新規な高分子電解質材、それからなる電解質膜、およびその製造方法ならびにそれを用いた高性能な固体高分子型燃料電池を提供でき、その実用性は高い。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel polymer electrolyte material which suppresses fuel crossovers, such as methanol, has high ion conductivity, and can achieve high output, the electrolyte membrane consisting thereof, its manufacturing method, and the high performance using the same A solid polymer fuel cell can be provided, and its practicality is high.
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
本発明の高分子固体電解質材の一態様は、少なくとも、高分子多官能アルコール及び、水酸基と反応可能な多官能架橋剤からなる架橋体と、イオン性基を有するポリマーとから構成されることを特徴とする。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail.
One aspect of the polymer solid electrolyte material of the present invention is composed of at least a polymer polyfunctional alcohol, a crosslinked product composed of a polyfunctional crosslinking agent capable of reacting with a hydroxyl group, and a polymer having an ionic group. Features.
即ち、本発明の高分子固体電解質材においては、イオン性基を有するポリマーが、少なくとも高分子多官能アルコールおよび水酸基と反応可能な多官能架橋剤から誘導されてなる3次元架橋体の中に保持されて存在しているので、通常容易にメタノールなどの燃料水溶液に膨潤してしまうイオン性基を有するポリマーの分子鎖が、メタノールなどの燃料水溶液に全く膨潤しない3次元架橋体と分子レベルで混和し、拘束されて存在するものである。このように3次元架橋体によって拘束されることにより、高いプロトン伝導性を維持したまま、メタノールなどの燃料水溶液に対する膨潤が抑制されてMCO等の燃料透過が低減し、膜の強度低下も抑えられるという効果を奏するものである。 That is, in the polymer solid electrolyte material of the present invention, the polymer having an ionic group is retained in a three-dimensional crosslinked body derived from a polyfunctional crosslinking agent capable of reacting with at least a polymeric polyfunctional alcohol and a hydroxyl group. Therefore, the molecular chain of the polymer having an ionic group that easily swells in a fuel aqueous solution such as methanol is normally mixed with a three-dimensional crosslinked product that does not swell in a fuel aqueous solution such as methanol at the molecular level. However, it is restrained and exists. By being constrained by the three-dimensional crosslinked body in this way, while maintaining high proton conductivity, swelling with respect to an aqueous fuel solution such as methanol is suppressed, fuel permeation such as MCO is reduced, and a decrease in membrane strength is also suppressed. This is an effect.
本発明においてMCO等の燃料透過低減が達成された要因は現段階で必ずしも明確ではないが、次のように推測される。従来のイオン性基を有するポリマーを単独で高分子固体電解質材として用いた場合、高いイオン伝導性を得るためにイオン性基の含有量を増加すると、高分子固体電解質材が膨潤し、内部に径の大きな水のクラスターができ、高分子固体電解質材中に自由水が多くなる。自由水の中ではメタノールなどの燃料の移動が容易に行なわれるため、十分なメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果が得られず、従来のものでは高イオン伝導性とメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果を両立することが出来なかった。これに対して本発明の高分子固体電解質材では、3次元架橋体によってイオン性基を有するポリマーの分子鎖が拘束されていることにより、メタノールなどの燃料水溶液に対する膨潤を抑制できるため、高プロトン伝導性とメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果を両立することができる。また、膨潤変形などによる燃料電池性能低下を阻止する効果もある。 The reason why the fuel permeation reduction such as MCO is achieved in the present invention is not necessarily clear at the present stage, but is estimated as follows. When a conventional polymer having an ionic group is used alone as a polymer solid electrolyte material, if the content of the ionic group is increased in order to obtain high ionic conductivity, the polymer solid electrolyte material swells inside. A cluster of water having a large diameter is formed, and free water increases in the polymer solid electrolyte material. Methanol and other fuels move easily in free water, so a sufficient fuel crossover suppression effect such as methanol cannot be obtained. Conventional ones have a high ion conductivity and a fuel crossover suppression effect such as methanol. It was not possible to achieve both. On the other hand, in the polymer solid electrolyte material of the present invention, since the molecular chain of the polymer having an ionic group is constrained by the three-dimensional crosslinked body, swelling with respect to an aqueous fuel solution such as methanol can be suppressed. It is possible to achieve both the conductivity and the effect of suppressing the fuel crossover such as methanol. In addition, there is an effect of preventing the fuel cell performance from being lowered due to swelling deformation or the like.
本発明の高分子固体電解質材中の3次元架橋体は、高分子多官能アルコールが多官能架橋剤によって架橋された物であり、その高分子多官能アルコールは、特に限定されるものではないが、水酸基を多数有することが必要である。水酸基の数が不足する場合は、架橋度も不足し、電解質材の膨潤が抑えられずMCOなどの燃料透過を抑制できないだけでなく、含水時に機械強度が低下する場合さえある。 The three-dimensional crosslinked product in the polymer solid electrolyte material of the present invention is a product obtained by crosslinking a polymer polyfunctional alcohol with a polyfunctional crosslinking agent, and the polymer polyfunctional alcohol is not particularly limited. It is necessary to have a large number of hydroxyl groups. When the number of hydroxyl groups is insufficient, the degree of cross-linking is also insufficient, the swelling of the electrolyte material cannot be suppressed and the permeation of fuel such as MCO cannot be suppressed, and the mechanical strength may even decrease when containing water.
高分子多官能アルコールの具体例としては、ポリビニルアルコールのようなポリ酢酸ビニルケン化物、エチレン−ビニルアルコール共重合体のようなポリ酢酸ビニル共重合体ケン化物、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのヒドロキシアルキルセルロース、キチン、キトサンなどのような多糖類が挙げられる。中でも、ポリビニルアルコールは、酸性下での耐加水分解性に優れており好ましく用いられる。 Specific examples of the polymer polyfunctional alcohol include a saponified polyvinyl acetate such as polyvinyl alcohol, a saponified polyvinyl acetate copolymer such as an ethylene-vinyl alcohol copolymer, and a hydroxyalkyl such as hydroxyethyl cellulose and hydroxypropyl cellulose. Examples include polysaccharides such as cellulose, chitin, chitosan and the like. Among these, polyvinyl alcohol is preferably used because of its excellent hydrolysis resistance under acidic conditions.
この高分子多官能アルコールは、その水酸基の少なくとも一部が修飾されていてもよい。ここで修飾とは水酸基が他の置換基に変換されることを意味する。修飾の具体例としては水酸基のウレタン化、エステル化およびエーテル化などが挙げられる。水酸基のウレタン化を行う方法の一例としては、水酸基と尿素を反応させる方法および水酸基と各種イソシアネート化合物を反応させる方法が挙げられる。水酸基のエステル化を行う方法の一例としては、水酸基と各種酸化合物または各種酸ハライド化合物を反応させる方法が挙げられる。水酸基のエーテル化を行う方法の一例としては、水酸基とハロゲン基を有する化合物を反応させる方法および水酸基と炭素炭素多重結合を有する化合物を反応させる方法が挙げられる。 In this polymer polyfunctional alcohol, at least a part of the hydroxyl group may be modified. Here, the modification means that the hydroxyl group is converted to another substituent. Specific examples of the modification include urethanization, esterification and etherification of a hydroxyl group. As an example of a method for urethanizing a hydroxyl group, there may be mentioned a method of reacting a hydroxyl group with urea and a method of reacting a hydroxyl group with various isocyanate compounds. An example of a method for esterifying a hydroxyl group is a method of reacting a hydroxyl group with various acid compounds or various acid halide compounds. Examples of the method for etherifying a hydroxyl group include a method of reacting a compound having a hydroxyl group and a halogen group and a method of reacting a compound having a hydroxyl group and a carbon-carbon multiple bond.
水酸基を修飾することにより、高分子固体電解質材に種々の物性を付与することができる。例えばウレタン化を行った場合は、水素結合の付与による耐熱性向上、燃料クロスオーバーの低減、膨潤抑制などの効果が得られる。エステル化やエーテル化を行った場合は、エステル化剤やエーテル化剤の種類にもよるが、一般には溶剤への溶解性の向上や疎水性付与による膨潤抑制、燃料クロスオーバー低減などの効果が得られる。特にウレタン化は耐熱性向上効果が大きく好ましい修飾である。 Various physical properties can be imparted to the solid polymer electrolyte material by modifying the hydroxyl group. For example, when urethanization is performed, effects such as an improvement in heat resistance by the provision of hydrogen bonds, a reduction in fuel crossover, and suppression of swelling can be obtained. When esterification or etherification is performed, although it depends on the type of esterification agent or etherification agent, in general, there are effects such as improved solubility in solvents, suppression of swelling by imparting hydrophobicity, and reduction of fuel crossover. can get. In particular, urethanization is a preferred modification because it has a large effect of improving heat resistance.
水酸基の修飾を行う場合、修飾率は0.5%〜95%が好ましく、1%〜75%がより好ましく、2〜50%がさらに好ましい。修飾率が低すぎると修飾の効果が十分に得られず、また修飾率が高すぎるとプロトン伝導性が低下する傾向があり好ましくない。 When the hydroxyl group is modified, the modification rate is preferably 0.5% to 95%, more preferably 1% to 75%, and even more preferably 2 to 50%. If the modification rate is too low, the effect of modification cannot be sufficiently obtained, and if the modification rate is too high, proton conductivity tends to decrease, which is not preferable.
本発明において修飾率とは高分子多官能アルコール中の全水酸基数に対する修飾された水酸基数の割合である。なお後述の架橋反応に費やされた水酸基数は、修飾された水酸基数には含まないものとする。 In the present invention, the modification rate is the ratio of the number of modified hydroxyl groups to the total number of hydroxyl groups in the polymer polyfunctional alcohol. It is assumed that the number of hydroxyl groups spent on the crosslinking reaction described later is not included in the number of modified hydroxyl groups.
次に、本発明において高分子多官能アルコールの架橋のために使用される多官能架橋剤について説明する。この多官能架橋剤は、水酸基と反応可能な官能基を複数有するものであれば特に限定されるものではない。 Next, the polyfunctional crosslinking agent used for crosslinking of the polymer polyfunctional alcohol in the present invention will be described. The polyfunctional crosslinking agent is not particularly limited as long as it has a plurality of functional groups capable of reacting with a hydroxyl group.
このような官能基としては、カルボン酸基、カルボン酸エステル基、カルボン酸ハライド基、イソシアネート基、アルデヒド基、エポキシ基、シラノール基、ハロアルキル基、ヒドロキシル基、スルホン酸エステル基、アルケニル基等が挙げられる。これらの官能基は架橋剤中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせは取り扱い性、電解質材の機械強度、メタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果などにより適宜決められる。中でも、取り扱い性、耐加水分解性の点から少なくともカルボン酸基およびイソシアネート基を含むものがより好ましく用いられる。 Examples of such functional groups include carboxylic acid groups, carboxylic acid ester groups, carboxylic acid halide groups, isocyanate groups, aldehyde groups, epoxy groups, silanol groups, haloalkyl groups, hydroxyl groups, sulfonic acid ester groups, alkenyl groups, and the like. It is done. Two or more kinds of these functional groups can be contained in the cross-linking agent, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the handleability, the mechanical strength of the electrolyte material, and the effect of suppressing fuel crossover such as methanol. Among these, those containing at least a carboxylic acid group and an isocyanate group are more preferably used from the viewpoints of handleability and hydrolysis resistance.
