JP2005183061A - Proton conductive high polymer film, and forming method for proton conductive high polymer film - Google Patents

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文康 瀬崎
Hidetoshi Kuromatsu
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive high polymer film which is useful as a polyelectrolytic film for a solid high polymer type fuel cell and a direct methanol type fuel cell, and has an outstanding property, and its stable and inexpensive manufacturing method. <P>SOLUTION: By using the manufacturing method in which a high polymer film is immersed in an organic solvent for reaction comprising a sulfonation agent after the high polymer film is swollen in a swelling organic solvent, proton conductivity in the thickness direction of a sulfonation high polymer film using the swollen high polymer film becomes higher, when compared in the same sulfonation condition. Moreover, a proton conductive high polymer film having proton conductivity equivalent to a conventional one is formed with a smaller amount of a sulfonation agent and by a shorter period of reaction time. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の高分子電解質膜として有用なプロトン伝導性高分子膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive polymer membrane useful as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

プロトン伝導性高分子膜は、固体高分子形燃料電池、湿度センサー、ガスサンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の主要な構成材料として有用である。これらの電気化学素子のなかでも、固体高分子形燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして広範囲での実用化が期待されている。高分子化合物からなるプロトン伝導性高分子膜を電解質膜として使用する固体高分子形高分子型燃料電池(PEFCまたはPEMFC)は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。とくに、PEFCを搭載した燃料電池自動車は、エネルギー効率が高く、炭酸ガス排出量が少ないなどの特徴を有し、究極のエコロジーカーとして社会的な関心が高まってきている。さらに、メタノールを燃料とする直接メタノ‐ル形燃料電池(DMFC)は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民生用小型携帯機器への応用が期待されている。   The proton conductive polymer membrane is useful as a main constituent material of electrochemical devices such as a polymer electrolyte fuel cell, a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display device. Among these electrochemical devices, solid polymer fuel cells are expected to be put into practical use in a wide range as one of the pillars of new energy technology. Solid polymer polymer fuel cells (PEFC or PEMFC) that use proton conductive polymer membranes made of polymer compounds as electrolyte membranes can be operated at low temperatures and can be reduced in size and weight. Application to mobile objects, home cogeneration systems, and small portable devices for consumer use is under consideration. In particular, fuel cell vehicles equipped with PEFC have features such as high energy efficiency and low carbon dioxide emission, and social interest is increasing as the ultimate ecological car. In addition, methanol-fueled direct methanol fuel cells (DMFCs) have a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and high energy density. It is expected to be applied to small consumer portable devices such as mobile phones and notebook computers.

プロトン伝導性高分子膜としては、1950年代に開発された、スチレン系の陽イオン交換膜がある。しかし、このスチレン系の陽イオン交換膜は、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するにはいたっていない。   Examples of proton conductive polymer membranes include styrene-based cation exchange membranes developed in the 1950s. However, this styrene-based cation exchange membrane has poor stability under the fuel cell operating environment, and has not been able to produce a fuel cell having a sufficient life.

実用的な安定性を有するプロトン伝導性膜として、ナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標。以下同様)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が開発され、PEFCをはじめとする多くの電気化学素子への応用が適用されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導度を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れている。しかし、製造プロセスが複雑高価である。さらに、民生用携帯機器に搭載される燃料電池の燃料として有望視されているメタノールなどの透過量、いわゆるクロスオーバーが大きく、透過したメタノールがカソードで燃焼する現象、すなわち化学ショート反応が起こるという欠点がある。化学ショート反応が起こると、カソード電位が低下しセル特性が低下するだけでなく、燃料効率も低下してしまう。また、ナフィオンのような含フッ素化合物のプロトン伝導性高分子膜は合成時および廃棄時の環境への負荷が大きく、基本的に環境問題に対処するための技術である燃料電池の構成材料として必ずしもふさわしいものではない。   As a proton conductive membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark of Nafion, DuPont, the same applies hereinafter) has been developed and applied to many electrochemical devices such as PEFC. The application of is applied. The perfluorocarbon sulfonic acid membrane has high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, the manufacturing process is complicated and expensive. In addition, the permeation amount of methanol, which is considered promising as fuel for fuel cells mounted on consumer portable devices, so-called crossover is large, and the phenomenon that permeated methanol burns at the cathode, that is, a chemical short reaction occurs. There is. When the chemical short reaction occurs, not only the cathode potential is lowered and the cell characteristics are lowered, but also the fuel efficiency is lowered. In addition, proton-conducting polymer membranes of fluorine-containing compounds such as Nafion have a large environmental impact during synthesis and disposal, and are not necessarily a constituent material for fuel cells, which is basically a technology for dealing with environmental problems. Not appropriate.

このようなことから、製造が容易で、より安価なプロトン伝導性高分子膜として、芳香族系高分子化合物のスルホン化物などからなる非パーフルオロカーボンスルホン酸型プロトン伝導性高分子膜が種々提案されている。その代表的なものとして、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(たとえば、特許文献1を参照のこと)、スルホン化ポリエーテルスルホン(たとえば、特許文献2を参照のこと)、スルホン化ポリスルホン(たとえば、特許文献3を参照のこと)、スルホン化ポリイミド(たとえば、特許文献4を参照のこと)などの耐熱芳香族高分子のスルホン化物などが提案されている。また、安価で、機械的、化学的に安定とされるSEBS(スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレン)のスルホン化体からなるプロトン伝導性高分子膜(特許文献5を参照のこと)が提案されている。これらのスルホン化炭化水素系高分子膜は製造が容易であり、かつ低コスト化が可能であるとされている。   For this reason, various non-perfluorocarbon sulfonic acid type proton conductive polymer membranes composed of sulfonated aromatic polymer compounds have been proposed as proton conductive polymer membranes that are easy to manufacture and cheaper. ing. Typical examples thereof include sulfonated polyetheretherketone (see, for example, Patent Document 1), sulfonated polyethersulfone (see, for example, Patent Document 2), and sulfonated polysulfone (for example, Patent Document 1). 3) and sulfonated polyimides of heat-resistant aromatic polymers such as sulfonated polyimide (see, for example, Patent Document 4) have been proposed. In addition, a proton conductive polymer membrane (see Patent Document 5) made of a sulfonated SEBS (styrene- (ethylene-butylene) -styrene) that is inexpensive and mechanically and chemically stable is proposed. Has been. These sulfonated hydrocarbon polymer membranes are said to be easy to manufacture and cost-effective.

しかし、高いプロトン伝導度が要求されるPEFCの電解質膜として使用するには、プロトン伝導度が不充分であった。また、それを改善するために、スルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の導入量を増やすと、引っ張りや伸び等の機械的特性が低下したり、水溶性になり、膜の吸水率が上昇して著しく膨潤したりしてハンドリング性が著しく損なわれる結果となっていた。また、小型携帯機器用燃料電池の燃料として有望なメタノールに対しても、プロトン伝導度とメタノール透過性がトレードオフの関係にあることから、高いプロトン伝導度を得るために、スルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の導入量を増やすと、メタノールクロスオーバーが大きくなり、化学ショート反応が起こる。化学ショート反応が起こると、カソード電位が低下しセル特性が低下するだけでなく、燃料効率も低下してしまい、その使用が制限される恐れがある。   However, the proton conductivity is insufficient for use as a PEFC electrolyte membrane that requires high proton conductivity. In order to improve this, if the amount of proton-conductive substituents such as sulfonic acid groups is increased, the mechanical properties such as tensile and elongation are reduced, and the water absorption becomes higher, increasing the water absorption rate of the membrane. As a result, the handling property is remarkably impaired due to significant swelling. Also, for methanol, which is a promising fuel for fuel cells for small portable devices, proton conductivity and methanol permeability are in a trade-off relationship. Therefore, in order to obtain high proton conductivity, sulfonic acid groups, etc. Increasing the amount of proton-conductive substituent introduced increases the methanol crossover and causes a chemical short reaction. When the chemical short reaction occurs, not only the cathode potential is lowered and the cell characteristics are lowered, but also the fuel efficiency is lowered, and the use thereof may be restricted.

炭化水素系高分子化合物からなる高分子電解質膜は、上述のような特性上の問題点に加え、製造プロセス上の問題点も多かった。   The polymer electrolyte membrane made of a hydrocarbon polymer compound has many problems in the manufacturing process in addition to the above problems in characteristics.

特許文献6には、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなどのスルホン化芳香族系高分子膜の製造方法が開示されている。このスルホン化芳香族高分子膜の製造方法において、スルホン化剤としてクロロスルホン酸、溶媒としてジクロロメタンを使用することが記載されている。   Patent Document 6 discloses a method for producing a sulfonated aromatic polymer membrane such as sulfonated polyphenylene sulfide. In this method for producing a sulfonated aromatic polymer membrane, it is described that chlorosulfonic acid is used as a sulfonating agent and dichloromethane is used as a solvent.

