JP2007200794A - Acid-base composite electrolyte, its manufacturing method, and membrane electrode assembly and fuel cell containing the same - Google Patents

Acid-base composite electrolyte, its manufacturing method, and membrane electrode assembly and fuel cell containing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte which has both of high proton conductivity and water resistance under a low-humidity atmosphere. <P>SOLUTION: In an acid-base composite electrolyte film 1 which comprises an acid polymer 2 having an acid functional group 3 and a basic polymer 4 having a basic functional group 5, the acid polymer 2 and basic polymer 4 are combined at a molecular level, and the acid density is 3.0×10<SP>-3</SP>mol/g or more, while the basic density is 1.0×10<SP>-3</SP>mol/g or more. Either one of the acid polymer 2 or basic polymer 4 has a number average molecular weight of 10,000 or more, while the other has that of 200 or more and 3,000 or less. This invention includes a membrane electrode assembly and a fuel cell using such an electrolyte film. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池やその他電気化学セルなどに用いられる酸塩基複合電解質およびその製造方法、酸塩基複合電解質を含む膜電極複合体、燃料電池に関するものである。   The present invention relates to an acid-base composite electrolyte used for fuel cells and other electrochemical cells, a method for producing the same, a membrane electrode assembly including an acid-base composite electrolyte, and a fuel cell.

電解質に高分子電解質を使用する燃料電池は、燃料を供給するアノード電極と、空気などの酸素含有ガスを供給するカソード電極と、それら電極に狭持された高分子電解質を備える高分子電解質膜(以下、電解質膜と言う)とを有する。現在、電解質膜としては、Du Pont社製のNafion(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸系の電解質膜が広汎に使用されている。パーフルオロスルホン酸系の電解質膜では、そのプロトン伝導機構において水を必要とする。そのため、燃料電池発電時には電解質膜の含水率が低下しないように水分管理をする必要がある。   A fuel cell that uses a polymer electrolyte as an electrolyte is a polymer electrolyte membrane comprising an anode electrode that supplies fuel, a cathode electrode that supplies an oxygen-containing gas such as air, and a polymer electrolyte sandwiched between these electrodes ( Hereinafter referred to as an electrolyte membrane). Currently, perfluorosulfonic acid electrolyte membranes represented by Nafion (registered trademark) manufactured by Du Pont are widely used as electrolyte membranes. A perfluorosulfonic acid electrolyte membrane requires water in its proton conduction mechanism. Therefore, it is necessary to perform moisture management so that the moisture content of the electrolyte membrane does not decrease during fuel cell power generation.

一方、燃料電池の出力を向上させる方法として、100℃以上の高温で燃料電池を作動させる方法が検討されている。高温で作動させると、触媒被毒の軽減、電極反応抵抗の低下などにより電圧が向上することが期待される。しかし、現在用いられているパーフルオロスルホン酸系の電解質膜では、100℃以上の温度領域では導電率が著しく低下し、電解質膜の耐熱性にも問題があるため、使用することが困難である。   On the other hand, as a method for improving the output of the fuel cell, a method of operating the fuel cell at a high temperature of 100 ° C. or higher has been studied. When operated at a high temperature, it is expected that the voltage is improved due to reduction of catalyst poisoning and reduction of electrode reaction resistance. However, perfluorosulfonic acid-based electrolyte membranes currently used are difficult to use because the conductivity is remarkably lowered in the temperature range of 100 ° C. or higher and the heat resistance of the electrolyte membrane is also problematic. .

100℃〜200℃の温度領域で使用可能な電解質膜として、ポリベンズイミダゾール(以下、PBIともいう)がある。PBIにリン酸などの強酸をドープすることにより、100℃〜160℃の高温領域においてもプロトン伝導が確認されている。リン酸ドープPBI膜は、低湿度雰囲気においても10−2S/cm以上の高いプロトン導電率を示すため、水分管理が不要となり、簡素なシステムで燃料電池を作動させることが可能である(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。 As an electrolyte membrane that can be used in a temperature range of 100 ° C. to 200 ° C., there is polybenzimidazole (hereinafter also referred to as PBI). By doping PBI with a strong acid such as phosphoric acid, proton conduction has been confirmed even in a high temperature region of 100 ° C to 160 ° C. The phosphoric acid-doped PBI membrane exhibits a high proton conductivity of 10 −2 S / cm or higher even in a low humidity atmosphere, so that moisture management is unnecessary, and the fuel cell can be operated with a simple system (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

しかしながら、燃料電池を作動させるとカソードで水が生成するが、生成した水がリン酸ドープPBI膜に接触すると、ドープしたリン酸が水に溶出し、導電率が低下するといった、耐久性(耐水性)に関する課題がある。この課題を軽減する対策として、PBIのポリマーを酸のポリマーと複合化するという方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。   However, when the fuel cell is operated, water is generated at the cathode. However, when the generated water comes into contact with the phosphoric acid-doped PBI membrane, the doped phosphoric acid is eluted into the water and the conductivity is lowered (water resistance). There is a problem related to sex. As a countermeasure to alleviate this problem, a method of combining a PBI polymer with an acid polymer has been proposed (for example, see Patent Document 3).

また、イオン伝導性と耐久性に優れた高分子電解質の例として、酸、塩基ポリマーを複合化する方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。
特表平11−503262号公報 特開2000−38472号公報 特開2004−55284号公報 特開2003−22824号公報
In addition, as an example of a polymer electrolyte excellent in ion conductivity and durability, a method of combining an acid and a base polymer has been proposed (see, for example, Patent Document 4).
Japanese National Patent Publication No. 11-503262 JP 2000-38472 A JP 2004-55284 A JP 2003-22824 A

しかしながら、特許文献3に記載の方法によって得られる電解質は、耐水性の向上は確認されるが、酸、塩基が共にポリマーであることから、分子鎖の運動性が低く、プロトン伝導率が低くなるという課題が考えられる。さらに、ドープした酸が水に溶出することを抑制するためには、ドープする酸の分子量を大きくすることが対策として考えられるが、分子量が大きくなることにより、分子の運動性が低下し導電率が低下してしまうという課題がある。   However, although the electrolyte obtained by the method described in Patent Document 3 is confirmed to have improved water resistance, both the acid and base are polymers, so the mobility of the molecular chain is low and the proton conductivity is low. The problem is considered. Furthermore, in order to suppress the elution of the doped acid into water, increasing the molecular weight of the doped acid can be considered as a countermeasure. However, increasing the molecular weight decreases the mobility of the molecule and reduces the conductivity. There is a problem that will be reduced.

また、特許文献2に記載の製法では、生成物が粉末状であるので、電解質膜として使用するためには加圧してペレット状にするなどの工程を必要とし、製造プロセスが複雑化するという課題がある。   Moreover, in the manufacturing method described in Patent Document 2, since the product is in the form of powder, in order to use it as an electrolyte membrane, a process such as pressurization to form a pellet is required, which complicates the manufacturing process. There is.

また、特許文献4に記載の方法では酸、塩基ポリマーを複合化しているが、単に酸、塩基ポリマーを混合するだけでは、低湿度雰囲気下での良好なプロトン伝導性は得られない。   In addition, in the method described in Patent Document 4, an acid and a base polymer are combined, but good proton conductivity in a low humidity atmosphere cannot be obtained simply by mixing an acid and a base polymer.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低湿度雰囲気下における高いプロトン伝導性と水に対する耐久性とを併せ持った高分子電解質を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a polymer electrolyte having both high proton conductivity in a low-humidity atmosphere and durability against water.