本発明において使用される多官能カルボン酸架橋剤は、特に限定されるものではなく、二官能カルボン酸架橋剤でも三官能以上の多官能カルボン酸架橋剤でも構わない。二官能カルボン酸架橋剤の具体例としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ポリアクリル酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ジフェニレンジカルボン酸、ジフェノキシエタンジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸の如き脂肪族、芳香族、脂環族の二官能性カルボン酸、および例えばテトラフルオロコハク酸のようなこれら二官能性カルボン酸の炭素鎖部分がフッ素化されたもの、さらにはスルホコハク酸のようなそれら二官能性カルボン酸のスルホン化物などが挙げられる。 The polyfunctional carboxylic acid crosslinking agent used in the present invention is not particularly limited, and may be a bifunctional carboxylic acid crosslinking agent or a trifunctional or higher polyfunctional carboxylic acid crosslinking agent. Specific examples of the bifunctional carboxylic acid crosslinking agent include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, polyacrylic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid Acids, naphthalenedicarboxylic acids, diphenylenedicarboxylic acids, diphenoxyethanedicarboxylic acids, aliphatic, aromatic and alicyclic bifunctional carboxylic acids such as 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid and, for example, tetrafluorosuccinic acid Examples thereof include those obtained by fluorinating the carbon chain portion of these bifunctional carboxylic acids, and sulfonated products of these bifunctional carboxylic acids such as sulfosuccinic acid.
中でも、電解質材の機械強度、プロトン伝導度、メタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果のバランスから炭素数2〜8の二官能カルボン酸がより好ましく、具体的にはシュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸が挙げられる。さらに、イオン伝導性の点から、具体的には炭素数2〜8の二官能性カルボン酸の炭素鎖部分がフッ素化されたものがより好ましく用いられ、イオン伝導性およびメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果の点からテトラフルオロコハク酸が最も好ましい。 Among these, a bifunctional carboxylic acid having 2 to 8 carbon atoms is more preferable from the balance of the mechanical strength of the electrolyte material, proton conductivity, and the fuel crossover suppression effect such as methanol. Specifically, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, Examples include glutaric acid and adipic acid. Further, from the viewpoint of ion conductivity, specifically, a fluorinated carbon chain part of a bifunctional carboxylic acid having 2 to 8 carbon atoms is more preferably used. Ion conductivity and fuel crossover such as methanol Tetrafluorosuccinic acid is most preferable from the viewpoint of the inhibitory effect.
また、本発明において高分子多官能アルコールの架橋のために使用される多官能イソシアネート架橋剤は、特に限定されるものではなく、二官能イソシアネート架橋剤でも三官能以上の多官能イソシアネート架橋剤でも構わない。二官能イソシアネート架橋剤の例としては、“ネットワークポリマー”、第17巻(第2号)、19〜26頁(1996年)に記載のある分子内に2個以上のイソシアナト基を有する化合物、“機能性ポリウレタン”(発行所;株式会社シーエムシー、発行年;1989年)、3〜24頁に記載のある分子内に2個以上のイソシアナト基を有する化合物を挙げることができる。 In the present invention, the polyfunctional isocyanate crosslinking agent used for crosslinking of the polymeric polyfunctional alcohol is not particularly limited, and may be a bifunctional isocyanate crosslinking agent or a trifunctional or higher polyfunctional isocyanate crosslinking agent. Absent. Examples of the bifunctional isocyanate crosslinking agent include compounds having two or more isocyanato groups in the molecule described in “Network Polymer”, Vol. 17 (No. 2), pages 19 to 26 (1996), “ Examples thereof include compounds having two or more isocyanato groups in a molecule described in “Functional polyurethane” (publishing office; CMC Co., Ltd., publication year; 1989), pages 3 to 24.
それらの中でも下記式(1)〜(20)の化合物がより好適であり、式(1)〜(12)の化合物はさらに好適である。 また、これらの化合物のイソシアネート変性体、これらの化合物のウレチジンジオン変性体、これらの化合物のビウレット変性体、およびこれらの化合物(過剰量)を活性水素含有化合物に付加させて得られるウレタンプレポリマーも同様に好適である。 Among them, the compounds of the following formulas (1) to (20) are more preferable, and the compounds of the formulas (1) to (12) are more preferable. The same applies to isocyanate-modified products of these compounds, uretidinedione-modified products of these compounds, biuret-modified products of these compounds, and urethane prepolymers obtained by adding these compounds (excess amount) to active hydrogen-containing compounds. It is suitable for.
次に、本発明に使用されるイオン性基を有するポリマーについて説明する。このポリマー中に存在するイオン性基は、負電荷を有する原子団であれば特に限定されるものではないが、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基が好ましく用いられる。ここで、スルホン酸基とは−SO2(OH)、スルホンイミド基とは−SO2NHSO2R(ここで、Rは有機基を意味する。)、硫酸基は−OSO2(OH)、ホスホン酸基は−PO(OH)2、リン酸基は−OPO(OH)2およびこれらの塩のことを意味する。これらのイオン性基は前記高分子固体電解質材中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から、少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基及びホスホン酸基のうちの1種以上を有することがより好ましく、耐加水分解性およびコストの点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。 Next, the polymer having an ionic group used in the present invention will be described. The ionic group present in the polymer is not particularly limited as long as it is a negatively charged atomic group, but is preferably one having proton exchange ability. As such a functional group, a sulfonic acid group, a sulfonimide group, a sulfuric acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group are preferably used. Here, the sulfonic acid group is —SO 2 (OH), the sulfonimide group is —SO 2 NHSO 2 R (where R represents an organic group), the sulfuric acid group is —OSO 2 (OH), The phosphonic acid group means —PO (OH) 2 , and the phosphoric acid group means —OPO (OH) 2 and salts thereof. Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer solid electrolyte material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least one of sulfonic acid group, sulfonimide group, sulfuric acid group and phosphonic acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and at least sulfonic acid from the viewpoint of hydrolysis resistance and cost. Most preferably it has a group.
このようなポリマーを形成するためのモノマーとしては、たとえば、アクリル酸、メタアクリル酸、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、マレイン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、エチレングリコールメタクリレートホスフェートなどのモノマーを用いることができるが、これらに限定されるものではない。このようなイオン性基を有するモノマーにイオン性基を持たないモノマーを共重合させて使用することも可能である。このような共重合体の好ましい具体例としては、スチレン/スチレンスルホン酸共重合体、アクリロニトリル/2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸共重合体、スチレン/2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸共重合体、スチレンスルホン酸/(メタ)アクリル酸共重合体などがあげられる。 Examples of the monomer for forming such a polymer include acrylic acid, methacrylic acid, vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, maleic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, and ethylene glycol methacrylate phosphate. Although a monomer can be used, it is not limited to these. It is also possible to copolymerize a monomer having no ionic group with such a monomer having an ionic group. Preferable specific examples of such a copolymer include styrene / styrene sulfonic acid copolymer, acrylonitrile / 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid copolymer, styrene / 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid. Examples thereof include a copolymer and a styrenesulfonic acid / (meth) acrylic acid copolymer.
また、芳香族ポリマーに対して高分子反応でイオン性基を導入することも可能である。芳香族ポリマーへのホスホン酸基の導入は、例えば、Polymer Preprints, Japan , 51, 750 (2002) 等に記載の方法によって可能である。芳香族ポリマーへのリン酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有するポリマーのリン酸エステル化によって可能である。芳香族ポリマーへの硫酸基の導入は、例えばヒドロキシル基を有するポリマーの硫酸エステル化によって可能である。芳香族ポリマーへのスルホンイミド基の導入は、例えばスルホン酸基を有するポリマーをアルキルスルホンアミドで処理することによって可能である。 It is also possible to introduce an ionic group into the aromatic polymer by a polymer reaction. Introduction of a phosphonic acid group into an aromatic polymer can be performed, for example, by a method described in Polymer Preprints, Japan, 51, 750 (2002). Introduction of a phosphate group into an aromatic polymer is possible by, for example, phosphate esterification of a polymer having a hydroxyl group. Introduction of sulfate groups into the aromatic polymer is possible, for example, by sulfate esterification of a polymer having hydroxyl groups. Introduction of a sulfonimide group into an aromatic polymer is possible, for example, by treating a polymer having a sulfonic acid group with an alkylsulfonamide.
芳香族ポリマーをスルホン化する方法、すなわちスルホン酸基を導入する方法としては、たとえば特開平2−16126号公報あるいは特開平2−208322号公報等に記載の方法が公知である。具体的には、例えば、芳香族ポリマーをクロロホルムでクロロスルホン酸のようなスルホン化剤と反応させたり、濃硫酸や発煙硫酸中で反応することによりスルホン化することができる。スルホン化剤には芳香族ポリマーをスルホン化するものであれば特に制限はなく、上記以外にも三酸化硫黄等を使用することができる。この方法により芳香族ポリマーをスルホン化する場合には、スルホン化の度合いはスルホン化剤の使用量、反応温度および反応時間により、容易に制御できる。 As a method for sulfonating an aromatic polymer, that is, a method for introducing a sulfonic acid group, for example, a method described in JP-A-2-16126 or JP-A-2-208322 is known. Specifically, for example, the aromatic polymer can be sulfonated by reacting with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid in chloroform or by reacting in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid. The sulfonating agent is not particularly limited as long as it sulfonates an aromatic polymer. In addition to the above, sulfur trioxide and the like can be used. When the aromatic polymer is sulfonated by this method, the degree of sulfonation can be easily controlled by the amount of the sulfonating agent used, the reaction temperature and the reaction time.
スルホン化の度合いはスルホン酸基密度の値として示すことができる。本発明の高分子固体電解質材におけるスルホン酸基密度は特に限定されるものではないが、プロトン交換能および耐水性の点から0.1〜5.0mmol/gであることが好ましく、さらに好ましくは、1.0〜3.5mmol/gである。スルホン酸基密度が、0.1mmol/gより低いと、伝導度が低いため出力性能が低下することがあり、5.0mmol/gより高いと燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な高分子の耐水性および含水時の機械的強度が得られないことがあるのでそれぞれ好ましくない。 The degree of sulfonation can be expressed as a value of sulfonic acid group density. The sulfonic acid group density in the polymer solid electrolyte material of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably from the viewpoint of proton exchange ability and water resistance. 1.0 to 3.5 mmol / g. When the sulfonic acid group density is lower than 0.1 mmol / g, the output performance may be lowered due to low conductivity, and when it is higher than 5.0 mmol / g, it is sufficient for use as an electrolyte membrane for a fuel cell. Since the water resistance of the polymer and the mechanical strength when containing water may not be obtained, they are not preferable.
