JP2005327703A - Solid polyelectrolyte, solid polymer gel film, solid polyelectrolyte film, and fuel cell - Google Patents

Solid polyelectrolyte, solid polymer gel film, solid polyelectrolyte film, and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polyelectrolyte, a solid polyelectrolyte film, and a solid polymer gel film superior in ion conductivity and methanol preventive characteristics, and provide the solid polyelectrolyte film including the solid polymer gel film. <P>SOLUTION: The solid polyelectrolyte contains a composition obtained by mixing a polymer solution having an acid group and a polymer solution having a basic group. The polymer having the acid group is an aliphatic polymer having at least one kind selected from a group composed of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group and carboxylic group at a side chain, and the polymer having the basicity is the aliphatic polymer or an aromatic polymer having at least one kind selected from a group composed of an amino group, an amide group, and a urea group in the main chain or in the side chain. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、イオン伝導性の固体高分子電解質に関する。さらに詳細には高いイオン伝導性を有する固体高分子ゲル膜、および固体高分子電解質膜に関する。この固体高分子電解質膜は、燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池用イオン伝導膜、酸化還元電池、電気透析膜、逆浸透膜、ナノ濾過膜、拡散透析膜、ガス分離膜、浸透気化及び浸透抽出膜、湿度センサ、ガスセンサの分野に使用される。また、本発明による固体高分子ゲル膜を多孔質膜で挟んでなる固体高分子電解質膜は、極めて低いメタノール透過性を有し、ダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCと称する)用電解質膜として使用される。   The present invention relates to an ion conductive solid polymer electrolyte. More specifically, the present invention relates to a solid polymer gel film having high ion conductivity and a solid polymer electrolyte film. This solid polymer electrolyte membrane includes fuel cells, ion conductive membranes for solid polymer electrolyte fuel cells, redox cells, electrodialysis membranes, reverse osmosis membranes, nanofiltration membranes, diffusion dialysis membranes, gas separation membranes, pervaporation and Used in the fields of osmotic extraction membranes, humidity sensors, and gas sensors. In addition, the solid polymer electrolyte membrane formed by sandwiching the solid polymer gel membrane according to the present invention between porous membranes has extremely low methanol permeability, and is used as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC). used.

近年、次世代型クリーンエネルギー源として燃料電池が重要な地位を占めつつある。この燃料電池のうち、固体高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと称する)は、固体高分子電解質膜の両面にアノードおよびカソードの両電極が配置されたものである。例えば、このPEFCに燃料としてメタノールを使用する場合、アノード側にメタノールを、またカソード側には酸素または空気を供給することにより、電気化学反応を起こすことができ、結果、電気が発生する。
高出力、高エネルギー密度という、燃料電池の特性を保持し、かつ小型で軽量な燃料電池を実現するために、高いプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の開発が行われている。また、DMFCに使用される固体高分子電解質膜には、高いイオン伝導性を保持しつつ燃料用メタノールの阻止性、すなわち、固体高分子電解質膜におけるアノード側からカソード側への燃料用メタノールの透過(クロスオーバー)を低減することが要求される。
In recent years, fuel cells are becoming important as next-generation clean energy sources. Among these fuel cells, a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) has both anode and cathode electrodes disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. For example, when methanol is used as a fuel in this PEFC, an electrochemical reaction can be caused by supplying methanol to the anode side and oxygen or air to the cathode side. As a result, electricity is generated.
Development of a solid polymer electrolyte membrane having high proton conductivity has been carried out in order to realize a fuel cell having high power and high energy density while maintaining the characteristics of the fuel cell. In addition, the solid polymer electrolyte membrane used in the DMFC has high ionic conductivity while retaining fuel methanol, that is, the permeation of fuel methanol from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane. It is required to reduce (crossover).

従来、パーフルオロカーボンスルホン酸(以下、PFSと称する)系高分子(例えばデュポン社製、商品名ナフィオン膜(登録商標)など)を水和したものが、高いイオン伝導性を有するため、固体高分子電解質膜として広く使用・検討されている。しかしながら、水和したPFS系高分子膜は、水との親和性の高いメタノールを通過(クロスオーバー)させやすいため、メタノール阻止性に原理的な限界を有している。PFS系高分子水和膜におけるメタノールのクロスオーバーを低減する手段として、PFS系高分子水和膜をベースにして異種材料を複合することが考えられている。しかし、上記複合は、本来のPFS系高分子水和膜の有する高いイオン伝導性を著しく低下させるという問題点を有している。   Conventionally, hydrated perfluorocarbon sulfonic acid (hereinafter referred to as PFS) polymer (for example, DuPont's product name Nafion Membrane (registered trademark), etc.) has high ionic conductivity. Widely used and studied as an electrolyte membrane. However, a hydrated PFS polymer membrane has a theoretical limit in methanol blocking property because methanol having high affinity with water easily passes (crossover). As a means for reducing methanol crossover in a PFS polymer hydrated film, it is considered to combine different materials based on the PFS polymer hydrated film. However, the above composite has a problem that the high ionic conductivity of the original PFS polymer hydrated film is significantly reduced.

これらの問題点を解決する手段として、ナフィオン112膜(商品名、デュポン社製)にアニリンを含浸させてなるメタ型ポリアニリンを用いることが、特許文献1に開示されている。このメタ型ポリアニリンが、ナフィオン膜(登録商標)と同程度のイオン伝導性とナフィオン膜(登録商標)の1/3程度のメタノール阻止性を有することが開示されているが、DMFC用電解質膜に使用するには未だ不十分である。また、高価なナフィオン膜(登録商標)に更に加工を加えるため、工程数が多く煩雑になり、結果、一段と高価格な膜とならざるを得ない。
一方、塩基性基を有し、水溶性である主鎖と水に対し不溶性である側鎖とからなるグラフトコポリマーと、酸性基を有し、水溶性である主鎖と水に対し不溶性である側鎖とからなるグラフトコポリマーとを混合してなる両性イオン型高分子ゲル並びに該両性イオン型高分子ゲルを製膜してなる高分子ゲル膜の製造方法が、特許文献2に開示されている。この両性イオン型高分子ゲルは、pH変化によりその膨潤度が大きく変化することを特徴としている。しかし、特許文献2には、イオン伝導膜に関する記述は一切ない。また、前記高分子ゲル膜を燃料電池用膜として使用したとしても、発電に際して燃料電池内のpH変化により膜の体積、面積が大きく変化するため、燃料電池用膜としての役目を果たさないばかりか、燃料電池自体を破壊する虞すらある。
他方、酸性または塩基性部位を有する主ポリマーに、塩基性または酸性部位を有する副ポリマーを含浸してなる固体高分子膜およびその製造方法が、特許文献3に開示されている。しかし、この固体高分子膜は、十分なイオン伝導性を示さない等未だ問題点を多く有している。
As means for solving these problems, Patent Document 1 discloses using a meta-type polyaniline obtained by impregnating Nafion 112 membrane (trade name, manufactured by DuPont) with aniline. It is disclosed that this meta-type polyaniline has an ionic conductivity comparable to that of Nafion membrane (registered trademark) and a methanol blocking property of about 1/3 that of Nafion membrane (registered trademark). Still not enough to use. In addition, since the expensive Nafion membrane (registered trademark) is further processed, the number of steps becomes large and complicated, and as a result, the membrane must be made more expensive.
On the other hand, a graft copolymer having a basic group having a water-soluble main chain and a side chain insoluble in water, and an acidic group having a water-soluble main chain and water insoluble. Patent Document 2 discloses a method for producing a zwitterionic polymer gel obtained by mixing a graft copolymer comprising side chains and a polymer gel membrane formed by forming the zwitterionic polymer gel. . This zwitterionic polymer gel is characterized in that the degree of swelling greatly changes due to pH change. However, Patent Document 2 does not describe any ion conductive membrane. Even if the polymer gel membrane is used as a fuel cell membrane, the volume and area of the membrane greatly change due to pH changes in the fuel cell during power generation, so that it does not serve as a fuel cell membrane. There is even a risk of destroying the fuel cell itself.
On the other hand, Patent Document 3 discloses a solid polymer film obtained by impregnating a main polymer having an acidic or basic moiety with a secondary polymer having a basic or acidic moiety, and a method for producing the same. However, this solid polymer membrane still has many problems such as not exhibiting sufficient ion conductivity.

上記以外に、ポリエチレンイミンに硫酸、またはリン酸をドープした例(非特許文献1参照)ポリシラミンにリン酸をドープした例(非特許文献2参照)、ポリアクリルアミドに硫酸、またはリン酸をドープした例(非特許文献3参照)、ポリベンズイミダゾールにリン酸をドープした例(特許文献4参照)、スルホン化ポリエーテルスルホンにポリベンズイミダゾールを添加した例(非特許文献4参照)があるが、ドープ剤が流れ落ちる、十分なイオン伝導性を示さない等問題点を多く有している。
特開2001-81220号 公報 特開平6-145464号 公報 特開2001-236973号 公報 特表平11-503262号 公報 D.Schoolmann,O.Trinquent,and J.-C.Lassegues, Electrochim Acta,37,1619(1992) K.Tsuruhara,M.Rikukawa,K.Sunui,N.Ogata,Y.Nagasaki, and M.Kato, Electrochim Acta,45,1391(2000) W.Wieczorek and J.R.Stevens, Polymer,38,2057(1997) J.Kerrer,A.Ullrich,F.Meier and T.Harig, Solid State Ionics,125,243(1999)
In addition to the above, polyethyleneimine doped with sulfuric acid or phosphoric acid (see non-patent document 1) Polysilamine doped with phosphoric acid (see nonpatent document 2), polyacrylamide doped with sulfuric acid or phosphoric acid There are examples (see Non-Patent Document 3), examples in which polybenzimidazole is doped with phosphoric acid (see Patent Document 4), and examples in which polybenzimidazole is added to sulfonated polyethersulfone (see Non-Patent Document 4). There are many problems such as the dopant flowing down and not exhibiting sufficient ion conductivity.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-81220 JP-A-6-145464 JP 2001-236993 A Japanese National Patent Publication No. 11-503262 D. Schoolmann, O. Trinquent, and J.-C. Lassegues, Electrochim Acta, 37, 1619 (1992) K. Tsuruhara, M. Rikukawa, K. Sunui, N. Ogata, Y. Nagasaki, and M. Kato, Electrochim Acta, 45, 1391 (2000) W. Wieczorek and JR Stevens, Polymer, 38, 2057 (1997) J. Kerrer, A. Ullrich, F. Meier and T. Harig, Solid State Ionics, 125, 243 (1999)

本発明は、上述のようなDMFC用固体高分子電解質としてのPFS系高分子水和膜、PFS改質膜、および各種電解質膜の現状問題点を解決するためになされたものであり、高いイオン伝導性を保持しつつ、メタノール阻止性に優れた固体高分子電解質膜を低コストで提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the present problems of the PFS polymer hydrated film, PFS modified film, and various electrolyte films as the solid polymer electrolyte for DMFC as described above. An object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte membrane excellent in methanol blocking property while maintaining conductivity at low cost.

本発明者らは上記課題について鋭意研究した結果、特定の酸性基を有するポリマー溶液と特定の塩基性基を有するポリマー溶液とを混合して得られる組成物を含有する固体高分子電解質、固体高分子電解質膜、特定性状の固体高分子ゲル膜、および該固体高分子ゲル膜を多孔質膜により挟んでなる固体高分子電解質膜が、特に高いイオン伝導性を保持しつつメタノール透過性を改善することを見出し本発明に至った。
すなわち本発明は、酸性基を有するポリマー溶液と塩基性基を有するポリマー溶液とを混合して得られる組成物を含有する固体高分子電解質であって、前記酸性基を有するポリマーがスルホン酸基、ホスホン酸基、およびカルボキシル基からなる群より選ばれた少なくとも1種を側鎖に有する脂肪族ポリマーであり、前記塩基性を有するポリマーがアミノ基、アミド基、およびウレア基からなる群より選ばれた少なくとも1種を主鎖または側鎖に有する脂肪族ポリマーまたは芳香族ポリマーである固体高分子電解質である。
As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that a solid polymer electrolyte containing a composition obtained by mixing a polymer solution having a specific acidic group and a polymer solution having a specific basic group, A molecular electrolyte membrane, a solid polymer gel membrane with specific properties, and a solid polymer electrolyte membrane in which the solid polymer gel membrane is sandwiched between porous membranes improve methanol permeability while maintaining particularly high ionic conductivity. As a result, the present invention was reached.
That is, the present invention is a solid polymer electrolyte containing a composition obtained by mixing a polymer solution having an acidic group and a polymer solution having a basic group, wherein the polymer having an acidic group is a sulfonic acid group, An aliphatic polymer having at least one selected from the group consisting of a phosphonic acid group and a carboxyl group in the side chain, wherein the basic polymer is selected from the group consisting of an amino group, an amide group, and a urea group. And a solid polymer electrolyte that is an aliphatic polymer or an aromatic polymer having at least one kind in the main chain or side chain.