前記従来の課題を解決するため、本発明の高分子電解質は、酸性官能基を有する酸性重合体と、塩基性官能基を有する塩基性重合体とからなる酸塩基複合電解質であって、
酸性重合体と塩基性重合体とが分子レベルで複合化され、
酸性官能基の密度が3.0×10−3mol/g以上、塩基性官能基の密度が1.0×10−3mol/g以上であり、
酸性重合体と塩基性重合体とのうちいずれか一方の数平均分子量が10000以上であり、かつ、他方の数平均分子量が200以上3000以下であること、を特徴とする。この構成の酸塩基複合電解質は、100℃以上の高温であってもプロトン伝導性を有し、水と接触した際にもドープされた酸または塩基の水への溶出が抑制できる。
In order to solve the conventional problems, the polymer electrolyte of the present invention is an acid-base composite electrolyte comprising an acidic polymer having an acidic functional group and a basic polymer having a basic functional group,
An acidic polymer and a basic polymer are combined at the molecular level,
The density of the acidic functional group is 3.0 × 10 −3 mol / g or more, the density of the basic functional group is 1.0 × 10 −3 mol / g or more,
One of the acidic polymer and the basic polymer has a number average molecular weight of 10,000 or more, and the other has a number average molecular weight of 200 or more and 3000 or less. The acid-base composite electrolyte having this configuration has proton conductivity even at a high temperature of 100 ° C. or higher, and can suppress elution of the doped acid or base into water even when contacted with water.

本発明の酸塩基複合電解質の製造方法は、塩基性重合体で構成される電解質中に、酸性化合物のモノマーを含有させる第一の工程と、
第一の工程で得た電解質中の酸性モノマーを重合反応させる第二の工程と、を有することを特徴とする。上記第一の工程が酸性重合体で構成される電解質中に塩基性モノマーを含有させる工程であって、上記第二の工程が電解質中の塩基性モノマーを重合反応させる工程であっても良い。これらの製造方法により重合反応後、特別な加工を施すことなく、直接酸塩基複合電解質を得ることができる。
The method for producing an acid-base composite electrolyte of the present invention includes a first step of containing a monomer of an acidic compound in an electrolyte composed of a basic polymer,
And a second step of polymerizing the acidic monomer in the electrolyte obtained in the first step. The first step may be a step of containing a basic monomer in an electrolyte composed of an acidic polymer, and the second step may be a step of polymerizing a basic monomer in the electrolyte. By these production methods, an acid-base composite electrolyte can be obtained directly after the polymerization reaction without any special processing.

本発明の膜電極複合体は、電解質膜と、電解質膜を狭持する二つの電極(アノード電極とカソード電極)とが接合されてなる膜電極接合体であって、電解質膜あるいは電極の少なくともいずれかは、上記本発明の酸塩基複合電解質を含むこと、を特徴とする。この構成の膜電極複合体は、本発明の電解質を含むため、100℃以上の高温であってもプロトン伝導性を有し、水と接触した際にもドープされた酸または塩基の水への溶出が抑制できる。   The membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane and two electrodes (an anode electrode and a cathode electrode) sandwiching the electrolyte membrane are joined, and at least one of the electrolyte membrane and the electrode This is characterized by containing the acid-base composite electrolyte of the present invention. Since the membrane electrode assembly of this configuration contains the electrolyte of the present invention, it has proton conductivity even at a high temperature of 100 ° C. or higher, and even when it comes into contact with water, the doped acid or base into water Elution can be suppressed.

本発明の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を狭持するアノード電極とカソード電極とを含む燃料電池であって、電解質膜は上記本発明の酸塩基複合電解質を含むこと、を特徴とする。この構成の燃料電池は、本発明の電解質を含むため、100℃以上の高温下であっても発電することが可能となる。   The fuel cell of the present invention is a fuel cell including an electrolyte membrane, an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane includes the acid-base composite electrolyte of the present invention. . Since the fuel cell having this configuration includes the electrolyte of the present invention, it is possible to generate power even at a high temperature of 100 ° C. or higher.

本発明の酸塩基複合電解質は、低湿度雰囲気下において高いプロトン伝導性を有する。また、100℃以下の液体水が存在する領域下においても、水に対する耐久性を兼ね備えている。この電解質を用いた燃料電池には加湿器が不要で全体のシステムを小型化することが可能であり、液体水が存在しない100℃以上の高温領域において発電することが可能である。このため、この電解質の使用により、システム全体の小型化及び高出力化が達成される。   The acid-base composite electrolyte of the present invention has high proton conductivity in a low humidity atmosphere. Moreover, it has the durability with respect to water also in the area | region where liquid water of 100 degrees C or less exists. The fuel cell using this electrolyte does not require a humidifier, and the entire system can be miniaturized, and power can be generated in a high temperature region of 100 ° C. or higher where no liquid water is present. For this reason, the use of this electrolyte achieves downsizing and high output of the entire system.

また、本発明による電解質は燃料電池のみならず、一次電池、二次電池、コンデンサ、センサ、エレクロトクロミックデバイス、電気分解セル、などイオン伝導体を用いる様々なデバイスに適用可能であり、特性の向上をもたらすことが出来る。   The electrolyte according to the present invention is applicable not only to fuel cells, but also to various devices using ion conductors such as primary batteries, secondary batteries, capacitors, sensors, electrochromic devices, electrolysis cells, etc. Can bring about improvements.

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態における膜状に形成された酸塩基複合電解質の概略図であり、図2および図3は本実施の形態における酸塩基複合電解質膜内部の概略図である。図2および図3は、酸塩基複合電解質膜1の内部1aにある酸塩基複合電解質の概略図を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view of an acid-base composite electrolyte formed in a film shape in the present embodiment, and FIGS. 2 and 3 are schematic views of the inside of the acid-base composite electrolyte membrane in the present embodiment. 2 and 3 are schematic views of the acid-base composite electrolyte in the inside 1a of the acid-base composite electrolyte membrane 1. FIG.

図2において、酸性官能基3を有する酸性重合体2と、塩基性官能基5を有する塩基性重合体4とが、分子レベルで複合化している。また、酸性重合体2の数平均分子量は10000以上であり、塩基性重合体4の数平均分子量は200以上3000以下である。   In FIG. 2, an acidic polymer 2 having an acidic functional group 3 and a basic polymer 4 having a basic functional group 5 are complexed at a molecular level. The number average molecular weight of the acidic polymer 2 is 10,000 or more, and the number average molecular weight of the basic polymer 4 is 200 or more and 3000 or less.

数平均分子量は、例えば、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーや回転粘度法などにより測定することが可能である。   The number average molecular weight can be measured by, for example, gel permeation chromatography or rotational viscosity method.

本実施の形態における別の形態を図3に示す。図3において、酸性官能基3を有する酸性重合体2と、塩基性官能基5を有する塩基性重合体4とが、分子レベルで複合化している点は図2と同じであるが、塩基性重合体4の数平均分子量は10000以上であり、酸性重合体2の数平均分子量は200以上3000以下である点で異なっている。なお、酸性重合体2と塩基性重合体4とが「分子レベルにおける複合化している」とは、酸性官能基3と塩基性官能基5との間で酸塩基結合を形成し、酸性重合体2あるいは塩基性重合体4を形成するポリマー鎖どうしが相分離することなく複合化されていることを意味する。   Another form of this embodiment is shown in FIG. 3 is the same as FIG. 2 in that the acidic polymer 2 having the acidic functional group 3 and the basic polymer 4 having the basic functional group 5 are complexed at the molecular level. The number average molecular weight of the polymer 4 is 10,000 or more, and the number average molecular weight of the acidic polymer 2 is 200 or more and 3000 or less. The acidic polymer 2 and the basic polymer 4 are “complexed at the molecular level” means that an acid-base bond is formed between the acidic functional group 3 and the basic functional group 5, and the acidic polymer. 2 or the polymer chains forming the basic polymer 4 are combined without phase separation.

