JP2006049003A - Solid polymer electrolyte, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質、その製造方法及び固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte, a production method thereof, and a solid polymer fuel cell.
固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基、ホスホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、各種の電気化学デバイスに利用されている。 A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group or a phosphonic acid group in a polymer chain, and is firmly bonded to a specific ion or selectively cation or anion. Since it has a permeating property, it is formed into particles, fibers, or films and used in various electrochemical devices.
例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極を設け、改質ガス等の水素を含む燃料ガスを一方の電極(燃料極)へ供給し、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを他方の電極(空気極)へ供給し、燃料が酸化する際に生ずる自由エネルギー変化を、直接、電気エネルギーとして取り出す電池である。固体高分子型燃料電池においては、電解質膜として、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrodes are provided on both surfaces of an electrolyte membrane, a fuel gas containing hydrogen such as a reformed gas is supplied to one electrode (fuel electrode), and an oxygen containing oxygen such as air is oxidized. This is a battery in which the agent gas is supplied to the other electrode (air electrode), and the free energy change generated when the fuel is oxidized is directly taken out as electric energy. In a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte membrane.
また、例えば、SPE(Solid Polymer Electrolyte、固体高分子電解質)電解装置は、水を電気分解することにより水素と酸素を製造するための装置であり、電解質として、従来のアルカリ水溶液に代えて、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられている。 In addition, for example, an SPE (Solid Polymer Electrolyte) (electrolyte polymer) device is an apparatus for producing hydrogen and oxygen by electrolyzing water. As an electrolyte, instead of a conventional alkaline aqueous solution, a proton is used. A solid polymer electrolyte membrane having conductivity is used.
このような各種の電気化学デバイスに用いられる固体高分子電解質としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系電解質や、種々の炭化水素系電解質が知られているが、燃料電池やSPE電解装置等、過酷な条件下で使用される電気化学デバイスにおいては、化学的安定性が非常に高く、耐酸化性に優れたパーフルオロ系電解質を用いるのが一般的である。 As solid polymer electrolytes used in such various electrochemical devices, perfluoro-based electrolytes typified by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and various hydrocarbon-based electrolytes are known. In electrochemical devices used under severe conditions such as fuel cells and SPE electrolyzers, it is common to use a perfluoro-based electrolyte that has very high chemical stability and excellent oxidation resistance.
これは、燃料電池やSPE電解装置の場合、固体高分子電解質膜と電極の界面に形成された触媒層において過酸化物が生成し、生成した過酸化物が電解質膜中を拡散しながらラジカル化するためである。炭化水素系電解質は、一般に過酸化物ラジカルに対する耐久性が低く、過酸化物ラジカルによる劣化反応(過酸化物ラジカルによる酸化反応)を起こし易いので、燃料電池やSPE電解装置用の電解質膜として使用することはできない。 This is because, in the case of fuel cells and SPE electrolyzers, peroxide is generated in the catalyst layer formed at the interface between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode, and the generated peroxide is radicalized while diffusing in the electrolyte membrane. It is to do. Hydrocarbon electrolytes generally have low durability against peroxide radicals and are prone to degradation reactions due to peroxide radicals (oxidation reactions due to peroxide radicals), so they are used as electrolyte membranes for fuel cells and SPE electrolyzers. I can't do it.
しかしながら、パーフルオロ系電解質は、製造が困難であるために、非常に高価である。また、電気化学デバイスの小型化、軽量化及び高効率化を図るためには、電解質膜の薄膜化や、作動温度の高温化が有効であり、そのためには、電解質膜は、強度及び耐クリープ性に優れていることが必要である。しかしながら、従来のパーフルオロ系電解質は、非架橋であるために、強度及び耐クリープ性が不十分である。 However, perfluoro-based electrolytes are very expensive because they are difficult to manufacture. In order to reduce the size, weight, and efficiency of electrochemical devices, it is effective to reduce the thickness of the electrolyte membrane and increase the operating temperature. For this purpose, the electrolyte membrane has strength and creep resistance. It is necessary to have excellent properties. However, since conventional perfluoro-based electrolytes are non-crosslinked, their strength and creep resistance are insufficient.
そこで、この問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、炭化水素部を有する高分子化合物に対して、ホスホン酸基等の燐を含む官能基を導入した固体高分子電解質が提案されている(特許文献1参照)。 In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made. For example, a solid polymer electrolyte in which a functional group containing phosphorus such as a phosphonic acid group is introduced into a polymer compound having a hydrocarbon moiety has been proposed (see Patent Document 1).
また、電解質基及び炭化水素部を有する高分子化合物と、燐を含む化合物(例えば、ホスホン酸基を含む高分子化合物等)とを混合することにより得られる固体高分子電解質が提案されている(特許文献2参照)。 Further, a solid polymer electrolyte obtained by mixing a polymer compound having an electrolyte group and a hydrocarbon part and a compound containing phosphorus (for example, a polymer compound containing a phosphonic acid group) has been proposed ( Patent Document 2).
燐を含む官能基を導入した高分子電解質は、炭化水素系の高分子化合物を主成分としているので、安価である。また、燐を含む官能基を導入した高分子電解質はフェントン試薬を用いた耐酸化試験などにおいて良好な耐酸化性を示し、過酸化物ラジカルが存在する環境下における耐久性が期待できる。 A polymer electrolyte into which a functional group containing phosphorus is introduced has a hydrocarbon polymer compound as a main component, and is inexpensive. In addition, a polymer electrolyte into which a functional group containing phosphorus is introduced exhibits good oxidation resistance in an oxidation resistance test using a Fenton reagent, and durability in an environment where peroxide radicals are present can be expected.
しかしながら、特許文献1および特許文献2の提案では、高分子電解質に燐を含む官能基を導入するための工程が煩雑であり、製造コストもさらに低減させることが必要である。また、電解質のプロトン導電率は電解質膜中のプロトン解離基の導入量を増加させることによって向上させることができるが、これらの提案ではプロトン解離基を導入するために複雑な工程を要する。
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、安価で、耐酸化性、耐久性に優れた固体高分子電解質を提供することにある。
また、本発明は、上記の固体高分子電解質を簡便に製造することが可能な固体高分子電解質の製造方法を提供することにある。
また、本発明は、上記の固体高分子電解質を用いた、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することにある。
The present invention has been made in view of such a background art, and is to provide a solid polymer electrolyte that is inexpensive and excellent in oxidation resistance and durability.
Moreover, this invention is providing the manufacturing method of the solid polymer electrolyte which can manufacture said solid polymer electrolyte simply.
Another object of the present invention is to provide a solid polymer fuel cell excellent in durability using the above-mentioned solid polymer electrolyte.
すなわち、本発明の第1の発明は、α−メチルスチレンホスホン酸、スチレンホスホン酸、α−メチルスチレンアルキルホスホン酸およびスチレンアルキルホスホン酸から選択される一種類以上のモノマーと、下記一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルの共重合体を含むことを特徴とする固体高分子電解質である。 That is, the first invention of the present invention includes one or more monomers selected from α-methylstyrenephosphonic acid, styrenephosphonic acid, α-methylstyrenealkylphosphonic acid and styrenealkylphosphonic acid, and the following general formula (A A solid polymer electrolyte comprising a copolymer of (meth) acrylic acid ester represented by
(式中、R1はHまたはCH3、R2はH、CH3またはCH2Cl、nは1〜10の整数を示す。) (In the formula, R 1 is H or CH 3 , R 2 is H, CH 3 or CH 2 Cl, and n is an integer of 1 to 10.)
また、本発明は、第1の発明の製造方法であり、α−メチルスチレンホスホン酸、スチレンホスホン酸、α−メチルスチレンアルキルホスホン酸およびスチレンアルキルホスホン酸から選択される一種類以上のモノマーと、下記一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルを共重合して共重体を得る工程を有することを特徴とする固体高分子電解質の製造方法である。 Further, the present invention is the production method of the first invention, wherein one or more monomers selected from α-methylstyrenephosphonic acid, styrenephosphonic acid, α-methylstyrenealkylphosphonic acid and styrenealkylphosphonic acid, A method for producing a solid polymer electrolyte comprising a step of copolymerizing a (meth) acrylic acid ester represented by the following general formula (A) to obtain a copolymer.
