JP2007207625A - Solid polymer electrolyte and solid polymer fuel cell using this - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a solid polymer electrolyte superior in thermal resistance, proton conductivity, mechanical strength, and water retention. <P>SOLUTION: The solid polymer electrolyte is compounded of an organic metal compound as shown by a formula and an organic polymer having proton conductivity. In the formula, X<SB>1</SB>-X<SB>3</SB>express each independently hydrogen atom, hydrocarbon group which may have a substituent, or alkoxyl group, X<SB>4</SB>expresses hydrogen atom, or a hydrocarbon group which may have a substituent, M is at least one kind of metal atom selected from a group of Si, Ti, Al, Zr, and Ge, and n is an integer of 1-100. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte having proton conductivity.

固体高分子形燃料電池は、一般的には、膜電極接合体(MEA)をセパレータで挟持した積層体を含む。前記MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持され、更にその外側から一対のガス拡散層により挟持されてなる。   A polymer electrolyte fuel cell generally includes a laminate in which a membrane electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The MEA has a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode catalyst layers and further sandwiched between a pair of gas diffusion layers from the outside.

電極触媒層は、固体高分子電解質と、導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒との混合物により形成された多孔性のものである。また、ガス拡散層は、カーボンクロスなどのガス拡散基材表面にカーボン粒子および撥水剤などからなるカーボン撥水層が形成されてなるものが用いられている。   The electrode catalyst layer is a porous layer formed by a mixture of a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier. In addition, a gas diffusion layer is used in which a carbon water repellent layer composed of carbon particles, a water repellent and the like is formed on the surface of a gas diffusion base material such as carbon cloth.

固体高分子形燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するポリスチレン系の陽イオン交換膜、フルオロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合膜、フルオロカーボンマトリックスにトリフルオロエチレンをグラフト化した膜、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等が用いられている。   Examples of solid polymer electrolyte membranes used in polymer electrolyte fuel cells include polystyrene-based cation exchange membranes having sulfonic acid groups, mixed membranes of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and trifluoroethylene as a fluorocarbon matrix. Grafted membranes, perfluorocarbon sulfonic acid membranes and the like are used.

これらの膜を構成する固体高分子電解質は、130℃近辺にガラス転移温度(Tg)を有し、それよりも高い温度領域に達すると、プロトン伝導に寄与しているイオンチャネル構造が破壊されてしまう。このため、上述の固体高分子電解質膜を含む固体高分子形燃料電池を使用する際には、通常は、室温から80℃程度の比較的低い温度領域で電池の運転が行われている。   The solid polymer electrolytes constituting these membranes have a glass transition temperature (Tg) around 130 ° C., and when reaching a temperature region higher than that, the ion channel structure contributing to proton conduction is destroyed. End up. For this reason, when using a polymer electrolyte fuel cell including the above-described polymer electrolyte membrane, the battery is usually operated in a relatively low temperature range from room temperature to about 80 ° C.

また、固体高分子電解質膜を改良することにより、燃料電池の高出力化が可能である。   In addition, the output of the fuel cell can be increased by improving the solid polymer electrolyte membrane.

そこで、従来の固体高分子電解質膜は、電池の内部抵抗を小さくして電池出力をより高くするために固体高分子電解質膜を薄膜化したり、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を向上させるため膜を構成する固体高分子電解質のスルホン酸基濃度を増加させたりする試みがされている。しかしながら、固体高分子電解質膜の厚さの低減は、固体高分子電解質膜自体の機械的強度を低下させ、固体高分子電解質膜の製造時や長期運転時などにおいてピンホール等を発生させる要因となりうる。また、スルホン酸基濃度の著しい増加は膨潤による固体高分子電解質膜の機械的強度の低下を招き、却って、電池性能を低下させてしまうおそれがある。   Therefore, the conventional solid polymer electrolyte membrane is used to reduce the internal resistance of the battery and increase the battery output, thereby reducing the thickness of the solid polymer electrolyte membrane or improving the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane. Attempts have been made to increase the sulfonic acid group concentration of the solid polymer electrolyte constituting the membrane. However, the reduction in the thickness of the solid polymer electrolyte membrane decreases the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane itself, and causes pinholes during the production of the solid polymer electrolyte membrane or during long-term operation. sell. In addition, a significant increase in the sulfonic acid group concentration leads to a decrease in the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane due to swelling, and on the contrary, the battery performance may be deteriorated.

また、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性は、固体高分子電解質膜の含水率に依存し、含水率が低いと固体高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下する問題があった。そこで、特許文献1では、微細粒子のシリカおよび/または繊維状のシリカファイバーを含有させた固体高分子電解質膜が開示されている。
特開平06−111827号公報
In addition, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane depends on the water content of the solid polymer electrolyte membrane. If the water content is low, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane decreases. Thus, Patent Document 1 discloses a solid polymer electrolyte membrane containing fine particles of silica and / or fibrous silica fibers.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-1111827

燃料電池の運転温度が低いと、発電効率が低くなるばかりでなく、用いる触媒の種類によっては触媒が一酸化炭素により被毒されるおそれがある。従って、100℃以上の高温で長期にわたり使用しても劣化を生じない耐熱性に優れる固体高分子電解質膜の実現が所望されている。   When the operating temperature of the fuel cell is low, not only the power generation efficiency is lowered, but also the catalyst may be poisoned by carbon monoxide depending on the type of catalyst used. Therefore, realization of a solid polymer electrolyte membrane excellent in heat resistance that does not deteriorate even when used at a high temperature of 100 ° C. or higher for a long time is desired.

また、上記の通り、固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性および機械的強度に優れることが所望されている。しかしながら、固体高分子電解質膜においてプロトン伝導性と機械的強度とはトレードオフの関係にあり、高いプロトン伝導性を有しながら、機械的強度に優れる固体高分子電解質膜を得るのは困難であった。   Further, as described above, it is desired that the solid polymer electrolyte membrane is excellent in proton conductivity and mechanical strength. However, there is a trade-off relationship between proton conductivity and mechanical strength in a solid polymer electrolyte membrane, and it is difficult to obtain a solid polymer electrolyte membrane with high proton conductivity and excellent mechanical strength. It was.

さらに、特許文献1に記載のように、固体高分子電解質膜に、微細粒子のシリカ、繊維状のシリカファイバーなどの添加剤を用いる場合、製膜時にpH依存で添加剤が凝集して添加剤の粒径や分散性にバラツキが生じ、得られる固体高分子電解質膜において保水性にムラが生じるなどの問題があった。   Furthermore, as described in Patent Document 1, when an additive such as fine particle silica or fibrous silica fiber is used for the solid polymer electrolyte membrane, the additive aggregates depending on pH during film formation, and the additive As a result, the particle size and dispersibility of the polymer particles varied, and the resulting solid polymer electrolyte membrane had non-uniform water retention.

そこで、本発明は、耐熱性、プロトン伝導性、機械的強度、保水性に優れる固体高分子電解質を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the solid polymer electrolyte excellent in heat resistance, proton conductivity, mechanical strength, and water retention.

本発明は、下記化学式1で示される有機金属化合物と、プロトン伝導性を有する有機ポリマーとを複合させたことを特徴とする固体高分子電解質により上記課題を解決する。   The present invention solves the above problems by a solid polymer electrolyte obtained by combining an organometallic compound represented by the following chemical formula 1 and an organic polymer having proton conductivity.

Figure 2007207625
Figure 2007207625

化学式1において、X〜Xは、互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭化水素基、またはアルコキシル基であり、Xは、水素原子、または置換基を有していてもよい炭化水素基であり、Mは、Si、Ti、Al、Zr、およびGeからなる群から選択される少なくとも一種の金属原子であり、nは1〜100の整数である。 In Chemical Formula 1, X 1 to X 3 are each independently a hydrogen atom, a hydrocarbon group that may have a substituent, or an alkoxyl group, and X 4 has a hydrogen atom or a substituent. And M is at least one metal atom selected from the group consisting of Si, Ti, Al, Zr and Ge, and n is an integer of 1 to 100.