該製造方法において、スルホン化剤を含む有機溶媒中に高分子フィルムを浸漬させているが、高分子フィルム中へのスルホン酸基の導入反応速度は、高分子フィルム内部へのスルホン化剤の溶解速度および拡散速度が律速になると考えられるため、スルホン化高分子膜の厚み方向にスルホン酸基導入量の分布が生じてしまう。即ち、高分子フィルムの内部ほどスルホン酸基の導入量が少なく、その結果、スルホン化高分子膜の厚み方向のプロトン伝導度が小さくなってしまうという問題点があった。また、内部まで均一にスルホン酸基が導入されたプロトン伝導性高分子膜を得ようとすると、スルホン化剤量が多く必要であったり、反応時間を長くする必要がある等、製造効率が悪いという問題点があった。
特開平6−93114号公報 特開平10―45913号公報 特開平9−245818号公報 特表2000−510511号公報 特表平10−503788号公報 国際公開第02/062896号パンフレット
In the production method, the polymer film is immersed in an organic solvent containing a sulfonating agent. The reaction rate of introducing the sulfonic acid group into the polymer film is determined by the dissolution of the sulfonating agent into the polymer film. Since the rate and the diffusion rate are considered to be rate-limiting, distribution of the amount of sulfonic acid group introduced occurs in the thickness direction of the sulfonated polymer membrane. That is, there is a problem that the introduction amount of sulfonic acid groups is smaller toward the inside of the polymer film, and as a result, proton conductivity in the thickness direction of the sulfonated polymer membrane is reduced. In addition, when trying to obtain a proton conductive polymer membrane in which sulfonic acid groups are uniformly introduced to the inside, the production efficiency is poor because a large amount of sulfonating agent is required or the reaction time is required to be long. There was a problem.
JP-A-6-93114 Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913 JP-A-9-245818 JP 2000-510511 A Japanese National Patent Publication No. 10-503788 International Publication No. 02/062896 Pamphlet

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであって、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として有用なプロトン伝導性高分子膜及びその製造方法であって、優れた特性を有するプロトン伝導性高分子膜及びそれを安定的かつ安価に製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is a proton conductive polymer membrane useful as a polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell and a method for producing the same, and is excellent It is an object of the present invention to provide a proton conducting polymer membrane having excellent characteristics and a method for producing the membrane stably and inexpensively.

すなわち本発明のプロトン伝導性高分子膜の製造方法は、高分子フィルムを膨潤用有機溶媒中で膨潤させた後に、スルホン化剤を含む反応用有機溶媒中に浸漬させることに関する。膨潤させた後に、スルホン化剤を含む反応用有機溶媒中に浸漬させる製造方法とすることで、同じスルホン化条件で比較すると、膨潤後の高分子フィルムを用いたスルホン化高分子膜の方が膜厚方向のプロトン伝導度が大きくなり、更に、より少ないスルホン化剤量で、また、より短い反応時間で、従来と同等のプロトン伝導度を有するプロトン伝導性高分子膜となる。   That is, the method for producing a proton conducting polymer membrane of the present invention relates to immersing a polymer film in a reaction organic solvent containing a sulfonating agent after swelling the polymer film in a swelling organic solvent. Compared with the same sulfonation conditions, the sulfonated polymer membrane using the polymer film after swelling is made by immersing it in a reaction organic solvent containing a sulfonating agent after swelling. The proton conductivity in the film thickness direction is increased, and further, a proton conductive polymer membrane having a proton conductivity equivalent to the conventional one is obtained with a smaller amount of sulfonating agent and with a shorter reaction time.

上記膨潤を50℃以上200℃以下の温度の膨潤用有機溶媒中で実施すると、高分子フィルムを効率良く膨潤できる点から好ましい。また、膨潤用有機溶媒および/または反応用有機溶媒がハロゲン含有化合物であると、さらに効率良く膨潤できる点から好ましく、特に、膨潤用有機溶媒および/または反応用有機溶媒が、その分子構造中に炭素原子を3個以上、かつハロゲン原子を1個以上含む化合物であることが好ましい。   When the swelling is carried out in an organic solvent for swelling at a temperature of 50 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, it is preferable because the polymer film can be efficiently swollen. Further, the organic solvent for swelling and / or the organic solvent for reaction is preferably a halogen-containing compound from the viewpoint of further efficient swelling. In particular, the organic solvent for swelling and / or the organic solvent for reaction are included in the molecular structure. A compound containing 3 or more carbon atoms and 1 or more halogen atoms is preferred.

本発明のプロトン伝導性高分子膜の製造に用いる高分子フィルムとしては、炭化水素系高分子フィルムであることが好ましく、特に、下記(A)群から選択される少なくとも一種以上からなる炭化水素系高分子を混合してなる炭化水素系高分子からなることが好ましい。   The polymer film used for the production of the proton conducting polymer membrane of the present invention is preferably a hydrocarbon polymer film, and in particular, a hydrocarbon polymer comprising at least one selected from the following group (A). It is preferably made of a hydrocarbon polymer obtained by mixing polymers.

(A)群:ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリアリールエーテルスルホン(PAS)、ポリフェニレンスルホン(PPSU)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルホキシド(PPSO)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン(PPS/SO2)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、シアン酸エステル樹脂。さらに、前記炭化水素系高分子フィルムが、ポリフェニレンサルファイド(PPS)からなることが、優れた特性を有するプロトン伝導性高分子膜が得られることから好ましい。   Group (A): polybenzimidazole (PBI), polybenzoxazole (PBO), polybenzothiazole (PBT), polysulfone (PSU), polyetherethersulfone (PEES), polyarylethersulfone (PAS), polyphenylenesulfone ( PPSU), polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfoxide (PPSO), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfide sulfone (PPS / SO2), polyparaphenylene (PPP), polyether ketone (PEK), polyether ether ketone (PEEK) ), Polyether ketone ketone (PEKK), cyanate ester resin. Furthermore, it is preferable that the hydrocarbon polymer film is made of polyphenylene sulfide (PPS) because a proton conductive polymer membrane having excellent characteristics can be obtained.

本発明のプロトン伝導性高分子膜の製造方法に用いるスルホン化剤としては、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、濃硫酸から選択される少なくとも一種以上から構成されることが好ましい。   The sulfonating agent used in the method for producing a proton conductive polymer membrane of the present invention is preferably composed of at least one selected from chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, and concentrated sulfuric acid.

また、本発明のプロトン伝導性高分子膜は、固体高分子形燃料電池用プロトン伝導性膜として、特に好ましくは直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導性膜として用いられる。   The proton conductive polymer membrane of the present invention is used as a proton conductive membrane for a solid polymer fuel cell, particularly preferably as a proton conductive membrane for a direct methanol fuel cell.

本発明によれば、同じスルホン化条件(同一スルホン化剤量・濃度、同一反応温度、反応時間)で比較すると、膨潤後の高分子フィルムを用いたスルホン化高分子膜の方が厚み方向のプロトン伝導度が大きくなる。更に、より少ないスルホン化剤量で、または、より短い反応時間で、従来と同等以上のプロトン伝導度を有するプロトン伝導性高分子膜を得ることができる。   According to the present invention, when compared with the same sulfonation conditions (same sulfonating agent amount / concentration, same reaction temperature, reaction time), the sulfonated polymer membrane using the polymer film after swelling is more in the thickness direction. Proton conductivity increases. Furthermore, a proton conductive polymer membrane having a proton conductivity equal to or higher than that of the conventional one can be obtained with a smaller amount of sulfonating agent or with a shorter reaction time.

本発明のプロトン伝導性高分子膜の製造方法は、膨潤用有機溶媒で膨潤させた後に、スルホン化剤を含む反応用有機溶媒中に高分子フィルムを浸漬させることを特徴とするプロトン伝導性高分子膜の製造方法である。   The method for producing a proton conductive polymer membrane of the present invention is characterized in that a polymer film is immersed in a reaction organic solvent containing a sulfonating agent after swelling with a swelling organic solvent. It is a manufacturing method of a molecular film.

本発明において高分子フィルムが膨潤するとは、高分子フィルム内部に膨潤用有機溶媒が含有されていることを意味し、高分子フィルムを膨潤用有機溶媒に浸す前後の重量変化、即ち「膨潤用有機溶媒に浸した後の高分子フィルムの重量」を「膨潤用有機溶媒に浸す前の高分子フィルムの重量」で除した値が1より大きいことである。   In the present invention, the swelling of the polymer film means that a swelling organic solvent is contained inside the polymer film, and the weight change before and after the polymer film is immersed in the swelling organic solvent, that is, “swelling organic solvent”. The value obtained by dividing “the weight of the polymer film after being immersed in the solvent” by “the weight of the polymer film before being immersed in the organic solvent for swelling” is greater than 1.

