JP2005332801A - Proton conductive film, combined proton conductivity film, and fuel cell - Google Patents

Proton conductive film, combined proton conductivity film, and fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive film, a combined proton conductive film, and a fuel cell wherein they are superior in heat resistance, fluctuations of a proton conductive performance due to humidity changes are small, and proton conductive performance is superior under a high temperature and a low humidity. <P>SOLUTION: The proton conductive film consists of a continuous body of minute particles of a silicon-oxygen cross-linked structure having sulfonic acid groups on the surface, wherein pores penetrating the film are formed between the minute particles, the total pore volume of the pores measured by a BET method is 0.3 cm<SP>3</SP>/g or less, and the ion exchange capacity of the pores is 0.7 meq/g or more. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、耐熱性に優れ、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動が小さく特に高温低湿下におけるプロトン伝導性能にも優れるプロトン伝導性膜、複合化プロトン伝導性膜及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a proton conductive membrane, a composite proton conductive membrane, and a fuel cell that are excellent in heat resistance, have a small fluctuation in proton conductive performance due to changes in humidity, and are particularly excellent in proton conductive performance under high temperature and low humidity.

燃料電池は、発電効率が高くかつ環境特性に優れているため、近年、社会的に大きな課題となっている環境問題やエネルギー問題の解決に貢献できる次世代の発電装置として注目されている。
燃料電池は、一般に電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、なかでも固体高分子形燃料電池(以下、PEFCともいう)は、他のいずれのタイプに比べても小型かつ高出力であり、小規模オンサイト型、例えば、車輌のパワーソース等の移動体用、携帯用等の電源として次世代の主力とされており、実用化に向けた開発が盛んに行われている。
Since fuel cells have high power generation efficiency and excellent environmental characteristics, in recent years, fuel cells have attracted attention as next-generation power generation devices that can contribute to solving environmental problems and energy problems that have become major social issues.
Fuel cells are generally classified into several types according to the type of electrolyte. Among them, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter also referred to as PEFC) are smaller and have higher output than any other type. In addition, it is regarded as the next-generation main power source for small-sized on-site type, for example, a mobile power source such as a power source of a vehicle, and a portable power source, and development for practical use is actively performed.

PEFCでは、通常、燃料として水素を用いる。水素は、アノード側に設置された触媒によりプロトン(水素イオン)と電子に分解される。分解により得られた電子は、外部に供給され電気として使用された後、カソード側へと循環される。一方、分解により得られたプロトンはプロトン伝導性膜(電解質膜)を通じてカソード側へと移動する。カソード側では、プロトン、循環されてきた電子、及び、外部から供給される酸素が触媒により反応して結合し水が生じる。すなわち、PEFCは、水素と酸素とから水を作る際に電気を取り出すという、非常にクリーンなエネルギー源である。
燃料電池の燃料としては、上述のように水素を用いるのが主流であるが、アルコール、エーテル、炭化水素類等の水素以外の燃料を用い、触媒によりこれらの燃料からプロトンと電子とを取り出す燃料電池も検討されている。このような燃料電池としては、例えば、メタノール(通常、水溶液として用いる)を燃料とする直接メタノール型燃料電池(以下、DMFCともいう)が挙げられる。
In PEFC, hydrogen is usually used as a fuel. Hydrogen is decomposed into protons (hydrogen ions) and electrons by a catalyst installed on the anode side. Electrons obtained by the decomposition are supplied to the outside and used as electricity, and then circulated to the cathode side. On the other hand, protons obtained by decomposition move to the cathode side through the proton conductive membrane (electrolyte membrane). On the cathode side, protons, circulated electrons, and oxygen supplied from the outside react with each other through a catalyst to form water. That is, PEFC is a very clean energy source that extracts electricity when making water from hydrogen and oxygen.
As the fuel for fuel cells, hydrogen is mainly used as described above, but fuel other than hydrogen such as alcohol, ether, hydrocarbons, etc. is used, and fuel that extracts protons and electrons from these fuels using a catalyst. Batteries are also being considered. Examples of such a fuel cell include a direct methanol fuel cell (hereinafter also referred to as DMFC) using methanol (usually used as an aqueous solution) as fuel.

PEFCやDMFC等の燃料電池において、プロトン伝導性膜は、アノード側で生じたプロトンをカソード側へ伝導する役目を持つ。このプロトンの伝導は、電子の流れと協奏的に起こるものである。従って、燃料電池において高い出力、即ち高い電流密度を得るためには、プロトン伝導性膜を介したプロトンの伝導を充分かつ高速に行う必要がある。このように、プロトン伝導性膜は、燃料電池の性能を決めてしまうキーマテリアルといっても過言ではない。
また、プロトン伝導性膜は、その他にもアノード側とカソード側との電気絶縁をする絶縁膜としての役割や、アノード側に供給される水素等の燃料がカソード側に漏れないようにする燃料バリア膜としての役割も併せ持つ。
In fuel cells such as PEFC and DMFC, the proton conductive membrane has a role of conducting protons generated on the anode side to the cathode side. This proton conduction occurs in concert with the flow of electrons. Therefore, in order to obtain a high output, that is, a high current density in the fuel cell, it is necessary to conduct protons through the proton conductive membrane sufficiently and at high speed. Thus, it is no exaggeration to say that the proton conductive membrane is a key material that determines the performance of the fuel cell.
The proton conductive membrane also serves as an insulating film that electrically insulates the anode side and the cathode side, and a fuel barrier that prevents fuel such as hydrogen supplied to the anode side from leaking to the cathode side. It also has a role as a membrane.

現在、PEFC等において用いられるプロトン伝導性膜としては、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基を有するスルホン化フッ素系樹脂膜が主流である。このようなプロトン伝導性膜は、非極性・撥水性の主鎖部分と、スルホン酸基を有し極性・親水性である側鎖部分とが相分離して、主鎖部分からなる海部にスルホン酸基が高濃度に集積した島部が分散する構造を示す。このスルホン酸基が高濃度に集積した島部がプロトン伝導経路として機能しているものと考えられている(非特許文献1参照)。
このようなスルホン化フッ素系樹脂膜のうち市販されているものとしては、例えば、ナフィオン(Nafion(登録商標)膜(デュポン:DuPont社、特許文献1参照。)
)、ダウ(Dow膜(ダウケミカル:Dow Chemical社、特許文献2参照。))、アシプレックス(Aciplex(登録商標)膜(旭化成工業社、特許文献3参照。))、フレミオン(Flemion(登録商標)膜(旭硝子社))等が挙げられる。
At present, sulfonated fluororesin membranes having perfluoroalkylene as the main skeleton and partially having a sulfonic acid group at the end of the perfluorovinyl ether side chain are mainly used as proton conductive membranes used in PEFC and the like. Such a proton conductive membrane has a non-polar / water-repellent main chain portion and a polar / hydrophilic side chain portion having a sulfonic acid group, and is separated into a sea part composed of the main chain portion. It shows a structure in which islands with a high concentration of acid groups are dispersed. It is considered that the island portion where the sulfonic acid group is accumulated at a high concentration functions as a proton conduction path (see Non-Patent Document 1).
Examples of commercially available sulfonated fluororesin membranes include Nafion (Nafion (registered trademark) membrane (DuPont: see Patent Document 1).
), Dow (Dow membrane (Dow Chemical: see Patent Document 2)), Aciplex (Aciplex (registered trademark) membrane (see Asahi Kasei Kogyo, Patent Document 3)), Flemion (registered trademark) ) Film (Asahi Glass Co., Ltd.)).

これらのスルホン化フッ素系樹脂膜は、湿潤状態下では、80℃程度までの温度域においては優れたプロトン伝導性能が発揮される。しかしながら、使用温度が100℃を超えると、いわゆるクリープ現象が起こり、その結果、膜中のプロトン伝導構造が変化してしまうためと考えられる。更に高温、高湿度域では、膜が膨潤してゼリー状となり、非常に破損しやすくなって燃料電池の故障につながる。 These sulfonated fluororesin membranes exhibit excellent proton conduction performance in a temperature range up to about 80 ° C. in a wet state. However, when the operating temperature exceeds 100 ° C., a so-called creep phenomenon occurs, and as a result, the proton conduction structure in the membrane changes. Furthermore, in a high temperature and high humidity region, the membrane swells to form a jelly, which is very easy to break, leading to the failure of the fuel cell.

しかしながら、燃料電池においては、以下の理由により100℃以上、好ましくは120℃以上で作動させることが求められている。
1)燃料電池は、その原理において化学反応を用いているため、高温で作動させる方が、エネルギー効率が高くなる。すなわち、同じ出力を考えれば、高温で作動可能な装置の方が、より小型で軽量にすることができる。また、高温で作動させると、その排熱をも利用することができるため、いわゆるコジェネレーション(熱電併給)が可能となり、トータルエネルギー効率は飛躍的に向上する。
2)燃料電池作動中に起こる反応は発熱反応であることから、作動により温度が上昇する。現在は水冷方式により冷却を行っているが、冷却手段により装置全体が大きく、重くなり、PEFC本来の特徴である小型、軽量という特徴を充分に生かすことができない。100℃以上で作動させることができれば冷却装置を含めた装置全体を飛躍的に小型化できる。
3)供給される水素が充分に精製されていない場合、アノード側に使用されている触媒が、燃料の不純物(例えば一酸化炭素)により活性を失う、いわゆる触媒被毒といわれる現象が発生する場合があり、PEFCの寿命を左右する大きな課題となっている。この触媒被毒に関しても、高温で燃料電池を作動させることができれば回避できることが知られている。
4)より高温での作動が可能となると、触媒として白金等の貴金属の純品を使用する必要がなく、安価な合金等を使用することが可能となる。
However, fuel cells are required to operate at 100 ° C. or higher, preferably 120 ° C. or higher for the following reasons.
1) Since a fuel cell uses a chemical reaction in principle, energy efficiency is higher when operated at a high temperature. That is, given the same output, a device that can operate at a high temperature can be made smaller and lighter. In addition, when operating at a high temperature, the exhaust heat can also be used, so that so-called cogeneration (cogeneration) is possible, and the total energy efficiency is dramatically improved.
2) Since the reaction occurring during operation of the fuel cell is an exothermic reaction, the temperature rises due to the operation. At present, cooling is performed by a water cooling method, but the whole apparatus becomes large and heavy due to the cooling means, and the small size and light weight characteristics, which are the original characteristics of PEFC, cannot be fully utilized. If it can be operated at 100 ° C. or higher, the entire apparatus including the cooling apparatus can be drastically reduced in size.
3) When the supplied hydrogen is not sufficiently purified, the catalyst used on the anode side loses its activity due to fuel impurities (for example, carbon monoxide), so-called catalyst poisoning occurs. There is a big problem that affects the life of PEFC. It is known that this catalyst poisoning can be avoided if the fuel cell can be operated at a high temperature.
4) When operation at a higher temperature is possible, it is not necessary to use a pure noble metal such as platinum as a catalyst, and an inexpensive alloy or the like can be used.

また、燃料電池に用いる一部の電解質膜は、そのプロトン伝導性能が湿度に大きく依存するという問題点もある。即ち、高湿下では高いプロトン伝導性能を発揮するものの、湿度が低下するとプロトン伝導性能が低下してしまう。このため、従来のPEFCにおいては、燃料である水素ガス等を加湿し、更に、セル内を一定湿度に保つために加湿器を常時作動させ、湿度をコントロールしていた。そのため、加湿器及び湿度調節器も必須であり、装置の小型化、低コスト化の妨げとなっていた。 In addition, some electrolyte membranes used in fuel cells also have a problem that their proton conduction performance is highly dependent on humidity. That is, high proton conductivity is exhibited under high humidity, but proton conductivity decreases when humidity decreases. For this reason, in the conventional PEFC, the fuel such as hydrogen gas is humidified, and the humidifier is always operated to control the humidity in order to keep the inside of the cell at a constant humidity. For this reason, a humidifier and a humidity controller are essential, which hinders downsizing and cost reduction of the apparatus.

以上のように、発電効率、コジェネレーション効率、コスト・資源の面、冷却効率等の種々の面において、プロトン伝導性膜の耐熱性の向上、及び、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動の低減、とりわけ高温低湿下におけるプロトン伝導性能の向上が求められていた。 As described above, in various aspects such as power generation efficiency, cogeneration efficiency, cost / resources, cooling efficiency, etc., the heat resistance of the proton conducting membrane is improved, and fluctuations in proton conducting performance due to changes in humidity are reduced. In particular, improvement of proton conduction performance under high temperature and low humidity has been demanded.

これに対して、耐熱性に優れたプロトン伝導性膜として、芳香族系高分子材料からなるものが提案されている。例えば、特許文献4には、ポリベンズイミダゾールからなるプロトン伝導性膜が、特許文献5及び6には、ポリエーテルスルホンからなるプロトン伝導性膜が、特許文献7には、ポリエーテルエーテルケトンからなるプロトン伝導性膜が開示されている。これらの芳香族系高分子材料からなるプロトン伝導性膜は、高温時における構造変化は少ない。しかしながら、芳香族間に直接スルホン酸基、カルボン酸基等を導入した構造であることから、高温において顕著な脱スルホン反応や脱炭酸反応が生じ、プロトン伝導性が低下してしまうことがあるという問題があった。また、高温高湿状態では大きく
膨潤してしまい、この乾燥状態と湿潤状態での膜形態の変化により、膜−電極接合体の接合部に応力がかかり、膜と電極の接合部がはがれたり、膜が破れたりする可能性が高く、更に、膨潤による膜の強度低下で膜破損が起こる可能性があるという問題もあった。
On the other hand, what consists of an aromatic polymer material is proposed as a proton conductive film | membrane excellent in heat resistance. For example, Patent Document 4 discloses a proton conductive membrane made of polybenzimidazole, Patent Documents 5 and 6 show a proton conductive membrane made of polyethersulfone, and Patent Document 7 shows a polyether ether ketone. A proton conducting membrane is disclosed. Proton conducting membranes made of these aromatic polymer materials have little structural change at high temperatures. However, since it has a structure in which a sulfonic acid group, a carboxylic acid group or the like is directly introduced between aromatics, a significant desulfonation reaction or decarboxylation reaction occurs at a high temperature, and proton conductivity may decrease. There was a problem. In addition, it swells greatly in the high temperature and high humidity state, and due to the change in the membrane form between the dry state and the wet state, stress is applied to the joint part of the membrane-electrode assembly, and the joint part of the film and the electrode peels off, There is a high possibility that the film is torn, and there is also a problem that the film may be broken due to a decrease in the film strength due to swelling.

また、特許文献8には、メルカプト基含有アルコキシシラン(C)と、硼素酸化物と、他のアルコキシシリル化合物とを組み合わせた架橋体を形成し、その後酸化することにより、耐熱性を有しかつ高い伝導度を有するプロトン伝導性膜の製造方法が開示されている。しかしながら、この方法では、メルカプト基含有アルコキシシラン(C)と硼素酸化物との架橋構造体、及び、メルカプト基含有アルコキシシラン(C)と硼素酸化物と他のアルコキシシリル化合物との架橋構造体は、いずれも粉末として得られることから単独では製膜することはできない。従って、製膜には別の高分子材料と複合する必要があるが、架橋体自身の耐熱性が高くても、複合する高分子材料の耐熱性が劣るため、膜としての耐熱性は必ずしも高くないものであった。また、非特許文献2にも、メルカプト基含有アルコキシシラン(C)と、他のアルコキシシリル化合物とを組み合わせて架橋し、酸化することにより電解質材料を得る方法が開示されている。しかし、ここでは材料形態等の詳細な記述はないものの、高湿度においては潮解性を示すことが明示されており、プロトン伝導性膜として用いることができないものであった。 Further, Patent Document 8 discloses that a crosslinked product obtained by combining a mercapto group-containing alkoxysilane (C), a boron oxide, and another alkoxysilyl compound is formed, and then oxidized to have heat resistance and A method for producing a proton conducting membrane having high conductivity is disclosed. However, in this method, the crosslinked structure of mercapto group-containing alkoxysilane (C) and boron oxide and the crosslinked structure of mercapto group-containing alkoxysilane (C), boron oxide and other alkoxysilyl compounds are: These films are obtained as powders and cannot be formed alone. Therefore, it is necessary to form a composite with another polymer material for film formation, but even if the crosslinked body itself has high heat resistance, the heat resistance of the composite polymer material is inferior, so the heat resistance as a film is not necessarily high. It was not. Non-Patent Document 2 also discloses a method of obtaining an electrolyte material by combining a mercapto group-containing alkoxysilane (C) with another alkoxysilyl compound, crosslinking, and oxidizing. However, although there is no detailed description of the material form and the like here, it has been clearly shown that it exhibits deliquescence at high humidity and cannot be used as a proton conductive membrane.