本発明によれば、耐熱性、プロトン伝導性、機械的強度、保水性に優れる固体高分子電解質が得られる。   According to the present invention, a solid polymer electrolyte excellent in heat resistance, proton conductivity, mechanical strength, and water retention can be obtained.

本発明の第一は、化学式1で示される有機金属化合物と、プロトン伝導性を有する有機ポリマーとを複合させたことを特徴とする固体高分子電解質である。   The first of the present invention is a solid polymer electrolyte obtained by combining an organometallic compound represented by Chemical Formula 1 and an organic polymer having proton conductivity.

Figure 2007207625
Figure 2007207625

化学式1、X〜Xは、互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭化水素基、またはアルコキシル基であり、Xは、水素原子、または置換基を有していてもよい炭化水素基であり、Mは、Si、Ti、Al、Zr、およびGeからなる群から選択される少なくとも一種の金属原子であり、nは1〜100の整数である。 Chemical formula 1, X 1 to X 3 are each independently a hydrogen atom, a hydrocarbon group which may have a substituent, or an alkoxyl group, and X 4 has a hydrogen atom or a substituent. And M is at least one metal atom selected from the group consisting of Si, Ti, Al, Zr and Ge, and n is an integer of 1 to 100.

前記有機金属化合物は耐熱性に優れるため、プロトン伝導性を有する有機ポリマーと前記有機金属化合物とを複合して用いることにより、熱による有機ポリマーの切断などが抑制されて、耐熱性に優れる固体高分子電解質を得ることができる。さらに、有機ポリマーと前記有機金属化合物とは、両者の成分が高分散された状態で複合することが可能である。これにより、有機ポリマーのプロトン伝導性および柔軟性を維持しつつ、有機金属化合物により有機ポリマーの熱分解を抑制することができ、プロトン伝導性、機械的強度、および耐熱性に優れる固体高分子電解質が得られる。   Since the organometallic compound is excellent in heat resistance, by using a composite of the organic polymer having proton conductivity and the organometallic compound, cutting of the organic polymer due to heat is suppressed, and the solid high in heat resistance is excellent. A molecular electrolyte can be obtained. Furthermore, the organic polymer and the organometallic compound can be combined in a state where both components are highly dispersed. As a result, while maintaining the proton conductivity and flexibility of the organic polymer, the organometallic compound can suppress the thermal decomposition of the organic polymer, and the solid polymer electrolyte has excellent proton conductivity, mechanical strength, and heat resistance. Is obtained.

さらに、有機金属化合物と電解質成分との相互作用により、得られる固体高分子電解質の保水性が向上する。   Furthermore, the water retention of the obtained solid polymer electrolyte is improved by the interaction between the organometallic compound and the electrolyte component.

従って、本発明によれば、耐熱性、プロトン伝導性、機械的強度、保水性に優れる固体高分子電解質が得られるのである。   Therefore, according to the present invention, a solid polymer electrolyte excellent in heat resistance, proton conductivity, mechanical strength, and water retention can be obtained.

以下、本発明の固体高分子電解質の構成要素である有機金属化合物、ならびに有機ポリマー、および固体高分子電解質について詳細を説明する。   Hereinafter, the organometallic compound, the organic polymer, and the solid polymer electrolyte, which are constituent elements of the solid polymer electrolyte of the present invention, will be described in detail.

[有機金属化合物]
本発明の固体高分子電解質に用いられる有機金属化合物は、下記化学式1で示される。
[Organic metal compound]
The organometallic compound used in the solid polymer electrolyte of the present invention is represented by the following chemical formula 1.

Figure 2007207625
Figure 2007207625

前記化学式1において、X〜Xは、互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭化水素基、またはアルコキシル基である。 In the chemical formula 1, X 1 to X 3 are each independently a hydrogen atom, a hydrocarbon group which may have a substituent, or an alkoxyl group.

前記炭化水素基として、好ましくは炭素数1〜10の炭化水素基、より好ましくは2〜4の炭化水素基が挙げられる。前記炭化水素基は、直鎖、分岐鎖、環状のいずれであってもよいが、好ましくは直鎖または分岐鎖である。具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、シクロヘキシル基、フェニル基、ベンジル基、ビニル基、アリル基、エチニル基、またはプロパルギル基などが挙げられる。   As said hydrocarbon group, Preferably it is a C1-C10 hydrocarbon group, More preferably, a 2-4 hydrocarbon group is mentioned. The hydrocarbon group may be linear, branched or cyclic, but is preferably linear or branched. Specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, cyclohexyl group, Examples thereof include a phenyl group, a benzyl group, a vinyl group, an allyl group, an ethynyl group, and a propargyl group.

前記炭化水素基は、置換基を有していてもよく、前記置換基としては、ハロゲン原子、アルコキシル基、アルキルチオ基、エステル基、アシル基などが挙げられる。   The hydrocarbon group may have a substituent, and examples of the substituent include a halogen atom, an alkoxyl group, an alkylthio group, an ester group, and an acyl group.

前記アルコキシル基としては、好ましくは炭素数1〜10のアルコキシル基、より好ましくは炭素数2〜4のアルコキシル基が挙げられる。具体的には、メトキシ基、エトキシ基、n−プロピルオキシ基、イソプロピルオキシ基、n−ブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、イソブチルオキシ基、n−ペンチルオキシ基、2,2−ジメチルプロピルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基、2−メチルペンチルオキシ基、または2−エチルヘキシルオキシ基などが挙げられる。   As said alkoxyl group, Preferably a C1-C10 alkoxyl group, More preferably, a C2-C4 alkoxyl group is mentioned. Specifically, methoxy group, ethoxy group, n-propyloxy group, isopropyloxy group, n-butyloxy group, sec-butyloxy group, tert-butyloxy group, isobutyloxy group, n-pentyloxy group, 2,2- Examples thereof include a dimethylpropyloxy group, a cyclopentyloxy group, an n-hexyloxy group, a cyclohexyloxy group, a 2-methylpentyloxy group, and a 2-ethylhexyloxy group.

前記アルコキシル基は、置換基を有していてもよく、前記置換基としては前記炭化水素基において上記したのと同様のものが挙げられる。   The alkoxyl group may have a substituent, and examples of the substituent include the same as those described above for the hydrocarbon group.

前記X〜Xとしては、有機ポリマーとの反応性、分散性を考慮すると、アルコキシル基、アルキル基が好ましく、特に好ましくは、メトキシ基、エトキシ基、イソプロピルオキシ基、ブトキシ基などである。 X 1 to X 3 are preferably an alkoxyl group and an alkyl group in consideration of reactivity with an organic polymer and dispersibility, and particularly preferably a methoxy group, an ethoxy group, an isopropyloxy group, a butoxy group, and the like.

前記化学式1において、Xは、水素原子、または置換基を有していてもよい炭化水素基である。なお、置換基を有していてもよい炭化水素基については、上述したX〜Xと同様である。 In Formula 1, X 4 is a hydrogen atom or a hydrocarbon group that may have a substituent. Note that the hydrocarbon group which may have a substituent group, is the same as X 1 to X 3 as described above.

前記Xとしては、有機ポリマーとの反応性、分散性を考慮すると、アルキル基が好ましく、特に好ましくは、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ブチル基などである。 X 4 is preferably an alkyl group in consideration of reactivity with organic polymers and dispersibility, and particularly preferably a methyl group, an ethyl group, an isopropyl group, a butyl group, or the like.

