JP2005320472A - Proton conductive film, assembly of catalytic electrode and proton conductor and fuel cell - Google Patents

Proton conductive film, assembly of catalytic electrode and proton conductor and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive film excellent in resistance to methanol solubility, film formability and the like. <P>SOLUTION: The proton conductive film is obtained by (1) subjecting (A) an amino group-containing silicon alkoxide, (B) an amino group-free silicon alkoxide, (C) a metal alkoxide containing at least one of titanium, aluminum and zirconium, and (D) a phosphoric acid compound or a phosphorous acid compound to hydrolysis and condensation to prepare a first solution containing a metal oxide derivative, (2) adding the first solution to a solution containing an organic proton conductive polymer having a specific glass transition temperature to prepare a second solution containing the organic proton conductive polymer and the metal oxide derivative, and (3) casting the second solution, and has a reduction ratio of the storage modulus at a temperature (T) to the storage modulus at 30°C of ≤90%. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、プロトン伝導膜およびそれを用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conducting membrane and a fuel cell using the same.

高分子化合物からなるプロトン伝導膜としては、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が、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、実用上充分な寿命を有する燃料電池を製造できる段階には至っていない。   As a proton conductive membrane made of a polymer compound, there is a styrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s. However, a fuel cell having a practically sufficient life is lacking in stability under a fuel cell operating environment. It is not yet ready for production.

実用的な安定性を有するプロトン伝導膜として、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燃料電池をはじめとする多くの電気化学素子への応用が提案されている。   As a proton conducting 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 many electrochemical devices including PEFC fuel cells have been developed. Application to is proposed.

電気化学素子の応用例としてメタノール燃料電池が挙げられる。このメタノール燃料電池は液体燃料の供給方法によって液体供給型と気化供給型の二種類に分類され、気化供給型の燃料電池は電極反応が気体燃料との間で行われるため高活性・高性能の発揮が行えるがシステムが複雑であり小型化が困難である。   As an application example of the electrochemical element, there is a methanol fuel cell. This methanol fuel cell is classified into two types, the liquid supply type and the vaporization supply type, depending on the liquid fuel supply method, and the vaporization supply type fuel cell has a high activity and high performance because the electrode reaction is carried out with the gaseous fuel. It can be demonstrated, but the system is complicated and difficult to downsize.

それに対して液体供給型の燃料電池は気化供給型に比べてシステムの簡素化は可能であるが電極反応が液体燃料との間で行われるため低活性で低性能である。燃料供給に毛管力を利用する液体燃料電池も液体状態であるため、ポンプ等を必要とせず小型化には適しているものの電極反応は低活性で性能は低い。   On the other hand, the liquid supply type fuel cell can simplify the system compared to the vaporization supply type, but has low activity and low performance because the electrode reaction is carried out with the liquid fuel. Since liquid fuel cells that use capillary force for fuel supply are also in a liquid state, they do not require a pump or the like and are suitable for miniaturization, but the electrode reaction is low activity and performance is low.

上記の問題点に加えて、現状では電解質膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸膜が、プロトン伝導性、耐酸化性に優れているものの、製造プロセスが複雑であり、さらには非常に高価である。また、パーフルオロカーボンスルホン酸膜をメタノール燃料電池の電解質膜に適用した場合メタノールが電解質膜を透過してしまうクロスオーバーが生じる。この現象が生じた場合、供給されたメタノールと酸化剤とが直接反応してしまい、エネルギーを電力として出力することが出来ない。したがって安定した電力を得ることが不可能であるという致命的な欠点がある。   In addition to the above problems, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane as an electrolyte membrane is currently excellent in proton conductivity and oxidation resistance, but has a complicated manufacturing process and is very expensive. Further, when the perfluorocarbon sulfonic acid membrane is applied to the electrolyte membrane of a methanol fuel cell, a crossover occurs in which methanol permeates the electrolyte membrane. When this phenomenon occurs, the supplied methanol and oxidant react directly, and energy cannot be output as electric power. Therefore, there is a fatal drawback that it is impossible to obtain stable power.

上記問題点を改善するにあたりパーフルオロカーボンスルホン酸膜を金属アルコキシドを含有するアルコール溶液に含浸させ、フィルム中に無機物が導入されたプロトン伝導膜、さらにはアミノ基を有する金属アルコキシドを含有するアルコール溶液に含浸させることにより得られるプロトン伝導膜が調整されているが、この方法では導入される金属酸化物の添加量がコントロールできないことや、金属酸化物が粒子で導入されるためメタノール透過抑制効果が弱いこと、さらにはパーフルオロカーボンスルホン酸膜以外のものを使用した場合、溶解してしまいこの方法の適用は行えない。   In order to remedy the above problems, an alcohol solution containing a metal alkoxide is impregnated with a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, a proton conductive membrane in which an inorganic substance is introduced into the film, and further an alcohol solution containing a metal alkoxide having an amino group. Although the proton conductive membrane obtained by impregnation is adjusted, this method cannot control the addition amount of the metal oxide introduced, and the metal oxide is introduced as particles, so the methanol permeation inhibiting effect is weak. In addition, when a material other than the perfluorocarbon sulfonic acid membrane is used, it dissolves and this method cannot be applied.

更に、含フッ素化合物は合成時および廃棄時の環境への負荷が大きく、将来的な環境問題を考慮した場合、燃料電池等の構成材料として必ずしも最適なものではない。   Furthermore, the fluorine-containing compound has a large environmental load at the time of synthesis and disposal, and is not necessarily optimal as a constituent material for fuel cells and the like when considering future environmental problems.

このような背景から、フッ素含有量を低減したスルホン化部分フッ素化膜あるいはスルホン化芳香族系高分子膜等の非パーフルオロカーボンスルホン化プロトン伝導膜が種々提案されている。その代表的なものとしては、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やスルホン化ポリスルホン等の耐熱芳香族高分子のスルホン化物や炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーからなる共重合体構造とスルホン酸基を有する芳香族系炭化水素構造とからなる、スルホン化ポリスチレン−グラフト−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体膜等が挙げられる。また、安価で、機械的、化学的に安定な、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膜が提案されている。   Against this background, various non-perfluorocarbon sulfonated proton conducting membranes such as sulfonated partially fluorinated membranes or sulfonated aromatic polymer membranes with reduced fluorine content have been proposed. Typical examples include sulfonated polyetheretherketone, sulfonated products of heat-resistant aromatic polymers such as sulfonated polyethersulfone and sulfonated polysulfone, and a copolymer consisting of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer. Examples include a sulfonated polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer film composed of a combined structure and an aromatic hydrocarbon structure having a sulfonic acid group. Further, a proton conductive membrane made of a sulfonated product of SEBS (styrene- (ethylene-butylene) -styrene) that is inexpensive, mechanically and chemically stable has been proposed.

従来提案されている、非パーフルオロカーボンスルホン酸膜、すなわち、スルホン化部分フッ素化膜、あるいは、スルホン化芳香族系高分子膜は、製造が容易であり、低コスト化が可能であるとされている。しかしながら、燃料電池用膜として使用する場合には、膜の含水時における膨潤による激しい寸法変化や不十分な化学的安定性(耐酸化性)、さらには液体燃料であるメタノールへの溶解性を示すことが知られている。   Conventionally proposed non-perfluorocarbon sulfonic acid membranes, that is, sulfonated partially fluorinated membranes or sulfonated aromatic polymer membranes, are said to be easy to manufacture and cost-effective. Yes. However, when used as a fuel cell membrane, it exhibits severe dimensional changes due to swelling when the membrane is hydrated, insufficient chemical stability (oxidation resistance), and solubility in methanol, a liquid fuel. It is known.

これに対して非パーフルオロスルホン酸膜を用いて金属元素を含む三次元架橋重合体が内部貫入高分子網目構造を有する高分子電解質膜が提案されているが、この系においては使用する金属アルコキシドの反応性が不十分であり、また非パーフルオロスルホン酸膜との相溶性が悪く内部貫入高分子網目構造が不十分であり求められているメタノール溶解性を改善するに充分でない(たとえば特許文献1,2参照)。   On the other hand, a polymer electrolyte membrane in which a three-dimensional cross-linked polymer containing a metal element using a non-perfluorosulfonic acid membrane has an internal penetrating polymer network structure has been proposed. Insufficient reactivity with non-perfluorosulfonic acid membranes and insufficient internal penetrating polymer network structure is insufficient to improve the required methanol solubility (for example, Patent Documents) 1 and 2).

これら有機高分子プロトン伝導体に対して、耐メタノール溶解性、低膨潤性、耐酸化性があり、伝導性を有する無機化合物(硝子伝導体)からなるプロトン伝導体の開発もなされているが、加工性や可撓性に乏しく、ハンドリングが困難であり、実用的な形状である、柔軟性のあるフィルム形成は困難である。   For these organic polymer proton conductors, a proton conductor made of an inorganic compound (glass conductor) having methanol solubility resistance, low swellability, oxidation resistance and conductivity has been developed. Processability and flexibility are poor, handling is difficult, and it is difficult to form a flexible film having a practical shape.

これらの問題点を改善するために、酸化ケイ素とブレーンステッド酸とを主体とする無機化合物を、有機プロトン伝導性高分子とブレンドしたプロトン伝導体が提案されているが、ここに開示されている方法で得られるプロトン伝導体は単なるブレンド体であるため、有機プロトン伝導性高分子のわずかな膨潤度の抑制効果しか期待されず不十分である(たとえば特許文献3,4,5参照。)。   In order to improve these problems, a proton conductor obtained by blending an inorganic compound mainly composed of silicon oxide and Bronsted acid with an organic proton conductive polymer has been proposed. Since the proton conductor obtained by the method is a simple blend, only a slight suppression effect on the degree of swelling of the organic proton conductive polymer is expected and insufficient (see, for example, Patent Documents 3, 4 and 5).

これに対して、スルホン酸基を有する芳香族系高分子化合物を含有する溶液中で、ケイ素酸化物とリン酸誘導体とを主成分とする無機化合物を合成し、溶媒を乾燥除去することにより調製される複合プロトン伝導膜の製造方法が提案されている(たとえば特許文献6参照。)。   In contrast, in a solution containing an aromatic polymer compound having a sulfonic acid group, an inorganic compound mainly composed of a silicon oxide and a phosphoric acid derivative is synthesized, and the solvent is removed by drying. A method of manufacturing a composite proton conducting membrane is proposed (see, for example, Patent Document 6).

この手法の場合、有機プロトン伝導性高分子と無機プロトン伝導材料とが互いに絡み合うことによる膨潤度抑制効果が期待されるが、その調製法において得られる無機プロトン伝導材料は、リン酸誘導体とケイ素化合物とを反応させたものであるため、ケイ素に固定されていない遊離のリン酸が残留し、燃料電池運転時に発生する水中に当該リン酸が溶け出し、プロトン伝導度の発現が不十分であると同時に非固定化リン酸溶出による多孔化が生じ液体燃料であるメタノールが透過してしまう。   In the case of this method, it is expected that the organic proton conductive polymer and the inorganic proton conductive material are intertwined with each other, but the swelling suppression effect is expected. However, the inorganic proton conductive material obtained in the preparation method includes a phosphoric acid derivative and a silicon compound. And free phosphoric acid that is not fixed to silicon remains, the phosphoric acid dissolves in the water generated during fuel cell operation, and the expression of proton conductivity is insufficient. At the same time, it becomes porous due to elution of non-immobilized phosphoric acid, and methanol as a liquid fuel permeates.

また無機プロトン伝導体へのリン酸の固定化に対して、ケイ素化合物以外の他の金属アルコキシドを併用する系およびプロトン伝導性を担うスルホン酸、ホスホン酸誘導体担持型のケイ素化合物を用いた伝導体の調製も検討されているが、柔軟成分である有機成分が少ないため、加工性、可撓性に乏しく、実用的な膜を得ることは困難である(たとえば特許文献7,8参照、非特許文献1参照。)。   A system using a metal compound other than a silicon compound in combination with phosphoric acid immobilized on an inorganic proton conductor and a conductor using a silicon compound carrying a sulfonic acid or phosphonic acid derivative carrying proton conductivity However, since there are few organic components which are soft components, workability and flexibility are poor, and it is difficult to obtain a practical film (see, for example, Patent Documents 7 and 8, Non-Patent Documents). Reference 1).