本発明の固体高分子電解質においては、前記組成物のpH値が6以下、または8以上であること、前記酸性基を有するポリマーと前記塩基性基を有するポリマーの官能基当量数の比が20/80〜80/20であること、ポリマー含有量が10〜90重量%であること、前記酸性基を有するポリマーが、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸、ポリアクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、ポリアッシドホスホシキエチルメタクリレート、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、またはイソブチレン無水マレイン酸コポリマーであること、前記塩基性基を有するポリマーが、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミン、ポリジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、アミノポリアクリルアミド、ポリアミノスルホン、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルカプロラクタム、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルジアミノトリアジン、またはポリエチレンイミンであること、さらにフィラーを含有すること、さらにマトリックスポリマーを含有し、該マトリックスポリマーが、ポリオレフィン、ハロゲン化ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリカーボネート、ポリパラビニルフェノール、ポリエチレンオキシド、ポリフェニレンオキシド、およびこれらの誘導体からなる群より選ばれた少なくとも1種を含むことがそれぞれ好ましい。   In the solid polymer electrolyte of the present invention, the composition has a pH value of 6 or less, or 8 or more, and the ratio of the functional group equivalent number of the polymer having the acidic group to the polymer having the basic group is 20. / 80 to 80/20, the polymer content is 10 to 90% by weight, and the polymer having an acidic group is polyperfluorocarbon sulfonic acid, polyacrylamide methylpropane sulfonic acid, polyacid phosphohydroxyethyl It is a methacrylate, poly (meth) acrylic acid, polystyrene sulfonic acid, or isobutylene maleic anhydride copolymer, and the polymer having the basic group is polyacrylamide, polyallylamine, polydimethylaminoethyl (meth) acrylate, aminopolyacrylamide , Polyaminosulfone, Polyvinyl It is pyridine, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl caprolactam, polyvinyl carbazole, polyvinyl diaminotriazine, or polyethyleneimine, further contains a filler, further contains a matrix polymer, and the matrix polymer includes polyolefin, halogenated polyolefin, polyvinyl alcohol, Each of them preferably contains at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyimide, polybenzimidazole, polyoxazole, polycarbonate, polyparavinylphenol, polyethylene oxide, polyphenylene oxide, and derivatives thereof.

また、フィラーを含有する固体高分子電解質においては、該フィラーがシロキサン樹脂、スルホン化ピッチ、スルホン化カーボン、モンモリロナイト、または酸性型ゼオライトであること、前記フィラーの添加量が、固体高分子電解質中のポリマー含有量100重量部に対して5〜300重量部であることがそれぞれ好ましい。
また、マトリックスポリマーを含有する固体高分子電解質においては、前記酸性基を有するポリマーと前記塩基性基を有するポリマーの総含有量が、5〜90重量%であること、前記マトリックスポリマーが、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、酢酸ビニル−ビニルピリジン共重合体、ポリエチレン、ポリエチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン、またはエチレンテトラフルオロエチレン共重合体であること、さらに架橋剤を含有し、熱、光、または電子線で架橋されることがそれぞれ好ましい。
Further, in the solid polymer electrolyte containing a filler, the filler is a siloxane resin, sulfonated pitch, sulfonated carbon, montmorillonite, or acidic zeolite, and the amount of the filler added in the solid polymer electrolyte The amount is preferably 5 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer.
Further, in the solid polymer electrolyte containing a matrix polymer, the total content of the polymer having an acidic group and the polymer having a basic group is 5 to 90% by weight, and the matrix polymer is polytetra Fluoroethylene, polyvinyl chloride, polyvinyl chloride copolymer, styrene-acrylonitrile copolymer, vinyl acetate-vinyl pyridine copolymer, polyethylene, polyethylene-vinyl alcohol copolymer, polypropylene, polyvinylidene chloride, or ethylene tetrafluoro It is preferably an ethylene copolymer, further containing a crosslinking agent, and crosslinked with heat, light, or electron beam.

本発明は、前記固体高分子電解質を製膜してなる固体高分子ゲル膜である。
また、本発明は、前記固体高分子ゲル膜を多孔質膜で挟んでなる固体高分子電解質膜である。本発明の固体高分子電解質膜においては、前記多孔質膜のガーレー値が100秒/100ml以下であることが好ましい。
本発明は、マトリックスポリマーを含有する固体高分子電解質を製膜してなる固体高分子電解質膜である。
また、本発明は、前記固体高分子電解質膜、前記固体高分子ゲル膜、または固体高分子ゲル膜を多孔質膜により挟んでなる前記固体高分子電解質膜と、これらの固体高分子ゲル膜または固体高分子電解質膜を挟む正極および負極とを備える燃料電池である。
The present invention is a solid polymer gel film formed by forming the solid polymer electrolyte.
In addition, the present invention is a solid polymer electrolyte membrane in which the solid polymer gel membrane is sandwiched between porous membranes. In the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, the Gurley value of the porous membrane is preferably 100 seconds / 100 ml or less.
The present invention is a solid polymer electrolyte membrane formed by forming a solid polymer electrolyte containing a matrix polymer.
The present invention also provides the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer gel membrane, or the solid polymer gel membrane formed by sandwiching the solid polymer gel membrane with a porous membrane, and these solid polymer gel membranes or A fuel cell comprising a positive electrode and a negative electrode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane.

本発明によれば、特定の酸性基を有するポリマー溶液と特定の塩基性基を有するポリマー溶液を混合して得られる組成物を含有してなる固体高分子電解質を製膜することにより、プロトン伝導性、およびメタノール阻止性に優れた固体高分子電解質膜または固体高分子電解質ゲル膜が得られる。また、特定性状の固体高分子ゲル膜またはフィラーを含有する該固体高分子ゲル膜を多孔質膜により挟むことにより、プロトン伝導性、およびメタノール阻止性に優れた固体高分子電解質膜が得られる。これらの固体高分子電解質膜は燃料電池用、特にDMFC用固体高分子電解質膜として有用である。また、本発明の固体高分子電解質膜の製造は簡便であり、安価に製造することができる。   According to the present invention, proton conduction is achieved by forming a solid polymer electrolyte containing a composition obtained by mixing a polymer solution having a specific acidic group and a polymer solution having a specific basic group. Thus, a solid polymer electrolyte membrane or a solid polymer electrolyte gel membrane excellent in properties and methanol blocking properties can be obtained. A solid polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity and methanol blocking property can be obtained by sandwiching a solid polymer gel membrane containing a specific property or a solid polymer gel membrane containing a filler between porous membranes. These solid polymer electrolyte membranes are useful as solid polymer electrolyte membranes for fuel cells, particularly for DMFC. Moreover, the production of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is simple and can be produced at low cost.

本発明における酸性基を有するポリマーは、脂肪族ポリマーの側鎖にスルホン酸基、ホスホン酸基、またはカルボキシル基を有するポリマーであれば良く、これらの異種の官能基が複数個結合していても良い。また、炭素に結合している水素原子の一部、もしくは全てがフッ素原子と置換されていても良い。さらに、酸性基を有するポリマーは、共重合可能なビニルモノマー類と共重合されたランダム共重合体、ブロック共重合体、または交叉共重合体でもかまわない。共有結合可能なビニルモノマーとして、アクリルアミド、アクリロニトリル、酢酸ビニル、スチレン、各種(メタ)アクリレート類、ビニルピリジン、ビニルピロリドン、ビニルカプロラクタム、およびこれらの誘導体を例示することができるが、特にこれらに限定されるものではなく、共重合可能なモノマーであれば良い。
なお、本明細書においては、「アクリル酸」と「メタクリル酸」を総称して(メタ)アクリル酸といい、「アクリレート」と「メタクリレート」を総称して(メタ)アクリレートという。
The polymer having an acidic group in the present invention may be a polymer having a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxyl group in the side chain of the aliphatic polymer, and a plurality of these different functional groups may be bonded. good. In addition, some or all of the hydrogen atoms bonded to carbon may be substituted with fluorine atoms. Furthermore, the polymer having an acidic group may be a random copolymer, a block copolymer, or a cross-copolymer copolymerized with copolymerizable vinyl monomers. Examples of vinyl monomers that can be covalently bonded include acrylamide, acrylonitrile, vinyl acetate, styrene, various (meth) acrylates, vinyl pyridine, vinyl pyrrolidone, vinyl caprolactam, and derivatives thereof. Any monomer that can be copolymerized may be used.
In this specification, “acrylic acid” and “methacrylic acid” are collectively referred to as (meth) acrylic acid, and “acrylate” and “methacrylate” are collectively referred to as (meth) acrylate.

酸性基を有するポリマーとして、具体的には、PFS樹脂溶液(例えば、デュポン社製ナフィオン樹脂溶液(SE-10072))、ポリアクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、ポリアシッドホスホシキエチルメタクリレート、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、イソブチレン無水マレイン酸コポリマー、その他のスルホン酸基、ホスホン酸基、またはカルボキシル基を有するポリマー類、および側鎖に芳香族環を有するポリマーなどを例示することができるが、これらに限定されるものではなく、スルホン酸基、ホスホン酸基、およびカルボキシル基からなる群より選ばれた少なくとも1種を側鎖に有する脂肪族ポリマーとして形成されるものであれば良い。   Specific examples of the polymer having an acidic group include a PFS resin solution (for example, Nafion resin solution (SE-10072) manufactured by DuPont), polyacrylamide methylpropanesulfonic acid, polyacid phosphooxyethyl methacrylate, and poly (meth) acrylic. Examples of the acid, polystyrene sulfonic acid, isobutylene maleic anhydride copolymer, other polymers having a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxyl group, and a polymer having an aromatic ring in the side chain, etc. It is not limited to the above, and any material may be used as long as it is formed as an aliphatic polymer having at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxyl group in the side chain.

本発明における塩基性基を有するポリマーは、ポリマー主鎖または側鎖にアミノ基、アミド基、またはウレア基を有するポリマーであれば良く、これらの異種の官能基が複数個結合していても良い。また、炭素に結合している水素原子の一部もしくは、全てがフッ素原子と置換していても良い。さらに、塩基性基を有するポリマーは、共重合可能なビニルモノマー類と共重合されたランダム共重合体、ブロック共重合体、または交叉共重合体でもかまわない。共有結合可能なビニルモノマーとしてアクリルアミド、アクリロニトリル、アクリル酸、酢酸ビニル、スチレン、各種(メタ)アクリレート類、およびこれらの誘導体を例示することができるが、特にこれらに限定されるものではなく共重合可能なビニルモノマーであればよい。   The polymer having a basic group in the present invention may be a polymer having an amino group, an amide group, or a urea group in the polymer main chain or side chain, and a plurality of these different functional groups may be bonded. . Further, some or all of the hydrogen atoms bonded to carbon may be substituted with fluorine atoms. Furthermore, the polymer having a basic group may be a random copolymer, a block copolymer, or a cross-copolymer copolymerized with copolymerizable vinyl monomers. Examples of vinyl monomers that can be covalently bonded include acrylamide, acrylonitrile, acrylic acid, vinyl acetate, styrene, various (meth) acrylates, and derivatives thereof, but are not particularly limited and can be copolymerized. Any vinyl monomer may be used.

塩基性基を有するポリマーとして、具体的には、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミン(例えば、日東紡績社製PAA、PASなど)、ポリジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、アミノポリアクリルアミド、ポリアミノスルホン、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルカプロラクタム、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルジアミノトリアジン、アシプレックスA211(商品名、旭化成社製)、セレミオンAMV(商品名、旭硝子社製)、ポリエチレンイミン、およびこれらの誘導体を例示することができる。また、芳香族環を有するポリマーなどを例示することができるが、これらに限定されるものではなくアミノ基、アミド基、およびウレア基からなる群より選ばれた少なくとも1種を主鎖または側鎖に有する脂肪族ポリマーまたは芳香族ポリマーとして形成されるものであればよい。   Specific examples of the polymer having a basic group include polyacrylamide, polyallylamine (for example, PAA and PAS manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.), polydimethylaminoethyl (meth) acrylate, aminopolyacrylamide, polyaminosulfone, polyvinylpyridine, Examples include polyvinylpyrrolidone, polyvinylcaprolactam, polyvinylcarbazole, polyvinyldiaminotriazine, Aciplex A211 (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Selemion AMV (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), polyethyleneimine, and derivatives thereof. Examples of the polymer having an aromatic ring may include, but are not limited to, a main chain or a side chain at least one selected from the group consisting of an amino group, an amide group, and a urea group. What is necessary is just to be formed as an aliphatic polymer or an aromatic polymer.