本実施の形態の酸塩基複合電解質は、図2あるいは図3のいずれの形態であっても良い。すなわち、酸性官能基3を有する酸性重合体2と、塩基性官能基5を有する塩基性重合体4とが、分子レベルで複合化しており、酸性重合体2と塩基性重合体4とのうちいずれか一方の数平均分子量が10000以上であって、かつ、
他方の数平均分子量が200以上10000以下であることを特徴とする。酸性重合体2と塩基性重合体4とのうちいずれか一方の数平均分子量が10000以上であれば、酸塩基複合電解質膜1の膜形状および機械的強度を維持することができる。また、他方の数平均分子量が200よりも小さいと水に対する耐久性が乏しくなる。他方の数平均分子量が大きくなると、分子鎖の運動性が低下してしまい、低加湿雰囲気下におけるプロトン伝導性が確保できなくなる。本発明においては重合体分子量の数平均分子量が3000以下であれば、プロトン伝導性が顕著に低下することなく、高い値を示すことが確認されている。
The acid-base composite electrolyte of the present embodiment may be in any form shown in FIG. 2 or FIG. That is, the acidic polymer 2 having the acidic functional group 3 and the basic polymer 4 having the basic functional group 5 are complexed at the molecular level, and the acidic polymer 2 and the basic polymer 4 are The number average molecular weight of either one is 10,000 or more, and
The other number average molecular weight is 200 or more and 10,000 or less. If the number average molecular weight of any one of the acidic polymer 2 and the basic polymer 4 is 10,000 or more, the film shape and mechanical strength of the acid-base composite electrolyte membrane 1 can be maintained. On the other hand, when the other number average molecular weight is smaller than 200, durability against water becomes poor. When the other number average molecular weight is increased, the mobility of the molecular chain is lowered, and proton conductivity in a low humidified atmosphere cannot be ensured. In the present invention, it has been confirmed that when the number average molecular weight of the polymer molecular weight is 3000 or less, the proton conductivity does not significantly decrease and shows a high value.

本実施の形態の酸塩基複合電解質において、酸性官能基3の密度が3×10−3mol/g以上、塩基性官能基5の密度が1×10−3mol/g以上であることが必要である。酸性官能基3および塩基性官能基5の密度を規定することにより、低加湿雰囲気下においてプロトンが伝導するチャンネルが確保され、また、低加湿雰囲気下において存在しうるフリーなプロトンの数を確保することが可能となる。 In the acid-base composite electrolyte of the present embodiment, it is necessary that the density of the acidic functional group 3 is 3 × 10 −3 mol / g or more and the density of the basic functional group 5 is 1 × 10 −3 mol / g or more. It is. By defining the density of the acidic functional group 3 and the basic functional group 5, a channel through which protons are conducted in a low humidified atmosphere is secured, and the number of free protons that can exist in the low humidified atmosphere is secured. It becomes possible.

酸性重合体2は、フォスフォニル基(−HPO)、フォスフィニル基(−HPO)、スルフォニル基(−SO−)、スルフィニル基(−SO−)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン酸基(−PO(OH))、ホスフィン酸基(−HPO(OH))、スルホン酸基(−SOH)、スルフィン酸基(−SOH)、メルカプト基(−SH)、水酸基(−OH)、およびリン酸基(−PO)などの群からなる官能基のうち少なくとも一種の酸性官能基3を有することが好ましい。特に酸性度の高いカルボキシル基、ホスホン酸基、スルホン酸基等を有する有機分子が好ましい。酸性度が高い方がプロトンの解離度が大きく、低加湿雰囲気下においても解離しうるフリーなプロトンが増加し、プロトン伝導性に優れる傾向があるからである。 The acidic polymer 2 includes a phosphonyl group (—HPO), a phosphinyl group (—H 2 PO), a sulfonyl group (—SO 2 —), a sulfinyl group (—SO—), a carboxyl group (—COOH), a phosphonic acid group ( -PO (OH) 2), phosphinic acid group (-HPO (OH)), sulfonic acid (-SO 3 H), sulfinic acid group (-SO 2 H), mercapto group (-SH), hydroxyl (-OH ), And at least one acidic functional group 3 among functional groups consisting of a group such as a phosphate group (—PO 4 ). Particularly preferred are organic molecules having a highly acidic carboxyl group, phosphonic acid group, sulfonic acid group and the like. This is because the higher the acidity, the higher the degree of proton dissociation, and the number of free protons that can be dissociated even in a low humidified atmosphere increases, and the proton conductivity tends to be excellent.

塩基性重合体4は、第一級アミン、第二級アミン、第三級アミン、第四級アンモニウム基、アミノ基、アミド基、イミド基及びイミダゾール基などの複素環状窒素含有基からなる群のうち少なくとも一種の官能基を塩基性官能基5として有することが好ましい。中でも第四級アンモニウム基、アミノ基、複素環状窒素含有基等を有する重合体が好ましい。その理由としては含窒素環化合物は塩基性が強くプロトン受容性が高いことと熱的、化学的安定性に優れているからである。   The basic polymer 4 is a group of heterocyclic nitrogen-containing groups such as primary amines, secondary amines, tertiary amines, quaternary ammonium groups, amino groups, amide groups, imide groups and imidazole groups. Among them, it is preferable to have at least one functional group as the basic functional group 5. Among them, a polymer having a quaternary ammonium group, an amino group, a heterocyclic nitrogen-containing group and the like is preferable. The reason for this is that nitrogen-containing ring compounds have a strong basicity and a high proton acceptability, and are excellent in thermal and chemical stability.

本実施の形態の酸塩基複合電解質は、酸性重合体2の他に反応性を持たない非重合性の酸性化合物が含まれていても良い。酸性化合物としては特に制限はないが、リン酸、硫酸などの強酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸などの一置換硫酸、フェニルリン酸などの一置換リン酸など解離定数の高い酸性化合物が好ましい。非重合性の酸性化合物を添加しておくことより、プロトン伝導性の向上が可能で、重合体の分子量を調整することも可能となる。   The acid-base composite electrolyte of the present embodiment may contain a non-polymerizable acidic compound having no reactivity in addition to the acidic polymer 2. Although there is no restriction | limiting in particular as an acidic compound, Acidic compounds with high dissociation constants, such as strong acid, such as phosphoric acid and a sulfuric acid, monosubstituted sulfuric acids, such as methanesulfonic acid and ethanesulfonic acid, and monosubstituted phosphoric acids, such as phenylphosphoric acid, are preferable. By adding a non-polymeric acidic compound, proton conductivity can be improved and the molecular weight of the polymer can be adjusted.

上述した本実施の形態の酸塩基複合電解質は、100℃以上の高温領域において想定されるような低加湿雰囲気下においてもプロトン伝導性を有し、また、100℃以下の液体水が存在する領域下においても高い耐水性を有するものである。   The acid-base composite electrolyte of the present embodiment described above has proton conductivity even in a low humidified atmosphere assumed in a high temperature region of 100 ° C. or higher, and a region where liquid water of 100 ° C. or lower exists. Even underneath, it has high water resistance.

(実施の形態2)
次に本発明の酸塩基複合電解質の製造方法について説明する。本実施の形態の製造方法は、塩基性重合体で構成される電解質中に、酸性化合物のモノマーを含有させ、酸性モノマーを含んだ塩基性電解質を作製する第一の工程と、第一の工程で得た塩基性電解質中の酸性モノマーを重合反応させる第二の工程とを有すること、を特徴とする。上記第一の工程が酸性重合体で構成される電解質中に塩基性モノマーを含有させ、塩基性モノマーを含んだ酸性電解質を作製する工程であって、上記第二の工程が酸性電解質中の塩基性モノマーを重合反応させる工程であっても良い。これらの製造方法により、重合反応後、特別な加工を施すことなく、直接、酸塩基複合電解質を得ることができる。
(Embodiment 2)
Next, a method for producing the acid-base composite electrolyte of the present invention will be described. The production method of the present embodiment includes a first step in which an acidic compound monomer is contained in an electrolyte composed of a basic polymer, and a basic electrolyte containing the acidic monomer is produced. And a second step of polymerizing the acidic monomer in the basic electrolyte obtained in (1). The first step is a step of preparing an acidic electrolyte containing a basic monomer by containing a basic monomer in an electrolyte composed of an acidic polymer, and the second step is a base in the acidic electrolyte. It may be a step of polymerizing a reactive monomer. By these production methods, an acid-base composite electrolyte can be obtained directly after the polymerization reaction without any special processing.

