JP2007149651A - Electrolyte film and method of manufacturing same, and its application - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte film with a low fuel crossover and a small humidity dependency of ionic conductivity, and to provide a film electrode composite and a fuel cell quickly rising from a fuel depletion state to generate by supplying fuel and capable of attaining high output even in a state of high temperature and low humidification. <P>SOLUTION: The electrolyte film 3 contains an acidic group AH with a PKa value between -17.0 and 5.0 and a water alternative group B with a PKb value between -6.0 and 4.0. The manufacturing method for the electrolyte film comprises a process impregnating or filling a material containing the water alternative group B and/or a material containing a water alternative group B precursor and/or a material containing the acidic group AH and/or a material containing an acidic group AH precursor in the electrolyte film comprising the acidic group AH and/or the water alternative group B. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜およびその製法ならびにそれを用いた膜電極複合体や燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane, a process for producing the same, a membrane electrode assembly using the same, and a fuel cell.

燃料電池は、排出物が少なく、かつエネルギー効率が高く、環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、ロボット、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に替わり、携帯電話やパソコンなどへの搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low burden on the environment. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices, robots, and portable devices, and is expected to be installed in mobile phones and personal computers in place of secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries.

高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)においては、水素ガスを燃料とする従来の高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと記載する場合がある)に加えて、メタノールなどの燃料を直接供給する直接型燃料電池も注目されている。直接型燃料電池は、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In polymer electrolyte fuel cells, in addition to conventional polymer electrolyte fuel cells using hydrogen gas as fuel (hereinafter sometimes referred to as PEFC), fuel such as methanol is directly used. Direct fuel cells to be supplied are also attracting attention. The direct fuel cell has a lower output than the conventional PEFC, but the fuel is liquid and does not use a reformer, so the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long. There is an advantage.

高分子電解質型燃料電池は通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソードとの間でプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(MEA)を構成し、このMEAがセパレータによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる電極触媒層とから構成されている。たとえばPEFCのアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、プロトン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、プロトン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも必要となる。   In a polymer electrolyte fuel cell, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode constitute a membrane electrode assembly (MEA). A cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode substrate (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and an electrode catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. ing. For example, in the anode electrode of PEFC, a fuel such as hydrogen gas reacts in the catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are conducted to the polymer electrolyte membrane. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusivity, electron conductivity, and proton conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is reacted with protons conducted from the polymer electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material in the catalyst layer of the cathode electrode to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is necessary to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and proton conductivity.

また、PEFCの中でも、メタノールなどを燃料とする直接型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFCとは異なる性能が要求される。すなわち、直接型燃料電池においては、アノード電極ではメタノール水溶液などの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトン、電子、二酸化炭素を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質に伝導し、二酸化炭素は電極基材を通過して系外へ放出される。このため、従来のPEFCのアノード電極の要求特性に加えて、メタノール水溶液などの燃料透過性や二酸化炭素の排出性も要求される。さらに、直接型燃料電池のカソード電極では、従来のPEFCと同様な反応に加えて、電解質膜を透過したメタノールなどの燃料と酸素あるいは空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、二酸化炭素と水を生成する反応も起こる。このため、従来のPEFCよりも生成水が多くなるため、さらに効率よく水を排出することが必要となる。   Among PEFCs, a direct fuel cell using methanol or the like as a fuel requires performance different from that of a conventional PEFC using hydrogen gas as a fuel. That is, in a direct type fuel cell, a fuel such as a methanol aqueous solution reacts with the catalyst layer of the anode electrode to produce protons, electrons, and carbon dioxide at the anode electrode, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are polymer electrolyte. The carbon dioxide passes through the electrode substrate and is released out of the system. For this reason, in addition to the required characteristics of the anode electrode of the conventional PEFC, fuel permeability such as aqueous methanol solution and carbon dioxide emission are also required. Further, in the cathode electrode of the direct type fuel cell, in addition to the reaction similar to that of the conventional PEFC, fuel such as methanol that has permeated through the electrolyte membrane and oxidizing gas such as oxygen or air are mixed with carbon dioxide in the cathode electrode catalyst layer. Reactions that produce water also occur. For this reason, since generated water becomes more than conventional PEFC, it is necessary to discharge water more efficiently.

従来、高分子電解質膜として“ナフィオン(登録商標)”(デュポン社製、商品名)に代表されるパーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー膜が使用されてきた。しかし、これらのパーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー膜は、直接型燃料電池においてはメタノールなどの燃料透過が大きく、電池出力やエネルギー効率が十分でないという問題があった。また、低含水率状態でのイオン伝導度が不十分であるといった問題がある。すなわち、クラスターチャンネルの中で水を介してプロトン伝導するため、イオン伝導度が湿度による膜含水率に大きく依存する。さらに、パーフルオロ系プロトン伝導性ポリマーは、フッ素を使用するという点から価格も非常に高いものである。   Conventionally, a perfluoro proton conductive polymer membrane represented by “Nafion (registered trademark)” (manufactured by DuPont, trade name) has been used as a polymer electrolyte membrane. However, these perfluoro proton conductive polymer membranes have a problem that the direct fuel cell has a large permeation of fuel such as methanol, and the cell output and energy efficiency are not sufficient. In addition, there is a problem that the ionic conductivity in the low water content state is insufficient. That is, since proton conduction is conducted through water in the cluster channel, the ionic conductivity largely depends on the moisture content of the membrane due to humidity. Furthermore, the perfluoro proton conductive polymer is very expensive because it uses fluorine.

従来のパーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー膜とは異なる非パーフルオロ系プロトン伝導性ポリマー膜として、オルガノシロキサン骨格と、PKaが3以下酸性酸化物となる金属元素および/または半金属元素を有する無機成分を含むプロトン伝導体(特許文献1)、メソゲン基とPKaが1.5以下の酸性基を有する重合体を含むプロトン伝導材料(特許文献2)およびこれらの文献に記載されている従来技術が挙げられる。   Non-perfluoro proton conductive polymer film different from the conventional perfluoro proton conductive polymer film, an inorganic component having an organosiloxane skeleton and a metal element and / or metalloid element whose PKa is 3 or less as an acidic oxide A proton conductor containing a polymer (Patent Document 1), a proton conductive material containing a polymer having a mesogenic group and an acidic group having a PKa of 1.5 or less (Patent Document 2), and conventional techniques described in these documents It is done.

特許文献1では、PKaが3以下の官能基を必須としているが、その定義、測定または計算方法の記載がなく、得られるプロトン伝導体の伝導度、および強度のバランスでは実用に耐えうる燃料電池は作製できなかった。   In Patent Document 1, a functional group having a PKa of 3 or less is essential, but there is no description of its definition, measurement or calculation method, and a fuel cell that can withstand practical use in terms of the balance of conductivity and strength of the proton conductor obtained. Could not be produced.

特許文献2でも、特許文献1同様、PKaの定義、測定または計算方法の記載がなく、実施例に挙げられているポリマーのPKa値も明らかではない。また、含有する酸性基は、PKa1.5以下のプロトン供与基であり、低含水率下ではプロトン伝導が低下すると推測され、実用に耐えうる燃料電池は作製できなかった。
特開2002−245846号公報 特開2004−323805号公報
Even in Patent Document 2, as in Patent Document 1, there is no description of definition, measurement or calculation method of PKa, and the PKa value of the polymer mentioned in the examples is not clear. In addition, the acidic group contained was a proton donating group having a PKa of 1.5 or less, and it was estimated that proton conduction would decrease under a low water content, and a fuel cell that could withstand practical use could not be produced.
JP 2002-245846 A JP 2004-323805 A

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、燃料クロスオーバーが低く、イオン伝導度の湿度依存性が小さな電解質膜を提供し、さらには、燃料枯渇状態から燃料を供給して発電するまで立ち上がりがよく、また高温低加湿状態でも高出力が達成できる膜電極複合体および燃料電池を提供せんとするものである。   The present invention provides an electrolyte membrane having a low fuel crossover and a small dependency of ion conductivity on humidity in view of the background of the prior art, and further, rising from the fuel depleted state until power is generated by supplying fuel. In addition, the present invention intends to provide a membrane electrode assembly and a fuel cell that can achieve high output even under high temperature and low humidity conditions.

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の電解質膜は、S1式で定義されるPKa値が−17.0以上5.0以下の酸性基AHを含み、かつS2式で定義されるPKb値が−6.0以上4.0以下の水代替基Bを含有することを特徴とするものである。   The present invention employs the following means in order to solve such problems. That is, the electrolyte membrane of the present invention includes an acidic group AH having a PKa value defined by the formula S1 of −17.0 to 5.0 and a PKb value defined by the formula S2 of −6.0 to 4 It is characterized by containing a water substitution group B of 0.0 or less.

Figure 2007149651
Figure 2007149651

(AH:酸性基、B:水代替基、PKaおよびPKb:平衡定数の対数をとったもの、[ ]:濃度)
また、本発明の膜電極複合体および燃料電池は、かかる電解質膜を用いて構成されていることを特徴とするものである。
(AH: acidic group, B: water substitute group, PKa and PKb: logarithm of equilibrium constant, []: concentration)
In addition, the membrane electrode assembly and the fuel cell of the present invention are configured using such an electrolyte membrane.

本発明によれば、低燃料クロスオーバーとイオン伝導度の湿度依存性が小さな電解質膜の提供が可能となり、かかる電解質膜からなる膜電極複合体を用いることによって、高出力な燃料電池を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide an electrolyte membrane having a low fuel crossover and a small humidity dependency of ionic conductivity, and a high-power fuel cell is provided by using a membrane electrode assembly made of such an electrolyte membrane. It becomes possible.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明の電解質膜は、S1式で定義されるPKa値が−17.0以上5.0以下の酸性基AHを含み、かつS2式で定義されるPKb値が−6.0以上4.0以下の水代替基Bを含有することが必要である。   The electrolyte membrane of the present invention includes an acidic group AH having a PKa value defined by the formula S1 of −17.0 to 5.0 and a PKb value defined by the formula S2 of −6.0 to 4.0. It is necessary to contain the following water substitute group B.

Figure 2007149651
Figure 2007149651

(AH:酸性基、B:水代替基、PKaおよびPKb:平衡定数の対数をとったもの、[ ]:濃度)
PKa値が−17.0以上5.0以下の酸性基AHはプロトン供与基として必須であり、PKb値が−6.0以上4.0以下の水代替基Bは低含水状態でも、該水代替基Bを介してプロトンを伝導させるために必須である。さらに、該水代替基Bが電解質膜中に存在することで、含水率を低下させることができ、燃料クロスオーバーが低減する。
(AH: acidic group, B: water substitute group, PKa and PKb: logarithm of equilibrium constant, []: concentration)
The acidic group AH having a PKa value of −17.0 or more and 5.0 or less is essential as a proton donating group, and the water substitute group B having a PKb value of −6.0 or more and 4.0 or less is a water-containing group even in a low water content state. Essential for conducting protons through the alternative group B. Furthermore, the water substitution group B is present in the electrolyte membrane, so that the water content can be reduced and the fuel crossover is reduced.

PKa値が−17.0以上、5以下であればプロトン伝導度が良好となる。PKa値が−17.0以上0.0以下がより好ましい。   When the PKa value is −17.0 or more and 5 or less, the proton conductivity is good. The PKa value is more preferably from −17.0 to 0.0.

また、PKb値が−6.0以上であれば、水と同程度にプロトンを放しやすくなり、PKb値が4.0以下であれば水と同程度にプロトンを受け取りやすくなる。PKb値が−5.0以上3.0以下がより好ましい。   If the PKb value is −6.0 or more, protons are easily released as much as water, and if the PKb value is 4.0 or less, protons are easily received as much as water. The PKb value is more preferably −5.0 or more and 3.0 or less.

本発明のPKa値は以下の方法で測定できる。   The PKa value of the present invention can be measured by the following method.

本発明ではS1式でPKa値を定義しているが、pH=-log[H]であるので、S1式はpKa=−log([A-]/[AH])+pHと書き直すことができる。この式より、 −log([A-]/[AH])=0、すなわちの[A-]/[AH]=1の状態のpHがpKaである。 In the present invention, the PKa value is defined by the S1 expression. However, since pH = −log [H + ], the S1 expression can be rewritten as pKa = −log ([A ] / [AH]) + pH. . From this equation, the pH in the state of −log ([A ] / [AH]) = 0, that is, [A ] / [AH] = 1 is pKa.

具体的な測定方法例としては、酸性基AHを含む電解質膜原料の水溶液に、所定の濃度のNaOH水溶液などのアルカリを加えて、通常公知の中和滴定により、pH測定を行い、[A-]=[AH]、すなわち、50%中和が進んだときのpHをpKa値とする。50%中和が進んだ状態のpHは、中和滴定曲線の傾きが最小になったときの値である。 As a specific measuring method example, an aqueous solution of the electrolyte membrane material containing an acidic group AH, by adding an alkali such as NaOH aqueous solution having a predetermined concentration, by conventional known neutralization titration, performed pH measurements, [A - ] = [AH], that is, the pH when neutralization of 50% proceeds is defined as the pKa value. The pH at which 50% neutralization has progressed is the value when the slope of the neutralization titration curve is minimized.

PKb値についても同様に、S2式がpKb=−log([B]/[BH+])+pHと書き直すことができ、水代替基Bを含む電解質膜原料の水溶液に、HCl等の酸を加えて通常公知の中和滴定を行ない、50%中和が進んだとき、すなわち、中和滴定曲線の傾きが最小になったときのpHをpKb値とする。 Similarly, for the PKb value, the equation S2 can be rewritten as pKb = −log ([B] / [BH + ]) + pH, and an acid such as HCl is added to the aqueous solution of the electrolyte membrane material containing the water substitute group B. Then, generally known neutralization titration is carried out, and the pH when 50% neutralization progresses, that is, when the slope of the neutralization titration curve is minimized is defined as the pKb value.

pKa値およびpKb値の測定方法において、電解質膜粉末の分散量や滴定に用いる酸、アルカリの種類、濃度、pH計測、滴定装置、器具などは適宜実験的に決定するものであり、通常公知の方法を使用できる。   In the measuring method of pKa value and pKb value, the amount of electrolyte membrane powder dispersed, the type of acid and alkali used for titration, concentration, pH measurement, titration device, instrument, etc. are determined experimentally as appropriate, and are generally known. You can use the method.

また、あらかじめ既知の、酸性基AHおよび/またはこの前駆体や水代替基Bおよび/またはこの前駆体を含む電解質膜の原料を使用する場合、上記の測定を行わなくても、 Pliego, J. R., Jr.; Riveros, J. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 1622.や岩波講座 現代化学9 酸塩基と酸化還元(岩波書店)、化学便覧(基礎編)丸善などに記載のpKa値およびpKb値を用いて、使用する原料を選択することができる。   In addition, when the raw material of the electrolyte membrane containing the acidic group AH and / or this precursor or the water substitute group B and / or this precursor is used in advance, Pliego, JR, Jr .; Riveros, JM Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 1622. and Iwanami Lecture Modern Chemistry 9 Acid-base and redox (Iwanami Shoten), Chemical Handbook (Basic) Maruzen The raw material to be used can be selected using the pKb value.