これらイオン性ポリマーを通常水溶液またはアルコール溶液の状態で所定量混練機に入れ、混合攪拌することによって、均一なパテ状乃至はゼリー状の組成物が得られる。このとき、酸化防止剤(ラジカル捕捉剤やハイドロパーオキサイド分解剤など)や着色剤などの他の添加剤を一緒に混合しても良い。この組成物を製膜することにより、本発明の固体高分子ゲル膜が得られる。   A uniform putty-like or jelly-like composition can be obtained by putting a predetermined amount of these ionic polymers in a normal aqueous solution or alcohol solution into a kneader and mixing and stirring. At this time, you may mix together other additives, such as antioxidant (a radical scavenger, a hydroperoxide decomposition agent, etc.) and a coloring agent. By forming this composition into a film, the solid polymer gel film of the present invention is obtained.

上述の酸性基を有するポリマーおよび塩基性基を有するポリマーは複数種混合されても良い。また、酸性基を有するモノマーと塩基性基を有するモノマーとの共重合体、非極性モノマー類と酸性基を有するモノマーとの共重合体、または非極性モノマー類と塩基性基を有するモノマーとの共重合体を用いることもできる。非極性モノマー類として、スチレン誘導体、メタクリレート類、アクリロニトリル、酢酸ビニル、その他のビニル基を有するモノマー類、または芳香族環を有するモノマーなどを例示することができる。   The above-mentioned polymer having an acidic group and the polymer having a basic group may be mixed. In addition, a copolymer of a monomer having an acidic group and a monomer having a basic group, a copolymer of a nonpolar monomer and a monomer having an acidic group, or a nonpolar monomer and a monomer having a basic group Copolymers can also be used. Examples of nonpolar monomers include styrene derivatives, methacrylates, acrylonitrile, vinyl acetate, other monomers having a vinyl group, or monomers having an aromatic ring.

酸性基を有するポリマー溶液と塩基性基を有するポリマー溶液とを混合して得られた組成物のpH値が0以上かつ6以下、または8以上かつ14以下の範囲である場合、所望のイオン伝導度とメタノール阻止性を発現することができる。pH値が0以上かつ6以下の組成物は、強酸性基を有するポリマー溶液と弱塩基性基を有するポリマー溶液とを混合することにより得られる。例えば、PFS樹脂溶液(例えば、デュポン社製ナフィオン樹脂溶液(SE-10072))またはポリアクリルアミドメチルプロパンスルホン酸溶液と、ポリアクリルアミド溶液、ポリビニルピロリドン、またはポリビニルピリジンとを所定量混合することにより、pH値が0以上かつ6以下の組成物を得ることができるが、何らこれらだけに限定されるものではない。また、pH値が8以上かつ14以下の組成物は、弱酸性基を有するポリマー溶液と強塩基性基を有するポリマー溶液とを混合することにより得られる。例えば、ポリアリルアミン(例えば、日東紡績社製、PAA−10C)と、ポリアクリル酸、またはスチレン-マレイン酸共重合体とを所定量混合することにより、pH値が8以上かつ14以下の組成物を得ることができるが、何らこれらだけに限定されるものではない。   When the pH value of the composition obtained by mixing the polymer solution having an acidic group and the polymer solution having a basic group is in the range of 0 or more and 6 or less, or 8 or more and 14 or less, desired ion conduction Degree and methanol blocking ability can be expressed. A composition having a pH value of 0 or more and 6 or less can be obtained by mixing a polymer solution having a strongly acidic group and a polymer solution having a weakly basic group. For example, by mixing a predetermined amount of a PFS resin solution (for example, Nafion resin solution (SE-10072) manufactured by DuPont) or a polyacrylamide methyl propane sulfonic acid solution with a polyacrylamide solution, polyvinyl pyrrolidone, or polyvinyl pyridine, the pH is adjusted. A composition having a value of 0 or more and 6 or less can be obtained, but the composition is not limited thereto. A composition having a pH value of 8 or more and 14 or less can be obtained by mixing a polymer solution having a weakly acidic group and a polymer solution having a strongly basic group. For example, a composition having a pH value of 8 or more and 14 or less by mixing a predetermined amount of polyallylamine (for example, PAA-10C manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.) and polyacrylic acid or styrene-maleic acid copolymer. However, the present invention is not limited to these.

酸性基を有するポリマー溶液と塩基性基を有するポリマー溶液とを混合する際、これらの官能基当量数の比(酸性基を有するポリマー中の酸性基の当量数/塩基性基を有するポリマー中の塩基性基の当量数)は、好ましくは20/80〜80/20、より好ましくは30/70〜70/30、特に好ましくは40/60〜60/40である。
官能基当量数の比が20/80〜80/20の範囲内である場合には、十分なイオン伝導性が得られる。なお、官能基当量数は中和滴定により求められる。
When mixing the polymer solution having an acidic group and the polymer solution having a basic group, the ratio of the number of equivalents of these functional groups (the number of equivalents of acidic groups in the polymer having acidic groups / in the polymer having basic groups) The equivalent number of basic groups) is preferably 20/80 to 80/20, more preferably 30/70 to 70/30, and particularly preferably 40/60 to 60/40.
When the ratio of the number of functional group equivalents is within the range of 20/80 to 80/20, sufficient ionic conductivity is obtained. The number of functional group equivalents is determined by neutralization titration.

なお、市販されているナフィオン膜(登録商標)の表面に塩基性基を有するポリマーを吸着させる方法も考えられるが、ナフィオン膜(登録商標)をポリアクリルアミド系ポリマー水溶液に浸漬し、表面処理をおこなったところ、所望のイオン伝導度およびメタノール阻止性が得られなかった。このようにただ単にスルホン酸基を有する膜に塩基性基を有するポリマーを含浸させても有効なイオン伝導性は得られない。   Although a method of adsorbing a polymer having a basic group on the surface of a commercially available Nafion membrane (registered trademark) is also conceivable, the surface treatment is performed by immersing the Nafion membrane (registered trademark) in a polyacrylamide polymer aqueous solution. As a result, desired ionic conductivity and methanol blocking ability were not obtained. Thus, even if a membrane having a sulfonic acid group is simply impregnated with a polymer having a basic group, effective ion conductivity cannot be obtained.

酸性基を有するポリマー溶液と塩基性基を有するポリマー溶液とを混合する際、混合して得られる組成物中のポリマー含有量は、好ましくは10〜90重量%、より好ましくは12〜80重量%、特に好ましくは15〜70重量%である。混合して得られる組成物中のポリマー含有量が10重量%以上の場合、十分なイオン伝導度が得られる。一方、混合して得られる組成物中のポリマー含有量が90重量%以下の場合は、ゲル状樹脂組成物自身が脆くならず、電解質膜としての機械的強度を保有する膜を形成することができる。   When the polymer solution having an acidic group and the polymer solution having a basic group are mixed, the polymer content in the composition obtained by mixing is preferably 10 to 90% by weight, more preferably 12 to 80% by weight. Particularly preferred is 15 to 70% by weight. When the polymer content in the composition obtained by mixing is 10% by weight or more, sufficient ionic conductivity is obtained. On the other hand, when the polymer content in the composition obtained by mixing is 90% by weight or less, the gel-like resin composition itself does not become brittle, and a film having mechanical strength as an electrolyte film can be formed. it can.

本発明によれば、上述の酸性基を有するポリマー溶液と塩基性基を有するポリマー溶液とを混合して得られる組成物にフィラーを添加しても良い。添加するフィラーとしては、シロキサン樹脂、スルホン化ピッチ、スルホン化カーボン、モンモリロナイト、および酸性型ゼオライトを例示することができる。スルホン化用の原料ピッチとしては、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、および合成系ピッチを例示することができるが、化学純度および品質安定性に優れる合成系ピッチ(例えば三菱ガス化学社製ARピッチ)が好適である。また、スルホン化用の原料カーボンとしては、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー等を例示することができる。スルホン化には通常硫酸または発煙硫酸が用いられる(合成例参照)が、特にこれらに限定されない。   According to this invention, you may add a filler to the composition obtained by mixing the polymer solution which has the above-mentioned acidic group, and the polymer solution which has a basic group. Examples of the filler to be added include siloxane resin, sulfonated pitch, sulfonated carbon, montmorillonite, and acidic zeolite. Examples of the raw material pitch for sulfonation include coal pitch, petroleum pitch, and synthetic pitch, but synthetic pitch excellent in chemical purity and quality stability (for example, AR pitch manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company). Is preferred. Examples of the raw material carbon for sulfonation include fullerene, carbon nanotube, carbon nanohorn, and carbon nanofiber. For sulfonation, sulfuric acid or fuming sulfuric acid is usually used (see Synthesis Examples), but is not particularly limited thereto.

上記フィラーの添加量は、イオン性ポリマー100重量部に対して好ましくは5〜300重量部、より好ましくは10〜200重量部である。フィラー添加量が5重量部以上の場合、フィラーの添加効果、すなわちイオン性ポリマー同士の混練状態の均一化や混練ゼリー状組成物の強度向上が得られる。一方、フィラー添加量が300重量部以下の場合、ゲル状樹脂組成物自身が脆くならず、電解質膜としての機械的強度を保有する膜を形成することができる。   The amount of the filler added is preferably 5 to 300 parts by weight, more preferably 10 to 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ionic polymer. When the filler addition amount is 5 parts by weight or more, the effect of adding the filler, that is, the kneading state between the ionic polymers and the strength improvement of the kneaded jelly-like composition can be obtained. On the other hand, when the filler addition amount is 300 parts by weight or less, the gel-like resin composition itself does not become brittle, and a film having mechanical strength as an electrolyte film can be formed.

本発明の固体高分子電解質膜は、図1に示すように、上記固体高分子電解質ゲル膜1の両面を多孔質膜2で挟むことにより得られる。
本発明で使用される多孔質膜2のガーレー値(膜の透気度を示す。)は、好ましくは100秒/100ml以下、より好ましくは80秒/100ml以下、特に好ましくは50秒/100ml以下である。なお、ガーレー値とは、面積642mmの紙又は板紙を空気100mlが通過する時間をいう。また、本発明においては、このガーレー値を、JIS P 8117に記載されたガーレー試験機法により測定する。
膜基材としては、ポリエチレンおよびポリプロプレン等のポリオレフィンフィルム、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)に代表されるフッ素系フィルム、ポリイミド、およびポリフェニレンエーテル等のエンジニアリングプラスチックス類などを例示することができるが、上記物性を満たすものであればよく、特にこれらに限定されない。
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is obtained by sandwiching both surfaces of the solid polymer electrolyte gel membrane 1 with a porous membrane 2 as shown in FIG.
The Gurley value (indicating the air permeability of the membrane) of the porous membrane 2 used in the present invention is preferably 100 seconds / 100 ml or less, more preferably 80 seconds / 100 ml or less, particularly preferably 50 seconds / 100 ml or less. It is. Note that the Gurley value, the paper or paperboard surface area 642 mm 2 refers to the time that air 100ml passes. In the present invention, the Gurley value is measured by the Gurley tester method described in JIS P 8117.
Examples of the membrane base material include polyolefin films such as polyethylene and polypropylene, fluorine-based films represented by polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide, and engineering plastics such as polyphenylene ether. Any material that satisfies the above-described physical properties may be used, and the present invention is not particularly limited thereto.

本発明におけるマトリックスポリマーは、上述の酸性基を有するポリマーと塩基性基を有するポリマーと混練されることにより、組成物の固体高分子電解質膜としての膜形成能、機械的強度、耐薬品性等の特性が向上する。   The matrix polymer in the present invention is kneaded with the above-mentioned polymer having an acidic group and a polymer having a basic group, thereby forming a film as a solid polymer electrolyte membrane of the composition, mechanical strength, chemical resistance, etc. Improved characteristics.