該高分子フィルムの重量変化は1より大きく2以下である。好ましくは、1.01より大きく1.5以下である。該重量変化が1以下だと、高分子フィルムの内部に膨潤用有機溶媒が含有されておらず、膨潤されていないことになり、本発明における効果を発現させることができない。該重量変化が2より大きくなると、膨潤した高分子フィルムを用いて製造されるプロトン伝導性高分子膜の強度が低下してしまい、実用に供することができない。   The polymer film has a weight change of more than 1 and 2 or less. Preferably, it is larger than 1.01 and 1.5 or less. When the weight change is 1 or less, the organic film for swelling is not contained in the polymer film, and the polymer film is not swollen, and the effect in the present invention cannot be expressed. When the weight change is larger than 2, the strength of the proton conductive polymer membrane produced using the swollen polymer film is lowered and cannot be put to practical use.

また、高分子フィルムを膨潤させる雰囲気温度は、室温以上である。より多く、より短時間で有機溶媒を高分子フィルム中へ導入しやすいことから、雰囲気温度は50℃〜200℃であることが好ましい。より好ましくは60℃〜150℃である。雰囲気温度が200℃を超えると、高分子フィルムに皺が入ったり、歪みにより変形してしまうなど、外観を損ねてしまう。雰囲気温度が室温以下の場合は、雰囲気温度を室温以下に保つために冷房を入れる必要があったり、冷却用の装置を導入する必要があること、また、雰囲気温度が室温以下になると、高分子フィルム中への有機溶媒の拡散速度が低下すると考えられ、膨潤に長時間要するなど、経済性に劣る。   Moreover, the atmospheric temperature which swells a polymer film is more than room temperature. The atmospheric temperature is preferably 50 ° C. to 200 ° C. because the organic solvent can be easily introduced into the polymer film in a shorter time. More preferably, it is 60 degreeC-150 degreeC. When the atmospheric temperature exceeds 200 ° C., the appearance is impaired such as wrinkles in the polymer film or deformation due to distortion. When the ambient temperature is below room temperature, it is necessary to turn on the air to keep the ambient temperature below room temperature, or it is necessary to introduce a cooling device, and when the ambient temperature falls below room temperature, It is thought that the diffusion rate of the organic solvent into the film is lowered, and it is inferior in economic efficiency because it takes a long time for swelling.

本発明に使用可能な膨潤用有機溶媒および(2)は、実施的にスルホン化剤と反応しないものであって、高分子フィルムを劣化させないものであれば使用可能である。例えば、n−ヘキサンなどの炭化水素溶媒、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶媒、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシドなどのスルホキシド系溶媒、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミドなどのホルムアミド系溶媒、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミドなどのアセトアミド系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドンなどのピロリドン系溶媒、1,1,2,2−テトラクロロエタン、1,1,1,2−テトラクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ジクロロメタン、ジブロモメタン、ジヨードメタン、1,2−ジクロロエタン、1,2−ジブロモエタン、1,2−ジヨードエタン、1−クロロプロパン、1−ブロモプロパン、1−ヨードプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−ブロモブタン、2−ブロモブタン、1−ブロモ−2−メチルプロパン、1−ヨードブタン、2−ヨードブタン、1−ヨード−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−ブロモペンタン、1−ヨードペンタン、1−クロロヘキサン、1−ブロモヘキサン、1−ヨードヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン、ヨードシクロヘキサンなどが例示できる。   The swelling organic solvent usable in the present invention and (2) can be used as long as they do not practically react with the sulfonating agent and do not deteriorate the polymer film. For example, hydrocarbon solvents such as n-hexane, ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, formamide solvents such as N, N-dimethylformamide and N, N-diethylformamide, Acetamide solvents such as N, N-dimethylacetamide and N, N-diethylacetamide, pyrrolidone solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone and N-vinyl-2-pyrrolidone, 1,1,2,2-tetrachloroethane 1,1,1,2-tetrachloroethane, 1,1,1-trichloroethane, trichloroethylene, tetrachloroethylene, dichloromethane, dibromomethane, diiodomethane, 1,2-dichloroethane, 1,2-dibromoethane, 1,2-diiodoethane 1-chloropropane, 1-bromopropane, 1-iodopropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-bromobutane, 2-bromobutane, 1-bromo-2-methylpropane, 1 -Iodobutane, 2-iodobutane, 1-iodo-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-bromopentane, 1-iodopentane, 1-chlorohexane, 1-bromohexane, 1-iodohexane, chlorocyclohexane, bromo Examples include cyclohexane and iodocyclohexane.

高分子フィルムの膨潤させ易さから膨潤用有機溶媒には、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミドなどのアセトアミド系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドンなどのピロリドン系溶媒や1,1,2,2−テトラクロロエタン、1,1,1,2−テトラクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ジクロロメタン、ジブロモメタン、ジヨードメタン、1,2−ジクロロエタン、1,2−ジブロモエタン、1,2−ジヨードエタン、などが好ましい。特に、使用する溶媒の扱いやすさ、得られるプロトン伝導性高分子膜の特性を考慮すると、反応用有機溶媒としては、その分子構造式中に3個以上の炭素原子及び、少なくとも1個以上の塩素原子を含む有機溶媒であることが好ましく、1−クロロプロパン、1−ブロモプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−ブロモブタン、2−ブロモブタン、1−ブロモ−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−ブロモペンタン、1−クロロヘキサン、1−ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサンおよびブロモシクロヘキサンからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。更に工業的な入手のし易さから1−クロロプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−クロロヘキサン、クロロシクロヘキサンから選択される少なくとも1種であることが好ましい。前記溶媒のなかでも、工業的入手の容易さや得られるプロトン伝導性高分子膜の特性などの点から、1−クロロブタンが好ましい。   Because of the ease of swelling of polymer films, organic solvents for swelling include acetamide solvents such as N, N-dimethylacetamide and N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-2-pyrrolidone Pyrrolidone solvents such as 1,1,2,2-tetrachloroethane, 1,1,1,2-tetrachloroethane, 1,1,1-trichloroethane, trichloroethylene, tetrachloroethylene, dichloromethane, dibromomethane, diiodomethane, 1,2 -Dichloroethane, 1,2-dibromoethane, 1,2-diiodoethane and the like are preferred. In particular, considering the ease of handling of the solvent used and the properties of the resulting proton conducting polymer membrane, the organic solvent for reaction includes three or more carbon atoms and at least one or more carbon atoms in its molecular structural formula. An organic solvent containing a chlorine atom is preferable, and 1-chloropropane, 1-bromopropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-bromobutane, 2-bromobutane, 1-bromo- It is preferably at least one selected from the group consisting of 2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-bromopentane, 1-chlorohexane, 1-bromohexane, chlorocyclohexane and bromocyclohexane. Furthermore, at least one selected from 1-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-chlorohexane and chlorocyclohexane because of industrial availability. It is preferable that Among the solvents, 1-chlorobutane is preferable from the viewpoints of industrial availability and the properties of the obtained proton conductive polymer membrane.

本発明においてスルホン酸基とは、下記式(1)で表わされるスルホン酸基や下記一般式(2)で表わされるスルホン酸基を含む置換基をいう。   In the present invention, the sulfonic acid group means a substituent containing a sulfonic acid group represented by the following formula (1) or a sulfonic acid group represented by the following general formula (2).

−SO3H (1)
−R−SO3H (2)
[式中、Rはアルキレン、ハロゲン化アルキレン、アリーレン、ハロゲン化アリーレンからなる群から選択される少なくとも1種の結合単位からなる2価の有機基、またはエーテル結合を含んでいてもよい]
本発明のプロトン伝導性高分子化合物は、メタノール遮断性などを考慮すると、炭化水素系高分子からなることが好ましい。炭化水素系高分子化合物としては、例えば、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ポリアリールエーテルスルホン、ポリ(アリルフェニルエーテル)、ポリエチレンオキシド、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリ塩化ビニル、ポリ(ジフェニルシロキサン)、ポリ(ジフェニルフォスファゼン)、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリビニルアルコール、ポリ(フェニルグリシジルエーテル)、ポリ(フェニルメチルシロキサン)、ポリ(フェニルメチルフォスファゼン)、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリスチレン、スチレン−(エチレン−ブチレン)スチレン共重合体、スチレン−(ポリイソブチレン)−スチレン共重合体、ポリ1,4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、シアン酸エステル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリルなどが例示できる。
-SO 3 H (1)
-R-SO 3 H (2)
[In the formula, R may contain a divalent organic group composed of at least one bond unit selected from the group consisting of alkylene, halogenated alkylene, arylene, and halogenated arylene, or an ether bond.]
The proton conductive polymer compound of the present invention is preferably composed of a hydrocarbon polymer in consideration of methanol blocking properties and the like. Examples of the hydrocarbon polymer compound include polyacrylamide, polyacrylonitrile, polyaryl ether sulfone, poly (allyl phenyl ether), polyethylene oxide, polyether ether sulfone, polyether ketone, polyether ketone ketone, polyvinyl chloride, Poly (diphenylsiloxane), poly (diphenylphosphazene), polysulfone, polyparaphenylene, polyvinyl alcohol, poly (phenylglycidyl ether), poly (phenylmethylsiloxane), poly (phenylmethylphosphazene), polyphenylene ether, polyphenylene Oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polybenzimidazole, polybenzoxazole Polybenzothiazole, poly (α-methylstyrene), polystyrene, styrene- (ethylene-butylene) styrene copolymer, styrene- (polyisobutylene) -styrene copolymer, poly1,4-biphenylene ether ether sulfone, polyarylene Examples include ether sulfone, polyether imide, cyanate resin, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, and polyether nitrile.

