JP2006318663A - Proton conductive electrolyte film, its process of manufacture, and solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive electrolyte film of high proton conductivity, low methanol permeability, and good jointing property with an electrocatalyst layer, along with its manufacturing method and a solid polymer fuel cell that uses the proton conductive electrolyte film 1. <P>SOLUTION: The proton conductive electrolyte film contains proton conductive polymer in fine pores of a porous film. The proton conductive electrolyte film 1 features 0.5-10.0 μm of arithmetic average roughness Ra on the surface of electrolyte film by JIS B 0601. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性電解質膜及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法に関し、更にはそれらプロトン伝導性電解質膜を燃料電池用電解質膜として用いる固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive electrolyte membrane and a method for producing the proton conductive electrolyte membrane, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell using the proton conductive electrolyte membrane as an electrolyte membrane for a fuel cell.

燃料電池は水素と酸素を反応させて電気を発生させる発電装置であり、発電反応で水しか生成されないという優れた性質を有しているので、温暖化やオゾン層破壊といった地球環境問題に対処する省エネルギーの技術として注目されている。   A fuel cell is a power generation device that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, and has the excellent property that only water is generated by the power generation reaction, thus addressing global environmental problems such as global warming and ozone layer destruction. It is attracting attention as an energy-saving technology.

燃料電池には固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池の4種類がある。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は作動温度が低いという利点がある。固体高分子型燃料電池は、水素を直接用いる直接水素型、メタノールを改質器を用いて水素に変換する改質型、改質器を用いずに直接メタノールを使用する直接メタノール型(DMFC、Direct Methanol Fuel Cell)の三つに大別される。DMFCは改質器が不要であるため小型、軽量化が可能であり、来るべきユビキタス社会に向けた個人用の携帯情報端末(PDA、Personal Digital Assistance)等の電池や専用バッテリーとして、その実用化が期待されている。   There are four types of fuel cells: solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has an advantage that the operating temperature is low. The polymer electrolyte fuel cell includes a direct hydrogen type that uses hydrogen directly, a reformed type that converts methanol into hydrogen using a reformer, and a direct methanol type that uses methanol directly without using a reformer (DMFC, (Direct Methanol Fuel Cell). Since DMFC does not require a reformer, it can be reduced in size and weight, and its practical application as a battery or a dedicated battery for personal digital assistants (PDAs) for the future ubiquitous society. Is expected.

固体高分子型燃料電池の主な構成要素は、電極、触媒、電解質、セパレータである。電解質として、高分子のプロトン伝導性電解質膜を使用する。プロトン伝導性電解質膜はイオン交換膜や湿度センサー等の用途に用いられているが、近年、固体高分子型燃料電池における電解質としての用途においても注目を集めている。例えば、デュポン社のナフィオン(登録商標)を代表とするスルホン酸基含有フッ素樹脂膜は、携帯用燃料電池における電解質としての利用が検討されている。   Main components of the polymer electrolyte fuel cell are an electrode, a catalyst, an electrolyte, and a separator. A polymer proton-conducting electrolyte membrane is used as the electrolyte. Proton conductive electrolyte membranes are used for applications such as ion exchange membranes and humidity sensors, but in recent years, they are also attracting attention for applications as electrolytes in polymer electrolyte fuel cells. For example, use of a sulfonic acid group-containing fluororesin membrane represented by Nafion (registered trademark) of DuPont as an electrolyte in a portable fuel cell is under study.

従来より知られているこれらのフッ素樹脂系プロトン伝導性膜は、メタノール透過性が大きいという欠点がある。プロトン伝導性膜をDMFC等の固体高分子型燃料電池の新たな用途において実用化を図るには、プロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低い膜の開発が不可欠である。また、特にDMFCとしての性能向上を図る上では薄膜化が必須であり、膜の物理的強度も要求される。   These conventionally known fluororesin proton conductive membranes have a drawback of high methanol permeability. In order to put the proton conductive membrane into practical use in a new application of a polymer electrolyte fuel cell such as DMFC, it is indispensable to develop a membrane having high proton conductivity and low methanol permeability. In particular, in order to improve the performance as DMFC, it is essential to reduce the film thickness, and the physical strength of the film is also required.

そこで、メタノールの透過(クロスオーバー)をできるだけ抑制し、且つ高温(摂氏約130度以上)環境下での使用にも耐える電解質膜を提供することを目的に、メタノール及び水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔に、プロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。多孔性基材としては、ガラス、アルミナ等のセラミックス系の無機材料、またはポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等を用いてもよいと記載されている。更にはメタノールの透過(クロスオーバー)をできるだけ抑制することを目的に、無機多孔性基材の細孔にプロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。   Therefore, for the purpose of providing an electrolyte membrane that suppresses methanol permeation (crossover) as much as possible and can withstand use in a high-temperature (about 130 degrees Celsius) environment, it is substantially less than methanol and water. An electrolyte membrane in which pores of a porous substrate that does not swell are filled with a polymer having proton conductivity is disclosed (for example, see Patent Document 1). As the porous substrate, it is described that ceramic inorganic materials such as glass and alumina, polytetrafluoroethylene, polyimide and the like may be used. Furthermore, for the purpose of suppressing methanol permeation (crossover) as much as possible, an electrolyte membrane in which pores of an inorganic porous substrate are filled with a polymer having proton conductivity is disclosed (for example, Non-Patent Document 1). reference.).

また、燃料電池を構成したときの大きな課題として、電極触媒層と電解質膜との接合性不良が問題となっている。電極触媒層と電解質膜との接合性が不良になると界面における抵抗が大きくなり、発電効率を下げる原因となる。そこで電極触媒層と電解質膜との界面の抵抗を低減し、出力向上する目的で電解質膜の表面粗さを1〜10μm程度に粗面化されている触媒層−電解質膜積層体が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。更にはガスシール性、出力向上を目的として、電解質膜の表面粗さが0.1〜10μmである膜電極接合体も開示されている(例えば、特許文献3参照。)。これら電解質膜はデュポン社製のナフィオン膜のような単なる電解質膜であって、本発明の多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填した電解質膜とは異なる。
国際公開第00/54351号パンフレット 特開2005−63832号公報 特開2003−282094号公報 Electrochemistry,70,934(2002)
Further, as a major problem when a fuel cell is configured, a poor bonding property between the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane is a problem. If the bondability between the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane is poor, the resistance at the interface increases, which causes a decrease in power generation efficiency. Therefore, a catalyst layer-electrolyte membrane laminate is disclosed in which the surface roughness of the electrolyte membrane is roughened to about 1 to 10 μm for the purpose of reducing the resistance at the interface between the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane and improving the output. (For example, refer to Patent Document 2). Furthermore, a membrane electrode assembly in which the surface roughness of the electrolyte membrane is 0.1 to 10 μm is also disclosed for the purpose of improving gas sealing properties and output (see, for example, Patent Document 3). These electrolyte membranes are merely electrolyte membranes such as a Nafion membrane manufactured by DuPont, and are different from electrolyte membranes in which the pores of the porous membrane of the present invention are filled with a proton conductive polymer.
International Publication No. 00/54351 Pamphlet JP 2005-63832 A JP 2003-282094 A Electrochemistry, 70, 934 (2002)

プロトン伝導性電解質膜を固体高分子型燃料電池の電解質として実用に耐えるためには、少なくともプロトン伝導性が十分に高いこと、メタノール透過性が十分に低いことも重要な因子となる。更には電極触媒層との接合性も出力向上には重要な因子となる。   In order to withstand the practical use of the proton conductive electrolyte membrane as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, it is also an important factor that at least the proton conductivity is sufficiently high and the methanol permeability is sufficiently low. Furthermore, the bondability with the electrode catalyst layer is an important factor for improving the output.

従って、本発明の第1の目的は電解質膜の複合膜化によりプロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低い優れた性能を持たせると同時に、電解質膜の表面粗さの最適化により電極触媒層との接合性が良好なプロトン伝導性電解質膜を提供すること、及びこのような優れた性能を持ったプロトン伝導性電解質膜の製造方法を提供することにある。   Accordingly, the first object of the present invention is to provide an excellent performance with high proton conductivity and low methanol permeability by forming a composite membrane of the electrolyte membrane, and at the same time, by optimizing the surface roughness of the electrolyte membrane. It is to provide a proton conductive electrolyte membrane having a good bonding property to the substrate and a method for producing a proton conductive electrolyte membrane having such excellent performance.

本発明の第2の目的は、上記のような優れた性能を持ったプロトン伝導性電解質膜を電解質として有する固体高分子型燃料電池を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having a proton conductive electrolyte membrane having excellent performance as described above as an electrolyte.

本発明の上記目的は、下記構成により達成された。   The above object of the present invention has been achieved by the following constitution.

(請求項1)
多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有したプロトン伝導性電解質膜であって、該電解質膜表面のJIS B 0601による算術平均粗さRaが0.5〜10.0μmであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
(Claim 1)
A proton conductive electrolyte membrane containing a proton conductive polymer in the pores of the porous membrane, wherein an arithmetic average roughness Ra according to JIS B 0601 of the electrolyte membrane surface is 0.5 to 10.0 μm A proton conductive electrolyte membrane.

(請求項2)
前記多孔質膜が無機多孔質膜であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
(Claim 2)
The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous membrane is an inorganic porous membrane.

(請求項3)
前記多孔質膜が無機粒子を含有した有機多孔質膜であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
(Claim 3)
The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous membrane is an organic porous membrane containing inorganic particles.

(請求項4)
カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質からなる固体高分子型燃料電池において、該電解質として請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
(Claim 4)
A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode electrode, an anode electrode, and an electrolyte sandwiched between the electrodes, wherein the proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3 is used as the electrolyte. Solid polymer fuel cell.

(請求項5)
多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有したプロトン伝導性電解質膜の製造方法であって、該電解質膜表面のJIS B 0601による算術平均粗さRaが0.5〜10.0μmとなるように製造することを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
(Claim 5)
A method for producing a proton conductive electrolyte membrane containing a proton conductive polymer in the pores of a porous membrane, wherein the arithmetic average roughness Ra of the electrolyte membrane surface according to JIS B 0601 is 0.5 to 10.0 μm A method for producing a proton conductive electrolyte membrane, characterized by comprising:

(請求項6)
前記細孔中のプロトン伝導性ポリマーが、該細孔中少なくとも分子内に1個以上のプロトン解離性の基を含有するモノマーを含有させ、次いでIn−situ重合することにより製造されることを特徴とする請求項5に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
(Claim 6)
The proton conductive polymer in the pores is produced by containing a monomer containing one or more proton dissociable groups in at least a molecule in the pores, and then in-situ polymerization. The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 5.

(請求項7)
前記細孔中のプロトン伝導性ポリマーが、該細孔中少なくとも分子内に1個以上のプロトン解離性の基を含有するモノマー及び下記一般式(1)で表される化合物を含有させ、次いでIn−situ重合することにより製造されることを特徴とする請求項5に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
(Claim 7)
The proton conductive polymer in the pore contains a monomer containing at least one proton dissociable group in the pore and a compound represented by the following general formula (1), and then In 6. The method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to claim 5, wherein the method is produced by -situ polymerization.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

(式中、R1は炭素数4以下のアルキル基を表し、R2は共重合または反応可能な有機基を表し、m、nはいずれも1〜3の整数である。但し、m+n=4であり、mが2または3のとき、R2は同じでも異なっていてもよい。) (In the formula, R 1 represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, R 2 represents a copolymerizable or reactive organic group, and m and n are each an integer of 1 to 3, provided that m + n = 4. And when m is 2 or 3, R 2 may be the same or different.)

本発明により、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低く、電極触媒層との接合性が良好なプロトン伝導性電解質膜とその製造方法、及び該プロトン伝導性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池を提供することができた。   According to the present invention, a proton conductive electrolyte membrane having a sufficiently high proton conductivity, a sufficiently low methanol permeability, and a good bonding property with an electrode catalyst layer, a method for producing the same, and the proton conductive electrolyte membrane are used. A polymer electrolyte fuel cell could be provided.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明のプロトン伝導性電解質膜は、多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有したプロトン伝導性電解質膜であって、該電解質膜表面のJIS B 0601による算術平均粗さRaが0.5〜10.0μmであることを特徴とする。前記JIS B 0601による算術平均粗さRaとは、対象物の表面からランダムに抜き取った各部分における表面粗さを表すパラメータであり、JIS B 0601に規定されている。本発明では基準長2.5mm、カットオフ値0.8mmで測定したときの算術平均粗さRaが0.5〜10.0μmであることを特徴とする。   The proton conductive electrolyte membrane of the present invention is a proton conductive electrolyte membrane containing a proton conductive polymer in the pores of the porous membrane, and the arithmetic average roughness Ra according to JIS B 0601 on the surface of the electrolyte membrane is 0. .5 to 10.0 μm. The arithmetic average roughness Ra according to JIS B 0601 is a parameter representing the surface roughness at each portion randomly extracted from the surface of the object, and is defined in JIS B 0601. In the present invention, the arithmetic average roughness Ra when measured with a reference length of 2.5 mm and a cut-off value of 0.8 mm is 0.5 to 10.0 μm.

上記条件で測定して得られるRaは表面の微小な凹凸特性と高さの平均に関係し、Raを特定の範囲に設定することで、本発明のプロトン伝導性電解質膜を用いて燃料電池を構成したときに、電解質膜と電極触媒層の接合性が良好となり、界面抵抗が低下し、燃料電池の出力を向上させることが可能となる。Raが0.5μm未満の場合には効果が小さく、また10.0μmを超えると逆に接合性を低下させてしまうため好ましくない。特に好ましいRaの範囲は1.0〜5.0μmである。   Ra obtained by measuring under the above conditions is related to the average surface roughness and height, and by setting Ra to a specific range, the fuel cell is formed using the proton conductive electrolyte membrane of the present invention. When configured, the bondability between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer is improved, the interface resistance is lowered, and the output of the fuel cell can be improved. If Ra is less than 0.5 μm, the effect is small, and if it exceeds 10.0 μm, the bondability is adversely reduced, which is not preferable. The particularly preferable range of Ra is 1.0 to 5.0 μm.