第一工程では膜状の酸性あるいは塩基性重合体を塩基性あるいは酸性モノマーからなる溶液に浸漬させることにより、塩基性あるいは酸性モノマーを含有した酸性あるいは塩基性電解質を得る。   In the first step, an acidic or basic electrolyte containing a basic or acidic monomer is obtained by immersing a film-like acidic or basic polymer in a solution comprising a basic or acidic monomer.

第一工程は、塩基性重合体溶液に酸性モノマーを混合する混合工程と、混合工程で得た混合溶液を基板上にキャストするキャスト工程と、キャスト工程で得たキャスト膜の溶媒を除去する工程とからなる工程であっても良い。あるいは、上記第一の工程が、酸性重合体溶液に塩基性モノマーを混合する混合工程と、混合工程で得た混合溶液を基板上にキャストするキャスト工程と、キャスト工程で得たキャスト膜の溶媒を除去する工程とからなる工程であっても良い。基板としては、ガラス板やPTFE(テフロン(登録商標)等)板などの平板が適用可能である。この方法においては塩基性あるいは酸性モノマーを目的のドープ率で含有させることが容易に達成され、高いドープ率を達成することも可能である。   The first step is a mixing step of mixing an acidic monomer with a basic polymer solution, a casting step of casting the mixed solution obtained in the mixing step on a substrate, and a step of removing the solvent of the cast film obtained in the casting step The process which consists of these may be sufficient. Alternatively, the first step includes a mixing step of mixing a basic monomer into an acidic polymer solution, a casting step of casting the mixed solution obtained in the mixing step onto a substrate, and a solvent for the cast film obtained in the casting step. It may be a process consisting of a process of removing. As the substrate, a flat plate such as a glass plate or a PTFE (Teflon (registered trademark)) plate can be used. In this method, a basic or acidic monomer can be easily contained at a desired doping rate, and a high doping rate can also be achieved.

ここで、酸性あるいは塩基性重合体を溶解する溶媒の沸点が塩基性あるいは酸性モノマーの沸点よりも低いことが好ましい。なぜなら、酸性あるいは塩基性重合体と塩基性あるいは酸性モノマーの混合溶液をキャストして乾燥する工程において、例えば蒸留法により溶媒のみを除去することが容易であり、簡便な製造方法で本発明の電解質が得られるからである。   Here, the boiling point of the solvent that dissolves the acidic or basic polymer is preferably lower than the boiling point of the basic or acidic monomer. This is because, in the step of casting and drying a mixed solution of an acidic or basic polymer and a basic or acidic monomer, it is easy to remove only the solvent by, for example, distillation, and the electrolyte of the present invention can be produced by a simple production method. This is because

第二工程においては特に制限はないが、膜に含有された状態で塩基性あるいは酸性モノマーを重合する方法として、例えば開始剤を用いたラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法や、光重合開始剤を用いたUV重合法、または電子線照射により重合が開始される電子線重合法が用いられる。この中でもUV重合法や電子線重合法などに代表されるエネルギー照射により重合反応させる方法を用いることが好ましい。この理由としては反応、精製などが簡便であるため、本発明の酸塩基複合電解質を容易に得ることが可能であるからである。   There is no particular limitation in the second step, but as a method for polymerizing a basic or acidic monomer in the state contained in the film, for example, radical polymerization method using an initiator, anionic polymerization method, cationic polymerization method, photopolymerization A UV polymerization method using an initiator or an electron beam polymerization method in which polymerization is initiated by electron beam irradiation is used. Among these, it is preferable to use a method in which a polymerization reaction is performed by energy irradiation typified by a UV polymerization method or an electron beam polymerization method. This is because the reaction, purification, etc. are simple and the acid-base composite electrolyte of the present invention can be easily obtained.

(実施の形態3)
次に本発明における酸塩基複合電解質を含む膜電極複合体、および本発明における酸塩基複合電解質を用いた燃料電池について説明する。
(Embodiment 3)
Next, a membrane electrode assembly including the acid-base composite electrolyte in the present invention and a fuel cell using the acid-base composite electrolyte in the present invention will be described.

図4は本発明の実施の形態3における酸塩基複合電解質を含む膜電極複合体12の概略図である。図4において、膜電極複合体12は上述した本発明の実施の形態1におけるいずれかの酸塩基複合電解質を含む電解質膜10とアノード電極とカソード電極11とを含み、電解質膜10をアノード電極とカソード電極11とで挟持した構造を有する。図4において、アノード電極はカソード電極と対向するように配置されているため、本図では図示していない。アノード電極及びカソード電極11は特に限定されず、一般的な公知の電極を用いてもよい。また、アノード電極とカソード電極との少なくとも一方の電極が本発明における酸塩基複合電解質を含んでいてもよい。   FIG. 4 is a schematic diagram of a membrane electrode assembly 12 including an acid-base composite electrolyte according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 4, the membrane electrode assembly 12 includes the electrolyte membrane 10 including any one of the acid-base composite electrolytes according to Embodiment 1 of the present invention described above, the anode electrode, and the cathode electrode 11, and the electrolyte membrane 10 is connected to the anode electrode. It has a structure sandwiched between the cathode electrode 11. In FIG. 4, since the anode electrode is disposed so as to face the cathode electrode, it is not shown in this drawing. The anode electrode and the cathode electrode 11 are not particularly limited, and general known electrodes may be used. Further, at least one of the anode electrode and the cathode electrode may contain the acid-base composite electrolyte in the present invention.

膜電極複合体12の製法に関しては特に制限はないが、アノード電極とカソード電極11と電解質膜10とをプレスなどにより圧着してもよいし、電解質膜10の両面に触媒、導電剤、および電解質を塗布することによりアノード電極とカソード電極11とを形成してもよい。   There are no particular restrictions on the method for producing the membrane electrode assembly 12, but the anode electrode, the cathode electrode 11, and the electrolyte membrane 10 may be pressure-bonded by pressing or the like, and a catalyst, a conductive agent, and an electrolyte are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 10. You may form the anode electrode and the cathode electrode 11 by apply | coating.

本発明の膜電極複合体12は100℃以上の低加湿雰囲気下でも高いプロトン伝導が可能となるため、高出力が可能な膜電極接合体12とすることができる。   Since the membrane electrode assembly 12 of the present invention enables high proton conduction even in a low humidified atmosphere of 100 ° C. or higher, the membrane electrode assembly 12 capable of high output can be obtained.

図5は本発明の実施の形態3における燃料電池の概略図である。   FIG. 5 is a schematic diagram of a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention.

図5に示す燃料電池は、前記本発明の電解質膜10と、カソード電極11と、アノード電極とを含む膜電極複合体12を有し、膜電極複合体12は各電極部分がアノードガス拡散層25およびカソードガス拡散層26によって狭持されている。また、図5に示す燃料電池では、ガス拡散層の外側にアノードセパレータ21およびカソードセパレータ22が配置されている。また、アノードセパレータ21には燃料供給マニホールド23が形成されており、カソードセパレータには酸化剤供給マニホールド24が形成されている。ガス拡散層に電極触媒が担持されている場合は、電解質膜両面に電極層を設けることは必ずしも必要ではない。   The fuel cell shown in FIG. 5 has a membrane electrode assembly 12 including the electrolyte membrane 10 of the present invention, a cathode electrode 11 and an anode electrode, and each electrode portion of the membrane electrode assembly 12 is an anode gas diffusion layer. 25 and the cathode gas diffusion layer 26. In the fuel cell shown in FIG. 5, an anode separator 21 and a cathode separator 22 are disposed outside the gas diffusion layer. A fuel supply manifold 23 is formed in the anode separator 21, and an oxidant supply manifold 24 is formed in the cathode separator. When an electrode catalyst is supported on the gas diffusion layer, it is not always necessary to provide electrode layers on both surfaces of the electrolyte membrane.