一方、高温低湿下におけるプロトン伝導性能を向上したプロトン伝導性膜としては、例えば、特許文献9に、イオン交換容量の非常に大きい(スルホン酸基含有量の高い)パーフルオロスルホン酸イオノマーを多官能塩基系化合物(ジアミン系オリゴマー)でイオン架橋する方法が開示される。しかしながらこのような膜は、高温高湿下では激しく膨潤し、潮解性を示すことから、プロトン伝導性膜としては用いることができないものであった。 On the other hand, as a proton conductive membrane with improved proton conduction performance under high temperature and low humidity, for example, Patent Document 9 discloses a polyfunctional sulfonate ionomer having a very large ion exchange capacity (high sulfonic acid group content). A method of ionic crosslinking with a basic compound (diamine oligomer) is disclosed. However, such a membrane cannot be used as a proton conductive membrane because it swells vigorously under high temperature and high humidity and exhibits deliquescence.

非特許文献3には、メルカプト基含有アルコキシシラン(C)と、テトラエトキシシランを種々の比率で混合し、混合物を界面活性剤等の存在下で架橋し、その後酸化することにより、イオンチャネルとして働く微小な空孔を有する電解質材料を得る方法が開示されている。しかしながら、この方法により得られた膜でも、低湿下におけるプロトン伝導性へのイオンチャネルの影響は検討されていない。 In Non-Patent Document 3, mercapto group-containing alkoxysilane (C) and tetraethoxysilane are mixed at various ratios, the mixture is crosslinked in the presence of a surfactant, etc., and then oxidized to form an ion channel. A method for obtaining an electrolyte material having working micropores is disclosed. However, even in the membrane obtained by this method, the influence of ion channels on proton conductivity under low humidity has not been studied.

米国特許第4,330,654号公報U.S. Pat. No. 4,330,654 特開平4−366137号公報JP-A-4-366137 特開平6−342665号公報JP-A-6-342665 特開平9−110982号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-110982 特開平10−21943号JP 10-211943 A 特開平10−45913号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-45913 特開平9−87510号公報JP-A-9-87510 特開平14−184427号公報Japanese Patent Laid-Open No. 14-184427 特開平14−246041号公報Japanese Patent Laid-Open No. 14-26041 膜(MEMBRANE)、第28巻、第14頁、2003Membrane, Vol. 28, p. 14, 2003 ソリッドステートイオニクス(Solid State Ionics、第74巻、第105頁、1994Solid State Ionics, Volume 74, Page 105, 1994 Kaliaguine、Microporous and Mesoporous Materials、第52巻、第29−37頁、2002Kaliaguine, Microporous and Mesoporous Materials, 52, 29-37, 2002

本発明は、上記現状に鑑み、耐熱性に優れ、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動が小さく特に高温低湿下におけるプロトン伝導性能にも優れるプロトン伝導性膜、複合化プロトン伝導性膜及び燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the above-described situation, the present invention provides a proton conductive membrane, a composite proton conductive membrane, and a fuel cell that are excellent in heat resistance, have small fluctuations in proton conductive performance due to changes in humidity, and are particularly excellent in proton conductive performance under high temperature and low humidity. The purpose is to provide.

本発明は、表面にスルホン酸基を有する珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなるプロトン伝導性膜であって、前記微粒子間には膜を貫通する細孔が形成されており、該細孔のBET法により測定した全細孔容積が0.3cm/g以下であり、イオン交換容量が0.7meq/g以上であるプロトン伝導性膜である。
以下に本発明について詳述する。
The present invention is a proton conductive membrane comprising a continuum of fine particles of silicon-oxygen crosslinked structure having sulfonic acid groups on the surface, and pores penetrating the membrane are formed between the fine particles. The proton conductive membrane has a total pore volume of 0.3 cm 3 / g or less and an ion exchange capacity of 0.7 meq / g or more measured by the BET method of the pores.
The present invention is described in detail below.

本発明のプロトン伝導性膜は、表面にスルホン酸基を有する珪素−酸素架橋構造体微粒子(以下、単に微粒子ともいう)の連続体からなるものである。ここで、微粒子の連続体とは、上記微粒子同士が互いに接触部分をもつように連続して存在する構造を意味する。本発明のプロトン伝導性膜の構造を図1を参照して説明する。
図1は、本発明のプロトン伝導性膜の構造を示す模式図である。本発明のプロトン伝導性膜においては、図1に示すように、珪素−酸素架橋構造体からなる微粒子1が膜中に多数存在し、これが密集して連続的に存在している。微粒子間の結合は、微粒子の表面に存在する未反応の珪素−酸素架橋基が相互に反応した珪素−酸素結合であることが好ましい。このように金属―酸素架橋基が相互に反応した微粒子間結合をもつことにより、膜の強度が更に向上する。
The proton conductive membrane of the present invention comprises a continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles (hereinafter also simply referred to as fine particles) having sulfonic acid groups on the surface. Here, the continuum of fine particles means a structure in which the fine particles are continuously present so that they have contact portions with each other. The structure of the proton conductive membrane of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of the proton conductive membrane of the present invention. In the proton conductive membrane of the present invention, as shown in FIG. 1, a large number of fine particles 1 made of a silicon-oxygen cross-linked structure are present in the membrane and are present densely and continuously. The bond between the fine particles is preferably a silicon-oxygen bond in which unreacted silicon-oxygen crosslinking groups present on the surface of the fine particles react with each other. Thus, the strength of the film is further improved by having a bond between fine particles in which the metal-oxygen crosslinking groups react with each other.

本発明のプロトン伝導性膜では、微粒子同士が幾何学的に完全に密な構造をとることは困難であることから、図1に示したように微粒子間に間隙2が生じる。この間隙2は、膜全体として見たときには、膜に形成された細孔2と見ることができる。この細孔2の壁面(即ち微粒子と微粒子の間隙の境界部)には、多数のスルホン酸基があることから、細孔2は酸基が集積したプロトン伝導経路としての役割を果たすことができる。 In the proton conductive membrane of the present invention, since it is difficult for the fine particles to have a geometrically perfect structure, gaps 2 are generated between the fine particles as shown in FIG. The gap 2 can be viewed as pores 2 formed in the membrane when viewed as the entire membrane. Since there are a large number of sulfonic acid groups on the wall surface of the pore 2 (that is, the boundary between the fine particles and the fine particles), the pore 2 can serve as a proton conduction path in which acid groups are accumulated. .

燃料電池の動作時にはアノード側で生じたプロトンがプロトン伝導性膜を介してカソード側に伝導され、一方、カソード側ではプロトンが消費される。予めプロトンを含有するプロトン伝導性膜では、アノード側ではプロトン供給によりプロトン濃度が高まり、カソード側ではプロトン消費によりプロトン濃度が低くなり、膜中にプロトン濃度勾配が生じる。このプロトン濃度勾配が、アノード側からカソード側へのプロトン伝導の駆動力となる。プロトン伝導性膜中にプロトンが充分に存在しない場合には、カソード側のプロトンが不足し、安定した燃料電池の動作が望めない。従って、膜中には充分なプロトン濃度が必要となる。一方、燃料電池において高い出力を得るためには、プロトン濃度勾配による伝導速度が充分に速いことが要求される。このためには効率的な伝導が可能なように、プロトンの伝導経路が確保されている必要がある。プロトンは、通常、水和物として移動するので、水との親和性がよく、また、プロトンが安定して存在出来る高濃度に酸が集積した連続相がプロトン伝導経路として好適である。
本発明のプロトン伝導性膜においては、上記多数のスルホン酸基を有する細孔がこのプロトン伝導経路の役割を果たすことから、極めて安定して高いプロトン伝導性を発揮することが可能である。更に、この細孔は、安定な珪素−酸素架橋構造体微粒子同士の結合により形成されているものであることから、高温でも変形せず安定したプロトン伝導を行うことができる。
During operation of the fuel cell, protons generated on the anode side are conducted to the cathode side through the proton conductive membrane, while protons are consumed on the cathode side. In a proton conductive membrane containing protons in advance, the proton concentration is increased by supplying protons on the anode side, and the proton concentration is decreased by proton consumption on the cathode side, resulting in a proton concentration gradient in the membrane. This proton concentration gradient becomes a driving force for proton conduction from the anode side to the cathode side. If there are not enough protons in the proton conducting membrane, the protons on the cathode side are insufficient, and stable fuel cell operation cannot be expected. Therefore, a sufficient proton concentration is required in the membrane. On the other hand, in order to obtain a high output in the fuel cell, it is required that the conduction speed by the proton concentration gradient is sufficiently high. For this purpose, a proton conduction path needs to be secured so that efficient conduction is possible. Since protons normally move as hydrates, they have good affinity with water, and a continuous phase in which acids are accumulated at a high concentration where protons can exist stably is suitable as a proton conduction path.
In the proton conductive membrane of the present invention, since the pores having a large number of sulfonic acid groups play a role of this proton conduction path, it is possible to exhibit high proton conductivity extremely stably. Furthermore, since these pores are formed by bonding between stable silicon-oxygen crosslinked structure fine particles, stable proton conduction can be performed without deformation even at high temperatures.

上記細孔の大きさや容積は、プロトン伝導性膜の性能に大きく影響する。即ち、細孔の孔径が大きく、容積が大きい場合には、含水性が高くなるが、一方で、水素等の燃料の移動を制限する燃料バリア膜としての役割を果たせなくなることがある。従って、上記細孔は、充分なプロトン伝導性を発現できる範囲において、より緻密であることが好ましい。また、本発明者らは、上記細孔が充分に緻密である場合には、相対湿度に応じたプロトン伝導性能の低下は見られるものの、長時間の運転でも安定したプロトン伝導性能を維持できることを見出した。 The size and volume of the pores greatly affect the performance of the proton conductive membrane. That is, when the pore diameter is large and the volume is large, the water content increases, but on the other hand, it may not be able to serve as a fuel barrier film that restricts the movement of fuel such as hydrogen. Therefore, it is preferable that the pores are denser as long as sufficient proton conductivity can be expressed. In addition, the present inventors show that, when the pores are sufficiently dense, although proton conductivity performance is lowered according to relative humidity, stable proton conductivity performance can be maintained even during long-time operation. I found it.

本発明のプロトン伝導性膜において、BET解析装置(例えば、島津製作所製「ジェミニ2375」等)を用いてBET法により測定した全細孔容積の上限が0.3cm/gであることが望ましい。0.3cm/gを超えると、低加湿下におけるプロトン伝導の安定性が悪くなる。また、燃料の種類によっては燃料がリークして発電効率が低下することがある。より好ましい上限は0.2cm/gである。上記細孔の全細孔容積の下限は特に限定されないが、好ましい下限は0.001cm/gである。0.001cm/g未満であると、実質的には貫通した細孔がなく、充分なプロトン伝導性能が得られないことがある。 In the proton conductive membrane of the present invention, the upper limit of the total pore volume measured by the BET method using a BET analyzer (for example, “Gemini 2375” manufactured by Shimadzu Corporation) is preferably 0.3 cm 3 / g. . If it exceeds 0.3 cm 3 / g, the stability of proton conduction under low humidification deteriorates. In addition, depending on the type of fuel, fuel leaks and power generation efficiency may decrease. A more preferable upper limit is 0.2 cm 3 / g. Although the minimum of the total pore volume of the said pore is not specifically limited, A preferable minimum is 0.001 cm < 3 > / g. When it is less than 0.001 cm 3 / g, there are substantially no through-holes, and sufficient proton conduction performance may not be obtained.

また、上記細孔としては、BET法により求められる細孔容積のうち、孔径が2〜10nmである細孔の占める割合が80%以上であり、孔径が10〜100nmである細孔の占める割合が20%未満であることが好ましい。このような比較的孔径の小さな細孔が中心である場合には、高温低湿下においても高いプロトン伝導性能が得られる。 In addition, as the pore, the proportion of pores having a pore diameter of 2 to 10 nm is 80% or more and the proportion of pores having a pore diameter of 10 to 100 nm in the pore volume determined by the BET method Is preferably less than 20%. In the case where such a pore having a relatively small pore diameter is the center, high proton conduction performance can be obtained even under high temperature and low humidity.

ただし、BET法では孔径が2.0nm未満である細孔は評価できないが、これ以下の例えば2〜6Å程度の極微小孔径の細孔は、高温低加湿下での膜中の水分の保持性を高める効果があると考えられる。このような極微小孔径の細孔を多数有する場合には、高温低湿下においてもより高いプロトン伝導性能が得られる。
このような極微小孔径の細孔の存在を直接観察することは困難であるが、X線回折像により確認することができる。即ち、X線回折像を測定したときに、2θ=6〜23(deg)の範囲にショルダー又は散乱ピークが観察される場合には、極微小孔径の細孔の存在が確認される。
従って、本発明のプロトン伝導性膜は、X線回折像を測定したときに、2θ=6〜23(deg)の範囲にショルダー又は散乱ピークが観察されることが好ましい。
However, although pores having a pore diameter of less than 2.0 nm cannot be evaluated by the BET method, pores having an extremely small pore diameter of, for example, about 2 to 6 mm below this, can retain moisture in the membrane under high temperature and low humidity. It is thought that there is an effect to increase In the case of having a large number of pores having such extremely small pore diameters, higher proton conduction performance can be obtained even under high temperature and low humidity.
Although it is difficult to directly observe the presence of such extremely small pores, it can be confirmed by an X-ray diffraction image. That is, when an X-ray diffraction image is measured, if a shoulder or a scattering peak is observed in the range of 2θ = 6 to 23 (deg), the presence of pores with extremely small pore diameters is confirmed.
Therefore, the proton conductive membrane of the present invention preferably has a shoulder or scattering peak observed in the range of 2θ = 6 to 23 (deg) when an X-ray diffraction image is measured.

次に、本発明のプロトン伝導性膜を構成する微粒子について説明する。
上記微粒子は、珪素−酸素架橋構造体からなる。ここで、珪素−酸素架橋構造体とは、少なくとも珪素と酸素とが化学結合することにより形成される構造体であり、いわゆるガラス構造体を意味する。本発明のプロトン伝導性膜において、この珪素−酸素架橋構造は、重要な構成要素であり、膜の機械的強度、耐熱性、耐久性、寸法安定性等を担う役割を果たす。即ち、充分な縮合度の架橋構造とすることにより、湿潤状態であっても、乾燥状態であっても、大きな寸法変化が見られなくなり、強度変化も生じなくなる。
上記珪素−酸素架橋構造体の29Si−NMR解析法により測定した縮合度の好ましい下限は85%である。85%未満であると、状態の変化に伴う寸法の変化量が大きくなることがある。
Next, the fine particles constituting the proton conductive membrane of the present invention will be described.
The fine particles are made of a silicon-oxygen crosslinked structure. Here, the silicon-oxygen crosslinked structure is a structure formed by chemical bonding of at least silicon and oxygen, and means a so-called glass structure. In the proton conductive membrane of the present invention, this silicon-oxygen cross-linked structure is an important component and plays a role of mechanical strength, heat resistance, durability, dimensional stability, etc. of the membrane. That is, when a crosslinked structure having a sufficient degree of condensation is used, a large dimensional change is not observed and a strength change is not caused even in a wet state or a dry state.
A preferable lower limit of the degree of condensation measured by 29Si-NMR analysis of the silicon-oxygen crosslinked structure is 85%. If it is less than 85%, the amount of dimensional change accompanying a change in state may increase.