また、酸性基AH、水代替基Bを含む電解質膜のpKa値およびpKb値を測定する場合は、電解質膜を凍結粉砕機などで微粉末化し、500nm以下の電解質粉末を、所定量、水に分散させた分散液を作製し、上記中和滴定の試料として用いることができる。   In addition, when measuring the pKa value and pKb value of an electrolyte membrane containing an acidic group AH and a water substitution group B, the electrolyte membrane is pulverized with a freeze pulverizer or the like, and an electrolyte powder of 500 nm or less is added to a predetermined amount of water. A dispersed dispersion can be prepared and used as a sample for the neutralization titration.

本発明中のPKa値が−17.0以上5.0以下の酸性基AHとしては、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基( −SO2(OH) )、硫酸基( −OSO2(OH) )、スルホンイミド基( −SO2NHSO2R(Rは有機基を表す。) )、ホスホン酸基( −PO(OH)2 )、リン酸基( −OPO(OH)2 )、カルボン酸基( −CO(OH) )、およびこれらの塩等から選択される一種以上を好ましく採用することができる。これらの酸性基は2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基のいずれかを有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。 As the acidic group AH having a PKa value of −17.0 or more and 5.0 or less in the present invention, one having proton exchange ability is preferable. Examples of such a functional group, a sulfonic acid group (-SO 2 (OH)), a sulfuric acid group (-OSO 2 (OH)), a sulfonimide group (-SO 2 NHSO 2 R (R represents an organic group.) ), A phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ), a phosphoric acid group (—OPO (OH) 2 ), a carboxylic acid group (—CO (OH) 2), and salts thereof are preferred. Can be adopted. These acidic groups can be contained in two or more types, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least one of a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance.

本発明の電解質膜がスルホン酸基を有する場合、そのスルホン酸基密度は、プロトン伝導性および燃料クロスオーバー抑制の点から0.1〜5.0mmol/gが好ましく、より好ましくは0.5〜3.5mmol/g、さらに好ましくは1.0〜3.5mmol/gである。スルホン酸基密度を0.1mmol/g以上とすることにより、伝導度すなわち燃料電池の出力性能を維持することができ、また5.0mmol/g以下とすることで、燃料電池用電解質膜として使用する際に、十分な燃料遮断性および含水時の機械的強度を得ることができる。   When the electrolyte membrane of the present invention has a sulfonic acid group, the sulfonic acid group density is preferably 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably 0.5 to 0.5 from the viewpoint of proton conductivity and fuel crossover suppression. 3.5 mmol / g, more preferably 1.0 to 3.5 mmol / g. When the sulfonic acid group density is 0.1 mmol / g or more, conductivity, that is, the output performance of the fuel cell can be maintained, and when it is 5.0 mmol / g or less, it is used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In this case, sufficient fuel barrier properties and mechanical strength when containing water can be obtained.

ここで、スルホン酸基密度とは、電解質膜の単位乾燥重量当たりに導入されたスルホン酸基のモル量であり、この値が大きいほどスルホン化の度合いが高いことを示す。スルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定あるいは核磁気共鳴スペクトル法等により測定が可能である。スルホン酸基密度測定の容易さや精度の点で、元素分析が好ましく、通常はこの方法で分析を行う。ただし、スルホン酸基以外に硫黄源を含む場合など元素分析法では正確なスルホン酸基密度の算出が困難な場合には中和滴定法を用いるものとする。さらに、これらの方法でもスルホン酸基密度の決定が困難な場合においては、核磁気共鳴スペクトル法を用いることが可能である。   Here, the sulfonic acid group density is the molar amount of the sulfonic acid group introduced per unit dry weight of the electrolyte membrane, and the larger the value, the higher the degree of sulfonation. The sulfonic acid group density can be measured by elemental analysis, neutralization titration or nuclear magnetic resonance spectroscopy. Elemental analysis is preferable from the viewpoint of ease of measurement of sulfonic acid group density and accuracy, and analysis is usually performed by this method. However, the neutralization titration method is used when it is difficult to accurately calculate the sulfonic acid group density by the elemental analysis method such as when a sulfur source is included in addition to the sulfonic acid group. Furthermore, when it is difficult to determine the sulfonic acid group density by these methods, it is possible to use a nuclear magnetic resonance spectrum method.

本発明中のPKb値が−6.0以上4.0以下の水代替基Bとしては、-OH、-O-Si(OH)、-COOH、-Ar-NH、-(NO2-Ar-NH2、-SO2-NH2、-CO-NH2(Ar、Arは、アリーレン基を表す)より選択される一種類以上からなる
ことが好ましく、プロトンの受け渡し能力が水(PKb=−1.74)とより近い点から-OH, -O-Si(OH)3, -Ph-NH2, -(NO2)2PhNH2, -CO-NH2より選択される一種類以上からなることがさらに好ましい。
Examples of the water substitution group B having a PKb value of −6.0 or more and 4.0 or less in the present invention include —OH, —O—Si (OH) 3 , —COOH, —Ar 1 —NH 2 , — (NO 2). 2 ) Ar 2 —NH 2 , —SO 2 —NH 2 , —CO—NH 2 (Ar 1 , Ar 2 represents an arylene group) is preferable, and protons are transferred. Select from -OH, -O-Si (OH) 3 , -Ph-NH 2 ,-(NO 2 ) 2 PhNH 2 , -CO-NH 2 because the capacity is closer to water (PKb = -1.74) More preferably, it is composed of one or more kinds.

水代替基を有する、具体的な例としては、ビニルアルコール、ビニルアニリン、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、アクリルアミド、カルボキシメチルセルロースヒドロキシプロピルセルロースなどから選択される一種以上の重合体、共重合体、オリゴマーまたは縮合物などが挙げられるが、ここに挙げた例以外でも多数の化合物があり、PKb値が本発明の範囲内であれば特に制限はない。   Specific examples having a water substitute group include one or more polymers, copolymers, and oligomers selected from vinyl alcohol, vinylaniline, tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, acrylamide, carboxymethylcellulose hydroxypropylcellulose, and the like. Alternatively, condensates and the like can be mentioned, but there are many compounds other than the examples given here, and there is no particular limitation as long as the PKb value is within the scope of the present invention.

本発明中の酸性基AHおよび水代替基Bはポリマーの官能基として電解質膜中に存在してもよいし、添加剤として存在してもよい。また、酸性基AHと水代替基Bの両方の基を有するポリマーでも、別々に有するポリマーの複合体でもよい。特に、酸性基AHを有する電解質膜や多孔質膜中に、水代替基Bを有する単量体や化合物を含浸または充填させ、それらを重合や反応によって酸性基AHを有する電解質膜中や多孔質膜に固定化することが好ましい。また、逆に水代替基Bを有する電解質膜や多孔質膜中に、酸性基AHを有する単量体や化合物を含浸または充填させ、それらを重合や反応によって水代替基Bを有する電解質膜中や多孔質膜に固定化してもよい。   The acidic group AH and the water substitute group B in the present invention may exist in the electrolyte membrane as a functional group of the polymer, or may exist as an additive. Moreover, the polymer which has both group of acidic group AH and water alternative group B, or the composite of the polymer which has separately may be sufficient. In particular, an electrolyte membrane or porous membrane having an acidic group AH is impregnated or filled with a monomer or compound having a water substitute group B, and these are polymerized or reacted to form an electrolyte membrane or porous membrane having an acidic group AH. It is preferably immobilized on a membrane. Conversely, in an electrolyte membrane having a water substitute group B by impregnating or filling a monomer or compound having an acidic group AH into an electrolyte membrane or porous membrane having a water substitute group B, and polymerizing or reacting them. Or may be immobilized on a porous membrane.

本発明における、酸性基AHを有する電解質膜用のポリマーの種類としては、耐加水分解性や耐燃料性、また、高温での燃料電池の運転を想定した場合の耐熱性に優れるポリマーが好ましい。   In the present invention, the polymer for the electrolyte membrane having an acidic group AH is preferably a polymer excellent in hydrolysis resistance, fuel resistance, and heat resistance when it is assumed that the fuel cell is operated at a high temperature.

その具体例としては、酸性基含有ポリフェニレンオキシド、酸性基含有ポリエーテルケトン、酸性基含有ポリエーテルエーテルケトン、酸性基含有ポリエーテルスルホン、酸性基含有ポリエーテルエーテルスルホン、酸性基含有ポリエーテルホスフィンオキシド、酸性基含有ポリエーテルエーテルホスフィンオキシド、酸性基含有ポリフェニレンスルフィド、酸性基含有ポリアミド、酸性基含有ポリイミド、酸性基含有ポリエーテルイミド、酸性基含有ポリイミダゾール、酸性基含有ポリオキサゾール、酸性基含有ポリフェニレンなどの、酸性基を有する芳香族炭化水素系ポリマーが挙げられる。ここで、酸性基については前述のとおりである。   Specific examples thereof include acidic group-containing polyphenylene oxide, acidic group-containing polyether ketone, acidic group-containing polyether ether ketone, acidic group-containing polyether sulfone, acidic group-containing polyether ether sulfone, acidic group-containing polyether phosphine oxide, Acid group-containing polyether ether phosphine oxide, acid group-containing polyphenylene sulfide, acid group-containing polyamide, acid group-containing polyimide, acid group-containing polyether imide, acid group-containing polyimidazole, acid group-containing polyoxazole, acid group-containing polyphenylene, etc. And an aromatic hydrocarbon polymer having an acidic group. Here, the acidic group is as described above.

これらポリマーの合成方法は、前記した特性や要件を満足できれば特に限定されるものではなく、例えば重合して得たポリマーに酸性基またはその誘導体を導入してもよく、モノマーに酸性基またはその誘導体を導入後、該モノマーを重合して得ても構わない。   The method for synthesizing these polymers is not particularly limited as long as the above properties and requirements can be satisfied. For example, an acidic group or a derivative thereof may be introduced into a polymer obtained by polymerization, and an acidic group or a derivative thereof may be introduced into a monomer. After the introduction, the monomer may be polymerized.

また、燃料クロスオーバー低減の観点から、上記電解質膜が9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン由来の成分、フェノールフタレイン由来の成分、および4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン由来の成分から選ばれた少なくとも1種を含有することが好ましく、ポリエーテルエーテルケトン骨格であることがさらに好ましい。   From the viewpoint of reducing fuel crossover, the electrolyte membrane is a component derived from 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, a component derived from phenolphthalein, and a component derived from 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane. It is preferable to contain at least one selected from the group consisting of a polyetheretherketone skeleton.

本発明の高分子電解質膜、それらが非架橋構造を有する場合、それらのGPC法による重量平均分子量は1万〜500万が好ましく、より好ましくは3万〜100万である。重量平均分子量を1万以上とすることで、実用に供しうる機械的強度を得ることができる。一方、500万以下とすることで、十分な溶解性を得ることができ、溶液粘度が高くなりすぎるのを防ぎ良好な加工性を維持することができる。   When the polymer electrolyte membranes of the present invention and they have a non-crosslinked structure, the weight average molecular weight by GPC method is preferably 10,000 to 5,000,000, more preferably 30,000 to 1,000,000. By setting the weight average molecular weight to 10,000 or more, it is possible to obtain mechanical strength that can be practically used. On the other hand, by setting it to 5 million or less, sufficient solubility can be obtained, and it is possible to prevent the solution viscosity from becoming too high and maintain good processability.

以下に本発明の一例として、酸性基AHを有する電解質膜や多孔質膜中に、水代替基Bを有する単量体や化合物を含浸または充填させ、それらを重合や反応によって酸性基AHを有する電解質膜中や多孔質膜に固定化する場合の態様を説明する。   As an example of the present invention, an electrolyte membrane or porous membrane having an acidic group AH is impregnated or filled with a monomer or compound having a water substitute group B, and these have an acidic group AH by polymerization or reaction. An embodiment in the case of immobilization in an electrolyte membrane or a porous membrane will be described.

まず、酸性基AHを有する電解質膜や多孔質膜の説明であるが、酸性基AHとして例えばスルホン酸基を有する重合体を膜へ転化する方法としては、−SO3M型(Mは金属)のポリマーを溶液状態より製膜し、その後高温で熱処理し、プロトン置換して膜とする方法が挙げられる。前記の金属Mはスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。 First, an electrolyte membrane and a porous membrane having an acidic group AH will be described. As a method for converting a polymer having, for example, a sulfonic acid group into an acidic group AH into a membrane, -SO 3 M type (M is a metal) A method of forming a film of the polymer from a solution state, then heat-treating it at a high temperature, and substituting protons to form a film. The metal M may be any salt as long as it can form a salt with sulfonic acid, but Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W, and the like are preferable. Among these, Li, Na, K, Ca, Sr, and Ba are more preferable, and Li, Na, and K are more preferable.

前記熱処理の温度としては、燃料遮断性の点で200〜500℃が好ましく、250〜400℃がより好ましく、300〜350℃がさらに好ましい
また、熱処理時間としては、プロトン伝導性および生産性の点で1分〜24時間が好ましく、3分〜1時間がより好ましく、5分〜30分がさらに好ましい。
The temperature of the heat treatment is preferably 200 to 500 ° C., more preferably 250 to 400 ° C., and further preferably 300 to 350 ° C. in terms of fuel cutoff, and the heat treatment time includes proton conductivity and productivity. Is preferably 1 minute to 24 hours, more preferably 3 minutes to 1 hour, and even more preferably 5 minutes to 30 minutes.

−SO3M型のポリマーを溶液状態より製膜する方法としては例えば、粉砕した−SO3M型のポリマーをMの塩またはMの水酸化物の水溶液に浸漬し、水で充分洗浄した後、乾燥し、次に非プロトン性極性溶媒等に溶解して溶液を調製し、該溶液よりガラス板あるいはフィルム上に適当なコーティング法で塗布し、溶媒を除去し、酸処理する方法を例示することができる。 As a method for forming a film of —SO 3 M type polymer from a solution state, for example, after pulverizing —SO 3 M type polymer is immersed in an aqueous solution of M salt or M hydroxide and thoroughly washed with water Illustrates a method of drying, then dissolving in an aprotic polar solvent, etc. to prepare a solution, applying the solution on a glass plate or film by an appropriate coating method, removing the solvent, and acid treatment be able to.

コーティング法としては、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、スクリーン印刷などの手法が適用できる。   As the coating method, methods such as spray coating, brush coating, dip coating, die coating, curtain coating, flow coating, spin coating, and screen printing can be applied.

製膜に用いる溶媒としては、高分子化合物を溶解し、その後に除去し得るものであればよく、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、γ−ブチロラクトン、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、あるいはイソプロパノールなどのアルコール系溶媒が好適に用いられる。   The solvent used for film formation may be any solvent that dissolves the polymer compound and can be removed thereafter. For example, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, Aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and hexamethylphosphontriamide, ester solvents such as γ-butyrolactone and butyl acetate, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate Solvents, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, alkylene glycol monoalkyl ethers such as propylene glycol monoethyl ether, or alcohols such as isopropanol Lumpur solvent is preferably used.