このような燃料電池では、上述した本発明の電解質膜を用いているため、100℃以上の高温での動作が可能な高出力の燃料電池とすることができる。   In such a fuel cell, since the above-described electrolyte membrane of the present invention is used, a high-power fuel cell capable of operating at a high temperature of 100 ° C. or higher can be obtained.

電解質膜以外の部分に用いる材料や、その構造などは特に限定されない。一般的な固体高分子型燃料電池と同様であればよい。例えば、アノード電極およびカソード電極は、触媒としてPtを、導電剤として炭素材料の粉末を含んでいてもよい。電解質膜とそれぞれの電極は、例えば、プレスなどによって圧着されていてもよい。また、用いる燃料についても同様であればよく、例えば、水素および炭化水素から選ばれる少なくとも1種の気体または液体を含む燃料であればよい。より具体的には、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、あるいはそれらの水溶液を用いればよい。燃料が液体である場合、例えば、カートリッジなどから燃料電池へ燃料を供給すればよい。   The material used for portions other than the electrolyte membrane and the structure thereof are not particularly limited. What is necessary is just to be the same as a general polymer electrolyte fuel cell. For example, the anode electrode and the cathode electrode may contain Pt as a catalyst and a carbon material powder as a conductive agent. The electrolyte membrane and each electrode may be crimped by, for example, a press. The same applies to the fuel to be used. For example, it may be a fuel containing at least one gas or liquid selected from hydrogen and hydrocarbons. More specifically, for example, alcohols such as methanol, ethanol and ethylene glycol, ethers such as dimethyl ether, or an aqueous solution thereof may be used. When the fuel is liquid, for example, the fuel may be supplied from a cartridge or the like to the fuel cell.

以下に実施例を用いて本発明に関してさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the Example shown below.

(実施例1)
実施例1では膜状高分子としてポリベンズイミダゾール(数平均分子量:約100000)を用い、酸モノマーとしてビニルリン酸(Aldrich社製)を用いて得られる電解質膜を作製した。ここで用いたポリベンズイミダゾールは数平均分子量が10000以上であるため、容易に膜状に形成する事が可能である。
Example 1
In Example 1, an electrolyte membrane was prepared using polybenzimidazole (number average molecular weight: about 100,000) as the film polymer and vinyl phosphoric acid (manufactured by Aldrich) as the acid monomer. Since the polybenzimidazole used here has a number average molecular weight of 10,000 or more, it can be easily formed into a film.

まず初めに20重量%のポリベンズイミダゾール(PBI)/ジメチルアセトアミド溶液(DMAc)をガラス板上にキャストして、60℃で15分乾燥後、120℃で15分乾燥させ、自然冷却した後にガラス板から剥離して90℃で12時間真空乾燥した。乾燥させたPBI膜にはLiCl塩が含まれているため、沸騰水中で2時間処理し、塩を除去した。この工程によりPBI膜が作製される。これにより作製したPBI膜を3cm×3cmの大きさに切断し、以下の実験に用いた。   First, a 20% by weight polybenzimidazole (PBI) / dimethylacetamide solution (DMAc) was cast on a glass plate, dried at 60 ° C. for 15 minutes, then dried at 120 ° C. for 15 minutes, and naturally cooled before glass. It peeled from the board and vacuum-dried at 90 degreeC for 12 hours. Since the dried PBI film contains LiCl salt, the salt was removed by treatment in boiling water for 2 hours. A PBI film is manufactured by this process. The PBI film thus produced was cut to a size of 3 cm × 3 cm and used for the following experiment.

続いて、PBI膜に酸モノマーを含浸させた。5Mに調整したビニルリン酸水溶液中にPBI膜を3日間浸漬した後、60℃で12時間真空乾燥した(第一の工程)。浸漬前後の重量変化からビニルリン酸のドープ率を求めたところ、4.8であった。ここでのドープ率とはPBIのモノマーユニットあたりに複合化されたビニルリン酸の数(個/PBI−ユニット)を示す。本サンプルの酸性官能基密度は1.0×10−2mol/g、塩基性基密度は2.4×10−3mol/gであり、低加湿雰囲気下での高いプロトン伝導が可能である。 Subsequently, the PBI film was impregnated with an acid monomer. After immersing the PBI membrane in an aqueous vinyl phosphate solution adjusted to 5M for 3 days, it was vacuum-dried at 60 ° C. for 12 hours (first step). When the dope rate of vinyl phosphoric acid was calculated | required from the weight change before and behind immersion, it was 4.8. Here, the doping rate indicates the number of vinyl phosphates (PBI / unit) compounded per monomer unit of PBI. This sample has an acidic functional group density of 1.0 × 10 −2 mol / g and a basic group density of 2.4 × 10 −3 mol / g, which enables high proton conduction in a low humidified atmosphere. .

続いてビニルリン酸の重合を行った。ビニルリン酸をドープしたPBI膜をトルエン10mlに含浸し、スターラーで攪拌しながらチッソ雰囲気下、還流中でトルエンに溶解したアゾビスイソブチロニトリル(AIBN、関東化学製)0.1gを加えて70℃で2時間反応させた(第二の工程)。   Subsequently, polymerization of vinyl phosphoric acid was performed. A PBI membrane doped with vinyl phosphoric acid was impregnated in 10 ml of toluene, and 0.1 g of azobisisobutyronitrile (AIBN, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) dissolved in toluene under reflux was added in a nitrogen atmosphere while stirring with a stirrer. The reaction was carried out at 2 ° C. for 2 hours (second step).

反応後、膜をトルエンで洗浄し、未反応の開始剤を除去した後、80℃で12時間真空乾燥した。これによりPBI−ポリビニルリン酸複合電解質である電解質膜1aと1bとを得た。なお、後述の表1に示すように電解質膜1aと1bとの特性が異なっているのは、製造工程等に起因するバラツキであると考えられる。   After the reaction, the membrane was washed with toluene, unreacted initiator was removed, and then vacuum-dried at 80 ° C. for 12 hours. As a result, electrolyte membranes 1a and 1b, which were PBI-polyvinyl phosphate composite electrolytes, were obtained. In addition, as shown in Table 1 described later, it is considered that the characteristics of the electrolyte membranes 1a and 1b are different due to the manufacturing process and the like.

(実施例2)
実施例2では実施例1と同様にポリマーとしてPBI、モノマーとしてビニルリン酸を用いたが、第一の工程において酸溶液に膜を含浸させる方法ではなく、酸と塩基を溶液状態で混合した後にキャストして製膜するという方法を用いた。実施例1と同様の方法で作製したPBI膜をトリフルオロ酢酸に溶解させ10wt%の溶液とした後に、ドープ率が5.0(酸性基密度:1.2×10−2mol/g、塩基性基密度:2.3×10−3mol/g)になるようにビニルリン酸を加えて、実施例1と同様の方法でガラス板上にキャストし、乾燥した。
(Example 2)
In Example 2, as in Example 1, PBI was used as the polymer and vinyl phosphoric acid was used as the monomer. However, instead of impregnating the membrane with the acid solution in the first step, the cast was performed after mixing the acid and base in the solution state. Then, a method of forming a film was used. A PBI film prepared by the same method as in Example 1 was dissolved in trifluoroacetic acid to obtain a 10 wt% solution, and then the doping rate was 5.0 (acid group density: 1.2 × 10 −2 mol / g, base The density of the functional group was 2.3 × 10 −3 mol / g), and vinyl phosphoric acid was added thereto.