このマトリックスポリマーの具体例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル共重合体、ポリパラビニルフェノール、ポリスチレン、スチレン-アクリロニトリル共重合体、酢酸ビニル-ビニルピリジン共重合体、ポリビニルアルコール、ポリエチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリカーボネート、ポリエチレンオキサイド、ポリフェニレンオキシド、ポリテトラフルオロエチレン、およびエチレンテトラフルオロエチレン共重合体が挙げられる。マトリックスポリマーはこれらを複数種含有しても良く、上記物性を満たすものであれば、特にこれらに限定されない。   Specific examples of the matrix polymer include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl chloride copolymer, polyparavinylphenol, polystyrene, styrene-acrylonitrile copolymer, vinyl acetate-vinyl pyridine copolymer, Examples include polyvinyl alcohol, polyethylene-vinyl alcohol copolymer, polyimide, polybenzimidazole, polyoxazole, polycarbonate, polyethylene oxide, polyphenylene oxide, polytetrafluoroethylene, and ethylene tetrafluoroethylene copolymer. The matrix polymer may contain a plurality of these, and is not particularly limited as long as it satisfies the above physical properties.

酸性基を有するポリマー、塩基性基を有するポリマー、およびマトリックスポリマーを所定量混練機に入れ、混合攪拌することにより、均一な組成物が得られる。このとき、フィラーおよび他の添加剤、例えば、架橋剤、酸化防止剤(ラジカル捕捉剤、ハイドロパーオキサイド分解剤)または着色剤などを一緒に混合しても良い。酸性基を有するポリマーおよび塩基性基を有するポリマーは、通常、粉体、水溶液、アルコール溶液、または有機溶液の形で加えられる。さらに、他の有機溶剤、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキサイドなどを添加して混練することもできる。   A uniform composition can be obtained by putting a predetermined amount of the polymer having an acidic group, the polymer having a basic group, and a matrix polymer into a kneader and mixing and stirring. At this time, a filler and other additives such as a crosslinking agent, an antioxidant (radical scavenger, hydroperoxide decomposing agent) or a colorant may be mixed together. The polymer having an acidic group and the polymer having a basic group are usually added in the form of a powder, an aqueous solution, an alcohol solution, or an organic solution. Furthermore, other organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and the like can be added and kneaded.

酸性基を有するポリマーと、塩基性基を有するポリマーと、マトリックスポリマーとを混合する際、混合して得られる組成物中の酸性基を有するポリマーと塩基性基を有するポリマーの総含有量は好適には5〜90重量%であり、さらに好適には8〜80重量%であり、特に好適には10〜70重量%である。組成物中の酸性基を有するポリマーと塩基性基を有するポリマーの総含有量が5重量%以上の場合、十分なイオン伝導性が得られる。一方、組成物中の酸性基を有するポリマーと塩基性基を有するポリマーの総含有量が90重量%以下の場合は、組成物自身が脆くならず、自立膜を形成することができる。   When mixing a polymer having an acidic group, a polymer having a basic group, and a matrix polymer, the total content of the polymer having an acidic group and the polymer having a basic group in the composition obtained by mixing is suitable. Is 5 to 90% by weight, more preferably 8 to 80% by weight, and particularly preferably 10 to 70% by weight. When the total content of the polymer having an acidic group and the polymer having a basic group in the composition is 5% by weight or more, sufficient ionic conductivity is obtained. On the other hand, when the total content of the polymer having acidic groups and the polymer having basic groups in the composition is 90% by weight or less, the composition itself does not become brittle, and a self-supporting film can be formed.

混練時に架橋剤を添加すると、この架橋剤が、酸性基を有するポリマー、塩基性基を有するポリマーおよび/またはマトリックスポリマーと反応して架橋構造が形成される。これにより、固体高分子電解質膜からの酸性基を有するポリマーや塩基性基を有するポリマーの溶出、脱落を防止することができる。添加される架橋剤としては、過酸化物、ジエポキシ化合物、ジイソシアネート化合物、二無水物などを例示することができるが、過酸化物が好適に使用される。   When a crosslinking agent is added during kneading, this crosslinking agent reacts with a polymer having an acidic group, a polymer having a basic group and / or a matrix polymer to form a crosslinked structure. Thereby, the elution and drop-off of the polymer having an acidic group or the polymer having a basic group from the solid polymer electrolyte membrane can be prevented. Examples of the crosslinking agent to be added include peroxides, diepoxy compounds, diisocyanate compounds, dianhydrides and the like, and peroxides are preferably used.

過酸化物としては、例えば日本油脂(株)カタログに記載された過酸化物を使用することができる。具体的には、t-ブチルパーオキシラウレート、t-ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、t-ブチルパーオキシベンゾエート、ジ-t-ブチルパーオキサイドなどを例示することができる。   As a peroxide, the peroxide described, for example in the Nippon Oils and Fats catalog can be used. Specific examples include t-butyl peroxylaurate, t-butyl peroxyisopropyl monocarbonate, t-butyl peroxybenzoate, and di-t-butyl peroxide.

これら過酸化物の添加量は、全ポリマー量(酸性基を有するポリマー、塩基性基を有するポリマー、およびマトリックスポリマーの添加量の合計)に対して0.1〜10重量%、好ましくは0.2〜5重量%、さらに好ましくは0.2〜1重量%である。架橋反応を行うための温度は80℃〜130℃程度であることが有効であり、架橋時間は1〜60分程度であることが適当であるが、酸性基を有するポリマー、塩基性基を有するポリマー、マトリックスポリマーおよび添加される架橋剤の種類により適宜選択すればよい。   The added amount of these peroxides is 0.1 to 10% by weight, preferably 0. 0% by weight, based on the total polymer amount (the total amount of the polymer having an acidic group, the polymer having a basic group, and the matrix polymer). It is 2 to 5% by weight, more preferably 0.2 to 1% by weight. It is effective that the temperature for carrying out the crosslinking reaction is about 80 ° C. to 130 ° C., and the crosslinking time is suitably about 1 to 60 minutes, but it has a polymer having an acidic group and a basic group. What is necessary is just to select suitably according to the kind of a polymer, a matrix polymer, and the crosslinking agent added.

また、酸性基を有するポリマー、塩基性基を有するポリマーおよびマトリックスポリマーを架橋させるために、光開始剤を使用してもよく、紫外線または電子線(例えばガンマ線など)により架橋を行っても良い。架橋反応および架橋構造を導入するため、これらの手段を組み合わせて用いても良い。   In order to crosslink the polymer having an acidic group, the polymer having a basic group, and a matrix polymer, a photoinitiator may be used, or crosslinking may be performed by ultraviolet rays or electron beams (for example, gamma rays). In order to introduce a crosslinking reaction and a crosslinked structure, these means may be used in combination.

本発明の固体高分子電解質膜は、酸性基を有するポリマー、塩基性基を有するポリマー、およびマトリックスポリマーを製膜することにより得られる。具体的な製膜方法の一例を以下に示す。先ず、酸性基を有するポリマーとしてナフィオン樹脂(登録商標)水溶液、塩基性基を有するポリマーとしてポリアクリルアミド水溶液、およびマトリックスポリマーとしてポリテトラフルオロエチレンをそれぞれ所定量乳鉢に採り、均一になるまで混合混練する。次に、混練物がパテ状物となったら、このパテ状物をSUS板に挟み、所定の膜厚になるようにプレスする。膜厚は、例えばDMFC用の場合、所望のイオン伝導度とメタノール阻止性が達成され、且つ自立膜として成立するものであればよい。一般的には、10μm以上かつ500μm以下、好ましくは20μm以上かつ300μm以下、さらに好ましくは30μm以上かつ200μm以下である。最後に、得られた膜を80℃の乾燥機中で乾燥させる。この製膜方法により、所望の固体高分子電解質膜を簡便に製造することができる。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained by forming a polymer having an acidic group, a polymer having a basic group, and a matrix polymer. An example of a specific film forming method is shown below. First, a Nafion resin (registered trademark) aqueous solution as a polymer having an acidic group, a polyacrylamide aqueous solution as a polymer having a basic group, and a polytetrafluoroethylene as a matrix polymer are each put in a mortar and mixed and kneaded until uniform. . Next, when the kneaded product becomes a putty-like product, the putty-like product is sandwiched between SUS plates and pressed to a predetermined film thickness. For example, in the case of DMFC, the film thickness is not particularly limited as long as desired ion conductivity and methanol blocking property are achieved and a self-supporting film is formed. Generally, it is 10 μm or more and 500 μm or less, preferably 20 μm or more and 300 μm or less, more preferably 30 μm or more and 200 μm or less. Finally, the obtained film is dried in a dryer at 80 ° C. By this film forming method, a desired solid polymer electrolyte membrane can be easily manufactured.

上記のようにして作製された固体高分子電解質膜、固体高分子ゲル膜1、およびこの固体高分子ゲル膜1を多孔質膜2により挟んでなる固体高分子電解質膜のイオン伝導度は0.01S/m以上であり、好適には0.1S/m以上、更に好適には1S/m以上である。   The ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer gel membrane 1, and the solid polymer electrolyte membrane formed by sandwiching the solid polymer gel membrane 1 with the porous membrane 2 is 0. It is 01 S / m or more, preferably 0.1 S / m or more, and more preferably 1 S / m or more.

さらに、上記のようにして作製された固体高分子電解質膜、固体高分子ゲル膜1、およびこの固体高分子ゲル膜1を多孔質膜2により挟んでなる固体高分子電解質膜のメタノール透過速度は2mg/cm2/min以下であり、好適には1.8mg/cm2/min以下、さらに好適には1.6mg/cm2/min以下である。 Further, the methanol permeation rate of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer gel membrane 1 produced as described above, and the solid polymer electrolyte membrane formed by sandwiching the solid polymer gel membrane 1 with the porous membrane 2 is as follows. It is 2 mg / cm 2 / min or less, preferably 1.8 mg / cm 2 / min or less, more preferably 1.6 mg / cm 2 / min or less.

図2ないし4に示すように、本発明の、固体高分子ゲル膜1、この固体高分子ゲル膜1を多孔質膜2により挟んでなる固体高分子電解質膜、またはマトリックスポリマーを含有する固体高分子電解質膜5を、正極3aおよび負極3bとで挟むことにより、高いイオン伝導性を保持しつつ、メタノール阻止性に優れた燃料電池が得られる。また、正極3aおよび負極3bの表面には、ガス拡散層4を設けてもよい。このガス拡散層4により、発電に使用されるメタノール、酸素などのガスが、正極3aおよび負極3bの表面において拡散されて均一に分布する。   As shown in FIGS. 2 to 4, the solid polymer gel membrane 1, the solid polymer electrolyte membrane formed by sandwiching the solid polymer gel membrane 1 with the porous membrane 2, or the solid polymer gel containing the matrix polymer according to the present invention. By sandwiching the molecular electrolyte membrane 5 between the positive electrode 3a and the negative electrode 3b, a fuel cell excellent in methanol blocking property can be obtained while maintaining high ionic conductivity. A gas diffusion layer 4 may be provided on the surfaces of the positive electrode 3a and the negative electrode 3b. By this gas diffusion layer 4, gases such as methanol and oxygen used for power generation are diffused and uniformly distributed on the surfaces of the positive electrode 3a and the negative electrode 3b.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。なお、実施例および比較例における部および%は、特に断らない限り重量基準である。各種測定は、次のようにして行った。
イオン伝導度測定
イオン伝導度の測定は、次のような方法に従った。先ず、英国ソーラトロン社製のインピーダンスアナライザーSI1260型を用い、本発明の固体高分子電解質、固体高分子電解質膜5、固体高分子ゲル膜1、およびこの固体高分子ゲル膜1を多孔質ポリオレフィン膜により挟んでなる固体高分子電解質膜の高周波インピーダンス測定を25℃で行った。次に、Cole−Coleプロットより直流成分Rを読み取り、プロトン伝導度(すなわちイオン伝導度)を算出した。なお、Cole−Coleプロットとは、物質の配向分極を示すための、複素比の実部対虚部の円弧グラフをいう。
蒸留水に十分に浸漬させたナフィオン112とナフィオン117(商品名、デュポン社製)のイオン伝導度はそれぞれ2.2S/mと2.5S/mであった。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. In the examples and comparative examples, “parts” and “%” are based on weight unless otherwise specified. Various measurements were performed as follows.
Ion conductivity measurement Ion conductivity was measured according to the following method. First, using the impedance analyzer SI1260 manufactured by Solartron, UK, the solid polymer electrolyte of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane 5, the solid polymer gel membrane 1, and the solid polymer gel membrane 1 are made of a porous polyolefin membrane. The high frequency impedance of the sandwiched polymer electrolyte membrane was measured at 25 ° C. Next, the direct current component R was read from the Cole-Cole plot, and proton conductivity (that is, ionic conductivity) was calculated. The Cole-Cole plot is an arc graph of a real part to an imaginary part of a complex ratio for showing the orientation polarization of a substance.
The ionic conductivities of Nafion 112 and Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont) sufficiently immersed in distilled water were 2.2 S / m and 2.5 S / m, respectively.