本発明の電解質膜の膜厚としては、通常3〜2000μmのものが好適に使用される。実用に耐える膜の強度を得るには3μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能の向上のためには2000μmより薄い方が好ましい。膜厚のより好ましい範囲は5〜1000μm、さらに好ましい範囲は10〜500μmである。   As the thickness of the electrolyte membrane of the present invention, a membrane having a thickness of 3 to 2000 μm is usually preferably used. A thickness of more than 3 μm is preferable to obtain a membrane strength that can withstand practical use, and a thickness of less than 2000 μm is preferable in order to reduce membrane resistance, that is, improve power generation performance. A more preferable range of the film thickness is 5 to 1000 μm, and a more preferable range is 10 to 500 μm.

膜厚は、種々の方法で制御できる。例えば、溶媒キャスト法で製膜する場合は、溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御することができるし、また、例えばキャスト重合法で製膜する場合は板間のスペーサー厚みによって調製することもできる。   The film thickness can be controlled by various methods. For example, when forming a film by the solvent casting method, it can be controlled by the solution concentration or the coating thickness on the substrate. For example, when forming the film by the cast polymerization method, it is prepared by the spacer thickness between the plates. You can also.

また、本発明の電解質膜には、通常の高分子化合物に使用される可塑剤、安定剤あるいは離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で添加することができる。   In addition, an additive such as a plasticizer, a stabilizer, or a mold release agent used for a general polymer compound can be added to the electrolyte membrane of the present invention within a range not contrary to the object of the present invention.

本発明の電解質膜は、必要に応じて放射線照射などの手段によって高分子構造を架橋せしめることもできる。架橋せしめることにより、燃料クロスオーバーおよび燃料に対する膨潤をさらに抑制する効果が期待でき、機械的強度が向上し、より好ましくなる場合がある。放射線照射の種類としては例えば、電子線照射やγ線照射を挙げることができる。   In the electrolyte membrane of the present invention, the polymer structure can be cross-linked by means such as irradiation with radiation as necessary. By crosslinking, an effect of further suppressing fuel crossover and swelling with respect to the fuel can be expected, and mechanical strength is improved, which may be more preferable. Examples of radiation irradiation include electron beam irradiation and γ-ray irradiation.

また、酸性基AHを有する電解質膜は多孔質膜であってもよい。多孔質膜としては、酸性基AHを有し、空隙率が5〜80体積%、空隙の孔径の平均が50nm未満であることが、燃料遮断性の観点から好ましい。該多孔質体構成する重合体としては、熱硬化性樹脂でもよいし結晶性または非晶性の熱可塑性樹脂でもよいし、また無機物や無機酸化物や有機無機複合体などが含まれていてもよいが、空隙を形成でき、また、空隙の内部に酸性基AHが存在できるように構成されているものを用いる。   The electrolyte membrane having an acidic group AH may be a porous membrane. The porous membrane preferably has an acidic group AH, a porosity of 5 to 80% by volume, and an average pore diameter of less than 50 nm from the viewpoint of fuel cutoff. The polymer constituting the porous body may be a thermosetting resin, a crystalline or amorphous thermoplastic resin, or may contain an inorganic substance, an inorganic oxide, an organic-inorganic composite, or the like. Although what is good is used, what is comprised so that the space | gap can be formed and the acidic group AH can exist in the inside of a space | gap is used.

従って重合体を構成する単量体の1種以上は、酸性基AHを有するか、または後処理で酸性基AHが導入可能なものが好ましい。ここでの「導入」とは、重合体自身に酸性基AHが化学的に結合された状態や酸性基AHを有する物質が重合体表面に強く吸着された状態や酸性基AHを有する物質がドープされた状態などのように、洗浄等の物理的手段により容易に酸性基AHが脱離されない状態にすることをさす。   Therefore, at least one monomer constituting the polymer preferably has an acidic group AH or can be introduced with an acidic group AH by post-treatment. Here, “introduction” means a state where an acidic group AH is chemically bonded to the polymer itself, a state where a substance having an acidic group AH is strongly adsorbed on the polymer surface, or a substance having an acidic group AH. It means that the acidic group AH is not easily detached by physical means such as washing as in the case where the acid group A is removed.

また、酸性基AHを有する繰り返し単位とそうでない繰り返し単位とが、交互に共存し、酸性基AHを有する繰り返し単位の繰り返しの連続性がプロトン伝導を損なわない程度に適度に分断されていることが好ましい。そうすることにより、酸性基AHを有する繰り返し単位の部分が水などを過剰に含有することを防ぎ、すなわち燃料クロスオーバーを低く抑えることができる。加えて、電解質膜の耐水性も向上させ、クラックの発生や崩壊を防ぐこともできる。   In addition, the repeating unit having the acidic group AH and the repeating unit not having the acidic group AH may coexist alternately, and the repeating continuity of the repeating unit having the acidic group AH is appropriately divided to such an extent that the proton conduction is not impaired. preferable. By doing so, the portion of the repeating unit having the acidic group AH can be prevented from containing excessive water or the like, that is, the fuel crossover can be kept low. In addition, the water resistance of the electrolyte membrane can be improved, and cracks can be prevented from occurring or collapsing.

つまり、酸性基AHを有するか導入可能な単量体とそうでない単量体との共重合体が好ましい。さらに、燃料クロスオーバーとプロトン伝導度のバランスから、酸性基AHを有する単位とそうでない単位が交互に連結されている、すなわち交互重合の部分が多く存在することが好ましい。   That is, a copolymer of a monomer having an acidic group AH or capable of being introduced and a monomer other than that is preferable. Furthermore, from the balance of fuel crossover and proton conductivity, it is preferable that units having acidic group AH and units not so are connected alternately, that is, there are many portions of alternating polymerization.

この思想を実現する手段として、ビニル単量体の重合が挙げられる。特に、交互共重合の繰り返し単位を多く有する共重合体は、ビニル単量体のe値が正のものと負のものとを共重合することで得ることができる。ここでのe値とは、単量体のビニル基やラジカル末端の荷電状態を表し、「POLYMER HANDBOOK」(J.BRANDRUPら著)等に詳細に記載されているQe概念のe値である。   As a means for realizing this idea, polymerization of a vinyl monomer can be mentioned. In particular, a copolymer having many repeating units of alternating copolymerization can be obtained by copolymerizing a vinyl monomer having a positive e value and a negative one. The e value here represents the vinyl state of the monomer and the charged state of the radical end, and is the e value of the Qe concept described in detail in “POLYMER HANDBOOK” (J. BRANDRUP et al.) And the like.

ビニル単量体の具体例を挙げると、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、スチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、o−エチルスチレン、m−エチルスチレン、p−エチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン、クロロスチレン、1,1−ジフェニルエチレン、ビニルナフタレン、ビニルビフェニル、インデン、アセナフチレンなどの芳香族ビニル単量体、メチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、アダマンチル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、n−オクチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、等の(メタ)アクリル系単量体、N−メチルマレイミド、N−n−ブチルマレイミド、N−フェニルマレイミド、N−o−メチルフェニルマレイミドマレイミド、N−m−メチルフェニルマレイミド、N−p−メチルフェニルマレイミド、N−o−ヒドロキシフェニルマレイミド、N−m−ヒドロキシフェニルマレイミド、N−p−ヒドロキシフェニルマレイミド、N−o−メトキシフェニルマレイミド、N−m−メトキシフェニルマレイミド、N−p−メトキシフェニルマレイミド、N−o−クロロフェニルマレイミド、N−m−クロロフェニルマレイミド、N−p−クロロフェニルマレイミド、N−o−カルボキシフェニルマレイミド、N−m−カルボキシフェニルマレイミド、N−p−カルボキシフェニルマレイミド、N−o−ニトロフェニルマレイミド、N−m−ニトロフェニルマレイミド、N−p−ニトロフェニルマレイミド、N−エチルマレイミド、N−イソプロピルマレイミド、N−イソブチルマレイミド、N−tert−ブチルマレイミド、N−シクロヘキシルマレイミド、N−ベンジルマレイミド、無水マレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、ケイ皮酸、マレイン酸、フマール酸、シトラコン酸、メサコン酸、イタコン酸、メタリルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、スルホメチルスチレン、p−スチレンスルホン酸、p−スチレンスルホン酸ナトリウム、p−スチレンスルホン酸カリウム、ビニル安息香酸、ビニル安息香酸ナトリウム塩、ビニル安息香酸カリウム塩、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ビニルスルホン酸、ビニル硫酸、2,2,2−トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル(メタ)アクリレート、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル(メタ)アクリレート、1H,1H,2H,2H−ヘプタデカフルオロデシル(メタ)アクリレートなどの含フッ素単量体等が挙げられる。   Specific examples of the vinyl monomer include acrylonitrile, methacrylonitrile, styrene, α-methylstyrene, p-methylstyrene, o-ethylstyrene, m-ethylstyrene, p-ethylstyrene, p-tert-butylstyrene. , Chlorostyrene, 1,1-diphenylethylene, vinylnaphthalene, vinylbiphenyl, indene, acenaphthylene, and other aromatic vinyl monomers, methyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, isobornyl (meth) acrylate, adamantyl (meta ) Acrylate, phenyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 2-hydroxybutyl (meth) acrylate, lauric (Meth) acrylic monomers such as (meth) acrylate, stearyl (meth) acrylate, isooctyl (meth) acrylate, n-octyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, t-butyl (meth) acrylate, N-methylmaleimide, Nn-butylmaleimide, N-phenylmaleimide, N-o-methylphenylmaleimide maleimide, Nm-methylphenylmaleimide, Np-methylphenylmaleimide, N-o-hydroxyphenylmaleimide, Nm-hydroxyphenylmaleimide, Np-hydroxyphenylmaleimide, N-o-methoxyphenylmaleimide, Nm-methoxyphenylmaleimide, Np-methoxyphenylmaleimide, N-o-chlorophenylmaleimide, Nm - Lolophenylmaleimide, Np-chlorophenylmaleimide, N-o-carboxyphenylmaleimide, Nm-carboxyphenylmaleimide, Np-carboxyphenylmaleimide, N-o-nitrophenylmaleimide, Nm-nitrophenylmaleimide N-p-nitrophenylmaleimide, N-ethylmaleimide, N-isopropylmaleimide, N-isobutylmaleimide, N-tert-butylmaleimide, N-cyclohexylmaleimide, N-benzylmaleimide, maleic anhydride, acrylic acid, methacrylic acid , Crotonic acid, cinnamic acid, maleic acid, fumaric acid, citraconic acid, mesaconic acid, itaconic acid, methallylsulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, sulfomethylstyrene, p-styrene Sulfonic acid, sodium p-styrenesulfonate, potassium p-styrenesulfonate, vinylbenzoic acid, sodium vinylbenzoate, vinylbenzoic acid potassium salt, vinyl acetate, vinyl propionate, vinylsulfonic acid, vinylsulfuric acid, 2,2 , 2-trifluoroethyl (meth) acrylate, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl (meth) acrylate, 1H, 1H, 5H-octafluoropentyl (meth) acrylate, 1H, 1H, 2H, 2H-hepta Examples thereof include fluorine-containing monomers such as decafluorodecyl (meth) acrylate.

中でも、酸性基AHの導入の容易さや重合作業性の観点からスチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルビフェニル、インデン、アセナフチレンなどの芳香族ビニル単量体の使用が好ましい。   Of these, aromatic vinyl monomers such as styrene, α-methylstyrene, vinyl naphthalene, vinyl biphenyl, indene, and acenaphthylene are preferably used from the viewpoint of easy introduction of the acidic group AH and polymerization workability.

また、組み合わせとしては、e値が負のスチレンやα−メチルスチレンなどの芳香族ビニル単量体を選択した場合、先述した理由からe値が正で酸性基AHの導入が困難なビニル単量体の使用が好ましく、燃料クロスオーバー抑制効果の観点から、アクリロニトリル、メタクリロニトリ、N−フェニルマレイミド、N−イソプロピルマレイミド、N−シクロヘキシルマレイミド、N−ベンジルマレイミド、2,2,2−トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、2,2,3,3−テトラフルオロプロピル(メタ)アクリレート、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル(メタ)アクリレート、1H,1H,2H,2H−ヘプタデカフルオロデシル(メタ)アクリレートなどの含フッ素単量体が好ましい。   In addition, as a combination, when an aromatic vinyl monomer such as styrene or α-methylstyrene having a negative e value is selected, a vinyl unit having a positive e value and difficult to introduce the acidic group AH for the reason described above. From the viewpoint of fuel crossover suppression effect, acrylonitrile, methacrylonitrile, N-phenylmaleimide, N-isopropylmaleimide, N-cyclohexylmaleimide, N-benzylmaleimide, 2,2,2-trifluoroethyl (Meth) acrylate, 2,2,3,3-tetrafluoropropyl (meth) acrylate, 1H, 1H, 5H-octafluoropentyl (meth) acrylate, 1H, 1H, 2H, 2H-heptadecafluorodecyl (meth) Fluorine-containing monomers such as acrylate are preferred.

また、架橋構造を有することがより好ましい。架橋構造を有することにより、水分や燃料の浸入に対する高分子鎖間の広がりを抑えることができる。そのため、プロトン伝導に対して過剰な水分含量を低く抑えることができ、また、燃料に対する膨潤や崩壊も抑制できることから、結果的に燃料クロスオーバーを低減できる。また、高分子鎖を拘束できるため耐熱性、剛性、耐薬品性なども付与できる。さらに、重合後に酸性基AHを導入する場合には、空隙内壁部に効率よく選択的に酸性基AHを導入することが可能となる。ここでの架橋は、化学架橋であっても物理架橋であってもよい。この架橋構造は例えば、多官能単量体の共重合や電子線、γ線などの放射線照射によって形成できる。特に多官能単量体による架橋が経済的観点から好ましい。   Moreover, it is more preferable to have a crosslinked structure. By having a cross-linked structure, it is possible to suppress the spread between polymer chains with respect to moisture and fuel intrusion. Therefore, an excessive water content with respect to proton conduction can be suppressed to a low level, and swelling and collapse of the fuel can be suppressed. As a result, fuel crossover can be reduced. Further, since the polymer chain can be constrained, heat resistance, rigidity, chemical resistance and the like can be imparted. Further, when the acidic group AH is introduced after the polymerization, the acidic group AH can be efficiently and selectively introduced into the inner wall portion of the void. The crosslinking here may be chemical crosslinking or physical crosslinking. This cross-linked structure can be formed by, for example, copolymerization of polyfunctional monomers or irradiation with an electron beam or γ-ray. In particular, cross-linking with a polyfunctional monomer is preferable from an economical viewpoint.