前記Raを調整するに当たっては種々の方法、例えば、以下の方法があり、これらを単独もしくは2種以上を組み合わせて用いることで調整することができる。   In adjusting Ra, there are various methods, for example, the following methods, and these can be adjusted by using them alone or in combination of two or more.

(1)規則的または不規則な形状の凹凸を有するシートに挟み込んで製造する方法
多孔質膜にポリマーを充填する際に、予め表面が粗面化されているシートに挟み込んで加圧することで製造できる。この方法に好ましく用いられるシートは、予め凹凸をポリオレフィン樹脂表面に型付けされたシートである。このようなシートを製造する代表的な方法は、基板上に溶融したポリオレフィン樹脂を押し出しコーティングした後、型付けローラーに圧接して微細な凹凸の模様付けを行うことにより行われる。この模様付けを行う方法には、溶融押し出しで得られるシートに室温付近でエンボシングカレンダー処理する方法と、ポリオレフィン樹脂の押し出しコーティング時にロール表面に模様を彫刻したクーリングロールを使用して冷却しながら凹凸を形成する方法があるが、比較的弱い圧力で型付けすることができ、しかもより正確で均質な型付けができる後者が好ましい。
(1) Method of manufacturing by sandwiching between sheets having irregularities of regular or irregular shape Manufacture by pressurizing by sandwiching a porous film with a polymer whose surface is previously roughened. it can. The sheet preferably used in this method is a sheet in which irregularities are previously molded on the surface of the polyolefin resin. A typical method for producing such a sheet is performed by extruding and coating a molten polyolefin resin on a substrate, and then press-contacting a mold roller to form a fine uneven pattern. This patterning method includes a method of embossing calendering the sheet obtained by melt extrusion near room temperature, and a cooling roll engraved with a pattern on the roll surface during extrusion coating of polyolefin resin while cooling and However, the latter is preferable because it can be molded at a relatively low pressure and can be more accurately and homogeneously molded.

また、本発明における多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有する方法は特に限定されるものでなく、例えば、多孔質膜に前記プロトン伝導性ポリマー溶液を塗布する方法、多孔質膜を前記プロトン伝導性ポリマー溶液に浸漬する方法などにより、多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有することができる。   In addition, the method of containing the proton conductive polymer in the pores of the porous membrane in the present invention is not particularly limited. For example, the method of applying the proton conductive polymer solution to the porous membrane, the porous membrane The proton conductive polymer can be contained in the pores of the porous membrane by, for example, a method of immersing in a proton conductive polymer solution.

好ましくはプロトン伝導性ポリマーの前駆体液を多孔質膜の細孔中に含有し、前記表面が粗面化されているシートに挟み込んで加圧し、熱重合や光重合等、従来より知られている適宜の方法により、In−situ重合またはIn−situ反応させプロトン伝導性ポリマーとする方法である。ポリマー前駆体液とは重合等の処理を行うことにより、ポリマーに変えることができるモノマー等を意味する。   Preferably, a proton conductive polymer precursor solution is contained in the pores of the porous membrane, and the surface is sandwiched between the roughened sheets and pressed, and heat polymerization, photopolymerization, and the like are conventionally known. This is a method for producing a proton conductive polymer by in-situ polymerization or in-situ reaction by an appropriate method. The polymer precursor liquid means a monomer or the like that can be converted into a polymer by performing a treatment such as polymerization.

(2)プロトン伝導性ポリマーにマット剤を添加する方法
多孔質膜にポリマーを含有する際に、プロトン伝導性ポリマーにマット剤を添加することで製造することができる。マット剤としては平均粒径が0.01〜10μmの有機または無機微粒子が好ましく、例えば、酸化チタン、シリカ、ガラス粉、硫酸バリウム、ポリスチレン樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアクリレート共重合樹脂等が挙げられる。また、このマット剤は単分散のものあるいは多分散のものであってもよく、その分散度(標準偏差/平均粒径)は0.2〜10のものが好ましく用いることができる。
(2) Method of adding matting agent to proton conductive polymer When the porous membrane contains a polymer, it can be produced by adding a matting agent to the proton conductive polymer. The matting agent is preferably organic or inorganic fine particles having an average particle size of 0.01 to 10 μm. For example, titanium oxide, silica, glass powder, barium sulfate, polystyrene resin, polymethyl methacrylate resin, polycarbonate resin, polyacrylate copolymer resin. Etc. The matting agent may be monodispersed or polydispersed, and those having a dispersion degree (standard deviation / average particle diameter) of 0.2 to 10 can be preferably used.

(3)電解質膜表面に微細な凹凸を彫刻する方法
電解質膜を形成してから表面をサンドブラスト処理、大気圧プラズマ処理、エッチング処理、大気圧コロナ放電処理、カレンダー処理等で凹凸をつける方法が挙げられる。
(3) Method of engraving fine irregularities on the surface of the electrolyte membrane After forming the electrolyte membrane, a method of forming irregularities on the surface by sandblasting, atmospheric pressure plasma treatment, etching treatment, atmospheric pressure corona discharge treatment, calendar treatment, etc. It is done.

本発明における多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有する方法は特に限定されるものでなく、前記(1)と同様の方法を用いることができる。   The method for containing the proton conductive polymer in the pores of the porous membrane in the present invention is not particularly limited, and the same method as the above (1) can be used.

本発明における多孔質膜は特に制限はなく、例えば、ガラス、シリカ、アルミナ等の無機多孔質膜、ポリエチレン、テトラフルオロエチレン、ポリイミド等の有機多孔質膜が挙げられるが、特に好ましくは無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層し、焼成する工程により得られる無機多孔質膜、または無機粒子を含有した有機多孔質膜である。   The porous membrane in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include inorganic porous membranes such as glass, silica, and alumina, and organic porous membranes such as polyethylene, tetrafluoroethylene, and polyimide. Particularly preferred are inorganic particles and It is an inorganic porous film obtained by the process of laminating and baking a dispersion containing organic particles, or an organic porous film containing inorganic particles.

前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層し、焼成する工程により得られる無機多孔質膜とは、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層する工程と、該分散液を積層したものを焼成する工程により得られる無機多孔質膜である。前記積層工程では支持体を用いてもよく、支持体としては最終的には焼失または溶けて無くなるもの、あるいは剥がし取れるものであれば任意の素材の支持体を用いることができ、例えば、濾紙などの紙、不織布などの布、ポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルム等、任意の素材で形成した支持体を用いることができる。   The inorganic porous film obtained by laminating and baking the dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles is obtained by laminating the dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles, and laminating the dispersion liquid. It is an inorganic porous film obtained by the process of baking. In the laminating step, a support may be used. As the support, a support made of any material can be used as long as it is eventually burned out or melted away, or can be peeled off, such as filter paper. A support made of any material such as paper, non-woven fabric, polymer film such as polyethylene terephthalate can be used.

支持体の表面は粗面であることが好ましく、粗面であれば得られるプロトン伝導性電解質膜の面も粗面となる。   The surface of the support is preferably a rough surface, and if it is a rough surface, the surface of the proton conductive electrolyte membrane obtained is also a rough surface.

支持体の表面粗さは特に制限はないが、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層する面の表面粗さRaが10.0μm以下であることが好ましい。また、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層することによる支持体の反り(カール)、たわみなどを防ぐために、分散液を積層する面とは反対側の面にバッキング層を設けることが好ましい場合もある。   The surface roughness of the support is not particularly limited, but the surface roughness Ra of the surface on which the dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles is laminated is preferably 10.0 μm or less. Further, in order to prevent warping (curl), deflection, etc. of the support due to laminating a dispersion containing inorganic particles and organic particles, it is preferable to provide a backing layer on the surface opposite to the surface on which the dispersion is laminated. In some cases.

前記無機粒子としては、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ホウ素(B23)、チタニア(TiO2)等や、Ti、Al、B、Zrの水酸化物が挙げられる。これらは一種類でもいくつかの種類のものを混合して用いてもよい。本発明においては、シリカ(SiO2)が好ましい。また、シリカ(SiO2)の中でも非晶質シリカが好ましく、乾式法、湿式法、エアロゲル法いずれの製法によるものでもよいが、湿式法のコロイダルシリカは更に好ましい。 Examples of the inorganic particles include silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), Ti, Al, B, Zr hydroxide is exemplified. These may be used alone or in combination of several kinds. In the present invention, silica (SiO 2 ) is preferable. Further, among silica (SiO 2 ), amorphous silica is preferable, and any of a dry method, a wet method, and an airgel method may be used, but a wet method of colloidal silica is more preferable.

本発明においては、無機粒子の粒径としては平均粒径が一次平均粒径で10nm以上のものが好ましく、より好ましくは10〜100nm、更に好ましくは10〜50nmである。なお無機粒子の平均粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡により観察して無作為に粒子200個の長径を測定し、平均粒径を求めることができる。   In the present invention, the average particle diameter of the inorganic particles is preferably 10 nm or more, more preferably 10 to 100 nm, still more preferably 10 to 50 nm. The average particle diameter of the inorganic particles can be determined by, for example, observing with a scanning electron microscope and measuring the long diameter of 200 particles randomly.

有機粒子としては、最終的には消失または溶けて無くなるものであれば任意の素材の有機粒子を用いることができるが、分散液に用いる分散媒としての溶媒に膨潤しないものが好ましい。本発明においては、分散媒としては水系溶媒が好ましく、有機粒子としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン樹脂、スチレン/アクリル系樹脂、スチレン/ジビニルベンゼン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂等のポリマービーズを用いることができる。本発明においては、有機粒子の平均粒径は10〜450nmが好ましく、更に好ましくは100〜300nmである。   As organic particles, organic particles of any material can be used as long as they finally disappear or disappear, but those that do not swell in a solvent as a dispersion medium used in the dispersion are preferable. In the present invention, an aqueous solvent is preferable as the dispersion medium, and examples of the organic particles include polymers such as acrylic resins, styrene resins, styrene / acrylic resins, styrene / divinylbenzene resins, polyester resins, and urethane resins. Beads can be used. In the present invention, the average particle size of the organic particles is preferably 10 to 450 nm, more preferably 100 to 300 nm.

本発明における無機多孔質膜は無機粒子と有機粒子を含む分散液を積層させた後、焼成する工程を経て形成されるので、無機粒子同志が固着、焼結して薄膜を形成するのと同時に、主には有機粒子が占有していた部分が薄膜内で細孔を形成する。本発明においては、無機多孔質膜の平均細孔径は10〜450nmが好ましく、更に好ましくは平均細孔径が100〜300nmである。平均細孔径は、例えば、島津製作所社製ポアサイザー9320等を用い、水銀圧入法により求めることができる。   The inorganic porous film in the present invention is formed through a process of laminating a dispersion containing inorganic particles and organic particles and then firing, so that the inorganic particles are fixed and sintered to form a thin film at the same time. Primarily, the portion occupied by the organic particles forms pores in the thin film. In the present invention, the average pore diameter of the inorganic porous membrane is preferably 10 to 450 nm, and more preferably the average pore diameter is 100 to 300 nm. The average pore diameter can be determined by mercury porosimetry using, for example, a pore sizer 9320 manufactured by Shimadzu Corporation.

本発明においては、無機多孔質膜の空隙率は40〜95%であることが好ましく、より好ましくは50〜80%である。   In the present invention, the porosity of the inorganic porous membrane is preferably 40 to 95%, more preferably 50 to 80%.

空隙率は多孔質膜の単位面積S(cm2)当たりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出することができる。 The porosity can be calculated from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), average thickness t (μm), and density d (g / cm 3 ) of the porous membrane by the following formula.

空隙率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
無機粒子を5〜60体積%、有機粒子を40〜95体積%の割合で用いる(無機粒子と有機粒子の体積の総和を1とする)ことにより、多孔質膜の空隙率を上記範囲に調整することができる。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
The porosity of the porous film is adjusted to the above range by using 5 to 60% by volume of inorganic particles and 40 to 95% by volume of organic particles (the sum of the volume of inorganic particles and organic particles is 1). can do.

次に、前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液の調製方法について説明する。   Next, a method for preparing a dispersion containing the inorganic particles and organic particles will be described.

無機粒子と有機粒子の使用割合は上記の通りであるが、分散液の濃度としては固形分濃度として5〜80質量%、好ましくは10〜40質量%となるように調製する。   The use ratio of the inorganic particles and the organic particles is as described above, but the concentration of the dispersion is 5 to 80% by mass, preferably 10 to 40% by mass as the solid content concentration.

分散媒としては水系溶媒が好ましい。水系溶媒としては水及びアルコール類など各種既知のものが使用できるが、水または水を主成分とする混合溶媒が好ましく使用される。   As the dispersion medium, an aqueous solvent is preferable. Various known solvents such as water and alcohols can be used as the aqueous solvent, but water or a mixed solvent containing water as a main component is preferably used.

無機粒子と有機粒子を分散する分散助剤としては、例えば、高級脂肪酸塩、アルキル硫酸塩、アルキルエステル硫酸塩、アルキルスルホン酸塩、スルホコハク酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール、グリセリンエステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、アミンオキシド等の各種の界面活性剤を用いることができる。   Dispersing aids for dispersing inorganic particles and organic particles include, for example, higher fatty acid salts, alkyl sulfates, alkyl ester sulfates, alkyl sulfonates, sulfosuccinates, naphthalene sulfonates, alkyl phosphates, polyoxy Various surfactants such as alkylene alkyl ether phosphate, polyoxyalkylene alkyl phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, glycerin ester, sorbitan ester, polyoxyethylene fatty acid amide, and amine oxide can be used.

分散方法としては、例えば、ボールミル、サンドミル、アトライター、ロールミル、アジテータ、ヘンシェルミキサ、コロイドミル、超音波ホモジナイザー、パールミル、湿式ジェットミル、ペイントシェーカー等が挙げられ、これらは単独であるいは適宜組み合わせて用いることができる。   Examples of the dispersion method include a ball mill, a sand mill, an attritor, a roll mill, an agitator, a Henschel mixer, a colloid mill, an ultrasonic homogenizer, a pearl mill, a wet jet mill, a paint shaker, and the like. be able to.