メタノール透過速度測定
メタノール透過性の測定は、次のような方法に従った。本発明の固体高分子電解質膜5、固体高分子ゲル膜1、またはこの固体高分子ゲル膜1を多孔質ポリオレフィン膜により挟んでなる固体高分子電解質膜を連通管の真ん中に挟み、片方に30%メタノール水溶液100mlを、もう片方にイオン交換水100mlを仕込み、40℃の恒温水槽に浸した。水側に浸透してくるメタノールをガスクロマトグラフにより定量し、メタノール透過速度(mg/cm/min)を算出した。
蒸留水に十分に浸漬させたナフィオン112とナフィオン117(商品名、デュポン社製)の30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は、それぞれ8.8mg/cm2/minと4.0mg/cm2/minであった。
Measurement of methanol permeation rate Methanol permeability was measured according to the following method. The solid polymer electrolyte membrane 5 of the present invention, the solid polymer gel membrane 1, or the solid polymer electrolyte membrane formed by sandwiching the solid polymer gel membrane 1 with a porous polyolefin membrane is sandwiched in the middle of the communicating tube, and 30 on one side. 100 ml of an aqueous methanol solution was charged with 100 ml of ion-exchanged water on the other side and immersed in a constant temperature water bath at 40 ° C. The methanol permeating into the water side was quantified by gas chromatography, and the methanol permeation rate (mg / cm 2 / min) was calculated.
Distillation Nafion 112 and Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont), which was sufficiently immersed in water methanol permeation rate at 30% methanol aqueous solution, respectively 8.8mg / cm 2 / min and 4.0 mg / cm 2 / min.

pH測定
イオン性ポリマー濃度0.2%の水溶液を調製し、この水溶液のpHを25℃で測定した。
pH measurement An aqueous solution having an ionic polymer concentration of 0.2% was prepared, and the pH of this aqueous solution was measured at 25 ° C.

実施例1
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、11%水溶液)10部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)10部とを(組成物中のポリマー濃度:16%、酸塩基当量数の比:60/40)乳鉢内で混練した。混練すると白色のパテ状物となり、このパテ状物の0.2%水溶液のpH値は3.53であった。次に、このパテ状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、2.2S/mであった。
Example 1
10 parts of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 11% aqueous solution) and 10 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (in the composition) Polymer concentration: 16%, ratio of acid-base equivalent number: 60/40) Kneading in a mortar. When kneaded, a white putty-like product was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this putty-like product was 3.53. Next, this putty-like material was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both sides of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 2.2 S / m.

実施例2
実施例1で得られたパテ状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値:4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は1.0S/mであった。また、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.7mg/cm/minであった。
Example 2
The putty-like material obtained in Example 1 was placed in a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin film (manufactured by Teijin DSM Soltec, Solpore 7P07B, Gurley value: 4 seconds / 100 ml). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 1.0 S / m. Further, the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.7 mg / cm 2 / min.

実施例3
実施例1のナフィオン(登録商標)水溶液をエバポレータにて濃縮し、21%水溶液とした。この濃縮ナフィオン(登録商標)水溶液9.4部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)10部とを(組成物中のポリマー濃度:21%、酸塩基当量数の比:60/40)乳鉢内で混練した。混練すると実施例1で得られたものよりやや硬めの白色のパテ状物となった。このパテ状物の0.2%水溶液のpH値は3.50であった。実施例1と同様に、このパテ状物を製膜した。得られた膜厚0.5mmの固体高分子ゲル膜1のイオン伝導度は、3.3S/mであった。
Example 3
The Nafion (registered trademark) aqueous solution of Example 1 was concentrated with an evaporator to obtain a 21% aqueous solution. 9.4 parts of this concentrated Nafion (registered trademark) aqueous solution and 10 parts of a polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (polymer concentration in the composition: 21%) , Ratio of acid-base equivalent number: 60/40) Kneading in a mortar. When kneaded, a white putty-like material slightly harder than that obtained in Example 1 was obtained. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this putty was 3.50. As in Example 1, this putty-like material was formed into a film. The ionic conductivity of the obtained solid polymer gel film 1 having a thickness of 0.5 mm was 3.3 S / m.

実施例4
実施例3で得られたパテ状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値:4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は2.2S/mであった。また、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.3mg/cm/minであった。
Example 4
The putty-like material obtained in Example 3 was charged into a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin membrane (manufactured by Teijin DM Soltec, Solpore 7P07B, Gurley value: 4 seconds / 100 ml). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 2.2 S / m. The methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.3 mg / cm 2 / min.

実施例5
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、11%水溶液)1部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)9部とを(組成物中のポリマー濃度:19%、酸塩基当量数の比:14/86)乳鉢内で混練した。混練すると白色のパテ状物となり、このパテ状物の0.2%水溶液のpH値は4.21であった。次に、このパテ状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、0.51S/mであった。
Example 5
1 part of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 11% aqueous solution) and 9 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (in the composition) Polymer concentration: 19%, ratio of acid-base equivalent number: 14/86) Kneading in a mortar. When kneaded, a white putty-like product was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this putty-like product was 4.21. Next, this putty-like material was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both sides of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 0.51 S / m.

実施例6
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、11%水溶液)7部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)3部とを(組成物中のポリマー濃度:14%、酸塩基当量数の比:78/22)乳鉢内で混練した。混練すると白色のパテ状物となり、このパテ状物の0.2%水溶液のpH値は3.38であった。次に、このパテ状物を1.0mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、1.2S/mであった。
Example 6
7 parts of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 11% aqueous solution) and 3 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (in the composition) Polymer concentration: 14%, ratio of acid-base equivalent number: 78/22) Kneading in a mortar. When kneaded, a white putty-like product was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this putty-like product was 3.38. Next, this putty-like material was charged into a 1.0 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 1.2 S / m.

実施例7
実施例1で得られたパテ状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(三井化学社製、エスポアールN37、ガーレー値:900秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は0.008S/mであった。また、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.1mg/cm/min以下であった。
Example 7
The putty-like material obtained in Example 1 was charged into a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin membrane (Espoir N37, Gurley value: 900 seconds / 100 ml, manufactured by Mitsui Chemicals). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 0.008 S / m. The methanol permeation rate in a 30% methanol aqueous solution was 0.1 mg / cm 2 / min or less.

実施例8
ナフィオン水溶液(デュポン社製、Lot.No.SE-10072、11%水溶液)2部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)8部と(組成物中のポリマー濃度:18%、酸塩基等量数の比:27/73)、スルホン化ピッチ(下記合成例参照)10部とを乳鉢内で混練した。混練すると黒色のペースト状となり、このペースト状物の0.2%水溶液のpH値は3.11であった。次に、このペースト状物を1.1mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み、イオン伝導度を測定した。その結果、2.0S/mであった。
Example 8
2 parts Nafion aqueous solution (DuPont, Lot No. SE-10072, 11% aqueous solution), 8 parts polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) and (composition) Polymer concentration in the product: 18%, ratio of equivalent number of acid-base: 27/73) and 10 parts of sulfonated pitch (see synthesis example below) were kneaded in a mortar. When kneaded, a black paste was formed, and the pH value of the 0.2% aqueous solution of this paste was 3.11. Next, this paste-like material was charged into a 1.1 mm-thick spacer, both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 2.0 S / m.

合成例(スルホン化ピッチ)
500ml四ツ口フラスコに濃硫酸250〜300mlを入れ、三菱ガス化学社製ARピッチ粉砕品(粒径4〜8μm)30gを加えて攪拌し、発煙硫酸50mlを45分かけて滴下した。その後、60℃で48時間攪拌した。次に、氷冷したジエチルエーテル中に反応液を攪拌しながらゆっくり滴下し、固形分を濾過した。この固形分を真空乾燥し、乾燥固形分を蒸留水で洗浄、再度乾燥させた。得られたスルホン化ピッチのイオン交換当量は0.4meq/gであった。このスルホン化ピッチを実施例8および30で使用した。
Synthesis example (sulfonated pitch)
250-300 ml of concentrated sulfuric acid was put into a 500 ml four-necked flask, 30 g of AR pitch pulverized product (particle size: 4-8 μm) manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd. was added and stirred, and 50 ml of fuming sulfuric acid was added dropwise over 45 minutes. Then, it stirred at 60 degreeC for 48 hours. Next, the reaction solution was slowly dropped into ice-cooled diethyl ether with stirring, and the solid content was filtered. This solid content was vacuum-dried, and the dry solid content was washed with distilled water and dried again. The ion exchange equivalent of the obtained sulfonated pitch was 0.4 meq / g. This sulfonated pitch was used in Examples 8 and 30.

実施例9
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、11%水溶液)10部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)10部と(組成物中のポリマー濃度16%、当量数の比:60/40)、シロキサン樹脂(信越化学工業社製、X-12-2206、20%溶液)4部とを乳鉢内で混練した。混練すると白色のパテ状物となり、このパテ状物の0.2%水溶液のpH値は3.6であった。次に、このパテ状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値:4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は1.2S/mであった。また、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.82mg/cm/minであった。
Example 9
10 parts of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 11% aqueous solution), 10 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) and (polymer in composition) Concentration 16%, ratio of equivalent number: 60/40) and 4 parts of siloxane resin (X-12-2206, 20% solution, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) were kneaded in a mortar. When kneaded, a white putty-like product was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this putty-like product was 3.6. Next, this putty-like product was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin membrane (manufactured by Teijin DM Soltec, Solpore 7P07B, Gurley value: 4 seconds / 100 ml). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 1.2 S / m. Further, the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.82 mg / cm 2 / min.

実施例10
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、5.5%水溶液)10部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、10%水溶液)10部とを(組成物中のポリマー濃度:7.8%、酸塩基当量数の比:60/40)乳鉢内で混練した。混練すると白色のやや柔らかいパテ状物となった。このパテ状物の0.2%水溶液のpH値は3.55であった。次に、このパテ状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。結果、0.05S/mであった。
Example 10
10 parts of Nafion aqueous solution (manufactured by DuPont, SE-10072, 5.5% aqueous solution) and 10 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 10% aqueous solution) (composition) Polymer concentration inside: 7.8%, ratio of acid-base equivalent number: 60/40) Kneading in a mortar. When kneaded, a white slightly soft putty was obtained. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this putty was 3.55. Next, this putty-like material was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both sides of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 0.05 S / m.

実施例11
ポリ2−アクリロイルアミノ−2−メチル−1−プロパンスルホン酸(東亞合成社製、アロンA-12SL、40%水溶液)2.1部と50%ポリアクリルアミド水溶液5.7部とを(組成物中のポリマー濃度:47%、酸塩基当量数の比:50/50)、乳鉢内で混練した。混練すると無色のやや柔らかいゼリー状物となった。このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は2.15であった。次に、このゼリー状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。結果、6.0S/mであった。
Example 11
2. 2.1 parts of poly-2-acryloylamino-2-methyl-1-propanesulfonic acid (Toagosei Co., Ltd., Aron A-12SL, 40% aqueous solution) and 5.7 parts of 50% polyacrylamide aqueous solution (in the composition) Polymer concentration: 47%, acid-base equivalent number ratio: 50/50), and kneaded in a mortar. When kneaded, it became a colorless and slightly soft jelly. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 2.15. Next, this jelly-like product was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 6.0 S / m.

実施例12
ポリアシッドホスホシキエチルメタクリレート(ユニケミカル社製、商品名:ホスマーMホモポリマー、11%IPA溶液)7.6部と、50%ポリアクリルアミド水溶液5.7部とを(組成物中のポリマー濃度:27.7%、酸塩基当量数の比:50/50)乳鉢内で混練した。混練すると無色のやや柔らかいゼリー状物となった。このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は3.6であった。次に、このゼリー状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。結果、3.8S/mであった。
Example 12
7.6 parts of polyacid phosphooxyethyl methacrylate (trade name: Phosmer M homopolymer, 11% IPA solution) and 5.7 parts of 50% polyacrylamide aqueous solution (polymer concentration in the composition: 27.7%, ratio of acid-base equivalent number: 50/50) Kneading in a mortar. When kneaded, it became a colorless and slightly soft jelly. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 3.6. Next, this jelly-like product was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. The result was 3.8 S / m.