架橋構造の形成に採用される多官能単量体の具体例としては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、グリセロール(ジ/トリ)(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン(ジ/トリ)(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトール(ジ/トリ/テトラ)(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトール(ジ/トリ/テトラ/ペンタ/ヘキサ)(メタ)アクリレート、ジ(メタ)アクリル酸ビフェノール、ビスフェノキシエタノール(メタ)フルオレンジアクリレート、などの多価アルコールのジ−、トリ−、テトラ−、ペンタ−、ヘキサ−(メタ)アクリレート類、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート(好ましくはポリエチレングリコール部分の平均分子量;400〜1000程度)、メトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAエチレンオキサイド30モル付加物のジ(メタ)アクリレート、グリセリンエチレンオキサイド付加物のジ(メタ)アクリレート、グリセリンエチレンオキサイド付加物のトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド付加物のジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド付加物のトリ(メタ)アクリレート、ソルビトールエチレンオキサイド付加物のジ(メタ)アクリレート、ソルビトールエチレンオキサイド付加物のジ(メタ)アクリレート、ソルビトールエチレンオキサイド付加物のトリ(メタ)アクリレート、ソルビトールエチレンオキサイド付加物のテトラ(メタ)アクリレート、ソルビトールエチレンオキサイド付加物のペンタ(メタ)アクリレートおよびソルビトールエチレンオキサイド付加物のヘキサ(メタ)アクリレート等のポリオキシエチレン系ポリエーテル類、o−ジビニルベンゼン、m−ジビニルベンゼン、p−ジビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、ジビニルナフタレンなどの芳香族多官能単量体、ジ(メタ)アクリル酸エステル、ジ(メタ)アクリル酸ジアリルエステル、アジピン酸ジビニルなどのエステル類、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ジアリルフタレートなどのジアリル化合物、ブタジエン、ヘキサジエン、ペンタジエン、1,7−オクタジエンなどのジエン類、ジクロロホスファゼンを原料として重合性多官能基を導入したホスファゼン骨格を有する単量体、トリアリルジイソシアヌレートなどの異原子環状骨格を有する多官能単量体、ビスマレイミド、メチレンビスアクリルアミド類などが挙げられる。   Specific examples of the polyfunctional monomer employed for forming the crosslinked structure include ethylene glycol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate, glycerol (di / tri) ( (Meth) acrylate, trimethylolpropane (di / tri) (meth) acrylate, pentaerythritol (di / tri / tetra) (meth) acrylate, dipentaerythritol (di / tri / tetra / penta / hexa) (meth) acrylate, Di-, tri-, tetra-, penta-, hexa- (meth) acrylates of polyhydric alcohols such as di (meth) acrylic acid biphenol, bisphenoxyethanol (meth) fluorene acrylate, polyethylene glycol di (meth) acrylate (Preferably Average molecular weight of polyethylene glycol moiety: about 400 to 1000), methoxypolyethylene glycol mono (meth) acrylate, di (meth) acrylate of bisphenol A ethylene oxide 30 mol adduct, di (meth) acrylate of glycerin ethylene oxide adduct, glycerin Tri (meth) acrylate of ethylene oxide adduct, di (meth) acrylate of trimethylolpropane ethylene oxide adduct, tri (meth) acrylate of trimethylolpropane ethylene oxide adduct, di (meth) acrylate of sorbitol ethylene oxide adduct , Di (meth) acrylate of sorbitol ethylene oxide adduct, tri (meth) acrylate of sorbitol ethylene oxide adduct, sorbitol ether Poly (oxy) polyethers such as tetra (meth) acrylate of a lenoxide adduct, penta (meth) acrylate of a sorbitol ethylene oxide adduct and hexa (meth) acrylate of a sorbitol ethylene oxide adduct, o-divinylbenzene, m -Aromatic polyfunctional monomers such as divinylbenzene, p-divinylbenzene, divinylbiphenyl, divinylnaphthalene, esters such as di (meth) acrylate, di (meth) acrylate diallyl ester, divinyl adipate, diethylene glycol Diallyl compounds such as bisallyl carbonate and diallyl phthalate, dienes such as butadiene, hexadiene, pentadiene, 1,7-octadiene, and dichlorophosphazene as raw materials. Examples thereof include a monomer having an introduced phosphazene skeleton, a polyfunctional monomer having a heteroatom cyclic skeleton such as triallyl diisocyanurate, bismaleimide, and methylene bisacrylamide.

これらの中でも、機械的強度や酸性基AHの導入時の耐薬品性の観点から、ジビニルベンゼンなどの芳香族多官能単量体類、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノキシエタノール(メタ)フルオレンジアクリレートなどの多価アルコールのジ−、トリ−、テトラ−、ペンタ−、ヘキサ−(メタ)アクリレート類が特に好ましい。   Of these, aromatic polyfunctional monomers such as divinylbenzene, ethylene glycol di (meth) acrylate, bisphenoxyethanol (meth) full orange, from the viewpoint of mechanical strength and chemical resistance when introducing the acidic group AH. Particularly preferred are di-, tri-, tetra-, penta- and hexa- (meth) acrylates of polyhydric alcohols such as acrylates.

以上のような単量体から得られる共重合体の分子量としては、形態保持の観点から、重量平均分子量で4000以上であることが好ましい。また、架橋構造でもよいことから上限には特に制限はない。   The molecular weight of the copolymer obtained from the above monomers is preferably 4000 or more in terms of weight average molecular weight from the viewpoint of maintaining the form. Moreover, since a crosslinked structure may be sufficient, there is no restriction | limiting in particular in an upper limit.

また、架橋構造の形成に用いる多官能単量体は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を併用してもよい。   Moreover, the polyfunctional monomer used for formation of a crosslinked structure may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

架橋構造を有する多孔質膜にはその空隙の内部に酸性基AHが存在している。内部とは空隙の内表面及び空隙部分それ自身をいう。好ましくは空隙の内表面に酸性基AHが存在している状態である。空隙の内部以外の部分にも酸性基AHが存在していることは差し支えない。酸性基AHが存在しているとは、重合体自身に酸性基AHが化学的に結合された状態や、酸性基AHを有する物質が重合体表面に強く吸着された状態や、酸性基AHを有する物質が空隙内に保持された状態などのことを言い、洗浄等の物理的手段により容易に酸性基AHが空隙内から脱離されない状態である。   In the porous film having a crosslinked structure, an acidic group AH is present inside the void. The interior refers to the inner surface of the void and the void portion itself. Preferably, the acidic group AH is present on the inner surface of the void. The acidic group AH may be present in a portion other than the inside of the void. The presence of the acidic group AH means that the acidic group AH is chemically bonded to the polymer itself, a state where a substance having the acidic group AH is strongly adsorbed on the polymer surface, or the acidic group AH. It means a state in which the substance has been held in the voids, and the acidic group AH is not easily detached from the voids by physical means such as washing.

該架橋構造を有する多孔質膜に酸性基AHを導入するにあたり、重合前の単量体があらかじめ酸性基AHを有していてもよいが、重合後に酸性基AHを導入してもよい。原料の選択性の広さ、モノマー調整の容易性からは、重合後に酸性基AHを導入するのが良い。   In introducing the acidic group AH into the porous film having the crosslinked structure, the monomer before polymerization may have the acidic group AH in advance, but the acidic group AH may be introduced after the polymerization. In view of the wide selectivity of raw materials and the ease of monomer preparation, it is preferable to introduce an acidic group AH after polymerization.

すなわち、酸性基AHを導入可能な単量体と開孔剤とを含む単量体組成物から膜状の重合体を得た後、または、酸性基AH導入可能な重合体と開孔剤とを含む重合体組成物から製膜した後、膜中から開孔剤を除去する工程と、重合体に酸性基AHを導入する工程を含むものである。   That is, after obtaining a film-like polymer from a monomer composition containing a monomer capable of introducing an acidic group AH and a pore opening agent, or a polymer capable of introducing an acidic group AH and a pore opening agent After the film formation from the polymer composition containing, the step of removing the pore-opening agent from the film and the step of introducing the acidic group AH into the polymer are included.

酸性基AHを導入可能な単量体としては、前述のように、ビニル単量体の内e値が負のスチレンやα−メチルスチレンなどの芳香族ビニル単量体を採用することができる。 これらを含む前述のようなビニル単量体の重合としては例えばラジカル重合が作業性の観点で好ましい。ラジカル発生性開始剤としては、各種パーオキシド化合物、アゾ化合物、過酸化物、セリウムアンモニウム塩などが挙げられる。   As the monomer capable of introducing the acidic group AH, as described above, an aromatic vinyl monomer such as styrene or α-methylstyrene having a negative e value among vinyl monomers can be employed. As polymerization of the above-mentioned vinyl monomer containing these, for example, radical polymerization is preferable from the viewpoint of workability. Examples of the radical generating initiator include various peroxide compounds, azo compounds, peroxides, cerium ammonium salts and the like.

その具体例としては、2,2´−アゾビスイソブチロニトリル、1,1´−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、2,2´−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2´−アゾビス(2−シクロプロピルプロピオニトリル)、2,2´−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2´−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、1−[(1−シアノ−1−メチルエチル)アゾ]フォルムアミド、2−フェニルアゾ−4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリルなどのアゾニトリル化合物、2,2´−アゾビス(2−メチル−N−フェニルプロピオンアミジン)二塩基酸塩などのアゾアミジン化合物、2,2´−アゾビス[2−(5−メチル−2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]二塩基酸塩などの環状アゾアミジン化合物、2,2´−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル]プロピオンアミド}などのアゾアミド化合物、2,2´−アゾビス(2,4,4−トリメチルペンタン)などのアルキルアゾ化合物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素、過酸化ベンゾイルなどの過酸化物、硫酸第2セリウムアンモニウム、硝酸第2セリウムアンモニウム等のセリウムアンモニウム塩などが挙げられる。   Specific examples thereof include 2,2′-azobisisobutyronitrile, 1,1′-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile), 2,2′-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvalero). Nitrile), 2,2′-azobis (2-cyclopropylpropionitrile), 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile), Azonitrile compounds such as 1-[(1-cyano-1-methylethyl) azo] formamide, 2-phenylazo-4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile, 2,2′-azobis (2-methyl-N -Azoamidine compounds such as phenylpropionamidine) dibasic acid salt, 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazolin-2-yl) propane] disalt Cyclic azoamidine compounds such as basic acid salts, azoamide compounds such as 2,2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide}, 2,2 ′ -Alkylazo compounds such as azobis (2,4,4-trimethylpentane), potassium persulfate, ammonium persulfate, hydrogen peroxide, peroxides such as benzoyl peroxide, ceric ammonium sulfate, ceric ammonium nitrate, etc. Examples include cerium ammonium salts.

また、放射線、電子線、紫外線などを利用した光開始剤による重合も利用することができる。光開始剤としては、カルボニル化合物、過酸化物、アゾ化合物、硫黄化合物、ハロゲン化合物および金属塩などが挙げられる。   In addition, polymerization by a photoinitiator using radiation, electron beam, ultraviolet ray, or the like can also be used. Photoinitiators include carbonyl compounds, peroxides, azo compounds, sulfur compounds, halogen compounds and metal salts.

また、多官能単量体を含む場合は、熱や光を利用したキャスト重合による成形および製膜が好ましい。キャスト重合とは、各種単量体や開孔剤および開始剤などを混合したものを、ガスケットやスペーサーにより所定のクリアランスに設定した2枚の板、シート、フィルムの間に注入し、熱や光などのエネルギーを与えることにより重合する方法であり、枚葉式でも連続式でもよい。   Moreover, when a polyfunctional monomer is included, shaping | molding and film formation by cast polymerization using a heat | fever and light are preferable. Cast polymerization is a mixture of various monomers, pore-opening agents, initiators, etc., injected between two plates, sheets, and films set to a predetermined clearance with gaskets and spacers. The polymerization is carried out by applying energy such as single wafer type or continuous type.

例えば、使用する単量体組成物に、“ダロキュア(登録商標)”、“イルガキュア(登録商標)”(CIBA社製)等に代表される光開始剤を0.01〜2重量部程度添加した組成物溶液を、2枚の石英ガラスや、ポリエチレン、ポリプロピレンまたは非晶性ポリオレフィン製などのシート間に注入し、密封し、紫外線灯を用いて照度0.01〜100mW/cm2程度、0.1秒〜1時間程度にて光照射して重合することができる。   For example, about 0.01 to 2 parts by weight of a photoinitiator represented by “Darocur (registered trademark)”, “Irgacure (registered trademark)” (manufactured by CIBA) or the like was added to the monomer composition to be used. The composition solution is injected between two sheets of quartz glass, polyethylene, polypropylene, or amorphous polyolefin, sealed, and irradiated with an ultraviolet lamp at an illuminance of about 0.01 to 100 mW / cm2, 0.1 Polymerization can be carried out by light irradiation for about 2 to 1 hour.

重合体に求める特性として、プロトン伝導性を優先させる場合には、重合体の内部まで酸性基AHを導入することも好ましく、そのためには、重合前の単量体中にあらかじめ酸性基AHの導入を補助する開孔剤を添加しておいた上で重合することが有効である。該開孔剤は、それ自身が直接的に酸性基AHを導入する能力を有している必要はない。すなわち、酸性基AHを導入可能な物質の重合体中への浸透を、自ら、分解、反応、蒸発、昇華、あるいは流出等し酸性基AHを導入可能な物質、またはそれを含有する溶剤と置換することにより少なくとも開孔剤の一部分が除去され、重合体の表層だけではなく、重合体内部の酸性基AH導入可能な部分にも酸性基AHが導入されやすくするものである。   In the case where proton conductivity is given priority as a characteristic required for the polymer, it is also preferable to introduce the acidic group AH into the polymer. For this purpose, the acidic group AH is introduced into the monomer before polymerization in advance. It is effective to carry out the polymerization after adding a pore-opening agent that assists. The pore opening agent need not itself have the ability to introduce the acidic group AH directly. That is, the penetration of a substance capable of introducing an acidic group AH into the polymer is replaced with a substance capable of introducing the acidic group AH by itself, decomposition, reaction, evaporation, sublimation, or outflow, or a solvent containing the same. By doing so, at least a part of the pore-opening agent is removed, and the acidic group AH is easily introduced not only into the surface layer of the polymer but also into the portion where the acidic group AH can be introduced inside the polymer.

開孔剤は、重合あるいは製膜の際に単量体組成物あるいは重合体組成物の一部を占め、重合あるいは製膜の後にこれを除去することで多孔質体の内部に空隙を形成せしめるものである。   The pore-opening agent occupies a part of the monomer composition or polymer composition during polymerization or film formation, and removes this after polymerization or film formation to form voids in the porous body. Is.

開孔剤の種類としては、重合体の材料との相溶性、抽出や分解に使用する薬液や溶剤および加熱、溶剤浸漬、光、電子線、放射線処理などの開孔剤除去方法によって有機化合物、溶剤類、可溶性ポリマー類、塩類、金属類などから適宜選択できる。開孔剤は液体状であっても粉末状であってもよいし、使用した単量体からなるオリゴマーや未反応単量体や副生成物を開孔剤として積極的に残すような手法をとってもよい。   The types of pore-opening agents include compatibility with polymer materials, chemicals and solvents used for extraction and decomposition, and organic compounds by removing pore-opening agents such as heating, solvent immersion, light, electron beam, and radiation treatment, It can be suitably selected from solvents, soluble polymers, salts, metals and the like. The pore-opening agent may be in the form of a liquid or a powder, and a method that positively leaves an oligomer composed of the monomer used, an unreacted monomer or a by-product as a pore-opening agent. It may be taken.

また、酸性基AH導入後に重合体中に開孔剤の一部が残留しても、反応によって生成したものが残留しても電解質膜に悪影響を与えないものを選択するのが好ましい。   Moreover, it is preferable to select a polymer that does not adversely affect the electrolyte membrane even if a part of the pore-opening agent remains in the polymer after introduction of the acidic group AH or even if a product generated by the reaction remains.