この方法でビニルリン酸ドープPBI膜が得られた。製膜した後に3cm×3cmに切断し、実施例1と同様の方法を用いてドープされたビニルリン酸を重合した。この結果、電解質膜2aと2bとを得た。なお、後述の表1に示すように電解質膜2aと2bとの特性が異なっているのは、製造工程等に起因するバラツキであると考えられる。   By this method, a vinyl phosphate-doped PBI film was obtained. After film formation, the film was cut into 3 cm × 3 cm, and doped vinyl phosphate was polymerized using the same method as in Example 1. As a result, electrolyte membranes 2a and 2b were obtained. As shown in Table 1 described later, it is considered that the characteristics of the electrolyte membranes 2a and 2b are different due to the manufacturing process and the like.

(実施例3)
実施例3では実施例1、2と同様にポリマーとしてPBI、モノマーとしてビニルリン酸を用い、第一の工程において直接混合法を用い、重合反応としてUV硬化重合法を用いた。ビニルリン酸はドープ率が5.0となるように添加した。UV重合を行うために製造工程1においてUV重合開始剤として1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンをビニルリン酸に対して1wt%添加し、実施例2と同様の方法で製膜した後に紫外線を照射してドープしたビニルリン酸を重合し、電解質膜3aと3bとを得た。なお、後述の表1に示すように電解質膜3aと3bとの特性が異なっているのは、製造工程等に起因するバラツキであると考えられる。
(Example 3)
In Example 3, as in Examples 1 and 2, PBI was used as the polymer, vinyl phosphoric acid was used as the monomer, a direct mixing method was used in the first step, and a UV curing polymerization method was used as the polymerization reaction. Vinyl phosphoric acid was added so that the dope rate was 5.0. In order to carry out UV polymerization, 1 wt% of 1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone as a UV polymerization initiator is added to vinyl phosphoric acid in the production process 1, and after forming a film by the same method as in Example 2, irradiation with ultraviolet rays is performed. Then, the doped vinyl phosphoric acid was polymerized to obtain electrolyte membranes 3a and 3b. As shown in Table 1 described later, it is considered that the characteristics of the electrolyte membranes 3a and 3b are different due to the manufacturing process and the like.

(実施例4)
実施例4ではPBIを支持体とし、反応性有機酸としてビニルリン酸、非反応性の酸としてリン酸を用いた。第一の工程において直接混合法により、PBI溶液とビニルリン酸及びリン酸を混合した後にガラス板上にキャストして製膜した。ビニルリン酸のドープ率が4.5、リン酸のドープ率が0.5(酸性基密度:1.5×10−2mol/g、塩基性基密度:2.3×10−3mol/g)となるように酸を添加した。製膜後、実施例1と同様の方法でドープしたビニルリン酸を重合し、電解質膜4を得た。
Example 4
In Example 4, PBI was used as a support, vinyl phosphoric acid was used as a reactive organic acid, and phosphoric acid was used as a non-reactive acid. In the first step, the PBI solution, vinyl phosphoric acid and phosphoric acid were mixed by a direct mixing method, and then cast on a glass plate to form a film. The doping rate of vinyl phosphoric acid is 4.5, the doping rate of phosphoric acid is 0.5 (acidic group density: 1.5 × 10 −2 mol / g, basic group density: 2.3 × 10 −3 mol / g) The acid was added so that After film formation, vinyl phosphoric acid doped in the same manner as in Example 1 was polymerized to obtain an electrolyte membrane 4.

(比較例1)
比較例として、リン酸含浸ポリベンズイミダゾール電解質膜を用いた。実施例1と同様にPBI膜を製膜した後、11Mに調整したリン酸水溶液中にPBI膜を含浸させてドープ率が5.2の電解質膜Aを得た。
(Comparative Example 1)
As a comparative example, a phosphoric acid-impregnated polybenzimidazole electrolyte membrane was used. After forming a PBI film in the same manner as in Example 1, an electrolyte film A having a doping rate of 5.2 was obtained by impregnating the PBI film in a phosphoric acid aqueous solution adjusted to 11M.

(特性評価)
実施例1〜4で得られた各電解質膜に関してプロトン導電率を測定した。測定は電解質膜を金電極で挟持し、水素雰囲気下、140℃、相対湿度20%の環境下で交流インピーダンス測定法によりプロトン導電率を測定した。
(Characteristic evaluation)
The proton conductivity was measured for each electrolyte membrane obtained in Examples 1 to 4. In the measurement, the electrolyte membrane was sandwiched between gold electrodes, and the proton conductivity was measured by an alternating current impedance measurement method in an atmosphere of hydrogen atmosphere at 140 ° C. and a relative humidity of 20%.

得られた電解質膜の耐水性評価を行った。簡便な耐水性試験として、各実施例で得られた電解質膜を室温で30mlの純水中に10分間浸漬させた後に、100℃にて1日間真空乾燥を行い、水浸漬前後における重量変化から、酸の溶出量を決定した。   Water resistance evaluation of the obtained electrolyte membrane was performed. As a simple water resistance test, the electrolyte membrane obtained in each example was immersed in 30 ml of pure water at room temperature for 10 minutes and then vacuum-dried at 100 ° C. for 1 day. The amount of acid elution was determined.

また、耐水性試験として30mlの純水中にサンプルを浸漬した後に、真空乾燥させた膜に関して、水素雰囲気下、相対湿度20%の環境下で交流インピーダンス測定により導電率を測定し、導電率保持率を求めた。導電率保持率は
(導電率保持率)=(水浸漬後導電率)/(水浸漬前導電率)
で表される値であり、耐水性を比較する尺度として用いた。結果を表1に示す。
In addition, as a water resistance test, the conductivity was measured by alternating current impedance measurement in a hydrogen atmosphere and a relative humidity of 20% for a film that was vacuum-dried after a sample was immersed in 30 ml of pure water to maintain the conductivity. The rate was determined. The conductivity retention is (conductivity retention) = (conductivity after water immersion) / (conductivity before water immersion)
It was used as a scale for comparing water resistance. The results are shown in Table 1.

得られたサンプルの重合体分子量を求めた。酸性重合体の分子量は、サンプルを沸騰水中で12時間浸漬し、溶出した酸についてゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を行い、数平均分子量を求めた。数平均分子量は標準物質として分子量の異なる8種類のプルラン(昭和電工社製)を用いて、検量線を作成し、プルラン換算により決定した。   The polymer molecular weight of the obtained sample was determined. The molecular weight of the acidic polymer was determined by immersing the sample in boiling water for 12 hours and performing gel permeation chromatography (GPC) on the eluted acid to determine the number average molecular weight. The number average molecular weight was determined by pullulan conversion by preparing a calibration curve using eight kinds of pullulan (manufactured by Showa Denko) having different molecular weights as standard substances.

GPC測定条件を以下に示す。   The GPC measurement conditions are shown below.

装置:Lc−10AdVP(島津社製)
カラム:OH−Pak SB802、OH−Pak SB806HM
カラム温度:40℃、サンプル流量:1cc/min
溶媒:水(0.5Mol/L LiCl添加)
標準物質:プルラン(昭和電工社製)
Apparatus: Lc-10AdVP (manufactured by Shimadzu Corporation)
Column: OH-Pak SB802, OH-Pak SB806HM
Column temperature: 40 ° C., sample flow rate: 1 cc / min
Solvent: Water (0.5 Mol / L LiCl added)
Standard material: Pullulan (Showa Denko)

表1に示すように本発明における電解質膜は、140℃という高温でかつ相対湿度20%という低加湿雰囲気下において電解質膜Aに比べてプロトン導電率が高く、実使用可能なレベルを持つことが確認された。プロトン伝導を担う酸性電解質の分子量が増加するとプロトン導電率の低下が予測されるが、本発明における電解質膜では分子量3000以下の領域においては顕著な低下は確認されなかった。   As shown in Table 1, the electrolyte membrane according to the present invention has a proton conductivity higher than that of the electrolyte membrane A in a low humidity atmosphere at a high temperature of 140 ° C. and a relative humidity of 20%, and has a practically usable level. confirmed. A decrease in proton conductivity is predicted as the molecular weight of the acidic electrolyte responsible for proton conduction increases. However, in the electrolyte membrane of the present invention, no significant decrease was observed in the region of molecular weight of 3000 or less.