無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層する工程としては、分散液を減圧吸引濾過器を用いてメンブレンフィルタで濾過を行い、メンブレンフィルタ上に無機粒子及び有機粒子を含む層を堆積させ乾燥し、メンブレンフィルタを剥ぎ取る方法、あるいは分散液を支持体に塗布して乾燥する方法などがある。本発明においては、分散液を支持体に塗布する方式が好ましい。塗布方式としては、例えば、ロールコーティング法、ロッドバーコーティング法、エアナイフコーティング法、スプレーコーティング法、カーテン塗布方法、エクストルージョン法等、従来より知られた塗布方式を採用することができる。   In the step of laminating the dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles, the dispersion liquid is filtered with a membrane filter using a vacuum suction filter, and a layer containing inorganic particles and organic particles is deposited on the membrane filter and dried. There are a method of stripping a membrane filter, a method of applying a dispersion to a support and drying. In the present invention, a method in which the dispersion is applied to a support is preferred. As a coating method, conventionally known coating methods such as a roll coating method, a rod bar coating method, an air knife coating method, a spray coating method, a curtain coating method, and an extrusion method can be employed.

無機多孔質膜を形成するには、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層し乾燥したもの、または支持体が焼失または溶けて無くなるものであれば支持体上に積層したものを、窒素雰囲気中で電気炉で加熱処理して焼成すればよい。加熱処理は、例えば、ケイ化モリブデンといった発熱体を備えた電気炉を用いて行うことができ、1500℃以下、より好ましくは400〜1300℃で行われる。加熱のための時間は目的とする質多孔膜の大きさにより適宜設定することが可能であり、具体的には、例えば、5〜24時間程度の加熱時間を用いることができる。加熱時間が長いと焼結が進行して、平均細孔径が小さくなることがある。多孔質膜を得るための加熱処理における昇温速度及び降温速度は、適宜設定することができる。昇温速度及び降温速度の双方について、100〜300℃/時間とすることが好ましい。また仮焼成、本焼成と2回に分けて、加熱処理を行うことも好ましい。   In order to form an inorganic porous film, a dispersion containing inorganic particles and organic particles is laminated and dried, or if the support is burnt out or melted away, the support is laminated on a support in a nitrogen atmosphere. What is necessary is just to heat-process in an electric furnace in inside. The heat treatment can be performed using, for example, an electric furnace including a heating element such as molybdenum silicide, and is performed at 1500 ° C. or less, more preferably at 400 to 1300 ° C. The time for heating can be appropriately set depending on the size of the target porous membrane. Specifically, for example, a heating time of about 5 to 24 hours can be used. When the heating time is long, the sintering proceeds and the average pore diameter may become small. The temperature increase rate and the temperature decrease rate in the heat treatment for obtaining the porous film can be appropriately set. It is preferable to set it as 100-300 degreeC / hour about both the temperature increase rate and temperature decrease rate. Moreover, it is also preferable to heat-process by dividing into temporary baking and main baking twice.

前記無機粒子を含有した有機多孔質膜とは、次のような方法で製造することができる。まず無機粒子を有機膜材料と十分に混合した後、製膜と同時に多孔化する。膜の多孔化方法には、大別して延伸法(乾式法)と抽出法(湿式法)とがある。抽出法では、例えば、無機粒子を含む樹脂組成物に充填材や可塑剤を配合したものをフィルム状に押し出し成形し、その後フィルムから充填材や可塑剤を抽出することで多孔化を行う。一方、延伸法では無機粒子を含む樹脂組成物を溶融押し出しする過程で結晶構造を制御し、その後、延伸に伴うクレーズの発生及び成長によって多孔化を行う。ここで、本発明に係る無機粒子を含有した有機多孔質膜の製造工程における多孔化方法に関して特に制限はなく、いずれの方法によっても多孔質膜を製造することができる。   The organic porous film containing the inorganic particles can be produced by the following method. First, the inorganic particles are sufficiently mixed with the organic film material and then made porous simultaneously with the film formation. The method for making the membrane porous is roughly classified into a stretching method (dry method) and an extraction method (wet method). In the extraction method, for example, a resin composition containing inorganic particles mixed with a filler or a plasticizer is extruded into a film shape, and then the filler and the plasticizer are extracted from the film to make the film porous. On the other hand, in the stretching method, the crystal structure is controlled in the process of melting and extruding a resin composition containing inorganic particles, and thereafter, pore formation is performed by generation and growth of craze accompanying stretching. Here, there is no restriction | limiting in particular regarding the porosity forming method in the manufacturing process of the organic porous membrane containing the inorganic particle which concerns on this invention, A porous membrane can be manufactured by any method.

無機粒子を含有した有機多孔質膜を構成する樹脂組成物に使用する樹脂としては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテン等のα−オレフィンの単独重合体または共重合体等のポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−オレフィン共重合体等の塩化ビニル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフロオロエチレン−ペルフロオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等のフッ素系樹脂、ナイロン6、ナイロン66等のポリアミド樹脂等、制限なく使用されるが、機械的強度、化学的安定性、耐薬品性に優れ、プロトン伝導性ポリマーとの馴染みがよいことからポリオレフィン樹脂を用いるのが好ましい。ポリオレフィン樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレンが特に好ましい。   Examples of the resin used in the resin composition constituting the organic porous film containing inorganic particles include ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4- Polyolefin resins such as homopolymers or copolymers of α-olefins such as methyl-1-pentene and 5-methyl-1-heptene, polyvinyl chloride, vinyl chloride-vinyl acetate copolymer, vinyl chloride-vinylidene chloride Polymers, vinyl chloride resins such as vinyl chloride-olefin copolymers, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, tetrafluoroethylene-perfluoro Oroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer Fluorine resin such as body, polyamide resin such as nylon 6 and nylon 66, etc. are used without limitation, but excellent in mechanical strength, chemical stability and chemical resistance, and familiar with proton conductive polymer It is preferable to use a polyolefin resin. As the polyolefin resin, polyethylene and polypropylene are particularly preferable.

前記有機多孔質膜に含有する無機粒子は、多孔質膜細孔の外気と通じた表面に多数の無機粒子の一部が露出していることが好ましく、この露出した無機粒子により物理的アンカー効果が発現し、細孔中に含有したプロトン伝導性ポリマーの膨潤を抑える効果を付与できる。または露出した無機粒子表面と細孔中に含有するポリマー構造中の官能基が物理的または化学的に結合することにより、細孔中に含有したプロトン伝導性ポリマーの膨潤を抑える効果を付与できる。更に上記樹脂組成物をシート状に成形した後に、1軸または2軸延伸することにより多孔質膜を製造する場合において、延伸時にマトリックスである樹脂と無機粒子の界面で剥離が生じ、それが微細な連通孔を形成するので、形成される孔の性状を制御する作用も有する。   The inorganic particles contained in the organic porous membrane preferably have a portion of a large number of inorganic particles exposed on the surface that communicates with the outside air of the porous membrane pores. And the effect of suppressing the swelling of the proton conductive polymer contained in the pores can be imparted. Alternatively, when the exposed inorganic particle surface and the functional group in the polymer structure contained in the pore are physically or chemically bonded, an effect of suppressing the swelling of the proton conductive polymer contained in the pore can be imparted. Furthermore, in the case where a porous film is produced by forming the resin composition into a sheet shape and then uniaxially or biaxially stretching, peeling occurs at the interface between the matrix resin and the inorganic particles during the stretching. Therefore, it has an effect of controlling the properties of the formed holes.

上記樹脂組成物に含有する無機粒子としては、特に限定されず公知の無機粒子、例えば、周期律表第IIA族、第IVA族、第IIIB族、及び第IVB族よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の酸化物、複合酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、またはこれらの混合物等の粉末を使用することができる。   The inorganic particles contained in the resin composition are not particularly limited and are known inorganic particles, for example, at least one selected from the group consisting of Group IIA, Group IVA, Group IIIB, and Group IVB of the periodic table. Powders such as seed metal oxides, composite oxides, hydroxides, carbonates, sulfates, silicates, or mixtures thereof can be used.

本発明においては好適に使用できる無機粒子としては、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ホウ素(B23)、チタニア(TiO2)等の酸化物やそれらの複合酸化物が挙げられる。これらは一種類でもいくつかの種類のものを混合して用いてもよい。本発明においては、特にシリカ(SiO2)が好ましい。またシリカ(SiO2)の中でも非晶質シリカが好ましく、乾式法、湿式法、エアロゲル法いずれの製法によるものでもよいが、湿式法のコロイダルシリカは更に好ましい。 Inorganic particles that can be suitably used in the present invention include silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), titania (TiO 2 ) and the like. Examples thereof include oxides and composite oxides thereof. These may be used alone or in combination of several kinds. In the present invention, silica (SiO 2 ) is particularly preferable. Of the silica (SiO 2 ), amorphous silica is preferable, and any of a dry method, a wet method, and an airgel method may be used, but a wet method of colloidal silica is more preferable.

前記無機粒子の粒径としては、平均粒径が一次平均粒径で10nm以上のものが好ましく、より好ましくは10〜100nmである。なお無機粒子の平均粒径は、例えば、走査型電子顕微鏡により観察して無作為に粒子200個の長径を測定し、平均粒径を求めることができる。   The particle size of the inorganic particles is preferably an average particle size of 10 nm or more, more preferably 10 to 100 nm, as a primary average particle size. The average particle diameter of the inorganic particles can be determined by, for example, observing with a scanning electron microscope and measuring the long diameter of 200 particles randomly.

前記樹脂組成物に含有する無機粒子の配合量は、樹脂と無機粒子の合計質量を基準とした無機粒子の質量%で表して1〜50質量%が好ましい。   The compounding amount of the inorganic particles contained in the resin composition is preferably 1 to 50% by mass, expressed as mass% of the inorganic particles based on the total mass of the resin and the inorganic particles.

前記無機粒子を含有した有機多孔質膜の平均細孔径は10〜1000nmが好ましく、より好ましくは平均細孔径が10〜500nmである。更に好ましくは平均細孔径が10〜100nmである。平均細孔径は、例えば、島津製作所社製ポアサイザー9320等を用い、水銀圧入法により求めることができる。   The average pore diameter of the organic porous membrane containing the inorganic particles is preferably 10 to 1000 nm, more preferably the average pore diameter is 10 to 500 nm. More preferably, the average pore diameter is 10 to 100 nm. The average pore diameter can be determined by mercury porosimetry using, for example, a pore sizer 9320 manufactured by Shimadzu Corporation.

前記無機粒子を含有した有機多孔質膜の空隙率は40〜95%であることが好ましく、より好ましくは50〜80%である。空隙率は多孔質膜の単位面積S(cm2)当たりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出することができる。 The porosity of the organic porous membrane containing the inorganic particles is preferably 40 to 95%, more preferably 50 to 80%. The porosity can be calculated from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), average thickness t (μm), and density d (g / cm 3 ) of the porous membrane by the following formula.

空隙率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
前記無機粒子を含有した有機多孔質膜の吸水率は200%以上が好ましい。吸水率とはシートまたはフィルムの乾燥質量当たりの吸水量を意味し、シートまたはフィルムをイオン交換水に4時間以上浸漬した後、表面の水分をティッシュペーパー等で拭きとりその質量を吸水時の質量とし、次に60℃5時間減圧乾燥させその質量を乾燥質量として、吸水率(%)=[(吸水時の質量−乾燥質量)/乾燥質量]×100の式より求めたものである。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
The water absorption rate of the organic porous film containing the inorganic particles is preferably 200% or more. The water absorption means the amount of water absorption per dry mass of the sheet or film, and after immersing the sheet or film in ion-exchanged water for 4 hours or more, wipe the surface moisture with tissue paper etc., and the mass at the time of water absorption And then dried under reduced pressure at 60 ° C. for 5 hours, and the mass is determined by the formula of water absorption (%) = [(mass upon absorption−dry mass) / dry mass] × 100.

本発明における多孔質膜の細孔中に含有されるプロトン伝導性ポリマーとしては、特に制限はなく、例えば、(A)主鎖が脂肪族炭化水素からなる高分子にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質、(B)主鎖がフッ素で置換された脂肪族炭化水素からなる高分子にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質、(C)主鎖が芳香環を有する高分子にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質、(D)主鎖に実質的に炭素原子を含まないポリシロキサン、ポリフォスファゼンなどの高分子に、スルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質、(E)(A)〜(D)のスルホン酸基及び/またはホスホン酸基導入前の高分子を構成する繰り返し単位から選ばれるいずれか2種以上の繰り返し単位からなる共重合体にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質等が挙げられる。   The proton conductive polymer contained in the pores of the porous membrane in the present invention is not particularly limited. For example, (A) a polymer having a main chain composed of aliphatic hydrocarbon is added to a sulfonic acid group and / or phosphone. A polymer electrolyte into which an acid group has been introduced; (B) a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group have been introduced into a polymer comprising an aliphatic hydrocarbon whose main chain is substituted with fluorine; and (C) a main chain. A polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a polymer having an aromatic ring, (D) a polymer such as polysiloxane or polyphosphazene substantially free of carbon atoms in the main chain, A polyelectrolyte having a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group introduced, and (E) selected from repeating units constituting the polymer before introduction of the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group of (A) to (D). Any sulfonic acid group and / or a polymer electrolyte or the like by introducing a phosphonic acid group into two or more of a repeating unit copolymer.

ここに「高分子にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入した」とは、「高分子骨格にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を化学結合を介して導入した」ことを意味する。   Here, “the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group is introduced into the polymer” means “the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group is introduced into the polymer skeleton via a chemical bond”.

上記(A)の高分子電解質としては、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (A) include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like.

上記(B)の高分子電解質としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸、ホスホン酸基を有するパーフルオロアルキルポリマー(例えば、J.Fluorine Chem.,82,13(1997))、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンホスホン酸(例えば、J.New.Mater.Electrochem.Syst.,3,43(2000))等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (B) include perfluorocarbon sulfonic acid, perfluoroalkyl polymer having a phosphonic acid group (for example, J. Fluorine Chem., 82, 13 (1997)), polytrifluorostyrene sulfonic acid. And polytrifluorostyrenephosphonic acid (for example, J. New. Mater. Electrochem. Syst., 3, 43 (2000)).