以上述べたように、耐メタノール溶解性、耐酸化性・寸法安定性および優れたプロトン伝導性を示し、メタノールクロスオーバーを抑制しなおかつ可撓性に富み、成膜性のよいプロトン伝導膜は未だ見出されていない。   As described above, a proton conductive membrane that exhibits methanol solubility resistance, oxidation resistance, dimensional stability, and excellent proton conductivity, suppresses methanol crossover, is highly flexible, and has good film formability is still available. Not found.

特開2003−257452号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-257452 特開2003−257453号公報JP 2003-257453 A 特開平8−249923号公報(特許請求の範囲)JP-A-8-249923 (Claims) 特開平10−69817号公報(特許請求の範囲)JP-A-10-69817 (Claims) 特開平11−203936号公報(特許請求の範囲)JP-A-11-203936 (Claims) 特開2001−307752号公報(特許請求の範囲)JP 2001-307752 A (Claims) 特開平8−119612号公報(段落番号0004〜0005)JP-A-8-119612 (paragraph numbers 0004 to 0005) 特開2002−245846号公報(段落番号0010〜0023)JP 2002-245846 A (paragraph numbers 0010 to 0023) 「ケミストリーレターズ」(“Chemistry Letters”),2000年、p.1314“Chemistry Letters”, 2000, p. 1314

本発明は、固体高分子型燃料電池としての使用に対し充分なプロトン伝導性と耐メタノール溶解性を持ち、メタノールクロスオーバーを抑制することが可能であるプロトン伝導膜およびそれを用いた触媒電極とプロトン伝導膜との組み合わせ、燃料電池並びにプロトン伝導膜の製造方法を提供することを目的とする。さらに、水やメタノール等による膨潤の抑制(寸法安定性)、メタノールへの溶解性、可撓性、製膜性なお且つ十分なプロトン伝導性を発現するという点で優れたプロトン伝導膜およびそれを用いた触媒電極とプロトン伝導膜との接合体、燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention relates to a proton conductive membrane having sufficient proton conductivity and methanol solubility resistance for use as a polymer electrolyte fuel cell and capable of suppressing methanol crossover, and a catalyst electrode using the same It aims at providing the manufacturing method of a combination with a proton conductive membrane, a fuel cell, and a proton conductive membrane. Furthermore, a proton conducting membrane excellent in terms of suppressing swelling (dimension stability) due to water, methanol, etc., solubility in methanol, flexibility, film-forming property and sufficient proton conductivity, and It is an object of the present invention to provide a joined body of a catalyst electrode and a proton conductive membrane, and a fuel cell.

本発明の一態様によれば、アミノ基を含有するケイ素アルコキシド(A)とアミノ基を含有しないケイ素のアルコキシド(B)とチタン、アルミニウム、ジルコニウムの何れか一つ以上を含有する金属アルコキシド(C)とリン酸化合物または亜リン酸化合物を加水分解および縮合することにより、金属酸化物誘導体を含む第一の溶液を調製し、ついで第一の溶液を動的粘弾性測定における分子鎖のミクロブラウン運動由来の主分散が観測される温度(T)が60℃〜270℃である有機プロトン伝導性高分子を含有する溶液中に添加して、該有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物誘導体とを含む第二の溶液を調製し、当該第二の溶液から流延法により得られるプロトン伝導膜であり、該プロトン伝導膜の動的粘弾性測定において、30℃における貯蔵弾性率に対する温度(T)での貯蔵弾性率の減少率が90%以下であるプロトン伝導膜が提供される。   According to one embodiment of the present invention, a silicon alkoxide (A) containing an amino group, a silicon alkoxide (B) containing no amino group, and a metal alkoxide (C) containing any one or more of titanium, aluminum, and zirconium ) And a phosphoric acid compound or a phosphorous acid compound to prepare a first solution containing a metal oxide derivative, and then the first solution is a molecular chain micro-brown in dynamic viscoelasticity measurement. A temperature (T) at which the main dispersion derived from motion is observed is added to a solution containing an organic proton conductive polymer having a temperature of 60 ° C. to 270 ° C., and the organic proton conductive polymer, the metal oxide derivative, A proton conductive membrane obtained by casting from the second solution, and in the measurement of dynamic viscoelasticity of the proton conductive membrane, 30 ° C. The proton conductive membrane reduction rate of the storage modulus at a temperature (T) for the storage elastic modulus is less than 90% is provided.

プロトン伝導膜における有機プロトン伝導性高分子含有量が20〜60重量%であり、側鎖末端にプロトン解離性基を有し、とりわけ有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基が、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびそれらの誘導体の内の少なくとも一つであること、さらにはスルホン化ポリエーテルエーテルケトンまたはスルホン化ポリエーテルスルホンであることが好ましい。   The content of the organic proton conductive polymer in the proton conductive membrane is 20 to 60% by weight, has a proton dissociable group at the end of the side chain, and in particular, the proton dissociable group in the organic proton conductive polymer is sulfonic acid. It is preferably at least one of a group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group and derivatives thereof, and more preferably a sulfonated polyether ether ketone or a sulfonated polyether sulfone.

本発明に係る他の一態様によれば、上記のプロトン伝導膜の両側に、金属を電気伝導性微粒子よりなる担体に担持した触媒電極を配置してなる、触媒電極とプロトン伝導膜との接合体が提供される。   According to another aspect of the present invention, the catalyst electrode and the proton conductive membrane are joined to each other by arranging a catalyst electrode carrying a metal on a carrier made of electrically conductive fine particles on both sides of the proton conductive membrane. The body is provided.

電気伝導性微粒子が炭素微粒子を含むこと、触媒電極が有機プロトン伝導性高分子を含むこと、有機プロトン伝導性高分子が、側鎖末端にプロトン解離性基を有していること、とりわけ、有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基が、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびそれらの誘導体の内の少なくとも一つであることが好ましい。さらに好ましくはスルホン化ポリエーテルエーテルケトンもしくはスルホン化ポリエーテルスルホンであることが好ましい。   The electrically conductive fine particles contain carbon fine particles, the catalyst electrode contains an organic proton conductive polymer, the organic proton conductive polymer has a proton dissociable group at the end of the side chain, The proton dissociable group in the proton conducting polymer is preferably at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof. More preferred are sulfonated polyetheretherketone or sulfonated polyethersulfone.

本発明の更に他の一態様によれば、上記の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体を使用してなる燃料電池が提供される。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell using the above-mentioned joined body of a catalyst electrode and a proton conductive membrane.

本発明に係るプロトン伝導膜は、水やメタノール等による膨潤の抑制(寸法安定性)、メタノールクロスオーバーの抑制、耐久性(耐酸化性)、可撓性、製膜性、プロトン伝導性の優れたものとすることができる。従って、本発明に係るプロトン伝導膜を使用した触媒電極とプロトン伝導膜との組み合わせや燃料電池は、耐久性、発電の安定性等に優れたものとなる。   The proton conductive membrane according to the present invention has excellent suppression of swelling (dimensional stability) due to water, methanol, etc., suppression of methanol crossover, durability (oxidation resistance), flexibility, film-forming property, and proton conductivity. Can be. Therefore, the combination of the catalyst electrode and the proton conductive membrane using the proton conductive membrane according to the present invention and the fuel cell are excellent in durability, power generation stability, and the like.

以下に、本発明の実施の形態を実施例等を使用して説明する。なお、これらの実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described using examples and the like. In addition, these Examples etc. and description illustrate this invention, and do not restrict | limit the scope of the present invention. It goes without saying that other embodiments may belong to the category of the present invention as long as they match the gist of the present invention.

本発明に係るプロトン伝導膜は、アミノ基を含有するケイ素アルコキシドとアミノ基を含有しないケイ素のアルコキシドとチタン、アルミニウム、ジルコニウムの何れか一つ以上を含有する金属アルコキシドとリン酸を加水分解および縮合することにより、金属酸化物誘導体を含む第一の溶液を調製し、ついで第一の溶液を動的粘弾性測定における分子鎖のミクロブラウン運動由来の主分散が観測される温度(T)が60℃〜270℃の温度範囲にある有機プロトン伝導性高分子を含有する溶液中に添加して、該有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物とを含む第二の溶液を調製し、当該第二の溶液から流延法により得られるプロトン伝導膜であり、該プロトン伝導膜の動的粘弾性測定において、30℃における貯蔵弾性率に対する温度(T)での貯蔵弾性率の減少率が90%以下であるプロトン伝導膜である。   The proton conducting membrane according to the present invention hydrolyzes and condenses a silicon alkoxide containing an amino group, a silicon alkoxide containing no amino group, a metal alkoxide containing any one or more of titanium, aluminum and zirconium and phosphoric acid. By preparing the first solution containing the metal oxide derivative, the temperature (T) at which the main dispersion derived from the micro-Brownian motion of the molecular chain in the dynamic viscoelasticity measurement is observed is 60. A second solution containing the organic proton conductive polymer and the metal oxide is added to a solution containing the organic proton conductive polymer in the temperature range of 270C to 270 ° C. A proton conductive membrane obtained from a solution of the above by a casting method. In the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conductive membrane, the temperature (T Rate of decrease in storage modulus at is proton conductive membrane 90% or less.

本発明に係る金属酸化物誘導体とは、たとえばテトラエトキシランとリン酸を原料に用いてゾルーゲル反応により調製されるリン酸シリケートのような材料及びテトライソプロポキシチタンとリン酸を原料に用いてゾルーゲル反応により調製されるリン酸チタネートのような材料を意味する。   The metal oxide derivatives according to the present invention are, for example, materials such as phosphate silicate prepared by sol-gel reaction using tetraethoxylane and phosphoric acid as raw materials, and sol-gel using tetraisopropoxytitanium and phosphoric acid as raw materials. By a material such as phosphate titanate prepared by reaction.

なお、本明細書において、「プロトン解離性」とは、水等の極性溶媒中において、プロトンを解離し得ることを意味する。   In the present specification, “proton dissociation” means that protons can be dissociated in a polar solvent such as water.

金属酸化物誘導体調製で使用する溶媒としては、本発明に係るアミノ基を含有するケイ素アルコキシドとアミノ基を含有しないケイ素のアルコキシドとチタン、アルミニウム、ジルコニウムの何れか一つ以上を含有する金属アルコキシドを均一に分散、溶解できる溶媒が挙げられ、具体的にはメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エトキシエタノール等の各種アルコール、アセトン等のケトン類、トルエン、キシレン類、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)、DMF(ジメチルホルムアミド)、DMAc(ジメチルアセトアミド)といった極性溶媒が挙げられる。   As the solvent used in the preparation of the metal oxide derivative, a silicon alkoxide containing an amino group according to the present invention, a silicon alkoxide containing no amino group, and a metal alkoxide containing any one or more of titanium, aluminum and zirconium are used. Examples of the solvent that can be uniformly dispersed and dissolved include various alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, ethoxyethanol, ketones such as acetone, toluene, xylenes, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone). ), DMF (dimethylformamide), and DMAc (dimethylacetamide).

上記方法で得られるプロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物誘導体との互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成することにより、水やメタノール等に対する膨潤が抑制され、高い耐溶剤性及び実際にダイレクトメタノールに適用した場合における耐メタノール溶解性、メタノールクロスオーバー抑制が実現するプロトン伝導膜を得ることが可能となる。   The proton conducting membrane obtained by the above method suppresses swelling with respect to water, methanol, etc., because the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal oxide derivative enter each other to form a network structure. In addition, it is possible to obtain a proton conducting membrane that realizes high solvent resistance, methanol solubility resistance when actually applied to direct methanol, and methanol crossover suppression.