ここで、スルホン酸基密度とは乾燥した高分子固体電解質材の単位グラム当たりに導入されたスルホン酸基のモル量であり、値が大きいほどスルホン化の度合いが高いことを示す。スルホン酸基密度は、1H−NMRスペクトロスコピー、元素分析、中和滴定、原子吸光光度計等により測定が可能であるが、本発明においては、高分子固体電解質材の溶解性に関係なくスルホン酸基密度の測定が可能であることから、元素分析または中和滴定により特定する。 Here, the sulfonic acid group density is the molar amount of sulfonic acid groups introduced per unit gram of the dried polymer solid electrolyte material, and the larger the value, the higher the degree of sulfonation. The sulfonic acid group density can be measured by 1 H-NMR spectroscopy, elemental analysis, neutralization titration, atomic absorption photometry, etc., but in the present invention, the sulfone group density is not limited regardless of the solubility of the polymer solid electrolyte material. Since the acid group density can be measured, it is specified by elemental analysis or neutralization titration.
中和滴定の手順は下記のとおりである。測定は3回以上行ってその平均をとるものとする。
(1) 高分子固体電解質材をミルにより粉砕し、粒径を揃えるため、目50メッシュの網ふるいにかけ、ふるいを通過したものを測定試料とする。
(2) サンプル管(蓋付き)を精密天秤で秤量する。
(3) 前記(1)の電解質材 約0.1gをサンプル管に入れ、40℃で16時間、真空乾燥する。
(4) 高分子固体電解質材入りのサンプル管を秤量し、高分子固体電解質材の乾燥重量を求める。
The procedure for neutralization titration is as follows. The measurement shall be performed three times or more and the average shall be taken.
(1) The polymer solid electrolyte material is pulverized by a mill, and is passed through a 50-mesh mesh screen to make the particle size uniform.
(2) Weigh the sample tube (with lid) with a precision balance.
(3) About 0.1 g of the electrolyte material of (1) is put in a sample tube and vacuum dried at 40 ° C. for 16 hours.
(4) Weigh the sample tube containing the polymer solid electrolyte material and determine the dry weight of the polymer solid electrolyte material.
(5) 塩化ナトリウムを30重量%メタノール水溶液に溶かし、飽和食塩溶液を調製する。
(6) 高分子固体電解質材に前記(5)の飽和食塩溶液を25mL加え、24時間撹拌してイオン交換する。
(7) 生じた塩酸を0.02mol/L水酸化ナトリウム水溶液で滴定する。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液(0.1体積%)を2滴加え、薄い赤紫色になった点を終点とする。
(8) スルホン酸基密度は下記の式により求める。
スルホン酸基密度(mmol/g)=
〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/ml)×滴下量(ml)〕/試料の乾燥重量(g)
(5) Dissolve sodium chloride in a 30 wt% aqueous methanol solution to prepare a saturated saline solution.
(6) Add 25 mL of the saturated salt solution of (5) above to the solid polymer electrolyte material, and stir for 24 hours for ion exchange.
(7) Titrate the resulting hydrochloric acid with 0.02 mol / L aqueous sodium hydroxide. Two drops of a commercially available titration phenolphthalein solution (0.1% by volume) as an indicator are added, and the point at which light reddish purple is obtained is the end point.
(8) The sulfonic acid group density is determined by the following formula.
Sulfonic acid group density (mmol / g) =
[Concentration of sodium hydroxide aqueous solution (mmol / ml) × Drip amount (ml)] / Dry weight of sample (g)
本発明に使用されるイオン性基を有するポリマーとしては、特に限定されるものではないが、具体例としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリルアミドアルカンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルアルコールスルホン酸エステルなど主鎖が脂肪族の炭化水素系ポリマーや、例えば“ナフィオン”のようなパーフルオロスルホン酸系ポリマー、さらにスルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリエーテルケトン、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、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルイミド、スルホン化ポリイミダゾール、スルホン化ポリオキサゾール、スルホン化ポリフェニレンなどの主鎖が芳香族の炭化水素系ポリマーが挙げられる。中でも、高スルホン酸基密度を有する点から、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリルアミドアルカンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルアルコールスルホン酸エステル、パーフルオロスルホン酸系ポリマーから選ばれる少なくとも1種がより好ましい。また、スチレンスルホン酸(共)重合体、アクリルアミドアルカンスルホン酸(共)重合体、ビニルスルホン酸(共)重合体、および、パーフルオロスルホン酸系ポリマーから選ばれる少なくとも1種が好ましい。 The polymer having an ionic group used in the present invention is not particularly limited. Specific examples thereof include polystyrene sulfonic acid, polyacrylamide alkane sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, and polyvinyl alcohol sulfonic acid ester. A hydrocarbon-based polymer having an aliphatic chain, a perfluorosulfonic acid polymer such as “Nafion”, a sulfonated polyphenylene oxide, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether ether ketone, a sulfonated polyether sulfone, Sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyamide, sulfonated polyimide, sulfonated polyetherimide, sulfonated polyimidazole, sulfonated polyoxazol , The backbone, such as sulfonated polyphenylene include hydrocarbon polymers aromatic. Among these, at least one selected from polystyrene sulfonic acid, polyacrylamide alkane sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyvinyl alcohol sulfonic acid ester, and perfluorosulfonic acid polymer is more preferable from the viewpoint of having a high sulfonic acid group density. Further, at least one selected from a styrene sulfonic acid (co) polymer, an acrylamide alkane sulfonic acid (co) polymer, a vinyl sulfonic acid (co) polymer, and a perfluorosulfonic acid polymer is preferable.
本発明の高分子固体電解質材の別の態様は、少なくとも、高分子多官能アルコールからなる架橋体及び、無機のプロトン伝導体から構成されることを特徴とする。 Another aspect of the polymer solid electrolyte material of the present invention is characterized in that it is composed of at least a crosslinked product composed of a polymer polyfunctional alcohol and an inorganic proton conductor.
即ち、本発明の高分子固体電解質材においては、無機のプロトン伝導体が、少なくとも高分子多官能アルコールからなる3次元架橋体の中に保持されて存在しているので、通常容易にメタノールなどの燃料水溶液に溶解し、高分子固体電解質材から溶出してしまう無機のプロトン伝導体が、メタノールなどの燃料水溶液を用いても全く膨潤しない3次元架橋体と分子レベルで混和し、拘束されて存在するものである。このように3次元架橋体によって拘束されることにより、高いプロトン伝導性を維持したまま、メタノールなどの燃料水溶液に対する膨潤が抑制されてMCO等の燃料透過が低減し、膜の強度低下も抑えられるという効果を奏するものである。 That is, in the polymer solid electrolyte material of the present invention, the inorganic proton conductor is held and held in at least a three-dimensional crosslinked body composed of at least a polymer polyfunctional alcohol. An inorganic proton conductor that dissolves in the aqueous fuel solution and elutes from the solid polymer electrolyte material is mixed with a three-dimensional crosslinked body that does not swell at all even when using an aqueous fuel solution such as methanol and is restrained. To do. By being constrained by the three-dimensional crosslinked body in this way, while maintaining high proton conductivity, swelling with respect to an aqueous fuel solution such as methanol is suppressed, fuel permeation such as MCO is reduced, and a decrease in membrane strength is also suppressed. This is an effect.
本発明においてMCO等の燃料透過低減が達成された要因は現段階で必ずしも明確ではないが、次のように推測される。無機のプロトン伝導体を高分子固体電解質材に用いた場合、高いイオン伝導性を得るために無機のプロトン伝導体の含有量を増加すると、高分子固体電解質材が膨潤し、内部に径の大きな水のクラスターができ、高分子固体電解質材中に自由水が多くなる。自由水の中ではメタノールなどの燃料の移動が容易に行なわれるため、十分なメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果が得られなかった。また、無機のプロトン伝導体も高分子固体電解質材から溶出しまうため、高い伝導度も得られなかったため、従来のものでは高イオン伝導性とメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果を両立することが出来なかった。これに対して本発明の高分子固体電解質材では、架橋体の種類や無機のプロトン伝導体、さらに製膜条件を鋭意検討した結果、高分子多官能アルコールからなる3次元架橋体を高温で熱処理することにより、架橋体が緻密化され、多量の無機のプロトン伝導体を包括固定できることを見出した。それによって、高プロトン伝導性とメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果を両立することができた。また、膨潤変形などによる燃料電池性能低下を阻止する効果もある。 The reason why the fuel permeation reduction such as MCO is achieved in the present invention is not necessarily clear at the present stage, but is estimated as follows. When an inorganic proton conductor is used for a polymer solid electrolyte material, if the content of the inorganic proton conductor is increased in order to obtain high ionic conductivity, the polymer solid electrolyte material swells and has a large diameter inside. A cluster of water is formed, and free water increases in the polymer solid electrolyte material. Since fuel such as methanol easily moves in free water, a sufficient fuel crossover suppression effect such as methanol cannot be obtained. In addition, since the inorganic proton conductor is also eluted from the polymer solid electrolyte material, high conductivity could not be obtained, so the conventional one can achieve both high ionic conductivity and fuel crossover suppression effect such as methanol. There wasn't. On the other hand, in the solid polymer electrolyte material of the present invention, as a result of intensive studies on the type of crosslinked body, inorganic proton conductor, and film forming conditions, a three-dimensional crosslinked body composed of a polymer polyfunctional alcohol is heat-treated at high temperature. By doing so, it was found that the crosslinked body was densified and a large amount of inorganic proton conductors could be included and fixed. As a result, it was possible to achieve both high proton conductivity and the effect of suppressing the crossover of fuel such as methanol. In addition, there is an effect of preventing the fuel cell performance from being lowered due to swelling deformation or the like.
本発明の高分子固体電解質材中の無機のプロトン伝導体は、常温付近で高いプロトン伝導性を示す物質であれば特に限定されるものではないが、これらの物質の特徴としては、水和あるいは水分を保持した状態で安定に存在し、その水がプロトンの供給源および伝導経路となって高プロトン伝導性を発現することである。 The inorganic proton conductor in the polymer solid electrolyte material of the present invention is not particularly limited as long as it is a substance exhibiting high proton conductivity near room temperature, but the characteristics of these substances include hydration or It is stably present in a state where moisture is retained, and the water becomes a proton supply source and a conduction path and exhibits high proton conductivity.
このような化合物としては具体的には、α−Zr(HPO4)・nH2O、γ−Zr(PO4)(H2PO4)・2H2O、α−Zrスルホフェニルリン酸塩、あるいはγ−Zrスルホフェニルリン酸塩等のような層状化合物、SnO2・2H2O、あるいはSb2O5・5.4H2O等のような水和酸化物、一般的に構造式Ha[XM12O40]・nH2O(ここで、aは整数、XはSi、P、As、S、Fe、Coなどのヘテロ元素、MはMo、W、Vなどのポリ元素を表す。)で表されるヘテロポリ酸、ならびにCsHSO4、Rb3H(SeO4)2等のような水和物を持たない化合物が挙げられ、好ましく用いられる。 Specific examples of such compounds include α-Zr (HPO 4 ) · nH 2 O, γ-Zr (PO 4 ) (H 2 PO 4 ) · 2H 2 O, α-Zr sulfophenyl phosphate, Alternatively, a layered compound such as γ-Zr sulfophenyl phosphate, a hydrated oxide such as SnO 2 .2H 2 O, Sb 2 O 5 .5.4H 2 O, or the like, generally represented by the structural formula Ha [ XM 12 O 40 ] · nH 2 O (where a is an integer, X is a hetero element such as Si, P, As, S, Fe, and Co, and M is a poly element such as Mo, W, and V) And compounds having no hydrate such as CsHSO 4 , Rb 3 H (SeO 4 ) 2, etc., are preferably used.