上記(C)の高分子電解質としては、主鎖が酸素原子等のヘテロ原子で中断されているものであってもよく、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレン・エーテル)、ポリフォスファゼン、ポリイミド、ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたもの、アリールスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルスルホン化ポリベンズイミダゾール、アルキルホスホン化ポリベンズイミダゾール(例えば、特開平9−110982号公報)、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)(例えば、J.Appl.Polym.Sci.,18,1969(1974))等が挙げられる。   The polymer electrolyte (C) may be one in which the main chain is interrupted by a hetero atom such as an oxygen atom. For example, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, poly (arylene ether) ), Polyphosphazene, polyimide, poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, polyphenylquinoxalen, and other homopolymers introduced with sulfonic acid groups, aryl sulfonation Polybenzimidazole, alkylsulfonated polybenzimidazole, alkylphosphonated polybenzimidazole (for example, JP-A-9-110882), phosphonated poly (phenylene ether) (for example, J. Appl. Polym. Sci., 18, 1969 (1974) Etc. The.

上記(D)の高分子電解質としては、例えば、Polymer Prep.,41,No.1,70(2000)に記載のホスホン酸基を有するポリシロキサン等が挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte of (D) above include Polymer Prep. , 41, no. Examples include polysiloxane having a phosphonic acid group described in 1,70 (2000).

上記(E)の高分子電解質としては、ランダム共重合体にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基が導入されたものでも、交互共重合体にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基が導入されたものでも、ブロック共重合体にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基が導入されたものでもよい。ランダム共重合体にスルホン酸基が導入されたものとしては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン−ジヒドロキシビフェニル共重合体が挙げられる(例えば、特開平11−116679号公報。)ブロック共重合体にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基が導入されたものとしては、全てのブロックの主鎖が脂肪族炭化水素で構成されるブロック共重合体、例えば、スチレン−(エチレン−ブチレン)−スチレントリブロック共重合体にスルホン酸基及び/またはホスホン酸基を導入したもの等が挙げられる。   As the polymer electrolyte of the above (E), a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a random copolymer, but a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into an alternating copolymer. Those having a sulfonic acid group and / or phosphonic acid group introduced into the block copolymer may be used. Examples of the sulfonic acid group introduced into the random copolymer include a sulfonated polyethersulfone-dihydroxybiphenyl copolymer (for example, JP-A-11-116679). An acid group and / or a phosphonic acid group is introduced as a block copolymer in which the main chain of all blocks is composed of an aliphatic hydrocarbon, for example, a styrene- (ethylene-butylene) -styrene triblock copolymer. Examples thereof include those obtained by introducing a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group into a polymer.

好ましくは、少なくとも分子内に1個以上のプロトン解離性の基を含有するモノマーを多孔質膜に含有後、In−situ重合されたポリマーである。更に好ましくは(a)分子内に1個以上のプロトン解離性の基を有するモノマー、(b)下記一般式(1)で表される化合物を必須構成成分として共重合または反応してなるポリマーである。更に、これらと共重合し得る他の不飽和化合物とも共重合されていてもよく、また上記必須構成成分に加えて反応性乳化剤を添加して共重合してなるポリマーであることも好ましい態様の1つである。   Preferably, the polymer is an in-situ polymerized polymer after containing a monomer containing at least one proton dissociable group in the molecule in the porous membrane. More preferably, (a) a monomer having one or more proton dissociable groups in the molecule, and (b) a polymer obtained by copolymerization or reaction with a compound represented by the following general formula (1) as an essential constituent. is there. Further, it may be copolymerized with other unsaturated compounds that can be copolymerized therewith, and it is also a preferred embodiment that it is a polymer obtained by copolymerization by adding a reactive emulsifier in addition to the above essential components. One.

ここで、前記「プロトン解離性の基」とはプロトンが電離により離脱し得る官能基を意味し、この解離性の基は式−XHで表され、Xは2価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。具体的には、−OH、−OSO3H、−COOH、−SO3H、−OPO(OH)2、−PO(OH)2、−PH(OH)等が挙げられる。特に好ましくは−SO3H、−OPO(OH)2である。 Here, the “proton dissociable group” means a functional group from which protons can be separated by ionization, the dissociable group is represented by the formula —XH, and X is an arbitrary group having a divalent bond. Any atom or atomic group may be used. Specifically, —OH, —OSO 3 H, —COOH, —SO 3 H, —OPO (OH) 2 , —PO (OH) 2 , —PH (OH) and the like can be mentioned. Particularly preferably -SO 3 H, -OPO (OH) 2.

前記一般式(1)において、R1は炭素数4以下のアルキル基を表し、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられる。一般式(1)で表される化合物のR2は共重合または反応可能な有機基を表し、好ましくはエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、アミノアルキル基またはビニル基のうちの少なくとも1種を含有する有機基である。m、nはいずれも1〜3の整数である。但し、m+n=4であり、mが2または3のとき、R2は同じでも異なっていてもよい。 In the general formula (1), R 1 represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, and examples thereof include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a butyl group. R 2 of the compound represented by the general formula (1) represents an organic group that can be copolymerized or reacted, and preferably at least one of an epoxy group, a styryl group, a methacryloxy group, an acryloxy group, an aminoalkyl group, or a vinyl group. An organic group containing seeds. m and n are both integers of 1 to 3. However, when m + n = 4 and m is 2 or 3, R 2 may be the same or different.

一般式(1)で表される化合物の具体例としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。   Specific examples of the compound represented by the general formula (1) include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane. 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacrylic Loxypropylmethyldiethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopro Rutrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane and the like. .

前記一般式(1)で表される化合物のアルコキシシリル基が反応して、架橋構造を形成したり、前記多孔質膜中に含有する無機粒子の表面に吸着あるいは結合することもできる。   The alkoxysilyl group of the compound represented by the general formula (1) reacts to form a crosslinked structure, or can be adsorbed or bonded to the surface of the inorganic particles contained in the porous film.

前記分子内に1個以上のプロトン解離性の基を有するモノマーとして、分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物が好ましく、例えば、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸、ビニルスルホン酸、p−スチレンスルホン酸、(メタ)アクリル酸ブチル−4−スルホン酸、(メタ)アクリロキシベンゼンスルホン酸、t−ブチルアクリルアミドスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、イソプレンスルホン酸等が挙げられる。これらの分子内に1個以上のスルホン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物は単独でもよいし、2種以上を併用してもよい。   The monomer having one or more proton dissociable groups in the molecule is preferably a compound having one or more sulfonic acid groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule, such as allyl sulfonic acid, Methallylsulfonic acid, vinylsulfonic acid, p-styrenesulfonic acid, (meth) acrylic acid butyl-4-sulfonic acid, (meth) acryloxybenzenesulfonic acid, t-butylacrylamidesulfonic acid, 2-acrylamido-2-methyl Examples include propane sulfonic acid and isoprene sulfonic acid. The compounds having one or more sulfonic acid groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in these molecules may be used alone or in combination of two or more.

また前記分子内に1個以上のプロトン解離性の基を有する化合物として、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物が好ましく、特に分子内に芳香族環を有する重合体をハロアルキル化及びスルホン化したものが好ましい。更に好ましくは、エンジニアリングプラスチックとして知られている高分子化合物をハロアルキル化及びスルホン化したものである。エンジニアリングプラスチックは一般的な定義はなく、金属のように構造材として使用可能な高弾性、高強度のプラスチックを言う。おおよその概念としては、弾性率が2.45×109Pa以上、熱変形温度が100℃以上といわれている(例えば、小林力夫、牧廣著『エンジニアリングプラスチック』参照)。但し、ポリカーボネート、ポリアリレート等のナチュラル樹脂は弾性率が1.96×109〜2.45×109Paであるが、エンジニアリアングプラスチックとして扱う(鈴木技術士事務所編『エンジニアリングプラスチック便覧』参照)。 Further, as the compound having one or more proton dissociable groups in the molecule, a haloalkylated and sulfonated polymer compound is preferable, and a polymer having an aromatic ring in the molecule is haloalkylated and sulfonated. Those are preferred. More preferably, a polymer compound known as an engineering plastic is haloalkylated and sulfonated. Engineering plastic has no general definition, and refers to a plastic with high elasticity and high strength that can be used as a structural material like metal. As an approximate concept, it is said that the elastic modulus is 2.45 × 10 9 Pa or more and the thermal deformation temperature is 100 ° C. or more (see, for example, “Engineering Plastic” by Kazuo Kobayashi and Makio). However, natural resins such as polycarbonate and polyarylate have a modulus of elasticity of 1.96 × 10 9 to 2.45 × 10 9 Pa, but they are treated as engineering plastic (“Engineering Plastics Handbook” edited by Suzuki Technical Office). reference).

好ましい前記高分子化合物としては、例えば、ポリベンザゾール(PBZ)、ポリアラミド(PARまたはケブラー(Kevlar)(登録商標))、ポリベンズオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリパラフェニレンテレフタルイミド(PPTA)、ポリスルホン(PSU)、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルホキシド(PPSO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン(PPS/SO2)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリフェニルキノキサリン(PPQ)、ポリアリールケトン(PK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリアリールスルホン、ポリアリールエーテルスルホン(PAS)、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリフェニレンスルホン(PPSO2)、ポリエーテルイミド、フッ素化ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトン−ケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルケトン−ケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトン−ケトン(PEKEKK)、及びポリスチレン(PS)が挙げられる。 Preferred examples of the polymer compound include polybenzazole (PBZ), polyaramid (PAR or Kevlar (registered trademark)), polybenzoxazole (PBO), polybenzothiazole (PBT), and polybenzimidazole (PBI). ), Polyparaphenylene terephthalimide (PPTA), polysulfone (PSU), polyimide (PI), polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfoxide (PPSO), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfide sulfone (PPS / SO 2 ), poly Paraphenylene (PPP), polyphenylquinoxaline (PPQ), polyaryl ketone (PK), polyether ketone (PEK), polyether sulfone (PES), polyether ether Sulfone (PEES), poly aryl sulfone, polyaryl ether sulfone (PAS), polyphenylsulfone (PPSU), polyphenylene sulfone (PPSO 2), polyetherimide, fluorinated polyimide, polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone -Ketone (PEKK), polyetheretherketone-ketone (PEEKK), polyetherketoneetherketone-ketone (PEKEKK), and polystyrene (PS).

これらの高分子化合物は単独でもよいし、2種以上を併用してもよい。特に好ましくはポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ポリフェンレンオキシド、ポリイミド、ポリベンズイミダゾールから選ばれる少なくとも1種である。   These polymer compounds may be used alone or in combination of two or more. Particularly preferred is at least one selected from polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polyphenylene oxide, polyimide, and polybenzimidazole.

上記高分子化合物は分子量が10000〜100000が好ましく、従来公知のものであれば何ら制限なく用いられる。   The polymer compound preferably has a molecular weight of 10,000 to 100,000, and any conventional compound can be used without any limitation.

高分子化合物のハロアルキル化及びスルホン化の方法は、例えば、先ず高分子化合物を90%以上、好ましくは95%以上の硫酸に撹拌下に溶解し、次いでこれにハロアルキル化試剤を添加してスルホン化及びハロアルキル化を実施する。高分子化合物にスルホン酸基の導入を制御するために、一般に0〜100℃の範囲で均一に溶解することが好ましい。温度が高い場合はスルホン酸基の導入比率が高く、ハロアルキル基の導入比率は低くなり、逆に温度を低くすればスルホン酸基の導入が制限され、ハロアルキル基の導入比率が多くなる。   The method of haloalkylation and sulfonation of a polymer compound is, for example, by first dissolving the polymer compound in 90% or more, preferably 95% or more of sulfuric acid with stirring, and then adding a haloalkylation reagent thereto to sulfonate the polymer compound. And haloalkylation. In order to control the introduction of the sulfonic acid group into the polymer compound, it is generally preferable to dissolve it uniformly in the range of 0 to 100 ° C. When the temperature is high, the introduction ratio of the sulfonic acid group is high and the introduction ratio of the haloalkyl group is low. Conversely, when the temperature is low, the introduction of the sulfonic acid group is limited and the introduction ratio of the haloalkyl group is increased.

用いられるハロアルキル化試薬としては、例えば、クロルメチルメチルエーテル、ブロムメチルメチルエーテル、ヨードメチルメチルエーテル、クロルエチルエチルエーテル、クロルエチルメチルエーテル等が挙げられる。なお、この方法は溶媒である硫酸が溶媒として大過剰に存在する状態での反応であり、極めて反応速度が早いため、十分に高分子化合物の硫酸溶液を均一に撹拌しながら、ハロアルキル化試薬を添加する必要がある。またハロアルキル基の高分子化合物への導入量は、添加するハロアルキル化試薬のモル数と高分子化合物のハロアルキル基が導入されるユニットのモル数との比で制御することもできる。反応は非常に早く進行するが、反応時間は通常10分〜16時間の間で選定される。反応後は残余のハロアルキル化試薬を窒素気流によって除去し、除外した後、大量の水中に投入し、沈澱析出させ、次いで十分に水洗することによって、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物を得ることができる。なおハロアルキル基、スルホン酸基の存在はNMR分析、元素分析等によって確認できる。   Examples of the haloalkylating reagent used include chloromethyl methyl ether, bromomethyl methyl ether, iodomethyl methyl ether, chloroethyl ethyl ether, chloroethyl methyl ether, and the like. This method is a reaction in which sulfuric acid as a solvent is present in a large excess as a solvent, and the reaction rate is extremely fast. Therefore, while sufficiently stirring the sulfuric acid solution of the polymer compound sufficiently, the haloalkylating reagent is used. It is necessary to add. The amount of the haloalkyl group introduced into the polymer compound can also be controlled by the ratio between the number of moles of the haloalkylating reagent to be added and the number of moles of the unit into which the haloalkyl group of the polymer compound is introduced. Although the reaction proceeds very quickly, the reaction time is usually selected between 10 minutes and 16 hours. After the reaction, the remaining haloalkylating reagent is removed and removed by a nitrogen stream, and then poured into a large amount of water, precipitated, and washed thoroughly with water to obtain a haloalkylated and sulfonated polymer compound. be able to. The presence of haloalkyl groups and sulfonic acid groups can be confirmed by NMR analysis, elemental analysis, and the like.