分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることは、必ずしも直接的に確認することができないが、これを間接的に確認する手法として以下のものが挙げられる。(1)
有機プロトン伝導性高分子キャストフィルム作製用に用いた溶媒や有機プロトン伝導性高分子が溶解する溶媒へ、プロトン伝導膜を浸漬し、再溶解試験を実施する際に、そのプロトン伝導膜の溶解度が15%より少ないこと、(2)プロトン伝導膜の50℃における貯蔵弾性率に対する有機プロトン伝導性高分子のガラス転移温度での貯蔵弾性率の減少率が90%以下である、(3)プロトン伝導膜の電子顕微鏡観察において、金属酸化物が実質的にミクロンオーダ以下のサイズでしか観察されないことであり、これら三つの条件を同時に満たす有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物からなるプロトン伝導膜は分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していると考えられる。
Although it is not always possible to directly confirm that molecular chains invade each other to form a network structure, the following can be cited as a method for indirectly confirming this. (1)
When the proton conductive membrane is immersed in the solvent used to make the organic proton conductive polymer cast film or the solvent in which the organic proton conductive polymer is dissolved and the re-dissolution test is performed, the solubility of the proton conductive membrane is reduced. Less than 15%, (2) The rate of decrease in storage elastic modulus at the glass transition temperature of the organic proton conductive polymer with respect to the storage elastic modulus at 50 ° C. of the proton conducting membrane is 90% or less, (3) Proton conduction In the electron microscopic observation of the membrane, the metal oxide is observed only in a size substantially less than a micron order, and the proton conducting membrane composed of the organic proton conducting polymer and the metal oxide satisfying these three conditions simultaneously is It is thought that molecular chains enter each other to form a network structure.

次に本発明で用いる有機プロトン伝導性高分子について説明する。本発明に用いる有機プロトン伝導性高分子は、プロトン伝導性を示す有機高分子であって、後述するゾルゲル反応溶媒に相溶性のある溶媒に可溶なものであれば特に限定されるものではないが、側鎖にプロトン解離性基を有するポリマーが、プロトン伝導性、製膜性の観点から好ましい。この場合のプロトン解離性基としては、上記ケイ素アルコキシド化合物の場合と同様、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびそれらの誘導体を例示できる。さらには動的粘弾性測定における分子鎖のミクロブラウン運動由来の主分散が観測される温度(T)が60℃〜270℃である有機プロトン伝導性高分子が好ましい。60℃以下であると燃料電池運転時における発熱により膜の変形が生じ好ましくない。270℃以上であると電極/膜/電極ユニット作製時において膜と電極の接合が不十分であるため好ましくない。   Next, the organic proton conductive polymer used in the present invention will be described. The organic proton conductive polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it is an organic polymer exhibiting proton conductivity and is soluble in a solvent compatible with the sol-gel reaction solvent described later. However, a polymer having a proton dissociable group in the side chain is preferable from the viewpoints of proton conductivity and film-forming property. Examples of the proton dissociable group in this case include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof as in the case of the silicon alkoxide compound. Furthermore, an organic proton conductive polymer having a temperature (T) at which main dispersion derived from micro-Brownian motion of molecular chains in dynamic viscoelasticity measurement is observed is 60 ° C to 270 ° C. When the temperature is 60 ° C. or lower, the film is deformed by heat generation during operation of the fuel cell, which is not preferable. When the temperature is 270 ° C. or higher, the bonding between the membrane and the electrode is insufficient when the electrode / membrane / electrode unit is produced, which is not preferable.

そのような高分子の具体例としては、炭化水素系プロトン伝導性高分子、具体的にはスルホン化エチレンテトラフルオロエチレン共重合体−グラフト−ポリスチレン、スルホンアミド型エチレンテトラフルオロエチレン共重合体−グラフト−ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホンアミド型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ケトン、スルホンアミド型ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化架橋ポリスチレン、スルホンアミド型架橋ポリスチレン、スルホン化ポリトリフルオロスチレン、スルホンアミド型ポリトリフルオロスチレン、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホンアミド型ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリ(アリールエーテルスルホン)、スルホンアミド型ポリ(アリールエーテルスルホン)、スルホン化ポリイミド、スルホンアミド型ポリイミド、スルホン化4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン、スルホンアミド型4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン、ホスホン酸型4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホンアミド型ポリベンゾイミダゾール、ホスホン酸型ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホンアミド型ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリビフェニレンスルフィド、スルホンアミド型ポリビフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンスルホン、スルホンアミド型ポリフェニレンスルホンなどを挙げることができる。なかでも製膜性、スルホン化の行いやすさの観点から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が好ましい。本発明に係るプロトン伝導膜における有機プロトン伝導性膜の含有量は、20〜60重量%の範囲が好ましく、30〜50重量%の範囲がより好ましい。20重量%を下回るとプロトン伝導膜の動的粘弾性測定において、30℃における貯蔵弾性率に対する分子鎖のミクロブラウン運動由来の主分散が観測される温度(T)での貯蔵弾性率の減少率が90%以上となりネットワーク形成効果が弱く、耐メタノール溶解性、膨潤度抑制効果、メタノールクロスオーバーの抑制効果が見られず好ましくない場合が多い。60重量%以上であると製膜時における乾燥工程でクラック等が生じるため好ましくない場合が多い。本発明に係るプロトン伝導膜における有機プロトン伝導性高分子の含有量は、100重量%から上記の金属酸化物誘導体含有量を減じた値とすることが好ましいが、場合によっては、その他の成分を含んでいてもよい。   Specific examples of such polymers include hydrocarbon-based proton conductive polymers, specifically, sulfonated ethylene tetrafluoroethylene copolymer-graft-polystyrene, sulfonamide-type ethylene tetrafluoroethylene copolymer-graft. -Polystyrene, sulfonated polyethersulfone, sulfonamide type polyethersulfone, sulfonated polyetheretherketone, sulfonamide type polyetheretherketone, sulfonated crosslinked polystyrene, sulfonamide type crosslinked polystyrene, sulfonated polytrifluorostyrene, sulfone Amide type polytrifluorostyrene, sulfonated polyaryl ether ketone, sulfonamide type polyaryl ether ketone, sulfonated poly (aryl ether sulfone), sulfonamide type polysulfone (Aryl ether sulfone), sulfonated polyimide, sulfonamide type polyimide, sulfonated 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, sulfonamide type 4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene, phosphonic acid type 4-phenoxybenzoyl- 1,4-phenylene, sulfonated polybenzimidazole, sulfonamide type polybenzimidazole, phosphonic acid type polybenzimidazole, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonamide type polyphenylene sulfide, sulfonated polybiphenylene sulfide, sulfonamide type polybiphenylene sulfide, Examples thereof include sulfonated polyphenylene sulfone and sulfonamide type polyphenylene sulfone. Of these, sulfonated polyetheretherketone and sulfonated polyethersulfone are preferred from the viewpoint of film forming properties and easiness of sulfonation. The content of the organic proton conductive membrane in the proton conductive membrane according to the present invention is preferably in the range of 20 to 60% by weight, and more preferably in the range of 30 to 50% by weight. Below 20% by weight, the rate of decrease in storage modulus at the temperature (T) at which the main dispersion derived from micro-Brownian motion of the molecular chain relative to the storage modulus at 30 ° C. is measured in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane. Is 90% or more, and the effect of forming a network is weak, and it is often unfavorable because methanol solubility resistance, swelling degree inhibiting effect, and methanol crossover inhibiting effect are not seen. If it is 60% by weight or more, cracks and the like occur in the drying process during film formation, which is often not preferred. The content of the organic proton conductive polymer in the proton conductive membrane according to the present invention is preferably a value obtained by subtracting the above metal oxide derivative content from 100% by weight, but depending on the case, other components may be added. May be included.

金属酸化物誘導体は、金属アルコキシドとリン酸化合物または亜リン酸化合物が縮合したものを挙げることができる。具体的には、ケイ素アルコキシド、チタンイソプロポキシドとリン酸に、水を加えて加水分解してゾル−ゲル反応を行い、縮合させることで得ることが可能である。   Examples of the metal oxide derivative include those obtained by condensing a metal alkoxide and a phosphoric acid compound or a phosphorous acid compound. Specifically, it can be obtained by adding water to a silicon alkoxide, titanium isopropoxide, and phosphoric acid to perform hydrolysis to perform sol-gel reaction and condensation.

本発明に金属アルコキシドとしては、任意の金属のアルコキシドを使用することができる。
本発明に係る金属アルコキシドとしては、アミノ基を含有するケイ素アルコキシドとアミノ基を含有しないケイ素のアルコキシドとチタン、アルミニウム、ジルコニウムの何れか一つ以上を含有する金属アルコキシドとリン酸化合物または亜リン酸化合物を加水分解および縮合することにより得られる。
As the metal alkoxide in the present invention, any metal alkoxide can be used.
The metal alkoxide according to the present invention includes a silicon alkoxide containing an amino group, a silicon alkoxide containing no amino group, a metal alkoxide containing any one or more of titanium, aluminum and zirconium, a phosphoric acid compound or phosphorous acid. It is obtained by hydrolysis and condensation of the compound.

アミノ基を含有するケイ素アルコキシドとしてはN−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシランが挙げられ中でも3−アミノプロピルトリメトキシシランが好ましい。   Examples of silicon alkoxides containing amino groups include N- (2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropyltriethoxysilane, and 3-aminopropyltrimethoxysilane. Among them, 3-aminopropyltriethoxysilane is preferable, among which 3-aminopropyltrimethoxysilane is preferable.

有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物誘導体の相溶性、及びゾルーゲル反応の触媒効果があることが好ましく有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物誘導体の分子鎖同士が相互に侵入して形成される網目構造がより強固になり好ましい。   It is preferable that the organic proton conductive polymer and the metal oxide derivative have compatibility and the catalytic effect of the sol-gel reaction. The molecular chains of the organic proton conductive polymer and the metal oxide derivative are formed by interpenetrating each other. The network structure is preferable because it is stronger.

アミノ基を含有しないケイ素のアルコキシドとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ−n−プロポキシシラン、テトラ−i−プロポキシシラン、テトラ−n−ブトキシシラン、テトラアセチルオキシシラン、テトラフェノキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリエトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、n−ブチルトリエトキシシラン、n−ペンチルトリメトキシシラン、n−ペンチルトリエトキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、3−(メタ)アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、3−トリフロロプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリエトキシシラン、2−ヒドロキシエチルトリメトキシシラン、2−ヒドロキシエチルトリエトキシシラン、2−ヒドロキシプロピルトリメトキシシラン、2−ヒドロキシプロピルトリエトキシシラン、3−ヒドロキシプロピルトリメトキシシラン、3−ヒドロキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−イソシアナートプロピルトリメトキシシラン、3−イソシアナートプロピルトリエトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシランメチルトリアセチルオキシシラン、メチルトリフェノキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジ−n−プロピルジメトキシシラン、ジ−n−プロピルジエトキシシラン、ジ−i−プロピルジメトキシシラン、ジ−i−プロピルジエトキシシラン、ジ−n−ブチルジメトキシシラン、ジ−n−ブチルジエトキシシラン、n−ペンチル・メチルジメトキシシラン、n−ペンチル・メチルジエトキシシラン、シクロヘキシル・メチルジメトキシシラン、シクロヘキシル・メチルジエトキシシラン、フェニル・メチルジメトキシシラン、フェニル・メチルジエトキシシラン、ジ−n−ペンチルジメトキシシラン、ジ−n−ペンチルジエトキシシラン、ジ−n−ヘキシルジメトキシシラン、ジ−n−ヘキシルジエトキシシラン、ジ−n−ヘプチルジメトキシシラン、ジ−n−ヘプチルジエトキシシラン、ジ−n−オクチルジメトキシシラン、ジ−n−オクチルジエトキシシラン、ジシクロヘキシルジメトキシシラン、ジシクロヘキシルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン等のジアルコキシシラン、ジメチルジアセチルオキシシラン、ジメチルジフェノキシシラン等を挙げることができる。これらは単独で使用しても、混合物として使用してもよい。   Examples of silicon alkoxides that do not contain amino groups include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetra-n-propoxysilane, tetra-i-propoxysilane, tetra-n-butoxysilane, tetraacetyloxysilane, tetraphenoxysilane, and methyl. Trimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, i-propyltrimethoxysilane, i-propyltriethoxysilane, n-butyl Trimethoxysilane, n-butyltriethoxysilane, n-pentyltrimethoxysilane, n-pentyltriethoxysilane, cyclohexyltrimethoxysilane, cyclohexyltriethoxysilane, phenyl Limethoxysilane, phenyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 2- (3,4 -Epoxycyclohexyl) ethyltriethoxysilane, 3- (meth) acryloxypropyltrimethoxysilane, 3- (meth) acryloxypropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, allyltrimethoxysilane, vinyltri Acetoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, 3-trifluoropropyltrimethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltriethoxysilane, 2-hydroxyethyl Limethoxysilane, 2-hydroxyethyltriethoxysilane, 2-hydroxypropyltrimethoxysilane, 2-hydroxypropyltriethoxysilane, 3-hydroxypropyltrimethoxysilane, 3-hydroxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxy Silane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-isocyanatopropyltrimethoxysilane, 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, 3-ureidopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane methyltriacetyloxysilane, methyl Triphenoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diethyldimethoxysilane, diethyldiethoxysilane, di-n-propyldimeth Xisilane, di-n-propyldiethoxysilane, di-i-propyldimethoxysilane, di-i-propyldiethoxysilane, di-n-butyldimethoxysilane, di-n-butyldiethoxysilane, n-pentyl methyl Dimethoxysilane, n-pentyl methyldiethoxysilane, cyclohexyl methyldimethoxysilane, cyclohexyl methyldiethoxysilane, phenyl methyldimethoxysilane, phenyl methyldiethoxysilane, di-n-pentyldimethoxysilane, di-n- Pentyldiethoxysilane, di-n-hexyldimethoxysilane, di-n-hexyldiethoxysilane, di-n-heptyldimethoxysilane, di-n-heptyldiethoxysilane, di-n-octyldimethoxysilane, di-n -Octyldiethoxy Orchids, dicyclohexyl dimethoxysilane, dicyclohexyl diethoxysilane, diphenyl dimethoxysilane, di-alkoxysilanes such as diphenyl diethoxy silane, dimethyl acetyl silane, can be cited dimethyl phenoxy silane. These may be used alone or as a mixture.