中でも、スルホン酸基および/またはスルホン酸基を含む置換基の導入のし易さ、得られた膜のプロトン伝導度、機械的特性、化学的安定性などの特性を考慮した場合、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、シアン酸エステル樹脂、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリルからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   Among them, polybenzimidazole is considered when it is easy to introduce a sulfonic acid group and / or a substituent containing a sulfonic acid group, and the properties such as proton conductivity, mechanical properties, and chemical stability of the obtained membrane. , Polybenzoxazole, polybenzothiazole, polysulfone, polyether ether sulfone, polyaryl ether sulfone, polyphenylene sulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyether ketone, polyether ketone ketone, cyanate ester It is preferably at least one selected from the group consisting of a resin, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, and polyether nitrile.

さらに、本発明においては、スルホン酸基および/またはスルホン酸基を含む置換基の導入の容易さ、得られた膜のプロトン伝導度、機械的特性、化学的安定性、水素、メタノールなどの燃料遮断性、酸素、空気などの酸化剤遮断性などの特性を考慮した場合、炭化水素系高分子化合物が、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンなどの結晶性芳香族高分子化合物であることが好ましい。さらに、高いプロトン伝導度、優れた機械的特性、高いメタノール遮断性を有することから、ポリフェニレンサルファイドであることがより好ましい。   Furthermore, in the present invention, the introduction of a sulfonic acid group and / or a substituent containing a sulfonic acid group, the proton conductivity of the obtained membrane, mechanical properties, chemical stability, fuel such as hydrogen, methanol, etc. In consideration of properties such as blocking properties, blocking properties of oxidants such as oxygen and air, hydrocarbon polymer compounds are crystalline aromatic polymer compounds such as syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, and polyether ether ketone. Preferably there is. Furthermore, polyphenylene sulfide is more preferable because it has high proton conductivity, excellent mechanical properties, and high methanol barrier properties.

本発明のポリフェニレンサルファイドは、具体的には、下記式(3)で表される繰り返し構造単位からなる。   Specifically, the polyphenylene sulfide of the present invention is composed of a repeating structural unit represented by the following formula (3).

−[Ar−S]n− (3)
[式中、Arは下記式(4)〜(6)で表される2価の芳香族単位、nは1以上の整数]
-[Ar-S] n- (3)
[Wherein Ar is a divalent aromatic unit represented by the following formulas (4) to (6), and n is an integer of 1 or more]

Figure 2005183061
また前記ポリフェニレンサルファイドのArの一部に、必要に応じて以下の(A)〜(C)の構造単位を含有してもよい。
(A)芳香族単位の水素原子の一部がアルキル基、フェニル基、アルコキシル基、ニトロ基およびハロゲン基からなる群から選択される少なくとも1つの置換基で置換されたもの。
(B)3官能フェニルスルフィド単位。
(C)架橋または分岐単位。
Figure 2005183061
Moreover, you may contain the structural unit of the following (A)-(C) in some Ar of the said polyphenylene sulfide as needed.
(A) A part of hydrogen atoms of an aromatic unit is substituted with at least one substituent selected from the group consisting of an alkyl group, a phenyl group, an alkoxyl group, a nitro group and a halogen group.
(B) Trifunctional phenyl sulfide unit.
(C) Cross-linked or branched unit.

本発明のプロトン伝導性高分子膜の厚みは、用途に応じて任意の厚みが選択可能である。膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、実用的な機械的強度を有する範囲で、固体高分子形燃料電池の電解質膜に使用する場合には、燃料および酸化剤の遮断性を有する範囲で、それぞれ薄いほどよい。電解質膜としての特性は、イオン交換容量やプロトン伝導度が同等であれば、厚みが薄くなるほど、膜としての抵抗値が低くなる。したがって、膜の厚みは、好ましくは5〜200μmであり、より好ましくは20〜150μmである。この厚みが、5μmより薄い場合は、使用時にピンホールの発生や膜割れが生じやすくなる傾向がある。また、固体高分子形燃料電池の電解質膜として使用した場合に、燃料や酸化剤の遮断性が不充分となり、性能低下の要因となる傾向がある。さらに直接メタノール形燃料電池の電解質膜として使用した場合には、メタノール遮断性が不充分となり、メタノール透過による性能低下の要因となる傾向がある。一方、200μmを超える場合は、プロトン伝導性高分子膜の抵抗が大きくなり、性能低下の要因となる傾向がある。   The thickness of the proton conducting polymer membrane of the present invention can be selected arbitrarily depending on the application. When considering reducing the internal resistance of the membrane, the range has practical mechanical strength, and when used for an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the range has a blocking property of fuel and oxidant. And the thinner each, the better. As the characteristics of the electrolyte membrane, as the ion exchange capacity and proton conductivity are equal, the resistance value as the membrane decreases as the thickness decreases. Therefore, the thickness of the film is preferably 5 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm. When this thickness is less than 5 μm, pinholes and film cracking tend to occur during use. Further, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the barrier property of the fuel and the oxidant is insufficient, which tends to cause performance deterioration. Further, when used as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell, the methanol barrier property is insufficient, and there is a tendency that performance is deteriorated due to methanol permeation. On the other hand, when it exceeds 200 μm, the resistance of the proton-conductive polymer membrane increases, which tends to cause performance degradation.

スルホン化剤としては、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄−トリエチルフォスフェート、濃硫酸、トリメチルシリルクロロサルフェートなどの公知のスルホン化剤を使用することができる。工業的入手の容易さやスルホン酸基の導入の容易さや得られるプロトン伝導性高分子膜の特性を考慮すると、これらのスルホン化剤の使用が好ましい。とくに本発明においては、スルホン酸基の導入の容易さや得られた膜の特性、工業的入手の容易さなどから、クロロスルホン酸を使用するのがより好ましい。   As the sulfonating agent, known sulfonating agents such as chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, sulfur trioxide-triethyl phosphate, concentrated sulfuric acid, and trimethylsilyl chlorosulfate can be used. Considering the ease of industrial availability, the ease of introduction of sulfonic acid groups, and the properties of the resulting proton conductive polymer membrane, the use of these sulfonating agents is preferred. In particular, in the present invention, it is more preferable to use chlorosulfonic acid from the viewpoint of easy introduction of a sulfonic acid group, characteristics of the obtained membrane, industrial availability, and the like.

また、反応系を適正化することによって、フリーデル−クラフツ反応にしたがって、塩化アルミニウムなどの触媒存在下で、プロパンサルトンや1,4−ブタンサルトンなどの環状含硫黄化合物と炭化水素系高分子化合物中の芳香族単位を接触させて、スルホプロピル基やスルホブチル基などのスルホン酸基を含む置換基を導入する方法なども使用することができる。   In addition, by optimizing the reaction system, cyclic sulfur-containing compounds such as propane sultone and 1,4-butane sultone and hydrocarbon polymer compounds in the presence of a catalyst such as aluminum chloride according to the Friedel-Crafts reaction A method of introducing a substituent containing a sulfonic acid group such as a sulfopropyl group or a sulfobutyl group by bringing the aromatic unit inside into contact with each other can also be used.

スルホン化剤の使用量としては、炭化水素系高分子化合物中の芳香族単位に対して、0.5〜30当量、さらには0.5〜15当量であるのが好ましい。スルホン化剤の使用量が、0.5当量よりも少ない場合には、スルホン酸基の導入量が少なくなり、得られるプロトン伝導高分子膜の特性が不充分となる傾向がある。一方、30当量を超える場合には、高分子フィルムが化学的に劣化し、得られるプロトン伝導性高分子膜の機械的強度が低下し、ハンドリングが困難になるなど、スルホン酸基の導入量が多くなりすぎて、メタノール遮断性が低下するなど、かえってプロトン伝導性高分子膜の実用的な特性が損なわれる傾向がある。   As a usage-amount of a sulfonating agent, it is preferable that it is 0.5-30 equivalent with respect to the aromatic unit in a hydrocarbon type polymer compound, Furthermore, it is preferable that it is 0.5-15 equivalent. When the amount of the sulfonating agent used is less than 0.5 equivalent, the amount of sulfonic acid groups introduced is decreased, and the properties of the resulting proton conducting polymer membrane tend to be insufficient. On the other hand, when the amount exceeds 30 equivalents, the polymer film is chemically deteriorated, the mechanical strength of the resulting proton conductive polymer membrane is lowered, and handling becomes difficult. On the other hand, there is a tendency that the practical properties of the proton-conducting polymer membrane are impaired, for example, the methanol blocking property is lowered due to excessive increase.