反応活性なハロアルキル基は、前記一般式(1)で表される化合物と反応することができ、また同一種のハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物同士で架橋構造を形成することができ、2種以上のハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物が架橋構造を形成することもできる。このようなポリマーによりプロトン伝導性ポリマーの性能を向上させることができる。   The reactive haloalkyl group can react with the compound represented by the general formula (1), and can form a crosslinked structure between the same kind of haloalkylated and sulfonated polymer compounds. Two or more haloalkylated and sulfonated polymer compounds may form a crosslinked structure. Such a polymer can improve the performance of the proton conducting polymer.

更に前記分子内に1個以上のプロトン解離性の基を有するモノマーとして、分子内に1個以上のリン酸基及び1個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物が好ましく、更に好ましくは下記一般式(2)で表される化合物を挙げることができる。   Further, the monomer having one or more proton dissociable groups in the molecule is preferably a compound having one or more phosphate groups and one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule, and more preferably The compound represented by Formula (2) can be mentioned.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

式中、R3は水素原子またはメチル基を表し、Xは2価の有機基を表し、好ましくはエチレン基またはプロピレン基である。pは1以上の整数を表し、好ましくは1〜10の整数である。 In the formula, R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group, X represents a divalent organic group, and preferably an ethylene group or a propylene group. p represents an integer of 1 or more, preferably an integer of 1 to 10.

一般式(2)で表される化合物の具体例としては、メタクリロイルオキシエチルホスフェート、メタクリロイルジ(オキシエチレン)ホスフェート、メタクリロイルトリ(オキシエチレン)ホスフェート、メタクリロイルテトラ(オキシエチレン)ホスフェート、メタクリロイルペンタ(オキシエチレン)ホスフェート、メタクリロイルヘキサ(オキシエチレン)ホスフェート、メタクリロイルオキシプロピルホスフェート、メタクリロイルジ(オキシプロピル)ホスフェート、メタクリロイルトリ(オキシプロピル)ホスフェート、メタクリロイルテトラ(オキシプロピル)ホスフェート、メタクリロイルペンタ(オキシプロピル)ホスフェート、メタクリロイルヘキサ(オキシプロピル)ホスフェート、アクリロイルオキシエチルホスフェート、アクリロイルジ(オキシエチレン)ホスフェート、アクリロイルトリ(オキシエチレン)ホスフェート、アクリロイルテトラ(オキシエチレン)ホスフェート、アクリロイルペンタ(オキシエチレン)ホスフェート、アクリロイルヘキサ(オキシエチレン)ホスフェート、アクリロイルオキシプロピルホスフェート、アクリロイルジ(オキシプロピル)ホスフェート、アクリロイルトリ(オキシプロピル)ホスフェート、アクリロイルテトラ(オキシプロピル)ホスフェート、アクリロイルペンタ(オキシプロピル)ホスフェート、アクリロイルヘキサ(オキシプロピル)ホスフェート、4−スチリルメトキシブチルホスフェート等を挙げることができる。   Specific examples of the compound represented by the general formula (2) include methacryloyloxyethyl phosphate, methacryloyl di (oxyethylene) phosphate, methacryloyl tri (oxyethylene) phosphate, methacryloyl tetra (oxyethylene) phosphate, methacryloyl penta (oxyethylene). ) Phosphate, methacryloyl hexa (oxyethylene) phosphate, methacryloyloxypropyl phosphate, methacryloyl di (oxypropyl) phosphate, methacryloyl tri (oxypropyl) phosphate, methacryloyl tetra (oxypropyl) phosphate, methacryloyl penta (oxypropyl) phosphate, methacryloyl hexa (Oxypropyl) phosphate, acryloyloxyethyl phosphate , Acryloyl di (oxyethylene) phosphate, acryloyl tri (oxyethylene) phosphate, acryloyl tetra (oxyethylene) phosphate, acryloyl penta (oxyethylene) phosphate, acryloyl hexa (oxyethylene) phosphate, acryloyloxypropyl phosphate, acryloyl di (Oxypropyl) phosphate, acryloyl tri (oxypropyl) phosphate, acryloyl tetra (oxypropyl) phosphate, acryloyl penta (oxypropyl) phosphate, acryloyl hexa (oxypropyl) phosphate, 4-styrylmethoxybutyl phosphate .

具体的には「PhosmerM」、「PhosmerCL」、「PhosmerA」、「PhosmerPE」、「PhosmerPP」(ユニケミカル(株)製)等が挙げられるが、これらに限られるものではない。これらの化合物は単独でもよいし、2種以上を併用してもよい。   Specific examples include “PhosmerM”, “PhosmerCL”, “PhosmerA”, “PhosmerPE”, “PhosmerPP” (manufactured by Unichemical Co., Ltd.) and the like, but are not limited thereto. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

前記共重合し得る他の不飽和化合物としては、分子内に1個以上のエチレン性不飽和結合を有する不飽和化合物は全てこの不飽和化合物に含まれるが、中でも(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸エステル類や置換または無置換のスチレン類が好適である。更には1分子内に複数個のエチレン性不飽和結合を含有する、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ヘキサメチレンジオールジ(メタ)アクリレートやジビニルベンゼン、N,N−メチレンビスアクリルアミド等は架橋構造を形成し、電解質膜の耐久性向上のために使用するのが好ましい。   Examples of other unsaturated compounds that can be copolymerized include unsaturated compounds having one or more ethylenically unsaturated bonds in the molecule. Among them, (meth) acrylonitrile, (meth) Acrylic esters and substituted or unsubstituted styrenes are preferred. Furthermore, ethylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, hexamethylenediol di (meth) acrylate, divinylbenzene, N, N, which contains a plurality of ethylenically unsaturated bonds in one molecule. -Methylenebisacrylamide or the like preferably forms a cross-linked structure and is used for improving the durability of the electrolyte membrane.

前記反応性乳化剤としては、分子内に不飽和二重結合を少なくとも1種以上有するアニオン性及び/またはノニオン性の乳化剤が好ましく用いられる。反応性乳化剤は分子内に疎水性基、親水性基及び反応性基を各々少なくとも1個有する化合物が好ましく、上記疎水性基は脂肪族または芳香族炭化水素基からなり、上記親水性基はポリオキシアルキレンエーテル基に代表されるノニオン性基、スルホン酸塩、カルボン酸塩、リン酸塩に代表されるアニオン性基を含有し、上記反応性基はビニルエーテル基、アリルエーテル基、ビニルフェニル基、アリルフェニル基、アクリル酸またはメタクリル酸のエステルまたはアミド基、マレイン酸等の不飽和二塩基酸のエステルまたはアミド基を含有するものが好ましい。   As the reactive emulsifier, an anionic and / or nonionic emulsifier having at least one unsaturated double bond in the molecule is preferably used. The reactive emulsifier is preferably a compound having at least one hydrophobic group, hydrophilic group and reactive group in the molecule. The hydrophobic group comprises an aliphatic or aromatic hydrocarbon group. Contains nonionic groups typified by oxyalkylene ether groups, anionic groups typified by sulfonates, carboxylates and phosphates, the reactive groups are vinyl ether groups, allyl ether groups, vinyl phenyl groups, Those containing an allylphenyl group, an ester or amide group of acrylic acid or methacrylic acid, or an ester or amide group of an unsaturated dibasic acid such as maleic acid are preferred.

上記反応性乳化剤としては、例えば、特開昭62−22803号公報、同62−104802号公報、同62−104803号公報、同62−221431号公報、同62−221432号公報、同62−225237号公報、同62−244430号公報、同62−286528号公報、同62−289228号公報、同62−289229号公報、同63−12334号公報、同63−54930号公報、同63−77530号公報、同63−77531号公報、同63−77532号公報、同63−84624号公報、同63−84625号公報、同63−126535号公報、同63−126536号公報、同63−147530号公報、同63−319035号公報、特開平1−11630号公報、同1−22338号公報、同1−22627号公報、同1−22628号公報、同1−30632号公報、同1−34430号公報、同1−34431号公報、同1−34432号公報、同1−99638号公報、同1−99639号公報、同4−50204号公報、同4−53802号公報、同4−55401号公報に記載されたものが挙げられる。   Examples of the reactive emulsifier include, for example, JP-A-62-22803, JP-A-62-2104802, JP-A-62-2104803, JP-A-62-221431, JP-A-62-221432, and JP-A-62-2225237. Nos. 62-244430, 62-286528, 62-289228, 62-289229, 63-12334, 63-54930, 63-77530 Gazette, 63-77531, 63-77532, 63-84624, 63-84625, 63-126535, 63-126536, 63-147530 63-139035, JP-A-1-11630, 1-222338, 1 No. 22627, No. 1-2628, No. 1-33062, No. 1-334430, No. 1-33441, No. 1-34342, No. 1-99638, No. 1-99639 No. 4-50204, No. 4-53802, and No. 4-55401.

また上記反応性乳化剤の化合物例としては、例えば、1−(メタ)アリロキシ−2−ヒドロキシプロパン、(メタ)アクリロイルオキシ−2−ヒドロキシプロパン、(メタ)アリロキシカルボニルメチル−3−アルコキシ(ポリオキシアルキレノキシ)−2−ヒドロキシプロパン、アルキルフェノキシ(ポリオキシアルキレノキシ)−2−ヒドロキシプロパンまたはアシロキシ(ポリオキシアルキレノキシ)−2−ヒドロキシプロパンまたはそのアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸またはリン酸エステルまたはその塩、ビスフェノール化合物またはグリコール化合物のアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸またはリン酸エステルまたはその塩、ビニルまたはアリルフェノール化合物のアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸またはリン酸エステルまたはその塩、スルホコハク酸のモノアリル−モノアルキルエステルまたはその塩、スルホコハク酸のモノ(3−アリロキシ−2−ヒドロキシプロピル)−モノアルキルエステルまたはその塩等が挙げられる。   Examples of the reactive emulsifier compound include, for example, 1- (meth) allyloxy-2-hydroxypropane, (meth) acryloyloxy-2-hydroxypropane, (meth) allyloxycarbonylmethyl-3-alkoxy (polyoxy) Alkylenoxy) -2-hydroxypropane, alkylphenoxy (polyoxyalkylenoxy) -2-hydroxypropane or acyloxy (polyoxyalkylenoxy) -2-hydroxypropane or an alkylene oxide adduct thereof, or sulfuric acid or phosphorus thereof. Alkylene oxide adducts of acid esters or salts thereof, bisphenol compounds or glycol compounds or sulfuric acid or phosphate esters or salts thereof, alkylene oxide adducts of vinyl or allylphenol compounds, or These sulfuric acid or phosphoric acid ester or a salt thereof, monoallyl of sulfosuccinic acid - mono alkyl ester or a salt thereof, the sulfosuccinic acid mono (3-allyloxy-2-hydroxypropyl) - monoalkyl esters or salts thereof.

具体的には、「アデカリアソープNE」、「アデカリアソープSE」、「アデカリアソープER」、「アデカリアソープSR」、「アデカリアソープPP」、「アデカリアソープPPE」(旭電化(株)製)、「アクアロンKH」、「アクアロンHS」、「アクアロンBC」、「アクアロンRN」、「ニューフロンティア」(第一工業製薬(株)製)、「エレミノールES」、「エレミノールJS」、「エレミノールRS」、「エレミノールMON」、「エレミノールHA」(三洋化成工業(株)製)、「ラテムル」(花王(株)製)等が挙げられるが、これらに限られるものではない。これらの反応性乳化剤は一種または二種以上を組み合わせて使用してもよい。   Specifically, “Adekaria soap NE”, “Adekaria soap SE”, “Adekaria soap ER”, “Adekaria soap SR”, “Adekaria soap PP”, “Adekaria soap PPE” (Asahi Denka ( Co., Ltd.), “AQUALON KH”, “AQUALON HS”, “AQUALON BC”, “AQUALON RN”, “NEW FRONTIER” (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), “ELEMINOL ES”, “ELEMINOL JS”, Examples thereof include, but are not limited to, “Eleminol RS”, “Eleminol MON”, “Eleminol HA” (manufactured by Sanyo Chemical Industries), “Latemuru” (manufactured by Kao Corporation), and the like. These reactive emulsifiers may be used alone or in combination of two or more.

本発明における多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有する方法は特に限定されるものでなく、例えば、多孔質膜に前記プロトン伝導性ポリマー溶液を塗布する方法、多孔質膜を前記プロトン伝導性ポリマー溶液に浸漬する方法などにより、多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有することができる。その際、超音波を使用したり、減圧にすることによりプロトン伝導性ポリマーを細孔中に含有し易くすることができる。   The method of containing the proton conductive polymer in the pores of the porous membrane in the present invention is not particularly limited. For example, the method of applying the proton conductive polymer solution to the porous membrane, The proton conductive polymer can be contained in the pores of the porous membrane by a method of immersing in a proton conductive polymer solution. At that time, the proton conductive polymer can be easily contained in the pores by using ultrasonic waves or reducing the pressure.

好ましくはプロトン伝導性ポリマーの前駆体(前記(a)分子内に1個以上のプロトン解離性の基を有するモノマー、前記(b)一般式(1)で表される化合物、共重合し得る他の不飽和化合物、反応性乳化剤等)及び重合開始剤を含有する溶液を多孔質膜の細孔中に含有し、熱重合や光重合等、従来より知られている適宜の方法により、In−situ重合またはIn−situ反応させプロトン伝導性ポリマーとする方法である。   Preferably, a precursor of a proton conductive polymer ((a) a monomer having one or more proton dissociable groups in the molecule, (b) a compound represented by the general formula (1), and other copolymerizable compounds Of the unsaturated compound, reactive emulsifier, and the like) and a polymerization initiator in the pores of the porous membrane, and by a suitable method conventionally known such as thermal polymerization or photopolymerization, In— This is a method of forming a proton conductive polymer by in situ polymerization or in-situ reaction.