耐水性試験においては、水浸漬前後におけるサンプル重量変化を測定した結果から、重合処理を施したサンプルに関しては耐水性が向上し、室温での水浸漬では膜内部にドープした酸が膜外部に溶出しなくなった。低分子の状態で膜内にドープした酸が塩基性高分子であるPBIと分子レベルで複合化し、酸塩基結合を形成した状態で、膜内の酸性分子を重合したことにより、膜内の限られた空間内で、分子サイズが大きくなったため、分子の拡散能が低下したためであると考えられる。   In the water resistance test, the water resistance of the sample subjected to polymerization treatment was improved from the results of measuring the weight change of the sample before and after immersion in water, and the acid doped inside the membrane was eluted out of the membrane when immersed in water at room temperature. No longer. In the state of low molecular weight, the acid doped in the film is complexed with the basic polymer PBI at the molecular level, and the acid molecules in the film are polymerized in a state where acid-base bonds are formed. This is probably because the molecular diffusivity was lowered because the molecular size was increased in the space.

また導電率変化から求めた導電率保持率は、電解質膜Aと比べると非常に大きい値を示し、耐水性の向上が確認された。   Moreover, the electrical conductivity retention determined from the electrical conductivity change showed a very large value compared with the electrolyte membrane A, and the improvement of water resistance was confirmed.

本発明における製造方法では、電解質膜は酸性重合体の分子量が3000以下のサンプルしか得られなかったが、本発明における分子量範囲においては、導電率の顕著な低下も確認できず、実施用上有効な導電率を達成できることが確認された。   In the production method of the present invention, only a sample having an acidic polymer having a molecular weight of 3000 or less was obtained as the electrolyte membrane. However, in the molecular weight range of the present invention, no significant decrease in conductivity was confirmed, which was effective for practical use. It was confirmed that a high conductivity could be achieved.

図6に重合体の分子量と導電率保持率の関係を示す。これにより、重合体分子量が増加すると耐水性が向上し、分子量が200以上あると、耐水性が飛躍的に向上することも確認できる。酸性電解質と塩基性電解質が分子レベルで複合化された状態で重合反応が進行しているため、このように重合度が非常に低くても、塩基性高分子内での酸性重合体の拡散能は著しく低下し、膜外部に溶出しなくなるという結果が得られた。   FIG. 6 shows the relationship between the molecular weight of the polymer and the conductivity retention. Thereby, it can also be confirmed that when the polymer molecular weight is increased, the water resistance is improved, and when the molecular weight is 200 or more, the water resistance is dramatically improved. Since the polymerization reaction proceeds in a state where the acidic electrolyte and the basic electrolyte are combined at the molecular level, even if the degree of polymerization is very low, the diffusion capacity of the acidic polymer in the basic polymer As a result, it was remarkably lowered and it was not eluted out of the membrane.

以上から、重合体の数平均分子量としては200以上3000以下の範囲内にあることが、低加湿雰囲気下における導電率の確保および耐水性の向上に必要であることが確認された。   From the above, it was confirmed that the number average molecular weight of the polymer is in the range of 200 or more and 3000 or less, which is necessary for ensuring conductivity and improving water resistance in a low humidified atmosphere.

(実施例5)
実施例6では実施例1〜4で作製した電解質膜を用いた膜電極複合体を作製し、これを用いた燃料電池発電試験を行った。それぞれの電解質膜の厚みは約50μmである。電解質膜1〜5を用いて作製した燃料電池をそれぞれサンプル1〜5とする。
(Example 5)
In Example 6, a membrane electrode assembly using the electrolyte membrane prepared in Examples 1 to 4 was produced, and a fuel cell power generation test using this was performed. The thickness of each electrolyte membrane is about 50 μm. Let the fuel cells produced using the electrolyte membranes 1-5 be the samples 1-5, respectively.

サンプル1〜5は以下の手順で作製した。まず、電解質膜の両面に電解質膜を挟持するようにアノード電極及びカソード電極を配置することにより、膜電極接合体を作製した。次に、膜電極接合体をさらに狭持するように燃料及び空気がそれぞれ流れる流路が形成されたカーボンセパレータを配置することによって燃料電池を作製した。用いたアノード電極はPtRu触媒が担持された触媒電極(Electrochem社製、Pt担持量1mg/cm)を用い、カソード電極にはPtが担持された触媒電極(Electrochem社製、Pt担持量1mg/cm)を用いた。電解質膜と接合する前に触媒担持電極に5Mリン酸水溶液を含浸させ、真空乾燥により水を取り除いたものを用いて膜電極接合体とした。 Samples 1 to 5 were prepared by the following procedure. First, a membrane electrode assembly was prepared by arranging an anode electrode and a cathode electrode so as to sandwich the electrolyte membrane between both surfaces of the electrolyte membrane. Next, a fuel cell was fabricated by disposing a carbon separator in which flow paths through which fuel and air flow were formed so as to further sandwich the membrane electrode assembly. The anode electrode used was a catalyst electrode carrying PtRu catalyst (manufactured by Electrochem, 1 mg / cm 2 of Pt supported), and the cathode electrode was a catalyst electrode carrying Pt (manufactured by Electrochem, 1 mg / kg of Pt supported). cm 2 ) was used. Before joining with the electrolyte membrane, a catalyst-supported electrode was impregnated with 5M phosphoric acid aqueous solution, and water was removed by vacuum drying to obtain a membrane electrode assembly.

(比較例2)
比較のために電解質膜として比較例1で用いたリン酸含浸ポリベンズイミダゾール電解質膜を用いて実施例7と同様の方法で燃料電池を作製した。これにより作製した燃料電池をサンプルAとした。
(Comparative Example 2)
For comparison, a fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 7 using the phosphoric acid-impregnated polybenzimidazole electrolyte membrane used in Comparative Example 1 as the electrolyte membrane. The fuel cell thus produced was designated as Sample A.

発電条件は燃料に水素ガス(供給量30ml/min、相対湿度80%)、酸化剤として空気(供給量200ml/min、相対湿度80%)を供給し、燃料電池発電温度を140℃とした。評価項目として、各サンプルの開回路電圧(OCV)及び発電時の電圧として電流密度0.1A/cmにおける電池電圧を測定した。結果を表2に示す。 The power generation conditions were as follows: hydrogen gas (supply amount 30 ml / min, relative humidity 80%) and air (supply amount 200 ml / min, relative humidity 80%) were supplied to the fuel, and the fuel cell power generation temperature was 140 ° C. As evaluation items, an open circuit voltage (OCV) of each sample and a battery voltage at a current density of 0.1 A / cm 2 were measured as a voltage during power generation. The results are shown in Table 2.

表2に示すようにサンプル1〜4すべてのサンプルにおいて発電することが可能であった。また、サンプル1〜4の燃料電池はサンプルAのリン酸含浸PBI膜を用いた場合と同程度の電池電圧を示し、高出力な電池特性が得られる結果となった。これは実施例1〜5の電解質膜が本発電条件において有効なイオン導電率を有しているためである。   As shown in Table 2, it was possible to generate power in all samples 1-4. In addition, the fuel cells of Samples 1 to 4 showed a battery voltage comparable to that of the sample A using the phosphoric acid-impregnated PBI membrane, and high battery characteristics were obtained. This is because the electrolyte membranes of Examples 1 to 5 have effective ionic conductivity under the power generation conditions.

また、本発明における電解質は、発電条件としてリン酸含浸ポリベンズイミダゾール膜と同程度の特性を示し、さらに耐水性に関してはリン酸含浸ポリベンズイミダゾール膜に比べ著しく向上しているため、実使用においては非常に優れた電解質であることが確認された。   In addition, the electrolyte in the present invention exhibits the same characteristics as a phosphoric acid-impregnated polybenzimidazole film as power generation conditions, and further has improved water resistance as compared with a phosphoric acid-impregnated polybenzimidazole film. Was confirmed to be a very good electrolyte.