また、重合前に開孔剤を配合する場合は、重合温度よりもその沸点や分解温度が高い開孔剤が好ましい。   Moreover, when mix | blending a pore opening agent before superposition | polymerization, the pore opening agent whose boiling point and decomposition temperature are higher than polymerization temperature is preferable.

開孔剤の具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、メチルセロソルブ、ジグライム、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、γ−ブチロラクトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、1,4−ジオキサン、四塩化炭素、ジクロロメタン、ニトロメタン、ニトロエタン、酢酸、無水酢酸、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジ−n−オクチル、リン酸トリオクチル、デカリン、デカン、ヘキサデカン、等が挙げられ、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。   Specific examples of the pore opening agent include ethylene carbonate, propylene carbonate, methyl cellosolve, diglyme, toluene, xylene, trimethylbenzene, γ-butyrolactone, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone and 1,4-dioxane. , Carbon tetrachloride, dichloromethane, nitromethane, nitroethane, acetic acid, acetic anhydride, dioctyl phthalate, di-n-octyl phthalate, trioctyl phosphate, decalin, decane, hexadecane, and the like. Alternatively, two or more types may be used in combination.

また開孔剤の使用量は、使用する開孔剤と単量体の組み合わせや所望の空隙率、孔径により適宜設定するとよいが、開孔剤も含めた全組成物中の1〜80重量%添加するのが好ましく、より好ましくは5〜50重量%、さらに好ましくは10〜30重量%である。1重量%以上であれば重合体内部まで酸性基AHが導入されやすく、プロトン伝導度が良好となる。また、80重量%以下であれば、低融点水含量が減少し、燃料透過量が小さくなり好ましい。   Further, the amount of the pore-opening agent may be appropriately set depending on the combination of the pore-opening agent and the monomer to be used, the desired porosity, and the pore diameter, but 1 to 80% by weight in the total composition including the pore-opening agent. It is preferable to add, More preferably, it is 5 to 50 weight%, More preferably, it is 10 to 30 weight%. If it is 1% by weight or more, the acidic group AH is easily introduced into the polymer, and the proton conductivity is improved. Moreover, if it is 80 weight% or less, the low melting point water content will decrease and the amount of fuel permeation will become small, which is preferable.

膜状の重合体を得た後、または、重合体組成物から製膜した後、膜中から開孔剤を除去する。空隙形成のためである。   After obtaining a film-like polymer or after forming a film from the polymer composition, the pore-opening agent is removed from the film. This is because of void formation.

開孔剤を除去する手段としては例えば、開孔剤を除去可能な溶剤中に、膜を浸漬するとよい。開孔剤を除去可能な溶剤としては、水および有機溶剤の中から適宜選択される。有機溶剤としては例えば、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、ジクロロメタン、パークロロエチレンなどのハロゲン化炭化水素、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素、メタノール、エタノールなどのアルコール類、トルエン、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、ヘキサン、ヘプタン、デカンなどの脂肪族炭化水素、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチルなどのエステル類、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル類、アセトニトリルなどのニトリル類等が好ましい。また、これらのうち1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を併用してもよい。   As a means for removing the pore opening agent, for example, the film may be immersed in a solvent capable of removing the pore opening agent. The solvent capable of removing the pore-opening agent is appropriately selected from water and organic solvents. Examples of organic solvents include halogenated hydrocarbons such as chloroform, 1,2-dichloroethane, dichloromethane and perchloroethylene, nitrated hydrocarbons such as nitromethane and nitroethane, alcohols such as methanol and ethanol, and aromatics such as toluene and benzene. Aliphatic hydrocarbons such as aromatic hydrocarbons, hexane, heptane and decane, esters such as ethyl acetate, butyl acetate and ethyl lactate, ethers such as diethyl ether, tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, nitriles such as acetonitrile, etc. Is preferred. Moreover, one of these may be used alone, or two or more may be used in combination.

重合体から開孔剤を除去した後、前記溶剤は乾燥等によって除いてもよく、除かなくてもよい。   After removing the pore-opening agent from the polymer, the solvent may or may not be removed by drying or the like.

次に、膜中の前記重合体に酸性基AHを導入させることについて説明する。開孔剤を含む重合体から製膜された膜を電解質膜とするためには、少なくとも膜中の空隙内部に酸性基AHを存在させることが好ましく、そのために酸性基AH導入剤によって酸性基AHを導入させる。ここでいう酸性基AH導入剤は、酸性基AHを、重合体を構成する酸性基AH可能な繰り返し単位の一部に導入することができる化合物であり、通常公知のものを使用することができる。酸性基AH導入剤の具体例としては、スルホン酸基を導入する場合は、濃硫酸、クロロスルホン酸あるいは発煙硫酸、三酸化硫黄等が好適であり、反応制御の容易さおよび生産性の観点で最も好ましいのはクロロスルホン酸である。またスルホンイミド基を導入する場合はスルホンアミドが好適である。   Next, introduction of an acidic group AH into the polymer in the film will be described. In order to make a membrane formed from a polymer containing a pore-opening agent into an electrolyte membrane, it is preferable that the acidic group AH is present at least inside the voids in the membrane. For this purpose, the acidic group AH is introduced by the acidic group AH introducing agent. To introduce. The acidic group AH introduction agent here is a compound that can introduce the acidic group AH into a part of repeating units capable of acidic group AH constituting the polymer, and generally known ones can be used. . As a specific example of the acidic group AH introducing agent, when introducing a sulfonic acid group, concentrated sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide and the like are preferable, from the viewpoint of ease of reaction control and productivity. Most preferred is chlorosulfonic acid. Moreover, when introducing a sulfonimide group, sulfonamide is preferable.

膜中の前記共重合体に酸性基AHを導入させるためには、具体的には、酸性基AH導入剤または酸性基AH導入剤と溶剤の混合物中に膜を浸漬する手段を採用すればよい。酸性基AH導入剤と混合する溶剤は、酸性基AH導入剤と反応しないかまたは反応が激しくなく、重合体内に浸透可能であれば使用できる。かかる溶剤の例を挙げると、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、ジクロロメタン、パークロロエチレンなどのハロゲン化炭化水素、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素、アセトニトリルなどのニトリル類等が好ましい。溶剤および酸性基AH導入剤は単一でも二種類以上の混合物でもよい。   In order to introduce the acidic group AH into the copolymer in the film, specifically, means for immersing the film in the acidic group AH introducing agent or the mixture of the acidic group AH introducing agent and the solvent may be employed. . The solvent mixed with the acidic group AH introducing agent can be used as long as it does not react with the acidic group AH introducing agent or does not react vigorously and can penetrate into the polymer. Examples of such solvents are preferably halogenated hydrocarbons such as chloroform, 1,2-dichloroethane, dichloromethane and perchloroethylene, nitrated hydrocarbons such as nitromethane and nitroethane, and nitriles such as acetonitrile. The solvent and the acidic group AH introduction agent may be single or a mixture of two or more.

膜中からの開孔剤の除去と、重合体中への酸性基AHの導入とを同一の工程で行うことも、工程数短縮の点で好ましい。   It is also preferable in terms of shortening the number of steps to remove the pore-opening agent from the membrane and introduce the acidic group AH into the polymer in the same step.

より具体的には、開孔剤を除去可能な溶剤に酸性基AH導入剤(たとえば上記スルホン化剤)を添加してなる溶液中に膜を浸漬することにより、膜中からの開孔剤の除去と重合体への酸性基AHの導入(スルホン化)とを同時に行うことが好ましい。この場合、膜中の開孔剤が、酸性基AHを含む溶液に置換されながら除去されることになる。この方法は、酸性基AHの導入の度合いを精度よく制御できるという点からも好ましい。この場合、開孔剤を除去可能な溶剤としては、酸性基AH導入剤と反応しないかまたは反応が激しくなく、重合体内に浸透可能なものを用いる。また、開孔剤を除去可能な溶剤は単一系でも二種類以上の混合系でもよい。   More specifically, by immersing the membrane in a solution obtained by adding an acidic group AH introduction agent (for example, the sulfonating agent) to a solvent capable of removing the pore opening agent, It is preferable to simultaneously perform the removal and introduction (sulfonation) of the acidic group AH into the polymer. In this case, the pore-opening agent in the film is removed while being replaced with a solution containing the acidic group AH. This method is also preferable from the viewpoint that the degree of introduction of the acidic group AH can be accurately controlled. In this case, as the solvent capable of removing the pore-opening agent, a solvent that does not react with the acidic group AH introduction agent or does not react vigorously and can penetrate into the polymer is used. The solvent capable of removing the pore-opening agent may be a single system or a mixture of two or more types.

製膜前の単量体/重合体組成物中に酸性基AHの導入を補助するための酸性基AH導入助剤が含有されている場合には、酸性基AH導入助剤も除去可能な溶剤であることが好ましい。   Solvent capable of removing acidic group AH introduction auxiliary agent when acidic group AH introduction auxiliary agent for assisting introduction of acidic group AH is contained in the monomer / polymer composition before film formation It is preferable that

以上のような観点から、開孔剤を除去可能な溶剤としては例えば、クロロホルムや1,2−ジクロロエタン、ジクロロメタン、パークロロエチレンなどのハロゲン化炭化水素、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素、アセトニトリルなどのニトリル類等が好ましい。   From the above viewpoint, the solvent capable of removing the pore-opening agent includes, for example, halogenated hydrocarbons such as chloroform, 1,2-dichloroethane, dichloromethane and perchloroethylene, nitrated hydrocarbons such as nitromethane and nitroethane, and acetonitrile. Nitriles such as are preferred.

また、本発明の電解質膜には、本発明の目的を損なわない範囲で、他の成分を共重合せしめたり、他の高分子化合物をブレンドしたりすることができる。また、その特性を損なわない範囲で、ヒンダードフェノール系、ヒンダードアミン系、チオエーテル系およびリン系の各種抗酸化剤等の安定剤や、可塑剤、着色剤に代表される各種添加剤を添加することができる。   In addition, the electrolyte membrane of the present invention can be copolymerized with other components or blended with other polymer compounds within a range that does not impair the object of the present invention. Add stabilizers such as hindered phenols, hindered amines, thioethers, and phosphorus antioxidants, as well as various additives typified by plasticizers and colorants, as long as the properties are not impaired. Can do.

また、本発明の電解質膜には、前述の諸特性に悪影響をおよぼさない範囲内で機械的強度、熱安定性、加工性などの向上を目的に、各種ポリマー、エラストマー、フィラー、微粒子、各種添加剤などを含有させてもよい。   In addition, the electrolyte membrane of the present invention has various polymers, elastomers, fillers, fine particles, and the like for the purpose of improving mechanical strength, thermal stability, processability, etc. within a range that does not adversely affect the above-mentioned various properties. Various additives may be included.

本発明の電解質膜を用いてなるものである。その形状としては、前述の膜状の他、板状、繊維状、中空糸状、粒子状、塊状など使用用途によって様々な形態をとりうる。   The electrolyte membrane of the present invention is used. In addition to the above-described film shape, the shape can take various forms such as a plate shape, a fiber shape, a hollow fiber shape, a particle shape, and a lump shape.

これらのような形状への加工は、押し出し成形、プレス成形、キャスト重合法などにより行うことができるが、電解質膜に三次元架橋構造を付与する場合には、ガラス板や連続ベルト間での加熱や光を利用したキャスト重合法が好ましい。   Processing into such shapes can be performed by extrusion molding, press molding, cast polymerization, etc., but when a three-dimensional cross-linked structure is added to the electrolyte membrane, heating between a glass plate and a continuous belt is performed. A cast polymerization method using light or light is preferred.

上記酸性基AHを含有する電解質用ポリマーに水代替基Bを有するおよび/または水代替基Bの前駆体を有する物質を含ませる方法としては、両者が溶媒に溶解する場合は、溶液混合した後、製膜して電解質膜を得ることができる。また、先述の酸性基AHを含有する電解質膜や酸性基AHを含有する多孔質膜を作製後、水代替基Bを有する物質またはその溶液を該電解質膜や該多孔質膜に含浸または充填または塗布し、加熱やUV照射などで水代替基Bを有する物質を重合または縮合させる方法などが挙げられる。この場合、水代替基Bを有する物質と酸性基AHを有する物質が混合していても差し支えない。   As a method of including a substance having a water substitute group B and / or a precursor of the water substitute group B in the electrolyte polymer containing the acidic group AH, when both are dissolved in a solvent, the solution is mixed. An electrolyte membrane can be obtained by forming a film. In addition, after preparing the electrolyte membrane containing the acidic group AH or the porous membrane containing the acidic group AH, the electrolyte membrane or the porous membrane is impregnated or filled with a substance having a water substitute group B or a solution thereof. Examples thereof include a method of applying and polymerizing or condensing a substance having a water substitute group B by heating or UV irradiation. In this case, the substance having the water substitute group B and the substance having the acidic group AH may be mixed.

また、水代替基Bを有するおよび/または水代替基Bの前駆体を有する物質を炭酸ガスなどの超臨界液体で酸性基AHを含有する電解質用ポリマーや膜に含浸させることも好ましい例である。水代替基Bは電解質膜全体に均一に存在していた方が、水代替基として効率よく働けるので好ましい。   It is also a preferable example to impregnate an electrolyte polymer or membrane containing an acidic group AH with a supercritical liquid such as carbon dioxide gas with a substance having a water substitute group B and / or a precursor of the water substitute group B. . It is preferable that the water substitute group B exists uniformly throughout the electrolyte membrane because it can work efficiently as a water substitute group.

本発明の膜電極複合体は、本発明の電解質膜を用いてなり、電極触媒層および電極基材からなる電極からなる。電極触媒層は、電極反応を促進する電極触媒、電子伝導体、イオン伝導体などを含む層である。電極触媒層に含まれる電極触媒としては例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金などの貴金属触媒が好ましく用いられる。これらの内の1種類を単独で用いてもよいし、合金、混合物など、2種類以上を併用してもよい。   The membrane electrode assembly of the present invention comprises the electrode comprising the electrode catalyst layer and the electrode substrate, using the electrolyte membrane of the present invention. The electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst that promotes an electrode reaction, an electron conductor, an ion conductor, and the like. As the electrode catalyst contained in the electrode catalyst layer, for example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium and gold is preferably used. One of these may be used alone, or two or more of them, such as alloys and mixtures, may be used in combination.