溶媒中のスルホン化剤の濃度は、スルホン酸基の目標とする導入量や反応条件(温度・時間)を勘案して適宜設定すればよい。具体的には、0.1〜10重量%であることが好ましく、より好ましい範囲は、0.2〜5重量%である。0.1重量%より低いとスルホン化剤と高分子化合物中の芳香族単位とが接触しにくくなり、所望のスルホン酸基が導入できなかったり、導入するのに時間がかかりすぎたりする傾向がある。一方、10重量%をこえるとスルホン酸基の導入が不均一になったり、得られたプロトン伝導性高分子膜の機械的特性が損なわれる傾向がある。   The concentration of the sulfonating agent in the solvent may be appropriately set in consideration of the target introduction amount of sulfonic acid groups and reaction conditions (temperature / time). Specifically, it is preferably 0.1 to 10% by weight, and a more preferable range is 0.2 to 5% by weight. If it is lower than 0.1% by weight, the sulfonating agent and the aromatic unit in the polymer compound are difficult to contact, and the desired sulfonic acid group cannot be introduced or it takes a long time to introduce. is there. On the other hand, if it exceeds 10% by weight, the introduction of sulfonic acid groups tends to be uneven, and the mechanical properties of the resulting proton conducting polymer membrane tend to be impaired.

また、接触させる際の反応温度、反応時間についてはとくに限定はないが、0〜100℃、より好ましくは10〜30℃、0.1時間以上、より好ましくは2〜100時間の範囲で設定するのが良い。反応温度が、0℃より低い場合は、冷却設備等が必要になるとともに、反応に必要以上の時間がかかる傾向があるので好ましくなく、また、100℃をこえると反応が過度に進行したり、副反応を生じたりして、膜の特性を低下させる傾向があるので好ましくない。また、反応時間が、0.1時間より短い場合は、スルホン化剤と高分子化合物中の芳香族単位との接触が不充分となり、所望のスルホン酸基が導入しにくくなる傾向があり、反応時間が100時間をこえる場合は、生産性が著しく低下する傾向を示すとともに、膜特性の大きな向上は期待できなくなる傾向がある。実際には、使用するスルホン化剤や溶媒などの反応系、目標とする生産量などを考慮して、所望の特性を有するプロトン伝導性高分子膜を効率的に製造することができるように設定すればよい。   The reaction temperature and reaction time for contacting are not particularly limited, but are set in the range of 0 to 100 ° C., more preferably 10 to 30 ° C., 0.1 hour or more, more preferably 2 to 100 hours. Is good. When the reaction temperature is lower than 0 ° C., cooling equipment and the like are required, and the reaction tends to take more time than necessary, which is not preferable, and when it exceeds 100 ° C., the reaction proceeds excessively, It is not preferable because it tends to cause side reactions and deteriorate the characteristics of the film. In addition, when the reaction time is shorter than 0.1 hour, the contact between the sulfonating agent and the aromatic unit in the polymer compound becomes insufficient, and it is difficult to introduce a desired sulfonic acid group. When the time exceeds 100 hours, productivity tends to be remarkably lowered, and a great improvement in film properties tends not to be expected. Actually, it is set so that a proton conductive polymer membrane having desired characteristics can be efficiently produced in consideration of a reaction system such as a sulfonating agent and a solvent to be used and a target production amount. do it.

本発明のスルホン化高分子膜の製造方法は、連続的に実施してもよい。すなわち、被処理物である高分子化合物からなるフィルムを膨潤用溶媒に浸漬して膨潤させた後に、スルホン化剤との反応槽に供給し、さらに必要に応じて、洗浄工程や乾燥工程を連続的に実施しても良い。この方法によって、スルホン化高分子膜の生産性が一段と向上する。   The method for producing a sulfonated polymer membrane of the present invention may be carried out continuously. That is, after a film made of a polymer compound to be treated is immersed in a swelling solvent and swollen, it is supplied to a reaction tank with a sulfonating agent, and a washing process and a drying process are continued as necessary. May be implemented. This method further improves the productivity of the sulfonated polymer membrane.

また、高分子フィルムを反応槽内でスルホン化剤と接触させることによって、フィルム(膜)形状のままスルホン酸基を導入することができる。したがって、従来の均一反応系でスルホン化高分子を合成した後、膜形状に加工する方法と比較して、反応物の回収・精製・乾燥などの工程、溶媒へのスルホン化高分子の溶解や支持体への塗布、溶媒除去などの工程が省略できるため好ましい。さらに、フィルムを連続供給するため、その生産性は著しく向上する。   Moreover, a sulfonic acid group can be introduce | transduced with a film (film | membrane) shape by making a polymer film contact with a sulfonating agent within a reaction tank. Therefore, compared to the conventional method of synthesizing a sulfonated polymer in a homogeneous reaction system and then processing it into a membrane shape, steps such as recovery / purification / drying of reactants, dissolution of the sulfonated polymer in a solvent It is preferable because steps such as coating on a support and solvent removal can be omitted. Furthermore, since the film is continuously supplied, the productivity is remarkably improved.

また、反応槽に浸漬したフィルムに付着および/または包含されたスルホン化剤を除去・洗浄することを連続的に実施することにより、スルホン化剤による周辺機器の腐食の防止やフィルムのハンドリング性が改善する。除去・洗浄の条件は、使用するスルホン化剤や高分子化合物の種類を考慮して適宜設定すればよいが、水洗により、残存したスルホン化剤を不活性化したり、アルカリを使用して中和処理してもよい。   In addition, by continuously removing and washing the sulfonating agent attached to and / or contained in the film immersed in the reaction vessel, it is possible to prevent peripheral devices from being corroded by the sulfonating agent and to handle the film. Improve. The conditions for removal / washing may be appropriately set in consideration of the type of sulfonating agent and polymer compound to be used, but the remaining sulfonating agent is inactivated by washing with water or neutralized using alkali. It may be processed.

さらに、得られたスルホン化高分子膜を連続して乾燥することによって、スルホン化高分子膜を実際に使用可能な形態で回収することができる。乾燥条件は、使用する高分子フィルムの種類や得られるスルホン化高分子膜の特性を考慮して適宜設定すればよい。スルホン酸基が強い親水性を示すため、洗浄過程において、含水して著しく膨潤している恐れがある。そのため、乾燥時に収縮し、皺や脹れなどの凹凸が生じる恐れがある。したがって、乾燥時にはスルホン化高分子膜の面方向に適度なテンションをかけて乾燥することが好ましい。また、急激な乾燥を抑制するため、湿度の調節下で徐々に乾燥してもよい。   Furthermore, by continuously drying the obtained sulfonated polymer membrane, the sulfonated polymer membrane can be recovered in a practically usable form. The drying conditions may be appropriately set in consideration of the type of polymer film used and the characteristics of the sulfonated polymer membrane to be obtained. Since the sulfonic acid group has strong hydrophilicity, it may be swelled with water during the washing process. Therefore, it shrinks during drying, and there is a risk that irregularities such as wrinkles and swelling occur. Therefore, it is preferable to dry by applying an appropriate tension in the surface direction of the sulfonated polymer membrane during drying. Moreover, in order to suppress rapid drying, you may dry gradually under adjustment of humidity.

使用するスルホン化剤やスルホン化の反応条件によっては、例えば、高分子化合物として、ポリフェニレンサルファイドを使用した場合、高分子フィルム中のスルフィド単位(−S−)がスルホキシド単位(−SO−)やスルホン単位(−SO2−)に酸化されたり、また、スルホキシド単位(−SO−)がスルホン単位(−SO2−)に酸化されたり、また、フェニレン単位の水素が−Clなどの置換基で置換される副反応が生じる可能性がある。しかし、得られたスルホン化高分子膜の特性を著しく低下させるものでなけば、前記副反応の結果生じた構造単位が含まれていても構わない。 Depending on the sulfonating agent used and the reaction conditions for sulfonation, for example, when polyphenylene sulfide is used as the polymer compound, the sulfide unit (—S—) in the polymer film is replaced with the sulfoxide unit (—SO—) or sulfone. Oxidized to unit (—SO 2 —), sulfoxide unit (—SO—) oxidized to sulfone unit (—SO 2 —), and hydrogen of phenylene unit substituted with substituent such as —Cl Side reactions may occur. However, as long as the properties of the obtained sulfonated polymer membrane are not significantly deteriorated, a structural unit resulting from the side reaction may be included.

前記方法で製造したスルホン化高分子膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることが好ましい。   In order to further improve the characteristics of the sulfonated polymer membrane produced by the above method, it is preferable to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like.

つぎに、本発明のスルホン化高分子膜を使用した固体高分子形燃料電池(直接メタノール形燃料電池)について、一例として、図面を引用して説明する。   Next, a solid polymer fuel cell (direct methanol fuel cell) using the sulfonated polymer membrane of the present invention will be described with reference to the drawings as an example.

図1は、本発明のスルホン化高分子膜を使用した固体高分子形燃料電池(直接メタノール形燃料電池)の要部断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a solid polymer fuel cell (direct methanol fuel cell) using a sulfonated polymer membrane of the present invention.