その際、超音波を使用したり、減圧にすることにより前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び重合開始剤を含有する溶液を細孔中に含有し易くすることができる。多孔質膜の細孔表面を親水化処理した後に、前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び重合開始剤を含有する溶液を多孔質膜の細孔中に含有させ、In−situ重合またはIn−situ反応する方法も好ましい。また、前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び重合開始剤を含有する溶液の粘度を適宜に調整して、細孔中に含有し易くすることも好ましい。即ち、粘度を高めるためにモノマーの一部を予備重合させたり、また適宜のポリマーを少量添加し、溶解させてもよい。反対に粘度を下げるために適当な溶剤を加えて、希釈してもよい。   At that time, the solution containing the precursor of the proton conductive polymer and the polymerization initiator can be easily contained in the pores by using ultrasonic waves or reducing the pressure. After hydrophilizing the pore surface of the porous membrane, a solution containing the precursor of the proton conductive polymer and the polymerization initiator is contained in the pores of the porous membrane, and in-situ polymerization or in-situ polymerization is performed. A method of reacting is also preferred. It is also preferable to adjust the viscosity of the solution containing the proton conductive polymer precursor and the polymerization initiator as appropriate so that the solution is easily contained in the pores. That is, in order to increase the viscosity, a part of the monomer may be prepolymerized, or a small amount of an appropriate polymer may be added and dissolved. On the contrary, in order to lower the viscosity, a suitable solvent may be added for dilution.

前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物、前記一般式(1)で表される化合物、前記反応性乳化剤等を反応させる方法としては、ハロアルキルを開裂させ反応させる方法、重合開始剤を用いて不飽和結合を反応させる方法、シリル基を反応させる方法等が好ましく用いられる。ハロアルキル基を開裂させ反応させる方法としては、ルイス酸やHF、H2SO4、H3PO4などのプロトン酸によりイオン的に開裂させる方法、あるいは紫外線、電子線などの光、あるいは熱によりラジカル的に開裂させる方法などが用いられるが、光あるいは熱を用いる方法が好適である。 As a method of reacting the haloalkylated and sulfonated polymer compound, the compound represented by the general formula (1), the reactive emulsifier, etc., a method of cleaving haloalkyl to react, a polymerization initiator is used. A method of reacting an unsaturated bond, a method of reacting a silyl group, and the like are preferably used. As a method of cleaving and reacting a haloalkyl group, a method of ionically cleaving with a protonic acid such as Lewis acid, HF, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , or a radical by light such as ultraviolet rays or electron beams, or heat. A method of cleaving is used, but a method using light or heat is preferred.

前記重合開始剤としては従来より知られているものを適宜に用いればよい。好ましくは熱重合開始剤または光重合開始剤が好ましく、熱重合開始剤とは熱エネルギーを与えることにより重合性のラジカルを発生することが可能な化合物である。このような化合物としては、例えば、2,2′−アゾビスイソブチロニトリル、2,2′−アゾビスプロピオニトリル等のアゾビスニトリル系化合物、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過酸化アセチル、過安息香酸t−ブチル、α−クミルヒドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、t−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、過酸類、アルキルパーオキシカルバメート類、ニトロソアリールアシルアミン類等の有機過酸化物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過塩素酸カリウム等の無機過酸化物、ジアゾアミノベンゼン、p−ニトロベンゼンジアゾニウム、アゾビス置換アルカン類、ジアゾチオエーテル類、アリールアゾスルフォン類等のアゾまたはジアゾ系化合物、ニトロソフェニル尿素、テトラメチルチウラムジスルフィド、ジアリールジスルフィド類、ジベンゾイルジスルフィド、テトラアルキルチウラムジスルフィド類、ジアルキルキサントゲン酸ジスルフィド類、アリールスルフィン酸類、アリールアルキルスルフォン類、1−アルカンスルフィン酸類等を挙げることができる。   What is necessary is just to use what is conventionally known as said polymerization initiator suitably. A thermal polymerization initiator or a photopolymerization initiator is preferable, and the thermal polymerization initiator is a compound capable of generating a polymerizable radical by applying thermal energy. Examples of such compounds include azobisnitrile compounds such as 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobispropionitrile, benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, and acetyl peroxide. , T-butyl perbenzoate, α-cumyl hydroperoxide, di-t-butyl peroxide, diisopropyl peroxydicarbonate, t-butyl peroxyisopropyl carbonate, peracids, alkyl peroxycarbamates, nitrosoaryl acyl Organic peroxides such as amines, inorganic peroxides such as potassium persulfate, ammonium persulfate and potassium perchlorate, diazoaminobenzene, p-nitrobenzenediazonium, azobis-substituted alkanes, diazothioethers, arylazosulfones, etc. Of azo or diazo Nitrosophenylurea, tetramethylthiuram disulfide, diaryl disulfides, dibenzoyl disulfide, tetraalkylthiuram disulfides, dialkylxanthogenic disulfides, arylsulfinic acids, arylalkylsulfones, 1-alkanesulfinic acids, etc. it can.

これらの中で特に好ましいものは常温での安定性に優れ、加熱時の分解速度が速い化合物であり、開始剤は全重合性の組成物中、通常0.1〜30質量%が好ましく、0.5〜20質量%の範囲がより好ましい。   Among these, particularly preferred are compounds that are excellent in stability at normal temperature and have a fast decomposition rate during heating, and the initiator is preferably 0.1 to 30% by mass in the total polymerizable composition. The range of 0.5-20 mass% is more preferable.

光重合開始剤としては、R−(CO)x−R′(R、R′=水素または炭化水素基、x=2〜3)により表される隣接ポリケトン化合物類(例えば、ジアセチル、ジベンジル等)、R−CO−CHOH−R′(R、R′=水素または炭化水素基)により表されるカルボニルアルコール類(例えば、ベンゾイン等)、R−CH(OR″)−CO−R′(R、R′、R″=炭化水素基)により表されるアシロイン・エーテル類(例えば、ベンゾインメチルエーテル等)、Ar−CR(OH)−CO−Ar(Ar=アリール基、R=炭化水素基)により表される置換アシロイン類(例えば、α−アルキルベンゾイン等)、及び多核キノン類(例えば、9,10−アンスラキノン等)等を挙げることができる。これらの光重合開始剤はそれぞれ単独でまたは併用して使用することができる。 As photopolymerization initiators, adjacent polyketone compounds represented by R— (CO) x —R ′ (R, R ′ = hydrogen or hydrocarbon group, x = 2 to 3) (for example, diacetyl, dibenzyl, etc.) , Carbonyl alcohols represented by R—CO—CHOH—R ′ (R, R ′ = hydrogen or hydrocarbon group) (for example, benzoin etc.), R—CH (OR ″) — CO—R ′ (R, R ', R ″ = hydrocarbon group) represented by acyloin ethers (for example, benzoin methyl ether), Ar—CR (OH) —CO—Ar (Ar = aryl group, R = hydrocarbon group) Examples thereof include substituted acyloins (for example, α-alkylbenzoin) and polynuclear quinones (for example, 9,10-anthraquinone). These photopolymerization initiators can be used alone or in combination.

光重合開始剤の使用量は不飽和化合物の合計質量に対して0.5〜5質量%の範囲、好ましくは1〜3質量%の範囲である。   The usage-amount of a photoinitiator is the range of 0.5-5 mass% with respect to the total mass of an unsaturated compound, Preferably it is the range of 1-3 mass%.

なお、本発明に係るプロトン伝導性ポリマーのイオン交換容量としては、0.5〜5.0ミリ当量/g乾燥樹脂が好ましく、より好ましくは1.0〜4.5ミリ当量/g乾燥樹脂である。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂より小さい場合は、イオン伝導抵抗が大きくなり、4.5ミリ当量/g乾燥樹脂より大きい場合には、水に溶解しやすくなる。   The ion exchange capacity of the proton conducting polymer according to the present invention is preferably 0.5 to 5.0 meq / g dry resin, more preferably 1.0 to 4.5 meq / g dry resin. is there. When the ion exchange capacity is smaller than 0.5 meq / g dry resin, the ion conduction resistance increases, and when it is greater than 4.5 meq / g dry resin, the ion exchange capacity is easily dissolved in water.

前記イオン交換容量は次の測定方法により求めることができる。まず、前記プロトン伝導性ポリマーを2mol/Lの塩化ナトリウム水溶液に5分間程度浸漬し、酸性基のプロトンをナトリウムに置換する。ナトリウム置換により溶液中に遊離してきたプロトンに対し、濃度既知の水酸化ナトリウムによる中和滴定を行う。そして、前記プロトン伝導性ポリマーの乾燥質量(W)と中和滴定に要した水酸化ナトリウムの容量(V)からプロトンの量(H+)を算出し、次式によりイオン交換容量(meq/g)を求める。なお次式は、0.05mol/LのNaOH水溶液で中和滴定を行った場合の例を示している。 The ion exchange capacity can be determined by the following measurement method. First, the proton conductive polymer is immersed in a 2 mol / L sodium chloride aqueous solution for about 5 minutes to replace the proton of the acidic group with sodium. Neutralization titration with sodium hydroxide of known concentration is performed on protons liberated in the solution by sodium substitution. Then, the amount of protons (H + ) is calculated from the dry mass (W) of the proton conductive polymer and the volume (V) of sodium hydroxide required for neutralization titration, and the ion exchange capacity (meq / g) according to the following formula: ) The following formula shows an example when neutralization titration is performed with a 0.05 mol / L NaOH aqueous solution.

イオン交換容量(meq/g)=H+/W=(0.05V×10-3/W)×103
本発明のプロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は特に制限はないが、通常は500μm以下であり、好ましくは300μm以下、より好ましくは50〜200μmである。膜厚は1/10000シックネスゲージで測定できる。平均膜厚は任意の箇所を5点を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。
Ion exchange capacity (meq / g) = H + /W=(0.05 V × 10 −3 / W) × 10 3
The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but is usually 500 μm or less, preferably 300 μm or less, more preferably 50 to 200 μm. The film thickness can be measured with a 1/10000 thickness gauge. The average film thickness can be obtained by measuring five points at arbitrary locations and calculating the average.

本発明のプロトン伝導性電解質膜は燃料電池に用いることができる。燃料電池の中でもメタノール燃料電池が好ましく、特に直接メタノール型燃料電池が好ましい。   The proton conductive electrolyte membrane of the present invention can be used for a fuel cell. Among the fuel cells, a methanol fuel cell is preferable, and a direct methanol fuel cell is particularly preferable.

次に、直接メタノール型燃料電池について、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電解質膜を電解質膜して用いた直接メタノール型燃料電池の一実施形態を示す概略図である。   Next, a direct methanol fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a direct methanol fuel cell using the proton conductive electrolyte membrane of the present invention as an electrolyte membrane.

図1において、それぞれ符号1は電解質膜、符号2はアノード極(燃料極)、符号3はカソード極(空気極)、符号4は外部回路を表す。燃料としてはメタノール水溶液Aを用いる。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an electrolyte membrane, reference numeral 2 denotes an anode electrode (fuel electrode), reference numeral 3 denotes a cathode electrode (air electrode), and reference numeral 4 denotes an external circuit. A methanol aqueous solution A is used as the fuel.

アノード極2では、メタノールは水と反応して二酸化炭素と水素イオン(H+)を生成して電子(e-)を放出する。水素イオン(H+)は電解質1を通ってカソード極3に向い、電子(e-)は外部回路4に流れる。一方、二酸化炭素を含むメタノール成分が減少した水溶液A′は系外に排出される。アノード極2での反応は下記式で表される。 At the anode 2, methanol reacts with water to generate carbon dioxide and hydrogen ions (H + ) and release electrons (e ). Hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte 1 to the cathode electrode 3, and electrons (e ) flow to the external circuit 4. On the other hand, the aqueous solution A ′ in which the methanol component containing carbon dioxide is reduced is discharged out of the system. The reaction at the anode 2 is represented by the following formula.

CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
カソード極3では、空気B中の酸素と電解膜1を通ってきた水素イオン(H+)と外部回路4からきた電子(e-)とが反応して水を生成する。一方、水を含む酸素が減少した空気B′は系外に排出される。カソード極3での反応は下記式で表される。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
At the cathode 3, oxygen in the air B reacts with hydrogen ions (H + ) that have passed through the electrolytic membrane 1 and electrons (e ) that have come from the external circuit 4 to generate water. On the other hand, the air B ′ in which oxygen containing water is reduced is discharged out of the system. The reaction at the cathode electrode 3 is represented by the following formula.

3/2O2+6H++6e-→3H2
燃料電池の全体の反応としては次式のようになる。
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
The overall reaction of the fuel cell is as follows:

CH3OH+3/2O2→CO2+2H2
アノード極2の構造は従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。また、カソード極3の構造も従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
The structure of the anode 2 can be a conventionally known structure. For example, it is comprised from the support body which supports a catalyst layer and a catalyst layer from the electrolyte 1 side. The structure of the cathode electrode 3 can also be a conventionally known structure. For example, it is comprised from the support body which supports a catalyst layer and a catalyst layer from the electrolyte 1 side.

アノード極2及びカソード極3の触媒としては、公知の触媒を用いることができる。例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、金などの貴金属触媒、また白金−ルテニウム、鉄−ニッケル−コバルト−モリブデン−白金などの合金が用いられる。   As the catalyst for the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, known catalysts can be used. For example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, gold, or an alloy such as platinum-ruthenium, iron-nickel-cobalt-molybdenum-platinum, or the like is used.

触媒層は導電性を改善する目的で電子伝導体(導電材)材料を含むことが好ましい。電子伝導体(導電材)としては特に限定されるものではないが、電子伝導性と耐触性の点から無機導電性物質が好ましく用いられる。中でもカーボンブラック、黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられる。ここで炭素材としては、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。特に、白金担持カーボンなどのように触媒を担持した電子伝導体(導電材)が好ましく用いられる。   The catalyst layer preferably contains an electron conductor (conductive material) material for the purpose of improving conductivity. The electron conductor (conductive material) is not particularly limited, but an inorganic conductive material is preferably used from the viewpoints of electron conductivity and touch resistance. Among these, carbon black, graphite and carbonaceous carbon materials, metals and metalloids are mentioned. Here, as the carbon material, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used in view of electron conductivity and specific surface area. In particular, an electron conductor (conductive material) that supports a catalyst such as platinum-supported carbon is preferably used.