(式中、R1はHまたはCH3、R2はH、CH3またはCH2Cl、nは1〜10の整数を示す。) (In the formula, R 1 is H or CH 3 , R 2 is H, CH 3 or CH 2 Cl, and n is an integer of 1 to 10.)
本発明の第2の発明は、下記の構造式(B1 )で示されるα−メチルスチレンおよび構造式(C1 )で示されるα−メチルスチレンからから選択される一種類または2種類のモノマーと、下記一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルの共重合体を含むことを特徴とする固体高分子電解質である。 According to a second aspect of the present invention, there is provided one or two monomers selected from α-methylstyrene represented by the following structural formula (B 1 ) and α-methylstyrene represented by the structural formula (C 1 ): And a (meth) acrylic acid ester copolymer represented by the following general formula (A).
(式中、R1はHまたはCH3、R2はH、CH3またはCH2Cl、nは1〜10の整数を示す。) (In the formula, R 1 is H or CH 3 , R 2 is H, CH 3 or CH 2 Cl, and n is an integer of 1 to 10.)
また、本発明は、第2の発明の製造方法であり、下記の構造式(B)で示されるα−メチルスチレンおよび構造式(C)で示されるα−メチルスチレンから選択される一種類または2種類のモノマーと、下記一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルを共重合した後、加水分解または酸化して(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基をプロトン解離基とした共重合体を得る工程を有することを特徴とする固体高分子電解質の製造方法である。 Further, the present invention is the production method of the second invention, wherein one kind selected from α-methylstyrene represented by the following structural formula (B) and α-methylstyrene represented by the structural formula (C): Two types of monomers and a (meth) acrylic acid ester represented by the following general formula (A) are copolymerized and then hydrolyzed or oxidized to form a (N, N-diethylamino) phosphinyl group as a proton dissociation group. A method for producing a solid polymer electrolyte, comprising a step of obtaining a coalescence.
(式中、R1 はHまたはCH3 、R2 はH、CH3 またはCH2 Cl、nは1〜10の整数を示す。) (In the formula, R 1 is H or CH 3 , R 2 is H, CH 3 or CH 2 Cl, and n is an integer of 1 to 10.)
本発明の第3の発明は、下記の構造式(B1 )で示されるα−メチルスチレンおよび構造式(C1 )で示されるα−メチルスチレンから選択されるモノマー単位の1種類または2種類からなる重合体または共重合体を含むことを特徴とする固体高分子電解質である。 The third invention of the present invention is one or two kinds of monomer units selected from α-methylstyrene represented by the following structural formula (B 1 ) and α-methylstyrene represented by the structural formula (C 1 ). It is a solid polymer electrolyte characterized by including the polymer or copolymer which consists of these.
また、本発明は、第3の発明の製造方法であり、下記の構造式(B)で示されるα−メチルスチレンおよび構造式(C)で示されるα−メチルスチレンから選択されるモノマーの1種類または2種類をアニオンリビング重合した後、加水分解または酸化して(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基をプロトン解離基とした重合体または共重合体を得る工程を有することを特徴とする固体高分子電解質の製造方法である。 Further, the present invention is the production method of the third invention, wherein one of monomers selected from α-methylstyrene represented by the following structural formula (B) and α-methylstyrene represented by the structural formula (C): A process comprising obtaining a polymer or copolymer having a (N, N-diethylamino) phosphinyl group as a proton dissociation group after anionic living polymerization of one or two types, followed by hydrolysis or oxidation; This is a method for producing a molecular electrolyte.
本発明の第4の発明は、上記の固体高分子電解質を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池である。 A fourth invention of the present invention is a solid polymer fuel cell characterized by using the above-mentioned solid polymer electrolyte.
本発明によれば、α−メチルスチレンホスホン酸またはスチレンホスホン酸、及びリン酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルの共重合体を含むことを特徴とする固体高分子電解質を用いることにより、安価で、耐酸化性、耐久性に優れた固体高分子燃料電池用の電解質膜を提供することができる。
また、本発明は、上記の電解質を簡便に得ることができる固体高分子電解質の製造方法を提供することができる。
According to the present invention, by using a solid polymer electrolyte characterized in that it comprises a copolymer of α-methylstyrenephosphonic acid or styrenephosphonic acid and a (meth) acrylic acid ester containing a phosphate group, It is possible to provide an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell that is inexpensive and excellent in oxidation resistance and durability.
Moreover, this invention can provide the manufacturing method of the solid polymer electrolyte which can obtain said electrolyte simply.
また、本発明は、構造式(B)、(C)で示されるp位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンをアニオンリビング重合した後、加水分解または酸化により、(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基をプロトン解離基とした重合体を用いることを特徴とする固体高分子電解質の製造方法を提供することができる。
また、本発明は、上記の電解質を用いた高耐久性の燃料電池を提供することができる。
In addition, the present invention provides an anion living polymerization of α-methylstyrene having a (N, N-diethylamino) phosphinyl group substituted at the p-position represented by the structural formulas (B) and (C), followed by hydrolysis or oxidation. , A polymer having a (N, N-diethylamino) phosphinyl group as a proton dissociation group can be used.
In addition, the present invention can provide a highly durable fuel cell using the above electrolyte.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る第1の固体高分子電解質は、α−メチルスチレンホスホン酸、スチレンホスホン酸、α−メチルスチレンアルキルホスホン酸およびスチレンアルキルホスホン酸から選択される一種類以上のモノマー(以降、「α−メチルスチレンホスホン酸等のモノマー」と記す)と、一般式(A)で示されるリン酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルの共重合体を含むことを特徴とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The first solid polymer electrolyte according to the present invention comprises one or more monomers selected from α-methylstyrenephosphonic acid, styrenephosphonic acid, α-methylstyrenealkylphosphonic acid and styrenealkylphosphonic acid (hereinafter referred to as “α And a (meth) acrylic acid ester copolymer containing a phosphoric acid group represented by the general formula (A).
α−メチルスチレンホスホン酸またはスチレンホスホン酸は市販されているものや、α−メチルスチレンまたはスチレンをホスホン化したものを用いることができる。
スチレンのホスホン化はクロロメチル基を導入し、さらにジエチルホスホネート化して加水分解することによりホスホン酸基を導入することなどにより可能である。
As α-methylstyrenephosphonic acid or styrenephosphonic acid, commercially available products or α-methylstyrene or styrene phosphonated can be used.
Phosphonation of styrene can be achieved by introducing a chloromethyl group and then introducing a phosphonic acid group by diethylphosphonate formation and hydrolysis.
α−メチルスチレンアルキルホスホン酸およびスチレンアルキルホスホン酸は、市販のものなどを用いることができる。アルキル基は、炭素数1〜2のアルキル基が好ましい。アルキル基は、スチレンのp位などに結合しているものを用いることができる。 As α-methylstyrene alkylphosphonic acid and styrene alkylphosphonic acid, commercially available products can be used. The alkyl group is preferably an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms. As the alkyl group, one bonded to the p-position of styrene or the like can be used.
本発明に用いられるリン酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステル類としては、下記の一般式(A)で表される化合物が挙げられる。 Examples of (meth) acrylic acid esters containing a phosphate group used in the present invention include compounds represented by the following general formula (A).
式中、R1 はHまたはCH3 である。R2 はH、CH3 またはCH2 Clである。nは1〜10、好ましくは1〜6の整数である。
そのうち、本発明に好適に使用できる化合物の構造式を下記に示す。
In the formula, R 1 is H or CH 3 . R 2 is H, CH 3 or CH 2 Cl. n is an integer of 1 to 10, preferably 1 to 6.
Of these, the structural formulas of compounds that can be suitably used in the present invention are shown below.
これらの化合物は、ユニケミカル株式会社から商品名ホスマーとして販売されているものが挙げられ、適宜購入することができる。ただし、本発明に使用できる化合物はこれらに限定されるものではない。 These compounds include those sold under the trade name Phosmer by Unichemical Co., Ltd., and can be purchased as appropriate. However, the compounds that can be used in the present invention are not limited to these.