これは、スルホン化高分子膜1と、1の膜に接触する触媒担持ガス拡散電極2、セパレーター4に形成された燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路3、の構成よりなるものである。   This comprises a sulfonated polymer membrane 1, a catalyst-carrying gas diffusion electrode 2 in contact with one membrane, a fuel gas or liquid formed in the separator 4, and a flow path 3 for feeding an oxidant. It is.

スルホン化高分子膜1に、触媒担持ガス拡散電極2を接合する方法は、従来検討されている、パーフルオロカーボンスルホン酸膜からなるスルホン化高分子膜や高分子化合物からなるスルホン化高分子膜(例えば、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、スルホン化ポリサルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)で行われる公知の方法が適用可能である。   Methods for joining the catalyst-supported gas diffusion electrode 2 to the sulfonated polymer membrane 1 have been studied in the past, such as sulfonated polymer membranes made of perfluorocarbon sulfonic acid membranes and sulfonated polymer membranes made of polymer compounds ( For example, a known method performed with sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, or the like is applicable.

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

実際の方法としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子のアルコール溶液(アルドリッチ社製ナフィオン溶液など)や本発明のスルホン化高分子膜を構成するスルホン化高分子化合物、あるいは、公知のスルホン化高分子化合物(例えば、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、スルホン化ポリサルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)の有機溶媒溶液などをバインダーとして、本発明のスルホン化高分子膜1の両面に、触媒担持ガス拡散電極2の触媒層側の面を合わせ、ホットプレス機やロールプレス機などのプレス機を使用して、一般的には120〜250℃程度のプレス温度で接合できる。また必要に応じて、バインダーを使用しなくても構わない。さらに、下記に示すような材料を使用して触媒担持ガス拡散電極2を調製し、スルホン化高分子膜1に接合させて使用しても構わない。   As an actual method, an alcohol solution of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer (such as a Nafion solution manufactured by Aldrich), a sulfonated polymer compound constituting the sulfonated polymer membrane of the present invention, or a known sulfonated polymer compound Both surfaces of the sulfonated polymer membrane 1 of the present invention using an organic solvent solution (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide) as a binder. The surface of the catalyst-carrying gas diffusion electrode 2 on the catalyst layer side is aligned, and bonding can be generally performed at a press temperature of about 120 to 250 ° C. using a press machine such as a hot press machine or a roll press machine. Moreover, it is not necessary to use a binder as needed. Further, the catalyst-carrying gas diffusion electrode 2 may be prepared using the following materials and bonded to the sulfonated polymer membrane 1 for use.

ここで、触媒担持ガス拡散電極2を調製するのに使用する材料としては、触媒として燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進する、白金、ルテニウムなどの金属あるいはそれらの合金、触媒の担体・導電材として、微粒子の炭素材料(例えば、カーボンナノホーン、フラーレン、活性炭、カーボンナノチューブなど)などの導電性物質など、結着剤として、撥水性を有する含フッ素樹脂など、必要に応じて、上記材料の支持体として、カーボンクロスやカーボンペーパーなど、更に、含浸・被覆材として、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子が例示できるが、本発明はこれに限定されるものではない。   Here, the material used to prepare the catalyst-carrying gas diffusion electrode 2 includes, as a catalyst, a metal such as platinum or ruthenium or an alloy thereof that promotes a fuel oxidation reaction and oxygen reduction reaction, a catalyst carrier, Conductive materials such as fine-particle carbon materials (for example, carbon nanohorns, fullerenes, activated carbon, carbon nanotubes, etc.) as conductive materials, fluorine-containing resins having water repellency as binders, etc., if necessary Examples of the support include carbon cloth and carbon paper, and examples of the impregnation / coating material include perfluorocarbon sulfonic acid polymers, but the present invention is not limited thereto.

上記のような方法で得られたスルホン化高分子膜1と、触媒担持ガス拡散電極2の接合体を、燃料ガスまたは液体、並びに、酸化剤を送り込む流路3が形成された一対のグラファイト製などのガスセパレーター4などの間に挿入することにより、本発明のスルホン化高分子膜からなる固体高分子形燃料電池(直接メタノール形燃料電池)が得られる。これに燃料ガスまたは液体として、水素を主たる成分とするガスや、メタノールを主たる成分とするガスまたは液体を、酸化剤として、酸素を含むガス(酸素あるいは空気)を、それぞれ別個の流路3より、触媒担持ガス拡散電極2に供給することにより、該固体高分子形燃料電池は作動する。このとき燃料としてメタノールを使用する場合には、直接メタノール形燃料電池となる。   A joined body of the sulfonated polymer membrane 1 obtained by the above method and the catalyst-carrying gas diffusion electrode 2 is made of a pair of graphite in which a flow path 3 for feeding fuel gas or liquid and oxidant is formed. Is inserted between the gas separators 4 and the like to obtain a solid polymer fuel cell (direct methanol fuel cell) comprising the sulfonated polymer membrane of the present invention. A gas containing hydrogen as a main component, a gas or liquid containing methanol as a main component as a fuel gas or liquid, and a gas containing oxygen (oxygen or air) as an oxidant are supplied from separate flow paths 3 respectively. By supplying the catalyst-supported gas diffusion electrode 2, the polymer electrolyte fuel cell operates. At this time, when methanol is used as the fuel, a direct methanol fuel cell is obtained.

本発明の固体高分子形燃料電池を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し、使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be used alone or in a stack to form a stack, or a fuel cell system incorporating them can be used.

さらに、本発明のスルホン化高分子膜を使用した直接メタノール形燃料電池について、一例として、図面を引用して説明する。   Further, a direct methanol fuel cell using the sulfonated polymer membrane of the present invention will be described with reference to the drawings as an example.

図2は、本発明のスルホン化高分子膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面図である。これは、スルホン化高分子膜6と、膜6の両側には触媒担持電極7が接合され、膜−電極接合体が構成される。この膜−電極接合体は、燃料(メタノールあるいはメタノール水溶液)充填部9や供給部9を有する燃料(メタノールあるいはメタノール水溶液)タンク8の両側に必要数が平面状に配置される。さらにその外側には、酸化剤流路11が形成された支持体10が配置され、これらに狭持されることによって、直接メタノール形燃料電池のセル、スタックが構成される。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of a direct methanol fuel cell comprising the sulfonated polymer membrane of the present invention. This is a sulfonated polymer membrane 6 and a catalyst-carrying electrode 7 bonded to both sides of the membrane 6 to form a membrane-electrode assembly. The required number of membrane-electrode assemblies are arranged in a plane on both sides of a fuel (methanol or methanol aqueous solution) tank 8 having a fuel (methanol or methanol aqueous solution) filling section 9 and a supply section 9. Further, a support body 10 in which an oxidant flow path 11 is formed is disposed on the outside, and a cell and a stack of a direct methanol fuel cell are configured by being sandwiched between them.

前記の例以外にも、本発明のスルホン化高分子膜は、特開2001−313046号公報、特開2001−313047号公報、特開2001−93551号公報、特開2001−93558号公報、特開2001−93561号公報、特開2001−102069号公報、特開2001−102070号公報、特開2001−283888号公報、特開2000−268835号公報、特開2000−268836号公報、特開2001−283892号公報などで公知になっている直接メタノール形燃料電池の電解質膜として、使用可能である。   Besides the above examples, the sulfonated polymer membrane of the present invention is disclosed in JP 2001-313046, JP 2001-313047, JP 2001-93551, JP 2001-93558, JP 2001-93561, JP 2001-102069, JP 2001-102070, JP 2001-283888, JP 2000-268835, JP 2000-268836, JP 2001. It can be used as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell, which is publicly known in Japanese Patent No. -283892.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

(実施例1)
炭化水素系高分子化合物として、ポリフェニレンサルファイドを使用した。ポリフェニレンサルファイド(大日本インキ工業株式会社製、商品名:DIC−PPS FZ−2200−A5)をスクリュー温度290℃、Tダイ温度320℃の押出機で溶融押出し、厚み50μmのフィルムを得た。こうして得られたポリフェニレンサルファイドフィルムを150℃に設定した熱風オーブン内に30分間放置し、再結晶化させた。
(Example 1)
Polyphenylene sulfide was used as the hydrocarbon polymer compound. Polyphenylene sulfide (trade name: DIC-PPS FZ-2200-A5, manufactured by Dainippon Ink Industries, Ltd.) was melt-extruded with an extruder having a screw temperature of 290 ° C. and a T die temperature of 320 ° C. to obtain a film having a thickness of 50 μm. The polyphenylene sulfide film thus obtained was left to stand in a hot air oven set at 150 ° C. for 30 minutes for recrystallization.

膨潤用有機溶媒および反応用有機溶媒として、1−クロロブタンを使用した。   1-chlorobutane was used as the organic solvent for swelling and the organic solvent for reaction.