なお、前記化学式1において、nが2以上の場合には、各繰り返し単位中のX、Xは同じであっても異なっていてもよい。 In the chemical formula 1, when n is 2 or more, X 1 and X 2 in each repeating unit may be the same or different.

前記化学式1において、Mは、Si、Ti、Al、Zr、およびGeからなる群から選択される少なくとも一種の金属原子である。nが2以上の場合、Mは、同一であっても、異なっていてもよい。なかでも、Mは、反応性や有機物や水との親和性を考慮すると、Si、Tiが好ましく挙げられる。   In Formula 1, M is at least one metal atom selected from the group consisting of Si, Ti, Al, Zr, and Ge. When n is 2 or more, M may be the same or different. Among these, M is preferably Si or Ti in consideration of reactivity and affinity with organic substances and water.

前記化学式1において、nは、1〜100の整数である。nが100以下であると、分散性に優れる。また、nは、1〜100の整数であることにより、有機ポリマーと有機金属化合物とがより均一に分散して複合化され、耐熱性、プロトン伝導性、機械的強度、および保水性などが全体的に均一である固体高分子電解質が得られる。   In the chemical formula 1, n is an integer of 1 to 100. When n is 100 or less, the dispersibility is excellent. In addition, n is an integer of 1 to 100, so that the organic polymer and the organometallic compound are more uniformly dispersed and combined, and heat resistance, proton conductivity, mechanical strength, water retention, etc. Uniform solid polymer electrolyte is obtained.

前記前記化学式1においてnが1である場合には、オルトケイ酸テトラエチル、オルトケイ酸テトラメチルなどが挙げられる。また、前記化学式1においてnが2〜10である有機金属化合物としては、扶桑化学工業株式会社製のメチルシリケート、三菱化学株式会社製のMKCシリケート、コルコート社製のエチルシリケート、東レ−ダウコーニング社製のシリコンレジン、東芝シリコーン株式会社製のシリコンレジン、信越化学工業株式会社製のシリコンレジン、ダウコーニング−アジア株式会社製のヒドロキシル基含有ポリジメチルシロキサン、日本ユニカ株式会社製のシリコンオリゴマーなどが挙げられる。   When n is 1 in the chemical formula 1, tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate and the like can be mentioned. In addition, as the organometallic compound in which n is 2 to 10 in the chemical formula 1, methyl silicate manufactured by Fuso Chemical Industry Co., Ltd., MKC silicate manufactured by Mitsubishi Chemical Co., Ltd., ethyl silicate manufactured by Colcoat Co., Ltd., Toray Dow Corning Co., Ltd. Silicone resin manufactured by Toshiba Silicone Co., Ltd. Silicone resin manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Polydimethylsiloxane containing hydroxyl group manufactured by Dow Corning-Asia Co., Ltd., Silicon oligomer manufactured by Nihon Unica Co., Ltd., etc. It is done.

前記有機金属化合物は、固体高分子電解質を調製する際に用いられる有機溶媒に可溶なものを用いることが好ましい。これにより、固体高分子電解質における有機金属化合物の分散性が向上し、耐熱性、プロトン伝導性、機械的強度、および保水性などが全体的に均一である固体高分子電解質が得られる。有機溶媒に可溶とは、具体的には、有機金属化合物が有機溶媒中で白濁せずに粘度が低下した状態である。なお、前記有機溶媒の具体的な種類などについては後述する。   The organometallic compound is preferably one that is soluble in an organic solvent used when preparing a solid polymer electrolyte. Thereby, the dispersibility of the organometallic compound in the solid polymer electrolyte is improved, and a solid polymer electrolyte having uniform heat resistance, proton conductivity, mechanical strength, water retention and the like is obtained. Specifically, being soluble in an organic solvent is a state in which the viscosity of the organometallic compound is reduced without becoming cloudy in the organic solvent. The specific types of the organic solvent will be described later.

本発明の固体高分子電解質において、前記有機金属化合物をさらに縮重合させて高分子化合物とし、前記高分子化合物と有機ポリマーとが複合していることが望ましい。前記高分子化合物は、ヒドロキシル基、またはアルコキシル基などを2以上有する有機金属化合物をモノマーまたはオリゴマーとして用い、これらを縮重合させることにより得られる。前記高分子化合物によれば、熱による有機ポリマーの切断などを抑制する効果が高く、固体高分子電解質の耐熱性をより向上させることが可能となる。   In the solid polymer electrolyte of the present invention, it is desirable that the organometallic compound is further subjected to condensation polymerization to obtain a polymer compound, and the polymer compound and the organic polymer are combined. The polymer compound can be obtained by using an organometallic compound having two or more hydroxyl groups or alkoxyl groups as monomers or oligomers and subjecting these to condensation polymerization. According to the polymer compound, the effect of suppressing the cutting of the organic polymer due to heat is high, and the heat resistance of the solid polymer electrolyte can be further improved.

前記高分子化合物は、前記有機金属化合物として、ヒドロキシル基、アルコキシル基などを2以上有するオリゴマーをさらに縮合させたものが特に好ましく用いられる。前記オリゴマーによれば、pHが低い条件下であってもモノマーに比べて縮合反応が緩やかに進行する。従って、固体高分子電解質を調製する際に、オリゴマーと有機ポリマーとが十分に混合した後、オリゴマーを縮合させて高分子化合物を形成させることができ、固体高分子電解質の製造とともにオリゴマーの縮合反応を行うことが可能となり材料合成において製造プロセスの簡略化することが可能となる。さらに、得られる固体高分子電解質において有機ポリマーと高分子化合物とが均一に分散し、プロトン伝導性、機械的強度、保水性、耐熱性などが優れ、全体として均一の特性を有する固体高分子電解質が得られる。   The polymer compound is particularly preferably a compound obtained by further condensing an oligomer having two or more hydroxyl groups, alkoxyl groups, etc. as the organometallic compound. According to the oligomer, the condensation reaction proceeds more slowly than the monomer even under a low pH condition. Therefore, when preparing the solid polymer electrolyte, after the oligomer and the organic polymer are sufficiently mixed, the oligomer can be condensed to form a polymer compound, and the oligomer condensation reaction together with the production of the solid polymer electrolyte. Thus, the manufacturing process can be simplified in material synthesis. Furthermore, the solid polymer electrolyte in which the organic polymer and the polymer compound are uniformly dispersed in the obtained solid polymer electrolyte, has excellent proton conductivity, mechanical strength, water retention, heat resistance, etc., and has uniform characteristics as a whole. Is obtained.

前記高分子化合物は、得られる固体高分子電解質の機械的強度、耐熱性などを考慮すると、平均重合度を、好ましくは100〜1万とするのがよい。   The polymer compound preferably has an average degree of polymerization of 100 to 10,000 in consideration of mechanical strength, heat resistance, and the like of the obtained solid polymer electrolyte.

本発明の固体高分子電解質において、上述した前記有機金属化合物および/または前記高分子化合物は、一種単独で用いてもよく、二種以上を併用して用いてもよい。   In the solid polymer electrolyte of the present invention, the organometallic compound and / or the polymer compound described above may be used singly or in combination of two or more.

[有機ポリマー]
本発明の固体高分子電解質に用いられる有機ポリマーとしては、プロトン伝導性を有するものであり、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。
[Organic polymer]
The organic polymer used in the solid polymer electrolyte of the present invention has proton conductivity, and any conventionally known one can be used without particular limitation.

前記有機ポリマーとして具体的には、イオン交換基を備え、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系ポリマー、または、イオン交換基を備え、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマー、などが挙げられる。   Specific examples of the organic polymer include a fluorinated polymer having an ion exchange group and all or part of the polymer skeleton being fluorinated, or a hydrocarbon polymer having an ion exchange group and containing no fluorine in the polymer skeleton. , Etc.