なかでもヘテロポリ酸は、分子サイズが充分に大きく、また高分子多官能アルコールの水酸基と水素結合あるいは共有結合を形成するため、メタノールなどの燃料水溶液中での膜からの溶出を防ぐことも可能となるため、長期にわたってメタノールなどの燃料水溶液中で使用される高分子固体電解質膜においては特に好ましく用いることができる。 Among them, the heteropolyacid has a sufficiently large molecular size and forms a hydrogen bond or a covalent bond with a hydroxyl group of a polymer polyfunctional alcohol, so that it is possible to prevent elution from a membrane in a fuel aqueous solution such as methanol. Therefore, it can be particularly preferably used in a polymer solid electrolyte membrane used in a fuel aqueous solution such as methanol for a long period of time.
ヘテロポリ酸のなかでもタングストケイ酸、タングストリン酸、あるいはモリブドリン酸が酸性度が大きく最も好ましく用いることが出来る。 Among the heteropolyacids, tungstosilicic acid, tungstophosphoric acid, or molybdophosphoric acid has the highest acidity and can be most preferably used.
ヘテロポリ酸の使用量は、高分子固体電解質材中に含まれるM/C(ここで、MはMo、W、Vなどのポリ元素、Cは炭素を表す。)のモル比で、好ましくは0.04以上、0.24以下、さらに好ましくは0.08以上、0.2以下、特に好ましくは0.11以上、0.17以下である。0.04未満であると、プロトン伝導性が不足してしまう。一方、0.24を超えると架橋された膜材料が脆性となり割れやすくなったり、無機のプロトン伝導体が溶出してしまう場合がある。なお、このM/Cのモル比は元素分析やICP発光分析等により容易に分析することが出来る。 The amount of the heteropolyacid used is preferably a molar ratio of M / C contained in the polymer solid electrolyte material (where M represents a poly element such as Mo, W, and V, and C represents carbon), and is preferably 0. 0.04 or more and 0.24 or less, more preferably 0.08 or more and 0.2 or less, and particularly preferably 0.11 or more and 0.17 or less. If it is less than 0.04, proton conductivity will be insufficient. On the other hand, if it exceeds 0.24, the cross-linked membrane material may become brittle and easily cracked, or the inorganic proton conductor may be eluted. The M / C molar ratio can be easily analyzed by elemental analysis, ICP emission analysis, or the like.
本発明の高分子固体電解質材には本発明の目的を阻害しない範囲において、他の成分、例えば導電性若しくはイオン伝導性を有さない不活性なポリマーや有機あるいは無機の化合物、が含有されていても構わない。 The solid polymer electrolyte material of the present invention contains other components, for example, an inert polymer or an organic or inorganic compound that does not have conductivity or ionic conductivity, as long as the object of the present invention is not impaired. It doesn't matter.
本発明の高分子固体電解質材は、燃料電池用として使用する際には、通常膜の状態で使用されるが、他の形状で使用することもできる。以下、本発明の高分子固体電解質材からなる電解質膜について説明する。 When the polymer solid electrolyte material of the present invention is used for a fuel cell, it is usually used in the form of a membrane, but may be used in other shapes. Hereinafter, an electrolyte membrane made of the polymer solid electrolyte material of the present invention will be described.
本発明の高分子固体電解質膜は、(A)少なくとも、高分子多官能アルコールおよび水酸基と反応可能な多官能架橋剤からなる3次元架橋体と、イオン性基を有するポリマーからなる高分子固体電解質材、あるいは、(B)少なくとも、高分子多官能アルコールからなる架橋体及び、無機のプロトン伝導体からなる高分子固体電解質材から構成され、その膜を作製する方法に特に制限はないが、溶液状態より製膜した後、熱処理して架橋化する方法等が採用される。その製法の一例を具体的に説明する。 The polymer solid electrolyte membrane of the present invention comprises: (A) a polymer solid electrolyte comprising at least a three-dimensional cross-linker composed of a polyfunctional alcohol capable of reacting with a polymer polyfunctional alcohol and a hydroxyl group; and a polymer having an ionic group. Material or (B) a polymer solid electrolyte material composed of at least a crosslinked product composed of a polymer polyfunctional alcohol and an inorganic proton conductor, and there is no particular limitation on the method for producing the membrane, A method of forming a film from the state and then cross-linking by heat treatment is employed. An example of the manufacturing method will be specifically described.
まず前記(A)の場合について説明する。均一に溶解した高分子多官能アルコールの水溶液に、イオン性基を有するポリマーと共に多官能架橋剤を加え、攪拌したのち、キャスト液とする。キャスト液のPVA濃度は、好ましくは1〜50重量%、さらに好ましくは5〜30重量%、特に好ましくは10重量%前後である。キャスト液をガラス板や樹脂板上にキャストし、水分を蒸発させ、次に真空乾燥する。キャストはドクターブレードなどを使用して行うことができる。水分蒸発は、ホットプレートまたは真空乾燥炉などにより加熱して行い、その加熱温度は好ましくは100℃以下、さらに好ましくは40℃以下である。真空乾燥の際の温度は好ましくは100℃以下、さらに好ましくは40℃以下である。加熱温度および真空乾燥の際の温度が高すぎるとメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果が不十分となる場合がある。 First, the case (A) will be described. A polyfunctional cross-linking agent is added together with a polymer having an ionic group to an aqueous solution of a polymer polyfunctional alcohol that is uniformly dissolved, and the mixture is stirred to obtain a casting solution. The PVA concentration of the casting solution is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 30% by weight, and particularly preferably around 10% by weight. The casting liquid is cast on a glass plate or a resin plate, the moisture is evaporated, and then vacuum-dried. Casting can be performed using a doctor blade or the like. Water evaporation is performed by heating with a hot plate or a vacuum drying furnace, and the heating temperature is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or lower. The temperature during vacuum drying is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or lower. If the heating temperature and the temperature during vacuum drying are too high, the fuel crossover suppressing effect such as methanol may be insufficient.
次いで架橋処理をおこなうために、得られた膜を熱処理する。この熱処理の温度は好ましくは50〜250℃、さらに好ましくは80〜230℃、特に好ましくは120〜220℃である。熱処理時間は、好ましくは5分〜12時間、さらに好ましくは30分〜6時間、特に好ましくは1時間前後である。熱処理温度が低すぎると、架橋度が不足する。一方、高すぎると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が5分未満であると、架橋度が不足する。一方、12時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。 Subsequently, in order to perform a crosslinking process, the obtained film | membrane is heat-processed. The temperature of this heat treatment is preferably 50 to 250 ° C, more preferably 80 to 230 ° C, and particularly preferably 120 to 220 ° C. The heat treatment time is preferably 5 minutes to 12 hours, more preferably 30 minutes to 6 hours, and particularly preferably around 1 hour. If the heat treatment temperature is too low, the degree of crosslinking is insufficient. On the other hand, if it is too high, the film material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 5 minutes, the degree of crosslinking is insufficient. On the other hand, when it exceeds 12 hours, the film material tends to deteriorate.
中でも、40℃以下で製膜した後、80℃以上で熱処理した場合に機械強度に優れ、低膨潤率で、高プロトン伝導度と低MCOが両立された特に高性能な高分子固体電解質が得られる。またこの条件では、後述する全光線透過率を40%以下、0%以上とすることができるために好ましい。 In particular, when a film is formed at 40 ° C. or lower and then heat-treated at 80 ° C. or higher, a particularly high-performance polymer solid electrolyte having excellent mechanical strength, low swelling rate, and high proton conductivity and low MCO is obtained. It is done. Further, this condition is preferable because the total light transmittance described later can be 40% or less and 0% or more.
上記調製で得られる高分子固体電解質膜には、イオン性基を有するポリマーとともに、高分子多官能アルコールの架橋構造体が存在するので、水に浸漬した状態で電解質膜として使用できる。高分子固体電解質膜の膜厚は、特に制限はないが通常10〜500μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには500μmより薄い方が好ましい。 Since the polymer solid electrolyte membrane obtained by the above preparation contains a polymer polyfunctional alcohol crosslinked structure together with a polymer having an ionic group, it can be used as an electrolyte membrane immersed in water. Although there is no restriction | limiting in particular in the film thickness of a polymer solid electrolyte membrane, Usually a 10-500 micrometers thing is used suitably. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 500 μm is preferable to reduce membrane resistance, that is, to improve power generation performance.
架橋剤の使用量は、高分子多官能アルコール中の水酸基に対し、好ましくは1〜50モル%、さらに好ましくは1〜20モル%、特に好ましくは3〜10モル%である。1モル%未満であると、架橋された膜材料が水溶性となってしまう。一方、50モル%を超えると架橋された膜材料が脆性となり割れやすくなる。 The amount of the crosslinking agent to be used is preferably 1 to 50 mol%, more preferably 1 to 20 mol%, particularly preferably 3 to 10 mol%, based on the hydroxyl group in the polymer polyfunctional alcohol. If it is less than 1 mol%, the crosslinked film material becomes water-soluble. On the other hand, if it exceeds 50 mol%, the crosslinked film material becomes brittle and easily cracked.
次に(B)について説明する。均一に溶解した高分子多官能アルコールの水溶液に、無機のプロトン伝導体を加え、攪拌したのち、キャスト液とする。キャスト液のPVA濃度は、好ましくは1〜50重量%、さらに好ましくは5〜30重量%、特に好ましくは10重量%前後である。キャスト液をガラス板や樹脂板上にキャストし、水分を蒸発させ、次に真空乾燥する。キャストはドクターブレードなどを使用して行うことができる。水分蒸発は、ホットプレートまたは真空乾燥炉などにより加熱して行い、その加熱温度は好ましくは100℃以下、さらに好ましくは40℃以下である。真空乾燥の際の温度は好ましくは100℃以下、さらに好ましくは40℃以下である。加熱温度および真空乾燥の際の温度が高すぎるとメタノールなどの燃料クロスオーバー抑制効果が不十分となる場合がある。 Next, (B) will be described. An inorganic proton conductor is added to an aqueous solution of a polymer polyfunctional alcohol that is uniformly dissolved, and the mixture is stirred and used as a casting solution. The PVA concentration of the casting solution is preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 30% by weight, and particularly preferably around 10% by weight. The casting liquid is cast on a glass plate or a resin plate, the moisture is evaporated, and then vacuum-dried. Casting can be performed using a doctor blade or the like. Water evaporation is performed by heating with a hot plate or a vacuum drying furnace, and the heating temperature is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or lower. The temperature during vacuum drying is preferably 100 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or lower. If the heating temperature and the temperature during vacuum drying are too high, the fuel crossover suppressing effect such as methanol may be insufficient.