実施例13
ポリアクリル酸系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、HP-710、30%水溶液)10部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡社製、ポリアリルアミン10C、10%水溶液)20部とを(組成物中のポリマー濃度:17%、酸塩基当量数の比:50/50)乳鉢内で混練した。混練すると無色のゼリー状物となり、このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は10.61であった。次に、このゼリー状物を0.2mm厚のスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値:4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は0.22S/mであった。また、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は1.68mg/cm/minであった。
Example 13
10 parts polyacrylic acid copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, HP-710, 30% aqueous solution) and 20 parts polyallylamine aqueous solution (Nittobo, polyallylamine 10C, 10% aqueous solution) (in the composition) Polymer concentration: 17%, ratio of acid-base equivalent number: 50/50) Kneading in a mortar. When kneaded, a colorless jelly-like product was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 10.61. Next, this jelly-like product was charged into a 0.2 mm-thick spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin membrane (manufactured by Teijin DM Soltec, Solpore 7P07B, Gurley value: 4 seconds / 100 ml). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 0.22 S / m. Further, the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 1.68 mg / cm 2 / min.

実施例14
ポリアクリル酸系水溶液(荒川化学工業社製、ポリマセットHP−710、30%水溶液)3部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績社製、PAA−10C、10%水溶液)4部とを(組成物中のポリマー濃度:18.5%、酸/塩基当量数の比:64/36)乳鉢内で混練した。混練すると柔らかい透明ゼリー状物となり、このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は10.5であった。次に、このゼリー状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、1.2S/mであった。
Example 14
3 parts of a polyacrylic acid aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, Polymerset HP-710, 30% aqueous solution) and 4 parts of a polyallylamine aqueous solution (Nittobo, PAA-10C, 10% aqueous solution) (composition) Polymer concentration: 18.5%, ratio of acid / base equivalent number: 64/36) Kneading in a mortar. When kneaded, a soft transparent jelly-like product was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 10.5. Next, this jelly-like product was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 1.2 S / m.

実施例15
実施例14で得られたゼリー状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は1.0S/mで、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.8mg/cm/minであった。
Example 15
The jelly-like material obtained in Example 14 was charged into a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin film (Torjin DM Soltec Corp., Solpore 7P07B, Gurley value 4 seconds / 100 ml). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 1.0 S / m, and the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.8 mg / cm 2 / min.

実施例16
ポリアクリル酸水溶液(ダイヤニトリックス社製、AP350M、30%水溶液)10部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績社製、PAA10C、10%水溶液)1部とを(組成物中のポリマー濃度:28%、酸/塩基当量数の比:97/3)乳鉢内で混練した。混練すると透明のゼリー状物となり、このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は9.8であった。次に、このゼリー状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、0.04S/mであった。
Example 16
10 parts of polyacrylic acid aqueous solution (manufactured by Dianitics, AP350M, 30% aqueous solution) and 1 part of polyallylamine aqueous solution (manufactured by Nittobo, PAA10C, 10% aqueous solution) (polymer concentration in the composition: 28%, acid) / Ratio of base equivalent number: 97/3) Kneading in a mortar. When kneaded, it became a transparent jelly-like product, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 9.8. Next, this jelly-like product was placed in a 0.5 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 0.04 S / m.

実施例17
実施例14のポリアリルアミン水溶液をエバポレータにて濃縮し、28%溶液とした。この濃縮ポリアリルアミン水溶液5部と、アクリル酸系ポリマー水溶液(荒川化学工業社製、ポリマセットHP−710、30%水溶液)5部とを(組成物中のポリマー濃度:29%、酸/塩基当量数の比:54/46)乳鉢内で混練した。混練すると実施例1で得られたものよりやや硬めの透明ゼリー状物となった。このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は10.3であった。実施例1と同様にこのゼリー状物を製膜した。得られた膜厚0.5mmの固体高分子ゲル膜1のイオン伝導度は、4.8S/mであった。
Example 17
The polyallylamine aqueous solution of Example 14 was concentrated with an evaporator to obtain a 28% solution. 5 parts of this concentrated polyallylamine aqueous solution and 5 parts of an acrylic acid polymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, Polymer Set HP-710, 30% aqueous solution) (polymer concentration in the composition: 29%, acid / base equivalent) Number ratio: 54/46) Kneaded in a mortar. When kneaded, a transparent jelly-like product slightly harder than that obtained in Example 1 was obtained. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 10.3. This jelly-like product was formed in the same manner as in Example 1. The obtained solid polymer gel film 1 having a thickness of 0.5 mm had an ionic conductivity of 4.8 S / m.

実施例18
実施例17で得られたゼリー状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は2.2S/mで、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.5mg/cm/minであった。
Example 18
The jelly-like material obtained in Example 17 was charged into a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin film (Torjin DM Soltec Corp., Solpore 7P07B, Gurley value 4 seconds / 100 ml). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 2.2 S / m, and the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.5 mg / cm 2 / min.

実施例19
実施例17で得られたゼリー状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィンフィルム(三井化学社製、エスポアールN37、ガーレー値900秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は0.002S/mで、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.3mg/cm/min以下であった。
Example 19
The jelly-like material obtained in Example 17 was charged into a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin film (Espoir N37, Gurley value 900 seconds / 100 ml, manufactured by Mitsui Chemicals). The ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane was 0.002 S / m, and the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.3 mg / cm 2 / min or less.

実施例20
ポリアクリル酸水溶液(ダイヤニトリックス社製、AP350M、30%水溶液)6部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績社製、PAA−10C、10%水溶液)4部と(組成物中のポリマー濃度:22%、酸/塩基当量数の比:78/22)、シロキサン樹脂溶液(信越化学社製、X−12、20%溶液)6部とを乳鉢内で混練した。混練すると白色のゼリー状物となり、このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は10.3であった。次に、このゼリー状物を1.0mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、6.5S/mであった。
Example 20
6 parts of a polyacrylic acid aqueous solution (manufactured by Daianitrix, AP350M, 30% aqueous solution), 4 parts of a polyallylamine aqueous solution (manufactured by Nitto Boseki, PAA-10C, 10% aqueous solution) and (polymer concentration in the composition: 22%, The ratio of acid / base equivalent number: 78/22) and 6 parts of a siloxane resin solution (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., X-12, 20% solution) were kneaded in a mortar. When kneaded, a white jelly-like product was formed, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 10.3. Next, this jelly-like product was placed in a 1.0 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 6.5 S / m.

実施例21
実施例20で得られたゼリー状物を0.5mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は3.6S/mで、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は0.96mg/cm/minであった。
Example 21
The jelly-like material obtained in Example 20 was charged into a 0.5 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin film (manufactured by Teijin DM Soltec, Solpore 7P07B, Gurley value 4 seconds / 100 ml). The obtained solid polymer electrolyte membrane had an ionic conductivity of 3.6 S / m, and a methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 0.96 mg / cm 2 / min.

実施例22
ポリアクリル酸水溶液(ダイヤニトリックス社製、AP350M、30%水溶液)6部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績社製、PAA−10C、10%水溶液)4部(組成物中のポリマー濃度:22%、酸/塩基当量数の比:78/22)と、シロキサン樹脂溶液(信越化学社製、X−12、20%溶液)2部、モンモリロナイト2部とを乳鉢内で混練した。混練すると白色のゼリー状物となった。このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は10.3であった。次に、このゼリー状物を1.0mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、4.6S/mであった。
Example 22
6 parts polyacrylic acid aqueous solution (manufactured by Dianitics, AP350M, 30% aqueous solution) and 4 parts polyallylamine aqueous solution (manufactured by Nittobo, PAA-10C, 10% aqueous solution) (polymer concentration in the composition: 22%, acid) / Ratio of base equivalent number: 78/22), 2 parts of a siloxane resin solution (X-12, 20% solution manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and 2 parts of montmorillonite were kneaded in a mortar. When kneaded, a white jelly-like product was formed. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 10.3. Next, this jelly-like product was placed in a 1.0 mm thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 4.6 S / m.

実施例23
実施例22で得られたゼリー状物を1.0mmのスペーサー内に仕込み、両面を多孔質ポリオレフィン膜(帝人ディーエスエムソルテック社製、ソルポア7P07B、ガーレー値4秒/100ml)で覆った。得られた固体高分子電解質膜のイオン伝導度は2.3S/mで、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は1.3mg/cm/minであった。
Example 23
The jelly-like material obtained in Example 22 was charged into a 1.0 mm spacer, and both surfaces were covered with a porous polyolefin membrane (manufactured by Teijin DM Soltec, Solpore 7P07B, Gurley value 4 seconds / 100 ml). The obtained solid polymer electrolyte membrane had an ionic conductivity of 2.3 S / m, and a methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 1.3 mg / cm 2 / min.

実施例24
50%ポリアクリル酸水溶液1部と、ポリN,N−ジメチルアミノエチルメタクリレート水溶液(30%水溶液)2部とを(組成物中のポリマー濃度:37%、酸/塩基当量数の比:35/65)乳鉢内で混練した。混練すると無色のやや柔らかいゼリー状物となった。このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は8.8であった。次にこのゼリー状物を0.5mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。結果、0.8S/mであった。
Example 24
1 part of 50% polyacrylic acid aqueous solution and 2 parts of poly N, N-dimethylaminoethyl methacrylate aqueous solution (30% aqueous solution) (polymer concentration in composition: 37%, ratio of acid / base equivalent number: 35 / 65) Kneading in a mortar. When kneaded, it became a colorless and slightly soft jelly. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 8.8. Next, this jelly-like product was placed in a 0.5 mm-thick spacer, and both surfaces of the obtained solid polymer gel film 1 were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 0.8 S / m.

比較例1
ナフィオン膜(ナフィオン112、膜厚50μm)をポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)に60℃で100時間浸漬した後、軽く水洗した。このもののイオン伝導度は、0.0009S/mであった。また、メタノール透過速度は3.1mg/cm/minあった。このように、ただ単にスルホン酸基を有する膜に塩基性基を有するポリマーを含浸させても有効なメタノール阻止性は得られなかった。
Comparative Example 1
A Nafion membrane (Nafion 112, film thickness 50 μm) was immersed in a polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) at 60 ° C. for 100 hours, and then lightly washed with water. The ionic conductivity of this product was 0.0009 S / m. Further, the methanol permeation rate was 3.1 mg / cm 2 / min. Thus, an effective methanol blocking property cannot be obtained simply by impregnating a membrane having a sulfonic acid group with a polymer having a basic group.

比較例2
アクリル酸系ポリマー水溶液(荒川化学工業社製、HP−710、30%水溶液)1部と、アクリルアミド系ポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW−387−20、30%水溶液)3部とを(組成物中のポリマー濃度:30%、酸/塩基当量数の比:50/50)乳鉢内で混練した。混練すると無色のゼリー状物となり、このゼリー状物の0.2%水溶液のpH値は6.9であった。次に、このゼリー状物を0.2mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜1のイオン伝導度を測定した。その結果、0.002S/mであった。
Comparative Example 2
1 part acrylic acid polymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, HP-710, 30% aqueous solution) and 3 parts acrylamide polymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 30% aqueous solution) ( Polymer concentration in the composition: 30%, ratio of acid / base equivalent number: 50/50) Kneading in a mortar. When kneaded, it became a colorless jelly-like product, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this jelly-like product was 6.9. Next, this jelly-like product was charged into a 0.2 mm thick spacer, and the ionic conductivity of the obtained solid polymer gel membrane 1 was measured. As a result, it was 0.002 S / m.

比較例3
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、23%水溶液)14部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績製、PAA05、20%水溶液)1.5部とを(組成物中のポリマー濃度:14.3%、酸/塩基当量数の比:50/50)乳鉢内で混練した。混練すると白色の樹脂状物となり、この樹脂状物の0.2%水溶液のpH値は7.3であった。次に、この樹脂状物を0.2mm厚のスペーサー内に仕込み、得られた固体高分子ゲル膜のイオン伝導度を測定した。その結果、0.01S/mであった。
Comparative Example 3
14 parts of Nafion aqueous solution (manufactured by DuPont, SE-10072, 23% aqueous solution) and 1.5 parts of polyallylamine aqueous solution (manufactured by Nittobo, PAA05, 20% aqueous solution) (polymer concentration in the composition: 14.3) %, Ratio of acid / base equivalent number: 50/50) Kneading in a mortar. When kneaded, a white resinous material was obtained, and the pH value of a 0.2% aqueous solution of this resinous material was 7.3. Next, this resinous material was placed in a spacer having a thickness of 0.2 mm, and the ionic conductivity of the obtained solid polymer gel film was measured. As a result, it was 0.01 S / m.