電極触媒層に含まれる電子伝導体(導電材)としては、電子伝導性や化学的な安定性の点から炭素材料、無機導電材料が好ましく用いられる。なかでも、非晶質、結晶質の炭素材料が挙げられる。例えば、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。ファーネスブラックとしては、キャボット社製“バルカン(登録商標)XC−72”、“バルカン(登録商標)P”、“ブラックパールズ(登録商標)880”、“ブラックパールズ(登録商標)1100”、“ブラックパールズ(登録商標)1300”、“ブラックパールズ(登録商標)2000”、“リーガル(登録商標)400”、ケッチェンブラック・インターナショナル社製“ケッチェンブラック(登録商標)”EC、EC600JD、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製“デンカブラック(登録商標)”などが挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素なども使用することができる。これらの炭素材料の形態としては、不定形粒子状のほか繊維状、鱗片状、チューブ状、円錐状、メガホン状のものも用いることができる。また、これら炭素材料を後処理加工したものを用いてもよい。   As the electron conductor (conductive material) contained in the electrode catalyst layer, a carbon material or an inorganic conductive material is preferably used from the viewpoint of electron conductivity and chemical stability. Among these, amorphous and crystalline carbon materials are mentioned. For example, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used because of its electron conductivity and specific surface area. Furnace Black includes “Vulcan (registered trademark) XC-72”, “Vulcan (registered trademark) P”, “Black Pearls (registered trademark) 880”, “Black Pearls (registered trademark) 1100”, “Black” manufactured by Cabot Corporation. “Pearls (registered trademark) 1300”, “Black Pearls (registered trademark) 2000”, “Regal (registered trademark) 400”, “Ketjen Black (registered trademark)” EC, EC600JD, Mitsubishi Chemical Examples of the acetylene black include “Denka Black (registered trademark)” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin can also be used. As the form of these carbon materials, in addition to irregular particles, fibers, scales, tubes, cones, and megaphones can also be used. Moreover, you may use what post-processed these carbon materials.

また、電子伝導体は、触媒粒子と均一に分散していることが電極性能の点で好ましい。このため、触媒粒子と電子伝導体は予め塗液として良く分散しておくことが好ましい。さらに、電極触媒層として、触媒と電子伝導体とが一体化した触媒担持カーボン等を用いることも好ましい実施態様である。この触媒担持カーボンを用いることにより、触媒の利用効率が向上し、電池性能の向上および低コスト化に寄与できる。ここで、電極触媒層に触媒担持カーボンを用いた場合においても、電子伝導性をさらに高めるために導電剤を添加することも可能である。このような導電剤としては、上述のカーボンブラックが好ましく用いられる。   In addition, it is preferable in terms of electrode performance that the electron conductor is uniformly dispersed with the catalyst particles. For this reason, it is preferable that the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid. Furthermore, it is also a preferred embodiment to use a catalyst-supporting carbon in which a catalyst and an electron conductor are integrated as an electrode catalyst layer. By using this catalyst-supporting carbon, the utilization efficiency of the catalyst is improved, which can contribute to the improvement of battery performance and cost reduction. Here, even when catalyst-supported carbon is used for the electrode catalyst layer, a conductive agent can be added to further increase the electron conductivity. As such a conductive agent, the above-described carbon black is preferably used.

電極触媒層に用いられるイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)としては、一般的に、種々の有機、無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、イオン伝導性を向上するスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン性基を有するポリマー(イオン伝導性ポリマー)が好ましく用いられる。なかでも、イオン性基の安定性の観点から、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるイオン伝導性を有するポリマー、あるいは本発明の高分子電解質材料が好ましく用いられる。パーフルオロ系イオン伝導性ポリマーとしては、例えばデュポン社製の“ナフィオン(登録商標)”、旭化成社製の“Aciplex(登録商標)”、旭硝子社製“フレミオン(登録商標)”などが好ましく用いられる。これらのイオン伝導性ポリマーは、溶液または分散液の状態で電極触媒層中に設ける。この際に、ポリマーを溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、イオン伝導性ポリマーの溶解性の点から極性溶媒が好ましい。   Various organic and inorganic materials are generally known as substances having ion conductivity (ion conductors) used for the electrode catalyst layer. However, when used for fuel cells, the ion conductivity is improved. A polymer having an ionic group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group (ion conductive polymer) is preferably used. Among these, from the viewpoint of the stability of the ionic group, a polymer having ion conductivity composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or the polymer electrolyte material of the present invention is preferably used. As the perfluorinated ion conductive polymer, for example, “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, “Aciplex (registered trademark)” manufactured by Asahi Kasei Corporation, “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. and the like are preferably used. . These ion conductive polymers are provided in the electrode catalyst layer in the state of a solution or a dispersion. At this time, the solvent for dissolving or dispersing the polymer is not particularly limited, but a polar solvent is preferable from the viewpoint of the solubility of the ion conductive polymer.

前記、触媒と電子伝導体類は通常粉体であるので、イオン伝導体はこれらを固める役割を担うことが通常である。イオン伝導体は、電極触媒層を作製する際に電極触媒粒子と電子伝導体とを主たる構成物質とする塗液に予め添加し、均一に分散した状態で塗布することが電極性能の点から好ましいものであるが、電極触媒層を塗布した後にイオン伝導体を塗布してもよい。ここで、電極触媒層にイオン伝導体を塗布する方法としては、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、カーテンコート、フローコートなどが挙げられ、特に限定されるものではない。電極触媒層に含まれるイオン伝導体の量としては、要求される電極特性や用いられるイオン伝導体の伝導度などに応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではないが、重量比で1〜80%の範囲が好ましく、5〜50%の範囲がさらに好ましい。イオン伝導体は、少な過ぎる場合はイオン伝導度が低く、多過ぎる場合はガス透過性を阻害する点で、いずれも電極性能を低下させることがある。   Since the catalyst and the electronic conductors are usually powders, the ionic conductor usually plays a role of solidifying them. It is preferable from the viewpoint of electrode performance that the ionic conductor is added in advance to a coating liquid mainly composed of electrode catalyst particles and an electron conductor when the electrode catalyst layer is produced, and is applied in a uniformly dispersed state. However, the ion conductor may be applied after the electrode catalyst layer is applied. Here, examples of the method for applying the ion conductor to the electrode catalyst layer include spray coating, brush coating, dip coating, die coating, curtain coating, and flow coating, and are not particularly limited. The amount of the ion conductor contained in the electrode catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and the conductivity of the ion conductor used, and is not particularly limited. The range of 1 to 80% is preferable, and the range of 5 to 50% is more preferable. When the ion conductor is too small, the ion conductivity is low, and when it is too much, the gas permeability may be hindered.

電極触媒層には、上記の触媒、電子伝導体、イオン伝導体の他に、種々の物質を含んでいてもよい。特に、電極触媒層中に含まれる物質の結着性を高めるために、上述のイオン伝導性ポリマー以外のポリマーを含んでもよい。このようなポリマーとしては例えば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)などのフッ素原子を含むポリマー、これらの共重合体、これらのポリマーを構成するモノマー単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマーとの共重合体、あるいは、ブレンドポリマーなどを用いることができる。これらポリマーの電極触媒層中の含有量としては、重量比で5〜40%の範囲が好ましい。ポリマー含有量が多すぎる場合、電子およびイオン抵抗が増大し電極性能が低下する傾向がある。   The electrode catalyst layer may contain various substances in addition to the catalyst, the electronic conductor, and the ionic conductor. In particular, in order to enhance the binding property of the substance contained in the electrode catalyst layer, a polymer other than the above-described ion conductive polymer may be included. Examples of such a polymer include fluorine atoms such as polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), polytetrafluoroethylene, and polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA). These copolymers, copolymers of monomer units constituting these polymers and other monomers such as ethylene and styrene, or blend polymers can be used. The content of these polymers in the electrode catalyst layer is preferably in the range of 5 to 40% by weight. When there is too much polymer content, there exists a tendency for an electronic and ionic resistance to increase and for electrode performance to fall.

また電極触媒層は、燃料が液体や気体の場合には、その液体や気体が透過しやすい構造を有していることが好ましく、電極反応に伴う副生成物質の排出も促す構造が好ましい。   In addition, when the fuel is a liquid or a gas, the electrode catalyst layer preferably has a structure that allows the liquid or gas to easily permeate, and preferably has a structure that promotes the discharge of by-products due to the electrode reaction.

電極基材としては、電気抵抗が低く、集電あるいは給電を行えるものを用いることができる。また、前記電極触媒層を集電体兼用で使用する場合は、特に電極基材を用いなくてもよい。電極基材の構成材としては、たとえば、炭素質、導電性無機物質が挙げられ、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。これらの、形態は特に限定されず、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、燃料透過性の点から炭素繊維などの繊維状導電性物質(導電性繊維)が好ましい。導電性繊維を用いた電極基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。たとえば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E-TEK社製カーボンクロスなどが用いられる。   As the electrode base material, one having a low electric resistance and capable of collecting or feeding power can be used. Moreover, when using the said electrode catalyst layer also as a collector, it is not necessary to use an electrode base material in particular. Examples of the constituent material of the electrode base material include carbonaceous and conductive inorganic substances. For example, a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum And titanium. These forms are not particularly limited, and are used, for example, in the form of fibers or particles. From the viewpoint of fuel permeability, fibrous conductive materials (conductive fibers) such as carbon fibers are preferable. As an electrode base material using conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. For example, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are used.

織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるものなど特に限定されること無く用いられる。また編物であってもよい。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化あるいは黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸あるいは炭化糸あるいは黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布を用いるのが好ましい。   As the woven fabric, a plain weave, a twill weave, a satin weave, a crest weave, a binding weave and the like are used without particular limitation. Moreover, as a nonwoven fabric, it does not specifically limit, such as a paper making method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, and a melt blow method. It may also be a knitted fabric. In particular, when carbon fibers are used in these fabrics, carbonized plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized, and flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by the needle punch method or water jet punch method. Alternatively, a graphitized nonwoven fabric, a flameproof yarn, a carbonized yarn, or a mat nonwoven fabric by a paper making method using a graphitized yarn is preferably used. In particular, it is preferable to use a non-woven fabric because a thin and strong fabric can be obtained.

電極基材に炭素繊維からなる導電性繊維を用いた場合、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などがあげられる。   When conductive fibers made of carbon fibers are used for the electrode substrate, examples of the carbon fibers include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers, phenol-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers.

また電極基材には、水の滞留によるガス拡散・透過性の低下を防ぐための撥水処理や、水の排出路を形成するための部分的撥水、親水処理や、抵抗を下げるための炭素粉末の添加等を行うこともできる。   In addition, the electrode base material has a water repellent treatment for preventing gas diffusion / permeability deterioration due to water retention, a partial water repellent treatment for forming a water discharge path, a hydrophilic treatment, and a resistor for reducing resistance. Carbon powder can be added.

本発明の高分子電解質型燃料電池においては、電極基材と電極触媒層の間に、少なくとも無機導電性物質と疎水性ポリマーを含む導電性中間層を設けることが好ましい。特に、電極基材が空隙率の大きい炭素繊維織物や不織布である場合、導電性中間層を設けることで、電極触媒層が電極基材にしみ込むことによる性能低下を抑えることができる。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, it is preferable to provide a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive material and a hydrophobic polymer between the electrode substrate and the electrode catalyst layer. In particular, when the electrode base material is a carbon fiber woven fabric or a nonwoven fabric having a large porosity, by providing the conductive intermediate layer, it is possible to suppress performance degradation due to the electrode catalyst layer permeating into the electrode base material.

本発明の高分子電解質膜を使用して、電極触媒層あるいは電極触媒層と電極基材を用いて膜電極複合体(MEA)を作製する方法は特に限定されるものではない。公知の方法(例えば、「電気化学」1985, 53, 269.記載の化学メッキ法、「ジャーナル オブ エレクトロケミカル サイエンス」(J. Electrochem. Soc.): Electrochemical Science and Technology, 1988, 135(9), 2209. 記載のガス拡散電極の熱プレス接合法など)を適用することが可能である。熱プレスにより一体化することは好ましい方法であるが、その温度や圧力は、高分子電解質膜の厚さ、水分率、電極触媒層や電極基材により適宜選択すればよい。また、高分子電解質膜が含水した状態でプレスしてもよいし、イオン伝導性を有するポリマーで接着してもよい。   A method for producing a membrane electrode assembly (MEA) using the electrode catalyst layer or the electrode catalyst layer and an electrode substrate using the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited. Known methods (for example, the chemical plating method described in “Electrochemistry” 1985, 53, 269., “Journal of Electrochemical Science” (J. Electrochem. Soc.): Electrochemical Science and Technology, 1988, 135 (9), It is possible to apply the gas diffusion electrode hot press bonding method described in 2209. Although integration by hot pressing is a preferred method, the temperature and pressure may be appropriately selected depending on the thickness of the polymer electrolyte membrane, the moisture content, the electrode catalyst layer, and the electrode substrate. Alternatively, the polymer electrolyte membrane may be pressed in a water-containing state, or may be bonded with a polymer having ion conductivity.

本発明の燃料電池の燃料としては、酸素、水素およびメタン、エタン、プロパン、ブタン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、エチレングリコール、ギ酸、酢酸、ジメチルエーテル、ハイドロキノン、シクロヘキサンなどの炭素数1〜6の有機化合物およびこれらと水との混合物等が挙げられ、1種または2種以上の混合物でもよい。特に発電効率や電池全体のシステム簡素化の観点から炭素数1〜6の有機化合物を含む燃料が好適に使用され、発電効率の点でとりわけ好ましいのはメタノール水溶液である。   Examples of the fuel for the fuel cell of the present invention include organic compounds having 1 to 6 carbon atoms such as oxygen, hydrogen and methane, ethane, propane, butane, methanol, isopropyl alcohol, acetone, ethylene glycol, formic acid, acetic acid, dimethyl ether, hydroquinone, and cyclohexane. Examples thereof include a compound and a mixture of these with water, and one kind or a mixture of two or more kinds may be used. In particular, a fuel containing an organic compound having 1 to 6 carbon atoms is preferably used from the viewpoint of power generation efficiency and simplification of the entire battery system, and an aqueous methanol solution is particularly preferable in terms of power generation efficiency.

膜電極複合体に供給される燃料中の炭素数1〜6の有機化合物の含有量は1〜99.8重量%が好ましい。含有量を1重量%以上とすることで実用的な高いエネルギー容量を得ることができ、99.8重量%以下とすることで発電効率が上がり、実用的な高い出力を得ることができる。   The content of the organic compound having 1 to 6 carbon atoms in the fuel supplied to the membrane electrode assembly is preferably 1 to 99.8% by weight. When the content is 1% by weight or more, a practical high energy capacity can be obtained, and when the content is 99.8% by weight or less, the power generation efficiency is increased and a practical high output can be obtained.

メタノール水溶液を用いる場合、メタノールの濃度としては、使用する燃料電池のシステムによって適宜選択されるが、できる限り高濃度のほうが長時間駆動の観点から好ましい。例えば、送液ポンプや送風ファンなど発電に必要な媒体を膜電極複合体に送るシステムや、冷却ファン、燃料希釈システム、生成物回収システムなどの補機を有するアクティブ型燃料電池はメタノールの濃度30〜100%以上の燃料を燃料タンクや燃料カセットにより注入し、0.5〜29%程度に希釈して、またはそのまま膜電極複合体に送ることが好ましく、補機がないパッシブ型の燃料電池はメタノールの濃度が10〜100%の範囲の燃料が好ましい。   When an aqueous methanol solution is used, the concentration of methanol is appropriately selected depending on the fuel cell system to be used. A concentration as high as possible is preferable from the viewpoint of long-time driving. For example, an active fuel cell having a system for sending a medium necessary for power generation, such as a liquid feed pump or a blower fan, to a membrane electrode assembly, or an auxiliary machine such as a cooling fan, a fuel dilution system, or a product recovery system has a methanol concentration of 30. It is preferable to inject a fuel of 100% or more by a fuel tank or a fuel cassette and dilute it to about 0.5-29% or send it directly to the membrane electrode assembly. A fuel having a methanol concentration in the range of 10 to 100% is preferred.