上記微粒子は、本発明の目的及びコストや製造方法の容易さを犠牲にしない範囲で、ケイ素以外の金属やリン、ホウ素等を含有してもよく、これらの金属やリン、ホウ素等とが酸素と結合した構造を有してもよい。 The fine particles may contain metals other than silicon, phosphorus, boron, etc. within a range not sacrificing the object and cost of the present invention, and the ease of the manufacturing method, and these metals, phosphorus, boron, etc. are oxygen. It may have a structure combined with.

上記微粒子は、表面にスルホン酸基を有する。スルホン酸は極めて強い酸であることからプロトンの解離性が極めて高い。従って、上記細孔内にスルホン酸基があれば、極めて高い効率でプロトンを伝導することができる。また、スルホン酸は酸化耐久性も高く、耐熱性においても180℃まで安定である。 The fine particles have sulfonic acid groups on the surface. Since sulfonic acid is a very strong acid, it has a very high proton dissociation property. Therefore, if there are sulfonic acid groups in the pores, protons can be conducted with extremely high efficiency. In addition, sulfonic acid has high oxidation durability and is stable up to 180 ° C. in heat resistance.

上記微粒子上のスルホン酸基の量としては特に限定されないが、上記細孔内により多くのスルホン酸基が存在する方がプロトン伝導性能が高くなる。上記微粒子上のスルホン酸基の量により、プロトン伝導性膜のイオン交換容量が決まる。すなわちイオン交換容量が大きいほど膜中に含有するスルホン酸基の量が多く、プロトン伝導性能も高いといえる。本
発明のプロトン伝導性膜は、イオン交換容量の好ましい下限が0.7meq/gである。0.7meq/g未満であると、高温低湿下で充分なプロトン伝導効率が得られない。さらに好ましい下限は0.8meq/gである。
The amount of sulfonic acid groups on the fine particles is not particularly limited, but proton conduction performance is enhanced when more sulfonic acid groups are present in the pores. The amount of sulfonic acid groups on the fine particles determines the ion exchange capacity of the proton conductive membrane. That is, it can be said that the larger the ion exchange capacity, the greater the amount of sulfonic acid groups contained in the membrane and the higher the proton conductivity. The proton conductive membrane of the present invention has a preferable lower limit of ion exchange capacity of 0.7 meq / g. If it is less than 0.7 meq / g, sufficient proton conduction efficiency cannot be obtained under high temperature and low humidity. A more preferred lower limit is 0.8 meq / g.

本発明のプロトン伝導性膜のイオン交換容量は、以下の方法により測定することができる。即ち、高濃度の塩化ナトリウム溶液にプロトン伝導性膜を浸漬し、膜中のスルホン酸基と塩化ナトリウムとの間でイオン交換反応を起こさせる。そこでスルホン酸基と1:1で発生する塩酸を水酸化ナトリウム水溶液等で直接滴定し、その滴定量から下記式にて算出できる。 The ion exchange capacity of the proton conducting membrane of the present invention can be measured by the following method. That is, the proton conductive membrane is immersed in a high concentration sodium chloride solution to cause an ion exchange reaction between the sulfonic acid group in the membrane and sodium chloride. Therefore, sulfonic acid groups and hydrochloric acid generated at 1: 1 are directly titrated with an aqueous sodium hydroxide solution, and the following formula can be calculated from the titration amount.

Figure 2005332801
Figure 2005332801

上記スルホン酸基は、上記微粒子の表面に注入(ドープ)したものでもよいが、ドープした場合には長期にわたって燃料電池に用いたときに、プロトン伝導性膜から散逸してしまいプロトン伝導効率が低下してしまう可能性がある。従って、上記スルホン酸基は、上記微粒子を構成する原子に共有結合していることが好ましい。共有結合している場合には、長期にわたって安定したプロトン伝導性能を発揮することができる。
スルホン酸基が上記微粒子を構成する原子に共有結合した構造としては特に限定されないが、例えば、下記式(1)で示される様に珪素原子に結合していることが好ましい。
The sulfonic acid group may be injected (doped) on the surface of the fine particles. However, when doped, the sulfonic acid group is dissipated from the proton conductive membrane when used in a fuel cell over a long period of time, resulting in a decrease in proton conduction efficiency. There is a possibility that. Accordingly, the sulfonic acid group is preferably covalently bonded to the atoms constituting the fine particles. When covalently bonded, stable proton conduction performance can be exhibited over a long period of time.
Although the structure in which the sulfonic acid group is covalently bonded to the atoms constituting the fine particles is not particularly limited, for example, it is preferably bonded to a silicon atom as represented by the following formula (1).

Figure 2005332801
Figure 2005332801

式(1)中、Xは、架橋に関与する−O−結合又はOH基を表し、Rは、炭素数20以下の炭化水素基を表し、RはCH、C、C又はCを表し、nは1〜3の整数を表す。nが1のとき、Rは異なる置換基の混合体でもよい。
なお、上記微粒子においては、上記式(1)で示される構造のうちR、R又はnが異なるものを併用してもよい。
In the formula (1), X represents an —O— bond or an OH group involved in crosslinking, R 1 represents a hydrocarbon group having 20 or less carbon atoms, R 2 represents CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 or C 6 H 5 is represented, and n represents an integer of 1 to 3. When n is 1, R 2 may be a mixture of different substituents.
In the above fine particles, R 1, R 2 or n of the structure represented by the formula (1) may be used in combination different.

上記式(1)中、Rは、炭素数20以下の直鎖状アルキレン基であることが好ましい。即ち、スルホン酸基は、炭素数20以下の直鎖状アルキレン基を介して珪素原子と共有結合していることが好ましい。スルホン酸基は、例えば、芳香環や種々のへテロ原子を有する分子鎖を介して珪素原子に結合していてもよいが、炭素数20以下のアルキレン基を介して結合した場合には、高い耐熱性、耐酸性、耐酸化性等が得られる。 In the above formula (1), R 1 is preferably a linear alkylene group having 20 or less carbon atoms. That is, the sulfonic acid group is preferably covalently bonded to the silicon atom via a linear alkylene group having 20 or less carbon atoms. The sulfonic acid group may be bonded to the silicon atom via, for example, an aromatic ring or a molecular chain having various heteroatoms, but is high when bonded via an alkylene group having 20 or less carbon atoms. Heat resistance, acid resistance, oxidation resistance, etc. are obtained.

上記微粒子は、上記式(1)で表される構造のみから構成されてもよいが、その他にも種々の架橋剤を用いて構成されることが好ましい。架橋剤を用いることにより、より強固な架橋が形成され、高温においても更に安定な粒子となり、ひいてはプロトン伝導性膜としての安定性も向上する。
上記架橋剤としては、例えば、下記式(2)で表されるものや、下記式(3)で表されるもの等を用いることができる。
The fine particles may be composed only of the structure represented by the above formula (1), but are preferably composed using various other crosslinking agents. By using a cross-linking agent, stronger cross-linking is formed, and particles become more stable even at high temperatures, and as a result, stability as a proton conductive membrane is improved.
As said crosslinking agent, what is represented by following formula (2), what is represented by following formula (3), etc. can be used, for example.

Figure 2005332801
Figure 2005332801

式(2)中、Rは、炭素原子20以下のアルキル基を表し、Xは、架橋に関与する−O−結合、又はOH基を表し、nは2〜4の整数である。
上記式(2)で表される構造は、基本的なシリカ架橋構造であり、耐熱性、耐酸化性に対して非常に安定である。また、原料入手も容易であり、安価なプロトン伝導性膜を実現することが出来る。なかでも、架橋基の数nが4である場合には、強固な架橋構造を形成して高度の耐久性をもつと同時に、上記式(1)で表される構造体を安定に固定化することができる。また、nが2又は3のものは上記微粒子に可とう性を付与し、その結果、プロトン伝導性膜の可とう性をも向上させることができる。
なお、上記微粒子においては、上記式(2)で示される構造のうちR又はnが異なるものを併用してもよい。
In Formula (2), R 3 represents an alkyl group having 20 or less carbon atoms, X represents an —O— bond or OH group involved in crosslinking, and n is an integer of 2 to 4.
The structure represented by the above formula (2) is a basic silica crosslinked structure and is very stable with respect to heat resistance and oxidation resistance. In addition, it is easy to obtain raw materials, and an inexpensive proton conductive membrane can be realized. In particular, when the number n of the cross-linking groups is 4, the structure represented by the above formula (1) is stably immobilized while forming a strong cross-linked structure and having high durability. be able to. In addition, when n is 2 or 3, the fine particles are given flexibility, and as a result, the flexibility of the proton conductive membrane can be improved.
In the above fine particles, R 3 or n may be used in combination with different ones of the structure represented by the formula (2).

Figure 2005332801
Figure 2005332801

式(3)中、Xは架橋に関与する−O−結合又はOH基を表し、Rは炭素数1〜30の炭素原子含有分子鎖基を表し、RはCH、C、C、C又はCを表し、nは0、1又は2のいずれかの整数である。 In formula (3), X represents an —O— bond or OH group involved in crosslinking, R 5 represents a carbon atom-containing molecular chain group having 1 to 30 carbon atoms, and R 4 represents CH 3 , C 2 H 5. , C 3 H 7 , C 4 H 9 or C 6 H 5 , n is an integer of 0, 1 or 2.

上記式(3)で表される構造は、2つの架橋性シリル基を分子鎖Rで橋かけした構造を有する。このような橋かけ状架橋構造は、極めて架橋反応性が高く、強固な架橋構造を形成することができ、上記微粒子の安定性向上に寄与する。また、橋かけ構造部の分子鎖種類、分子鎖長、架橋基Xの数(3−n)等により可とう性等の物性調整も可能である。例えば、架橋基の数(3−n)が、1又は2であって、Rがメチル基である場合、膜全体が可とう性を有し、取扱いの容易な膜とすることができる。
なお、上記微粒子においては、上記式(3)で示される構造のうちR、R又はnが異なるものを併用してもよい。
The structure represented by the above formula (3) has a structure in which two crosslinkable silyl groups are bridged by a molecular chain R 5 . Such a crosslinked cross-linked structure has extremely high cross-linking reactivity, can form a strong cross-linked structure, and contributes to an improvement in the stability of the fine particles. In addition, physical properties such as flexibility can be adjusted depending on the molecular chain type, molecular chain length, number of cross-linking groups X (3-n), and the like of the bridge structure. For example, when the number of cross-linking groups (3-n) is 1 or 2 and R 4 is a methyl group, the entire film has flexibility and can be handled easily.
In addition, in the said microparticles | fine-particles, you may use together the thing from which R < 4 >, R < 5 > or n differs among the structures shown by the said Formula (3).

上記微粒子の形状としては特に限定されず、球形のほか、扁平な粒状や柱状等の非球形のものであってもよい。上記微粒子の平均粒子径の好ましい下限は3nm、好ましい上限は20nmである。3nm未満であると、微粒子間の間隙に形成される細孔の径が極めて小さくなり、充分なプロトン伝導経路が確保できないことがある。20nmを超えると、上述の細孔容量を満足できないことがある。
なお、上記微粒子の粒子径は、電子顕微鏡を用いて観察することにより直接求めることができる。また、小角X線散乱等の方法によっても求めることができる。
The shape of the fine particles is not particularly limited, and may be a spherical shape or a non-spherical shape such as a flat granular shape or a columnar shape. The preferable lower limit of the average particle diameter of the fine particles is 3 nm, and the preferable upper limit is 20 nm. If it is less than 3 nm, the diameter of the pores formed in the gaps between the fine particles becomes extremely small, and a sufficient proton conduction path may not be ensured. When it exceeds 20 nm, the above-mentioned pore volume may not be satisfied.
The particle diameter of the fine particles can be directly determined by observing with an electron microscope. It can also be obtained by a method such as small-angle X-ray scattering.

上記微粒子の粒子径の分布としては、燃料ガスの種類や求められるプロトン伝導性、燃料バリア性、膜強度等を勘案して適宜決定されるが、均一であっても不均一であってもよい。均一な微粒子からなるプロトン伝導性膜では、幾何学的に間隙ができやすく、高いプロトン伝導性を発揮できる。一方、不均一な微粒子からなる本発明のプロトン伝導性膜では、密なパッキングが可能であり、燃料バリア性の向上や膜の強度向上に寄与する。 The particle size distribution of the fine particles is appropriately determined in consideration of the type of fuel gas and the required proton conductivity, fuel barrier properties, membrane strength, etc., and may be uniform or non-uniform. . Proton conductive membranes composed of uniform fine particles can easily form gaps geometrically and exhibit high proton conductivity. On the other hand, in the proton conductive membrane of the present invention comprising non-uniform fine particles, dense packing is possible, which contributes to improved fuel barrier properties and membrane strength.

本発明のプロトン伝導性膜の厚さとしては、プロトン伝導性、燃料バリア性、機械的強度等を勘案して適宜決定され、特に限定されないが、通常は20〜300μm程度のものが好ましく用いられる。 The thickness of the proton conductive membrane of the present invention is appropriately determined in consideration of proton conductivity, fuel barrier properties, mechanical strength, and the like, and is not particularly limited. Usually, a thickness of about 20 to 300 μm is preferably used. .

本発明のプロトン伝導性膜を製造する方法としては特に限定されないが、例えば、メルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基及び/又はシラノール基を有するメルカプト基含有化合物を調製する第1の工程と、前記メルカプト基含有化合物に水、触媒等を添加し、加水分解及び縮合、及び/若しくは、シラノール基を縮合させることにより、増粘させ、成膜する第2の工程と、前記成膜に含まれる加水分解性シリル基を加熱、焼成することにより珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜を形成する第3の工程と、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜中のメルカプト基を酸化してスルホン酸基とし、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の表面にスルホン酸基を導入する第4の工程を有する方法が好適である。
このような本発明のプロトン伝導性膜の製造方法もまた、本発明の1つである。
The method for producing the proton conductive membrane of the present invention is not particularly limited. For example, it has a mercapto group and a hydrolyzable silyl group and / or silanol group capable of condensation reaction covalently bonded to the mercapto group. A first step of preparing a mercapto group-containing compound, and adding water, a catalyst, etc. to the mercapto group-containing compound, hydrolyzing and condensing, and / or condensing a silanol group to increase the viscosity and form a film A second step of forming a film composed of a continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles by heating and baking the hydrolyzable silyl group contained in the film, and the silicon- The mercapto group in the film composed of a continuous body of oxygen-crosslinked structure fine particles is oxidized to form sulfonic acid groups, and the sulfonic acid groups are introduced onto the surfaces of the silicon-oxygen crosslinked structure fine particles. Method having the fourth step is preferred.
Such a method for producing a proton conducting membrane of the present invention is also one aspect of the present invention.