α−メチルスチレンホスホン酸等のモノマーと、(メタ)アクリル酸エステルの共重合は、一般的なラジカル重合などを用いて行うことができる。即ち、光及び/または熱重合開始剤を添加した後、加熱や紫外光照射、電子線照射を行うことにより、重合させることができる。 Copolymerization of a monomer such as α-methylstyrenephosphonic acid and a (meth) acrylic acid ester can be performed using general radical polymerization or the like. That is, after adding a light and / or thermal polymerization initiator, polymerization can be performed by heating, ultraviolet light irradiation, or electron beam irradiation.
ラジカル重合反応は、α−メチルスチレンホスホン酸等のモノマーと、リン酸基を含有する(メタ)アクリル酸エステルとが溶解する共通溶媒中で、2,2−アゾビスイソブチロニトリル、2,2−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル−2,2−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、ジメチル−2,2−アゾビスイソブチレートなどのアゾ系開始剤、ラウリルパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド、tert−ブチルパーオクトエートなどの過酸化物系開始剤等の重合開始剤を用いて行う。 The radical polymerization reaction is conducted in a common solvent in which a monomer such as α-methylstyrenephosphonic acid and a (meth) acrylic acid ester containing a phosphate group are dissolved, 2,2-azobisisobutyronitrile, 2, Azo initiators such as 2-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl-2,2-azobis (2-methylpropionate), dimethyl-2,2-azobisisobutyrate, lauryl peroxide Polymerization initiators such as peroxide-based initiators such as benzoyl peroxide and tert-butyl peroctoate are used.
反応溶媒としては、基本的にこれらの原料を可溶であるものであれば、使用できる。メタノールなどのアルコール類やアセトンなどのケトン類、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエーテル類の溶媒を用いることが出来る。また、2種類以上の混合溶媒を用いてよい。 Any reaction solvent can be used as long as these raw materials are basically soluble. Solvents such as alcohols such as methanol, ketones such as acetone, and ethers such as ethylene glycol monomethyl ether can be used. Two or more kinds of mixed solvents may be used.
反応系の溶媒とし、原料成分100重量部に対し、100〜2000重量部程度用いるのが好ましく、より好ましくは150〜1000重量部である。重合開始剤は0.01〜0.5重量部程度用いるのが好ましく、より好ましくは0.1重量部前後である。溶媒、重合開始剤の使用量が上記の範囲にないと、重合体がゲル化して様々な溶媒に不溶となり、製膜できなくなる等の問題が起こるので好ましくない。 The solvent for the reaction system is preferably about 100 to 2000 parts by weight, more preferably 150 to 1000 parts by weight per 100 parts by weight of the raw material components. The polymerization initiator is preferably used in an amount of about 0.01 to 0.5 parts by weight, more preferably about 0.1 parts by weight. If the amount of the solvent and polymerization initiator used is not within the above ranges, the polymer gels and becomes insoluble in various solvents, which causes problems such as the inability to form a film.
重合条件としては、これらの反応溶液を攪拌しながら、40℃以上の温度で、より好ましくは、60℃以上で溶剤沸点以下の温度で重合を行う。 As polymerization conditions, while stirring these reaction solutions, the polymerization is performed at a temperature of 40 ° C. or higher, more preferably at a temperature of 60 ° C. or higher and a solvent boiling point or lower.
共重合に用いられるα−メチルスチレンホスホン酸等のモノマーと、(メタ)アクリル酸エステルの使用量は、α−メチルスチレンホスホン酸等のモノマー100重量部に対して、(メタ)アクリル酸エステルを5〜400重量部、好ましくは10〜200重量部が望ましい。 Monomers such as α-methylstyrenephosphonic acid used for copolymerization and the amount of (meth) acrylic acid ester used are (meth) acrylic acid ester with respect to 100 parts by weight of monomer such as α-methylstyrenephosphonic acid. 5 to 400 parts by weight, preferably 10 to 200 parts by weight is desirable.
また、本発明に係る固体高分子電解質は、p位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンを重合した後、加水分解または酸化により、(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基をプロトン解離基とした重合体を用いることを特徴とする固体高分子電解質とを備えている。 In addition, the solid polymer electrolyte according to the present invention is obtained by polymerizing α-methylstyrene substituted with a (N, N-diethylamino) phosphinyl group at the p-position, and then hydrolyzing or oxidizing (N, N-diethylamino). And a solid polymer electrolyte characterized by using a polymer having a phosphinyl group as a proton dissociation group.
具体的には、本発明に係る第2の固体高分子電解質は、下記の構造式(B1 )で示されるp位にホスフィン酸基またはホスホン酸基が置換されたα−メチルスチレンおよび構造式(C1 )で示されるp位にホスフィン酸基またはホスホン酸基が置換されたα−メチルスチレンからから選択される一種類または2種類のモノマーと、上記一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルの共重合体を含むことを特徴とする。 Specifically, the second solid polymer electrolyte according to the present invention includes α-methylstyrene having a phosphinic acid group or phosphonic acid group substituted at the p-position represented by the following structural formula (B 1 ), and a structural formula One or two monomers selected from α-methylstyrene substituted with a phosphinic acid group or phosphonic acid group at the p-position represented by (C 1 ), and represented by the above general formula (A) (meta ) It contains an acrylic ester copolymer.
本発明の第2の固体高分子電解質の製造方法は、下記の構造式(B)で示されるp位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンおよび構造式(C)で示されるp位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンから選択される一種類または2種類のモノマーと、上記一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルを共重合した後、加水分解または酸化して(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基をプロトン解離基とした共重合体を得る工程を有することを特徴とする。 The second method for producing a solid polymer electrolyte of the present invention comprises α-methylstyrene having a (N, N-diethylamino) phosphinyl group substituted at the p-position represented by the following structural formula (B) and the structural formula (C And p-position represented by (N, N-diethylamino) phosphinyl group, one or two monomers selected from α-methylstyrene substituted with (meth) acrylic represented by the above general formula (A) It is characterized by having a step of obtaining a copolymer having a (N, N-diethylamino) phosphinyl group as a proton dissociation group after copolymerization of an acid ester and then hydrolysis or oxidation.
さらに、具体的には、本発明に係る第3の固体高分子電解質は、下記の構造式(B1 )で示されるp位にホスフィン酸基またはホスホン酸基が置換されたα−メチルスチレンおよび構造式(C1 )で示されるp位にホスフィン酸基またはホスホン酸基が置換されたα−メチルスチレンから選択されるモノマー単位の1種類または2種類からなる重合体または共重合体を含むことを特徴とする。 More specifically, the third solid polymer electrolyte according to the present invention includes α-methylstyrene having a phosphinic acid group or phosphonic acid group substituted at the p-position represented by the following structural formula (B 1 ), and A polymer or copolymer comprising one or two monomer units selected from α-methylstyrene substituted with a phosphinic acid group or a phosphonic acid group at the p-position represented by the structural formula (C 1 ). It is characterized by.
本発明の第3の固体高分子電解質の製造方法は、下記の構造式(B)で示されるp位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンおよび構造式(C)で示されるp位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンから選択されるモノマーの1種類または2種類をアニオンリビング重合した後、加水分解または酸化して(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基をプロトン解離基とした重合体または共重合体を得る工程を有することを特徴とする。 The third method for producing a solid polymer electrolyte of the present invention includes α-methylstyrene having a (N, N-diethylamino) phosphinyl group substituted at the p-position represented by the following structural formula (B) and a structural formula (C ), One or two monomers selected from α-methylstyrene substituted with an (N, N-diethylamino) phosphinyl group at the p-position represented by anion polymerization, and then hydrolyzed or oxidized (N , N-diethylamino) phosphinyl group as a proton dissociation group.