アミノ基を含有する二官能もしくは三官能ケイ素アルコキシドを使用する場合、前記有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基に対して添加するアミノ基の量が0.05〜0.55等量の範囲であることが好ましい。0.05以下であると有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物の相溶性向上効果が弱いため好ましくなく、0.55等量以上であるとプロトン伝導性を発現するプロトン解離性基と塩を形成するためプロトン伝導性が発現せず好ましくない。   When a bifunctional or trifunctional silicon alkoxide containing an amino group is used, the amount of amino group added to the proton dissociable group in the organic proton conductive polymer is 0.05 to 0.55 equivalents. A range is preferable. If it is 0.05 or less, the compatibility improvement effect between the organic proton conductive polymer and the metal oxide is weak, which is not preferable. If it is 0.55 equivalent or more, a proton-dissociable group and a salt that express proton conductivity are not preferable. Since it forms, proton conductivity does not express and it is not preferable.

ここでいうアミノ基の量は下記に記載するアミノ基等量で定義される。
アミノ基等量=(添加するアミノ基の分子数)/(有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基の分子数)
(有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基の分子数は1H-NMRにより導入量を求め、イオン交換基当量重量より算出した。)
The amount of amino group here is defined by the equivalent amount of amino group described below.
Equivalent amino group = (number of molecules of amino group to be added) / (number of molecules of proton dissociable group in organic proton conducting polymer)
(The number of proton-dissociable groups in the organic proton-conducting polymer was calculated from the equivalent weight of ion-exchange groups obtained by determining the amount introduced by 1H-NMR.)

ケイ素アルコキシド以外の金属アルコキシドとしては、具体的には、テトライソプロポキシチタン、テトラ−n−ブトキシチタン、テトラ−t−ブトキシチタンといったチタニウムアルコキシド、トリ−イソプロポキシアルミ、トリ−n−ブトキシアルミといったアルミニウムアルコキシド、テトラ−n−ブトキシジルコニウムを挙げることができる。   Specific examples of metal alkoxides other than silicon alkoxide include titanium alkoxides such as tetraisopropoxy titanium, tetra-n-butoxy titanium, and tetra-t-butoxy titanium, aluminum such as tri-isopropoxy aluminum and tri-n-butoxy aluminum. Examples thereof include alkoxide and tetra-n-butoxyzirconium.

次に本発明で用いるリン酸化合物または亜リン酸化合物について説明する。
下記一般式(1)で表されるリン酸またはその誘導体、あるいは下記一般式(2)で表される亜リン酸またはその誘導体が好ましい。
PO(OR)3−y(OH)y・・(1)
[但し、式中、Rは炭素数1〜6の1価の有機基を示し、yは0〜3の整数である。]
P(OR)3−z(OH)z・・・(2)
[但し、式中、Rは炭素数1〜6の1価の有機基を示し、zは0〜3の整数である。]
Next, the phosphoric acid compound or phosphorous acid compound used in the present invention will be described.
Phosphoric acid represented by the following general formula (1) or a derivative thereof, or phosphorous acid represented by the following general formula (2) or a derivative thereof is preferable.
PO (OR) 3-y (OH) y (1)
[In the formula, R represents a monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms, and y is an integer of 0 to 3. ]
P (OR) 3-z (OH) z (2)
[In the formula, R represents a monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms, and z represents an integer of 0 to 3. ]

一般式(1)における、炭素数1〜6の1価の有機基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、フェニル基等を挙げることができる。   Examples of the monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms in the general formula (1) include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an i-propyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, and a t-butyl group. Group, n-pentyl group, phenyl group and the like.

一般式(1)において、yは0〜3であるが、yが0の具体的な例としては、リン酸トリメチルエステル、リン酸トリエチルエステル、リン酸トリプロピルエステル、リン酸トリブチルエステル、リン酸トリフェニルエステル等を挙げることができる。   In general formula (1), y is 0 to 3, and specific examples of y being 0 are phosphoric acid trimethyl ester, phosphoric acid triethyl ester, phosphoric acid tripropyl ester, phosphoric acid tributyl ester, phosphoric acid. A triphenyl ester etc. can be mentioned.

また、一般式(1)において、yが1または2の具体的な例としては、リン酸ジメチルエステル、リン酸ジエチルエステル、リン酸ジプロピルエステル、リン酸ジブチルエステル、リン酸ジフェニルエステル、リン酸メチルエステル、リン酸エチルエステル、リン酸プロピルエステル、リン酸ブチルエステル、リン酸フェニルエステル等に加え、P2O5をメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、フェノール等に溶解することにより調製されるものが挙げられる。更にyが3の具体的な例としては、オルトリン酸を挙げることができる。   In the general formula (1), specific examples of y being 1 or 2 include phosphoric acid dimethyl ester, phosphoric acid diethyl ester, phosphoric acid dipropyl ester, phosphoric acid dibutyl ester, phosphoric acid diphenyl ester, phosphoric acid. Prepared by dissolving P2O5 in methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, phenol, etc. in addition to methyl ester, ethyl phosphate, propyl phosphate, butyl phosphate, phenyl phosphate, etc. Is mentioned. Further, as a specific example where y is 3, orthophosphoric acid can be mentioned.

一般式(2)における、炭素数1〜6の1価の有機基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、フェニル基等を挙げることができる。   Examples of the monovalent organic group having 1 to 6 carbon atoms in the general formula (2) include methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, sec-butyl group, and t-butyl. Group, n-pentyl group, phenyl group and the like.

一般式(2)において、zは0〜3であるが、zが0の具体的な例としては、亜リン酸トリメチルエステル、亜リン酸トリエチルエステル、亜リン酸トリプロピルエステル、亜リン酸トリブチルエステル、亜リン酸トリフェニルエステル等を挙げることができる。   In the general formula (2), z is 0 to 3, and specific examples of z being 0 are trimethyl phosphite, triethyl phosphite, tripropyl phosphite, tributyl phosphite. Examples thereof include esters and triphenyl phosphite.

また、一般式(2)において、zが1の具体的な例としては、亜リン酸ジメチルエステル、亜リン酸ジエチルエステル、亜リン酸ジプロピルエステル、亜リン酸ジブチルエステル、亜リン酸ジフェニルエステル等、また、zが2の具体的な例としては、亜リン酸メチルエステル、亜リン酸エチルエステル、亜リン酸プロピルエステル、亜リン酸ブチルエステル、亜リン酸フェニルエステル、更にzが3の具体的な例としては、亜リン酸を挙げることができる。   In the general formula (2), specific examples of z = 1 are dimethyl phosphite, diethyl phosphite, dipropyl phosphite, dibutyl phosphite, diphenyl phosphite. In addition, as specific examples of z being 2, phosphorous acid methyl ester, phosphorous acid ethyl ester, phosphorous acid propyl ester, phosphorous acid butyl ester, phosphorous acid phenyl ester, and z being 3 Specific examples include phosphorous acid.

本発明におけるリン酸化合物はプロトン伝導膜調整時における金属酸化物のゲル化抑制剤の意味があり0.5重量%以下であるとプロトン伝導膜作成時においてゲル化が発生し30重量%以上であるとリン酸の固定が不十分であり、リン酸が燃料電池運転時において発生する水で漏洩しプロトン伝導膜に多孔化が生じメタノールクロスオーバーの抑制が行えない。   The phosphoric acid compound in the present invention means a gelation inhibitor of a metal oxide at the time of adjusting the proton conductive membrane, and if it is 0.5% by weight or less, gelation occurs at the time of producing the proton conductive membrane, and at 30% by weight or more If so, phosphoric acid is not sufficiently fixed, and the phosphoric acid leaks with water generated during operation of the fuel cell, and the proton conducting membrane becomes porous, so that methanol crossover cannot be suppressed.

リン酸固定の観点から高反応性金属アルコキシドであるチタン、アルミニウム、ジルコニウムの何れか一つ以上を含有する金属アルコキシドを併用することが好ましい。   From the viewpoint of phosphoric acid fixation, it is preferable to use a metal alkoxide containing at least one of titanium, aluminum and zirconium which are highly reactive metal alkoxides.

このようにして、固体高分子型燃料電池としての使用に充分な水やメタノール等による膨潤の抑制(寸法安定性)、耐メタノール溶解性、プロトン伝導性と耐久性(耐酸化性)とを有するプロトン伝導膜を実現することができる。また、可撓性、製膜性のいずれかの点で優れたプロトン伝導膜を実現することができる。   In this way, it has sufficient suppression for swelling with water, methanol, etc. (dimensional stability), methanol solubility resistance, proton conductivity and durability (oxidation resistance) sufficient for use as a polymer electrolyte fuel cell. A proton conducting membrane can be realized. In addition, it is possible to realize a proton conductive membrane that is excellent in either flexibility or film forming property.

このプロトン伝導膜よりなる膜(プロトン伝導膜)の両側に、金属を導電材に担持した触媒電極を配置してなる、触媒電極とプロトン伝導膜との接合体(本明細書では、電極/膜/電極ユニットと呼称することもある。)は、片方の電極を酸化剤電極とし、他方の電極を燃料電極とし、プロトン伝導膜を電解質として、燃料電池に好適に適用することができる。   An assembly of a catalyst electrode and a proton conductive membrane (in this specification, an electrode / membrane) in which a catalyst electrode carrying a metal supported on a conductive material is disposed on both sides of a membrane (proton conductive membrane) made of this proton conductive membrane. / May be referred to as an electrode unit.) Can be suitably applied to a fuel cell with one electrode as an oxidant electrode, the other electrode as a fuel electrode, and a proton conducting membrane as an electrolyte.

ここでの触媒電極は、触媒となる金属を導電材に担持することで作成できる。触媒電極に使用される金属としては、燃料の酸化反応および酸化剤の還元反応、たとえば、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、たとえば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウムまたはそれらの合金が挙げられる。特に白金が好ましい。   The catalyst electrode here can be prepared by supporting a metal serving as a catalyst on a conductive material. The metal used for the catalyst electrode may be any metal that promotes the fuel oxidation reaction and the oxidant reduction reaction, for example, the hydrogen oxidation reaction and the oxygen reduction reaction, such as platinum, gold, and the like. Silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium or alloys thereof. Platinum is particularly preferable.

触媒となる金属の形状も任意であるが、粒子状の場合には、その粒径は、100〜3000nmが一般的である。   The shape of the metal serving as the catalyst is arbitrary, but in the case of a particulate shape, the particle size is generally 100 to 3000 nm.