本発明によれば加湿器などのシステムを用いることなしに簡素なシステムで、100℃以上の高温あるいは低湿度雰囲気下で作動可能な電解質を提供することが可能である。   According to the present invention, it is possible to provide an electrolyte that can operate in a high-temperature or low-humidity atmosphere of 100 ° C. or higher with a simple system without using a system such as a humidifier.

また、このような電解質を用いた膜電極複合体及び燃料電池を提供することができる。   In addition, a membrane electrode assembly and a fuel cell using such an electrolyte can be provided.

なお本発明の電解質は燃料電池の他に、一次電池、二次電池、電気化学キャパシタ、各種ガスセンサ、エレクトロクロミック素子などの様々な電気化学デバイスに用いることができる。   In addition to the fuel cell, the electrolyte of the present invention can be used in various electrochemical devices such as a primary battery, a secondary battery, an electrochemical capacitor, various gas sensors, and an electrochromic element.

本発明の実施の形態1における酸塩基複合電解質膜の概略図Schematic of the acid-base composite electrolyte membrane in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態1における酸塩基複合電解質の概略図Schematic of the acid-base composite electrolyte in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態1における酸塩基複合電解質の概略図Schematic of the acid-base composite electrolyte in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態2における膜電極複合体の概略図Schematic diagram of membrane electrode assembly according to Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施の形態2における燃料電池の概略図Schematic of the fuel cell in Embodiment 2 of the present invention 本発明の実施例における重合体分子量−導電率保持率を示すグラフThe graph which shows the polymer molecular weight-electrical conductivity retention in the Example of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 酸塩基複合電解質膜
2 酸性重合体
3 酸性官能基
4 塩基性重合体
5 塩基性官能基
10 電解質膜
11 カソード電極
12 膜電極複合体
20 燃料電池
21 アノードセパレータ
22 カソードセパレータ
23 燃料供給マニホールド
24 酸化剤供給マニホールド
25 アノードガス拡散層
26 カソードガス拡散層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Acid-base composite electrolyte membrane 2 Acid polymer 3 Acid functional group 4 Basic polymer 5 Basic functional group 10 Electrolyte membrane 11 Cathode electrode 12 Membrane electrode complex 20 Fuel cell 21 Anode separator 22 Cathode separator 23 Fuel supply manifold 24 Oxidation Agent supply manifold 25 Anode gas diffusion layer 26 Cathode gas diffusion layer

Claims (10)

酸性官能基を有する酸性重合体と、塩基性官能基を有する塩基性重合体と、からなる酸塩基複合電解質であって、
前記酸性重合体と前記塩基性重合体とが分子レベルで複合化され、
前記酸性官能基密度が3.0×10−3mol/g以上、前記塩基性官能基密度が1.0×10−3mol/g以上であり、
前記酸性重合体と前記塩基性重合体とのうちいずれか一方の数平均分子量が10000以上であって、かつ、
他方の数平均分子量が200以上3000以下であること、
を特徴とする酸塩基複合電解質。
An acid-base composite electrolyte comprising an acidic polymer having an acidic functional group and a basic polymer having a basic functional group,
The acidic polymer and the basic polymer are complexed at a molecular level,
The acidic functional group density is 3.0 × 10 −3 mol / g or more, the basic functional group density is 1.0 × 10 −3 mol / g or more,
The number average molecular weight of either one of the acidic polymer and the basic polymer is 10,000 or more, and
The other number average molecular weight is 200 or more and 3000 or less,
An acid-base composite electrolyte.
前記酸性重合体が官能基として、フォスフォニル基、フォスフィニル基、スルフォニル基、スルフィニル基、カルボキシル基、ホスホン酸基、ホスフィン酸基、スルホン酸基、スルフィン酸基、メルカプト基、水酸基、およびリン酸基
からなる群のうち少なくとも一種の官能基を有すること、
を特徴とする請求項1に記載の酸塩基複合電解質。
The acidic polymer has, as a functional group, a phosphonyl group, a phosphinyl group, a sulfonyl group, a sulfinyl group, a carboxyl group, a phosphonic acid group, a phosphinic acid group, a sulfonic acid group, a sulfinic acid group, a mercapto group, a hydroxyl group, and a phosphoric acid group. Having at least one functional group in the group consisting of:
The acid-base composite electrolyte according to claim 1.
前記塩基性重合体が官能基として、第一級アミン、第二級アミン、第三級アミン、第四級アンモニウム基、アミノ基、アミド基、イミド基及びイミダゾール基からなる群のうち少なくとも一種の官能基を有すること、
を特徴とする請求項1に記載の酸塩基複合電解質。
The basic polymer has at least one functional group selected from the group consisting of primary amines, secondary amines, tertiary amines, quaternary ammonium groups, amino groups, amide groups, imide groups and imidazole groups. Having a functional group,
The acid-base composite electrolyte according to claim 1.
非重合性の酸性化合物を含むこと、
を特徴とする請求項1から3のいずれかの記載の酸塩基複合電解質。
Containing a non-polymeric acidic compound,
The acid-base composite electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein:
酸塩基複合電解質の製造方法であって、
前記塩基性あるいは酸性重合体で構成される電解質中に、酸性あるいは塩基性化合物のモノマーを含有させる第一の工程と、
前記第一の工程で得た電解質中の酸性モノマーあるいは塩基性モノマーを重合反応させる第二の工程と、を有すること、
を特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の酸塩基複合電解質の製造方法。
A method for producing an acid-base composite electrolyte, comprising:
A first step of containing a monomer of an acidic or basic compound in the electrolyte composed of the basic or acidic polymer;
A second step of polymerizing an acidic monomer or a basic monomer in the electrolyte obtained in the first step,
The method for producing an acid-base composite electrolyte according to any one of claims 1 to 4.
前記第二の工程が、電解質にエネルギーを照射することにより重合反応させる工程であること、
を特徴とする請求項5に記載の酸塩基複合電解質の製造方法。
The second step is a step of causing a polymerization reaction by irradiating the electrolyte with energy;
The method for producing an acid-base composite electrolyte according to claim 5.
前記第一の工程が、酸性あるいは塩基性重合体溶液に塩基性あるいは酸性モノマーを混合する混合工程と、
前記混合工程で得た混合溶液を基板上にキャストするキャスト工程と、
前記キャスト工程で得たキャスト膜の溶媒を除去する工程と、を有すること、
を特徴とする請求項5に記載の酸塩基複合電解質の製造方法。
The first step is a mixing step of mixing a basic or acidic monomer with an acidic or basic polymer solution; and
A casting step of casting the mixed solution obtained in the mixing step on a substrate;
Removing the solvent of the cast film obtained in the casting step,
The method for producing an acid-base composite electrolyte according to claim 5.
前記重合体溶液の溶媒の沸点が、前記モノマーの沸点よりも低いこと、
を特徴とする請求項7に記載の酸塩基複合電解質の製造方法。
The boiling point of the solvent of the polymer solution is lower than the boiling point of the monomer;
The method for producing an acid-base composite electrolyte according to claim 7.
電解質膜と、前記電解質膜を狭持するアノード電極とカソード電極とが接合された膜電極接合体であって、
前記電解質膜、アノード電極およびカソード電極からなる群のうち少なくともいずれかは、請求項1から4のいずれかに記載の酸塩基複合電解質を含むこと、
を特徴とする膜電極複合体。
A membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane, and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane are joined,
At least one selected from the group consisting of the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode includes the acid-base composite electrolyte according to any one of claims 1 to 4,
A membrane electrode composite characterized by the above.
電解質膜と、前記電解質膜を狭持するアノード電極とカソード電極とを含む燃料電池であって、
前記電解質膜は、請求項1から4のいずれかに記載の酸塩基複合電解質を含むこと、
を特徴とする燃料電池。
A fuel cell comprising an electrolyte membrane, and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane,
The electrolyte membrane includes the acid-base composite electrolyte according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell.
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