なお、プロトン解離基とは、ホスホン酸基、ホスフィン酸基を示す。
本発明の第2の固体高分子電解質の製造方法に用いられる構造式(B)および構造式(C)で示されるα−メチルスチレンから選択される一種類または2種類のモノマーと、一般式(A)で示される(メタ)アクリル酸エステルの使用量は、構造式(B)および構造式(C)で示されるα−メチルスチレン100重量部に対して、(メタ)アクリル酸エステルを5〜400重量部、好ましくは10〜200重量部が望ましい。
In addition, a proton dissociation group shows a phosphonic acid group and a phosphinic acid group.
One or two monomers selected from α-methylstyrene represented by structural formula (B) and structural formula (C) used in the second method for producing a solid polymer electrolyte of the present invention, and a general formula ( The amount of the (meth) acrylic acid ester represented by A) is 5 to (meth) acrylic acid ester with respect to 100 parts by weight of α-methylstyrene represented by structural formula (B) and structural formula (C). 400 parts by weight, preferably 10 to 200 parts by weight is desirable.
また、本発明の第3の固体高分子電解質の製造方法に用いられる構造式(B)および構造式(C)で示されるα−メチルスチレンの使用量は、構造式(B)のモノマー100重量部に対して、構造式(C)のモノマーを0〜10000重量部、好ましくは0〜1000重量部が望ましい。 The amount of α-methylstyrene represented by the structural formula (B) and structural formula (C) used in the third method for producing a solid polymer electrolyte of the present invention is 100 weights of the monomer of the structural formula (B). The amount of the monomer represented by the structural formula (C) is 0 to 10,000 parts by weight, preferably 0 to 1000 parts by weight with respect to parts.
p位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンの重合は一般的なラジカル重合やリビング重合法などを用いることができる。
リビング重合法では、分子量を精密に制御することができ、分子量分布の狭いポリマーを合成することができる。
For the polymerization of α-methylstyrene in which the (N, N-diethylamino) phosphinyl group is substituted at the p-position, a general radical polymerization or living polymerization method can be used.
In the living polymerization method, the molecular weight can be precisely controlled, and a polymer having a narrow molecular weight distribution can be synthesized.
リビング重合法を用いる際には、溶媒を金属ナトリウムなどの乾燥剤で十分乾燥することが好ましい。
上記構造式(B)、(C)で示されるモノマーをリビング重合する場合、モノマーの官能基の選択によりリビング重合開始剤やモノマーの有機溶媒溶液濃度などの最適反応条件が変化するので、予め最適条件を設定するための予備実験を行うことが好ましいが、一般に重合に供するモノマー成分100重量部に対し、有機溶媒を100〜10000重量部程度用いるのが好ましく、より好ましくは400〜2000重量部である。
When using the living polymerization method, it is preferable to sufficiently dry the solvent with a drying agent such as metallic sodium.
When the monomers represented by the structural formulas (B) and (C) are subjected to living polymerization, the optimum reaction conditions such as the concentration of the living polymerization initiator and the organic solvent solution of the monomer change depending on the selection of the functional group of the monomer. Although it is preferable to conduct a preliminary experiment for setting the conditions, it is generally preferable to use about 100 to 10,000 parts by weight, more preferably 400 to 2000 parts by weight of the organic solvent with respect to 100 parts by weight of the monomer component used for polymerization. is there.
上記モノマーのリビング重合は、重合開始剤を用いて行うことが好ましい。重合開始剤としては、例えば有機金属化合物が好適であり、具体的にn−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウム、ナトリウムナフタレン、アントラセンナトリウム、α−メチルスチレンテトラマージナトリウム、クミルカリウム、クミルセシウム等の有機アルカリ金属化合物等が例示される。 The living polymerization of the monomer is preferably performed using a polymerization initiator. As the polymerization initiator, for example, an organometallic compound is preferable. Specifically, n-butyllithium, sec-butyllithium, tert-butyllithium, sodium naphthalene, anthracene sodium, α-methylstyrenetetramerium sodium, cumylpotassium, cumylcesium Examples thereof include organic alkali metal compounds and the like.
なお、重合開始剤の添加量は、通常量とすることができるが、開始剤濃度は、反応溶媒中で10-2〜10-4モル/リットルになるように調整することが好ましい。
また、リビング重合は一般に有機溶媒中で行われる。有機溶媒としては、例えば環状エーテル等の芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素溶媒等が挙げられ、具体例としては、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、テトラヒドロピラン、ジメトキシエタン、n−ヘキサン、シクロヘキサン等が例示される。これら有機溶媒は、その1種類を単独で使用しても2種類以上を組み合わせてもよい。
The addition amount of the polymerization initiator can be a normal amount, but the initiator concentration is preferably adjusted to 10 −2 to 10 −4 mol / liter in the reaction solvent.
Living polymerization is generally performed in an organic solvent. Examples of the organic solvent include aromatic hydrocarbons such as cyclic ethers, aliphatic hydrocarbon solvents, and the like. Specific examples include benzene, toluene, tetrahydrofuran, dioxane, tetrahydropyran, dimethoxyethane, n-hexane, cyclohexane, and the like. Is exemplified. These organic solvents may be used alone or in combination of two or more.
更に、リビング重合反応は、反応系内を真空吸引後、そのまま又はアルゴン、窒素等の不活性ガスによる置換雰囲気下でモノマーの有機溶媒溶液を十分攪拌しながら行うことが望ましい。反応温度は、−100℃から室温まで適宜選択することができるが、特にテトラヒドロフラン溶媒を使用する場合は−100℃〜0℃、ベンゼン溶媒を使用する場合は室温が好ましい。また、上記リビング重合では、通常約10分〜5時間で重合反応が完了する。 Furthermore, it is desirable that the living polymerization reaction is carried out while sufficiently stirring the organic solvent solution of the monomer as it is or in a replacement atmosphere with an inert gas such as argon or nitrogen after vacuuming the reaction system. The reaction temperature can be appropriately selected from −100 ° C. to room temperature, and in particular, when a tetrahydrofuran solvent is used, −100 ° C. to 0 ° C., and when a benzene solvent is used, room temperature is preferable. In the living polymerization, the polymerization reaction is usually completed in about 10 minutes to 5 hours.
リビング重合反応終了後は、得られた反応混合溶液に例えばメタノール、水、メチルブロマイド等の停止剤を添加して反応を停止させ、更に、適当な溶剤、例えばメタノールを添加して沈澱物を得、洗浄、乾燥することにより、ポリマーを精製、単離することができる。なお、通常、反応後のポリマーには、未反応物、副反応物等が不純物として含有しており、精製処理は十分に施すことが好ましい。 After the living polymerization reaction is completed, the reaction is stopped by adding a terminating agent such as methanol, water, or methyl bromide to the obtained reaction mixture solution, and a suitable solvent such as methanol is added to obtain a precipitate. The polymer can be purified and isolated by washing and drying. In general, the polymer after the reaction contains unreacted substances, side-reacted substances and the like as impurities, and it is preferable that the purification treatment is sufficiently performed.
このようにして得られるポリマーは、分子量分布の点で単分散(重量平均分子量(Mw)/数量平均分子量(Mn)=1.0〜1.4)となり、目的とする狭分子量分布のポリマーを得ることができる。なお、ポリマーの収率は、反応に供したモノマーに基づいてほぼ100%であり、このポリマーの分子量(Mw)は、使用したモノマーの重量と重合開始剤のモル数(分子量)から容易に計算できる。また、Mn、分子量分布は上記方法により求めることができ、分子量分布の評価はGPCで行って得られたポリマーが目的とするポリマーであるか否か評価できる。 The polymer thus obtained is monodispersed in terms of molecular weight distribution (weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn) = 1.0 to 1.4). Obtainable. The polymer yield is almost 100% based on the monomer used for the reaction, and the molecular weight (Mw) of this polymer is easily calculated from the weight of the monomer used and the number of moles (molecular weight) of the polymerization initiator. it can. Moreover, Mn and molecular weight distribution can be calculated | required by the said method, and evaluation of molecular weight distribution can evaluate whether the polymer obtained by performing by GPC is the target polymer.