使用する導電材としては、電気伝導性物質であればいずれのものでもよく、たとえば各種金属や炭素材料などが挙げられる。炭素材料としては、たとえば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられる。これらが単独または混合して使用される。これら導電材に触媒金属を担持させる方法としては、触媒となる金属を還元法により導電材の表面に析出させる方法や、溶剤に触媒金属を懸濁させ、これを導電材表面に塗布する方法などがある。   As the conductive material to be used, any conductive material may be used, and examples thereof include various metals and carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, and graphite. These may be used alone or in combination. As a method of supporting the catalyst metal on these conductive materials, a method of depositing a metal as a catalyst on the surface of the conductive material by a reduction method, a method of suspending the catalyst metal in a solvent, and applying this to the surface of the conductive material, etc. There is.

これらの金属は、カーボン微粒子等の電気伝導性微粒子よりなる導電材(担体)に付着等させた方が触媒としての使用量が少なく、コスト的に有利である。これらの金属の担持量は、一つの電極が形成された状態で、その片面の面積あたり0.01〜10mg/cm2が好ましい。このような、電気伝導性微粒子としては、炭素微粒子が特に好ましい。   When these metals are attached to a conductive material (carrier) made of electrically conductive fine particles such as carbon fine particles, the amount used as a catalyst is small, which is advantageous in terms of cost. The amount of these metals supported is preferably 0.01 to 10 mg / cm <2> per one side area in the state where one electrode is formed. As such electrically conductive fine particles, carbon fine particles are particularly preferable.

金属を電気伝導性微粒子に担持した触媒電極に、上記で説明した有機プロトン伝導性高分子を加えると、触媒電極としての性能を保持したまま、その形状を容易に維持したり、変形したりできるようになるため、好ましい。具体的には、金属を担持した電気伝導性微粒子を、有機プロトン伝導性高分子の溶液に添加して、ペースト(電極形成用溶液)を調製し、この電極形成用溶液を、たとえばプロトン伝導膜の膜の両側に塗布した後、乾燥する。このようにすると、プロトン伝導膜の膜の両側に触媒電極が接合した電極/膜/電極ユニットを作成することができる。   When the organic proton conductive polymer described above is added to the catalyst electrode in which the metal is supported on the electrically conductive fine particles, the shape can be easily maintained or deformed while maintaining the performance as the catalyst electrode. Therefore, it is preferable. Specifically, electrically conductive fine particles carrying a metal are added to an organic proton conductive polymer solution to prepare a paste (electrode forming solution). Apply to both sides of the film and dry. In this way, an electrode / membrane / electrode unit in which the catalyst electrode is bonded to both sides of the proton conducting membrane can be produced.

本発明に係る燃料電池は、以上のように形成された電極/膜/電極ユニットを使用して作製することができる。燃料としてメタノールを使用し、酸化剤として空気を使用する例について、発電の様子を図1を用いて説明する。図1中、単セルは、スタック本体9、液体燃料12を収容する燃料タンク11、および燃料タンク11から本体9に液体燃料を供給する導入管13により構成される。液体燃料は液体燃料導入部10を介してスタック本体9を構成する各単電池に導入される。   The fuel cell according to the present invention can be produced using the electrode / membrane / electrode unit formed as described above. An example of using methanol as the fuel and air as the oxidant will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the single cell includes a stack body 9, a fuel tank 11 that stores liquid fuel 12, and an introduction pipe 13 that supplies liquid fuel from the fuel tank 11 to the body 9. The liquid fuel is introduced into each unit cell constituting the stack body 9 via the liquid fuel introduction unit 10.

スタック本体9を構成する各単電池の構成要素について説明する。各単電池においては、プロトン伝導膜1、燃料極2と酸化剤極3とよりなる電極/膜/電極ユニット4が構成されている。各単電池には液体燃料を保持する機能を有する燃料浸透部6とこの燃料浸透部6に保持される液体燃料が気化した気体燃料を燃料極2に導くための燃料気化部7とが燃料極2に隣接して設けられる。上記燃料浸透部6、燃料気化部7、電極/膜/電極ユニット4からなる単電池をセパレータ5を介して複数積層することによってスタック型燃料電池9が構成される。またセパレータ5の酸化剤極3側には酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給溝8が連続溝として設置されている。   The components of each single battery constituting the stack body 9 will be described. Each unit cell includes an electrode / membrane / electrode unit 4 including a proton conducting membrane 1, a fuel electrode 2, and an oxidant electrode 3. Each unit cell includes a fuel permeation section 6 having a function of retaining liquid fuel and a fuel vaporization section 7 for guiding the gaseous fuel vaporized by the liquid fuel retained in the fuel permeation section 6 to the fuel electrode 2. 2 is provided adjacent. A stack type fuel cell 9 is configured by stacking a plurality of unit cells each including the fuel permeation unit 6, the fuel vaporization unit 7, and the electrode / membrane / electrode unit 4 through the separator 5. An oxidant gas supply groove 8 for flowing an oxidant gas is installed as a continuous groove on the oxidant electrode 3 side of the separator 5.

燃料タンク11から単電池の燃料浸透部6に液体燃料を供給する手段としてスタック9の少なくとも一つの側面に、この面に沿って燃料タンクと連結した液体燃料導入部を形成することが考えられる。液体燃料導入部10内に導入された液体燃料はスタック9の側面から燃料浸透部6に供給され、さらに燃料気化部7で気化され燃料極2に供給される。この際毛管現象を示す材料により燃料浸透部6を構成することによって補器を用いずに毛管力で液体燃料を燃料浸透部に供給することができる。そのためには液体燃料導入部10内に導入された液体燃料が燃料浸透部6の一端に直接接触するような構成であることが必要とされる。また液体燃料導入部10と本体9との間は燃料浸透部6が接続している以外は絶縁されていなければならない。   As a means for supplying liquid fuel from the fuel tank 11 to the fuel penetration part 6 of the single cell, it is conceivable to form a liquid fuel introduction part connected to the fuel tank along at least one side face of the stack 9 along this face. The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction unit 10 is supplied from the side surface of the stack 9 to the fuel permeation unit 6, further vaporized by the fuel vaporization unit 7, and supplied to the fuel electrode 2. At this time, by configuring the fuel permeation portion 6 with a material exhibiting capillary action, liquid fuel can be supplied to the fuel permeation portion by capillary force without using an auxiliary device. For this purpose, it is necessary that the liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction unit 10 is in direct contact with one end of the fuel permeation unit 6. The liquid fuel introduction part 10 and the main body 9 must be insulated except for the fuel permeation part 6.

なお単電池を積層してスタック9を構成する場合、セパレータ5、燃料浸透部6、および燃料気化部7は発生した電子を伝導する集電板としての機能も果たすためカーボンを含有した多孔質体などの導電性材料により形成される。   In the case where the stack 9 is formed by stacking single cells, the separator 5, the fuel permeation portion 6, and the fuel vaporization portion 7 also function as a current collecting plate that conducts the generated electrons, and therefore a porous body containing carbon. Formed of a conductive material.

上述したように単電池におけるセパレータ5は酸化剤ガスを流すチャンネルとの両方の機能を有するセパレータ5を用いることによって部品点数の削減が行え燃料電池の小型化が可能である。   As described above, the separator 5 in the unit cell can reduce the number of parts and reduce the size of the fuel cell by using the separator 5 having both functions of the channel through which the oxidant gas flows.

なお燃料貯蔵タンク11から液体燃料導入部10に液体燃料を供給する方法としては、燃料貯蔵タンク内に収容された液体燃料を自由落下させて、液体燃料導入部10に導入する方法が挙げられる。この方法はスタック9の上面より高い位置に燃料貯蔵タンクを設けなければならないという構造上の制約はあるものの、液体燃料導入部10に確実に液体燃料を導入することができる。他の方法としては液体燃料導入部10の毛管力によって燃料貯蔵タンク11から液体燃料を引き込む方法が挙げられる。この方法を採用した場合、燃料貯蔵タンク11と液体燃料貯蔵タンク11と液体燃料導入部10との接続点、すなわち液体燃料導入部10に設けられた燃料入り口の位置をスタック9の上面より高くする必要がない。自然落下法と組み合わせると燃料タンク11の設置場所を自在に設定できる。   As a method for supplying the liquid fuel from the fuel storage tank 11 to the liquid fuel introduction unit 10, there is a method in which the liquid fuel accommodated in the fuel storage tank is freely dropped and introduced into the liquid fuel introduction unit 10. Although this method has a structural restriction that the fuel storage tank must be provided at a position higher than the upper surface of the stack 9, the liquid fuel can be reliably introduced into the liquid fuel introduction unit 10. As another method, there is a method of drawing the liquid fuel from the fuel storage tank 11 by the capillary force of the liquid fuel introduction unit 10. When this method is adopted, the connection point of the fuel storage tank 11, the liquid fuel storage tank 11 and the liquid fuel introduction part 10, that is, the position of the fuel inlet provided in the liquid fuel introduction part 10 is made higher than the upper surface of the stack 9. There is no need. When combined with the natural fall method, the installation location of the fuel tank 11 can be freely set.

ただし、毛管力で液体燃料導入部10に導入された液体燃料を引き続き円滑に毛管力より燃料浸透部6への毛管力のほうが大きくなるように設定することが望まれる。なお、液体燃料導入部10の数はスタック9の側面に沿って一つに限定されるものではなく、スタックの他方の側面にも液体燃料導入部6を形成することが可能である。   However, it is desirable that the liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction unit 10 by capillary force is continuously set so that the capillary force to the fuel permeation unit 6 is larger than the capillary force. Note that the number of liquid fuel introduction portions 10 is not limited to one along the side surface of the stack 9, and the liquid fuel introduction portions 6 can be formed on the other side surface of the stack.

また上述した燃料貯蔵タンク11はスタック9から着脱可能とすることができる。これによって燃料貯蔵タンクを交換することで電池の作動を継続して長時間行うことが可能となる。また、燃料貯蔵タンク11から液体燃料導入部10への液体燃料の供給は上述したような自然落下や、タンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成、もしくは液体燃料導入部10の毛管力によって燃料を引き出すような構成とすることもできる。   Further, the fuel storage tank 11 described above can be detachable from the stack 9. This makes it possible to continue the operation of the battery for a long time by replacing the fuel storage tank. Further, the supply of the liquid fuel from the fuel storage tank 11 to the liquid fuel introduction unit 10 is configured to extrude the liquid fuel by the natural fall as described above, the internal pressure or the like in the tank, or the capillary force of the liquid fuel introduction unit 10. The fuel can be drawn out by the above.

上述したような手法によって、液体燃料導入部10に導入された液体燃料は、燃料浸透部6に供給される。燃料浸透部6の形態は液体燃料をその内部に保持し、気化した燃料のみを燃料供給気化部7を通して燃料極に供給するような機能を有していれば特に限定されるものではない。例えば液体燃料の通路を有して、その燃料気化部7との界面に気液分離膜を具備するものとすることができる。さらに毛管力により燃料浸透部6に液体燃料を供給する場合には、燃料浸透部6の形態は液体燃料を毛管力で浸透し得るものであれば特に限定されるものではない。粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙法で製造した不織布、繊維を織った織布等の他に、ガラスやプラスチック等の板の間に形成された隙間等も用いることができる。   The liquid fuel introduced into the liquid fuel introduction unit 10 by the method described above is supplied to the fuel penetration unit 6. The form of the fuel permeation unit 6 is not particularly limited as long as it has a function of holding the liquid fuel therein and supplying only the vaporized fuel to the fuel electrode through the fuel supply vaporization unit 7. For example, a liquid fuel passage may be provided, and a gas-liquid separation membrane may be provided at the interface with the fuel vaporization unit 7. Furthermore, when supplying liquid fuel to the fuel penetration part 6 by capillary force, the form of the fuel penetration part 6 will not be specifically limited if liquid fuel can be penetrated by capillary force. In addition to a porous body composed of particles and fillers, a nonwoven fabric produced by a papermaking method, a woven fabric woven with fibers, and the like, gaps formed between plates of glass or plastic can also be used.

ここで燃料浸透部6として多孔質体を用いた場合について説明する、液体燃料を燃料浸透部側に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部6を構成する多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このような毛管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部6の孔を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径を制御するとともに、液体燃料導入部側10の燃料浸透部6側面から少なくとも他の一面まで連続した連続孔とすることによって、液体燃料を横方向で円滑に毛管力で供給することが可能となる。   Here, the case where a porous body is used as the fuel permeation portion 6 will be described. As a capillary force for drawing liquid fuel to the fuel permeation portion side, first, the capillary force of the porous body itself constituting the fuel permeation portion 6 is as follows. Can be mentioned. When such a capillary force is used, a so-called continuous hole is formed by connecting the holes of the fuel permeation unit 6 that is a porous body, the hole diameter is controlled, and the side surface of the fuel permeation unit 6 on the liquid fuel introduction side 10 is controlled. By forming continuous holes from at least one other surface, it is possible to supply liquid fuel smoothly in the lateral direction with capillary force.