前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−SOH、−COOH、−PO(OH)、−POH(OH)、−SONHSO−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’、−NH 等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.

前記イオン交換基を備えたフッ素系ポリマーとして、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the fluorine-based polymer having an ion exchange group include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, polytrifluorostyrene sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene Preferred examples include a copolymer, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymer, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymer.

前記イオン交換基を備えた炭化水素系ポリマーとして、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the hydrocarbon polymer having an ion exchange group include a polysulfone sulfonic acid polymer, a polyether ether ketone sulfonic acid polymer, a polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, and a polybenzimidazole alkylphosphonic acid polymer. Suitable examples include cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, polyether sulfone sulfonic acid polymers, and the like.

前記有機ポリマーの重量平均分子量は、好ましくは1万〜100万、より好ましくは30万〜100万とするのがよい。   The weight average molecular weight of the organic polymer is preferably 10,000 to 1,000,000, more preferably 300,000 to 1,000,000.

前記有機ポリマーは、有機金属化合物および/または高分子化合物と相互作用を有するまたは反応して結合可能な反応性基を少なくとも一つ有しているのがよい。これにより、有機ポリマーと有機金属化合物および/または前記高分子化合物とが分子レベルで結合させることができ、固体高分子電解質のプロトン伝導性、機械的強度、保水性、耐熱性などの特性を安定して発揮させることが可能となる。前記反応性基としては、ヒドロキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびそれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。なかでも、スルホン酸基、ホスホン酸基が好ましく挙げられる。   The organic polymer preferably has at least one reactive group that can interact with or react with an organometallic compound and / or a polymer compound. As a result, the organic polymer and the organometallic compound and / or the polymer compound can be combined at the molecular level, and the properties of the solid polymer electrolyte such as proton conductivity, mechanical strength, water retention and heat resistance are stabilized. Can be demonstrated. Examples of the reactive group include at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof. Of these, sulfonic acid groups and phosphonic acid groups are preferred.

また、前記反応性基は、濃硫酸を用いるなど公知の方法を用いて、有機ポリマーに導入することができる。   The reactive group can be introduced into the organic polymer by using a known method such as using concentrated sulfuric acid.

[有機金属化合物と有機ポリマーとの複合]
本発明の固体高分子電解質は、有機金属化合物と有機ポリマーとが複合されてなるものである。ここで、「複合」とは、有機金属化合物と有機ポリマーとが単に混合されてなるものの他に、有機金属化合物と有機ポリマーとが共有結合、水素結合、イオン結合、極性基同士の相互作用などにより化学的に結合または吸着しているものを含む。
[Composite of organometallic compound and organic polymer]
The solid polymer electrolyte of the present invention is a composite of an organic metal compound and an organic polymer. Here, “composite” means that the organic metal compound and the organic polymer are covalently bonded, hydrogen bond, ionic bond, interaction between polar groups, etc., in addition to those in which the organic metal compound and the organic polymer are simply mixed. Including those chemically bound or adsorbed by.

固体高分子電解質は、好ましくは、有機金属化合物と有機ポリマーとが、共有結合、水素結合、極性基同士の相互作用などにより化学的に結合または吸着しているものである。これにより、固体高分子電解質のプロトン伝導性、機械的強度、保水性、耐熱性などの特性を安定して発揮させることが可能となる。   The solid polymer electrolyte is preferably one in which an organometallic compound and an organic polymer are chemically bonded or adsorbed by a covalent bond, a hydrogen bond, an interaction between polar groups, or the like. This makes it possible to stably exhibit the properties of the solid polymer electrolyte such as proton conductivity, mechanical strength, water retention, and heat resistance.

本発明の固体高分子電解質において、有機金属化合物と有機ポリマーとの混合比は、特に制限されないが、質量比で、好ましくは1:20〜1:2、より好ましくは1:10〜1:5とするのがよい。   In the solid polymer electrolyte of the present invention, the mixing ratio of the organometallic compound and the organic polymer is not particularly limited, but is preferably from 1:20 to 1: 2, more preferably from 1:10 to 1: 5 by mass ratio. It is good to do.

また、固体高分子電解質が有機金属化合物を縮重合させた高分子化合物を含む場合も、同様である。   The same applies when the solid polymer electrolyte contains a polymer compound obtained by condensation polymerization of an organometallic compound.

有機金属化合物または高分子化合物の添加量が少なすぎると得られる固体高分子電解質の耐熱性を十分に向上できない恐れがあり、有機ポリマーの添加量が少なすぎると固体高分子電解質の柔軟性が低下する恐れがある。そのため、これらの混合比を上記範囲内とするのが望ましい。   If the amount of the organic metal compound or polymer compound added is too small, the heat resistance of the obtained solid polymer electrolyte may not be sufficiently improved. If the amount of the organic polymer added is too small, the flexibility of the solid polymer electrolyte will be reduced. There is a fear. Therefore, it is desirable that the mixing ratio is within the above range.

[有機金属化合物と有機ポリマーとの複合化]
有機金属化合物と有機ポリマーとの複合は、公知の方法に準じて行うことができる。有機金属化合物と有機ポリマーとを、有機溶媒に溶解または懸濁させてスラリーを調製し、有機溶媒を除去する方法などにより得られる。これにより、有機金属化合物と有機ポリマーとが混合して複合化された固体高分子電解質が得られる。
[Composite of organometallic compound and organic polymer]
The composite of the organometallic compound and the organic polymer can be performed according to a known method. The organic metal compound and the organic polymer are obtained by a method of dissolving or suspending an organic solvent in an organic solvent to prepare a slurry and removing the organic solvent. As a result, a solid polymer electrolyte in which an organic metal compound and an organic polymer are mixed and combined is obtained.

前記有機溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール(NPA)等のアルコール系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、モノグライム、ジグライムなどのエーテル系溶媒、メトキシエタノール、エトキシエタノール、シクロヘキサノール、ベンジルアルコールなどのアルコール系溶媒、シクロペンタノン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、クロロホルムなどのハロゲン系溶媒、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドンなど非プロトン極性溶媒をなどが挙げられる。溶媒は1種を単独で使用できまたは可能であれば2種以上を併用することができる。   Examples of the organic solvent include alcohol solvents such as methanol, ethanol and 1-propanol (NPA), ether solvents such as tetrahydrofuran, tetrahydropyran, monoglyme and diglyme, alcohols such as methoxyethanol, ethoxyethanol, cyclohexanol and benzyl alcohol. Solvent, cyclopentanone, cyclohexanone and other ketone solvents, chloroform and other halogen solvents, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and other aprotic polar solvents And so on. A solvent can be used individually by 1 type, or if possible, can use 2 or more types together.

前記スラリーには、有機金属化合物と有機ポリマーとの分散性、反応性を向上させるため、攪拌子や攪拌羽根、ホモジナイザーによる機械的攪拌手段、噴流等による攪拌手段、超音波処理など、従来一般的な混合手段を施すのがよい。   In order to improve the dispersibility and reactivity of the organometallic compound and the organic polymer, the slurry is generally used in a conventional manner such as a stirring bar, a stirring blade, a mechanical stirring means by a homogenizer, a stirring means by a jet, etc., ultrasonic treatment, etc. It is advisable to apply appropriate mixing means.

また、前記スラリーに、水および必要により酸触媒を添加し、有機金属化合物を加水分解および縮重合反応させる、いわゆるゾル−ゲル反応をさせることにより、有機ポリマーと高分子化合物とが複合した固体高分子電解質が得られる。必要に応じて、加水分解および縮重合反応の際に加熱してもよい。   Further, by adding water and, if necessary, an acid catalyst to the slurry, hydrolysis and polycondensation reaction of the organometallic compound, so-called sol-gel reaction, the solid polymer compound of the organic polymer and the polymer compound is obtained. A molecular electrolyte is obtained. If necessary, it may be heated during the hydrolysis and polycondensation reaction.