次いで架橋処理をおこなうために、得られた膜を熱処理する。この熱処理の温度は好ましくは105〜200℃、さらに好ましくは105〜150℃、特に好ましくは105〜130℃である。熱処理時間は、好ましくは5分〜12時間、さらに好ましくは30分〜6時間、特に好ましくは1〜2時間である。熱処理温度が105℃未満であると、架橋度が不足し、燃料クロスオーバー抑制効果および膨潤抑制が不足する場合がある。一方、高すぎると膜材料の劣化を生じやすくなる。熱処理時間が5分未満であると、架橋度が不足する。一方、12時間を超えると膜材料の劣化を生じやすくなる。 Subsequently, in order to perform a crosslinking process, the obtained film | membrane is heat-processed. The temperature of this heat treatment is preferably 105 to 200 ° C, more preferably 105 to 150 ° C, particularly preferably 105 to 130 ° C. The heat treatment time is preferably 5 minutes to 12 hours, more preferably 30 minutes to 6 hours, and particularly preferably 1 to 2 hours. When the heat treatment temperature is less than 105 ° C., the degree of crosslinking is insufficient, and the fuel crossover suppressing effect and swelling suppression may be insufficient. On the other hand, if it is too high, the film material tends to deteriorate. If the heat treatment time is less than 5 minutes, the degree of crosslinking is insufficient. On the other hand, when it exceeds 12 hours, the film material tends to deteriorate.
中でも、40℃以下で製膜した後、105℃以上で熱処理した場合に機械強度に優れ、低膨潤率で、高プロトン伝導度と低MCOが両立された特に高性能な高分子固体電解質が得られる。またこの条件では、後述する全光線透過率を40%以下、0%以上とすることができるために好ましい。 In particular, when a film is formed at 40 ° C. or lower and then heat-treated at 105 ° C. or higher, a particularly high-performance polymer solid electrolyte is obtained that has excellent mechanical strength, low swelling rate, and high proton conductivity and low MCO. It is done. Further, this condition is preferable because the total light transmittance described later can be 40% or less and 0% or more.
上記調製で得られる高分子固体電解質膜には、無機のプロトン伝導体とともに、高分子多官能アルコールの架橋構造体が存在するので、水に浸漬した状態で電解質膜として使用できる。高分子固体電解質膜の膜厚は、特に制限はないが通常10〜500μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには500μmより薄い方が好ましい。 Since the polymer solid electrolyte membrane obtained by the above preparation contains a crosslinked structure of a polymer polyfunctional alcohol together with an inorganic proton conductor, it can be used as an electrolyte membrane in a state immersed in water. Although there is no restriction | limiting in particular in the film thickness of a polymer solid electrolyte membrane, Usually a 10-500 micrometers thing is used suitably. A thickness of more than 10 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 500 μm is preferable to reduce membrane resistance, that is, to improve power generation performance.
無機のプロトン伝導体の使用量は、高分子多官能アルコールに対し、好ましくは50〜300重量%、さらに好ましくは100〜250重量%、特に好ましくは140〜2100重量%である。50重量%未満であると、プロトン伝導性が不足してしまう。一方、300重量%を超えると架橋された膜材料が脆性となり割れやすくなったり、無機のプロトン伝導体が溶出してしまう場合がある。 The amount of the inorganic proton conductor used is preferably 50 to 300% by weight, more preferably 100 to 250% by weight, particularly preferably 140 to 2100% by weight, based on the polyfunctional alcohol. If it is less than 50% by weight, proton conductivity will be insufficient. On the other hand, if it exceeds 300% by weight, the crosslinked membrane material may become brittle and easily cracked, or the inorganic proton conductor may be eluted.
本発明の高分子固体電解質材から構成される高分子固体電解質膜は、全光線透過率が40%以下、0%以上であることが好ましく、35%以下、0%以上であることがより好ましい。全光線透過率が40%以下、0%以上である場合には、無色の場合と比較して高分子固体電解質膜を目視等で認識することが容易であるので、例えば水中に浸漬した高分子固体電解質膜を拾い上げる際などに、顕著に作業が容易となり、ひいては製造コスト低減につながるものであり、好ましい。 The solid polymer electrolyte membrane composed of the solid polymer electrolyte material of the present invention preferably has a total light transmittance of 40% or less, preferably 0% or more, and more preferably 35% or less, 0% or more. . When the total light transmittance is 40% or less and 0% or more, it is easier to visually recognize the solid polymer electrolyte membrane as compared with the colorless case. For example, the polymer immersed in water When picking up the solid electrolyte membrane, the operation is remarkably facilitated, which leads to reduction in manufacturing cost, which is preferable.
ここで全光線透過率とは試験片の平行入射光束に対する全透過光束の割合である。本発明においては、高分子固体電解質膜の全光線透過率は、デジタルSMカラーコンピューター(スガ試験機製:SM−7−CH)を使用し、ASTM−D1003に準じて測定する。 Here, the total light transmittance is the ratio of the total transmitted light beam to the parallel incident light beam of the test piece. In the present invention, the total light transmittance of the polymer solid electrolyte membrane is measured according to ASTM-D1003 using a digital SM color computer (manufactured by Suga Test Instruments: SM-7-CH).
本発明の高分子固体電解質膜は、前記した本発明の高分子固体電解質材で構成されているので、乾燥膜を水浸漬したときの膨潤率が小さいという特長を有する。具体的には、乾燥膜を水浸漬したときの膨潤率が101%〜140%であることが好ましく、101%〜130%がより好ましく、101%〜125%がさらに好ましい。膨潤率が大きすぎると、燃料電池としての使用時に高分子固体電解質膜のサイズ変化が大きいために触媒の剥離などが生じて出力低下が起こったり、出力が安定しなかったりする場合がある。この点からすると膨潤率は100%、すなわち全く膨潤しないことが最も好ましいが、全く膨潤しない場合は伝導度が小さくなりすぎる傾向があるので好ましくは101%以上である。 Since the polymer solid electrolyte membrane of the present invention is composed of the polymer solid electrolyte material of the present invention described above, it has a feature that the swelling rate when the dried membrane is immersed in water is small. Specifically, the swelling ratio when the dry film is immersed in water is preferably 101% to 140%, more preferably 101% to 130%, and even more preferably 101% to 125%. If the swelling rate is too large, the size of the polymer solid electrolyte membrane is greatly changed during use as a fuel cell, so that the catalyst may peel off and the output may decrease or the output may not be stable. From this point of view, it is most preferable that the swelling rate is 100%, that is, it does not swell at all, but if it does not swell at all, the conductivity tends to be too small, so it is preferably 101% or more.
なお、ここで前記膨潤率とは、50℃、10hPa以下の圧力で24時間以上乾燥させた高分子固体電解質膜(3cm×3cm程度の大きさとする)の面積(S1)と、この膜を純水に25℃、48時間以上浸漬した直後の膜の面積(S2)とから求められる比であって、式で表すと下記のとおりである。 Here, the swelling rate means the area (S1) of a polymer solid electrolyte membrane (with a size of about 3 cm × 3 cm) dried at 50 ° C. and a pressure of 10 hPa or less for 24 hours or more, It is a ratio calculated | required from the area (S2) of the film | membrane immediately after being immersed in water at 25 degreeC for 48 hours or more, Comprising: It represents as follows by a formula.
膨潤率(%)=100×S2/S1
また、本発明の電解質材(膜)を製造する際に、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等の添加剤を本発明の目的に反しない範囲内であれば併用することができる。
Swelling rate (%) = 100 × S2 / S1
In addition, when the electrolyte material (membrane) of the present invention is manufactured, additives such as plasticizers, stabilizers, mold release agents and the like used in ordinary polymers are within the range that does not contradict the purpose of the present invention. Can be used together.
本発明の高分子固体電解質材は、プロトン伝導性とメタノールなどの燃料遮断性に優れているので、燃料電池、特に液体供給型DMFCの高分子固体電解質膜材料として非常に有用である。また、本発明の高分子固体電解質膜は、多孔質粒子に担持された触媒微粒子を含む電極と組合せた場合に触媒活性が高く、特に耐メタノール性の点から液体供給型DMFC用として非常に有用である。 Since the polymer solid electrolyte material of the present invention is excellent in proton conductivity and fuel barrier properties such as methanol, it is very useful as a polymer solid electrolyte membrane material of a fuel cell, particularly a liquid supply type DMFC. In addition, the polymer solid electrolyte membrane of the present invention has high catalytic activity when combined with an electrode containing catalyst fine particles supported on porous particles, and is particularly useful for a liquid supply type DMFC particularly in terms of methanol resistance. It is.
本発明の高分子固体電解質材からなる電解質膜を、燃料電池中の電解質膜として用いる際の電解質膜と電極の接合法についても特に制限はなく、公知の方法(例えば、電気化学,1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、J. Electrochem. Soc.: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。 There is no particular limitation on the method for joining the electrolyte membrane and the electrode when the electrolyte membrane comprising the polymer solid electrolyte material of the present invention is used as an electrolyte membrane in a fuel cell, and a known method (for example, Electrochemistry, 1985, 53). 269, chemical plating method described in J. Electrochem. Soc .: Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), 2209. .
固体高分子型燃料電池には水素を燃料とするものと、メタノールなどの有機溶媒を燃料とするもの(液体供給型DMFC)があり、特に限定されるものではないが、炭素数1〜3のアルコール、ジメチルエーテルおよびこれらの水溶液若しくは水懸濁液から選ばれた少なくとも1種を燃料とする直接形燃料電池に、本発明の高分子固体電解質膜は特に好ましく用いられる。 Solid polymer fuel cells include those using hydrogen as fuel and those using an organic solvent such as methanol (liquid supply type DMFC) as a fuel. The polymer solid electrolyte membrane of the present invention is particularly preferably used for a direct fuel cell using at least one selected from alcohol, dimethyl ether, and an aqueous solution or water suspension thereof as a fuel.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各物性の測定条件は次の通りである。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these. In addition, the measurement conditions of each physical property are as follows.
(1)スルホン酸基密度の測定方法
純水で十分洗浄後、乾燥した高分子固体電解質膜サンプルについてスルホン酸基密度を元素分析により測定した。C、H、Nの分析は全自動元素分析装置varioELで、また、Sの分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定で実施した。組成比から高分子固体電解質単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Measuring method of sulfonic acid group density The sulfonic acid group density was measured by elemental analysis about the polymer electrolyte membrane sample dried after washing sufficiently with pure water. Analysis of C, H, and N was performed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, and analysis of S was performed by a flask combustion method and barium acetate titration. The sulfonic acid group density (mmol / g) per gram of the polymer solid electrolyte was calculated from the composition ratio.