また、本発明において得られた上記の重合体および共重合体の重量平均分子量は3000〜20000、好ましくは5000〜10000が望ましい。
p位に(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基が置換されたα−メチルスチレンは、重合後に加水分解や酸化することにより、(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基がホスフィン酸基やホスホン酸基となったポリマーを与える。(N,N−ジエチルアミノ)ホスフィニル基はジオキサン、アセトン、アセトニトリル、ベンゼン等の溶媒中で蟻酸、塩酸などにより加水分解することにより、ホスフィン酸基を有するポリマーを得ることができる。また、オゾン、過酸化水素などにより酸化させることによりホスホン酸基を有するポリマーを得ることができる。
The weight average molecular weight of the polymer and copolymer obtained in the present invention is 3000 to 20000, preferably 5000 to 10,000.
α-Methylstyrene in which the (N, N-diethylamino) phosphinyl group is substituted at the p-position is hydrolyzed or oxidized after polymerization, so that the (N, N-diethylamino) phosphinyl group becomes a phosphinic acid group or phosphonic acid group. Gives a polymer. A polymer having a phosphinic acid group can be obtained by hydrolyzing the (N, N-diethylamino) phosphinyl group with formic acid, hydrochloric acid or the like in a solvent such as dioxane, acetone, acetonitrile, or benzene. Moreover, the polymer which has a phosphonic acid group can be obtained by oxidizing with ozone, hydrogen peroxide, etc.
上記の方法により得られたポリマー溶液から、公知の方法で電解質膜を形成する。電解質膜の膜の場合では、ポリマー溶液を基材の表面にキャストし、乾燥して電解質膜を得る。膜厚の調整はエアーナイフ、バーコーター、ドクターブレード、メータリングロール及びドクターロール等を用いて行うことができる。 An electrolyte membrane is formed from the polymer solution obtained by the above method by a known method. In the case of an electrolyte membrane, the polymer solution is cast on the surface of the substrate and dried to obtain the electrolyte membrane. The film thickness can be adjusted using an air knife, bar coater, doctor blade, metering roll, doctor roll, or the like.
このように得たポリマーを固体電解質膜とし、公知の方法で電解質膜の両側に触媒、拡散層、電極を設け、燃料電池を組み立てることができる。
本発明における燃料電池の部分概略図の一例を図1に示す。
The polymer thus obtained is used as a solid electrolyte membrane, and a fuel cell can be assembled by providing a catalyst, a diffusion layer, and electrodes on both sides of the electrolyte membrane by a known method.
An example of a partial schematic diagram of a fuel cell in the present invention is shown in FIG.
図1において、高分子電解質膜1の両面に電極触媒層2a、2bが設けられ、その外側に拡散層3a、3bを設け、さらにその外側に集電体を兼ねた電極が設けられる。
燃料極側の電極触媒層2aは、少なくとも白金触媒が担持された導電性炭素に水素イオン解離が可能な有機基を有している電極触媒よりなる。
In FIG. 1, electrode catalyst layers 2a and 2b are provided on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 1, diffusion layers 3a and 3b are provided on the outside thereof, and electrodes serving also as current collectors are provided on the outside thereof.
The electrode catalyst layer 2a on the fuel electrode side is made of an electrode catalyst having an organic group capable of hydrogen ion dissociation at least on a conductive carbon carrying a platinum catalyst.
本発明において用いられる白金触媒は、導電性炭素の表面に担持されていることが好ましい。担持された触媒の平均粒子径は細かいことが好ましく、具体的には、平均粒子径0.5nm〜20nm、さらには1nm〜10nmの範囲が好ましい。0.5nm未満の場合には、触媒粒子単体で活性が高すぎ、取り扱いが困難となる。また20nmを越えると、触媒の表面積が減少して反応部位が減少するために、活性が低下するおそれがある。 The platinum catalyst used in the present invention is preferably supported on the surface of conductive carbon. The average particle diameter of the supported catalyst is preferably small, and specifically, the average particle diameter is preferably 0.5 nm to 20 nm, more preferably 1 nm to 10 nm. If it is less than 0.5 nm, the activity of the catalyst particles alone is too high, making handling difficult. On the other hand, if the thickness exceeds 20 nm, the surface area of the catalyst decreases and the number of reaction sites decreases, which may reduce the activity.
白金触媒の代わりに、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、およびオスミウムなどの白金族金属を用いたり、白金とそれら金属の合金を用いても構わない。特に燃料としてメタノールを用いる場合は、白金とルテニウムの合金を用いることが好ましい。 Instead of the platinum catalyst, a platinum group metal such as rhodium, ruthenium, iridium, palladium, and osmium, or an alloy of platinum and these metals may be used. In particular, when methanol is used as the fuel, it is preferable to use an alloy of platinum and ruthenium.
本発明に用いることのできる導電性炭素としては、カーボンブラック、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンナノチューブなどから選ぶことができる。また、その平均粒子径が5nm〜1000nmの範囲であることが好ましく、更には10nm〜100nmの範囲であることが好ましい。ただし実使用時においてはある程度凝集がおこるため、粒子径分布としては20nmから1000nmあるいはそれ以上と幅広くなってもよい。 The conductive carbon that can be used in the present invention can be selected from carbon black, carbon fiber, graphite, carbon nanotube, and the like. The average particle diameter is preferably in the range of 5 nm to 1000 nm, and more preferably in the range of 10 nm to 100 nm. However, since agglomeration occurs to some extent during actual use, the particle size distribution may be as wide as 20 nm to 1000 nm or more.
また前述した触媒を担持させるため、導電性炭素の比表面積はある程度大きい方が良く、BET比表面積が50m2 /g〜3000m2 /g更には、100m2 /g〜2000m2 /gが好ましい。 Further in order to carry the above-mentioned catalyst, the specific surface area of the conductive carbon may large to some degree, the BET specific surface area of 50m 2 / g~3000m 2 / g Further, 100m 2 / g~2000m 2 / g are preferred.
導電性炭素表面への触媒の担持方法は、公知の方法を広く用いることができる。例えば白金および他の金属の溶液に導電性炭素を含浸した後、これら貴金属イオンを還元し導電性炭素表面に担持させる方法などが知られている。また担持させたい貴金属をターゲットとし導電性炭素にスパッタなどの真空成膜方法により担持させても構わない。 A known method can be widely used as a method for supporting the catalyst on the conductive carbon surface. For example, a method is known in which a solution of platinum and other metals is impregnated with conductive carbon, and then these noble metal ions are reduced and supported on the surface of the conductive carbon. Alternatively, a noble metal to be supported may be used as a target and supported on conductive carbon by a vacuum film forming method such as sputtering.
このようにして作製した電極触媒は、単独でまたはバインダー、高分子電解質、撥水剤、導電性炭素、溶剤などと混合し、高分子電解質膜と後述する拡散層に密着される。
拡散層3a、3bは、燃料である水素、改質水素、メタノール、ジメチルエーテルおよび酸化剤である空気や酸素を効率よく、均一に電極触媒層に導入できかつ電極に接触し電子の受け渡しを行えるものである。一般的には、導電性の多孔質膜が好ましく、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンとポリテトラフルオロエチレンとの複合シートなどを用いる。
The electrode catalyst produced in this way is singly or mixed with a binder, a polymer electrolyte, a water repellent, conductive carbon, a solvent, and the like, and is in close contact with the polymer electrolyte membrane and a diffusion layer described later.
Diffusion layers 3a and 3b can efficiently introduce hydrogen, reformed hydrogen, methanol, dimethyl ether and oxidant air and oxygen as fuel into the electrode catalyst layer and contact the electrodes to transfer electrons. It is. In general, a conductive porous film is preferable, and carbon paper, carbon cloth, a composite sheet of carbon and polytetrafluoroethylene, or the like is used.
この拡散層の表面および内部をフッソ系塗料でコーティングし撥水化処理をして用いても構わない。
電極4a、4bは各拡散層に燃料、酸化剤を効率よく供給できかつ拡散層と電子の授受が行えるものであれば従来から用いられているものを特に限定することなく用いることができる。
The surface and the inside of the diffusion layer may be coated with a fluorine-based paint and subjected to a water repellent treatment.