燃料浸透部6として用いられる多孔質体の孔径等は、液体燃料導入部10の液体燃料に引き込むことができるものであればよく、特に限定されるものではないが、液体燃料導入部10の毛管力を考慮したうえで0.01〜150um程度とすることが好ましい。   The pore diameter and the like of the porous body used as the fuel permeation section 6 are not particularly limited as long as it can be drawn into the liquid fuel of the liquid fuel introduction section 10. The capillary of the liquid fuel introduction section 10 is not particularly limited. Considering the force, it is preferable to be about 0.01 to 150 μm.

また、多孔質体における孔の連続性の指標となる孔の体積は、20〜90%程度とすることが好ましい。孔径が0.01umより小さいと燃料浸透部の製造が困難なり、一方150umを超えると毛管力が低下する恐れがある。また孔の体積が20%未満となると連続孔の量が減少して閉鎖された孔が増えるため、充分な毛管力を得ることが困難になる。実用的には燃料浸透部6を構成する多孔質体は、孔径が0.5〜100umの範囲であることが好ましく、孔の体積は30〜75%の範囲とすることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the volume of the hole used as the parameter | index of the continuity of the hole in a porous body shall be about 20 to 90%. When the pore diameter is smaller than 0.01 μm, it is difficult to manufacture the fuel permeation portion, while when it exceeds 150 μm, the capillary force may be reduced. Further, if the pore volume is less than 20%, the amount of continuous pores is reduced and the number of closed pores is increased, so that it is difficult to obtain sufficient capillary force. Practically, the porous body constituting the fuel infiltration portion 6 preferably has a pore diameter in the range of 0.5 to 100 μm, and the pore volume in the range of 30 to 75%.

次に本発明の実施例および比較例を詳述する。なお、以下の処理、試験、測定を採用した。
<プロトン伝導膜前処理>
作製したプロトン伝導膜を0.1NのHClに一晩浸漬して溶媒を除き、ついで、イオン交換水で2時間洗浄し、表面の水をふき取り、その後2時間120℃で減圧乾燥した。
Next, examples and comparative examples of the present invention will be described in detail. In addition, the following processes, tests, and measurements were adopted.
<Proton conductive membrane pretreatment>
The produced proton conducting membrane was immersed in 0.1N HCl overnight to remove the solvent, then washed with ion-exchanged water for 2 hours, wiped off the surface water, and then dried under reduced pressure at 120 ° C. for 2 hours.

<溶媒溶解試験>
前処理したプロトン伝導膜(1cmX4cm)を、20mLの%NMPに、室温下3日間浸漬し、120℃で3時間乾燥し、浸漬前後の重量変化を測定した。
溶解度(重量%)={[(NMP浸漬前の重量−NMP浸漬後の重量)]/(NMP水溶液浸漬前の重量)}×100
<Solvent dissolution test>
The pretreated proton conductive membrane (1 cm × 4 cm) was immersed in 20 mL of% NMP for 3 days at room temperature and dried at 120 ° C. for 3 hours, and the change in weight before and after immersion was measured.
Solubility (% by weight) = {[(weight before NMP immersion−weight after NMP immersion)] / (weight before immersion in NMP aqueous solution)} × 100

<粘弾性測定>
RSA-II粘弾性測定装置を用い、30℃〜300℃の温度範囲で貯蔵弾性率の測定を行った。貯蔵弾性率減少率は以下のように算出した。
(30℃における調製したプロトン伝導膜の貯蔵弾性率−プロトン伝導膜の有機プロトン伝導性高分子の分子鎖の、ミクロブラウン運動由来の主分散が観測される温度における貯蔵弾性率)/(30℃における調製したプロトン伝導膜の貯蔵弾性率)
<Measurement of viscoelasticity>
Using an RSA-II viscoelasticity measuring device, the storage elastic modulus was measured in a temperature range of 30 ° C to 300 ° C. The storage elastic modulus reduction rate was calculated as follows.
(Storage Elastic Modulus of Proton Conducting Membrane Prepared at 30 ° C.—Storage Elastic Modulus at Temperature at which Main Dispersion Derived from Micro Brownian Motion of Molecular Chain of Organic Proton Conducting Polymer of Proton Conducting Membrane) / (30 ° C. Storage modulus of proton conducting membrane prepared in

<膨潤度測定(面積変化)>
前処理後のプロトン伝導膜(1cmX4cm)を、室温下でのMeOH中で1時間処理し、処理前後の面積変化により膨潤度を算出した。
膨潤度(%)={[(MeOH浸漬後の面積)−(MeOH浸漬前の面積)]/(MeOH水溶液浸漬前の面積)}X100
<Swelling degree measurement (area change)>
The pre-treated proton conducting membrane (1 cm × 4 cm) was treated in MeOH at room temperature for 1 hour, and the degree of swelling was calculated from the area change before and after the treatment.
Swelling degree (%) = {[(Area after immersion in MeOH) − (Area before immersion in MeOH)] / (Area before immersion in MeOH aqueous solution)} X100

<プロトン伝導度測定>
MeOH30%水溶液にサンプルを浸漬後室温において測定を実施した。インピーダンスの測定にはソーラトロン社のインピーダンスアナライザーを用い、交流法にて行った。振幅10mV、10k〜1kHzの周波数掃引を行い、得られたcole−coleプロットを直線近似し、実軸との切片を抵抗とした。
図3に示すように、上記の前処理後のプロトン伝導膜15を配置し、その上下に、白金板16を配置し、白金板の間を適宜通電し抵抗を測定し伝導度を算出した。
プロトン伝導度=1/[(抵抗)×(試料膜厚)×(試料面積)]
<Measurement of proton conductivity>
The measurement was carried out at room temperature after the sample was immersed in a 30% MeOH aqueous solution. The impedance was measured by an alternating current method using a Solartron impedance analyzer. A frequency sweep with an amplitude of 10 mV and 10 k to 1 kHz was performed, the obtained colle-coll plot was linearly approximated, and the intercept with the real axis was defined as resistance.
As shown in FIG. 3, the proton conductive membrane 15 after the above pretreatment was disposed, platinum plates 16 were disposed above and below it, and the resistance was measured by appropriately energizing between the platinum plates to calculate the conductivity.
Proton conductivity = 1 / [(resistance) × (sample film thickness) × (sample area)]

<メタノール溶解試験>
前処理したプロトン伝導膜(1cmX4cm)を、20mLのMeOHに、25℃、3日間浸漬し、120℃で3時間乾燥し、浸漬前後の重量変化を測定した。
<Methanol dissolution test>
The pretreated proton conductive membrane (1 cm × 4 cm) was immersed in 20 mL of MeOH at 25 ° C. for 3 days and dried at 120 ° C. for 3 hours, and the change in weight before and after immersion was measured.

<有機プロトン伝導性高分子の合成>
[参考例1]
粉砕したポリエーテルエーテルケトン10gを濃硫酸200mLに徐々に添加し、5時間スルホン化反応を行った。反応終了後、4Lのイオン交換水で3回洗浄を行い、ろ過で回収後、120℃で一晩乾燥を行い、本発明に係る有機プロトン伝導性高分子の一つである、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンを得た。1H−NMRにより算出したスルホン化率は58モル%(EW:576)であった。
<Synthesis of organic proton conducting polymer>
[Reference Example 1]
10 g of the pulverized polyether ether ketone was gradually added to 200 mL of concentrated sulfuric acid, and the sulfonation reaction was performed for 5 hours. After completion of the reaction, it is washed 3 times with 4 L of ion exchange water, recovered by filtration, dried at 120 ° C. overnight, and sulfonated polyether which is one of the organic proton conductive polymers according to the present invention. Ether ketone was obtained. The sulfonation rate calculated by 1H-NMR was 58 mol% (EW: 576).

[参考例2]
粉砕したポリエーテルスルホン10gを濃硫酸200mLに徐々に添加し、5時間スルホン化反応を行った。反応終了後4Lのイオン交換水で3回洗浄を行い、ろ過で回収後、120℃で一晩乾燥を行い、本発明に係る有機プロトン伝導性高分子の一つである、スルホン化ポリエーテルスルホンを得た。1H−NMRにより算出したスルホン化率は35モル%(EW:742)であった。
[Reference Example 2]
10 g of pulverized polyethersulfone was gradually added to 200 mL of concentrated sulfuric acid, and the sulfonation reaction was carried out for 5 hours. After completion of the reaction, it was washed 3 times with 4 L of ion exchange water, recovered by filtration, dried at 120 ° C. overnight, and sulfonated polyethersulfone, which is one of the organic proton conductive polymers according to the present invention. Got. The sulfonation rate calculated by 1H-NMR was 35 mol% (EW: 742).

[実施例1]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5g、3−アミノプロピルトリエトキシシラン0.1g(アミノ基等量:0.14)、を添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物を含む溶液を調製した。この溶液4gを、参考例1で調製したスルホン化率58モル%のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Example 1]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid and react at 30 ° C. for 3 hours. Further, 2.5 g of tetraethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane 0 0.1 g (amino group equivalent: 0.14) was added and reacted at 30 ° C. for 3 hours to prepare a solution containing a metal oxide. 4 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyether ether ketone having a sulfonation rate of 58 mol% prepared in Reference Example 1 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が52重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は8重量%であり、実質的に溶解性を示さなかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane having an organic proton conductive polymer of 52% by weight.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 8% by weight and substantially no solubility was exhibited.

またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は20%であり、貯蔵弾性率の緩和は小さかった。
さらにプロトン伝導膜の電子顕微鏡観察において、金属アルコキシド誘導体が、実質的にミクロンオーダ以下のサイズでしか観察されなかった。
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 20%, and the relaxation of the storage elastic modulus was small.
Furthermore, in observation of the proton conducting membrane with an electron microscope, the metal alkoxide derivative was observed only in a size substantially less than a micron order.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシド誘導体の互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認された。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は1重量%であり、実質的に溶解性を示さなかった。
From the above, it was confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide derivative entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 1% by weight and substantially no solubility was exhibited.

膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては25%、30%メタノール水溶液中では20%であった。プロトン伝導度測定によるプロトン伝導度は2.0X10−3S/cmであった。
これらの結果から、耐メタノール溶解性を示し、膨潤度の抑制が可能であり、固体高分子型燃料電池としての使用に充分なプロトン伝導性を有することが理解される。
In the measurement of the degree of swelling, the degree of swelling (%) was 25% in methanol and 20% in 30% aqueous methanol. The proton conductivity measured by proton conductivity was 2.0 × 10 −3 S / cm.
From these results, it is understood that methanol solubility resistance is exhibited, swelling degree can be suppressed, and proton conductivity sufficient for use as a polymer electrolyte fuel cell is obtained.

[実施例2]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5g、3−アミノプロピルトリエトキシシラン0.1g(アミノ基等量:0.18)、を添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物を含む溶液を調製した。この溶液4gを、参考例2で調製したスルホン化率20モル%のスルホン化ポリエーテルスルホン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Example 2]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid and react at 30 ° C. for 3 hours. Further, 2.5 g of tetraethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane 0 0.1 g (amino group equivalent: 0.18) was added and reacted at 30 ° C. for 3 hours to prepare a solution containing a metal oxide. 4 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyethersulfone having a sulfonation rate of 20 mol% prepared in Reference Example 2 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が52重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は12重量%であり、実質的に溶解性を示さなかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane having an organic proton conductive polymer of 52% by weight.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 12% by weight, and substantially no solubility was exhibited.

またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は30%であり、貯蔵弾性率の緩和は小さかった。
さらにプロトン伝導膜の電子顕微鏡観察において、金属アルコキシド誘導体が、実質的にミクロンオーダ以下のサイズでしか観察されなかった。
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 30%, and the relaxation of the storage elastic modulus was small.
Furthermore, in observation of the proton conducting membrane with an electron microscope, the metal alkoxide derivative was observed only in a size substantially less than a micron order.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシドの互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認された。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は2重量%であり、実質的に溶解性を示さなかった。
From the above, it was confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 2% by weight and substantially no solubility was exhibited.

膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては27%、30%メタノール水溶液中では22%であった。プロトン伝導度測定によるプロトン伝導度は1.7X10−3S/cmであった。
これらの結果から、耐メタノール溶解性を示し、膨潤度の抑制が可能であり、固体高分子型燃料電池としての使用に充分なプロトン伝導性を有することが理解される。
In the degree of swelling measurement, the degree of swelling (%) was 27% in methanol and 22% in 30% aqueous methanol. The proton conductivity measured by proton conductivity was 1.7 × 10 −3 S / cm.
From these results, it is understood that methanol solubility resistance is exhibited, swelling degree can be suppressed, and proton conductivity sufficient for use as a polymer electrolyte fuel cell is obtained.

[実施例3]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5g、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン0.1g(アミノ基等量:0.2)、を添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物を含む溶液を調製した。
この溶液4gを、参考例1で調製したスルホン化率58モル%のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Example 3]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid, react at 30 ° C. for 3 hours, and further 2.5 g of tetraethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane 0.1g (amino group equivalent: 0.2) was added and reacted at 30 ° C for 3 hours to prepare a solution containing a metal oxide.
4 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyether ether ketone having a sulfonation rate of 58 mol% prepared in Reference Example 1 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が52重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は8重量%であり、実質的に溶解性を示さなかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane having an organic proton conductive polymer of 52% by weight.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 8% by weight and substantially no solubility was exhibited.

またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は20%であり、貯蔵弾性率の緩和は小さかった。
さらにプロトン伝導膜の電子顕微鏡観察において、金属アルコキシド誘導体が、実質的にミクロンオーダ以下のサイズでしか観察されなかった。
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 20%, and the relaxation of the storage elastic modulus was small.
Furthermore, in observation of the proton conducting membrane with an electron microscope, the metal alkoxide derivative was observed only in a size substantially less than a micron order.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシド誘導体の互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認された。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は1重量%であり、実質的に溶解性を示さなかった。
From the above, it was confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide derivative entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 1% by weight and substantially no solubility was exhibited.

膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては25%、30%メタノール水溶液中では20%であった。プロトン伝導度測定によるプロトン伝導度は2.0X10−3S/cmであった。
これらの結果から、耐メタノール溶解性を示し、膨潤度の抑制が可能であり、固体高分子型燃料電池としての使用に充分なプロトン伝導性を有することが理解される。
In the measurement of the degree of swelling, the degree of swelling (%) was 25% in methanol and 20% in a 30% aqueous methanol solution. The proton conductivity measured by proton conductivity was 2.0 × 10 −3 S / cm.
From these results, it is understood that methanol solubility resistance is exhibited, swelling degree can be suppressed, and proton conductivity sufficient for use as a polymer electrolyte fuel cell is obtained.

[実施例4]
40重量%の白金担持カーボンに、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンが10重量%のNMP溶液を、白金担持カーボンとスルホン化ポリエーテルエーテルケトンとの重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極形成用溶液)を調製した。この電極形成用溶液を実施例1で得られたプロトン伝導膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量4mg/cmの電極/膜/電極ユニットを作成した。得られた電極/膜/電極ユニットは、良好な形状保持性を示し、また、手で曲げても、ひび割れや剥離は起こらなかった。
[Example 4]
An NMP solution containing 10% by weight of sulfonated polyetheretherketone is added to 40% by weight of platinum-supported carbon so that the weight ratio of platinum-supported carbon and sulfonated polyetheretherketone is 2: 1. To prepare a paste (electrode forming solution). This electrode forming solution was applied to both sides of the proton conducting membrane obtained in Example 1, and then dried to prepare an electrode / membrane / electrode unit having a platinum loading of 4 mg / cm 2 . The obtained electrode / membrane / electrode unit exhibited good shape retention, and even when bent by hand, neither cracking nor peeling occurred.

[実施例5]
40重量%の白金担持カーボンに、スルホン化ポリエーテルスルホンが10重量%のNMP溶液を、白金担持カーボンとスルホン化スルホンとの重量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてペースト(電極形成用溶液)を調製した。この電極形成用溶液を実施例2で得られたプロトン伝導膜の両側に塗布した後、乾燥して白金担持量4mg/cmの電極/膜/電極ユニットを作成した。得られた電極/膜/電極ユニットは、良好な形状保持性を示し、また、手で曲げても、ひび割れや剥離は起こらなかった。
[Example 5]
An NMP solution containing 10% by weight of sulfonated polyethersulfone is added to 40% by weight of platinum-supported carbon so that the weight ratio of platinum-supported carbon to sulfonated sulfone is 2: 1 and dispersed uniformly. A paste (electrode forming solution) was prepared. This electrode forming solution was applied to both sides of the proton conducting membrane obtained in Example 2 and then dried to prepare an electrode / membrane / electrode unit having a platinum loading of 4 mg / cm 2 . The obtained electrode / membrane / electrode unit exhibited good shape retention, and even when bent by hand, neither cracking nor peeling occurred.

[実施例6]
<燃料電池単セル性能評価>
実施例1で調整したプロトン伝導膜を用い、電極/膜/電極ユニットを作製し図1に示した評価セルに組み込み、燃料電池出力性能を評価した。燃料として10Mメタノール水溶液を供給し、空気を流すとともに、セルの両面を40℃に加熱して10mA/cmの電流をとり、電池性能の時間的安定性を観測した。その結果、数時間経過後でも出力は安定していた。
[Example 6]
<Fuel cell single cell performance evaluation>
Using the proton conducting membrane prepared in Example 1, an electrode / membrane / electrode unit was prepared and incorporated in the evaluation cell shown in FIG. 1, and the fuel cell output performance was evaluated. A 10M methanol aqueous solution was supplied as a fuel, air was allowed to flow, and both sides of the cell were heated to 40 ° C. to obtain a current of 10 mA / cm 2 , and the temporal stability of the battery performance was observed. As a result, the output was stable even after several hours.

[実施例7]
<燃料電池単セル性能評価>
実施例2で調整したプロトン伝導膜を用い、電極/膜/電極ユニットを作製し図1に示した評価セルに組み込み、燃料電池出力性能を評価した。燃料として10Mメタノール水溶液を供給し、空気を流すとともに、セルの両面を40℃に加熱して10mA/cmの電流をとり、電池性能の時間的安定性を観測した。その結果、数時間経過後でも出力は安定していた。
[Example 7]
<Fuel cell single cell performance evaluation>
Using the proton conducting membrane prepared in Example 2, an electrode / membrane / electrode unit was prepared and incorporated in the evaluation cell shown in FIG. 1, and the fuel cell output performance was evaluated. A 10M methanol aqueous solution was supplied as a fuel, air was allowed to flow, and both surfaces of the cell were heated to 40 ° C. to obtain a current of 10 mA / cm 2 , and the temporal stability of the battery performance was observed. As a result, the output was stable even after several hours.

[比較例1]
参考例1で得られた、スルホン化率58モル%のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)を調製し、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、プロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は100重量%であり、完全溶解した。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は100重量%であり、完全溶解した。
[Comparative Example 1]
An NMP solution (5.7 mL) obtained by dissolving 1 g of a sulfonated polyether ether ketone having a sulfonation rate of 58 mol% obtained in Reference Example 1 was prepared, and a film-like material was formed on a glass substrate using an applicator. And dried at 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conducting membrane.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 100% by weight and was completely dissolved.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 100% by weight and was completely dissolved.

[比較例2]
参考例2で得られた、スルホン化率20モル%のスルホン化ポリエーテルスルホン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)を調製し、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、プロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は100重量%であり、完全溶解した。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は100重量%であり、完全溶解した。
[Comparative Example 2]
An NMP solution (5.7 mL) obtained by dissolving 1 g of a sulfonated polyethersulfone having a sulfonation rate of 20 mol% obtained in Reference Example 2 was prepared, and a film was formed on a glass substrate using an applicator. This was applied and dried at 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conducting membrane.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 100% by weight and was completely dissolved.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 100% by weight and was completely dissolved.

[比較例3]
テトラエトキシシラン2.5g、5mlのNMPに溶解し、1mlの1N塩酸を添加後30℃で3時間反応を行い金属酸化物を含む溶液を調製した。この溶液3gを、スルホン化率58モル%のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃、3時間反応した後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、金属アルコキシドが52重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は30重量%であり、溶解性を示した。
またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は93%であり、貯蔵弾性率の緩和は大きかった。
[Comparative Example 3]
A solution containing metal oxide was prepared by dissolving 2.5 g of tetraethoxysilane in 5 ml of NMP, adding 1 ml of 1N hydrochloric acid, and reacting at 30 ° C. for 3 hours. 3 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyether ether ketone having a sulfonation rate of 58 mol% was dissolved, reacted at 80 ° C. for 3 hours, and then made of glass using an applicator. The film was coated on the substrate in a film form and dried at 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane having a metal alkoxide content of 52% by weight.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 30% by weight, indicating solubility.
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 93%, and the relaxation of the storage elastic modulus was large.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシドの互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認されなかった。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は25重量%であった。
膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては75%、30%メタノール水溶液中では70%であった。
これらの結果から、メタノール溶解性を示し、ダイレクトメタノール型固体高分子型燃料電池としての使用には不十分であることが理解される。
From the above, it was not confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 25% by weight.
In the degree of swelling measurement, the degree of swelling (%) was 75% in methanol and 70% in a 30% aqueous methanol solution.
From these results, it is understood that methanol solubility is exhibited and it is insufficient for use as a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell.

[比較例4]
テトラエトキシシラン2.5g、テトライソプロポキシチタン0.5gを5mlのNMPに溶解し、1mlの水を添加後30℃で3時間反応を行い金属酸化物を含む溶液を調製した。この溶液3gを、参考例2で調製したスルホン化率35モル%のスルホン化ポリエーテルスルホン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Comparative Example 4]
A solution containing metal oxide was prepared by dissolving 2.5 g of tetraethoxysilane and 0.5 g of tetraisopropoxytitanium in 5 ml of NMP, adding 1 ml of water and reacting at 30 ° C. for 3 hours. 3 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyethersulfone having a sulfonation rate of 35 mol% prepared in Reference Example 2 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が52重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜は均一な膜厚の良好な膜となっており、手で曲げても折れるようなことはなく、良好な可撓性を示した。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は35重量%であり、溶解性を示した。
またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は95%であり、貯蔵弾性率の緩和は大きかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane having an organic proton conductive polymer of 52% by weight.
The obtained proton conducting membrane was a good membrane having a uniform thickness, and did not break even when bent by hand, and showed good flexibility.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 35% by weight, indicating solubility.
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 95%, and the relaxation of the storage elastic modulus was large.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシドの互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認されなかった。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は30重量%であり、溶解性を示した。
膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては80%、30%メタノール水溶液中では75%であった。
これらの結果から、メタノール溶解性を示し、ダイレクトメタノール型固体高分子型燃料電池としての使用には不十分であることが理解される。
From the above, it was not confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 30% by weight, indicating solubility.
In the degree of swelling measurement, the degree of swelling (%) was 80% in methanol and 75% in 30% aqueous methanol.
From these results, it is understood that methanol solubility is exhibited and it is insufficient for use as a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell.

[比較例5]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5gを添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物を含む溶液を調製した。
この溶液4gを、参考例1で調製したスルホン化率58モル%のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Comparative Example 5]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid, react at 30 ° C. for 3 hours, add 2.5 g of tetraethoxysilane and react at 30 ° C. for 3 hours. And a solution containing a metal oxide was prepared.
4 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyether ether ketone having a sulfonation rate of 58 mol% prepared in Reference Example 1 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が58重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は13重量%であり、溶解性を示した。
またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は91%であり、貯蔵弾性率の緩和は大きかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane containing 58% by weight of organic proton conductive polymer.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 13% by weight, indicating solubility.
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 91%, and the relaxation of the storage elastic modulus was large.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシドの互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認されなかった。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は20重量%であり、溶解性を示した。
膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては55%、30%メタノール水溶液中では50%であった。
これらの結果から、メタノール溶解性を示し、ダイレクトメタノール型固体高分子型燃料電池としての使用には不十分であることが理解される。
From the above, it was not confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 20% by weight, indicating solubility.
In the degree of swelling measurement, the degree of swelling (%) was 55% in methanol and 50% in a 30% aqueous methanol solution.
From these results, it is understood that methanol solubility is exhibited and it is insufficient for use as a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell.