本発明のプロトン伝導性膜の製造方法では、特に第1の工程における架橋剤、極性制御剤の種類や添加量を調整することにより、得られる膜の架橋度、粒子径、粒子の間隙等を制御することができ、これにより膜強度、可とう性の度合い等含めて膜特性を良好に制御することが可能となる。
ここで、極性制御剤とは、メルカプト基含有化合物の加水分解を補助したり、硬化後膜中に相分離した状態で膜中に残留し、細孔構造形成を促進したりする役割を果たすものであり、例えば、ポリエーテル類等が好適である。
In the method for producing a proton conductive membrane of the present invention, the degree of cross-linking of the obtained membrane, the particle diameter, the particle gap, etc. are adjusted by adjusting the type and amount of the cross-linking agent and polarity control agent in the first step. It is possible to control the film characteristics, including the film strength and the degree of flexibility.
Here, the polarity control agent plays a role of assisting hydrolysis of the mercapto group-containing compound, or remaining in the film in a state of being phase-separated in the film after curing, and promoting pore structure formation. For example, polyethers are suitable.

本発明のプロトン伝導性膜は、高分子材料により複合強化されてもよい。上記微粒子のみからなる場合には、柔軟性が低く破損しやすいことがあり、とりわけこういった膜を用いて発電した場合、水素ガスによる圧力により、破損してガスが抜けてしまうことがある。高分子材料と複合化することにより、プロトン伝導性膜の強度が向上し、取扱い性や安定性が向上する。
本発明のプロトン伝導性膜が高分子材料により複合強化されている複合化プロトン伝導性膜もまた、本発明の1つである。
The proton conducting membrane of the present invention may be reinforced with a polymer material. When it consists only of the above-mentioned fine particles, it may be easily damaged due to its low flexibility. In particular, when power is generated using such a membrane, the gas may be broken due to the pressure of hydrogen gas. By combining with a polymer material, the strength of the proton conductive membrane is improved, and the handleability and stability are improved.
A composite proton conductive membrane in which the proton conductive membrane of the present invention is composite reinforced with a polymer material is also one aspect of the present invention.

上記高分子材料としては、例えば、スルホン酸基を有するものでも良い。このような高分子材料を用いた本発明の複合化プロトン伝導性膜は、高分子材料自体もプロトン伝導性を示すことから、全体として更に高いプロトン伝導性を得ることができる。 As the polymer material, for example, a material having a sulfonic acid group may be used. In the composite proton conductive membrane of the present invention using such a polymer material, the polymer material itself exhibits proton conductivity, so that higher proton conductivity can be obtained as a whole.

上記高分子材料としては、シリコーン樹脂材料、フッ素樹脂材料、環状ポリオレフィン材料、超高分子量ポリオレフィン材料等が挙げられるが、燃料電池の内部では酸化条件にさらされることから、化学安定性に優れるフッ素樹脂からなるフッ素系高分子材料が好適である。上記フッ素系高分子材料としては特に限定されないが、特に化学安定性に優れることからポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなるものが好適である。 Examples of the polymer material include a silicone resin material, a fluororesin material, a cyclic polyolefin material, and an ultra-high molecular weight polyolefin material. However, the polymer resin is exposed to oxidation conditions inside the fuel cell, so that it has excellent chemical stability. A fluorine-based polymer material made of Although it does not specifically limit as said fluorine-type polymeric material, Since the chemical stability is excellent especially, what consists of polytetrafluoroethylene (PTFE) is suitable.

上記複合化の態様としては特に限定されず、例えば、繊維、マット、フィブリル等の高分子材料に本発明のプロトン伝導性膜の原料となる混合液を含浸させる態様等が挙げられる。なかでも、フッ素系樹脂からなる多孔質材料を用い、これに上記混合液を含浸させる態様が好適である。
上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料としては、例えば、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等からなるものが市販されており、入手も容易である。
The composite mode is not particularly limited, and examples thereof include a mode in which a polymer material such as fiber, mat, or fibril is impregnated with a mixed liquid that is a raw material for the proton conductive membrane of the present invention. Among these, a mode in which a porous material made of a fluororesin is used and impregnated with the above mixed solution is suitable.
Examples of the porous material made of the fluororesin include those made of polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like, which are easily available.

上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料の孔径の好ましい下限は0.05μm、好ましい上
限は0.2μmである。0.05μm未満であると、上記混合液を含浸させることが難しいことがあり、0.2μmを超えると、得られる複合化プロトン伝導性膜のガスバリア性が不充分となることがある。
The preferable lower limit of the pore diameter of the porous material made of the fluororesin is 0.05 μm, and the preferable upper limit is 0.2 μm. If it is less than 0.05 μm, it may be difficult to impregnate the above mixed solution, and if it exceeds 0.2 μm, the resulting composite proton conductive membrane may have insufficient gas barrier properties.

上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料の空孔率は60%以上であることが好ましい。60%未満であると、得られる複合化プロトン伝導性膜中において、上記微粒子が所定の連続体を形成できないことがある。 The porosity of the porous material made of the fluororesin is preferably 60% or more. If it is less than 60%, the fine particles may not form a predetermined continuum in the composite proton conductive membrane obtained.

上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料の厚さの好ましい下限は20μm、好ましい上限は100μmである。20μm未満であると、得られる複合化プロトン伝導性膜が充分な強度を得られないことがあり、100μmを超えると、なかほどまで均一に上記混合液を含浸させることが難しいことがある。 The preferable lower limit of the thickness of the porous material made of the fluororesin is 20 μm, and the preferable upper limit is 100 μm. When the thickness is less than 20 μm, the obtained composite proton conductive membrane may not have sufficient strength. When the thickness exceeds 100 μm, it may be difficult to uniformly impregnate the mixed solution to some extent.

上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料は、親水化処理が施されていることが好ましい。得られる本発明の複合化プロトン伝導性膜が高温低加湿下でも安定した伝導度を発揮するためには、上記微粒子が所定の全細孔容積及びイオン交換容量を有するように連続体を形成することを要するが、そのためには、上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料の空孔中に、上記微粒子が出来る限り空隙なく充填されなければならない。また、充填が不充分な場合には、ガスバリア性等の低下の恐れもある。上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料に親水化処理が施されることにより、上記混合液の粘度が高い場合にも、充分に均一に含浸させることができる。 The porous material made of the fluororesin is preferably subjected to a hydrophilic treatment. In order for the obtained composite proton conductive membrane of the present invention to exhibit stable conductivity even under high temperature and low humidity, a continuum is formed so that the fine particles have a predetermined total pore volume and ion exchange capacity. In order to do so, the fine particles must be filled in the pores of the porous material made of the fluororesin as much as possible without voids. Moreover, when the filling is insufficient, there is a risk that the gas barrier property and the like are lowered. By subjecting the porous material made of the fluororesin to a hydrophilization treatment, even when the viscosity of the mixed solution is high, the porous material can be sufficiently impregnated.

上記親水化の方法としては特に限定されず、例えば、電子線等のエネルギー線を照射することにより改質する方法;アルカリ金属材料による表面改質法;ポリビニルアルコール(PVA)等の親水性樹脂を含浸させた後、これを架橋する方法等が挙げられる。なかでも、アルカリ金属材料による表面改質法が好適である。本発明の複合化プロトン伝導性膜を用いて燃料電池を製造した場合、酸性かつ高温低加湿下の環境下での使用となることから親水性樹脂を用いた方法では、親水性樹脂が劣化して茶色に変色し、剥離や汚染を起こすおそれがある。また、エネルギー線照射法で多孔質材料の内部を処理しようとすると、処理ムラが生じる恐れがある。アルカリ金属材料による表面改質法によれば、均一でしかも耐久性に優れる親水化処理を施すことができる。 The hydrophilization method is not particularly limited. For example, a method of modifying by irradiating an energy beam such as an electron beam; a surface modifying method using an alkali metal material; a hydrophilic resin such as polyvinyl alcohol (PVA) Examples of the method include a method of cross-linking this after impregnation. Among these, a surface modification method using an alkali metal material is preferable. When a fuel cell is produced using the composite proton conductive membrane of the present invention, the hydrophilic resin deteriorates in the method using a hydrophilic resin because it is used in an environment that is acidic and under high temperature and low humidity. May turn brown and cause peeling or contamination. In addition, when trying to process the inside of the porous material by the energy beam irradiation method, there is a risk of uneven processing. According to the surface modification method using an alkali metal material, it is possible to perform a hydrophilic treatment that is uniform and excellent in durability.

上記アルカリ金属材料による表面改質法により上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料を親水化する方法としては特に限定されず、例えば、ナトリウム−ナフタレン錯体を溶剤に分散させた分散液中に、上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料を浸漬する方法等が挙げられる。この場合、上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料の表面を損傷しないように、テトラヒドロフラン(THF)等の溶剤で希釈した比較的低濃度の分散液中に長時間浸漬することにより、親水化を施す方法が好ましい。 The method for hydrophilizing the porous material composed of the fluororesin by the surface modification method using the alkali metal material is not particularly limited. For example, the fluorine material is dispersed in a dispersion in which a sodium-naphthalene complex is dispersed in a solvent. And a method of immersing a porous material made of a resin. In this case, so as not to damage the surface of the porous material made of the fluororesin, it is hydrophilized by immersing it in a relatively low concentration dispersion diluted with a solvent such as tetrahydrofuran (THF) for a long time. The method is preferred.

上記フッ素系樹脂からなる多孔質材料が親水化されたか否かは、全反射−赤外線吸収測定によって容易に確認することができる。ナトリウムーナフタレン錯体にて親水化処理したフッ素系樹脂からなる多孔質材料は、未処理のものに比べて3500cm−1付近の水酸基に起因するバンドの吸収ピークが増加しており、また、1700cm−1近傍のカルボニル基も若干見られる。ポリビニルアルコール樹脂との複合化等で親水化した際に見られる3000cm−1付近のメチル基やメチレン基の吸収ピークはこの方法では見られない。従って、本発明の複合化プロトン伝導性膜に用いる多孔質フッ素材料は全反射−赤外線吸収測定を行ったときに、3500cm−1付近に水酸基に起因するピークが認められ、かつ、3000cm−1付近のメチル基又はメチレン基に起因するピークが認められないことが好ましい。 Whether or not the porous material made of the fluororesin has been hydrophilized can be easily confirmed by total reflection-infrared absorption measurement. The porous material made of a fluororesin hydrophilically treated with a sodium-naphthalene complex has an absorption peak of a band caused by a hydroxyl group in the vicinity of 3500 cm −1 as compared with an untreated one, and 1700 cm Some carbonyl groups near 1 are also seen. Absorption peaks of methyl groups and methylene groups in the vicinity of 3000 cm −1 that are seen when hydrophilized by, for example, complexing with a polyvinyl alcohol resin are not observed with this method. Therefore, the porous fluorine material used for the composite proton conductive membrane of the present invention has a peak due to a hydroxyl group in the vicinity of 3500 cm −1 when the total reflection-infrared absorption measurement is performed, and the vicinity of 3000 cm −1. It is preferable that no peak due to the methyl group or methylene group is observed.

本発明のプロトン伝導性膜材料と上記親水化されたフッ素系樹脂からなる多孔質材料とを複合化して本発明の複合化プロトン伝導性膜を製造する場合には、プロトン伝導性膜材料にシランカップリング剤を添加する、あるいは親水化処理が施された多孔質材料がシランカップリング剤により表面処理されていることが好ましい。これにより、プロトン伝導性膜と多孔質材料との密着性がより向上し、得られる本発明の複合化プロトン伝導性膜のガスバリア性がより向上する。 In the case of producing the composite proton conductive membrane of the present invention by combining the proton conductive membrane material of the present invention and the porous material composed of the hydrophilic fluorine-based resin, silane is used as the proton conductive membrane material. It is preferable that a porous material to which a coupling agent is added or subjected to a hydrophilic treatment is surface-treated with a silane coupling agent. Thereby, the adhesiveness of a proton conductive membrane and a porous material improves more, and the gas barrier property of the composite proton conductive membrane of this invention obtained further improves.

上記シランカップリング剤としては特に限定されないが、例えば、エポキシシラン及び/又はアミノシランが好適である。また、3−グリシジドキシプロピルトリメトキシシラン(チッソ社製、商品名S510)や3−アミノプロピルトリメトキシシラン(チッソ社製、商品名S360)等の市販のシランカップリング剤も好適に用いることができる。 Although it does not specifically limit as said silane coupling agent, For example, an epoxy silane and / or aminosilane are suitable. Also, commercially available silane coupling agents such as 3-glycididoxypropyltrimethoxysilane (manufactured by Chisso, trade name S510) and 3-aminopropyltrimethoxysilane (manufactured by Chisso, trade name S360) are preferably used. Can do.

上記シランカップリング剤を添加する方法としては特に限定されず、例えば、本発明のプロトン伝導性膜の原料となる上記混合液に予め添加する方法;上記親水化されたフッ素系樹脂からなる多孔質材料をシランカップリング剤のテトラヒドロフラン−酸溶液等に浸漬する方法;複合化プロトン伝導性膜をシランカップリング剤のメタノール溶液等に浸漬する方法等が挙げられる。 The method of adding the silane coupling agent is not particularly limited. For example, a method of adding the silane coupling agent in advance to the mixed solution that is a raw material of the proton conductive membrane of the present invention; a porous material made of the hydrophilic hydrofluoric resin Examples include a method of immersing the material in a tetrahydrofuran-acid solution of a silane coupling agent; a method of immersing the composite proton conductive membrane in a methanol solution of a silane coupling agent, or the like.

本発明の複合化プロトン伝導性膜を製造する方法としては特に限定されないが、例えば、メルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基及び/又はシラノール基を有するメルカプト基含有化合物を調製する第1の工程と、前記メルカプト基含有化合物に水、触媒等を添加し、加水分解及び縮合、及び/若しくは、シラノール基を縮合させることにより、増粘させ、予め親水化処理が施されたフッ素系樹脂からなる多孔質材料に含浸し、成膜する第2の工程と、成膜する第2の工程と、前記成膜に含まれる加水分解性シリル基を加熱、焼成することにより珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜を形成する第3の工程と、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜中のメルカプト基を酸化してスルホン酸基とし、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の表面にスルホン酸基を導入する第4の工程を有する方法が好適である。
このような本発明の複合化プロトン伝導性膜の製造方法もまた、本発明の1つである。
The method for producing the composite proton conductive membrane of the present invention is not particularly limited. For example, a hydrolyzable silyl group and / or silanol group having a mercapto group and covalently bonded to the mercapto group and capable of condensation reaction. A first step of preparing a mercapto group-containing compound having water, adding water, a catalyst, etc. to the mercapto group-containing compound, hydrolyzing and condensing and / or condensing a silanol group to increase the viscosity, Impregnating a porous material made of a fluororesin that has been previously hydrophilized and forming a film, a second step of forming a film, a second step of forming a film, and a hydrolyzable silyl group contained in the film A third step of forming a film comprising a continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles by heating and baking; and a mercap in the film comprising the continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles. A sulfonic acid group by oxidation of groups, the silicon - method having a fourth step of introducing a sulfonic acid group on the surface of the oxygen cross-linked structure fine particles are preferred.
Such a method for producing a composite proton conductive membrane of the present invention is also one aspect of the present invention.

本発明の複合化プロトン伝導性膜の製造方法では、第1の工程において、混合液中にエポキシシラン、アミノシラン等のシランカップリング剤を配合することが好ましい。配合量としては特に限定されないが、混合液全体に対して好ましい下限は1重量%である。1重量%未満であると、プロトン伝導性膜と親水化処理が施された多孔質材料との密着性の向上効果が充分得られないことがある。 In the method for producing a composite proton conductive membrane of the present invention, in the first step, it is preferable to blend a silane coupling agent such as epoxysilane or aminosilane in the mixed solution. Although it does not specifically limit as a compounding quantity, A preferable minimum with respect to the whole liquid mixture is 1 weight%. If it is less than 1% by weight, the effect of improving the adhesion between the proton conductive membrane and the porous material subjected to the hydrophilic treatment may not be sufficiently obtained.