(2)高分子固体電解質膜のイオン伝導度の測定法
安藤電気社製LCRメータ(AG−4311B)を使用し、25℃において、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、Nykist図からイオン伝導度を求めた。交流振幅は500mVとした。サンプルは幅10mm程度、長さ10〜30mm程度の膜を用いた。サンプルは測定直前まで水中に浸漬したものを用いた。電極として直径100μmの白金線(2本)を使用した。電極はサンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。
(2) Measuring method of ionic conductivity of polymer solid electrolyte membrane Using LCR meter (AG-4411B) manufactured by Ando Electric Co., Ltd., conducting constant potential impedance measurement at 25 ° C by the two-terminal method, and ionic conduction from Nykist diagram I asked for a degree. The AC amplitude was 500 mV. As the sample, a membrane having a width of about 10 mm and a length of about 10 to 30 mm was used. The sample used was immersed in water until immediately before the measurement. Platinum electrodes (two wires) having a diameter of 100 μm were used as electrodes. The electrodes were arranged on the front side and the back side of the sample film so as to be parallel to each other and perpendicular to the longitudinal direction of the sample film.
(3)高分子固体電解質膜のメタノール透過量(MCO)の測定法
H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水を入れ、他方のセルには1Mメタノール水溶液を入れた。セルの容量は各80mLであった。またセル間の開口部面積は1.77cm2であった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間,2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間、単位面積あたりのメタノール透過量を求めた。
(3) Measuring method of methanol permeation amount (MCO) of polymer solid electrolyte membrane A sample membrane was sandwiched between H-type cells, pure water was put into one cell, and 1M methanol aqueous solution was put into the other cell. The cell capacity was 80 mL each. The area of the opening between the cells was 1.77 cm 2 . Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time and unit area was determined from the slope of the graph.
(4)高分子固体電解質膜の全光線透過率の測定法
デジタルSMカラーコンピューター(スガ試験機製:SM−7−CH)を使用し、ASTM−D1003に準じて全光線透過率(%)を測定した。
(4) Measuring method of total light transmittance of solid polymer electrolyte membrane Using digital SM color computer (manufactured by Suga Test Instruments: SM-7-CH), measuring total light transmittance (%) according to ASTM-D1003 did.
(5)高分子固体電解質膜の膨潤率の測定法
高分子固体電解質膜サンプル(3cm×3cm程度の大きさのもの)を、50℃、10hPa以下の圧力で24時間以上乾燥させた直後にその面積(S1)を測定し、この乾燥膜を純水に25℃、48時間以上浸漬した直後にその膜の面積(S2)を測定し、下記式から膨潤率を算出した。
膨潤率(%)=100×S2/S1
(5) Measuring method of swelling rate of polymer solid electrolyte membrane Immediately after a polymer solid electrolyte membrane sample (with a size of about 3 cm × 3 cm) was dried at 50 ° C. and a pressure of 10 hPa or less for 24 hours or more The area (S1) was measured, and immediately after the dried film was immersed in pure water at 25 ° C. for 48 hours or longer, the area (S2) of the film was measured, and the swelling ratio was calculated from the following formula.
Swelling rate (%) = 100 × S2 / S1
(6)高分子固体電解質膜中のM/C(Mはヘテロポリ酸中のポリ元素、Cは炭素)のモル比の測定方法
充分に水で洗浄した後、乾燥した膜について、元素分析により測定した。Cの分析は、全自動分析装置vaioELにより、また、ヘテロポリ酸中のポリ元素(Mo、W等)の分析は日立ICP発光分析装置P−4010により定量し、算出した。
(6) Measuring method of molar ratio of M / C in polymer solid electrolyte membrane (M is poly element in heteropolyacid, C is carbon) Measured by elemental analysis on membrane which has been thoroughly washed with water did. The analysis of C was quantified and calculated by a fully automatic analyzer vioEL, and the analysis of polyelements (Mo, W, etc.) in the heteropolyacid was quantified and calculated by a Hitachi ICP emission analyzer P-4010.
[比較例1](“ナフィオン117”の評価)
市販のパーフルオロスルホン酸系高分子製電解質膜“ナフィオン117”(デュポン社製)を用い、イオン伝導度、MCOおよび全光線透過率を評価した。“ナフィオン117”は100℃の5%過酸化水素水中にて30分間、続いて100℃の5%希硫酸中にて30分間浸漬した後、100℃の脱イオン水でよく洗浄した後に測定した。スルホン酸基密度は0.9mmol/g、メタノール透過量は5.6μmol/cm2/min、イオン伝導度は5.4S/cm2であった。また全光線透過率は92%であり目視による視認性に劣っていた。実際、水中に浸漬した5cm角の“ナフィオン117”膜を目視で確認して拾い上げることは非常に困難であった。膨潤率は128%であった。
[Comparative Example 1] (Evaluation of “Nafion 117”)
A commercially available perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane “Nafion 117” (manufactured by DuPont) was used to evaluate ion conductivity, MCO, and total light transmittance. “Nafion 117” was measured after being immersed in 5% hydrogen peroxide solution at 100 ° C. for 30 minutes, then in 5% dilute sulfuric acid at 100 ° C. for 30 minutes, and thoroughly washed with deionized water at 100 ° C. . The sulfonic acid group density was 0.9 mmol / g, the methanol permeation amount was 5.6 μmol / cm 2 / min, and the ionic conductivity was 5.4 S / cm 2 . Further, the total light transmittance was 92%, which was poor in visual visibility. In fact, it was very difficult to visually check and pick up a 5 cm square “Nafion 117” film immersed in water. The swelling rate was 128%.
[実施例1](PVA/テトラフルオロコハク酸/ポリスチレンスルホン酸からの架橋膜の作製)
ポリビニルアルコール(PVA)(Mw=124,000〜186,000、アルドリッチ株式会社製)、テトラフルオロコハク酸(ACROS ORGANICS社製)およびポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Mw=1,000,000、アルドリッチ株式会社製)を、PVA/テトラフルオロコハク酸/ポリスチレンスルホン酸ナトリウム=67.5/7.5/25の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をガラス板上に塗付し、25℃、200hPaで2日間かけてキャストした。得られたキャスト膜を200℃で1時間熱処理し、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M塩酸に浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られたPVA系架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は、70μmであった。
[Example 1] (Production of cross-linked membrane from PVA / tetrafluorosuccinic acid / polystyrene sulfonic acid)
Polyvinyl alcohol (PVA) (Mw = 14,000 to 186,000, manufactured by Aldrich Corporation), tetrafluorosuccinic acid (manufactured by ACROS ORGANICS) and sodium polystyrene sulfonate (Mw = 1,000,000, manufactured by Aldrich Corporation) ) Is mixed with water at a ratio of PVA / tetrafluorosuccinic acid / sodium polystyrene sulfonate = 67.5 / 7.5 / 25 to form a 7 wt% aqueous solution, and this aqueous solution is applied onto a glass plate, 25 Casting was performed at 200 ° C for 2 days at ℃. The obtained cast film was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour to prepare a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 1M hydrochloric acid to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained PVA-based crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 70 μm.
この電解質膜のスルホン酸基密度は1.3mmol/g、メタノール透過量は0.8μmol/cm2/min、イオン伝導度は4.5S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は少し劣るものの、MCOはかなり抑制されていた。また、全光線透過率は28%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は116%であった。 The electrolyte membrane had a sulfonic acid group density of 1.3 mmol / g, a methanol permeation amount of 0.8 μmol / cm 2 / min, and an ionic conductivity of 4.5 S / cm 2 . Although the ionic conductivity was slightly inferior to that of “Nafion 117”, the MCO was considerably suppressed. Further, the total light transmittance was 28%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 116%.
[実施例2](PVA/スルホコハク酸/ポリスチレンスルホン酸からの架橋膜の作製)
PVA(Mw=124,000〜186,000、アルドリッチ株式会社製)、スルホコハク酸(アルドリッチ株式会社製)およびポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Mw=1,000,000、アルドリッチ株式会社製)を、PVA/スルホコハク酸/ポリスチレンスルホン酸ナトリウム=67.5/7.5/25の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をガラス板上に塗布し、25℃、200hPaで2日間かけてキャストした。得られたキャスト膜を200℃で1時間熱処理し、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M塩酸に浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られたPVA系架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は、70μmであった。
[Example 2] (Production of cross-linked membrane from PVA / sulfosuccinic acid / polystyrene sulfonic acid)
PVA (Mw = 124,000 to 186,000, manufactured by Aldrich Co., Ltd.), sulfosuccinic acid (manufactured by Aldrich Co., Ltd.), and sodium polystyrene sulfonate (Mw = 1,000,000, manufactured by Aldrich Co., Ltd.) were converted into PVA / sulfosuccinic acid. Acid / sodium polystyrene sulfonate = 67.5 / 7.5 / 25 mixed with water to form a 7 wt% aqueous solution. This aqueous solution was applied onto a glass plate and cast at 25 ° C and 200 hPa for 2 days. did. The obtained cast film was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour to prepare a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 1M hydrochloric acid to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained PVA-based crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 70 μm.
この電解質膜のスルホン酸基密度は1.5mmol/g、メタノール透過量は2.7μmol/cm2/min、イオン伝導度は5.7S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は同等で、MCOが低かった。また、全光線透過率は31%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は117%であった。 The electrolyte membrane had a sulfonic acid group density of 1.5 mmol / g, a methanol permeation amount of 2.7 μmol / cm 2 / min, and an ionic conductivity of 5.7 S / cm 2 . Compared with “Nafion 117”, the ionic conductivity was the same and the MCO was low. Moreover, the total light transmittance was 31%, and it was excellent in visual visibility. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 117%.
[実施例3](PVA/ヘキサメチレンジイソシアネート/ポリスチレンスルホン酸からの架橋膜の作製)
PVA(Mw=124,000〜186,000、アルドリッチ株式会社製)、ヘキサメチレンジイソシアネート(アルドリッチ株式会社製)およびポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Mw=1,000,000、アルドリッチ株式会社製)を、PVA/ヘキサメチレンジイソシアネート/ポリスチレンスルホン酸ナトリウム=67.5/7.5/25の割合で水と混合して3重量%水溶液とし、この水溶液をガラス板上に塗布し、25℃、200hPaで2日間かけてキャストした。得られたキャスト膜を200℃で1時間熱処理し、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M塩酸に浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られたPVA系架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は、70μmであった。
[Example 3] (Production of cross-linked membrane from PVA / hexamethylene diisocyanate / polystyrene sulfonic acid)
PVA (Mw = 124,000 to 186,000, manufactured by Aldrich Co., Ltd.), hexamethylene diisocyanate (manufactured by Aldrich Co., Ltd.) and polystyrene sulfonate (Mw = 1,000,000, manufactured by Aldrich Co., Ltd.) Hexamethylene diisocyanate / polystyrene sodium sulfonate = 67.5 / 7.5 / 25 mixed with water to make a 3% by weight aqueous solution, this aqueous solution was coated on a glass plate and taken at 25 ° C. and 200 hPa for 2 days And cast. The obtained cast film was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour to prepare a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 1M hydrochloric acid to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained PVA-based crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 70 μm.
この電解質膜のスルホン酸基密度は1.2mmol/g、メタノール透過量は2.9μmol/cm2/min、イオン伝導度は5.2S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は同等で、MCOが低かった。また、全光線透過率は33%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は116%であった。 The electrolyte membrane had a sulfonic acid group density of 1.2 mmol / g, a methanol permeation amount of 2.9 μmol / cm 2 / min, and an ionic conductivity of 5.2 S / cm 2 . Compared with “Nafion 117”, the ionic conductivity was the same and the MCO was low. Further, the total light transmittance was 33%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 116%.