比較例4
アクリル酸系ポリマー水溶液(荒川化学工業社製、アラフィックス504、2%水溶液)6部と、アクリルアミド系ポリマー水溶液(荒川化学工業社製、ポリストロン619、7%水溶液)24部とを(組成物中のポリマー濃度:6%、酸/塩基当量数の比:50/50)乳鉢内で混練した。混練するとほとんど沈殿物を形成することがなかった。この組成物の0.2%水溶液のpH値は7.21であった。
Comparative Example 4
6 parts of an acrylic acid polymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, Arafix 504, 2% aqueous solution) and 24 parts of acrylamide polymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, Polystron 619, 7% aqueous solution) (composition) Polymer concentration: 6%, ratio of acid / base equivalent number: 50/50) Kneading in a mortar. When kneaded, almost no precipitate was formed. The pH value of the 0.2% aqueous solution of this composition was 7.21.

実施例25
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、11%水溶液)20部とポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)20部(酸塩基当量数の比:60/40)と、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと称する)粉末(三井デュポンフロロケミカル社製テフロン(登録商標)6J)7部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:48%)とを加え、乳鉢内で混練すると白色のパテ状組成物となった。このパテ状組成物をSUS板に挟み、プレスすることにより膜厚100μmの固体高分子電解質膜5を得た。これを80℃の熱風乾燥炉に入れ、乾燥させた。この固体高分子電解質膜5の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、5×10−1S/mであった。メタノール透過速度は1mg/cm/minであった。
Example 25
20 parts of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 11% aqueous solution) and 20 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (ratio of the number of acid-base equivalents: 60/40) and 7 parts of polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) powder (Teflon (registered trademark) 6J manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) (ionic polymer concentration in the composition: 48%) When kneaded in a mortar, a white putty-like composition was obtained. The putty-like composition was sandwiched between SUS plates and pressed to obtain a solid polymer electrolyte membrane 5 having a thickness of 100 μm. This was put into a hot air drying oven at 80 ° C. and dried. Both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 5 were sandwiched between platinum electrodes, and ionic conductivity was measured. As a result, it was 5 × 10 −1 S / m. The methanol permeation rate was 1 mg / cm 2 / min.

比較例5
PTFEを添加しなかったことを除いて、実施例1と同様に行った。ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、11%水溶液)20部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)20部(酸塩基当量数の比:60/40)とを乳鉢内で混練すると白色のパテ状組成物となった。このパテ状組成物をSUS板に挟み、プレスすることにより膜厚100μmの固体高分子電解質膜を得た。これを80℃の熱風乾燥炉に入れ、乾燥させたが、自立膜にならず、脆いものであった。
Comparative Example 5
Performed as in Example 1 except that PTFE was not added. 20 parts of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 11% aqueous solution) and 20 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (ratio of the number of acid-base equivalents) : 60/40) was kneaded in a mortar to give a white putty-like composition. The putty-like composition was sandwiched between SUS plates and pressed to obtain a solid polymer electrolyte membrane having a thickness of 100 μm. This was put in a hot air drying oven at 80 ° C. and dried, but it did not become a self-supporting film and was brittle.

実施例26
ポリアクリル酸系水溶液(荒川化学工業社製、ポリマセットHP−710、30%水溶液)3部(酸/塩基当量数の比:64/36)と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績社製、PAA−10C、10%水溶液)4部と、PTFE1.5部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:46%)と、シロキサン樹脂(信越化学社製、X−12、20%溶液)6部とを乳鉢内で混練すると白色のゼリー状組成物となった。このゼリー状組成物をSUS板に挟み、プレスすることにより膜厚100μmの固体高分子電解質膜5を得た。これを80℃の熱風乾燥炉に入れ、乾燥させた。この固体高分子電解質膜5の両側を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、2×10−1S/mであった。メタノール透過速度は0.5mg/cm/minであった。
Example 26
3 parts polyacrylic acid aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, Polymerset HP-710, 30% aqueous solution) (acid / base equivalent ratio: 64/36) and polyallylamine aqueous solution (Nittobo, PAA- 10 parts of 10C, 10% aqueous solution), 1.5 parts of PTFE (ionic polymer concentration in the composition: 46%), and 6 parts of siloxane resin (X-12, 20% solution manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) When kneaded inside, a white jelly-like composition was obtained. The jelly-like composition was sandwiched between SUS plates and pressed to obtain a solid polymer electrolyte membrane 5 having a thickness of 100 μm. This was put into a hot air drying oven at 80 ° C. and dried. Both sides of the solid polymer electrolyte membrane 5 were sandwiched between platinum electrodes, and ionic conductivity was measured. As a result, it was 2 × 10 −1 S / m. The methanol permeation rate was 0.5 mg / cm 2 / min.

実施例27
ポリアクリル酸水溶液(ダイヤニトリックス社製、AP350M、30%水溶液)10部と、ポリアリルアミン水溶液(日東紡績社製、PAA10C、10%水溶液)1部(酸塩基当量数の比:97/3)と、PTFE7部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:28%)と、酸型ゼオライト3部とを乳鉢内で混練すると透明のゼリー状物となった。次に、実施例1と同様の操作を行い、膜厚100μmの固体高分子電解質膜5を得た。この固体高分子電解質膜5のイオン伝導度は、4×10−4S/mであった。また、30%メタノール水溶液でのメタノール透過速度は5.7mg/cm/minであった。
Example 27
10 parts of polyacrylic acid aqueous solution (manufactured by Dianitics, AP350M, 30% aqueous solution) and 1 part of polyallylamine aqueous solution (manufactured by Nitto Boseki, PAA10C, 10% aqueous solution) (ratio of acid-base equivalent number: 97/3), When 7 parts of PTFE (ionic polymer concentration in the composition: 28%) and 3 parts of acid type zeolite were kneaded in a mortar, a transparent jelly-like product was obtained. Next, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a solid polymer electrolyte membrane 5 having a thickness of 100 μm. The ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 5 was 4 × 10 −4 S / m. Moreover, the methanol permeation rate in a 30% aqueous methanol solution was 5.7 mg / cm 2 / min.

実施例28
実施例1のナフィオン水溶液をエバポレータにて濃縮し、21%溶液とした。この濃縮ナフィオン水溶液9.4部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、20%水溶液)10部(酸塩基当量数の比:60/40)と、PTFE7部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:36%)と、酸型ゼオライト3部とを乳鉢内で混練した。混練すると実施例1で得られたものよりやや硬めの白色のパテ状組成物となった。このパテ状組成物をSUS板に挟み、プレスすることにより膜厚100μmの固高分子電解質膜5を得た。これを80℃の熱風乾燥炉に入れ、乾燥させた。この固体高分子電解質膜5の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。イオン伝導度は、3.3S/mであった。メタノール透過速度は0.9mg/cm/minであった。
Example 28
The Nafion aqueous solution of Example 1 was concentrated with an evaporator to obtain a 21% solution. 9.4 parts of this concentrated Nafion aqueous solution, 10 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) (ratio of acid-base equivalent number: 60/40), and 7 parts of PTFE (Concentration of ionic polymer in composition: 36%) and 3 parts of acid-type zeolite were kneaded in a mortar. When kneaded, a white putty-like composition slightly harder than that obtained in Example 1 was obtained. The putty-like composition was sandwiched between SUS plates and pressed to obtain a solid polymer electrolyte membrane 5 having a thickness of 100 μm. This was put into a hot air drying oven at 80 ° C. and dried. Both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 5 were sandwiched between platinum electrodes, and ionic conductivity was measured. The ionic conductivity was 3.3 S / m. The methanol permeation rate was 0.9 mg / cm 2 / min.

実施例29
ナフィオン水溶液(デュポン社製、SE-10072、5.5%水溶液)5部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW-387-20、10%水溶液)5部(酸塩基当量数の比:60/40)と、PTFE10部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:7.2%)と、酸型ゼオライト3部とを乳鉢内で混練した。混練すると白色のやや柔らかい餅状物となった。次に、実施例1と同様の操作を行い、固体高分子電解質膜5を得、イオン伝導度を測定した。結果、1.5×10−3S/mであった。メタノール透過速度は0.7mg/cm/minであった。
Example 29
5 parts of Nafion aqueous solution (DuPont, SE-10072, 5.5% aqueous solution) and 5 parts of polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 10% aqueous solution) (number of acid-base equivalents) Ratio of 60/40), 10 parts of PTFE (ionic polymer concentration in the composition: 7.2%), and 3 parts of acid-type zeolite were kneaded in a mortar. When kneaded, it turned into a white slightly soft bowl. Next, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a solid polymer electrolyte membrane 5, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 1.5 × 10 −3 S / m. The methanol transmission rate was 0.7 mg / cm 2 / min.

実施例30
ナフィオン水溶液(デュポン社製、Lot.No.SE-10072、11%水溶液)4部と、ポリアクリルアミド系コポリマー水溶液(荒川化学工業社製、KW−387-20、20%水溶液)8部(酸塩基当量数の比:43/57)と、PTFE3部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:40%)と、スルホン化ピッチ(上記合成例参照)3部とを乳鉢内で混練した。混練すると黒色のペースト状となった。その後の操作は、実施例1に準じた。得られた固体高分子電解質膜5のイオン伝導度を測定した結果、2.0S/mであった。メタノール透過速度は1.5mg/cm/minであった。
Example 30
Nafion aqueous solution (DuPont, Lot No. SE-10072, 11% aqueous solution) 4 parts and polyacrylamide copolymer aqueous solution (Arakawa Chemical Industries, KW-387-20, 20% aqueous solution) 8 parts (acid base Equivalent number ratio: 43/57), 3 parts of PTFE (ionic polymer concentration in composition: 40%), and 3 parts of sulfonated pitch (see synthesis example above) were kneaded in a mortar. When kneaded, a black paste was formed. Subsequent operations were in accordance with Example 1. As a result of measuring the ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane 5, it was 2.0 S / m. The methanol transmission rate was 1.5 mg / cm 2 / min.

実施例31
ポリ2−アクリロイルアミノ−2−メチル−1−プロパンスルホン酸水溶液(東亞合成社製、アロンA-12SL、40%水溶液)2.1部と、50%ポリアクリルアミド水溶液0.57部(酸塩基当量数の比:50/50)と、PTFE1.5部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:43%)と、酸型ゼオライト1.5部とを乳鉢内で混練した。混練すると無色の柔らかいゼリー状物となった。その後の操作は、実施例1に準じた。得られた固体高分子電解質膜5のイオン伝導度を測定した結果、2.1S/mであった。メタノール透過速度は、1.1mg/cm/minであった。
Example 31
2.1 parts poly 2-acryloylamino-2-methyl-1-propanesulfonic acid aqueous solution (Toagosei Co., Ltd., Aron A-12SL, 40% aqueous solution) and 0.57 parts 50% polyacrylamide aqueous solution (acid-base equivalent) Number ratio: 50/50), 1.5 parts of PTFE (ionic polymer concentration in composition: 43%), and 1.5 parts of acid-type zeolite were kneaded in a mortar. When kneaded, a colorless soft jelly was obtained. Subsequent operations were in accordance with Example 1. As a result of measuring the ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane 5, it was 2.1 S / m. The methanol transmission rate was 1.1 mg / cm 2 / min.