本発明の複合化プロトン伝導性膜の製造方法における第2の工程において、多孔質材料へ混合液を含浸する方法としては特に限定されず、例えば、プレス等によるスタンピングやロール処理等が挙げられる。また、必要に応じてこれらの処理を減圧下で行ってもよい。また、ここで用いられる予め親水化処理が施されたフッ素系樹脂からなる多孔質材料は、金属ナトリウム−ナフタレン錯体含有液に浸漬することにより親水化されたものであることが好ましい。 In the second step of the method for producing a composite proton conductive membrane of the present invention, the method for impregnating the porous material with the mixed liquid is not particularly limited, and examples thereof include stamping by a press and roll processing. Moreover, you may perform these processes under pressure reduction as needed. Moreover, it is preferable that the porous material which consists of a fluororesin which the hydrophilic treatment was performed previously used here was hydrophilized by being immersed in a metal sodium-naphthalene complex containing liquid.

本発明のプロトン伝導性膜は、耐熱性に優れ、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動が小さく特に高温低湿下におけるプロトン伝導性能にも優れる。また、本発明の複合化プロトン伝導性膜は、これらの本発明のプロトン伝導性膜の性能を有したまま、強度やバリア性能が更に向上したものである。
本発明のプロトン伝導性膜、又は、本発明の複合化プロトン伝導性膜を用いてなる燃料電池もまた、本発明の1つである。
本発明の燃料電池は、120℃程度の高温でも安定して作動させることができ、高温低湿
下でも安定して作動させることができる。このため、本発明の燃料電池は、エネルギー効率が高く、高い出力が得られる。また、コジェネレーション(熱電併給)が可能となり、トータルエネルギー効率は飛躍的に向上する。また、冷却手段や湿度調整手段も簡易なものとすることができ、装置全体の小型軽量化を図ることができる。また、触媒被毒の問題も生じないことから、精製度の低い燃料を用いることができ、更に、比較的安価な合金等を触媒として使用することが可能となることから、全体のコストを大幅に低減することができる。
The proton conducting membrane of the present invention is excellent in heat resistance, has little fluctuation in proton conducting performance due to changes in humidity, and is particularly excellent in proton conducting performance under high temperature and low humidity. In addition, the composite proton conductive membrane of the present invention is further improved in strength and barrier performance while maintaining the performance of the proton conductive membrane of the present invention.
The fuel cell using the proton conductive membrane of the present invention or the composite proton conductive membrane of the present invention is also one aspect of the present invention.
The fuel cell of the present invention can be stably operated even at a high temperature of about 120 ° C., and can be stably operated even at a high temperature and low humidity. For this reason, the fuel cell of the present invention has high energy efficiency and high output. In addition, cogeneration (cogeneration) will be possible and the total energy efficiency will be dramatically improved. Further, the cooling means and the humidity adjusting means can be simplified, and the entire apparatus can be reduced in size and weight. In addition, since there is no problem of catalyst poisoning, it is possible to use a fuel with a low degree of purification, and furthermore, it is possible to use a relatively inexpensive alloy or the like as a catalyst, which greatly increases the overall cost. Can be reduced.

本発明によれば、耐熱性に優れ、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動が小さく特に高温低湿下におけるプロトン伝導性能にも優れるプロトン伝導性膜、複合化プロトン伝導性膜及び燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there are provided a proton conductive membrane, a composite proton conductive membrane, and a fuel cell, which are excellent in heat resistance, have small fluctuations in proton conduction performance due to changes in humidity, and are particularly excellent in proton conduction performance under high temperature and low humidity. Can do.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシランとテトラエトキシシランの共重合物(信越化学工業社製、X−41−1805)0.8g、架橋剤としてテトラエトキシシラン0.3g、及び、極性制御剤としてポリエチレングリコール(#200)0.08gをビーカーに秤量した。別のビーカーにゾルゲル触媒としてジエチルアミン0.3g、1重量%フッ化カリウムメタノール溶液0.12g及び水0.3gを秤量した。
シラン原料とポリエチレングリコールとが入ったビーカーを撹拌子でよく撹拌しながら、別に秤量した触媒と水とを一気に加え、均一に加水分解するよう撹拌した。
(Example 1)
0.8 g of copolymer of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane and tetraethoxysilane (X-41-1805, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), 0.3 g of tetraethoxysilane as a cross-linking agent, and polyethylene glycol as a polarity control agent (# 200) 0.08 g was weighed into a beaker. In another beaker, 0.3 g of diethylamine as a sol-gel catalyst, 0.12 g of 1 wt% potassium fluoride methanol solution and 0.3 g of water were weighed.
While thoroughly stirring a beaker containing a silane raw material and polyethylene glycol with a stirrer, separately weighed catalyst and water were added all at once and stirred so as to uniformly hydrolyze.

混合液が透明になったことを確認し、内径9.0cmのフッ素樹脂製のペトリ皿(フロンケミカル社製)に注ぎ込み、ガラス板でペトリ皿に蓋をした。そのまま室温にて170時間静置し、ゲル化させた。
ゲル化した膜を80℃オーブン中、水を入れたデシケータ中にて2時間置き、1時間につき20℃ずつ、270℃までオーブンを昇温した後、更に270℃で4時間加熱して膜状物を得た。得られた膜状物をガラスシャーレに移し、1N塩酸水溶液と水とに80℃条件下で各々1時間浸漬して、未反応物、触媒、極性制御剤を膜から抽出した。
After confirming that the mixed solution became transparent, the mixture was poured into a Petri dish made of fluororesin having an inner diameter of 9.0 cm (made by Freon Chemical Co., Ltd.), and the Petri dish was covered with a glass plate. The solution was allowed to stand at room temperature for 170 hours and gelled.
The gelled film is placed in an oven at 80 ° C. for 2 hours in a desiccator containing water. After heating the oven to 270 ° C. at 20 ° C. per hour, the film is further heated at 270 ° C. for 4 hours. I got a thing. The obtained film-like material was transferred to a glass petri dish and immersed in 1N hydrochloric acid aqueous solution and water at 80 ° C. for 1 hour, respectively, to extract unreacted materials, catalyst, and polarity control agent from the film.

抽出後の膜を、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合した過酢酸に浸漬し、ホットプレートにて80℃で1時間加熱した。その後、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、透明な硬質膜を得た。これをプロトン伝導性膜とした。
得られたプロトン伝導性膜は約4cmの円形であり、厚さは200μmであった。
The extracted membrane was immersed in peracetic acid mixed with 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% hydrogen peroxide, and heated on a hot plate at 80 ° C. for 1 hour. Thereafter, the peracetic acid solution was sufficiently removed by dipping in 80 ° C. water for 1 hour and 3 times to obtain a transparent hard film. This was used as a proton conductive membrane.
The obtained proton conductive membrane was a circle of about 4 cm, and the thickness was 200 μm.

(実施例2)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン21.2g、テトラエトキシシラン52.5g及びメタノール10.7gをフラスコに計量し、常温で5分撹拌した。そこに、0.1N塩酸6.2gとメタノール8.2gとを混合した溶液を添加し、更に常温で3時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.057gとメタノール9.7gとを混合した溶液を添加し、オイルバスで80℃に加熱しながら3時間撹拌した。混合溶液を5℃に冷却し、その後、35℃真空にてメタノールを分留した。得られた溶液にジエチルエーテル120mLを加えて、常温で10分撹拌した後、5℃に冷却し、濾紙(ADVANTEC社製、定量濾紙No.5C)を用いて濾過した。得られた濾液から35℃真空にてジエチルエーテルを分留し、メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
(Example 2)
21.2 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 52.5 g of tetraethoxysilane and 10.7 g of methanol were weighed in a flask and stirred at room temperature for 5 minutes. A solution obtained by mixing 6.2 g of 0.1N hydrochloric acid and 8.2 g of methanol was added thereto, and further stirred at room temperature for 3 hours. Next, a mixed solution of 0.057 g of potassium fluoride and 9.7 g of methanol was added, and the mixture was stirred for 3 hours while being heated to 80 ° C. in an oil bath. The mixed solution was cooled to 5 ° C, and then methanol was fractionally distilled at 35 ° C in vacuum. 120 mL of diethyl ether was added to the resulting solution, stirred at room temperature for 10 minutes, cooled to 5 ° C., and filtered using a filter paper (quantitative filter paper No. 5C manufactured by ADVANTEC). Diethyl ether was fractionally distilled from the obtained filtrate at 35 ° C. under vacuum to obtain a mercapto group-containing silane oligomer.

得られたメルカプト基含有シランオリゴマー4.37gとテトラエトキシシラン0.51gとを混合した液に、水0.16gとトリエチルアミン0.06gとを滴下した。室温で10分攪拌した後、フッ素樹脂フィルム上でこの溶液を膜厚約50μm、直径15cmのPTFE製多孔質膜(MILLIPORE社製オムニポアメンブレンJGWP14225:PVAによる親水化タイプ)に含浸させた。含浸後の膜にフッ素樹脂フィルムを被せ、その上からアプリケーターで膜厚が50μmになるようにレベリングした。フッ素樹脂フィルムを被せたまま室温で80時間養生した後、フィルムを剥がし更に室温で36時間養生した。養生後の膜を2枚のガラス板で挟み、この状態でガラス製の容器に水500mLとともに入れ、ギアオーブンを用いて80℃で24時間加熱硬化させた後、100℃から200℃まで1時間に20℃の割合で昇温し、更に200℃で3時間焼成した。 To a liquid obtained by mixing 4.37 g of the obtained mercapto group-containing silane oligomer and 0.51 g of tetraethoxysilane, 0.16 g of water and 0.06 g of triethylamine were added dropwise. After stirring at room temperature for 10 minutes, this solution was impregnated on a fluororesin film into a PTFE porous membrane (Millipore Corporation OMWP14225: hydrophilized type by PVA) having a film thickness of about 50 μm and a diameter of 15 cm. The impregnated film was covered with a fluororesin film, and the film was leveled with an applicator from above. After curing for 80 hours at room temperature with the fluororesin film covered, the film was peeled off and further cured for 36 hours at room temperature. The film after curing is sandwiched between two glass plates, put in a glass container in this state together with 500 mL of water, heat cured at 80 ° C. for 24 hours using a gear oven, and then from 100 ° C. to 200 ° C. for 1 hour The temperature was raised at a rate of 20 ° C., and further calcined at 200 ° C. for 3 hours.

焼成して得られた膜を別のガラス製容器に移し替え、この容器にそれぞれ別のガラス小瓶に入ったテトラエトキシシラン7g、水5g、トリエチルアミン3gを瓶ごと入れたものを、ギアオーブンで80℃から120℃まで1時間に20℃の割合で昇温し、更に120℃で2時間加熱して膜状物を得た。
得られた膜状物をガラスシャーレに移し、1N塩酸水溶液及び水に80℃条件下で各々1時間ずつ浸漬し、未反応物及び触媒を膜から抽出した。抽出液を除いた後、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合して作製した過酢酸に膜を浸漬し、ホットプレートにて80℃で1時間加熱した。得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、半透明の膜を得た。これをプロトン伝導性膜とした。
得られたプロトン伝導性膜は、直径約14cm、厚さが約50μmであり、可とう性の高いものであった。
The film obtained by baking was transferred to another glass container, and 7 g of tetraethoxysilane, 5 g of water and 3 g of triethylamine contained in separate glass bottles were put in this container in a gear oven. The film was heated from 120 ° C. to 120 ° C. at a rate of 20 ° C. per hour, and further heated at 120 ° C. for 2 hours to obtain a film-like product.
The obtained film-like material was transferred to a glass petri dish and immersed in 1N hydrochloric acid aqueous solution and water at 80 ° C. for 1 hour, respectively, to extract unreacted materials and catalyst from the membrane. After removing the extract, the membrane was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% aqueous hydrogen peroxide, and heated on a hot plate at 80 ° C. for 1 hour. The obtained film was taken out from the peracetic acid solution and immersed in water at 80 ° C. for 1 hour and 3 times to sufficiently remove the peracetic acid solution to obtain a translucent film. This was used as a proton conductive membrane.
The obtained proton conductive membrane had a diameter of about 14 cm and a thickness of about 50 μm, and was highly flexible.

(実施例3)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン11.8g、テトラエトキシシラン62.5g及びメタノール12.3gをフラスコに計量し、常温で5分撹拌した。そこに、0.1N塩酸5.4gとメタノール7.2gとを混合した溶液を添加し、更に常温で3時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.073gとメタノール10.9gとを混合した溶液を添加し、オイルバスで80℃に加熱しながら3時間撹拌した。混合溶液を5℃に冷却し、その後、35℃真空にてメタノールを分留した。次いで、ジエチルエーテル120mLを加えて、常温で10分撹拌した。混合溶液を5℃に冷却し、濾紙(ADVANTEC社製、定量濾紙No.5C)を用いて濾過した。濾液から35℃真空にてジエチルエーテルを分留し、メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
(Example 3)
11.8 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 62.5 g of tetraethoxysilane, and 12.3 g of methanol were weighed in a flask and stirred at room temperature for 5 minutes. The solution which mixed 5.4g of 0.1N hydrochloric acid and 7.2g of methanol was added there, and also it stirred at normal temperature for 3 hours. Next, a solution obtained by mixing 0.073 g of potassium fluoride and 10.9 g of methanol was added, and the mixture was stirred for 3 hours while being heated to 80 ° C. in an oil bath. The mixed solution was cooled to 5 ° C, and then methanol was fractionally distilled at 35 ° C in vacuum. Next, 120 mL of diethyl ether was added and stirred at room temperature for 10 minutes. The mixed solution was cooled to 5 ° C and filtered using a filter paper (manufactured by ADVANTEC, quantitative filter paper No. 5C). Diethyl ether was fractionally distilled from the filtrate at 35 ° C. under vacuum to obtain a mercapto group-containing silane oligomer.

得られたメルカプト基含有シランオリゴマー1.0gと極性制御剤としてジエチレングリコール0.08gとをビーカーに秤量した。別のビーカーにゾルゲル触媒としてジエチルアミン0.3g、1重量%フッ化カリウムメタノール溶液0.12g及び水0.28gを秤量した。別に秤量した触媒と水とを一気に加え、均一に加水分解するよう撹拌した。 1.0 g of the obtained mercapto group-containing silane oligomer and 0.08 g of diethylene glycol as a polarity control agent were weighed in a beaker. In another beaker, 0.3 g of diethylamine as a sol-gel catalyst, 0.12 g of 1 wt% potassium fluoride methanol solution and 0.28 g of water were weighed. Separately weighed catalyst and water were added all at once and stirred so as to hydrolyze uniformly.

混合液が透明になったことを確認し、内径9.0cmのフッ素樹脂製のペトリ皿(フロンケミカル社製)に注ぎ込み、ガラス板でペトリ皿に蓋をした。そのまま室温にて170時間静置し、ゲル化させた。
ゲル化した膜を80℃オーブン中、水を入れたデシケータ中にて2時間置き、そこから1時間につき20℃ずつ、270℃までオーブンを昇温した後、更に270℃で4時間加熱して膜状物を得た。得られた膜状物をガラスシャーレに移し、1N塩酸水溶液と水とに80℃条件下で各々1時間浸漬して、未反応物、触媒、極性制御剤を膜から抽出した。
After confirming that the mixed solution became transparent, the mixture was poured into a Petri dish made of fluororesin having an inner diameter of 9.0 cm (made by Freon Chemical Co., Ltd.), and the Petri dish was covered with a glass plate. The solution was allowed to stand at room temperature for 170 hours and gelled.
The gelled membrane was placed in an 80 ° C oven in a desiccator containing water for 2 hours, and then the oven was heated to 270 ° C in increments of 20 ° C per hour, followed by heating at 270 ° C for 4 hours. A film was obtained. The obtained film-like material was transferred to a glass petri dish and immersed in 1N hydrochloric acid aqueous solution and water at 80 ° C. for 1 hour, respectively, to extract unreacted materials, catalyst, and polarity control agent from the film.