[実施例4](PVA/ポリアクリル酸/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸からの架橋膜の作製)
PVA(Mw=124,000〜186,000、アルドリッチ株式会社製)、ポリアクリル酸(Mw=2,000、アルドリッチ株式会社製)およびポリ−2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸ナトリウム(アルドリッチ株式会社製ポリ−2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸(Mw=2,000,000)をNa型に置換したもの)を、PVA/ポリアクリル酸/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸ナトリウム=56/14/30の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をガラス板上に塗布し、40℃で7日間かけてキャストした。得られたキャスト膜を200℃で1時間熱処理し、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M塩酸に浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られたPVA系架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は、70μmであった。
[Example 4] (Production of crosslinked membrane from PVA / polyacrylic acid / poly-2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid)
PVA (Mw = 124,000 to 186,000, manufactured by Aldrich Co.), polyacrylic acid (Mw = 2,000, manufactured by Aldrich Co.) and sodium poly-2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonate (A product obtained by substituting Na-2-type poly-2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (Mw = 2,000,000) manufactured by Aldrich Co.) with PVA / polyacrylic acid / poly-2-acrylamide Sodium 2-methyl-1-propanesulfonate = 56/14/30 and mixed with water to form a 7% by weight aqueous solution. This aqueous solution was applied onto a glass plate and cast at 40 ° C. for 7 days. . The obtained cast film was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour to prepare a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 1M hydrochloric acid to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained PVA-based crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 70 μm.
この電解質膜のスルホン酸基密度は1.4mmol/g、メタノール透過量は3.9μmol/cm2/min、イオン伝導度は5.2S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は同等で、MCOが低かった。また、全光線透過率は34%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は114%であった。 The electrolyte membrane had a sulfonic acid group density of 1.4 mmol / g, a methanol permeation amount of 3.9 μmol / cm 2 / min, and an ionic conductivity of 5.2 S / cm 2 . Compared with “Nafion 117”, the ionic conductivity was the same and the MCO was low. Further, the total light transmittance was 34%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 114%.
[実施例5]
スチレンスルホン酸ナトリウム(0.03mol)とアクリル酸(0.03mol)を水(100mL)に溶解し、ペルオキソ二硫酸カリウム(0.6mmol)を開始剤とし、50℃で8時間ラジカル重合を行った。重合溶液をアセトン中に投入して重合物を沈殿させた。沈殿物をアセトンでよく洗浄した後、十分真空乾燥させた後、再び水に溶解しアセトンに投入した。沈殿物をアセトンで洗浄し、再度十分真空乾燥させた。得られた共重合体を、以下、P(SSNa−AA)と表記する。
[Example 5]
Sodium styrenesulfonate (0.03 mol) and acrylic acid (0.03 mol) were dissolved in water (100 mL), and radical polymerization was performed at 50 ° C. for 8 hours using potassium peroxodisulfate (0.6 mmol) as an initiator. . The polymerization solution was put into acetone to precipitate a polymer. The precipitate was thoroughly washed with acetone, sufficiently dried in vacuum, then dissolved again in water and poured into acetone. The precipitate was washed with acetone and again sufficiently dried in vacuum. The obtained copolymer is hereinafter referred to as P (SSNa-AA).
PVA(Mw=124,000〜186,000、アルドリッチ株式会社製)、P(SSNa−AA)およびスルホコハク酸を、PVA/P(SSNa−AA)/スルホコハク酸=70/30/16(重量比)の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し、25℃、7日間かけてキャストした。得られたキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、ガラス板上に載せ、さらに、130℃で1時間熱処理し(常圧)、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M塩酸に1時間浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られた架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は80μmであった。 PVA (Mw = 124,000 to 186,000, manufactured by Aldrich Co., Ltd.), P (SSNa-AA) and sulfosuccinic acid were converted to PVA / P (SSNa-AA) / sulfosuccinic acid = 70/30/16 (weight ratio). This was mixed with water to make a 7 wt% aqueous solution, this aqueous solution was applied on a polystyrene petri dish, and cast at 25 ° C. for 7 days. The obtained cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, placed on a glass plate, and further heat-treated at 130 ° C. for 1 hour (normal pressure) to produce a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 1M hydrochloric acid for 1 hour to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 80 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は3.4μmol/cm2/min、イオン伝導度は8.0S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は大きく、MCOは小さかった。また、全光線透過率は27%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は113%であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 3.4 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 8.0 S / cm 2 . Compared with “Nafion 117”, the ionic conductivity was larger and the MCO was smaller. Further, the total light transmittance was 27%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 113%.
[実施例6〜11]
水溶液中のPVA/P(SSNa−AA)/スルホコハク酸の組成割合、膜製造時の熱処理条件を表1に記載のとおりに変更した他は、実施例5と同様に行った。得られた架橋膜(高分子固体電解質膜)のメタノール透過量、イオン伝導度および全光線透過率は表1に示すとおりであった。
[Examples 6 to 11]
The same procedure as in Example 5 was performed except that the composition ratio of PVA / P (SSNa-AA) / sulfosuccinic acid in the aqueous solution and the heat treatment conditions during film production were changed as shown in Table 1. Table 1 shows the methanol permeability, ionic conductivity, and total light transmittance of the obtained crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane).
[実施例12]
PVA:尿素(モル比1:1)を窒素雰囲気下、150℃で約30分反応させた後、メタノール中に沈殿させたものを、さらに水−メタノール系で再沈を繰り返して精製した。得られたウレタン化PVAの修飾率(ウレタン化度)を元素分析値より求めたところ3.3%であった。以下、このウレタン化PVAを、U−PVA−Lと表記する。
[Example 12]
PVA: urea (molar ratio 1: 1) was reacted at 150 ° C. for about 30 minutes in a nitrogen atmosphere, and then precipitated in methanol, and further purified by repeated reprecipitation in a water-methanol system. The modification rate (degree of urethanization) of the obtained urethanized PVA was determined from elemental analysis values and was 3.3%. Hereinafter, this urethanized PVA is referred to as U-PVA-L.
U−PVA−L、実施例1で用いたポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSSNa)およびテトラフルオロコハク酸を、U−PVA−L/PSSNa/テトラフルオロコハク酸=72/20/8(重量比)の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し25℃、7日間かけてキャストした。得られたキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、ガラス板上に載せ、さらに、250℃で1.5時間熱処理し(常圧)、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M希硫酸に12時間浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られた架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は55μmであった。 U-PVA-L, sodium polystyrene sulfonate (PSSSNa) and tetrafluorosuccinic acid used in Example 1 were mixed at a ratio of U-PVA-L / PSSSNa / tetrafluorosuccinic acid = 72/20/8 (weight ratio). The mixture was mixed with water to make a 7% by weight aqueous solution, and this aqueous solution was applied onto a polystyrene petri dish and cast at 25 ° C. for 7 days. The obtained cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, placed on a glass plate, and further heat-treated at 250 ° C. for 1.5 hours (normal pressure) to produce a PVA-based crosslinked film. The obtained membrane was immersed in 1M dilute sulfuric acid for 12 hours to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 55 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は0.22μmol/cm2/min、イオン伝導度は1.2S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は小さいものの、MCOが非常に小さく、伝導度とMCOの比率が“ナフィオン117”よりも優れていた。また、全光線透過率は23%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は117%であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 0.22 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 1.2 S / cm 2 . Although the ionic conductivity was smaller than that of “Nafion 117”, the MCO was very small, and the ratio of conductivity to MCO was superior to “Nafion 117”. Further, the total light transmittance was 23%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 117%.
[実施例13]
U−PVA−L、実施例1で用いたポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSSNa)およびスルホコハク酸を、U−PVA−L/PSSNa/スルホコハク酸=72/20/8(重量比)の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し25℃、7日間かけてキャストした。得られたキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、ガラス板上に載せ、さらに、220℃で1時間熱処理し(常圧)、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M希硫酸に12時間浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られた架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は55μmであった。
[Example 13]
U-PVA-L, sodium polystyrene sulfonate (PSSSNa) and sulfosuccinic acid used in Example 1 were mixed with water at a ratio of U-PVA-L / PSSSNa / sulfosuccinic acid = 72/20/8 (weight ratio). The aqueous solution was applied on a polystyrene petri dish and cast at 25 ° C. for 7 days. The obtained cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, placed on a glass plate, and further heat-treated at 220 ° C. for 1 hour (normal pressure) to produce a PVA-based crosslinked film. The obtained membrane was immersed in 1M dilute sulfuric acid for 12 hours to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 55 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は0.45μmol/cm2/min、イオン伝導度は3.1S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は小さいものの、MCOが非常に小さく、伝導度とMCOの比率が“ナフィオン117”よりも優れていた。また、全光線透過率は25%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は113%であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 0.45 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 3.1 S / cm 2 . Although the ionic conductivity was smaller than that of “Nafion 117”, the MCO was very small, and the ratio of conductivity to MCO was superior to “Nafion 117”. Further, the total light transmittance was 25%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 113%.
[実施例14]
PVA、スルホコハク酸、テトラフルオロコハク酸および実施例1で用いたポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSSNa)を63.75/7.5/3.75/25(重量比)の割合で水と混合して、7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し25℃、7日間かけてキャストした。得られたキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、ガラス板上に載せ、さらに、200℃で3時間熱処理し(常圧)、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を0.1M塩酸に12時間浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られた架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は40μmであった。
[Example 14]
PVA, sulfosuccinic acid, tetrafluorosuccinic acid and polystyrene polystyrene sulfonate (PSSSNa) used in Example 1 were mixed with water at a ratio of 63.75 / 7.5 / 3.75 / 25 (weight ratio), A 7 wt% aqueous solution was applied, and this aqueous solution was applied onto a polystyrene petri dish and cast at 25 ° C for 7 days. The obtained cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, placed on a glass plate, and further heat treated at 200 ° C. for 3 hours (normal pressure) to prepare a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 0.1M hydrochloric acid for 12 hours to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 40 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は1.4μmol/cm2/min、イオン伝導度は9.0S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度が大きく、かつMCOが小さく、優れた特性を有していた。また、全光線透過率は15%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は117%であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 1.4 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 9.0 S / cm 2 . Compared with “Nafion 117”, the ionic conductivity was larger, the MCO was smaller, and it had excellent characteristics. Further, the total light transmittance was 15%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 117%.
[実施例15及び比較例2](膜電極複合体の作製および評価)
炭素繊維クロス基材に20%ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)懸濁液を用いて撥水処理を行ったのち、焼成して電極基材を作製した。この電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンと“ナフィオン”溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、また、Pt担持カーボンと“ナフィオン”溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。
[Example 15 and Comparative Example 2] (Production and Evaluation of Membrane Electrode Composite)
The carbon fiber cloth base material was subjected to a water repellent treatment using a 20% polytetrafluoroethylene (PTFE) suspension, and then fired to prepare an electrode base material. On this electrode base material, an anode electrode catalyst coating solution composed of Pt—Ru-supported carbon and “Nafion” solution is applied and dried to form an anode electrode, and a cathode electrode catalyst composed of Pt-supported carbon and “Nafion” solution. The coating solution was applied and dried to prepare a cathode electrode.