酸触媒は、有機金属化合物が加水分解および縮重合反応を促進させるためのものであり、無機プロトン酸又は有機プロトン酸が好ましい。   The acid catalyst is for the organic metal compound to promote hydrolysis and polycondensation reaction, and is preferably an inorganic protonic acid or an organic protonic acid.

無機プロトン酸としては、塩酸、硫酸、リン酸類(HPO、HPO、H、H10、メタリン酸、またはヘキサフルオロリン酸等)、硼酸、硝酸、過塩素酸、テトラフルオロ硼酸、ヘキサフルオロ砒素酸、臭化水素酸、固体酸(タングストリン酸、またはタングステンペルオキソ錯体等)等が挙げられる。 Examples of the inorganic protonic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acids (such as H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , H 4 P 2 O 7 , H 5 P 3 O 10 , metaphosphoric acid, or hexafluorophosphoric acid), boric acid, Examples thereof include nitric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluoroarsenic acid, hydrobromic acid, solid acid (tungstophosphoric acid, tungsten peroxo complex, etc.) and the like.

有機プロトン酸としては、リン酸エステル類(例えば炭素数1〜30のリン酸エステル類であり、リン酸メチルエステル、リン酸プロピルエステル、リン酸ドデシルエステル、リン酸フェニルエステル、リン酸ジメチルエステル、またはリン酸ジドデシルエステル等)、亜リン酸エステル類(例えば炭素数1〜30の亜リン酸エステル類であり、亜リン酸メチルエステル、亜リン酸ドデシルエステル、亜リン酸ジエチルエステル、亜リン酸ジイソプロピル、または亜リン酸ジドデシルエステル等)、スルホン酸類(例えば炭素数1〜15のスルホン酸類であり、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ヘキサフルオロベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、またはドデシルスルホン酸等)、カルボン酸類(例えば炭素数1〜15のカルボン酸類であり、酢酸、トリフルオロ酢酸、安息香酸、または置換安息香酸等)、イミド類(ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド酸、トリフルオロメタンスルホニルトリフルオロアセトアミド等)、ホスホン酸類(例えば炭素数1〜30のホスホン酸類であり、メチルホスホン酸、エチルホスホン酸、フェニルホスホン酸、ジフェニルホスホン酸、または1,5−ナフタレンビスホスホン酸等)等の低分子化合物、又はナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するポリ(メタ)アクリレート(特開2001−114834号公報)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(特開平6−93111号公報)、スルホン化ポリエーテルスルホン(特開平10−45913号公報)、スルホン化ポリスルホン(特開平9−245818号公報)等の耐熱芳香族高分子のスルホン化物等のプロトン酸部位を有する高分子化合物が挙げられる。酸触媒は2種以上併用することも可能である。   Examples of organic protonic acids include phosphoric acid esters (for example, phosphoric acid esters having 1 to 30 carbon atoms, phosphoric acid methyl ester, phosphoric acid propyl ester, phosphoric acid dodecyl ester, phosphoric acid phenyl ester, phosphoric acid dimethyl ester, Or phosphorous acid dododecyl ester, etc.), phosphorous acid esters (for example, phosphorous acid esters having 1 to 30 carbon atoms, phosphorous acid methyl ester, phosphorous acid dodecyl ester, phosphorous acid diethyl ester, phosphorous acid) Diisopropyl or phosphorous acid dododecyl ester), sulfonic acids (for example, sulfonic acids having 1 to 15 carbon atoms, such as benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid, hexafluorobenzenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, or dodecylsulfone) Acid), carboxylic acids (for example, carbon number 1) 15 carboxylic acids such as acetic acid, trifluoroacetic acid, benzoic acid, or substituted benzoic acid), imides (bis (trifluoromethanesulfonyl) imidic acid, trifluoromethanesulfonyl trifluoroacetamide, etc.), phosphonic acids (for example, carbon number) 1 to 30 phosphonic acids, such as methylphosphonic acid, ethylphosphonic acid, phenylphosphonic acid, diphenylphosphonic acid, or 1,5-naphthalene bisphosphonic acid) or the like, or represented by Nafion (registered trademark) Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, poly (meth) acrylate having a phosphate group in the side chain (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-14834), sulfonated polyether ether ketone (Japanese Patent Laid-Open No. 6-93111), sulfonated polyether sulfone (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 10 45913 JP), a polymer compound having a proton acid site of sulfonated such heat aromatic polymers such as sulfonated polysulfone (JP-A-9-245818) and the like. Two or more acid catalysts can be used in combination.

前記有機金属化合物のゾル−ゲル反応する際の反応温度は反応速度に関連し、有機金属化合物の反応性と酸触媒の種類及び量に応じて選択することができる。好ましくは0〜200℃、より好ましくは30〜120℃である。また、反応時間は、1〜72時間程度とすればよい。   The reaction temperature for the sol-gel reaction of the organometallic compound is related to the reaction rate, and can be selected according to the reactivity of the organometallic compound and the type and amount of the acid catalyst. Preferably it is 0-200 degreeC, More preferably, it is 30-120 degreeC. The reaction time may be about 1 to 72 hours.

酸触媒用の酸としては、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、酢酸等が使用できるが、これらに制限されるものではない。   Examples of the acid catalyst acid include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, and acetic acid, but are not limited thereto.

上記酸触媒用の酸の添加量は、上記有機金属化合物1モルに対して0.005〜100モル、好ましくは0.01〜20モルである。触媒用の酸の添加量が100モル以下であると、加水分解反応速度が速くなり過ぎないように調整(制御)されているので、膜の表面性を良好に保持することができる点で優れている。また触媒用の酸の添加量が0.005モル以上であると、反応速度が遅くなり過ぎないように調整(制御)されているので、成膜時間が長く掛かりすぎることもなく経済的である。   The addition amount of the acid for the acid catalyst is 0.005 to 100 mol, preferably 0.01 to 20 mol, per 1 mol of the organometallic compound. When the amount of catalyst acid added is 100 mol or less, the hydrolysis reaction rate is adjusted (controlled) so that it does not become too fast, so it is excellent in that the surface property of the film can be maintained well. ing. In addition, when the addition amount of the acid for the catalyst is 0.005 mol or more, since the reaction rate is adjusted (controlled) so as not to be too slow, it is economical without taking too long a film formation time. .

前記酸触媒の添加量は、スラリー中の有機金属化合物1モルに対して、0.005〜100モル、好ましくは0.01〜20モルの範囲が望ましい。該酸触媒の添加量が0.005モル以上であると、反応の進行が遅くなりすぎず、良好に反応を進行させることができる。100モル以下であると、良好に反応を制御することができる点で優れている。   The addition amount of the acid catalyst is 0.005 to 100 mol, preferably 0.01 to 20 mol, per 1 mol of the organometallic compound in the slurry. When the addition amount of the acid catalyst is 0.005 mol or more, the progress of the reaction does not become too slow, and the reaction can proceed favorably. It is excellent in that the reaction can be controlled well when it is 100 mol or less.