また、本発明の膜電極複合体は複数枚のスタック状で使用しても並べた状態で使用してもよい。また、燃料電池は使用する機器に内蔵してもよいし、外付けのユニットとして使用してもよい。また、メンテナンスの観点から、燃料電池セルから膜電極複合体が脱着可能な構成であることも好ましい。   Moreover, the membrane electrode assembly of the present invention may be used in the form of a stack of a plurality of sheets or in a state of being arranged. Further, the fuel cell may be built in the device to be used, or may be used as an external unit. From the viewpoint of maintenance, it is also preferable that the membrane electrode assembly is detachable from the fuel cell.

また、水素などの気体を燃料とした携帯用機器用燃料電池はそれらのガスが外部に漏れ出さない構造が安全上および長時間駆動の観点から好ましく、少なくとも水素極であるアノード側は密閉状態で使用することが好ましい。カソードは周辺機器などを減らす目的で空気を自然吸気する構造が好ましい。アノード側は水素発生装置や水素ボンベ、水素吸蔵合金などの圧力で陽圧であることが好ましく、0.1MPa〜0.0001MPaが好ましい。好ましくは0.05MPa〜0.001Mpaである。取り出す電流によるが、自然対流でも発電は可能である。   In addition, a fuel cell for a portable device using a gas such as hydrogen as a fuel preferably has a structure in which those gases do not leak to the outside from the viewpoint of safety and long-time driving, and at least the anode side, which is the hydrogen electrode, is sealed. It is preferable to use it. The cathode preferably has a structure that naturally sucks air for the purpose of reducing peripheral devices and the like. The anode side is preferably a positive pressure, such as a hydrogen generator, a hydrogen cylinder, or a hydrogen storage alloy, and preferably 0.1 MPa to 0.0001 MPa. Preferably, it is 0.05 MPa to 0.001 MPa. Depending on the current to be extracted, natural convection can generate power.

本発明の燃料電池の用途としては、移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ(カムコーダー)、デジタルカメラ、ハンディターミナル、RFIDリーダー、デジタルオーディオプレイヤー、各種ディスプレー類などの携帯機器、電動シェーバー、掃除機等の家電、電動工具、家庭用電力供給機、乗用車、バスおよびトラックなどの自動車、二輪車、電動アシスト付自転車、電動カート、電動車椅子や船舶および鉄道などの移動体、各種ロボットなどの電力供給源として好ましく用いられる。特に携帯用機器では、電力供給源だけではなく、携帯機器に搭載した二次電池の充電用にも使用され、さらには二次電池やキャパシタ、太陽電池と併用するハイブリッド型電力供給源としても好適に利用できる。   As a use of the fuel cell of the present invention, a power supply source of a moving body is preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras (camcorders), digital cameras, handy terminals, RFID readers, digital audio players, various displays, home appliances such as electric shavers and vacuum cleaners, electric tools, home use It is preferably used as a power supply source for automobiles such as power supply machines, passenger cars, buses and trucks, motorcycles, bicycles with electric assist, electric carts, electric wheelchairs, ships such as ships and railways, and various robots. Especially in portable devices, it is used not only for power supply sources, but also for charging secondary batteries installed in portable devices, and also suitable as a hybrid power supply source used in combination with secondary batteries, capacitors, and solar cells. Available to:

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、これらの例は本発明をよりよく理解するためのものであり、本発明はこれらに限定されるものではない
(1)イオン伝導度A
試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、25℃、相対湿度50〜80%の雰囲気中に取り出し、できるだけ素早く定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, these examples are for better understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto. (1) Ionic conductivity A
After immersing the sample in pure water at 25 ° C. for 24 hours, the sample was taken out in an atmosphere at 25 ° C. and a relative humidity of 50 to 80%, and the proton conductivity was measured by the constant potential AC impedance method as quickly as possible.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用した。サンプルは、φ2mmおよびφ10mmの2枚の円形電極(ステンレス製)間に加重1kgをかけて挟持した。有効電極面積は0.0314cm2である。サンプルと電極の界面には、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)の15%水溶液を塗布した。25℃において、交流振幅50mVの定電位インピーダンス測定を行い、膜厚方向のイオン伝導度Aを求めた。
(2)イオン伝導度B
試料を90℃、相対湿度50%の恒温高湿槽中、定電位交流インピーダンス法でイオン伝導度Bを測定した。
As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. The sample was sandwiched between two circular electrodes (made of stainless steel) of φ2 mm and φ10 mm with a weight of 1 kg. The effective electrode area is 0.0314 cm2. A 15% aqueous solution of poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) was applied to the interface between the sample and the electrode. A constant potential impedance measurement with an AC amplitude of 50 mV was performed at 25 ° C., and the ionic conductivity A in the film thickness direction was determined.
(2) Ionic conductivity B
The sample was measured for ionic conductivity B by a constant potential AC impedance method in a constant temperature and high humidity bath at 90 ° C. and a relative humidity of 50%.

測定装置としては、Solartron製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用した。サンプルは幅10mm程度、長さ10〜30mm程度の膜を用いた。サンプルは、測定直前まで90℃、相対湿度50%の恒温高湿槽中に放置した。電極として、直径100μmの白金線(2本)を使用した。電極はサンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。白金線間の電解質膜部分は露出するようにセットした。
(3)メタノール透過量
膜状の試料を25℃の純水に24時間浸漬した後、20℃において30重量%メタノール水溶液を用いて測定した。
As a measuring apparatus, a Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used. As the sample, a membrane having a width of about 10 mm and a length of about 10 to 30 mm was used. The sample was left in a constant temperature and high humidity bath at 90 ° C. and 50% relative humidity until just before the measurement. As electrodes, platinum wires (two wires) having a diameter of 100 μm were used. The electrodes were arranged on the front side and the back side of the sample film so as to be parallel to each other and perpendicular to the longitudinal direction of the sample film. The electrolyte membrane part between the platinum wires was set to be exposed.
(3) Methanol Permeation A film-like sample was immersed in pure water at 25 ° C. for 24 hours, and then measured at 20 ° C. using a 30 wt% methanol aqueous solution.

H型セル間にサンプル膜を挟み、一方のセルには純水(60mL)を入れ、他方のセルには30重量%メタノール水溶液(60mL)を入れた。セルの容量は各80mLであった。また、セル間の開口部面積は1.77cm2であった。20℃において両方のセルを撹拌した。1時間、2時間および3時間経過時点で純水中に溶出したメタノール量を島津製作所製ガスクロマトグラフィ(GC−2010)で測定し定量した。グラフの傾きから単位時間あたりのメタノール透過量を求めた。 A sample membrane was sandwiched between the H-type cells, pure water (60 mL) was placed in one cell, and 30 wt% aqueous methanol solution (60 mL) was placed in the other cell. The cell capacity was 80 mL each. Moreover, the opening part area between cells was 1.77 cm < 2 >. Both cells were stirred at 20 ° C. The amount of methanol eluted in pure water at the time of 1 hour, 2 hours and 3 hours was measured and quantified with a gas chromatography (GC-2010) manufactured by Shimadzu Corporation. The methanol permeation amount per unit time was determined from the slope of the graph.

[参考例]
(1)イオン性基を有した高分子材料の合成例1
4,4’−ジフルオロベンゾフェノン109.1gを発煙硫酸(50%SO)150mL中、100℃で10h反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノンを得た。(収量181g、収率86%)。
[Reference example]
(1) Synthesis example 1 of polymer material having ionic group
109.1 g of 4,4′-difluorobenzophenone was reacted at 100 ° C. for 10 hours in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ). Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and 200 g of sodium chloride was added to precipitate the composite. The resulting precipitate was filtered off and recrystallized with an aqueous ethanol solution to obtain disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluorobenzophenone. (Yield 181 g, 86% yield).

炭酸カリウムを6.9g、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンを16g、および4,4'−ジフルオロベンゾフェノンを6g、および前記ジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン6gを用いて、N−メチル−2−ピロリドン中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、ポリマーAを得た。   6.9 g of potassium carbonate, 16 g of 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 6 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and the disodium 3,3′-disulfonate-4,4′-difluoro Polymerization was performed at 190 ° C. in N-methyl-2-pyrrolidone using 6 g of benzophenone. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain polymer A.

(2)イオン性基を有した高分子材料の合成例2
炭酸カリウムを6.9g、4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタンを14g、および4,4'−ジフルオロベンゾフェノンを7g、および前記合成例1のジソジウム 3,3’−ジスルホネート−4,4’−ジフルオロベンゾフェノン5gを用いて、N−メチル−2−ピロリドン中、190℃で重合を行った。多量の水で再沈することで精製を行い、ポリマーBを得た。
(2) Synthesis example 2 of polymer material having ionic group
6.9 g of potassium carbonate, 14 g of 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane, 7 g of 4,4′-difluorobenzophenone, and the disodium 3,3′-disulfonate-4,4′- of Synthesis Example 1 Polymerization was carried out at 190 ° C. in N-methyl-2-pyrrolidone using 5 g of difluorobenzophenone. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of water to obtain polymer B.

(3)電解質膜A、Bの作製例
上記ポリマーAおよびポリマーBをそれぞれN−メチル−2−ピロリドンに溶解し固形分25%の塗液とした。当該塗液をガラス板上に流延塗布し、70℃にて30分さらに100℃にて1時間乾燥して膜厚72μmのフィルムを得た。さらに、窒素ガス雰囲気下、200〜300℃まで1時間かけて昇温し、300℃で10分間加熱する条件で熱処理した後、放冷し、1N塩酸に12時間以上浸漬してプロトン置換した後に、大過剰量の純水に1日間以上浸漬して充分洗浄し電解質膜Aおよび電解質膜Bを得た。
(3) Preparation Examples of Electrolyte Membranes A and B The above polymer A and polymer B were each dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a coating solution having a solid content of 25%. The coating liquid was cast on a glass plate and dried at 70 ° C. for 30 minutes and further at 100 ° C. for 1 hour to obtain a film having a thickness of 72 μm. Furthermore, after heat-treating under conditions of heating to 200 to 300 ° C. over 1 hour in a nitrogen gas atmosphere and heating at 300 ° C. for 10 minutes, the mixture was allowed to cool and immersed in 1N hydrochloric acid for 12 hours or more to perform proton substitution. The electrolyte membrane A and the electrolyte membrane B were obtained by immersing in a large excess of pure water for at least one day and thoroughly washing.

(4)電解質膜Cの作製例
ビーカーにスチレン10g、ジビニルベンゼン5g、シクロヘキシルマレイミド10g、開孔剤であるプロピレンカーボネートを30g、重合開始剤である2,2´−アゾビスイソブチロニトリル0.1gを仕込み、マグネチックスターラーにて撹拌し均一に溶解し単量体組成物溶液とした。
(4) Production Example of Electrolyte Membrane 10 g of styrene, 5 g of divinylbenzene, 10 g of cyclohexylmaleimide, 30 g of propylene carbonate as a pore-opening agent, 2,2′-azobisisobutyronitrile as a polymerization initiator 1 g was charged, stirred with a magnetic stirrer and dissolved uniformly to obtain a monomer composition solution.

厚み5mmで30cm×30cmサイズのガラス板2枚の間隔が0.2mmとなるようにガスケットで調整したモールドを準備し、ガラス板間に上記の単量体組成物溶液をガスケット内が満たされるまで注入した。   Prepare a mold adjusted with a gasket so that the distance between two 30 cm × 30 cm glass plates with a thickness of 5 mm is 0.2 mm, and until the inside of the gasket is filled with the monomer composition solution between the glass plates Injected.

次に65℃の熱風乾燥機内で8時間、板間で重合したのち、ガラス板間から重合体の膜を取り出した。   Next, after polymerizing between plates in a hot air dryer at 65 ° C. for 8 hours, a polymer film was taken out between the glass plates.

開孔剤の除去とイオン性基の導入として、上記の膜状の重合体を、5重量%のクロロスルホン酸を添加した1,2−ジクロロエタン中に30分間浸漬した後、洗浄液が中性になるまで水洗し、高分子電解質膜を得た。   For removal of the pore-opening agent and introduction of ionic groups, the above film-like polymer was immersed in 1,2-dichloroethane to which 5% by weight of chlorosulfonic acid was added for 30 minutes, and then the cleaning solution became neutral. This was washed with water to obtain a polymer electrolyte membrane.

[実施例1]
2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)1gを水5gに溶解し、さらにテトラエトキシシランを0.5g加え、0℃に冷却し、均一な溶液になるまで撹拌し水代替基含有溶液Aを得た。
[Example 1]
Dissolve 1 g of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) in 5 g of water, add 0.5 g of tetraethoxysilane, cool to 0 ° C., and stir until a uniform solution is obtained. A was obtained.

所定のサイズにカットした電解質膜Aをポリエチレン袋に入れ、さらに所定量の上記水代替基含有溶液Aを加え、電解質膜Aが完全に浸漬する状態にした後、ヒートシーラーで密封した。8hr浸漬後、密封したポリエチレン袋のコーナー部分をカットし、過剰な水代替基含有溶液Aを流し出し、次いでポリエチレン袋ごと、水代替基含有溶液Aを含浸した電解質膜Aを二枚のガラス板ではさみ、80℃で12時間加熱した。その後、ポリエチレン袋から水代替基含有溶液Aを含浸した電解質膜Aを取り出し、水洗して電解質膜Dを得た。スルホン酸基である酸性基AHのPKaは−3.0であり、テトラエトキシシラン由来の水代替基BのPKbは0.42であった。また、イオン伝導度A、B、プロトン透過量は“ナフィオン(登録商標)117”の測定値を1として規格化した値を表1にまとめた。   The electrolyte membrane A cut to a predetermined size was put in a polyethylene bag, and a predetermined amount of the above-mentioned water-substituent group-containing solution A was added to make the electrolyte membrane A completely immersed, followed by sealing with a heat sealer. After immersion for 8 hours, the corner portion of the sealed polyethylene bag is cut, the excess water-substituent group-containing solution A is poured out, and then the polyethylene membrane and the electrolyte membrane A impregnated with the water-substituent group-containing solution A are placed on two glass plates Scissors were heated at 80 ° C. for 12 hours. Thereafter, the electrolyte membrane A impregnated with the water substitute group-containing solution A was taken out of the polyethylene bag and washed with water to obtain an electrolyte membrane D. The PKa of the acidic group AH, which is a sulfonic acid group, was −3.0, and the PKb of the water substitute group B derived from tetraethoxysilane was 0.42. In addition, Table 1 summarizes the values obtained by standardizing the ion conductivity A and B and the proton permeation amount with the measured value of “Nafion (registered trademark) 117” being 1.

[実施例2、3]
実施例1の電解質膜Aを電解質膜B、Cに変更した以外は、実施例1と同様に行ない、電解質膜E、Fを得た。
[Examples 2 and 3]
Except having changed the electrolyte membrane A of Example 1 into electrolyte membranes B and C, it carried out similarly to Example 1 and obtained electrolyte membranes E and F.