抽出後の膜を、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合した過酢酸に浸漬
し、ホットプレートにて80℃で1時間加熱した。その後、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、透明な硬質膜を得た。これをプロトン伝導性膜とした。
得られたプロトン伝導性膜は約4cmの円形であり、厚さは150μmであった。
The extracted membrane was immersed in peracetic acid mixed with 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% hydrogen peroxide, and heated on a hot plate at 80 ° C. for 1 hour. Thereafter, the peracetic acid solution was sufficiently removed by dipping in 80 ° C. water for 1 hour and 3 times to obtain a transparent hard film. This was used as a proton conductive membrane.
The obtained proton conductive membrane was a circle of about 4 cm and the thickness was 150 μm.

(比較例1)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン11.8g、テトラエトキシシラン62.5g及びメタノール12.3gをフラスコに計量し、常温で5分撹拌した。そこに0.1N塩酸5.4gとメタノール7.2gとを混合した溶液を添加し、更に常温で3時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.073gとメタノール10.9gとを混合した溶液を添加し、オイルバスで80℃に加熱しながら3時間撹拌した。混合溶液を5℃に冷却し、その後、35℃真空にてメタノールを分留した。次いで、ジエチルエーテル120mLを加えて、常温で10分撹拌した。混合溶液を5℃に冷却し、濾紙(ADVANTEC社製、定量濾紙No.5C)を用いて濾過した。濾液から35℃真空にてジエチルエーテルを分留し、メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
(Comparative Example 1)
11.8 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 62.5 g of tetraethoxysilane, and 12.3 g of methanol were weighed in a flask and stirred at room temperature for 5 minutes. The solution which mixed 5.4g of 0.1N hydrochloric acid and 7.2g of methanol was added there, and also it stirred at normal temperature for 3 hours. Next, a solution obtained by mixing 0.073 g of potassium fluoride and 10.9 g of methanol was added, and the mixture was stirred for 3 hours while being heated to 80 ° C. in an oil bath. The mixed solution was cooled to 5 ° C, and then methanol was fractionally distilled at 35 ° C in vacuum. Next, 120 mL of diethyl ether was added and stirred at room temperature for 10 minutes. The mixed solution was cooled to 5 ° C and filtered using a filter paper (manufactured by ADVANTEC, quantitative filter paper No. 5C). Diethyl ether was fractionally distilled from the filtrate at 35 ° C. under vacuum to obtain a mercapto group-containing silane oligomer.

得られたメルカプト基含有シランオリゴマー0.8g、架橋剤としてテトラエトキシシラン0.3g、極性制御剤としてポリエチレングリコール(#200)0.2g、溶媒としてTHF1.8mLをビーカーに秤量した。別のビーカーにゾルゲル触媒としてトリエチルアミン0.3g、1重量%フッ化カリウムメタノール溶液0.12g、水0.28g及びメタノール0.6mLを秤量した。
シラン原料とポリエチレングリコールとが入ったビーカーを撹拌子でよく撹拌しながら別に秤量した触媒、水を一気に加え、均一に加水分解するよう撹拌した。
0.8 g of the obtained mercapto group-containing silane oligomer, 0.3 g of tetraethoxysilane as a crosslinking agent, 0.2 g of polyethylene glycol (# 200) as a polarity control agent, and 1.8 mL of THF as a solvent were weighed in a beaker. In a separate beaker, 0.3 g of triethylamine, 0.12 g of 1 wt% potassium fluoride methanol solution, 0.28 g of water and 0.6 mL of methanol were weighed as a sol-gel catalyst.
While thoroughly stirring a beaker containing a silane raw material and polyethylene glycol with a stirrer, separately weighed catalyst and water were added all at once and stirred so as to uniformly hydrolyze.

混合液が透明になったことを確認し、内径9.0cmのフッ素樹脂製ペトリ皿(フロンケミカル社製)に注ぎ込み、ガラス板でペトリ皿に蓋をした。膜状物をそのまま室温にて170時間静置し、ゲル化させた。
ゲル化した膜を80℃オーブン中、水を入れたデシケータ中にて24時間加熱した。得られた膜状物をガラスシャーレに移し、1N塩酸水溶液及び水に80℃条件下で各々1時間ずつ浸漬して、未反応物、触媒、極性制御剤を膜から抽出した。
After confirming that the liquid mixture became transparent, it was poured into a fluororesin Petri dish (Freon Chemical Co., Ltd.) having an inner diameter of 9.0 cm, and the Petri dish was covered with a glass plate. The film-like material was allowed to stand for 170 hours at room temperature to be gelled.
The gelled film was heated in an oven at 80 ° C. in a desiccator containing water for 24 hours. The obtained film-like material was transferred to a glass petri dish and immersed in a 1N hydrochloric acid aqueous solution and water at 80 ° C. for 1 hour each to extract unreacted materials, catalyst, and polarity control agent from the membrane.

抽出液を除いた後、酢酸125mLと30%過酸化水素水100mLを混合して調製した過酢酸に浸漬し、ホットプレートにて80℃で1時間加熱した。
得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃水で各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、透明な硬質膜を得た。これをプロトン伝導性膜とした。
得られたプロトン伝導性膜は約4cmの円形であり、厚さは200μmであった。
After removing the extract, it was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% aqueous hydrogen peroxide, and heated at 80 ° C. for 1 hour on a hot plate.
The obtained film was taken out from the peracetic acid solution, immersed in 80 ° C. water for 3 hours each for 1 hour, and the peracetic acid solution was sufficiently removed to obtain a transparent hard film. This was used as a proton conductive membrane.
The obtained proton conductive membrane was a circle of about 4 cm, and the thickness was 200 μm.

(評価)
実施例1〜3及び比較例1で作製したプロトン伝導製膜について、以下の方法により評価を行った。
結果を表1に示した。
(Evaluation)
The proton conducting membranes produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were evaluated by the following methods.
The results are shown in Table 1.

(1)粒子構造評価
電界放射型走査電子顕微鏡(日立製作所製、S−4100)を用いてプロトン伝導製膜の表面を観察し、微粒子の連続体構造の有無を以下の基準により評価した。
〇:微粒子の連続体構造が認められた
×:微粒子の連続体構造が認められなかった
(1) Particle structure evaluation The surface of the proton conductive film was observed using a field emission scanning electron microscope (S-4100, manufactured by Hitachi, Ltd.), and the presence or absence of a continuum structure of fine particles was evaluated according to the following criteria.
◯: A continuum structure of fine particles was observed ×: A continuum structure of fine particles was not recognized

(2)細孔容積及び細孔の孔径分布の評価
プロトン伝導性膜を室温にて48時間乾燥した後、更に50℃下で4時間真空乾燥した試
料を評価に供した。
BET評価装置(島津製作所社製、ジェミニ2375)を用いて、プロトン伝導性膜上の孔径が2〜100nmの細孔の容積を分析した。分析は、細孔容積評価モードにてBJH法によって行った。更に、全細孔容積中の孔径が2〜10nmである細孔が占める割合と孔径が10〜100nmである細孔が占める割合とを求めた。
(2) Evaluation of pore volume and pore size distribution The proton-conductive membrane was dried at room temperature for 48 hours, and then further vacuum-dried at 50 ° C. for 4 hours for evaluation.
The volume of pores having a pore diameter of 2 to 100 nm on the proton conductive membrane was analyzed using a BET evaluation apparatus (Shimadzu Corporation, Gemini 2375). The analysis was performed by the BJH method in the pore volume evaluation mode. Further, the ratio of the pores having a pore diameter of 2 to 10 nm in the total pore volume and the ratio of the pores having a pore diameter of 10 to 100 nm were determined.

(3)X線回折評価
プロトン伝導性膜をX線回折評価装置(リガク社製、RINT2400)を用いて広角X線回折評価を行った。即ち、乾燥させた試料に50kV、100mAの条件で発生させたX線を60分照射し、散乱スペクトルを得た。縦軸に散乱強度I、横軸に散乱角を2θプロットし、それぞれの軸を対数表示に変換して2θ=6〜23(deg)付近の散乱ピークあるいはショルダーの有無を確認した。
(3) X-ray diffraction evaluation The proton conductive membrane was subjected to wide-angle X-ray diffraction evaluation using an X-ray diffraction evaluation apparatus (RINT2400, manufactured by Rigaku Corporation). That is, the dried sample was irradiated with X-rays generated under conditions of 50 kV and 100 mA for 60 minutes to obtain a scattering spectrum. The scattering intensity I is plotted on the vertical axis and the scattering angle is plotted 2θ on the horizontal axis, and each axis is converted into a logarithmic display to confirm the presence or absence of a scattering peak or shoulder near 2θ = 6 to 23 (deg).

(4)イオン交換容量評価
プロトン伝導性膜を1N塩酸水溶液に4時間浸漬し、蒸留水でよく洗浄した。pH試験紙を用いて充分に洗浄されたことを確認した後、室温にて24時間放置乾燥し、更に50℃真空下にて6時間乾燥してから、試料の重量を測定した。次に、2mol/Lの塩化ナトリウム水溶液に試料を浸漬し、6時間静置した。その後、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定を行い、その滴定量からイオン交換容量を算出した。
(4) Evaluation of ion exchange capacity The proton conductive membrane was immersed in a 1N aqueous hydrochloric acid solution for 4 hours and washed thoroughly with distilled water. After confirming that the sample was sufficiently washed using a pH test paper, the sample was allowed to dry at room temperature for 24 hours and further dried at 50 ° C. under vacuum for 6 hours, and then the weight of the sample was measured. Next, the sample was immersed in a 2 mol / L sodium chloride aqueous solution and allowed to stand for 6 hours. Thereafter, neutralization titration was performed using a 0.01N aqueous sodium hydroxide solution, and the ion exchange capacity was calculated from the titration amount.

(5)NMR解析
プロトン伝導性膜を破砕し、これを試料として固体29Si−NMR(日本電子社製、JNM−LA500)を用いてスペクトルを得た。得られたスペクトルをT0〜3、Q0〜4に分類し面積比を求めた。求めた面積比にT0、Q0領域は0を、T1領域は0.33を、T2領域は0.66を、Q1領域は0.25を、Q2領域は0.5を、Q3領域は0.75を掛けて総和を求めた。この値を面積比の総和で割ったものを縮合度とした。
(5) NMR analysis The proton conductive membrane was crushed and a spectrum was obtained using this as a sample using solid 29Si-NMR (JNM-LA500, manufactured by JEOL Ltd.). The obtained spectrum was classified into T0-3 and Q0-4, and the area ratio was determined. The calculated area ratio is 0 for the T0 and Q0 regions, 0.33 for the T1 region, 0.66 for the T2 region, 0.25 for the Q1 region, 0.5 for the Q2 region, and 0 for the Q3 region. Multiply by 75 to get the total. The degree of condensation was obtained by dividing this value by the total area ratio.

(6)高温域におけるプロトン伝導性評価
プロトン伝導性膜を電気化学セル(特開2002−184427号公報中の図3に記載されたものと同一のもの)にセットし、プロトン伝導性膜と白金板とを密着させた。この白金板に、電気化学インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製、1260型)を接続し、周波数0.1Hz〜100kHzの領域でインピーダンス測定し、プロトン伝導性膜のプロトン伝導度を評価した。
測定では、試料を電気的に絶縁された密閉容器中に支持し、温度コントローラーによりセル温度を120℃とし、湿度が100%RH及び40%RHの各々の場合について、測定開始から100時間後までの伝導度の変化を求めた。なお、測定においては、測定槽内を加圧した。
120℃−100%RHの場合の伝導度の変化を図2に、120℃−40%RHの場合の伝導度の変化を図3にそれぞれ示した。
(6) Evaluation of proton conductivity in high temperature region The proton conductive membrane is set in an electrochemical cell (the same as that described in FIG. 3 in JP-A-2002-184427), and the proton conductive membrane and platinum are set. The plate was brought into close contact. An electrochemical impedance measuring device (Solartron Co., 1260 type) was connected to the platinum plate, impedance was measured in a frequency range of 0.1 Hz to 100 kHz, and the proton conductivity of the proton conductive membrane was evaluated.
In the measurement, the sample is supported in an electrically insulated sealed container, the cell temperature is set to 120 ° C. by the temperature controller, and the humidity is 100% RH and 40% RH from the start of measurement until 100 hours later. The change in conductivity was obtained. In the measurement, the inside of the measurement tank was pressurized.
The change in conductivity at 120 ° C.-100% RH is shown in FIG. 2, and the change in conductivity at 120 ° C.-40% RH is shown in FIG.

Figure 2005332801
Figure 2005332801

表1及び図1、2より、表面にスルホン酸基を有する微粒子の連続体構造を有する実施例1〜3及び比較例1で得られたプロトン伝導性膜は、いずれも120℃−100%RH下では極めて優れたプロトン伝導度を示し、経時的にも極めて安定していた。
しかし、細孔容積や細孔分布が一定の範囲にある実施例1〜3で得られたプロトン導電性膜が120℃−40%RH下でも安定したプロトン伝導度を示したのに対して、比較例1で得られたプロトン伝導性膜では、経時的に伝導度の低下が認められた。
なお、いずれのプロトン伝導性膜でも、収縮等による寸法の変化は見られなかった。
From Table 1 and FIGS. 1 and 2, the proton conductive membranes obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 each having a continuum structure of fine particles having sulfonic acid groups on the surface are 120 ° C.-100% RH. Below, it showed very good proton conductivity and was very stable over time.
However, while the proton conductive membranes obtained in Examples 1 to 3 in which pore volume and pore distribution are in a certain range showed stable proton conductivity even at 120 ° C.-40% RH, In the proton conductive membrane obtained in Comparative Example 1, a decrease in conductivity was observed over time.
Note that no change in dimension due to shrinkage or the like was observed in any proton conductive membrane.

(実施例4)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン17.7g、テトラエトキシシラン168.7g及びメタノール28.5gをフラスコに計量し、0℃で10分撹拌した。そこに、0.1N塩酸14.6gとメタノール19.5gとを混合した溶液を添加し、0℃で1時間攪拌し、40℃に昇温後、更に2時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.190gとメタノール28.5gとを混合した溶液を添加し、40℃で1時間撹拌し、80℃に昇温後、更に2時間撹拌した。混合溶液を0℃に冷却し、その後、40℃真空にてアルコールを分留した。得られた溶液を0℃に冷却し、ジエチルエーテル200mLを加えて、0℃で10分撹拌した後、メンブレンフィルター(MILLIPORE社製、オムニポアメンブレン孔径0.2μm)を用いて濾過した。得られた濾液から40℃真空にてジエチルエーテルを分留し、メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
Example 4
3-Mercaptopropyltrimethoxysilane (17.7 g), tetraethoxysilane (168.7 g) and methanol (28.5 g) were weighed in a flask and stirred at 0 ° C. for 10 minutes. A solution obtained by mixing 14.6 g of 0.1N hydrochloric acid and 19.5 g of methanol was added thereto, stirred at 0 ° C. for 1 hour, heated to 40 ° C., and further stirred for 2 hours. Next, a solution obtained by mixing 0.190 g of potassium fluoride and 28.5 g of methanol was added, stirred at 40 ° C. for 1 hour, heated to 80 ° C., and further stirred for 2 hours. The mixed solution was cooled to 0 ° C, and then the alcohol was fractionally distilled at 40 ° C in vacuum. The obtained solution was cooled to 0 ° C., 200 mL of diethyl ether was added, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 10 minutes, followed by filtration using a membrane filter (MILLIPORE, Omnipore membrane pore size 0.2 μm). Diethyl ether was fractionally distilled from the obtained filtrate at 40 ° C. under vacuum to obtain a mercapto group-containing silane oligomer.