The electrodes 4a and 4b can be used without particular limitation as long as they can efficiently supply fuel and oxidant to each diffusion layer and can exchange electrons with the diffusion layer.
本発明における燃料電池は、高分子電解質膜、電極触媒層、拡散層、電極を図1のように積層して作成するが、その形状は任意であり作製方法についても特に限定はなく従来の方法を用いることができる。 The fuel cell in the present invention is prepared by laminating a polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer, a diffusion layer, and an electrode as shown in FIG. 1, but the shape thereof is arbitrary and the production method is not particularly limited. Can be used.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
例えば、本発明に係る複合化固体高分子電解質は、単独で使用することもできるが、他の固体高分子電解質の表面に本発明に係る複合化固体高分子電解質を張り合わせて使用することもできる。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, the composite solid polymer electrolyte according to the present invention can be used alone, but the composite solid polymer electrolyte according to the present invention can also be used on the surface of another solid polymer electrolyte. .
さらに、本発明に係る固体高分子電解質は、燃料電池、SPE電解装置等、過酷な条件下で使用される電気化学デバイスに用いられる電解質膜として特に好適であるが、本発明の用途は、これに限定されるものではなく、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、水素及び/又は酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等、各種の電気化学デバイスに用いられる電解質膜としても使用することができる。 Furthermore, the solid polymer electrolyte according to the present invention is particularly suitable as an electrolyte membrane used in electrochemical devices used under harsh conditions such as fuel cells and SPE electrolyzers. It is not limited to, but can also be used as an electrolyte membrane used in various electrochemical devices such as hydrohalic acid electrolyzer, salt electrolyzer, hydrogen and / or oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor and the like. .
実施例1
丸底フラスコにメタノール180g、α−メチルスチレンホスホン酸(ユニケミカル(株)製)10gおよびアシッド・ホスホオキシ・エチル・メタクリレート(ホスマーM、ユニケミカル(株)製)10gを入れた。窒素置換し、オイルバスに漬けて60℃に昇温し還流を開始した。60℃に到達した後、AIBN(2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、キシダ化学(株)製)0.1gを投入した。3時間後、重合体溶液を得た。
Example 1
In a round bottom flask, 180 g of methanol, 10 g of α-methylstyrenephosphonic acid (manufactured by Unichemical Co., Ltd.) and 10 g of acid phosphooxyethyl methacrylate (Hosmer M, Unichemical Co., Ltd.) were placed. The atmosphere was replaced with nitrogen, immersed in an oil bath, heated to 60 ° C. and refluxed. After reaching 60 ° C., 0.1 g of AIBN (2,2′-azobisisobutyronitrile, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was added. After 3 hours, a polymer solution was obtained.
この溶液をテフロン(登録商標)ケース上に展開し、常温から60℃まで昇温して12時間乾燥した。得られた膜の膜厚は0.12mmであった。この膜にイオンスパッターで金の電極を蒸着し、50℃で90%の湿度の雰囲気で導電率を測定した。この膜の導電率は2.5×10-3Scm-1であった。 This solution was spread on a Teflon (registered trademark) case, heated from room temperature to 60 ° C., and dried for 12 hours. The film thickness of the obtained film was 0.12 mm. A gold electrode was deposited on this film by ion sputtering, and the conductivity was measured at 50 ° C. in an atmosphere of 90% humidity. The conductivity of this film was 2.5 × 10 −3 Scm −1 .
実施例2
丸底フラスコにメタノール180g、スチレンホスホン酸(ユニケミカル(株)製)7gおよびアシッド・ホスホオキシ・エチル・メタクリレート(ホスマーM、ユニケミカル(株)製)3gを入れた。窒素置換し、オイルバスに漬けて60℃に昇温し還流を開始した。60℃に到達した後、AIBN 0.1gを投入した。3時間後、重合体溶液を得た。
Example 2
A round bottom flask was charged with 180 g of methanol, 7 g of styrene phosphonic acid (manufactured by Unichemical Co., Ltd.) and 3 g of acid phosphooxyethyl methacrylate (Hosmer M, Unichemical Co., Ltd.). The atmosphere was replaced with nitrogen, immersed in an oil bath, heated to 60 ° C. and refluxed. After reaching 60 ° C., 0.1 g of AIBN was added. After 3 hours, a polymer solution was obtained.
この溶液をテフロン(登録商標)ケース上に展開し、常温から60℃まで昇温して12時間乾燥した。得られた膜の膜厚は0.15mmであった。この膜にイオンスパッターで金の電極を蒸着し、50℃で90%の湿度の雰囲気で導電率を測定した。この膜の導電率は3.8×10-3Scm-1であった。 This solution was spread on a Teflon (registered trademark) case, heated from room temperature to 60 ° C., and dried for 12 hours. The film thickness of the obtained film was 0.15 mm. A gold electrode was deposited on this film by ion sputtering, and the conductivity was measured at 50 ° C. in an atmosphere of 90% humidity. The conductivity of this film was 3.8 × 10 −3 Scm −1 .
実施例3
丸底フラスコにテトラヒドロフラン180g、p−(N,N−ジエチルアミノ)−α−メチルスチレン(ユニケミカル(株)製)6gおよびアシッド・ホスホオキシ・エチル・メタクリレート(ホスマーM、ユニケミカル(株)製)4gを入れた。窒素置換し、オイルバスに漬けて60℃に昇温し還流を開始した。60℃に到達した後、AIBN 0.1gを投入した。3時間後、重合体溶液を得た。次に、得られた共重合体溶液に、塩酸を用いて還流下1時間の加水分解を行うことにより、p−(N,N−ジエチルアミノ)基がホスフィン酸基に加水分解された重合体溶液を得た。
Example 3
In a round bottom flask, 180 g of tetrahydrofuran, 6 g of p- (N, N-diethylamino) -α-methylstyrene (Unichemical Co., Ltd.) and 4 g of acid phosphooxyethyl methacrylate (Phosmer M, Unichemical Co., Ltd.) Put. The atmosphere was replaced with nitrogen, immersed in an oil bath, heated to 60 ° C. and refluxed. After reaching 60 ° C., 0.1 g of AIBN was added. After 3 hours, a polymer solution was obtained. Next, the obtained copolymer solution is hydrolyzed with hydrochloric acid for 1 hour under reflux to polymerize a p- (N, N-diethylamino) group into a phosphinic acid group. Got.
この溶液をテフロン(登録商標)ケース上に展開し、常温から70℃まで昇温して12時間乾燥した。得られた膜の膜厚は0.13mmであった。また得られた膜のIR分析により、p−(N,N−ジエチルアミノ)基の残存はなく、すべてのp−(N,N−ジエチルアミノ)基が加水分解されていることを確認した。この膜にイオンスパッターで金の電極を蒸着し、50℃で90%の湿度の雰囲気で導電率を測定した。この膜の導電率は1.8×10-3Scm-1であった。 This solution was spread on a Teflon (registered trademark) case, heated from room temperature to 70 ° C. and dried for 12 hours. The film thickness of the obtained film was 0.13 mm. Further, by IR analysis of the obtained film, it was confirmed that no p- (N, N-diethylamino) group remained and all p- (N, N-diethylamino) groups were hydrolyzed. A gold electrode was deposited on this film by ion sputtering, and the conductivity was measured at 50 ° C. in an atmosphere of 90% humidity. The conductivity of this film was 1.8 × 10 −3 Scm −1 .