固体高分子電解質膜と電極とを接合して膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を製造する方法としては、例えば、カーボン粒子に担持させた白金触媒粉をポリテトラフロロエチレン懸濁液と混合し、カーボンペーパーに塗布し、熱処理して触媒層を形成後、電解質膜と同一の電解質溶液を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスして一体化する方法がある。この他、電解質膜と同一の電解質溶液を予め白金触媒粉にコーティングする方法、触媒ペーストを電解質膜へ塗布する方法、電解質膜に電極を無電解メッキする方法、電解質膜に白金属の金属錯イオンを吸着させた後、還元する方法等がある。   As a method for producing a membrane-electrode assembly (MEA) by joining a solid polymer electrolyte membrane and an electrode, for example, a polytetrafluoroethylene suspension of platinum catalyst powder supported on carbon particles is used. There is a method in which a catalyst layer is formed by mixing with a carbon paper, heat-treating to form a catalyst layer, applying the same electrolyte solution as the electrolyte membrane to the catalyst layer, and hot-pressing with the electrolyte membrane for integration. In addition, a method in which the same electrolyte solution as the electrolyte membrane is coated on platinum catalyst powder in advance, a method in which a catalyst paste is applied to the electrolyte membrane, a method in which an electrode is electrolessly plated on the electrolyte membrane, and a metal complex ion of white metal on the electrolyte membrane There is a method of reducing after adsorbing.

以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された集電体としての燃料配流板(セパレータ)と、酸化剤配流板(セパレータ)とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層、または単セルを複数個、平面に配置(平面積層)することにより、燃料電池が構成される。   A fuel distribution plate (separator) as a current collector in which grooves for forming a fuel flow path and an oxidant flow path are formed outside the joined body of the electrolyte membrane and the electrode produced as described above, and an oxidant A fuel cell by arranging a single cell with a flow distribution plate (separator) and laminating a plurality of single cells via a cooling plate or arranging a plurality of single cells on a plane (planar lamination). Is configured.

本発明を実施例に基づき更に詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the examples.

実施例1
〈多孔質膜の作製〉
〈多孔質膜No.1の作製〉
ポリスチレン微粒子(モリテックス社製5008B、平均粒径80nm)とコロイダルシリカ(日産化学社製スノーテックス50、一次平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子80質量%、コロイダルシリカ20質量%)を、希薄界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は20質量%となるようにした。それぞれの分散液をポリエチレンテレフタレート支持体上に、バーコーターを用いて乾燥後の膜厚が150μmとなるように塗布、乾燥し、乾燥後、ポリエチレンテレフタレート支持体を剥離し、昇温スピード60℃/時間で600℃まで昇温させ、600℃で3時間仮焼成後、昇温スピード120℃/時間で1000℃まで昇温させ、1000℃で3時間焼成し、無機多孔質膜No.1を作製した。
Example 1
<Preparation of porous membrane>
<Porous membrane no. 1 production>
A mixture of polystyrene fine particles (Molytex 5008B, average particle size 80 nm) and colloidal silica (Nissan Chemical Snowtex 50, primary average particle size 20 nm) (polystyrene fine particles 80% by mass, colloidal silica 20% by mass) is diluted with a diluted interface. The mixture was stirred and dispersed in the aqueous activator solution using a high-speed homogenizer. The concentration of the dispersion was set to 20% by mass. Each dispersion was applied onto a polyethylene terephthalate support using a bar coater so that the film thickness after drying was 150 μm, dried, and after drying, the polyethylene terephthalate support was peeled off, and the temperature increase rate was 60 ° C. / The temperature was raised to 600 ° C. for 3 hours, and after preliminary firing at 600 ° C. for 3 hours, the temperature was raised to 1000 ° C. at a heating rate of 120 ° C./hour and then fired at 1000 ° C. for 3 hours. 1 was produced.

〈多孔質膜No.2、3の作製〉
多孔質膜No.1において、ポリスチレン微粒子とコロイダルシリカを表1のように代えた以外は、多孔質膜No.1と同様にして無機多孔質膜No.2、3を作製した。
<Porous membrane no. Preparation of 2, 3>
Porous membrane no. 1 except that the polystyrene fine particles and colloidal silica were replaced as shown in Table 1. In the same manner as in No. 1, the inorganic porous membrane No. 1 2 and 3 were produced.

但し、ポリスチレン微粒子の平均粒径が220nm、430nmのものは、それぞれモリテックス社製5022B、5043Bを使用した。また、コロイダルシリカの一次平均粒径が50nm、100nmのものはそれぞれ日産化学社製スノーテックスYL、スノーテックスMPを使用した。   However, when the average particle diameter of polystyrene fine particles was 220 nm and 430 nm, 5022B and 5043B manufactured by Moritex Corporation were used, respectively. Moreover, the ones with colloidal silica primary average particle diameters of 50 nm and 100 nm used Snowtex YL and Snowtex MP manufactured by Nissan Chemical Co., respectively.

〈多孔質膜No.4の作製〉
無機粒子としてコロイダルシリカ(日産化学社製スノーテックス50、一次平均粒径20nm)をポリエチレン(重量平均分子量30万)と混合した樹脂組成物を、延伸法により多孔化して無機粒子を含有した有機多孔質膜No.4を作製した。
<Porous membrane no. Preparation of 4>
Organic porous material containing inorganic particles obtained by making a resin composition obtained by mixing colloidal silica (Snowtex 50, Nissan Chemical Co., Ltd., primary average particle size 20 nm) with polyethylene (weight average molecular weight 300,000) as inorganic particles with polyethylene (weight average molecular weight 300,000). Membrane No. 4 was produced.

〈多孔質膜No.5、6の作製〉
多孔質膜No.4において、コロイダルシリカを表1のように代えた以外は、多孔質膜No.4と同様にして有機多孔質膜No.5、6を作製した。
<Porous membrane no. Preparation of 5, 6>
Porous membrane no. 4 except that the colloidal silica was changed as shown in Table 1, the porous membrane No. In the same manner as in No. 4, the organic porous membrane no. 5 and 6 were produced.

但し、シリカの一次平均粒径が50nm、100nmのものはそれぞれ日産化学社製スノーテックスYL、スノーテックスMPから取り出したものを使用した。   However, silica having a primary average particle diameter of 50 nm and 100 nm were taken out from Snowtex YL and Snowtex MP manufactured by Nissan Chemical Co., respectively.

多孔質膜No.1〜6の平均細孔径及び空隙率を表1に示す。空隙率は単位面積当S(cm2)当たりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出した。 Porous membrane no. Table 1 shows the average pore diameter and porosity of 1-6. The porosity was calculated by the following equation from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), the average thickness t (μm), and the density d (g / cm 3 ).

空隙率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
平均細孔径の測定は島津製作所社製ポアサイザー9320を用い、水銀圧入法により測定した。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
The average pore diameter was measured by a mercury intrusion method using a pore sizer 9320 manufactured by Shimadzu Corporation.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

〔プロトン伝導性電解質膜の製造〕
〔プロトン伝導性電解質膜No.1の製造〕
上記で作製した多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを含有し、プロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1)を製造した。
[Production of proton conducting electrolyte membrane]
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 1]
Porous membrane No. produced above. 1 contained a proton conducting polymer by the following method to produce a proton conducting electrolyte membrane (electrolyte membrane No. 1).

イソプロピルアルコール:水=2:1中に、アクリル酸、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、「アクアロンKH−05」(第一工業製薬(株)製)、及び架橋剤としてN,N−メチレンビスアクリルアミドと重合開始剤としてAIBN(2,2′−アゾビスイソブチロニトリル)とを質量比で100:20:20:5:1となるよう混合し、減圧下で混合液の中に多孔質膜を浸漬させた。このように処理した多孔質膜を粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムに挟んで加熱し、60℃で2時間保持し、更に80℃で2時間保持することにより、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は150μmであった。平均膜厚はシックネスゲージで任意の箇所を5点測定し、その平均を算出して求めた。   In isopropyl alcohol: water = 2: 1, acrylic acid, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, “Aqualon KH-05” (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), and N, N-methylene as a cross-linking agent Bisacrylamide and AIBN (2,2′-azobisisobutyronitrile) as a polymerization initiator are mixed at a mass ratio of 100: 20: 20: 5: 1, and the mixture is porous under reduced pressure. The membrane was immersed. The porous membrane thus treated was sandwiched and heated between roughened polyethylene terephthalate films, held at 60 ° C. for 2 hours, and further held at 80 ° C. for 2 hours to produce a proton conductive electrolyte membrane. . The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane was 150 μm. The average film thickness was obtained by measuring five arbitrary points with a thickness gauge and calculating the average.

プロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaはキーエンス社製レーザー顕微鏡(VK−8500)で基準長2.5mm、カットオフ値0.8mmで測定した。結果を表2に示す。   The surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane was measured with a laser microscope (VK-8500) manufactured by Keyence Corporation with a reference length of 2.5 mm and a cutoff value of 0.8 mm. The results are shown in Table 2.

〔プロトン伝導性電解質膜No.2、3の製造〕
プロトン伝導性電解質膜No.1において、多孔質膜、プロトン伝導性ポリマーの組成を表2のように代え、挟み込みに用いた粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムはそれぞれ違うものを用い電解質膜の表面粗さを制御した以外は、プロトン伝導性電解質膜No.1と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.2、3を作製した。測定したプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaを表2に示す。
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 2, 3]
Proton conductive electrolyte membrane No. 1 except that the composition of the porous membrane and the proton conducting polymer was changed as shown in Table 2, and the surface-roughened polyethylene terephthalate film used for the sandwiching was different, and the surface roughness of the electrolyte membrane was controlled. , Proton conductive electrolyte membrane No. In the same manner as in No. 1, proton conductive electrolyte membrane No. 1 2 and 3 were produced. Table 2 shows the measured surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

〔プロトン伝導性電解質膜No.4の製造〕
上記で作製した多孔質膜No.2に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを含有し、プロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.4)を製造した。
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 4]
Porous membrane No. produced above. 2 contained a proton conductive polymer by the following method to produce a proton conductive electrolyte membrane (electrolyte membrane No. 4).

イソプロピルアルコール:水=2:1中に、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、「アクアロンKH−05」(第一工業製薬(株)製)、及び架橋剤としてN,N−メチレンビスアクリルアミドと重合開始剤としてAIBN(2,2′−アゾビスイソブチロニトリル)とを質量比で100:15:5:5:1となるよう混合し、減圧下で混合液の中に多孔質膜を浸漬させた。このように処理した多孔質膜を粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムに挟んで加熱し、60℃で2時間保持し、更に80℃で2時間保持することにより、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は150μmであった。平均膜厚はシックネスゲージで任意の箇所を5点測定し、その平均を算出して求めた。またプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaは電解質膜No.1と同様にして測定した。結果を表3に示す。   In isopropyl alcohol: water = 2: 1, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, “Aqualon KH-05” (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), and N, N-methylenebisacrylamide as a cross-linking agent and AIBN (2,2'-azobisisobutyronitrile) as a polymerization initiator are mixed at a mass ratio of 100: 15: 5: 5: 1, and the pressure is reduced. Below, the porous membrane was immersed in the mixed solution. The porous membrane thus treated was sandwiched and heated between roughened polyethylene terephthalate films, held at 60 ° C. for 2 hours, and further held at 80 ° C. for 2 hours to produce a proton conductive electrolyte membrane. . The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane was 150 μm. The average film thickness was obtained by measuring five arbitrary points with a thickness gauge and calculating the average. The surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane is the same as that of the electrolyte membrane No. Measurement was performed in the same manner as in 1. The results are shown in Table 3.

〔プロトン伝導性電解質膜No.5、6の製造〕
プロトン伝導性電解質膜No.4において、多孔質膜、プロトン伝導性ポリマーの組成を表3のように代え、挟み込みに用いた粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムはそれぞれ違うものを用い電解質膜の表面粗さを制御した以外は、プロトン伝導性電解質膜No.4と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.5、6を作製した。測定したプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaを表3に示す。
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 5, 6]
Proton conductive electrolyte membrane No. 4 except that the composition of the porous membrane and the proton conducting polymer was changed as shown in Table 3, and the surface-roughened polyethylene terephthalate film used for the sandwiching was different and the surface roughness of the electrolyte membrane was controlled. , Proton conductive electrolyte membrane No. In the same manner as in No. 4, the proton conductive membrane No. 5 and 6 were produced. Table 3 shows the measured surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

〔プロトン伝導性電解質膜No.7の製造〕
上記で作製した多孔質膜No.1の多孔質膜に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを含有し、プロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.7)を製造した。
[Proton conducting electrolyte membrane No. 7)
Porous membrane No. produced above. A proton conducting polymer was contained in the porous membrane 1 by the following method to produce a proton conducting electrolyte membrane (electrolyte membrane No. 7).

N,N−ジメチルアセトアミド中に、クロロメチル化及びスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランを質量比で100:15となるよう混合し、減圧下で混合液の中に多孔質膜を浸漬させた。このように処理した多孔質膜を粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムに挟んで加熱し、100℃で5時間保持することにより、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は150μmであった。平均膜厚はシックネスゲージで任意の箇所を5点測定し、その平均を算出して求めた。またプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaは電解質膜No.1と同様にして測定した。結果を表4に示す。   In N, N-dimethylacetamide, chloromethylated and sulfonated polyetheretherketone and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane are mixed at a mass ratio of 100: 15, and the mixture is mixed under reduced pressure. The porous membrane was immersed. The porous membrane thus treated was sandwiched and heated between roughened polyethylene terephthalate films, and held at 100 ° C. for 5 hours to produce a proton conductive electrolyte membrane. The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane was 150 μm. The average film thickness was obtained by measuring five arbitrary points with a thickness gauge and calculating the average. The surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane is the same as that of the electrolyte membrane No. Measurement was performed in the same manner as in 1. The results are shown in Table 4.