これらの、イオン伝導度A、B、プロトン透過量は“ナフィオン(登録商標)117”の測定値を1として規格化した値を表1にまとめた。   The values obtained by normalizing the ion conductivity A, B and the proton permeation amount with the measured value of “Nafion (registered trademark) 117” as 1 are summarized in Table 1.

[実施例4]
アクリルアミド1g、水1g、エタノール0.5g、過硫酸カリウム0.1gを撹拌混合し、均一な溶液になるまで撹拌し水代替基含有溶液Bを得た。この水代替基含有溶液Bと水代替基含有溶液Aとを変更した以外は実施例1と同様に行い電解質膜Gを得た。スルホン酸基である酸性基AHのPKaは−3.0であり、アクリルアミド由来の水代替基BのPKbは1.78であった。また、電解質膜Gのイオン伝導度A、B、プロトン透過量は“ナフィオン(登録商標)117”の測定値を1として規格化した値を表1にまとめた。
[Example 4]
Acrylamide (1 g), water (1 g), ethanol (0.5 g), and potassium persulfate (0.1 g) were mixed with stirring. An electrolyte membrane G was obtained in the same manner as in Example 1 except that the water substitute group-containing solution B and the water substitute group-containing solution A were changed. The PKa of the acidic group AH, which is a sulfonic acid group, was −3.0, and the PKb of the water substitution group B derived from acrylamide was 1.78. In addition, Table 1 summarizes the values obtained by standardizing the ion conductivity A and B and the proton permeation amount of the electrolyte membrane G with the measured value of “Nafion (registered trademark) 117” as 1.

[実施例5]
ビニルアニリン1g、2,2´−アゾビスイソブチロニトリル0.1gを撹拌混合し、均一な溶液になるまで撹拌し水代替基含有溶液Cを得た。この水代替基含有溶液Cと水代替基含有溶液Aとを変更した以外は実施例1と同様に行い電解質膜Hを得た。スルホン酸基である酸性基AHのPKaは−3.0であり、ビニルアニリン由来の水代替基のPKbは3.68であった。また、電解質膜Hのイオン伝導度A、B、プロトン透過量は“ナフィオン(登録商標)117”の測定値を1として規格化した値を表1にまとめた。
[Example 5]
1 g of vinylaniline and 0.1 g of 2,2′-azobisisobutyronitrile were stirred and mixed, and stirred until a uniform solution was obtained, thereby obtaining a water substitute group-containing solution C. An electrolyte membrane H was obtained in the same manner as in Example 1 except that the water substitute group-containing solution C and the water substitute group-containing solution A were changed. The PKa of the acidic group AH, which is a sulfonic acid group, was −3.0, and the PKb of the water substitute group derived from vinylaniline was 3.68. In addition, Table 1 shows the values obtained by standardizing the ion conductivity A and B and the proton permeation amount of the electrolyte membrane H with the measured value of “Nafion (registered trademark) 117” as 1.

[比較例1〜3]
水代替基を含まない、電解質膜A、B、Cについても比較としてイオン伝導度A、B、プロトン透過量を測定し、“ナフィオン(登録商標)117”の測定値を1として規格化した値を表1にまとめた。
[Comparative Examples 1-3]
For electrolyte membranes A, B, and C that do not contain a water-substituting group, the ion conductivity A, B, and proton permeation amount were measured for comparison, and the measured value of “Nafion (registered trademark) 117” was normalized to 1. Are summarized in Table 1.

[実施例6]膜電極複合体A
2枚の炭素繊維クロス基材に20%四フッ化エチレン溶液にて撥水処理を行ったのち、四フッ化エチレンを20%含むカーボンブラック分散液を塗工し、焼成して電極基材を作製した。
[Example 6] Membrane electrode composite A
Two carbon fiber cloth base materials were treated with a 20% ethylene tetrafluoride solution for water repellency, and then a carbon black dispersion containing 20% ethylene tetrafluoride was applied and baked to form an electrode base material. Produced.

1枚の電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンと“ナフィオン(登録商標)”溶液とからなるアノード電極触媒塗液を塗工し、乾燥してアノード電極を作製した。   On one electrode substrate, an anode electrode catalyst coating solution composed of Pt—Ru-supported carbon and “Nafion (registered trademark)” solution was applied and dried to prepare an anode electrode.

また、もう1枚の電極基材上に、Pt担持カーボンと“ナフィオン(登録商標)”溶液とからなるカソード電極触媒塗液を塗工し、乾燥して、カソード電極を作製した。   On the other electrode substrate, a cathode electrode catalyst coating solution composed of Pt-supported carbon and a “Nafion (registered trademark)” solution was applied and dried to prepare a cathode electrode.

上記で得られた電解質膜Dを、アノード電極とカソード電極とで夾持し、加熱プレスすることで膜電極複合体Aを作製した。   The electrolyte membrane D obtained above was held between an anode electrode and a cathode electrode, and heated and pressed to prepare a membrane electrode assembly A.

[実施例7]膜電極複合体B
2枚の炭素繊維クロス基材に20%四フッ化エチレン溶液にて撥水処理を行ったのち、四フッ化エチレンを20%含むカーボンブラック分散液を塗工し、焼成して電極基材を作製した。
[Example 7] Membrane electrode composite B
Two carbon fiber cloth base materials were treated with a 20% ethylene tetrafluoride solution for water repellency, and then a carbon black dispersion containing 20% ethylene tetrafluoride was applied and baked to form an electrode base material. Produced.

2枚の電極基材上に、Pt担持カーボンと“ナフィオン(登録商標)”溶液とからなる電極触媒塗液を塗工し、乾燥して電極を作製した。   An electrode catalyst coating solution composed of Pt-supported carbon and a “Nafion (registered trademark)” solution was applied onto two electrode base materials, and dried to prepare an electrode.

上記で得られた電解質膜Gを、2枚の電極で夾持し、加熱プレスすることで膜電極複合体Bを作製した。   The electrolyte membrane G obtained above was held between two electrodes and heated and pressed to produce a membrane electrode assembly B.

[実施例8]燃料電池Aの評価
得られた膜電極複合体Aをエレクトロケム社製セルにセットし、アノード側に30%メタノール水溶液、カソード側に空気を流して燃料電池とした。
Example 8 Evaluation of Fuel Cell A The obtained membrane electrode assembly A was set in a cell manufactured by Electrochem, and a fuel cell was prepared by flowing a 30% aqueous methanol solution on the anode side and air on the cathode side.

電解質膜Dを使用したMEAの方が“ナフィオン(登録商標)”117膜を使用したMEAより優れた特性を有していた。   The MEA using the electrolyte membrane D had better characteristics than the MEA using the “Nafion (registered trademark)” 117 membrane.

[実施例9]燃料電池Bの評価
得られた膜電極複合体Bを評価セルにセットし燃料電池セルを作製した。この燃料電池セルをセル温度:90℃、燃料ガス:水素、酸化ガス:空気、ガス利用率:アノード70%/カソード40%において電流−電圧(I−V)測定を行ったところ、電解質膜Gを使用したMEAの方が“ナフィオン(登録商標)”117膜を使用したMEAより優れた特性を有していた。
[Example 9] Evaluation of fuel cell B The obtained membrane electrode assembly B was set in an evaluation cell to produce a fuel cell. When this fuel cell was measured at a cell temperature of 90 ° C., fuel gas: hydrogen, oxidizing gas: air, gas utilization rate: anode 70% / cathode 40%, the current-voltage (IV) measurement was performed. The MEA using the NOA had better properties than the MEA using the “Nafion®” 117 membrane.

[実施例10]
電解質膜Dを膜厚15μmに調整し実施例7と同様に膜電極複合体Cを得た。これをカソード側が自然吸気できるように開口部(カソード集電板を貫通している)を有するセルにセットした。セルのイメージ図を図1および図2に示す。なお、アノード側の水素流路はサーペンタイン状のものを使用した。アノード側に水素ガスを0.01MPaの圧力で供給し、出口を封止して実質密閉状態にした。水素ガスは実質的に無加湿、セル温度26℃に設定し、電流−電圧測定を行った。
[Example 10]
The electrolyte membrane D was adjusted to a film thickness of 15 μm, and a membrane electrode assembly C was obtained in the same manner as in Example 7. This was set in a cell having an opening (passing through the cathode current collector plate) so that the cathode side can naturally inhale. An image of the cell is shown in FIGS. The hydrogen flow path on the anode side was serpentine. Hydrogen gas was supplied to the anode side at a pressure of 0.01 MPa, and the outlet was sealed to make it substantially sealed. Hydrogen gas was set to substantially no humidification and a cell temperature of 26 ° C., and current-voltage measurement was performed.

その結果、最高出力250mW/cmの出力が得られ、室温無加湿状態でも良好な発電特性を示した。 As a result, a maximum output of 250 mW / cm 2 was obtained, and good power generation characteristics were exhibited even in a room temperature non-humidified state.

Figure 2007149651
Figure 2007149651

表1から明らかなように、実施例は比較例よりイオン伝導度Bが良好で、プロトン透過量を小さくできる。   As is clear from Table 1, the ionic conductivity B is better in the example than the comparative example, and the proton permeation amount can be reduced.

本発明の電解質膜は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置等)に適用可能である。これら装置の中でも、燃料電池用に好適であり、特にメタノール水溶液や水素を燃料とする燃料電池に好適である。   The electrolyte membrane of the present invention can be applied to various electrochemical devices (for example, a fuel cell, a water electrolysis device, a chloroalkali electrolysis device, etc.). Among these devices, it is suitable for a fuel cell, and particularly suitable for a fuel cell using methanol aqueous solution or hydrogen as fuel.

本発明の膜電極複合体、燃料電池の用途としては、特に限定されないが、特に移動体の電力供給源が好ましいものである。特に、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ(カムコーダー)、デジタルカメラ、ハンディターミナル、RFIDリーダー、デジタルオーディオプレイヤー、各種ディスプレー類などの携帯機器、電動シェーバー、掃除機等の家電、電動工具、家庭用電力供給機、乗用車、バスおよびトラックなどの自動車、二輪車、電動アシスト付自転車、電動カート、電動車椅子や船舶および鉄道などの移動体、各種ロボットなどの電力供給源として好ましく用いられる。特に携帯用機器では、電力供給源だけではなく、携帯機器に搭載した二次電池の充電用にも使用され、さらには二次電池やキャパシタ、太陽電池と併用するハイブリッド型電力供給源としても好適に利用できる。   The use of the membrane electrode assembly and the fuel cell of the present invention is not particularly limited, but a power supply source for a mobile body is particularly preferable. In particular, mobile devices such as mobile phones, personal computers, PDAs, video cameras (camcorders), digital cameras, handy terminals, RFID readers, digital audio players, various displays, home appliances such as electric shavers and vacuum cleaners, electric tools, home use It is preferably used as a power supply source for automobiles such as power supply machines, passenger cars, buses and trucks, motorcycles, bicycles with electric assist, electric carts, electric wheelchairs, ships such as ships and railways, and various robots. Especially in portable devices, it is used not only for power supply sources, but also for charging secondary batteries installed in portable devices, and also suitable as a hybrid power supply source used in combination with secondary batteries, capacitors, and solar cells. Available to:

評価用セルのカソード集電板斜視図側イメージ図Perspective view of cathode current collector plate of evaluation cell 評価セル断面図Evaluation cell cross section

符号の説明Explanation of symbols

1 :開口部
2 :カソード集電板
3 :電解質膜
4 :カソード電極
5 :アノード電極
6 :ガスケット
7 :水素ガス供給口
8 :封止材
9 :アノード集電板
10:リード
1: Opening 2: Cathode current collector 3: Electrolyte membrane 4: Cathode electrode 5: Anode electrode 6: Gasket 7: Hydrogen gas supply port 8: Sealing material 9: Anode current collector 10: Lead

Claims (8)

下記S1式で定義されるPKa値が−17.0以上5.0以下の酸性基AHを含み、かつ下記S2式で定義されるPKb値が−6.0以上4.0以下の水代替基Bを含有することを特徴とする電解質膜。
Figure 2007149651
(AH:酸性基、B:水代替基、PKaおよびPKb:平衡定数の対数をとったもの、[ ]:濃度)
A water substitute group containing an acidic group AH having a PKa value defined by the following formula S1 of -17.0 to 5.0 and a PKb value defined by the following formula S2 of -6.0 to 4.0. An electrolyte membrane comprising B.
Figure 2007149651
(AH: acidic group, B: water substitute group, PKa and PKb: logarithm of equilibrium constant, []: concentration)
上記水代替基Bが-OH、-O-Si(OH)、-COOH、-Ar-NH、-(NO2-Ar-NH2、-SO2-NH2、-CO-NH2より選択される一種類以上からなる請求項1に記載の電解質膜。(Ar、Arはアリーレン基を表す) The water substitution group B is —OH, —O—Si (OH) 3 , —COOH, —Ar 1 —NH 2 , — (NO 2 ) 2 —Ar 2 —NH 2 , —SO 2 —NH 2 , —CO The electrolyte membrane according to claim 1, comprising at least one selected from —NH 2 . (Ar 1 and Ar 2 represent an arylene group) 上記水代替基Bが-OH、-O-Si(OH)、-Ph-NH、-(NO2-Ph-NH2、-CO-NH2より選択される一種類以上からなる請求項1または2に記載の電解質膜。(Phはフェニレンを表す) The water substitute group B is composed of one or more selected from —OH, —O—Si (OH) 3 , —Ph—NH 2 , — (NO 2 ) 2 —Ph—NH 2 , —CO—NH 2. The electrolyte membrane according to claim 1 or 2. (Ph represents phenylene) 上記電解質膜が9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン由来の成分、フェノールフタレイン由来の成分、および4,4’−ジヒドロキシテトラフェニルメタン由来の成分から選ばれた少なくとも1種を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の電解質膜。   The electrolyte membrane contains at least one selected from 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene-derived components, phenolphthalein-derived components, and 4,4′-dihydroxytetraphenylmethane-derived components. The electrolyte membrane according to claim 1. 三次元架橋体である請求項1〜4のいずれかに記載の電解質膜。   It is a three-dimensional crosslinked body, The electrolyte membrane in any one of Claims 1-4. 請求項1〜5のいずれかに記載の電解質膜を製造する方法であって、酸性基AHを含む電解質膜に、水代替基Bを含む物質および/または水代替基B前駆体を含む物質を、含浸および/または充填する工程、ならびに水代替基Bを含む電解質膜に、酸性基AHを含む物質および/または酸性基AH前駆体を含む物質を、含浸および/または充填する工程、の内少なくとも1つの工程を有することを特徴とする電解質膜の製造方法。   A method for producing an electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein a substance containing a water substitute group B and / or a substance containing a water substitute group B precursor is added to the electrolyte membrane containing an acidic group AH. And / or impregnating and / or impregnating and / or filling the electrolyte membrane containing the water substitute group B with the substance containing the acidic group AH and / or the substance containing the acidic group AH precursor. A method for producing an electrolyte membrane comprising one step. 請求項1〜5のいずれかに記載の電解質膜を用いることを特徴とする膜電極複合体。   A membrane electrode assembly using the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5. 請求項1〜5のいずれかに記載の電解質膜を用いることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell using the electrolyte membrane according to claim 1.
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