実施例4
10-5Torrの高真空下で密閉容器にテトラヒドロフラン250g、重合開始剤としてn−ブチルリチウム4.7×10-4molを仕込んだ後、−78℃に保った。この混合液に−78℃で30gのテトラヒドロフランで希釈したp−(N,N−ジエチルアミノ)−α−メチルスチレン(ユニケミカル(株)製)13gを添加した。1時間攪拌して重合体溶液を得た。メタノールを添加して重合を終了させた。更に、この重合体溶液をメタノール中に注ぎ、得られた重合体を沈澱させた後、分離して乾燥させ、11gの重合体を得た。この重合体11gをテトラヒドロフラン250gに溶解させ、過酸化水素を用いて1時間の酸化を行うことにより、p−(N,N−ジエチルアミノ)基がホスホン酸基に酸化された重合体溶液を得た。
Example 4
Under a high vacuum of 10 −5 Torr, 250 g of tetrahydrofuran and 4.7 × 10 −4 mol of n-butyllithium as a polymerization initiator were charged in a sealed container, and then kept at −78 ° C. To this mixture was added 13 g of p- (N, N-diethylamino) -α-methylstyrene (Unichemical Co., Ltd.) diluted with 30 g of tetrahydrofuran at −78 ° C. The polymer solution was obtained by stirring for 1 hour. Methanol was added to terminate the polymerization. Further, this polymer solution was poured into methanol to precipitate the obtained polymer, and then separated and dried to obtain 11 g of a polymer. 11 g of this polymer was dissolved in 250 g of tetrahydrofuran and oxidized with hydrogen peroxide for 1 hour to obtain a polymer solution in which p- (N, N-diethylamino) groups were oxidized to phosphonic acid groups. .
この溶液をテフロン(登録商標)ケース上に展開し、常温から70℃まで昇温して12時間乾燥した。得られた膜の膜厚は0.08mmであった。また得られた膜のIR分析により、p−(N,N−ジエチルアミノ)基の残存はなく、すべてのp−(N,N−ジエチルアミノ)基が酸化されていることを確認した。この膜にイオンスパッターで金の電極を蒸着し、50℃で90%の湿度の雰囲気で導電率を測定した。この膜の導電率は4.2×10-3Scm-1であった。 This solution was spread on a Teflon (registered trademark) case, heated from room temperature to 70 ° C. and dried for 12 hours. The film thickness of the obtained film was 0.08 mm. Further, by IR analysis of the obtained film, it was confirmed that no p- (N, N-diethylamino) group remained and all p- (N, N-diethylamino) groups were oxidized. A gold electrode was deposited on this film by ion sputtering, and the conductivity was measured at 50 ° C. in an atmosphere of 90% humidity. The conductivity of this film was 4.2 × 10 −3 Scm −1 .
比較例1
丸底フラスコにメタノール180g、アシッド・ホスホオキシ・エチル・メタクリレート(ホスマーM、ユニケミカル(株)製)10gを入れた。窒素置換し、オイルバスに漬けて60℃に昇温し還流を開始した。60℃に到達した後、AIBN 0.1gを投入した。3時間後、重合体溶液を得た。
Comparative Example 1
A round bottom flask was charged with 180 g of methanol and 10 g of acid phosphooxyethyl methacrylate (Phosmer M, manufactured by Unichemical Co., Ltd.). The atmosphere was replaced with nitrogen, immersed in an oil bath, heated to 60 ° C. and refluxed. After reaching 60 ° C., 0.1 g of AIBN was added. After 3 hours, a polymer solution was obtained.
この溶液をテフロン(登録商標)ケース上に展開し、常温から60℃まで昇温して12時間乾燥した。得られた膜の膜厚は0.17mmであった。この膜にイオンスパッターで金の電極を蒸着し、50℃で90%の湿度の雰囲気で導電率を測定した。この膜の導電率は8.0×10-4Scm-1であった。
実施例に比べ、比較例1で得られた膜は柔軟性に劣り導電率は低いものであった。
This solution was spread on a Teflon (registered trademark) case, heated from room temperature to 60 ° C., and dried for 12 hours. The film thickness of the obtained film was 0.17 mm. A gold electrode was deposited on this film by ion sputtering, and the conductivity was measured at 50 ° C. in an atmosphere of 90% humidity. The conductivity of this film was 8.0 × 10 −4 Scm −1 .
Compared with the Examples, the film obtained in Comparative Example 1 was inferior in flexibility and low in conductivity.
比較例2
電子線照射装置(岩崎電気(株)製、アイエレクトロンビームEC250/15/180L)を用いて、150kV、200kGyの電子線を、厚さ50μmのテトラフルオロエチレン(PTFE ニチアス製、ナフロン)膜にドライアイス冷却下で照射し、テトラフルオロエチレン膜内部にラジカルを生成させた。このテトラフルオロエチレン膜を速やかに過剰量のスチレンモノマに浸漬し、反応容器内部を窒素置換した後、60℃で60時間加熱処理してポリスチレングラフト鎖を導入した。
Comparative Example 2
Using an electron beam irradiation apparatus (Iwasaki Electric Co., Ltd., I Electron Beam EC250 / 15 / 180L), 150 kV, 200 kGy electron beam is dried on a 50 μm-thick tetrafluoroethylene (PTFE Nichias, Naflon) film. Irradiation was performed under ice cooling to generate radicals inside the tetrafluoroethylene film. This tetrafluoroethylene membrane was quickly immersed in an excess amount of styrene monomer, and the inside of the reaction vessel was purged with nitrogen, followed by heat treatment at 60 ° C. for 60 hours to introduce polystyrene graft chains.
反応後は、クロロホルムを用いて還流処理することにより非グラフト成分(スチレンモノマおよびホモポリマ)を抽出除去し、80℃で減圧乾燥し、ポリスチレングラフトPTFE膜を得た。 After the reaction, the non-grafted components (styrene monomer and homopolymer) were extracted and removed by refluxing with chloroform and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a polystyrene graft PTFE membrane.
次に、ポリスチレングラフトPTFE膜を、クロロメチルメチルエーテル30重量部、二硫化炭素70重量部の混合溶液に浸漬し、無水塩化亜鉛3重量部を添加して撹拌しながら室温で240時間反応を行い、スチレン単位にクロロメチル基を導入した。反応後、膜をエタノールで洗浄し、80℃で減圧乾燥してクロロメチル化ポリスチレングラフトPTFE膜を得た。 Next, the polystyrene graft PTFE membrane is immersed in a mixed solution of 30 parts by weight of chloromethyl methyl ether and 70 parts by weight of carbon disulfide, and 3 parts by weight of anhydrous zinc chloride is added and reacted at room temperature for 240 hours with stirring. A chloromethyl group was introduced into the styrene unit. After the reaction, the membrane was washed with ethanol and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a chloromethylated polystyrene graft PTFE membrane.
次に、クロロメチル化ポリスチレングラフトPTFE膜を過剰量のトリエチルホスファイトに浸漬し、24時間加熱還流処理することによりクロロメチルスチレン単位にジエチルホスホネート基を導入した。反応後、膜をエタノールで洗浄し、80℃で減圧乾燥してジエチルホスホネート化ポリスチレングラフトPTFE膜を得た。 Next, the chloromethylated polystyrene graft PTFE membrane was immersed in an excessive amount of triethyl phosphite, and the mixture was heated and refluxed for 24 hours to introduce diethylphosphonate groups into chloromethylstyrene units. After the reaction, the membrane was washed with ethanol and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a diethylphosphonated polystyrene graft PTFE membrane.
さらに、ジエチルホスホネート化ポリスチレングラフトPTFE膜を、10N塩酸中で24時間還流することによりジエチルホスホネート基を加水分解した。反応後、得られたホスホン酸型ポリスチレングラフトPTFE膜を蒸留水で洗浄し、80℃で減圧乾燥してホスホン酸型ETFE−g−PSt膜を得た。 Further, the diethylphosphonate group was hydrolyzed by refluxing the diethylphosphonated polystyrene graft PTFE membrane in 10N hydrochloric acid for 24 hours. After the reaction, the obtained phosphonic acid type polystyrene graft PTFE membrane was washed with distilled water and dried under reduced pressure at 80 ° C. to obtain a phosphonic acid type ETFE-g-PSt membrane.
また、ホスホン酸基はクロロメチルスチレン単位に定量的に導入されるため、スチレンのクロロメチル化率を反応前後の膜の重量変化より求め、次の式1により膜のスチレン単位に対するホスホン酸基導入率を算出した。 In addition, since phosphonic acid groups are quantitatively introduced into chloromethylstyrene units, the chloromethylation rate of styrene is determined from the weight change of the membrane before and after the reaction. The rate was calculated.