〔プロトン伝導性電解質膜No.8、9の製造〕
プロトン伝導性電解質膜No.7において、多孔質膜、プロトン伝導性ポリマーの組成を表4のように代え、挟み込みに用いた粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムはそれぞれ違うものを用い電解質膜の表面粗さを制御した以外は、プロトン伝導性電解質膜No.7と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.8、9を作製した。測定したプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaを表4に示す。
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 8, 9]
Proton conductive electrolyte membrane No. 7 except that the composition of the porous membrane and the proton conductive polymer was changed as shown in Table 4, and the surface-roughened polyethylene terephthalate film used for the sandwiching was different, and the surface roughness of the electrolyte membrane was controlled. , Proton conductive electrolyte membrane No. In the same manner as in FIG. 8 and 9 were produced. Table 4 shows the measured surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

〔プロトン伝導性電解質膜No.10の製造〕
上記で作製した多孔質膜No.1の多孔質膜に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを含有し、プロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.10)を製造した。
[Proton conducting electrolyte membrane No. 10 production)
Porous membrane No. produced above. A proton conductive polymer was contained in the porous membrane 1 by the following method to produce a proton conductive electrolyte membrane (electrolyte membrane No. 10).

イソプロピルアルコール:水=2:1中に、「PhosmerM」(ユニケミカル(株)製)、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、「アクアロンKH−05」(第一工業製薬(株)製)、及び架橋剤としてN,N−メチレンビスアクリルアミドと重合開始剤としてAIBN(2,2′−アゾビスイソブチロニトリル)とを質量比で100:15:100:5:5:1となるよう混合し、減圧下で混合液の中に多孔質膜を浸漬させた。このように処理した多孔質膜を粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムに挟んで加熱し、60℃で2時間保持し、更に80℃で2時間保持することにより、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は150μmであった。平均膜厚はシックネスゲージで任意の箇所を5点測定し、その平均を算出して求めた。またプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaは電解質膜No.1と同様にして測定した。結果を表5に示す。   In isopropyl alcohol: water = 2: 1, “Phosmer M” (manufactured by Unichemical Co., Ltd.), 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, “AQUALON KH-05” (By Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), and N, N-methylenebisacrylamide as a crosslinking agent and AIBN (2,2′-azobisisobutyronitrile) as a polymerization initiator in a mass ratio of 100: 15: It mixed so that it might become 100: 5: 5: 1, and the porous membrane was immersed in the liquid mixture under pressure reduction. The porous membrane thus treated was sandwiched and heated between roughened polyethylene terephthalate films, held at 60 ° C. for 2 hours, and further held at 80 ° C. for 2 hours to produce a proton conductive electrolyte membrane. . The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane was 150 μm. The average film thickness was obtained by measuring five arbitrary points with a thickness gauge and calculating the average. The surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane is the same as that of the electrolyte membrane No. Measurement was performed in the same manner as in 1. The results are shown in Table 5.

〔プロトン伝導性電解質膜No.11、12の製造〕
プロトン伝導性電解質膜No.10において、多孔質膜、プロトン伝導性ポリマーの組成を表5のように代え、挟み込みに用いた粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムはそれぞれ違うものを用い電解質膜の表面粗さを制御した以外は、プロトン伝導性電解質膜No.10と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.11、12を作製した。測定したプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaを表5に示す。
[Proton conducting electrolyte membrane No. 11, 12)
Proton conductive electrolyte membrane No. 10 except that the composition of the porous membrane and the proton conductive polymer was changed as shown in Table 5, and the surface-roughened polyethylene terephthalate film used for the sandwiching was different and the surface roughness of the electrolyte membrane was controlled. , Proton conductive electrolyte membrane No. In the same manner as in No. 10, the proton conductive membrane No. 11 and 12 were produced. Table 5 shows the measured surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

〔プロトン伝導性電解質膜No.13〜16の製造〕
比較として前記プロトン伝導性電解質膜No.1において、多孔質膜への含有の有無、プロトン伝導性ポリマーの組成をを表6のように代え、挟み込みに用いた粗面化したポリエチレンテレフタレート製フィルムはそれぞれ違うものを用い、電解質膜の表面粗さを制御した以外は、プロトン伝導性電解質膜No.1と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.13〜16を作製した。測定したプロトン伝導性電解質膜の表面粗さRaを表6に示す。
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 13-16]
As a comparison, the proton conductive electrolyte membrane No. 1, the presence or absence of inclusion in the porous membrane and the composition of the proton conductive polymer were changed as shown in Table 6, and the roughened polyethylene terephthalate films used for sandwiching were different from each other, and the surface of the electrolyte membrane was used. Except for controlling the roughness, the proton conductive electrolyte membrane No. In the same manner as in No. 1, proton conductive electrolyte membrane No. 1 13-16 were produced. Table 6 shows the measured surface roughness Ra of the proton conductive electrolyte membrane.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

〔プロトン伝導性電解質膜の評価〕
〈プロトン伝導度〉
作製した本発明のプロトン伝導性電解質膜No.1〜12、比較のプロトン伝導性電解質膜No.13〜16を水中(25℃)で含水させ、その後2枚の白金電極に挟んで、ヒューレットパッカード社製LCRメーターHP4284Aを用いて、インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を算出した。
[Evaluation of proton conducting electrolyte membrane]
<Proton conductivity>
The produced proton conductive electrolyte membrane No. 1-12, comparative proton conductive electrolyte membrane No. 13 to 16 were water-containing in water (25 ° C.), and then sandwiched between two platinum electrodes. Impedance was measured using an LCR meter HP4284A manufactured by Hewlett-Packard, and proton conductivity was calculated.

〈メタノール透過性〉
図2のH型セルに作製したプロトン伝導性電解質膜No.1〜12及び比較試料としてプロトン伝導性電解質膜No.13〜16の任意の多孔質膜を挟み、Aセルに入れた2mol/Lメタノール水溶液からBセルの純水中に透過してくるメタノール量を島津製作所社製ガスクロマトグラフィー(GC−14B)で測定した。結果を表7に示す。
<Methanol permeability>
The proton conductive electrolyte membrane No. 1 prepared in the H-type cell of FIG. 1 to 12 and a proton conductive electrolyte membrane No. 1 as a comparative sample. The amount of methanol permeated into the pure water of the B cell from the 2 mol / L aqueous methanol solution placed in the A cell by sandwiching an arbitrary porous membrane of 13 to 16 by gas chromatography (GC-14B) manufactured by Shimadzu Corporation It was measured. The results are shown in Table 7.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

表7の結果より、本発明のプロトン伝導性電解質膜(No.1〜12)はプロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低いことがわかる。比較のプロトン伝導性電解質膜(No.13〜16)の内、No.14〜16はプロトン伝導性は高いが、メタノール透過性が高いとい欠点があることがわかる。   From the results in Table 7, it can be seen that the proton conductive electrolyte membranes (Nos. 1 to 12) of the present invention have high proton conductivity and low methanol permeability. Among the comparative proton conductive electrolyte membranes (Nos. 13 to 16), No. It can be seen that 14 to 16 have high proton conductivity but have a drawback of high methanol permeability.

〔燃料電池の作製と評価〕
作製した本発明のプロトン伝導性電解質膜No.1〜12、比較のプロトン伝導性電解質膜No.13〜16を用いた膜−電極接合体(MEA)を下記の方法で作製し、評価した。
[Fabrication and evaluation of fuel cells]
The produced proton conductive electrolyte membrane No. 1-12, comparative proton conductive electrolyte membrane No. Membrane-electrode assemblies (MEA) using 13 to 16 were prepared and evaluated by the following methods.

〈電極の作製〉
炭素繊維クロス基材にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で撥水処理を行った後、PTFEを20質量%含むカーボンブラック分散液を塗工、焼成して電極基材を作製した。この電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、またPt担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。
<Production of electrode>
The carbon fiber cloth substrate was subjected to water repellent treatment with polytetrafluoroethylene (PTFE), and then a carbon black dispersion containing 20% by mass of PTFE was applied and baked to prepare an electrode substrate. On this electrode substrate, an anode electrode catalyst coating solution composed of Pt—Ru-supported carbon and Nafion (DuPont) solution is applied and dried to form an anode electrode, and Pt-supported carbon and Nafion (DuPont) solution. A cathode electrode catalyst coating liquid consisting of was applied and dried to produce a cathode electrode.

〈膜−電極接合体(MEA)の作製〉
作製した本発明のプロトン伝導性電解質膜No.1〜12、比較のプロトン伝導性電解質膜No.13〜16をそれぞれアノード電極とカソード電極で夾持し、加熱プレスすることで膜−電極複合体(MEA)MEA−No.1〜16を作製した。
<Production of membrane-electrode assembly (MEA)>
The produced proton conductive electrolyte membrane No. 1-12, comparative proton conductive electrolyte membrane No. 13 to 16 are respectively held by an anode electrode and a cathode electrode and heated and pressed to form a membrane-electrode assembly (MEA) MEA-No. 1-16 were produced.

〈電流電圧特性の評価〉
作製した膜−電極接合体(MEA)をセパレータに挟み、アノード側に3%メタノール水溶液、カソード側に空気を流して燃料電池を作動し、電流電圧特性の評価を行った。電圧0.4Vでの電流密度を表8に示す。
<Evaluation of current-voltage characteristics>
The produced membrane-electrode assembly (MEA) was sandwiched between separators, and a fuel cell was operated by flowing a 3% methanol aqueous solution on the anode side and air on the cathode side, and current-voltage characteristics were evaluated. Table 8 shows the current density at a voltage of 0.4V.

〈接合性評価〉
前記電流電圧特性の評価後、同一条件下で250時間の連続発電試験を行った後、燃料電池セルを解体し、膜−電極接合体(MEA)を目視観察した。剥がれなどが認められず接合性良好(○)、一部分に剥がれが認められる(△)、数箇所に剥がれが認められ接合性不良(×)と評価した。結果を表8に示す。
<Evaluation of bondability>
After the evaluation of the current-voltage characteristics, a continuous power generation test for 250 hours was performed under the same conditions, the fuel cell was disassembled, and the membrane-electrode assembly (MEA) was visually observed. No peeling or the like was observed, and good bondability (◯), partial peeling was observed (Δ), and peeling was observed in several places, which were evaluated as poor bonding (x). The results are shown in Table 8.

Figure 2006318663
Figure 2006318663

表8の結果から、本発明に係る膜−電極接合体(MEA)は比較の膜−電極接合体(MEA)に比べて、電流密度が大きいことがわかる。更に接合性が良好であることがわかる。   From the results in Table 8, it can be seen that the membrane-electrode assembly (MEA) according to the present invention has a higher current density than the comparative membrane-electrode assembly (MEA). Furthermore, it turns out that bondability is favorable.

本発明の直接メタノール型固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the direct methanol type solid polymer fuel cell of this invention. メタノール透過性を評価するためのH型セルの概略図である。It is the schematic of the H-type cell for evaluating methanol permeability.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 アノード極(燃料極)
3 カソード極(空気極)
4 外部回路
1 Electrolyte membrane 2 Anode electrode (fuel electrode)
3 Cathode electrode (air electrode)
4 External circuit

Claims (7)

多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有したプロトン伝導性電解質膜であって、該電解質膜表面のJIS B 0601による算術平均粗さRaが0.5〜10.0μmであることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。 A proton conductive electrolyte membrane containing a proton conductive polymer in the pores of the porous membrane, wherein an arithmetic average roughness Ra according to JIS B 0601 of the electrolyte membrane surface is 0.5 to 10.0 μm A proton conductive electrolyte membrane. 前記多孔質膜が無機多孔質膜であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous membrane is an inorganic porous membrane. 前記多孔質膜が無機粒子を含有した有機多孔質膜であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the porous membrane is an organic porous membrane containing inorganic particles. カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質からなる固体高分子型燃料電池において、該電解質として請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode electrode, an anode electrode, and an electrolyte sandwiched between the electrodes, wherein the proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3 is used as the electrolyte. Solid polymer fuel cell. 多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを含有したプロトン伝導性電解質膜の製造方法であって、該電解質膜表面のJIS B 0601による算術平均粗さRaが0.5〜10.0μmとなるように製造することを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。 A method for producing a proton conductive electrolyte membrane containing a proton conductive polymer in the pores of a porous membrane, wherein the arithmetic average roughness Ra of the electrolyte membrane surface according to JIS B 0601 is 0.5 to 10.0 μm A method for producing a proton conductive electrolyte membrane, characterized by comprising: 前記細孔中のプロトン伝導性ポリマーが、該細孔中少なくとも分子内に1個以上のプロトン解離性の基を含有するモノマーを含有させ、次いでIn−situ重合することにより製造されることを特徴とする請求項5に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。 The proton conductive polymer in the pores is produced by containing a monomer containing one or more proton dissociable groups in at least a molecule in the pores, and then in-situ polymerization. The method for producing a proton conductive electrolyte membrane according to claim 5. 前記細孔中のプロトン伝導性ポリマーが、該細孔中少なくとも分子内に1個以上のプロトン解離性の基を含有するモノマー及び下記一般式(1)で表される化合物を含有させ、次いでIn−situ重合することにより製造されることを特徴とする請求項5に記載のプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
Figure 2006318663
(式中、R1は炭素数4以下のアルキル基を表し、R2は共重合または反応可能な有機基を表し、m、nはいずれも1〜3の整数である。但し、m+n=4であり、mが2または3のとき、R2は同じでも異なっていてもよい。)
The proton conductive polymer in the pore contains a monomer containing at least one proton dissociable group in the pore and a compound represented by the following general formula (1), and then In 6. The method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to claim 5, wherein the method is produced by -situ polymerization.
Figure 2006318663
(In the formula, R 1 represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, R 2 represents a copolymerizable or reactive organic group, and m and n are each an integer of 1 to 3, provided that m + n = 4. And when m is 2 or 3, R 2 may be the same or different.)
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