ナトリウム−ナフタレン錯体系フッ素表面処理剤(テクノス社製、フロロボンダーE01)100gをステンレスバットに注ぎ、希釈溶媒としてTHF120mLを添加し、この表面処理剤混合液をよく撹拌した。
平均孔径0.1μm、厚さ50μmのPTFE多孔質材料(住友電工ファインポリマー社製)を1辺が10cmの正方形状に切断し、表面処理剤混合液中に30分間浸漬した。PTFE多孔質材料を取り出し、THFを用いて充分すすいで、表面に付着した錯体成分を取り除いた。その後、更にメタノールにて充分に洗浄し、乾燥させることにより親水化処理多孔質材料を得た。
100 g of a sodium-naphthalene complex-based fluorine surface treatment agent (manufactured by Technos, Fluorobonder E01) was poured into a stainless steel vat, and 120 mL of THF was added as a diluting solvent, and this surface treatment agent mixture was thoroughly stirred.
A PTFE porous material (manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) having an average pore diameter of 0.1 μm and a thickness of 50 μm was cut into a square shape with a side of 10 cm, and immersed in a surface treatment agent mixed solution for 30 minutes. The PTFE porous material was taken out and rinsed thoroughly with THF to remove the complex component adhering to the surface. Thereafter, it was further thoroughly washed with methanol and dried to obtain a hydrophilic treatment porous material.

3−メルカプトプロピルトリメトキシシランとテトラエトキシシランの共重合物(信越化学工業社製、X−41−1805)4.07gと、得られたメルカプト含有シランオリゴマー1.0gを混合した液に、水0.12gとトリエチルアミン0.06gとを滴下した。透明化するまで約20分程度撹拌した後、フッ素フィルム上でこの溶液を展開した。
この溶液上に親水化処理多孔質材料を被せて溶液を含浸させ、また、溶液が気泡等の影響で充分含浸されなかった部分では、ポリエチレン製のへらを用いて、溶液を親水化処理多孔質材料中にムラがないよう含浸させた。その後、フッ素樹脂フィルムを被せ、その上か
らアプリケーターで膜厚が50μmになるようレベリングした。フッ素樹脂フィルムを被せたまま室温で80時間養生した後、フッ素樹脂フィルムを剥がし、更に36時間養生した。養生後の膜をフッ素樹脂フィルムで挟み、更にそれらを2枚のガラス板で挟み、この状態でガラス製の容器に水500mLとともに入れ、ギアオーブンを用いて80℃で24時間加熱硬化させたのち、窒素雰囲気下で100℃から260℃まで1時間に20℃の割合で昇温し、更に260℃で3時間焼成した。
To a solution obtained by mixing 4.07 g of a copolymer of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane and tetraethoxysilane (X-41-1805, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and 1.0 g of the obtained mercapto-containing silane oligomer, 0.12 g and 0.06 g of triethylamine were added dropwise. After stirring for about 20 minutes until clear, this solution was developed on a fluorine film.
The solution is covered with a hydrophilized porous material and impregnated with the solution, and in a portion where the solution is not sufficiently impregnated due to bubbles or the like, the solution is hydrophilized with a spatula made of polyethylene. The material was impregnated so that there was no unevenness. Then, the fluororesin film was covered and it leveled with the applicator from it on top so that a film thickness might be set to 50 micrometers. After curing for 80 hours at room temperature with the fluororesin film covered, the fluororesin film was peeled off and further cured for 36 hours. After the cured film is sandwiched between fluororesin films, they are further sandwiched between two glass plates, put into a glass container with 500 mL of water in this state, and heat cured at 80 ° C. for 24 hours using a gear oven. In a nitrogen atmosphere, the temperature was raised from 100 ° C. to 260 ° C. at a rate of 20 ° C. per hour, and further calcined at 260 ° C. for 3 hours.

焼成後の膜を別のガラス製容器に移し替え、1N塩酸水溶液及び水に80℃条件下で各々1時間ずつ浸漬し、未反応物及び触媒を膜から抽出した。抽出液を除いた後、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合して作製した過酢酸に膜を浸漬し、ホットプレートにて60℃で1時間加熱した。得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、半透明の膜を得た。これを複合化プロトン伝導性膜とした。
得られた複合化プロトン伝導性膜は、1辺が9cm、厚さが約50μmであった。
The film after baking was transferred to another glass container and immersed in a 1N hydrochloric acid aqueous solution and water at 80 ° C. for 1 hour, respectively, to extract unreacted substances and catalyst from the film. After removing the extract, the membrane was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% aqueous hydrogen peroxide, and heated on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour. The obtained film was taken out from the peracetic acid solution and immersed in water at 80 ° C. for 1 hour and 3 times to sufficiently remove the peracetic acid solution to obtain a translucent film. This was used as a composite proton conductive membrane.
The obtained composite proton conductive membrane had a side of 9 cm and a thickness of about 50 μm.

(実施例5)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン35.3g、テトラエトキシシラン150.0g及びメタノール26.5gをフラスコに計量し、0℃で10分撹拌した。そこに、0.1N塩酸15.6gとメタノール20.8gとを混合した溶液を添加し、0℃で1時間撹拌し、40℃に昇温後、更に2時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.195gとメタノール29.7gとを混合した溶液を添加し、40℃で1時間撹拌し、80℃に昇温後、更に2時間撹拌した。混合溶液を0℃に冷却し、その後、40℃真空にてアルコールを分留した。得られた溶液を0℃に冷却し、ジエチルエーテル200mLを加えて、0℃で10分撹拌した後、メンブレンフィルター(MILLIPORE社製、オムニポアメンブレン孔径0.2μm)を用いて濾過した。得られた濾液から40℃真空にてジエチルエーテルを分留し、メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
(Example 5)
3-Mercaptopropyltrimethoxysilane (35.3 g), tetraethoxysilane (150.0 g) and methanol (26.5 g) were weighed in a flask and stirred at 0 ° C. for 10 minutes. A solution obtained by mixing 15.6 g of 0.1N hydrochloric acid and 20.8 g of methanol was added thereto, stirred at 0 ° C. for 1 hour, heated to 40 ° C., and further stirred for 2 hours. Next, a solution in which 0.195 g of potassium fluoride and 29.7 g of methanol were mixed was added, stirred at 40 ° C. for 1 hour, heated to 80 ° C., and further stirred for 2 hours. The mixed solution was cooled to 0 ° C, and then the alcohol was fractionally distilled at 40 ° C in vacuum. The obtained solution was cooled to 0 ° C., 200 mL of diethyl ether was added, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 10 minutes, followed by filtration using a membrane filter (MILLIPORE, Omnipore membrane pore size 0.2 μm). Diethyl ether was fractionally distilled from the obtained filtrate at 40 ° C. under vacuum to obtain a mercapto group-containing silane oligomer.

得られたメルカプト基含有シランオリゴマーを4.07g、実施例3で調製したメルカプト含有シランオリゴマー1.0g、及び、シランカップリング剤(チッソ社製、S510)0.12gを混合した液に、水0.12gとトリエチルアミン0.06gとを滴下した。室温で10分程度撹拌した後、フッ素樹脂フィルム上でこの溶液を展開した。
この溶液上に実施例3で得た親水化多孔質材料を被せ、実施例3と同様の方法によりムラがないように含浸させた。その後、フッ素樹脂フィルムを被せ、その上からアプリケーターで膜厚が50μmになるようレベリングした。フッ素樹脂フィルムを被せたまま室温で80時間養生した後、フッ素樹脂フィルムを剥がし、更に36時間養生した。養生後の膜をフッ素樹脂フィルムで挟み、更にそれらを2枚のガラス板で挟み、この状態でガラス製の容器に水500mLとともに入れ、ギアオーブンを用いて80℃で24時間加熱硬化させたのち、窒素雰囲気下で100℃から260℃まで1時間に20℃の割合で昇温し、更に260℃で3時間焼成した。
To a liquid obtained by mixing 4.07 g of the obtained mercapto group-containing silane oligomer, 1.0 g of the mercapto-containing silane oligomer prepared in Example 3, and 0.12 g of a silane coupling agent (manufactured by Chisso Corporation, S510), water 0.12 g and 0.06 g of triethylamine were added dropwise. After stirring at room temperature for about 10 minutes, this solution was developed on a fluororesin film.
This solution was covered with the hydrophilized porous material obtained in Example 3, and impregnated so as not to be uneven by the same method as in Example 3. Then, the fluororesin film was covered and it leveled with the applicator from it on top so that a film thickness might be set to 50 micrometers. After curing for 80 hours at room temperature with the fluororesin film covered, the fluororesin film was peeled off and further cured for 36 hours. After the cured film is sandwiched between fluororesin films, they are further sandwiched between two glass plates, put into a glass container with 500 mL of water in this state, and heat cured at 80 ° C. for 24 hours using a gear oven. In a nitrogen atmosphere, the temperature was raised from 100 ° C. to 260 ° C. at a rate of 20 ° C. per hour, and further calcined at 260 ° C. for 3 hours.

焼成して得られた膜を別のガラス製容器に移し替え、1N塩酸水溶液及び水に80℃条件下で各々1時間ずつ浸漬し、未反応物及び触媒を膜から抽出した。抽出液を除いた後、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合して作製した過酢酸に膜を浸漬し、ホットプレートにて60℃で1時間加熱した。得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、半透明の膜を得た。これを複合化プロトン伝導性膜とした。
得られた複合化プロトン伝導性膜は、1辺が9cm、厚さが約50μmであった。
The film | membrane obtained by baking was transferred to another glass container, and each 1 hour hydrochloric acid and water were immersed in 80 degreeC conditions for 1 hour, respectively, and the unreacted substance and the catalyst were extracted from the film | membrane. After removing the extract, the membrane was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% aqueous hydrogen peroxide, and heated on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour. The obtained film was taken out from the peracetic acid solution and immersed in water at 80 ° C. for 1 hour and 3 times to sufficiently remove the peracetic acid solution to obtain a translucent film. This was used as a composite proton conductive membrane.
The obtained composite proton conductive membrane had a side of 9 cm and a thickness of about 50 μm.

(実施例6)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン53.0g、テトラエトキシシラン131.
2g及びメタノール26.5gをフラスコに計量し、0℃で10分撹拌した。そこに、0.01N塩酸15.6gとメタノール20.8gとを混合した溶液を添加し、0℃で1時間撹拌し、40℃に昇温後、更に2時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.114gとメタノール29.7gとを混合した溶液を添加し、40℃で1時間撹拌し、80℃に昇温後、更に2時間撹拌した。混合溶液を0℃に冷却し、その後、40℃真空にてアルコールを分留した。得られた溶液を0℃に冷却し、ジエチルエーテル200mLを加えて、0℃で10分撹拌した後、メンブレンフィルター(MILLIPORE社製、オムニポアメンブレン孔径0.2μm)を用いて濾過した。得られた濾液から40℃真空にてジエチルエーテルを分留し、メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
(Example 6)
3-mercaptopropyltrimethoxysilane 53.0 g, tetraethoxysilane 131.
2 g and 26.5 g of methanol were weighed into a flask and stirred at 0 ° C. for 10 minutes. A solution obtained by mixing 15.6 g of 0.01N hydrochloric acid and 20.8 g of methanol was added thereto, stirred at 0 ° C. for 1 hour, heated to 40 ° C., and further stirred for 2 hours. Next, a solution obtained by mixing 0.114 g of potassium fluoride and 29.7 g of methanol was added, stirred at 40 ° C. for 1 hour, heated to 80 ° C., and further stirred for 2 hours. The mixed solution was cooled to 0 ° C, and then the alcohol was fractionally distilled at 40 ° C in vacuum. The obtained solution was cooled to 0 ° C., 200 mL of diethyl ether was added, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 10 minutes, followed by filtration using a membrane filter (MILLIPORE, Omnipore membrane pore size 0.2 μm). Diethyl ether was fractionally distilled from the obtained filtrate at 40 ° C. under vacuum to obtain a mercapto group-containing silane oligomer.

ナトリウム−ナフタレン錯体系フッ素表面処理剤(テクノス社製、フロロボンダーE01)100gをステンレスバットに注ぎ、希釈溶媒としてTHF120mL添加し、この表面処理剤混合液をよく撹拌した。
平均孔径0.2μm、厚さ50μmのPTFE多孔質材料(住友電工ファインポリマー社製)を1辺が10cmの正方形に切断し、表面処理剤混合液に30分間浸漬した。処理後のPTFE多孔質材料を取り出し、THFにて充分すすいで、表面に付着した錯体成分を取り除いた。その後、メタノールにて充分に洗浄し、乾燥させ親水化多孔質材料を得た。
100 g of a sodium-naphthalene complex-based fluorine surface treating agent (manufactured by Technos, Fluorobonder E01) was poured into a stainless steel vat, and 120 mL of THF was added as a diluting solvent, and this surface treating agent mixed solution was well stirred.
A PTFE porous material (manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) having an average pore size of 0.2 μm and a thickness of 50 μm was cut into a square having a side of 10 cm and immersed in a surface treatment agent mixed solution for 30 minutes. The treated PTFE porous material was taken out and thoroughly rinsed with THF to remove the complex component adhering to the surface. Thereafter, it was thoroughly washed with methanol and dried to obtain a hydrophilic porous material.

得られたメルカプト基含有シランオリゴマー4.37gとテトラエトキシシラン0.51gとを混合した液に、水0.11gとトリエチルアミン0.05gとを滴下した。室温で10分攪拌した後、フッ素樹脂フィルム上でこの溶液を展開した。この溶液上に、得られた親水化多孔質材料を被せ、実施例3と同様の方法により含浸させた。その後、フッ素樹脂フィルムを被せ、その上からアプリケーターで膜厚が50μmになるようにレベリングした。フッ素樹脂フィルムを被せたまま室温で80時間養生した後、フィルムを剥がし更に室温で24時間養生した。養生後の膜を2枚のガラス板でフッ素樹脂フィルムを介して挟み、この状態でガラス製の容器に水500mLとともに入れ、ギアオーブンを用いて80℃で24時間加熱硬化させた後、100℃から200℃まで1時間に20℃の割合で昇温し、更に200℃で3時間焼成した。 To a liquid obtained by mixing 4.37 g of the obtained mercapto group-containing silane oligomer and 0.51 g of tetraethoxysilane, 0.11 g of water and 0.05 g of triethylamine were added dropwise. After stirring for 10 minutes at room temperature, this solution was developed on a fluororesin film. The obtained hydrophilized porous material was placed on this solution and impregnated by the same method as in Example 3. Then, the fluororesin film was covered and it leveled so that the film thickness might be set to 50 micrometers with the applicator from it. After curing for 80 hours at room temperature with the fluororesin film covered, the film was peeled off and further cured for 24 hours at room temperature. The film after curing is sandwiched between two glass plates via a fluororesin film, put in a glass container with 500 mL of water in this state, heated and cured at 80 ° C. for 24 hours using a gear oven, and then 100 ° C. From 200 to 200 ° C. at a rate of 20 ° C. per hour, and further calcined at 200 ° C. for 3 hours.

焼成して得られた膜を別のガラス製容器に移し替え、1N塩酸水溶液及び水に80℃条件下で各々1時間ずつ浸漬し、未反応物及び触媒を膜から抽出した。抽出液を除いた後、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合して作製した過酢酸に膜を浸漬し、23℃にて24時間放置した。得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、半透明の膜を得た。これを複合化プロトン伝導性膜とした。
得られた複合化プロトン伝導性膜は、一辺が9cm、厚さが約50μmであった。
The film | membrane obtained by baking was transferred to another glass container, and each 1 hour hydrochloric acid and water were immersed in 80 degreeC conditions for 1 hour, respectively, and the unreacted substance and the catalyst were extracted from the film | membrane. After removing the extract, the membrane was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% aqueous hydrogen peroxide, and left at 23 ° C. for 24 hours. The obtained film was taken out from the peracetic acid solution and immersed in water at 80 ° C. for 1 hour and 3 times to sufficiently remove the peracetic acid solution to obtain a translucent film. This was used as a composite proton conductive membrane.
The obtained composite proton conductive membrane had a side of 9 cm and a thickness of about 50 μm.