膨潤処理は次のようにして行った。1−クロロブタンで満たされた900mL容量のマヨネーズ瓶の中に、前記ポリフェニレンサルファイドフィルムを2.09g秤量して入れた後、該マヨネーズ瓶を100℃の熱風オーブン中に4時間放置し、室温まで冷却後、ポリフェニレンサルファイドフィルムを取り出した。膨潤処理後のポリフェニレンサルファイドの重量を測定したところ、8重量%大きくなっていた。   The swelling treatment was performed as follows. After weighing 2.09 g of the polyphenylene sulfide film into a 900 mL mayonnaise bottle filled with 1-chlorobutane, the mayonnaise bottle is left in a 100 ° C. hot air oven for 4 hours and cooled to room temperature. Thereafter, the polyphenylene sulfide film was taken out. When the weight of the polyphenylene sulfide after the swelling treatment was measured, it was 8% by weight.

1−クロロブタン671g、クロロスルホン酸11.26gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。該膨潤処理したポリフェニレンサルファイドフィルムをクロロスルホン酸溶液に浸漬し、室温で20時間放置した(クロロスルホン酸は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して5当量)。室温で20時間放置後に、ポリフェニレンサルファイドフィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。   671 g of 1-chlorobutane and 11.26 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. The swollen polyphenylene sulfide film was immersed in a chlorosulfonic acid solution and allowed to stand at room temperature for 20 hours (chlorosulfonic acid is 5 equivalents relative to the aromatic units of polyphenylene sulfide). After standing at room temperature for 20 hours, the polyphenylene sulfide film was recovered and washed with ion exchange water until neutral.

洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置してフィルムを乾燥し、プロトン伝導性高分子膜として、スルホン酸基が導入されたポリフェニレンサルファイド膜(以下、スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜)(80mm×80mm、厚み:105μm)を得た。   The washed polyphenylene sulfide film was allowed to stand for 30 minutes in a constant temperature and humidity chamber adjusted to 23 ° C. and controlled to a relative humidity of 98%, 80%, 60% and 50%, respectively, and dried. As a proton conductive polymer membrane, a polyphenylene sulfide membrane into which a sulfonic acid group was introduced (hereinafter referred to as a sulfonated polyphenylene sulfide membrane) (80 mm × 80 mm, thickness: 105 μm) was obtained.

このプロトン伝導性高分子膜の各種特性を下記方法で測定した。
(イオン交換容量の測定方法)
プロトン伝導性高分子膜(約10mm×40mm、厚み:任意)を塩化ナトリウム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間反応させる。室温まで冷却した後、サンプルをイオン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレイン溶液を指示薬として、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、イオン交換容量を算出した。
(厚み方向プロトン伝導度)
スルホン化ポリフェニレンサルファイド膜を直径16mmの円形状に切出し、純水中に3時間以上放置した後に、取り出して余分な水分を濾紙で拭き取ってから測定に供した。試験体の表裏面に白金電極を取り付け、これらを2極密閉系の金属製のセルに設置した後、室温下で電圧0.5Vの条件で、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜5MHz)により、膜抵抗を測定し、膜厚プロトン伝導度を算出した。
(メタノール遮断性)
ビードレックス社製膜透過実験装置を使用して、イオン交換水と所定濃度のメタノール水溶液をプロトン伝導性高分子膜で隔離し、所定時間経過後にイオン交換水側に透過したメタノール量をガスクロマトグラフで定量した。これからメタノール透過速度を算出後、メタノール透過係数を求めた。メタノール透過係数は、以下の式にしたがって算出した。メタノール水溶液には64重量%メタノール濃度のものを使用した。
Various characteristics of this proton conductive polymer membrane were measured by the following methods.
(Measurement method of ion exchange capacity)
A proton conductive polymer membrane (about 10 mm × 40 mm, thickness: arbitrary) is immersed in a saturated aqueous sodium chloride solution and reacted at 60 ° C. for 3 hours in a water bath. After cooling to room temperature, the sample was thoroughly washed with ion-exchanged water, titrated with 0.01N aqueous sodium hydroxide solution using a phenolphthalein solution as an indicator, and the ion-exchange capacity was calculated.
(Thickness direction proton conductivity)
The sulfonated polyphenylene sulfide membrane was cut into a circular shape with a diameter of 16 mm, left in pure water for 3 hours or more, then taken out and wiped off with excess filter paper before being used for measurement. After attaching platinum electrodes to the front and back surfaces of the test specimen and installing them in a two-pole sealed metal cell, under the condition of a voltage of 0.5 V at room temperature, the AC impedance method (frequency: 42 Hz to 5 MHz), Membrane resistance was measured and the film thickness proton conductivity was calculated.
(Methanol barrier)
Using a membrane test apparatus manufactured by Beadrex, ion-exchanged water and a methanol aqueous solution with a predetermined concentration are separated by a proton-conducting polymer membrane, and the amount of methanol that has permeated to the ion-exchanged water after a predetermined time has passed. Quantified. After calculating the methanol permeation rate from this, the methanol permeation coefficient was determined. The methanol permeability coefficient was calculated according to the following formula. A methanol aqueous solution having a methanol concentration of 64% by weight was used.

メタノール透過係数(μmol/(cm・日))
=メタノール透過量(μmol)×膜厚(cm)/(膜面積(cm2)×透過時間(日))
メタノール透過係数の小さいほど、メタノール遮断性に優れることになる。
Methanol permeability coefficient (μmol / (cm · day))
= Methanol permeation amount (μmol) × film thickness (cm) / (membrane area (cm 2 ) × permeation time (days))
The smaller the methanol permeability coefficient, the better the methanol barrier property.

この膜の特性評価の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of the characteristics evaluation of this film.

Figure 2005183061
(実施例2)
炭化水素系高分子化合物として、ポリフェニレンサルファイドを使用した。ポリフェニレンサルファイドフィルムに東レ(株)製ポリフェニレンサルファイドフィルム(商品名:トレリナ(登録商標)、膜厚:50μm)を使用した。
Figure 2005183061
(Example 2)
Polyphenylene sulfide was used as the hydrocarbon polymer compound. A polyphenylene sulfide film (trade name: Torelina (registered trademark), film thickness: 50 μm) manufactured by Toray Industries, Inc. was used as the polyphenylene sulfide film.

膨潤用有機溶媒として塩化メチレンを使用した。膨潤処理は次のようにして行った。塩化メチレンで満たされた900mL容量のマヨネーズ瓶野中に、ポリフェニレンサルファイドフィルムを2.09g秤量して入れ、室温で2時間放置した後、ポリフェニレンサルファイドフィルムを取り出した。膨潤処理後のポリフェニレンサルファイドの重量を測定したところ、10重量%大きくなっていた。   Methylene chloride was used as the organic solvent for swelling. The swelling treatment was performed as follows. In a 900 mL capacity mayonnaise bottle filled with methylene chloride, 2.09 g of polyphenylene sulfide film was weighed and allowed to stand at room temperature for 2 hours, and then the polyphenylene sulfide film was taken out. When the weight of the polyphenylene sulfide after the swelling treatment was measured, it was increased by 10% by weight.

反応用有機溶媒として1−クロロブタンを使用した。1−クロロブタン671g、クロロスルホン酸4.50gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。該膨潤処理したポリフェニレンサルファイドフィルムをクロロスルホン酸溶液に浸漬し、室温で20時間放置した(クロロスルホン酸は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して2当量)。この後に、ポリフェニレンサルファイドフィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。   1-Chlorobutane was used as the organic solvent for the reaction. 671 g of 1-chlorobutane and 4.50 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. The swollen polyphenylene sulfide film was immersed in a chlorosulfonic acid solution and allowed to stand at room temperature for 20 hours (chlorosulfonic acid is 2 equivalents relative to the aromatic units of polyphenylene sulfide). Thereafter, the polyphenylene sulfide film was recovered and washed with ion-exchanged water until neutral.

洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムの乾燥は実施例1と同様にして行った。   The polyphenylene sulfide film after washing was dried in the same manner as in Example 1.

この膜の特性評価の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of the characteristics evaluation of this film.

(実施例3)
クロロスルホン酸溶液に浸漬し、室温で4時間放置した以外は、実施例2と同様に実施した。
(Example 3)
The same procedure as in Example 2 was performed except that the sample was immersed in a chlorosulfonic acid solution and allowed to stand at room temperature for 4 hours.

この膜の特性評価の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of the characteristics evaluation of this film.

(比較例1)
実施例1と同様にして、膨潤処理前のポリフェニレンサルファイドフィルムを得た。反応用有機溶媒として1−クロロブタンを使用した。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, a polyphenylene sulfide film before the swelling treatment was obtained. 1-Chlorobutane was used as the organic solvent for the reaction.

1−クロロブタン671g、クロロスルホン酸11.26gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。前記ポリフェニレンサルファイドフィルムをクロロスルホン酸溶液に浸漬し、室温で20時間放置した(クロロスルホン酸は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して5当量)。室温で20時間放置後に、ポリフェニレンサルファイドフィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。   671 g of 1-chlorobutane and 11.26 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. The polyphenylene sulfide film was immersed in a chlorosulfonic acid solution and left at room temperature for 20 hours (chlorosulfonic acid is 5 equivalents relative to the aromatic unit of polyphenylene sulfide). After standing at room temperature for 20 hours, the polyphenylene sulfide film was recovered and washed with ion exchange water until neutral.

洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムの乾燥は実施例1と同様にして行った。   The polyphenylene sulfide film after washing was dried in the same manner as in Example 1.

この膜の特性評価の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of the characteristics evaluation of this film.

(比較例2)
ポリフェニレンサルファイドフィルムに東レ(株)製ポリフェニレンサルファイドフィルム(商品名:トレリナ、膜厚:50μm)を使用した。
(Comparative Example 2)
A polyphenylene sulfide film (trade name: Torelina, film thickness: 50 μm) manufactured by Toray Industries, Inc. was used as the polyphenylene sulfide film.

塩化メチレン671g、クロロスルホン酸4.50gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。ポリフェニレンサルファイドフィルム2.09gをクロロスルホン酸溶液に浸漬し、室温で20時間放置した(クロロスルホン酸は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して2当量)。この後に、ポリフェニレンサルファイドフィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。洗浄後のポリフェニレンサルファイドフィルムの乾燥は実施例1と同様にして行った。   A chlorosulfonic acid solution was prepared by weighing 671 g of methylene chloride and 4.50 g of chlorosulfonic acid. 2.09 g of a polyphenylene sulfide film was immersed in a chlorosulfonic acid solution and allowed to stand at room temperature for 20 hours (chlorosulfonic acid is 2 equivalents relative to the aromatic unit of polyphenylene sulfide). Thereafter, the polyphenylene sulfide film was recovered and washed with ion-exchanged water until neutral. The polyphenylene sulfide film after washing was dried in the same manner as in Example 1.

この膜の特性評価の結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of the characteristics evaluation of this film.

(比較例3)
プロトン伝導性膜として膜厚130μmのナフィオン(登録商標)(グレード名:Nafion115,デュポン社)を用い、膜厚プロトン伝導度、メタノール透過係数を測定した。この膜の特性評価の結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
A 130 μm thick Nafion (registered trademark) (grade name: Nafion 115, DuPont) was used as the proton conductive membrane, and the film thickness proton conductivity and methanol permeability coefficient were measured. Table 1 shows the results of the characteristics evaluation of this film.

表1のプロトン伝導度における実施例1〜3と比較例1〜3との比較から、本発明の製造方法により得られるスルホン化膜は、従来のプロトン伝導性膜と、同等以上のプロトン伝導性を有し、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池用膜のプロトン伝導性膜として有用であることが明らかとなった。   From the comparison between Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in the proton conductivity of Table 1, the sulfonated membrane obtained by the production method of the present invention has a proton conductivity equal to or higher than that of the conventional proton conductive membrane. It was revealed that it is useful as a proton conductive membrane for membranes for solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells.

さらに、表1のメタノール透過係数における実施例1〜3と比較例1〜3との比較から、本発明のプロトン伝導性高分子膜は、従来のプロトン伝導性高分子膜と、同等以上のメタノール遮断係数を有し、直接メタノール形燃料電池用のプロトン伝導性高分子膜として有用であることがわかった。   Further, from comparison between Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in the methanol permeability coefficient of Table 1, the proton conducting polymer membrane of the present invention is equivalent to or more than the conventional proton conducting polymer membrane. It has been found that it has a cutoff coefficient and is useful as a proton conductive polymer membrane for direct methanol fuel cells.

さらに、実施例1と比較例1との比較において、スルホン化剤の使用量および反応時間が同一でも、厚み方向のプロトン伝導度が3〜4桁も大きくなっている。またおよび実施例3と比較例2との比較において、膨潤させることによって反応時間を大幅に短縮できることがわかる。本発明は生産性および経済性の点からも非常に優れている。すなわち、本発明の製造方法によれば、反応時間を大幅に短縮でき、かつ同等の反応条件であれば、より高いプロトン伝導度を有するプロトン伝導性高分子膜を得ることができる。   Furthermore, in the comparison between Example 1 and Comparative Example 1, the proton conductivity in the thickness direction is increased by 3 to 4 digits even when the amount of the sulfonating agent used and the reaction time are the same. Also, in the comparison between Example 3 and Comparative Example 2, it can be seen that the reaction time can be greatly shortened by swelling. The present invention is also excellent in terms of productivity and economy. That is, according to the production method of the present invention, the reaction time can be greatly shortened, and a proton conductive polymer membrane having higher proton conductivity can be obtained under the same reaction conditions.

本発明の固体高分子形燃料電池(直接メタノール形燃料電池)の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the polymer electrolyte fuel cell (direct methanol fuel cell) of this invention. 本発明の直接メタノール形燃料電池の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the direct methanol type fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 プロトン伝導性高分子膜
2 触媒担持ガス拡散電極
3 流路
4 セパレーター
5 ガスケット
6 プロトン伝導性高分子膜
7 触媒担持ガス拡散電極
8 燃料タンク
9 燃料充填部
10 支持体
11 酸化剤流路ここから符号の説明を記載
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Proton conductive polymer membrane 2 Catalyst carrying | support gas diffusion electrode 3 Flow path 4 Separator 5 Gasket 6 Proton conductive polymer film 7 Catalyst carrying | support gas diffusion electrode 8 Fuel tank 9 Fuel filling part 10 Support body 11 Oxidant flow path from here Describe the code

Claims (10)

高分子フィルムを膨潤用有機溶媒中で膨潤させた後に、スルホン化剤を含む反応用有機溶媒中に浸漬させることを特徴とするプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   A method for producing a proton conductive polymer membrane, comprising swelling a polymer film in an organic solvent for swelling and then immersing the polymer film in an organic solvent for reaction containing a sulfonating agent. 上記膨潤を50℃以上200℃以下の温度の膨潤用有機溶媒中で実施することを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   The method for producing a proton-conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the swelling is performed in an organic solvent for swelling at a temperature of 50 ° C or higher and 200 ° C or lower. 膨潤用有機溶媒および/または反応用有機溶媒がハロゲン含有化合物であることを特徴とする請求項1または2に記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   3. The method for producing a proton conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the organic solvent for swelling and / or the organic solvent for reaction is a halogen-containing compound. 膨潤用有機溶媒および/または反応用有機溶媒が、その分子構造中に炭素原子を3個以上、かつハロゲン原子を1個以上含む化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   The organic solvent for swelling and / or the organic solvent for reaction is a compound containing 3 or more carbon atoms and 1 or more halogen atoms in its molecular structure. A method for producing the proton conductive polymer membrane according to the description. 前記高分子フィルムが炭化水素系高分子フィルムであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   The method for producing a proton-conductive polymer membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer film is a hydrocarbon polymer film. 前記炭化水素系高分子フィルムが、下記(A)群から選択される少なくとも一種以上からなる炭化水素系高分子を混合してなる炭化水素系高分子からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。
(A)群:ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリアリールエーテルスルホン(PAS)、ポリフェニレンスルホン(PPSU)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルホキシド(PPSO)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン(PPS/SO2)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、シアン酸エステル樹脂。
The hydrocarbon polymer film is made of a hydrocarbon polymer obtained by mixing at least one hydrocarbon polymer selected from the following group (A). A method for producing a proton conductive polymer membrane according to any one of the above.
Group (A): polybenzimidazole (PBI), polybenzoxazole (PBO), polybenzothiazole (PBT), polysulfone (PSU), polyetherethersulfone (PEES), polyarylethersulfone (PAS), polyphenylenesulfone ( PPSU), polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfoxide (PPSO), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfide sulfone (PPS / SO2), polyparaphenylene (PPP), polyether ketone (PEK), polyether ether ketone (PEEK) ), Polyether ketone ketone (PEKK), cyanate ester resin.
前記炭化水素系高分子フィルムが、ポリフェニレンサルファイド(PPS)からなることを特徴とする請求項6に記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive polymer membrane according to claim 6, wherein the hydrocarbon polymer film is made of polyphenylene sulfide (PPS). 前記スルホン化剤が、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、濃硫酸から選択される少なくとも一種以上であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性高分子膜の製造方法。   The method for producing a proton conductive polymer membrane according to claim 1, wherein the sulfonating agent is at least one selected from chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, and concentrated sulfuric acid. 請求項1〜8のいずれかに記載した製造方法で製造されたプロトン伝導性高分子膜であって、固体高分子形燃料電池用プロトン伝導性膜として用いられるプロトン伝導性高分子膜。   A proton conductive polymer membrane produced by the production method according to claim 1, which is used as a proton conductive membrane for a polymer electrolyte fuel cell. 請求項1〜8のいずれかに記載した製造方法で製造されたプロトン伝導性高分子膜であって、直接メタノール型燃料電池用プロトン伝導性膜として用いられるプロトン伝導性高分子膜。   A proton conductive polymer membrane produced by the production method according to claim 1, which is used as a proton conductive membrane for a direct methanol fuel cell.
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