酸触媒の加え方としては、特に制限されるものではないが、10mlのスラリーに対して、滴下速度0.001〜10ml/min、好ましくは0.01〜0.5ml/minの範囲の速度でゆっくりと滴下するのが望ましい。攪拌しながらゆっくり加えるのは、電解質が析出しないようにする観点から望ましいためである。一気に加えると、電解質の沈殿が生じる場合があり、上述したように膜厚がうまく制御できなくなるおそれがあるなど製膜性能に影響を及ぼすおそれがある。即ち、触媒の滴下速度が10ml/min以下であると、良好に反応を制御することができる点で優れている。そのため、電解質の沈殿が生じないで均一に滴下できる。その結果、上述したように膜厚をうまく制御することができるなど、製膜性能を良好に制御することができる。一方、滴下速度0.001ml/min以上の場合には、沈殿を生じないで均一に滴下できる。   The method for adding the acid catalyst is not particularly limited, but the dropping rate is 0.001 to 10 ml / min, preferably 0.01 to 0.5 ml / min with respect to 10 ml of the slurry. It is desirable to drop slowly. The slow addition with stirring is because it is desirable from the viewpoint of preventing the electrolyte from precipitating. If added at a stretch, precipitation of the electrolyte may occur, and there is a possibility that the film forming performance may be affected, for example, the film thickness may not be well controlled as described above. That is, it is excellent in that the reaction can be controlled satisfactorily when the dropping rate of the catalyst is 10 ml / min or less. Therefore, the electrolyte can be uniformly dropped without precipitation. As a result, it is possible to control the film forming performance satisfactorily, for example, the film thickness can be well controlled as described above. On the other hand, when the dropping speed is 0.001 ml / min or more, it can be dropped uniformly without causing precipitation.

また、スラリーに酸触媒を加える時期としては、特に制限されるものではない。好ましくは有機金属化合物を加える数時間前、好ましくは0.1〜72時間前に酸触媒を滴下し終えるようにするのが望ましい。こうすることで、溶液が均一化し、望ましい。したがって、上記酸触媒を加える開始時期は、有機金属化合物を加える数時間前に触媒を滴下し終えるように、上記触媒の添加量及び触媒の滴下速度から求めることができる。   Further, the timing for adding the acid catalyst to the slurry is not particularly limited. It is desirable to finish dropping the acid catalyst several hours before adding the organometallic compound, preferably 0.1 to 72 hours before. By doing so, the solution becomes uniform and desirable. Therefore, the start timing of adding the acid catalyst can be determined from the addition amount of the catalyst and the dropping rate of the catalyst so as to finish dropping the catalyst several hours before adding the organometallic compound.

スラリーが流動性を有するうちに、支持体上に塗布するか、樹脂製のシャーレなどに入れるなど公知の方法を用いることにより、固体高分子電解質を製膜することができる。   While the slurry has fluidity, the solid polymer electrolyte can be formed by using a known method such as coating on a support or placing it in a petri dish.

前記スラリーを塗布する支持体としては、特に制限されないが、ガラス基板、金属基板、高分子フイルム、反射板等を挙げることができる。高分子フイルムの例としては、TAC(トリアセチルセルロース)等のセルロース系高分子フイルム、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のエステル系高分子フイルム、PTFE(ポリトリフルオロエチレン)等のフッ素系高分子フイルム、ポリイミドフイルム等が挙げられる。   The support on which the slurry is applied is not particularly limited, and examples thereof include a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, and a reflection plate. Examples of the polymer film include cellulose polymer films such as TAC (triacetyl cellulose), ester polymer films such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate), PTFE (polytrifluoroethylene), and the like. And fluorinated polymer films, polyimide films and the like.

前記スラリーの塗布方式は公知の方法でよく、例えばカーテンコーティング法、押し出しコーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、または印刷コーティング法等を用いることができる。   The slurry may be applied by a known method, such as curtain coating, extrusion coating, roll coating, spin coating, dip coating, bar coating, spray coating, slide coating, or print coating. Can be used.

前記スラリーの乾燥は、自然乾燥、加熱乾燥、オートクレーブによる加圧乾燥など公知の方法を用いればよい。乾燥は、特に制限されないが、0℃〜350℃が好ましく、より好ましくは30℃〜150℃で、好ましくは1〜72時間行う。   The slurry may be dried by a known method such as natural drying, heat drying, or pressure drying with an autoclave. Although drying in particular is not restrict | limited, 0 to 350 degreeC is preferable, More preferably, it is 30 to 150 degreeC, Preferably it carries out for 1 to 72 hours.

[固体高分子電解質膜]
本発明の固体高分子電解質は、粒子状、繊維状、膜状などに成形して用いることができる。前記固体高分子電解質は、燃料電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサなど種々の用途に適用できる。なかでも、燃料電池用膜電極接合体における電解質として用いるのが好ましく、発電効率と出力電圧に優れる燃料電池が得られる。
[Solid polymer electrolyte membrane]
The solid polymer electrolyte of the present invention can be used in the form of particles, fibers, membranes and the like. The solid polymer electrolyte can be applied to various uses such as a fuel cell, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, and gas sensor. Especially, it is preferable to use as an electrolyte in a membrane electrode assembly for fuel cells, and a fuel cell excellent in power generation efficiency and output voltage can be obtained.

本発明の固体高分子電解質を燃料電池用膜電極接合体に用いる場合には、燃料電池における電極触媒層などに適用することができるが、特に好ましくは、本発明の固体高分子電解質を膜状に成形した固体高分子電解質膜として燃料電池用膜電極接合体に用いるのがよい。これにより発電効率と出力電圧に優れる燃料電池用膜電極接合体が得られる。   When the solid polymer electrolyte of the present invention is used for a membrane electrode assembly for a fuel cell, it can be applied to an electrode catalyst layer in a fuel cell. Particularly preferably, the solid polymer electrolyte of the present invention is used as a membrane. The solid polymer electrolyte membrane formed in the above is preferably used for a membrane electrode assembly for a fuel cell. As a result, a fuel cell membrane electrode assembly excellent in power generation efficiency and output voltage can be obtained.

固体高分子電解質膜の膜厚に特に制限はないが、通常10〜300μm、好ましくは30〜150μmである。この範囲内であれば、十分な膜強度が得られ、かつ膜抵抗が実用上十分に低くなる。膜厚が10μmより著しく小さいと、正極燃料と負極燃料との遮断が不充分になる可能性がある。膜厚が300μmを大幅に超えると、膜抵抗が高くなりすぎ、燃料電池の発電性能に悪影響を及ぼすおそれがある。   Although there is no restriction | limiting in particular in the film thickness of a solid polymer electrolyte membrane, Usually, 10-300 micrometers, Preferably it is 30-150 micrometers. If it is in this range, sufficient film strength can be obtained, and the film resistance will be sufficiently low in practical use. If the film thickness is significantly smaller than 10 μm, there is a possibility that the positive electrode fuel and the negative electrode fuel are not sufficiently blocked. If the film thickness greatly exceeds 300 μm, the film resistance becomes too high, which may adversely affect the power generation performance of the fuel cell.

[燃料電池用膜電極接合体]
本発明の固体高分子電解質および/または固体高分子電解質膜によれば、上述した各種特性を有することから、発電効率と出力電圧に優れる燃料電池用膜電極接合体を提供することが可能となる。
[Membrane electrode assembly for fuel cells]
According to the solid polymer electrolyte and / or the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, since it has the above-mentioned various characteristics, it becomes possible to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell that is excellent in power generation efficiency and output voltage. .

燃料電池用膜電極接合体の構成としては、従来公知のものであれば特に制限されない。具体的には、図1に示すように、固体高分子電解質膜110の両側に、燃料極側電極触媒層120aおよび燃料極側ガス拡散層130aを有する燃料極側ガス拡散電極と、空気極側電極触媒層120cおよび空気極側ガス拡散層130cを有する空気極側ガス拡散電極とが、それぞれ対向して配置された構成を有する膜電極接合体140などが挙げられる。   The configuration of the fuel cell membrane electrode assembly is not particularly limited as long as it is a conventionally known one. Specifically, as shown in FIG. 1, a fuel electrode side gas diffusion electrode having a fuel electrode side electrode catalyst layer 120a and a fuel electrode side gas diffusion layer 130a on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 110, and an air electrode side Examples thereof include a membrane electrode assembly 140 having a configuration in which the electrode electrode layer 120c and the air electrode side gas diffusion electrode having the air electrode side gas diffusion layer 130c are arranged to face each other.