実施例14で作製した高分子固体電解質膜を、作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることで膜電極複合体(MEA)を作製した(実施例15)。また、比較例1で使用した市販の電解質膜“ナフィオン117”を、作製したアノード電極とカソード電極で夾持し加熱プレスすることで膜電極複合体(MEA)を作製した(比較例2)。 The polymer solid electrolyte membrane produced in Example 14 was held between the produced anode and cathode electrodes and heated and pressed to produce a membrane electrode assembly (MEA) (Example 15). A commercially available electrolyte membrane “Nafion 117” used in Comparative Example 1 was sandwiched between the produced anode electrode and cathode electrode and heated and pressed to produce a membrane electrode assembly (MEA) (Comparative Example 2).
得られたMEAをエレクトロケム社製セルに挟み、アノード側に30重量%メタノール水溶液、カソード側に空気を流し、かつ、MEAに定電流を流し、その時の電圧を測定すことにより、MEA評価を行った。電流を順次増加させ電圧が10mV以下になるまで測定を行った。各測定点での電流と電圧の積が出力となるが、実施例14の高分子電解質膜を使用したMEA(実施例15)の方が“ナフィオン117”膜を使用したMEA(比較例2)より最高出力(mW/cm2)で約2倍、エネルギー容量(Wh)で約3倍の値を示し、優れた特性を有していた。 The obtained MEA was sandwiched between cells manufactured by Electrochem, and a MEA evaluation was performed by flowing a 30 wt% methanol aqueous solution on the anode side, air on the cathode side, and a constant current through the MEA, and measuring the voltage at that time. went. The measurement was performed until the current was increased successively until the voltage became 10 mV or less. The product of the current and voltage at each measurement point is the output, but the MEA using the polymer electrolyte membrane of Example 14 (Example 15) is the MEA using the “Nafion 117” membrane (Comparative Example 2). The maximum output (mW / cm 2 ) was about twice, and the energy capacity (Wh) was about three times, indicating excellent characteristics.
[実施例16]
PVA、エチレングリコールおよび実施例1で用いたポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSSNa)を、PVA/エチレングリコール/PSSNa=64/7/29(重量比)の割合で水と混合して、7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し25℃で7日間かけてキャストした。得られたキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、ガラス板上に載せ、さらに、130℃で1時間熱処理し(常圧)、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M希硫酸に12時間浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られた架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は55μmであった。
[Example 16]
PVA, ethylene glycol, and sodium polystyrene sulfonate (PSSSNa) used in Example 1 were mixed with water at a ratio of PVA / ethylene glycol / PSSSNa = 64/7/29 (weight ratio) to form a 7 wt% aqueous solution. This aqueous solution was applied onto a polystyrene petri dish and cast at 25 ° C. for 7 days. The obtained cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, placed on a glass plate, and further heat-treated at 130 ° C. for 1 hour (normal pressure) to produce a PVA-based crosslinked film. The obtained membrane was immersed in 1M dilute sulfuric acid for 12 hours to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 55 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は1.2μmol/cm2/min、イオン伝導度は3.2S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は小さいものの、MCOが十分に小さく、伝導度とMCOの比率が“ナフィオン117”膜よりも優れていた。全光線透過率は29%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した該高分子固体電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は119%であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 1.2 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 3.2 S / cm 2 . Although the ionic conductivity was smaller than that of “Nafion 117”, the MCO was sufficiently small, and the ratio of conductivity and MCO was superior to that of the “Nafion 117” membrane. The total light transmittance was 29%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the solid polymer electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 119%.
[実施例17]
キトサン(ナカライテスク社製)、テトラフルオロコハク酸(ACROS ORGANICS社製)およびポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Mw=1,000,000、アルドリッチ株式会社製)を、キトサン/テトラフルオロコハク酸/ポリスチレンスルホン酸ナトリウム=67.5/7.5/25の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をガラス板上に塗付し、25℃、200hPaで2日間かけてキャストした。得られたキャスト膜を200℃で1時間熱処理し、PVA系架橋膜を作製した。得られた膜を1M塩酸に浸漬して酸型にした後、水で十分に洗浄した。得られたPVA系架橋膜(高分子固体電解質膜)の膜厚は、70μmであった。
[Example 17]
Chitosan (manufactured by Nacalai Tesque), tetrafluorosuccinic acid (manufactured by ACROS ORGANICS) and sodium polystyrene sulfonate (Mw = 1,000,000, manufactured by Aldrich Co., Ltd.), chitosan / tetrafluorosuccinic acid / sodium polystyrene sulfonate = 67.5 / 7.5 / 25 mixed with water to make a 7 wt% aqueous solution, this aqueous solution was applied onto a glass plate and cast at 25 ° C and 200 hPa for 2 days. The obtained cast film was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour to prepare a PVA-based crosslinked film. The obtained film was immersed in 1M hydrochloric acid to form an acid form, and then thoroughly washed with water. The film thickness of the obtained PVA-based crosslinked membrane (polymer solid electrolyte membrane) was 70 μm.
この電解質膜のメタノール透過量は1.5μmol/cm2/min、イオン伝導度は3.2S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度は少し劣るものの、MCOはかなり抑制されていた。また、全光線透過率は28%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は120%であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate of 1.5 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 3.2 S / cm 2 . Although the ionic conductivity was slightly inferior to that of “Nafion 117”, the MCO was considerably suppressed. Further, the total light transmittance was 28%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 120%.
[実施例18]
U−PVA−L、タングストケイ酸水和物(STA、MERCK社製)を、U-PVA-L/STA=40/60(重量比)の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し25℃、7日間かけてキャストした。得られた透明なキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、“テフロン”(登録商標)シートに挟んで、120℃で1時間熱処理し(常圧)、PVA系架橋膜を得た。得られた膜は黒色化していた。得られた架橋膜の膜厚は、20μmであった。
[Example 18]
U-PVA-L, Tungstosilicic acid hydrate (STA, manufactured by MERCK) was mixed with water at a ratio of U-PVA-L / STA = 40/60 (weight ratio) to form a 7 wt% aqueous solution. The aqueous solution was applied on a polystyrene dish and cast at 25 ° C. for 7 days. The obtained transparent cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, sandwiched between “Teflon” (registered trademark) sheets, and heat-treated at 120 ° C. for 1 hour (normal pressure) to obtain a PVA-based crosslinked film. The obtained film was blackened. The thickness of the obtained crosslinked film was 20 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は0.18μmol/cm2/min、イオン伝導度は7.0S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度が大きいにもかかわらず、MCOが非常に小さく、伝導度とMCOの比率が“ナフィオン117”よりもかなり優れていた。特にMCOが大きく低減していた。また、全光線透過率は24%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は113%であった。M/C(=W/C)のモル比は0.12であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 0.18 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 7.0 S / cm 2 . Despite the higher ionic conductivity compared to “Nafion 117”, the MCO was very small and the ratio of conductivity to MCO was much better than “Nafion 117”. In particular, the MCO was greatly reduced. Further, the total light transmittance was 24%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 113%. The molar ratio of M / C (= W / C) was 0.12.
[実施例19]
PVA(Mw=124,000〜186,000、アルドリッチ株式会社製)、タングストリン酸水和物(PWA、ナカライテスク社製)を、PVA/PWA=33/67(重量比)の割合で水と混合して7重量%水溶液とし、この水溶液をポリスチレンシャーレ上に塗布し25℃、7日間かけてキャストした。得られた透明なキャスト膜をポリスチレンシャーレから剥がし、“テフロン”(登録商標)シートに挟んで、105℃で1時間熱処理し(減圧)、PVA系架橋膜を得た。得られた膜は黒色化していた。得られた架橋膜の膜厚は、35μmであった。
[Example 19]
PVA (Mw = 124,000 to 186,000, manufactured by Aldrich), tungstophosphoric acid hydrate (PWA, manufactured by Nacalai Tesque), and water in a ratio of PVA / PWA = 33/67 (weight ratio) The mixture was mixed to form a 7% by weight aqueous solution, and this aqueous solution was coated on a polystyrene petri dish and cast at 25 ° C. for 7 days. The obtained transparent cast film was peeled off from the polystyrene petri dish, sandwiched between “Teflon” (registered trademark) sheets, and heat-treated at 105 ° C. for 1 hour (reduced pressure) to obtain a PVA-based crosslinked film. The obtained film was blackened. The thickness of the obtained crosslinked film was 35 μm.
この電解質膜のメタノール透過量(MCO)は0.81μmol/cm2/min、イオン伝導度は3.4S/cm2であった。“ナフィオン117”に比べイオン伝導度が小さいものの、MCOが非常に小さく、伝導度とMCOの比率が“ナフィオン117”よりも優れていた。特にMCOが大きく低減していた。また、全光線透過率は28%であり目視による視認性に優れていた。実際、水中に浸漬した電解質膜を目視で確認して拾い上げることは容易であった。膨潤率は118%であった。M/C(=W/C)のモル比は0.16であった。 The electrolyte membrane had a methanol permeation rate (MCO) of 0.81 μmol / cm 2 / min and an ionic conductivity of 3.4 S / cm 2 . Although the ionic conductivity was smaller than that of “Nafion 117”, the MCO was very small, and the ratio of conductivity to MCO was superior to “Nafion 117”. In particular, the MCO was greatly reduced. Further, the total light transmittance was 28%, and the visual visibility was excellent. Actually, it was easy to visually check and pick up the electrolyte membrane immersed in water. The swelling rate was 118%. The molar ratio of M / C (= W / C) was 0.16.
本発明の高分子固体電解質材は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)で用いられる高分子固体電解質部品(例えば、高分子固体電解質膜)に適用可能である。中でも燃料電池、さらに固体高分子型燃料電池、特に液体供給型DMFCにおける高分子固体電解質膜用に非常に有用である。 The polymer solid electrolyte material of the present invention is applied to polymer solid electrolyte parts (for example, polymer solid electrolyte membranes) used in various electrochemical devices (for example, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, etc.). Is possible. Among them, it is very useful for a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, further a polymer electrolyte fuel cell, particularly a liquid supply type DMFC.
また、本発明の固体高分子型燃料電池の用途としては、特に限定されないが、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA(Personal Digital Assistant)などの携帯機器、掃除機等の家電、乗用車、バス、トラックなどの自動車や船舶、鉄道などの移動体の電力供給源として好ましく用いられる。 Further, the application of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is preferable. In particular, it is preferably used as a power supply source for mobile devices such as mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs (Personal Digital Assistants), home appliances such as vacuum cleaners, passenger cars, buses and trucks, ships, and railways.
Claims (26)
26. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 25, wherein at least one selected from alcohols having 1 to 3 carbon atoms, dimethyl ether, and aqueous solutions or suspensions thereof is used as a fuel.
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