[比較例6]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5g、を添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物誘導体を含む溶液を調製した。
この溶液4gを、参考例2で調製したスルホン化率35モル%のスルホン化ポリエーテルスルホン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Comparative Example 6]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid, react at 30 ° C. for 3 hours, add 2.5 g of tetraethoxysilane, and add at 30 ° C. for 3 hours. Reaction was performed and the solution containing a metal oxide derivative was prepared.
4 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyethersulfone having a sulfonation rate of 35 mol% prepared in Reference Example 2 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が58重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は17重量%であり、溶解性を示した。
またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は93%であり、貯蔵弾性率の緩和は大きかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane containing 58% by weight of organic proton conductive polymer.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 17% by weight, indicating solubility.
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 93%, and the relaxation of the storage elastic modulus was large.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシドの互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認されなかった。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は25重量%であり、溶解性を示した。
膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては60%、30%メタノール水溶液中では55%であった。
From the above, it was not confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 25% by weight, indicating solubility.
In the degree of swelling measurement, the degree of swelling (%) was 60% in methanol and 55% in a 30% aqueous methanol solution.

[比較例7]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5g、3−アミノプロピルトリメトキシシラン0.1gを添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物誘導体を含む溶液を調製した。
この溶液2.5gを、参考例2で調製したスルホン化率35モル%のスルホン化ポリエーテルスルホン1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Comparative Example 7]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid, react at 30 ° C. for 3 hours, and further add 2.5 g of tetraethoxysilane and 3-aminopropyltrimethoxysilane. 0.1 g was added and reacted at 30 ° C. for 3 hours to prepare a solution containing a metal oxide derivative.
2.5 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 1 g of a sulfonated polyethersulfone having a sulfonation rate of 35 mol% prepared in Reference Example 2 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours.

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行い、有機プロトン伝導性高分子が65重量%のプロトン伝導膜を得た。
得られたプロトン伝導膜のNMP溶解試験において、溶解度は17重量%であり、溶解性を示した。
またプロトン伝導膜の動的粘弾性測定における貯蔵弾性率の減少率は93%であり、貯蔵弾性率の緩和は大きかった。
Thereafter, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried under conditions of 150 ° C. for 2 hours to obtain a proton conductive membrane containing 65% by weight of organic proton conductive polymer.
In the NMP dissolution test of the obtained proton conducting membrane, the solubility was 17% by weight, indicating solubility.
Further, the decrease rate of the storage elastic modulus in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conducting membrane was 93%, and the relaxation of the storage elastic modulus was large.

以上のことから当該プロトン伝導膜は、有機プロトン伝導性高分子と金属アルコキシドの互いの分子鎖同士が相互に侵入して網目構造を形成していることが確認されなかった。
得られたプロトン伝導膜メタノール溶解試験において、溶解度は25重量%であり、溶解性を示した。
膨潤度測定では、膨潤度(%)はメタノール中においては60%、30%メタノール水溶液中では55%であった。
From the above, it was not confirmed that the proton conducting membrane had a network structure in which the molecular chains of the organic proton conducting polymer and the metal alkoxide entered each other.
In the obtained proton conducting membrane methanol dissolution test, the solubility was 25% by weight, indicating solubility.
In the degree of swelling measurement, the degree of swelling (%) was 60% in methanol and 55% in a 30% aqueous methanol solution.

[比較例8]
チタンテトライソプロポキシド0.85gを5mlのNMPに溶解し、1.18gのリン酸を添加後30℃で3時間反応を行い、さらにテトラエトキシシラン2.5g、3−アミノプロピルトリエトキシシラン0.1g(アミノ基等量:1.76)、を添加し30℃、3時間反応を行い、金属酸化物を含む溶液を調製した。この溶液4gを、参考例1で調製したスルホン化率58モル%のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン0.1gが溶解したNMP溶液(5.7mL)に添加し、80℃で3時間撹拌を行った。
[Comparative Example 8]
Dissolve 0.85 g of titanium tetraisopropoxide in 5 ml of NMP, add 1.18 g of phosphoric acid and react at 30 ° C. for 3 hours. Further, 2.5 g of tetraethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane 0 0.1 g (amino group equivalent: 1.76) was added and reacted at 30 ° C. for 3 hours to prepare a solution containing a metal oxide. 4 g of this solution was added to an NMP solution (5.7 mL) in which 0.1 g of a sulfonated polyether ether ketone having a sulfonation rate of 58 mol% prepared in Reference Example 1 was dissolved, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours. .

その後、アプリケーターを用いて、ガラス製の基材上にフィルム状に塗布し、150℃、2時間の条件で乾燥を行ったがひび割れが発生しプロトン伝導膜を得ることが出来なかった。   Then, using an applicator, the film was coated on a glass substrate and dried at 150 ° C. for 2 hours. However, cracks occurred and a proton conducting membrane could not be obtained.

燃料電池(単セル)を模式的に示す概略図である。It is the schematic which shows a fuel cell (single cell) typically. 燃料電池のスタック本体における単電池の構成を表す概略図。Schematic showing the structure of the cell in the stack main body of a fuel cell. プロトン伝導度測定方法の概略図。Schematic of the proton conductivity measurement method.

符号の説明Explanation of symbols

1 プロトン伝導膜
2 燃料極
3 酸化剤極
4 起電部
5 セパレーター
6 燃料浸透部
7 燃料気化部
8 酸化剤ガス供給溝
9 スタック本体
10 液体導入路
11 燃料タンク
12 液体燃料
13 導入管
14 ジャンクション
15 プロトン伝導膜
16 白金板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Proton conductive membrane 2 Fuel electrode 3 Oxidant electrode 4 Electromotive part 5 Separator 6 Fuel penetration part 7 Fuel vaporization part 8 Oxidant gas supply groove 9 Stack main body 10 Liquid introduction path 11 Fuel tank 12 Liquid fuel 13 Inlet pipe 14 Junction 15 Proton conducting membrane 16 Platinum plate

Claims (15)

(1)アミノ基を含有するケイ素アルコキシド(A)とアミノ基を含有しないケイ素のアルコキシド(B)とチタン、アルミニウム、ジルコニウムのいずれか一つ以上を含有する金属アルコキシド(C)とリン酸化合物または亜リン酸化合物(D)を加水分解および縮合することにより、金属酸化物誘導体を含む第一の溶液を調製し、
(2)ついで第一の溶液を動的粘弾性測定における分子鎖のミクロブラウン運動由来の主分散が観測される温度(T)が60℃〜270℃である有機プロトン伝導性高分子を含有する溶液中に添加して、該有機プロトン伝導性高分子と金属酸化物誘導体とを含む第二の溶液を調製し、
(3)当該第二の溶液から流延法により得られるプロトン伝導膜であり、
該プロトン伝導膜の動的粘弾性測定において、30℃における貯蔵弾性率に対する温度(T)での貯蔵弾性率の減少率が90%以下であるプロトン伝導膜。
(1) A silicon alkoxide (A) containing an amino group, a silicon alkoxide (B) containing no amino group, a metal alkoxide (C) containing any one or more of titanium, aluminum and zirconium and a phosphoric acid compound or Preparing a first solution containing the metal oxide derivative by hydrolyzing and condensing the phosphorous acid compound (D);
(2) Next, the first solution contains an organic proton conductive polymer having a temperature (T) of 60 ° C. to 270 ° C. at which main dispersion derived from micro-Brownian motion of molecular chains in dynamic viscoelasticity measurement is observed. Adding to the solution to prepare a second solution containing the organic proton conductive polymer and the metal oxide derivative;
(3) a proton conducting membrane obtained by casting from the second solution,
A proton conductive membrane in which the rate of decrease in storage elastic modulus at a temperature (T) relative to the storage elastic modulus at 30 ° C. is 90% or less in the dynamic viscoelasticity measurement of the proton conductive membrane.
該有機プロトン伝導性高分子を20〜60重量%含有する、請求項1に記載のプロトン伝導膜。   The proton conducting membrane according to claim 1, comprising 20 to 60% by weight of the organic proton conducting polymer. 前記有機プロトン伝導性高分子が、側鎖末端にプロトン解離性基を有する有機プロトン伝導性高分子である請求項1または2に記載のプロトン伝導膜。   3. The proton conducting membrane according to claim 1, wherein the organic proton conducting polymer is an organic proton conducting polymer having a proton dissociable group at a side chain end. 前記プロトン解離性基が、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびそれらの誘導体の内の少なくとも一つである、請求項3に記載のプロトン伝導膜。   The proton conductive membrane according to claim 3, wherein the proton dissociable group is at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof. 前記有機プロトン伝導性高分子がスルホン化ポリエーテルエーテルケトンまたはスルホン化ポリエーテルスルホンである請求項1または2に記載のプロトン伝導膜。   The proton conductive membrane according to claim 1 or 2, wherein the organic proton conductive polymer is sulfonated polyetheretherketone or sulfonated polyethersulfone. 前記アミノ基を含有するケイ素アルコキシドのアミノ基含有量が、前記有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基に対して0.05〜0.55等量である請求項3又は4記載のプロトン伝導膜。   The proton according to claim 3 or 4, wherein the amino group content of the silicon alkoxide containing an amino group is 0.05 to 0.55 equivalent to the proton dissociable group in the organic proton conductive polymer. Conductive membrane. プロトン伝導膜100重量%に対して、リン酸化合物または亜リン酸化合物を0.5〜30重量%含有する請求項1に記載のプロトン伝導膜。   2. The proton conducting membrane according to claim 1, comprising 0.5 to 30% by weight of a phosphoric acid compound or a phosphorous acid compound with respect to 100% by weight of the proton conducting membrane. メタノールまたは10〜69体積%の濃度のメタノール水溶液中に、25℃で72時間保持したときの溶解度が5%以下である請求項1に記載のプロトン伝導膜。   2. The proton conducting membrane according to claim 1, which has a solubility of 5% or less when held in methanol or a methanol aqueous solution having a concentration of 10 to 69% by volume at 25 ° C. for 72 hours. 請求項1に記載のプロトン伝導膜の両面に、電気伝導性微粒子よりなる担体に金属を担持した触媒電極を配置してなる、触媒電極とプロトン伝導膜との接合体。   A joined body of a catalyst electrode and a proton conductive membrane, wherein a catalyst electrode in which a metal is supported on a carrier made of electrically conductive fine particles is disposed on both surfaces of the proton conductive membrane according to claim 1. 前記電気伝導性微粒子が炭素微粒子を含む、請求項9に記載の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体。   The joined body of a catalyst electrode and a proton conductive membrane according to claim 9, wherein the electrically conductive fine particles include carbon fine particles. 前記触媒電極が有機プロトン伝導性高分子を含む、請求項9または10に記載の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体。   The joined body of a catalyst electrode and a proton conductive membrane according to claim 9 or 10, wherein the catalyst electrode contains an organic proton conductive polymer. 前記有機プロトン伝導性高分子が、側鎖末端にプロトン解離性基を有している、請求項11に記載の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体。   The joined body of a catalyst electrode and a proton conductive membrane according to claim 11, wherein the organic proton conductive polymer has a proton dissociable group at a side chain end. 前記有機プロトン伝導性高分子中のプロトン解離性基が、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびそれらの誘導体の内の少なくとも一つである、請求項12記載の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体。   The catalyst electrode according to claim 12, wherein the proton dissociable group in the organic proton conductive polymer is at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof. And proton conductive membrane. 前記有機プロトン伝導性高分子がスルホン化ポリエーテルエーテルケトンもしくはスルホン化ポリエーテルスルホンである請求項13に記載の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体。   The joined body of the catalyst electrode and the proton conductive membrane according to claim 13, wherein the organic proton conductive polymer is sulfonated polyetheretherketone or sulfonated polyethersulfone. 請求項10〜14のいずれか1項に記載の触媒電極とプロトン伝導膜との接合体を使用してなる燃料電池。   A fuel cell comprising the joined body of the catalyst electrode according to any one of claims 10 to 14 and a proton conductive membrane.
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