(比較例2)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシランとテトラエトキシシランの共重合物(信越化学工業社製、X−41−1805)4.07gとテトラエトキシシラン1.0gを混合した液に、水0.12gとトリエチルアミン0.06gとを滴下した。室温で20分程度撹拌した後、フッ素フィルム上でこの溶液を展開した。この溶液上に、平均孔径0.1μm、厚さ50μmのPTFE多孔質材料(住友電工ファインポリマー社製)を1辺が10cmの正方形に切断したものを被せた。ここで、PTFE多孔質材料の撥水性により溶液が材料中へ含浸されにくかったことから、ポリエチレン製のへらを上から押さえつけるようにして、溶液を材料中にムラがないよう含浸させた。その後、フッ素樹脂フィルムを被せ、その上からアプリケーターで膜厚が50μmになるようレベリングした。フッ素樹脂フィルムを被せたまま室温で80時間養生した後、フッ素樹脂フィルムを剥がし、更に36時間養生した。養生後の膜をフッ素樹脂フィルムで挟み、さらにそれらを2枚のガラス板で挟み、この状態でガラス製の容器に水500mLとともに入れ、ギアオーブンを用いて
80℃で24時間加熱硬化させた後、窒素雰囲気下で100℃から260℃まで1時間に20℃の割合で昇温し、更に260℃で3時間焼成した。
(Comparative Example 2)
Copolymer of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane and tetraethoxysilane (X-41-1805, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and 1.0 g of tetraethoxysilane were mixed with 0.12 g of water and triethylamine. 0.06 g was added dropwise. After stirring for about 20 minutes at room temperature, this solution was developed on a fluorine film. On this solution, a PTFE porous material (manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) having an average pore diameter of 0.1 μm and a thickness of 50 μm was cut into a 10 cm square. Here, since it was difficult for the solution to be impregnated into the material due to the water repellency of the PTFE porous material, the solution was impregnated so that there was no unevenness in the material by pressing a polyethylene spatula from above. Then, the fluororesin film was covered and it leveled with the applicator from it on top so that a film thickness might be set to 50 micrometers. After curing for 80 hours at room temperature with the fluororesin film covered, the fluororesin film was peeled off and further cured for 36 hours. After the cured film is sandwiched between fluororesin films, and further sandwiched between two glass plates, put in a glass container with 500 mL of water in this state, and heat cured at 80 ° C. for 24 hours using a gear oven In a nitrogen atmosphere, the temperature was raised from 100 ° C. to 260 ° C. at a rate of 20 ° C. per hour, and further calcined at 260 ° C. for 3 hours.

焼成して得られた膜を別のガラス製容器に移し替え、1N塩酸水溶液及び水に80℃条件下で各々1時間ずつ浸漬し、未反応物及び触媒を膜から抽出した。抽出液を除いた後、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合して作製した過酢酸に膜を浸漬し、ホットプレートにて60℃で1時間加熱した。得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃の水に各1時間、3回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、半透明の膜を得た。これを複合化プロトン伝導性膜とした。
得られた複合化プロトン伝導性膜は、1辺が9cm、厚さが約50μmであった。
The film | membrane obtained by baking was transferred to another glass container, and each 1 hour hydrochloric acid and water were immersed in 80 degreeC conditions for 1 hour, respectively, and the unreacted substance and the catalyst were extracted from the film | membrane. After removing the extract, the membrane was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% aqueous hydrogen peroxide, and heated on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour. The obtained film was taken out from the peracetic acid solution and immersed in water at 80 ° C. for 1 hour and 3 times to sufficiently remove the peracetic acid solution to obtain a translucent film. This was used as a composite proton conductive membrane.
The obtained composite proton conductive membrane had a side of 9 cm and a thickness of about 50 μm.

(評価)
実施例4〜6及び比較例2で作製したプロトン伝導製膜について、実施例1等と同様の評価に加えて、以下の方法によりヘリウムガス透過試験を行った。
結果を表2に示した。
(Evaluation)
In addition to the evaluation similar to Example 1 etc. about the proton conductive film produced in Examples 4-6 and the comparative example 2, the helium gas permeation | transmission test was done with the following method.
The results are shown in Table 2.

(ヘリウムガス透過試験)
島津製作所社製のヘリウムリークデテクタMSE−2000形装置を用いてヘリウムガス透過試験を行った。この装置の原理は一定流量の窒素管路中にサンプルからリークしたヘリウムガスを混合させ、混合気体の一部を一定流量で計測部に導入する。計測部は質量分析計と同等の構造をしており、ヘリウムのみを検出する条件に予め調整してあり、混合気体中のヘリウム量を計測できるというものである。常温、ヘリウムガス圧0.1MPaを与え、30秒後のリークするガス量を評価した。
この装置では、サンプルを通して混合したヘリウム量の総てを検出しているわけではないことから、サンプルのヘリウム透過量の絶対値は測定できないものの、比較は可能である。
(Helium gas permeation test)
A helium gas detector MSE-2000 type apparatus manufactured by Shimadzu Corporation was used to conduct a helium gas permeation test. The principle of this apparatus is that helium gas leaked from a sample is mixed in a nitrogen flow line having a constant flow rate, and a part of the mixed gas is introduced into the measurement unit at a constant flow rate. The measurement unit has a structure equivalent to that of a mass spectrometer, and is adjusted in advance to conditions for detecting only helium, so that the amount of helium in the mixed gas can be measured. A normal temperature and a helium gas pressure of 0.1 MPa were applied, and the amount of gas leaked after 30 seconds was evaluated.
Since this apparatus does not detect the total amount of helium mixed through the sample, the absolute value of the helium permeation amount of the sample cannot be measured, but a comparison is possible.

Figure 2005332801
Figure 2005332801

表2より、親水化処理を施したPTFE多孔質材料に含浸させて得た複合化プロトン伝導性膜は高いイオン交換容量とガスバリア性を示したのに対し、親水化処理を行わなかったPTFE多孔質材料に含浸させて得た複合化プロトン伝導性膜ではイオン交換容量及びガスバリア性ともに劣っていた。これは、含浸にムラがあったためと考えられる。 From Table 2, the composite proton conductive membrane obtained by impregnating the PTFE porous material subjected to the hydrophilization treatment showed high ion exchange capacity and gas barrier property, whereas the PTFE porous material not subjected to the hydrophilization treatment was used. The composite proton conductive membrane obtained by impregnating the porous material was inferior in both ion exchange capacity and gas barrier property. This is presumably because the impregnation was uneven.

本発明によれば、耐熱性に優れ、湿度変化によるプロトン伝導性能の変動が小さく特に高温低湿下におけるプロトン伝導性能にも優れるプロトン伝導性膜、複合化プロトン伝導性膜及び燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there are provided a proton conductive membrane, a composite proton conductive membrane, and a fuel cell, which are excellent in heat resistance, have small fluctuations in proton conduction performance due to changes in humidity, and are particularly excellent in proton conduction performance under high temperature and low humidity. Can do.

本発明のプロトン伝導性膜の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the proton conductive membrane of this invention. 実施例1〜3及び比較例1で得られたプロトン伝導性膜の120℃−100%RH下での伝導度の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the conductivity under 120 degreeC-100% RH of the proton-conductive film | membrane obtained in Examples 1-3 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1〜3及び比較例1で得られたプロトン伝導性膜の120℃−40%RH下での伝導度の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the conductivity under 120 degreeC-40% RH of the proton conductive membrane obtained in Examples 1-3 and the comparative example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 珪素−酸素架橋構造体からなる微粒子
2 間隙、細孔
1 Fine particles composed of a silicon-oxygen crosslinked structure 2 Gaps and pores

Claims (17)

表面にスルホン酸基を有する珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなるプロトン伝導性膜であって、
前記微粒子間には膜を貫通する細孔が形成されており、該細孔のBET法により測定した全細孔容積が0.3cm/g以下であり、
イオン交換容量が0.7meq/g以上である
ことを特徴とするプロトン伝導性膜。
A proton conductive membrane comprising a continuum of fine particles of silicon-oxygen crosslinked structure having a sulfonic acid group on the surface,
Between the fine particles, pores penetrating the membrane are formed, and the total pore volume measured by the BET method of the pores is 0.3 cm 3 / g or less,
A proton conductive membrane having an ion exchange capacity of 0.7 meq / g or more.
スルホン酸基は、炭素数20以下の直鎖状アルキレン基を介して珪素原子と共有結合していることを特徴とする請求項1記載のプロトン伝導性膜。 The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the sulfonic acid group is covalently bonded to the silicon atom via a linear alkylene group having 20 or less carbon atoms. 全細孔容量のうち、孔径が2〜10nmである細孔の占める割合が80%以上であり、孔径が10〜100nmである細孔の占める割合が20%未満であることを特徴とする請求項1又は2記載のプロトン伝導性膜。 The proportion of pores having a pore diameter of 2 to 10 nm in the total pore volume is 80% or more, and the proportion of pores having a pore diameter of 10 to 100 nm is less than 20%. Item 3. The proton conductive membrane according to Item 1 or 2. X線回折像を測定したときに、2θ=6〜23(deg)の範囲にショルダー又は散乱ピークが観察されることを特徴とする請求項1、2又は3記載のプロトン伝導性膜。 4. The proton conductive membrane according to claim 1, wherein a shoulder or scattering peak is observed in a range of 2 [theta] = 6 to 23 (deg) when an X-ray diffraction image is measured. 珪素−酸素架橋構造体は、29Si−NMR解析法により測定した縮合度が85%以上であることを特徴とする請求項1、2、3又は4記載のプロトン伝導性膜。 5. The proton conductive membrane according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the silicon-oxygen crosslinked structure has a degree of condensation measured by 29Si-NMR analysis of 85% or more. 請求項1、2、3、4又は5記載のプロトン伝導性膜が高分子材料により複合強化されていることを特徴とする複合化プロトン伝導性膜。 6. A composite proton conductive membrane according to claim 1, wherein the proton conductive membrane according to claim 1 is composite reinforced with a polymer material. 高分子材料は、スルホン酸基を有するものであることを特徴とする請求項6記載の複合化プロトン伝導性膜。 7. The composite proton conductive membrane according to claim 6, wherein the polymer material has a sulfonic acid group. 高分子材料は、フッ素系高分子材料であることを特徴とする請求項6又は7記載の複合化プロトン伝導性膜。 The composite proton conductive membrane according to claim 6 or 7, wherein the polymer material is a fluorine-based polymer material. フッ素系高分子材料は、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項8記載の複合化プロトン伝導性膜。 9. The composite proton conductive membrane according to claim 8, wherein the fluorine polymer material is made of polytetrafluoroethylene. フッ素系高分子材料は、膜厚が20〜100μm、孔径が0.05〜0.2μm、空孔率が60%以上である多孔質材料であることを特徴とする請求項8又は9記載の複合化プロトン伝導性膜。 The fluorine-based polymer material is a porous material having a film thickness of 20 to 100 µm, a pore diameter of 0.05 to 0.2 µm, and a porosity of 60% or more. Composite proton conductive membrane. 多孔質材料は、親水化処理が施されていることを特徴とする請求項10記載の複合化プロトン伝導性膜。 The composite proton conductive membrane according to claim 10, wherein the porous material is subjected to a hydrophilic treatment. 金属ナトリウム−ナフタレン錯体含有液に浸漬し、基材表面に水酸基をはじめとする親水基を導入したフッ素材料を用いることを特徴とする請求項11記載の複合化プロトン伝導性膜。 12. The composite proton conductive membrane according to claim 11, wherein the composite proton conductive membrane is immersed in a metal sodium-naphthalene complex-containing liquid and a fluorine material into which hydrophilic groups such as hydroxyl groups are introduced on the surface of the base material is used. プロトン伝導性膜と親水化処理が施された多孔質材料とがシランカップリング剤を添加していることを特徴とする請求項12記載の複合化プロトン伝導性膜。 13. The composite proton conductive membrane according to claim 12, wherein a silane coupling agent is added to the proton conductive membrane and the porous material subjected to hydrophilization treatment. シランカップリング剤は、エポキシシラン及び/又はアミノシランであることを特徴とする請求項13記載の複合化プロトン伝導性膜。 14. The composite proton conductive membrane according to claim 13, wherein the silane coupling agent is epoxy silane and / or amino silane. メルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基及び/又はシラノール基を有するメルカプト基含有化合物を調製する第1の工程と、前記メルカプト基含有化合物に水、触媒等を添加し、加水分解及び縮合、及び/若しくは、シラノール基を縮合させることにより、増粘させ、成膜する第2の工程と、前記成膜に含まれる加水分解性シリル基を加熱、焼成することにより珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜を形成し、細孔構造を形成させる第3の工程と、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜中のメルカプト基を酸化してスルホン酸基とし、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の表面にスルホン酸基を導入する第4の工程を有することを特徴とするプロトン伝導性膜の製造方法。 A first step of preparing a mercapto group-containing compound having a mercapto group and having a hydrolyzable silyl group and / or silanol group covalently bonded to the mercapto group, and water added to the mercapto group-containing compound; A second step of thickening the film by adding a catalyst, etc., and hydrolyzing and condensing and / or condensing a silanol group, and heating the hydrolyzable silyl group contained in the film. A third step of forming a pore structure by forming a film composed of a continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles by firing, and a film in a film composed of the continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles, Producing a proton conductive membrane comprising a fourth step of oxidizing a mercapto group to form a sulfonic acid group and introducing the sulfonic acid group onto the surface of the silicon-oxygen crosslinked structure fine particles. Method. メルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基及び/又はシラノール基を有するメルカプト基含有化合物を調製する第1の工程と、前記メルカプト基含有化合物に水、触媒等を添加し、加水分解及び縮合、及び/若しくは、シラノール基を縮合させることにより、増粘させ、予め親水化処理が施されたフッ素系樹脂からなる多孔質材料に含浸し、成膜する第2の工程と、前記成膜に含まれる加水分解性シリル基を加熱、焼成することにより珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜を形成し、細孔構造を形成させる第3の工程と、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の連続体からなる膜中のメルカプト基を酸化してスルホン酸基とし、前記珪素−酸素架橋構造体微粒子の表面にスルホン酸基を導入する第4の工程を有することを特徴とする複合化プロトン伝導性膜の製造方法。 A first step of preparing a mercapto group-containing compound having a mercapto group and having a hydrolyzable silyl group and / or silanol group covalently bonded to the mercapto group, and water added to the mercapto group-containing compound; Then, adding a catalyst, etc., hydrolyzing and condensing, and / or condensing silanol groups to increase the viscosity, impregnate a porous material made of a fluororesin that has been previously hydrophilized, and form a film And a second step of forming a pore structure by forming a film composed of a continuum of silicon-oxygen crosslinked structure fine particles by heating and baking the hydrolyzable silyl group contained in the film. And the step of oxidizing the mercapto group in the film composed of the continuum of the silicon-oxygen crosslinked structure fine particles to form a sulfonic acid group, and forming a sulfonic acid group on the surface of the silicon-oxygen crosslinked structure fine particle Method for producing a composite proton conducting membrane and having a fourth step of introducing. 請求項1、2、3、4若しくは5記載のプロトン伝導性膜、又は、請求項6、7、8、9、10、11、12、13若しくは14記載の複合化プロトン伝導性膜を用いてなることを特徴とする燃料電池。
A proton conducting membrane according to claim 1, 2, 3, 4, or 5, or a composite proton conducting membrane according to claim 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 or 14. A fuel cell characterized by comprising:
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