本発明の固体高分子電解質は、上述した通り、膜電極接合体における燃料極側電極触媒層、空気極側触媒層の他に、固体高分子電解質膜に適用することができる。膜電極接合体は、本発明の固体高分子電解質およびまたは固体高分子電解質膜を用いる以外は、特に限定されることはなく従来公知の各種技術を適宜参照すればよい。従って、燃料極および空気極における電極触媒層およびガス拡散層に関する詳細な説明はここでは省略する。   As described above, the solid polymer electrolyte of the present invention can be applied to a solid polymer electrolyte membrane in addition to the fuel electrode side electrode catalyst layer and the air electrode side catalyst layer in the membrane electrode assembly. The membrane / electrode assembly is not particularly limited except that the solid polymer electrolyte and / or solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used, and various conventionally known techniques may be appropriately referred to. Therefore, the detailed description regarding the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer in the fuel electrode and the air electrode is omitted here.

さらに、前記膜電極接合体によれば、優れた発電性能を長期に亘って発揮することができる固体高分子形燃料電池を提供することが可能となる。これにより、移動体用電源、定置用電源として信頼性の高い固体高分子形燃料電池が得られる。なかでも、固体高分子電解質膜がプロトン伝導性、機械的強度、保水性、耐熱性などに優れることから、本発明による固体高分子形燃料電池は、自動車などの車両等の移動体用電源として用いるのが好ましい。   Furthermore, according to the membrane electrode assembly, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of exhibiting excellent power generation performance over a long period of time. As a result, a highly reliable polymer electrolyte fuel cell can be obtained as a power source for moving bodies and a stationary power source. Among them, since the polymer electrolyte membrane is excellent in proton conductivity, mechanical strength, water retention, heat resistance, etc., the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is used as a power source for moving bodies such as automobiles. It is preferable to use it.

また、前記燃料電池は、固体高分子電解質が耐熱性に優れることから、従来と比較して高温における運転条件下であっても固体高分子電解質の劣化が少なく、高い発電性能を発揮することが可能である。   In addition, since the solid polymer electrolyte is excellent in heat resistance, the fuel cell can exhibit high power generation performance with less deterioration of the solid polymer electrolyte even under operating conditions at a higher temperature than in the past. Is possible.

燃料電池の構造は、特に限定されず、図1に示すように、膜電極接合体140をセパレータ150aおよび150cなどで挟持した構造などが挙げられる。セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、従来一般的なものであれば特に制限なく用いることができる。また、セパレータ150aおよび150cには、空気と燃料ガスの流路を確保するためにガス供給溝151aおよび151cが形成されてもよい。   The structure of the fuel cell is not particularly limited, and examples thereof include a structure in which a membrane electrode assembly 140 is sandwiched between separators 150a and 150c as shown in FIG. The separator has a function of separating air and fuel gas, and any conventional separator can be used without particular limitation. Further, gas supply grooves 151a and 151c may be formed in the separators 150a and 150c in order to secure air and fuel gas flow paths.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

(実施例1)
固体高分子電解質溶液(Nafion DE2029;Nafion 5wt%、水47.5wt%、NPA47.5wt%)5gに、NPA15gを加え、15分間撹拌し、この溶液にメチルシリケート51(登録商標、扶桑化学工業株式会社製)を98mg混合し、20℃、空気雰囲気下で0.5時間超音波をかけつつ攪拌した。この攪拌液を正方形型のテフロン容器に注ぎ込み、室温にて24時間放置した後、さらに、70℃にて、5時間乾燥させることにより、固体高分子電解質膜1(厚さ50μm、大きさ10cm×10cm)を得た。シリケートは、できあがった電解質膜1の10質量%をしめる。
Example 1
15 g of NPA is added to 5 g of a solid polymer electrolyte solution (Nafion DE2029; Nafion 5 wt%, water 47.5 wt%, NPA 47.5 wt%), and stirred for 15 minutes, and methyl silicate 51 (registered trademark, Fuso Chemical Industry Co., Ltd.) is added to this solution. 98 mg) was mixed and stirred while applying ultrasonic waves at 20 ° C. in an air atmosphere for 0.5 hour. The stirred liquid was poured into a square-shaped Teflon container, allowed to stand at room temperature for 24 hours, and further dried at 70 ° C. for 5 hours to obtain a solid polymer electrolyte membrane 1 (thickness 50 μm, size 10 cm × 10 cm) was obtained. The silicate accounts for 10% by mass of the completed electrolyte membrane 1.

この際、固体Si−NMRを測定することにより、重合が進んでいることが確認された。   At this time, it was confirmed that the polymerization was progressing by measuring solid Si-NMR.

(実施例2)
固体高分子電解質溶液(Nafion DE2029;Nafion 5wt%、水47.5wt%、NPA47.5wt%)5gに、オルトケイ酸テトラエチル(和光純薬工業株式会社製)51mgを混合し、20℃、空気雰囲気下で0.5時間超音波をかけつつ攪拌した。この攪拌液を正方形型のテフロン容器に注ぎ込み、室温にて24時間放置した後、さらに、70℃にて、5時間乾燥させることにより、固体高分子電解質膜2(厚さ50μm、大きさ10cm×10cm)を得た。シリケートは、できあがった電解質膜2の10質量%をしめる。本実施例2においても固体Si−NMRを測定することにより、重合が進んでいることが確認された。
(Example 2)
51 mg of tetraethyl orthosilicate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is mixed with 5 g of a solid polymer electrolyte solution (Nafion DE2029; Nafion 5 wt%, water 47.5 wt%, NPA 47.5 wt%), and at 20 ° C. in an air atmosphere. And stirred for 0.5 hour while applying ultrasonic waves. The stirred liquid was poured into a square-shaped Teflon container, allowed to stand at room temperature for 24 hours, and further dried at 70 ° C. for 5 hours to obtain a solid polymer electrolyte membrane 2 (thickness 50 μm, size 10 cm × 10 cm) was obtained. The silicate accounts for 10% by mass of the finished electrolyte membrane 2. Also in this Example 2, it was confirmed that the polymerization was progressing by measuring solid Si-NMR.

(比較例1)
固体高分子電解質溶液(Nafion DE2029;Nafion 5wt%、水47.5wt%、NPA47.5wt%)5gと、コロイダルシリカPL−1(扶桑化学製 Si12wt%、水分散、1次粒子径15nm、2次粒子径40nm、pH7.0)42mgを混合し、20℃、空気雰囲気下で0.5時間超音波をかけつつ攪拌した。この攪拌液を正方形型のテフロン容器に注ぎ込み、室温にて24時間放置した後、さらに、70℃にて、5時間乾燥させることにより、固体高分子電解質膜3(厚さ50μm、大きさ10cm×10cm)を得た。本比較例1においてコロイダルシリカは単に混合状態である。
(Comparative Example 1)
5 g of solid polymer electrolyte solution (Nafion DE2029; Nafion 5 wt%, water 47.5 wt%, NPA 47.5 wt%) and colloidal silica PL-1 (manufactured by Fuso Chemical, Si 12 wt%, water dispersion, primary particle diameter 15 nm, secondary 42 mg of a particle size of 40 nm, pH 7.0) was mixed and stirred while applying ultrasonic waves at 20 ° C. in an air atmosphere for 0.5 hours. The stirred liquid was poured into a square type Teflon container, allowed to stand at room temperature for 24 hours, and further dried at 70 ° C. for 5 hours, whereby solid polymer electrolyte membrane 3 (thickness 50 μm, size 10 cm × 10 cm) was obtained. In Comparative Example 1, colloidal silica is simply in a mixed state.