W:クロロメチル化処理後の膜重量
WPSt :ポリスチレングラフトPTFE膜の重量(g)
WPTFE:PTFE膜重量(g)
式1により算出したホスホン酸基導入率は89%となった。
W: membrane weight after chloromethylation treatment W PSt : weight of polystyrene grafted PTFE membrane (g)
W PTFE : PTFE membrane weight (g)
The phosphonic acid group introduction rate calculated by Formula 1 was 89%.
この膜にイオンスパッターで金の電極を蒸着し、50℃で90%の湿度の雰囲気で導電率を測定した。この膜の導電率は6.5×10-4Scm-1であった。
実施例に比べ、比較例2ではホスホン酸型の膜とするまでに多くの工程を要し、製造に長時間を要する。かつ、導電率は低いものであった。
A gold electrode was deposited on this film by ion sputtering, and the conductivity was measured at 50 ° C. in an atmosphere of 90% humidity. The conductivity of this film was 6.5 × 10 −4 Scm −1 .
Compared to the Examples, Comparative Example 2 requires many steps to obtain a phosphonic acid type film, and requires a long time for production. And the electrical conductivity was low.
続いて、実施例1と比較例1で作製した高分子電解質について、以下の手順で燃料電池を作製して耐久性試験を行った。
〔電極触媒層作成〕
拡散層として、撥水処理した厚さ0.1mmのカーボンペーパー(TGP−H−30、東レ社製)を用いた。アノード側(負極)の電極触媒層には、60wt%のPt−Ru触媒(Pt:Ru=1:1、原子比)を担持したカーボン(田中貴金属社製)1gと、5wt%のナフィオン溶液(アルドリッチ社製)5gとを十分に混合したペーストを用いた。
Subsequently, for the polymer electrolytes produced in Example 1 and Comparative Example 1, a fuel cell was produced by the following procedure and a durability test was performed.
[Create electrode catalyst layer]
As the diffusion layer, water-repellent-treated carbon paper with a thickness of 0.1 mm (TGP-H-30, manufactured by Toray Industries, Inc.) was used. In the electrode catalyst layer on the anode side (negative electrode), 1 g of carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku) carrying 60 wt% Pt-Ru catalyst (Pt: Ru = 1: 1, atomic ratio) and 5 wt% Nafion solution ( A paste sufficiently mixed with 5 g of Aldrich) was used.
この触媒ペーストをバーコーターを用いて、130μmの膜厚となるようにカーボンペーパー上に塗布し、室温にて減圧乾燥させた。触媒の担持量は5mg/cm2 であった。
カソード側(正極)の拡散層にも撥水処理したカーボンペーパーを用いた。カソード側の電極触媒層には、60wt%のPt触媒を担持したカーボン(田中貴金属社製)1gと、5wt%のナフィオン溶液5gとを十分に混合したペーストを用いた。この触媒ペーストをバーコーターを用いて、130μmの膜厚となるようにカーボンペーパー上に塗布し、室温にて減圧乾燥させた。触媒の担持量は5mg/cm2 であった。
This catalyst paste was applied onto carbon paper using a bar coater to a thickness of 130 μm and dried under reduced pressure at room temperature. The amount of catalyst supported was 5 mg / cm 2 .
Carbon paper treated with water repellency was also used for the diffusion layer on the cathode side (positive electrode). A paste in which 1 g of carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) carrying 60 wt% of Pt catalyst and 5 g of 5 wt% of Nafion solution was sufficiently mixed was used for the electrode catalyst layer on the cathode side. This catalyst paste was applied onto carbon paper using a bar coater to a thickness of 130 μm and dried under reduced pressure at room temperature. The amount of catalyst supported was 5 mg / cm 2 .
〔膜電極接合体作成〕
高分子電解質の両面にアノードとカソードの触媒層付カーボンペーパーを配置し、90℃、9.8MPaで10分間ホットプレスし、膜電極接合体を得た。
[Membrane electrode assembly preparation]
The carbon paper with the catalyst layer of an anode and a cathode was arrange | positioned on both surfaces of the polymer electrolyte, and it hot-pressed for 10 minutes at 90 degreeC and 9.8 MPa, and obtained the membrane electrode assembly.
上記の実施例1および比較例1で得られた膜電極接合体をセパレーターに挟み、燃料電池評価装置((株)東陽テクニカ製)を用いて燃料電池特性を評価した。
燃料極側には、5wt%のメタノール水溶液を10ml/minで供給し、酸化剤極側には常圧の空気を100ml/minで供給し、セル全体を75℃にて保温しながら発電を行った。
The membrane electrode assembly obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was sandwiched between separators, and the fuel cell characteristics were evaluated using a fuel cell evaluation device (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.).
A 5 wt% aqueous methanol solution is supplied to the fuel electrode side at 10 ml / min, and air at normal pressure is supplied to the oxidizer electrode side at 100 ml / min, and electricity is generated while keeping the entire cell at 75 ° C. It was.
電流密度0.25A/cm2 で放電したときの、初期と200時間後の端子電圧を表1に示す。 Table 1 shows the terminal voltages at the initial stage and after 200 hours when discharged at a current density of 0.25 A / cm 2 .
表1に示された結果から明らかなように、実施例1の高分子電解質からなる燃料電池は長時間にわたって安定した電圧を示すことがわかる。これに対して、比較例1の高分子電解質からなる燃料電池は20時間運転後には全く発電しなくなった。 As is clear from the results shown in Table 1, it can be seen that the fuel cell made of the polymer electrolyte of Example 1 shows a stable voltage over a long period of time. In contrast, the fuel cell made of the polymer electrolyte of Comparative Example 1 did not generate any power after 20 hours of operation.
以上、詳細に説明したように、本発明に係る固体高分子電解質は、酸化反応を抑制する機能を持つ官能基としてホスホン酸基等の燐を含む官能基を有するモノマーとリン酸基を有するモノマー(ホスマー)を共重合した電解質を用いたことを特徴とするものである。さらに、炭化水素系固体高分子電解質によって主要部分が構成されるので、このような耐酸化性、強度に優れた電解質を安価に得ることができるという効果がある。また、これらの複合化固体高分子電解質を電気化学デバイス、特に、燃料電池やSPE電解装置に用いることにより、安価で耐久性に優れたこれらのデバイスを提供することが可能となるという効果がある。 As described above in detail, the solid polymer electrolyte according to the present invention includes a monomer having a functional group containing phosphorus such as a phosphonic acid group as a functional group having a function of suppressing an oxidation reaction and a monomer having a phosphate group. An electrolyte obtained by copolymerizing (phosmer) is used. Furthermore, since the main part is constituted by the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte, there is an effect that an electrolyte having such excellent oxidation resistance and strength can be obtained at a low cost. Further, by using these composite solid polymer electrolytes in electrochemical devices, particularly fuel cells and SPE electrolyzers, there is an effect that it is possible to provide these devices that are inexpensive and excellent in durability. .
また、本発明に係る固体高分子電解質の製造方法は、リビング重合法により得た重合体を高分子電解質に用いることができる。リビング重合法では、ブロック共重合体など厳密に分子量や構造などを制御した高性能な固体高分子電解質を提供することができる。 In the method for producing a solid polymer electrolyte according to the present invention, a polymer obtained by a living polymerization method can be used for the polymer electrolyte. The living polymerization method can provide a high-performance solid polymer electrolyte, such as a block copolymer, in which molecular weight and structure are strictly controlled.
本発明の固体高分子電解質は、安価で、耐酸化性、耐久性に優れているので、固体高分子型燃料電池、SPE電解装置等、過酷な条件下で使用される電気化学デバイスに利用することができる。 Since the solid polymer electrolyte of the present invention is inexpensive and excellent in oxidation resistance and durability, it is used for electrochemical devices used under harsh conditions such as solid polymer fuel cells and SPE electrolyzers. be able to.
1 高分子電解質膜
2a 電極触媒層
2b 電極触媒層
3a 拡散層
3b 拡散層
4a 電極(燃料極)
4b 電極(空気極)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2a Electrode catalyst layer 2b Electrode catalyst layer 3a Diffusion layer 3b Diffusion layer 4a Electrode (fuel electrode)
4b Electrode (Air electrode)
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