実施例32
ポリアシッドホスホシキエチルメタクリレート(ユニケミカル社製、商品名:ホスマーMホモポリマー、11%IPA溶液)7.6部と、50%ポリアクリルアミド水溶液0.57部(酸塩基当量数の比:50/50)と、ポリ塩化ビニル粉末2.0部(組成物中のイオン性ポリマー濃度:36%)と、シロキサン樹脂(信越化学社製、X−12、20%溶液)3部と、ジメチルホルムアミド2部とを乳鉢内で混練した。混練すると無色の柔らかいパテ状物となった。その後の操作は、実施例1に準じた。得られた固体高分子電解質膜5のイオン伝導度を測定した結果、8×10−1S/mであった。メタノール透過速度は、0.5mg/cm/minあった。
Example 32
7.6 parts of polyacid phosphooxyethyl methacrylate (product name: Phosmer M homopolymer, 11% IPA solution) and 0.57 part of 50% polyacrylamide aqueous solution (ratio of acid-base equivalent number: 50 / 50), 2.0 parts of polyvinyl chloride powder (ionic polymer concentration in the composition: 36%), 3 parts of a siloxane resin (X-12, 20% solution manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), and dimethylformamide 2 And kneaded in a mortar. When kneaded, it became a colorless soft putty. Subsequent operations were in accordance with Example 1. As a result of measuring ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane 5, it was 8 × 10 −1 S / m. The methanol permeation rate was 0.5 mg / cm 2 / min.

実施例33
実施例8でのポリ塩化ビニル粉末の代わりにポリビニルアルコール粉末を用い、その他は実施例8と同様に行った。80℃で混練すると黒色の柔らかいゼリー状物となった。その後の操作は、実施例1に準じた。得られた固体高分子電解質膜5のイオン伝導度を測定した結果、4.0S/mであった。メタノール透過速度は、1.8mg/cm/minであった。
Example 33
A polyvinyl alcohol powder was used in place of the polyvinyl chloride powder in Example 8, and the others were performed in the same manner as in Example 8. When kneaded at 80 ° C., a black soft jelly was obtained. Subsequent operations were in accordance with Example 1. As a result of measuring the ionic conductivity of the obtained solid polymer electrolyte membrane 5, it was 4.0 S / m. The methanol transmission rate was 1.8 mg / cm 2 / min.

実施例34
実施例8での組成物、すなわちポリアシッドホスホシキエチルメタクリレート(ユニケミカル社製、商品名:ホスマーMホモポリマー、11%IPA溶液)7.6部、50%ポリアクリルアミド水溶液0.57部(酸塩基当量数の比:50/50)、ポリ塩化ビニル粉末2.0部(樹脂組成物中のイオン性ポリマー濃度:36%)、シロキサン樹脂(信越化学社製、X−12、20%溶液)3部、およびジメチルホルムアミド2部に、架橋剤としてt−ブチルパーオキシベンゾエート1重量%を加えた。得られたゼリー状組成物をSUS板に挟み、プレスすることにより膜厚100μmの固体高分子電解質膜5を得た。これを80℃の熱風乾燥炉に入れ、乾燥させた。さらに、熱プレス機中120℃で架橋反応を行い、フィルム状の固体高分子電解質膜5を得ることができた。この膜の両面を白金電極で挟み込み、イオン伝導度を測定した。その結果、2×10−1S/mであった。メタノール透過速度は0.9mg/cm/minであった。
Example 34
Composition in Example 8, ie, polyacid phosphooxyethyl methacrylate (trade name: Phosmer M homopolymer, 11% IPA solution), 7.6 parts, 50% polyacrylamide aqueous solution 0.57 parts (acid) Ratio of base equivalent number: 50/50), 2.0 parts of polyvinyl chloride powder (ionic polymer concentration in resin composition: 36%), siloxane resin (X-12, 20% solution manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) 1 part by weight of t-butyl peroxybenzoate was added as a crosslinking agent to 3 parts and 2 parts of dimethylformamide. The obtained jelly-like composition was sandwiched between SUS plates and pressed to obtain a solid polymer electrolyte membrane 5 having a thickness of 100 μm. This was put into a hot air drying oven at 80 ° C. and dried. Furthermore, a crosslinking reaction was performed at 120 ° C. in a hot press machine, and a film-like solid polymer electrolyte membrane 5 was obtained. Both sides of this film were sandwiched between platinum electrodes, and the ionic conductivity was measured. As a result, it was 2 × 10 −1 S / m. The methanol permeation rate was 0.9 mg / cm 2 / min.

実施例および比較例の結果を表1ないし4にまとめた。   The results of Examples and Comparative Examples are summarized in Tables 1 to 4.

Figure 2005327703
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以上のように、本発明にかかる、イオン伝導性の固体高分子電解質、固体高分子電解質膜5、固体高分子ゲル膜1、およびこの固体高分子ゲル膜1を多孔性膜により挟んでなる固体高分子電解質膜は、燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池用イオン伝導膜、酸化還元電池、電気透析膜、逆浸透膜、ナノ濾過膜、拡散透析膜、ガス分離膜、浸透気化及び浸透抽出膜、湿度センサ、ガスセンサの分野に使用され、また、極めて低いメタノール透過性を有し、DMFC用電解質膜として使用されるため、産業上有用である。   As described above, the ion conductive solid polymer electrolyte, the solid polymer electrolyte membrane 5, the solid polymer gel membrane 1, and the solid formed by sandwiching the solid polymer gel membrane 1 between the porous membranes according to the present invention. Polymer electrolyte membranes are fuel cells, ion conducting membranes for solid polymer electrolyte fuel cells, redox cells, electrodialysis membranes, reverse osmosis membranes, nanofiltration membranes, diffusion dialysis membranes, gas separation membranes, pervaporation and osmotic extraction. Since it is used in the fields of membranes, humidity sensors, and gas sensors, and has a very low methanol permeability and is used as an electrolyte membrane for DMFC, it is industrially useful.

本発明の固体高分子電解質膜の一例を示す側面図である。It is a side view which shows an example of the solid polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明の固体高分子ゲル膜を備える燃料電池の一例を示す側面図である。It is a side view which shows an example of a fuel cell provided with the solid polymer gel film | membrane of this invention. 本発明の固体高分子電解質膜を備える燃料電池の一例を示す側面図である。It is a side view which shows an example of a fuel cell provided with the solid polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明の固体高分子電解質膜を備える燃料電池の他例を示す側面図である。It is a side view which shows the other example of a fuel cell provided with the solid polymer electrolyte membrane of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・固体高分子ゲル膜
2・・・多孔質膜
3a・・・正極
3b・・・負極
4・・・ガス拡散層
5・・・固体高分子電解質膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer gel film 2 ... Porous membrane 3a ... Positive electrode 3b ... Negative electrode 4 ... Gas diffusion layer 5 ... Solid polymer electrolyte membrane

Claims (20)

酸性基を有するポリマー溶液と塩基性基を有するポリマー溶液とを混合して得られる組成物を含有する固体高分子電解質であって、
前記酸性基を有するポリマーがスルホン酸基、ホスホン酸基、およびカルボキシル基からなる群より選ばれた少なくとも1種を側鎖に有する脂肪族ポリマーであり、
前記塩基性を有するポリマーがアミノ基、アミド基、およびウレア基からなる群より選ばれた少なくとも1種を主鎖または側鎖に有する脂肪族ポリマーまたは芳香族ポリマーである固体高分子電解質。
A solid polymer electrolyte containing a composition obtained by mixing a polymer solution having an acidic group and a polymer solution having a basic group,
The polymer having an acidic group is an aliphatic polymer having in the side chain at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a carboxyl group;
A solid polymer electrolyte, wherein the basic polymer is an aliphatic polymer or an aromatic polymer having at least one selected from the group consisting of an amino group, an amide group, and a urea group in a main chain or a side chain.
前記組成物のpH値が0以上かつ6以下、または8以上かつ14以下である請求項1記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1, wherein the composition has a pH value of 0 or more and 6 or less, or 8 or more and 14 or less. 前記酸性基を有するポリマーと塩基性基を有するポリマーの官能基当量数の比が20/80〜80/20である請求項1記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1, wherein the ratio of the number of functional group equivalents of the polymer having an acidic group and the polymer having a basic group is 20/80 to 80/20. ポリマー含有量が10〜90重量%である請求項1記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polymer content is 10 to 90% by weight. 前記酸性基を有するポリマーが、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸、ポリアクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、ポリアッシドホスホシキエチルメタクリレート、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、またはイソブチレン無水マレイン酸コポリマーである請求項1記載の固体高分子電解質。   The polymer having acidic groups is polyperfluorocarbon sulfonic acid, polyacrylamide methylpropane sulfonic acid, polyacid phosphooxyethyl methacrylate, poly (meth) acrylic acid, polystyrene sulfonic acid, or isobutylene maleic anhydride copolymer. 1. The solid polymer electrolyte according to 1. 前記塩基性基を有するポリマーが、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミン、ポリジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、アミノポリアクリルアミド、ポリアミノスルホン、ポリビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルカプロラクタム、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルジアミノトリアジン、またはポリエチレンイミンである請求項1記載の固体高分子電解質。   The polymer having the basic group is polyacrylamide, polyallylamine, polydimethylaminoethyl (meth) acrylate, aminopolyacrylamide, polyaminosulfone, polyvinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, polyvinylcaprolactam, polyvinylcarbazole, polyvinyldiaminotriazine, or polyethyleneimine The solid polymer electrolyte according to claim 1. さらに、フィラーを含有してなる請求項1記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1, further comprising a filler. 前記フィラーが、シロキサン樹脂、スルホン化ピッチ、スルホン化カーボン、モンモリロナイト、または酸性型ゼオライトである請求項7記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 7, wherein the filler is a siloxane resin, sulfonated pitch, sulfonated carbon, montmorillonite, or acidic zeolite. 前記フィラーの添加量が、前記固体高分子電解質中のポリマー含有量100重量部に対して5〜300重量部である請求項7記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 7, wherein the filler is added in an amount of 5 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer content in the solid polymer electrolyte. さらに、マトリックスポリマーを含有し、該マトリックスポリマーが、ポリオレフィン、ハロゲン化ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリカーボネート、ポリパラビニルフェノール、ポリエチレンオキシド、ポリフェニレンオキシド、およびこれらの誘導体からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む請求項1記載の固体高分子電解質。   And a matrix polymer, which is a polyolefin, halogenated polyolefin, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyimide, polybenzimidazole, polyoxazole, polycarbonate, polyparavinylphenol, polyethylene oxide, polyphenylene oxide, and derivatives thereof. The solid polymer electrolyte according to claim 1, comprising at least one selected from the group consisting of: 酸性基を有するポリマーと塩基性基を有するポリマーの総含有量が、5〜90重量%である請求項10記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 10, wherein the total content of the polymer having an acidic group and the polymer having a basic group is 5 to 90% by weight. マトリックスポリマーが、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、酢酸ビニル−ビニルピリジン共重合体、ポリエチレン、ポリエチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン、またはエチレンテトラフルオロエチレン共重合体である請求項10記載の固体高分子電解質。   The matrix polymer is polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polyvinyl chloride copolymer, styrene-acrylonitrile copolymer, vinyl acetate-vinyl pyridine copolymer, polyethylene, polyethylene-vinyl alcohol copolymer, polypropylene, polychlorinated. The solid polymer electrolyte according to claim 10, which is vinylidene or an ethylenetetrafluoroethylene copolymer. さらに、架橋剤を含有する固体高分子電解質であって、熱、光、または電子線で架橋させて得られる請求項10記載の固体高分子電解質。   Furthermore, it is a solid polymer electrolyte containing a crosslinking agent, Comprising: The solid polymer electrolyte of Claim 10 obtained by making it bridge | crosslink with a heat | fever, light, or an electron beam. 請求項1記載の固体高分子電解質を製膜してなる固体高分子ゲル膜。   A solid polymer gel film formed by forming the solid polymer electrolyte according to claim 1. 請求項14記載の固体高分子ゲル膜を多孔質膜で挟んでなる固体高分子電解質膜。   A solid polymer electrolyte membrane comprising the solid polymer gel membrane according to claim 14 sandwiched between porous membranes. 前記多孔質膜のガーレー値が100秒/100ml以下である請求項15記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to claim 15, wherein the porous membrane has a Gurley value of 100 seconds / 100 ml or less. 請求項10記載の固体高分子電解質を製膜してなる固体高分子電解質膜。   A solid polymer electrolyte membrane formed by forming the solid polymer electrolyte according to claim 10. 請求項14記載の固体高分子ゲル膜と、該固体高分子ゲル膜を挟む正極および負極とを備える燃料電池。   A fuel cell comprising the solid polymer gel film according to claim 14 and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the solid polymer gel film. 請求項15記載の固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を挟む正極および負極とを備える燃料電池。   A fuel cell comprising the solid polymer electrolyte membrane according to claim 15, and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane. 請求項17記載の固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を挟む正極および負極とを備える燃料電池。   A fuel cell comprising: the solid polymer electrolyte membrane according to claim 17; and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane.
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