(比較例2)
固体高分子電解質溶液(Nafion DE2029;Nafion 5wt%、水47.5wt%、NPA47.5wt%)を、20℃、空気雰囲気下で0.5時間超音波をかけつつ攪拌した。この攪拌液を正方形型のテフロン容器に注ぎ込み、室温にて24時間放置した後、さらに、70℃にて、5時間乾燥させることにより、固体高分子電解質膜4(厚さ50μm、大きさ10cm×10cm)を得た。
(Comparative Example 2)
A solid polymer electrolyte solution (Nafion DE2029; 5% by weight of Nafion, 47.5% by weight of water, 47.5% by weight of NPA) was stirred while applying ultrasonic waves at 20 ° C. in an air atmosphere for 0.5 hours. The stirred liquid was poured into a square-shaped Teflon container, allowed to stand at room temperature for 24 hours, and further dried at 70 ° C. for 5 hours, whereby the solid polymer electrolyte membrane 4 (thickness 50 μm, size 10 cm × 10 cm) was obtained.

(評価)
上記で作製した固体高分子電解質膜1〜4の評価を下記に示す手順で行った。
(Evaluation)
The solid polymer electrolyte membranes 1 to 4 produced above were evaluated according to the following procedure.

(セル評価)
固体高分子電解質膜を用いて、以下の手順に従って膜電極接合体を作製した。
(Cell evaluation)
Using the solid polymer electrolyte membrane, a membrane electrode assembly was produced according to the following procedure.

(触媒インク調製)
<カソード用触媒インク>市販のNafion溶液(アルドリッチ社製5質量%溶液)にPt担持カーボン(白金担持量:50質量%)の微粒子を、カーボンとNafionの質量比がカーボン:Nafion=1:0.8となるように混合した後、ホモジナイザー(粉砕器)に3時間ほどかけてカソード用触媒インクを作製した。
(Catalyst ink preparation)
<Cathode catalyst ink> Fine particles of Pt-supported carbon (platinum supported amount: 50% by mass) in a commercially available Nafion solution (Aldrich 5% by mass solution), and the mass ratio of carbon to Nafion is carbon: Nafion = 1: 0. After mixing so as to be 0.8, a cathode catalyst ink was produced in a homogenizer (pulverizer) for about 3 hours.

<アノード用触媒インク>カソード用触媒インクと同様の手順でアノード用触媒インクを作製した。   <Anode catalyst ink> An anode catalyst ink was prepared in the same manner as the cathode catalyst ink.

(触媒層転写シート作製)
前記のように調製したインクを、スクリーンプリンタを使用して、台紙として使用するテフロンシート上に塗布して、カソード用およびアノード用触媒層転写シートを作製した。台紙としてはテフロンシートの他にPET(ポリエチレンテレフタレート)シートなどが優れている。Pt担持量が0.4mg/cmとなるまで塗布、乾燥を繰り返すことで、所定白金量の触媒層転写シートを作製した。
(Catalyst layer transfer sheet production)
The ink prepared as described above was applied onto a Teflon sheet used as a mount using a screen printer to prepare a catalyst layer transfer sheet for cathode and anode. As the mount, a PET (polyethylene terephthalate) sheet or the like is excellent in addition to the Teflon sheet. Coating and drying were repeated until the Pt carrying amount reached 0.4 mg / cm 2 to prepare a catalyst layer transfer sheet having a predetermined platinum amount.

(触媒層の転写)
前記のように作製したカソード用およびアノード用触媒層転写シートの触媒層面にエタノールをスプレーして浸潤させ、触媒層表面が乾燥してきたところで、これらの転写シートで作製した電解質膜を挟みこみ、130℃、6.5MPa、保持時間10分にてホットプレスを行なった。エタノールで浸潤させるのは、触媒層および膜の電解質を柔軟にさせ、触媒層の転写を容易にするためである。
(Catalyst layer transfer)
When the catalyst layer surface of the cathode and anode catalyst layer transfer sheets prepared as described above is sprayed and infiltrated with ethanol, and the catalyst layer surface is dried, the electrolyte membranes prepared with these transfer sheets are sandwiched, 130 Hot pressing was performed at a temperature of 6.5 MPa and a holding time of 10 minutes. The reason for infiltrating with ethanol is to make the catalyst layer and membrane electrolyte flexible and to facilitate the transfer of the catalyst layer.

冷却後、転写シートの台紙をはがし、膜−触媒層接合体を作製した。   After cooling, the mount of the transfer sheet was peeled off to produce a membrane-catalyst layer assembly.

本実施例はカソードのバインダのみ非フッ素系固体高分子電解質を使用し、アノードのバインダは通常のNafionとした。これはCV(サイクリック・ボルタンメトリ)測定時の参照極とするのに、アノードのバインダをNafionとする方が都合がよいためであり、両極とも非フッ素系固体高分子電解質を使用したバインダにしても本質的に変わらないことは言うまでもない。   In this example, a non-fluorine solid polymer electrolyte was used only for the cathode binder, and ordinary Nafion was used for the anode binder. This is because it is more convenient to use Nafion as the anode binder for CV (cyclic voltammetry) measurement. Both binders are made of a non-fluorinated solid polymer electrolyte. Needless to say, there is essentially no change.

(3)評価用単セルの組立て
固体高分子電解質膜に、片面に電極触媒層が形成された市販のガス拡散層を二枚用いて電極触媒層形成側が対向するように重ねて、6.5MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスすることにより、膜電極接合体を作製した。さらに、前記膜電極接合体をグラファイト製セパレータで挟持し、金メッキしたステンレス製集電板で挟持し、評価用単セルとした。
(3) Assembly of single cell for evaluation Two commercially available gas diffusion layers each having an electrode catalyst layer formed on one side are stacked on a solid polymer electrolyte membrane so that the electrode catalyst layer forming side faces each other, and 6.5 MPa A membrane / electrode assembly was produced by hot pressing at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 5 ° C. Further, the membrane electrode assembly was sandwiched between graphite separators and sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to form a single cell for evaluation.

(4)発電評価
各評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、発電条件は、セル温度70℃、相対湿度アノード/カソード=90%R.H./30%R.H.、水素利用率67%、空気利用率40%で電圧を測定した。
(4) Power generation evaluation Hydrogen was supplied as a fuel to the anode side of each evaluation single cell, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. For both gases, the cell outlet pressure was atmospheric pressure, and the power generation conditions were: cell temperature 70 ° C., relative humidity anode / cathode = 90% R.S. H. / 30% R.V. H. The voltage was measured at a hydrogen utilization rate of 67% and an air utilization rate of 40%.

測定結果は図2に示す。ただし比較例2のセルは発電不能であった。   The measurement results are shown in FIG. However, the cell of Comparative Example 2 was unable to generate electricity.

実施例のサンプルは、比較例に比べて、セル電圧が低下しにくく、発電が安定している。膜内の無機金属酸化物が均一に分散したため、発電に耐えうる強度となり、保水性、発電性能が向上したといえる。   In the sample of the example, the cell voltage is less likely to be lower than that of the comparative example, and power generation is stable. It can be said that the inorganic metal oxide in the film is uniformly dispersed, so that the strength can withstand power generation, and the water retention and power generation performance are improved.

本発明の好適な一実施形態である、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池の模式断面図を示す。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane, which is a preferred embodiment of the present invention. 実施例における発電結果を示す。The electric power generation result in an Example is shown.

符号の説明Explanation of symbols

100 燃料電池、
110 固体高分子電解質膜、
120a、120c 電極触媒層、
130a、130c ガス拡散層、
140 膜電極接合体、
150a、150c セパレータ、
151a、151c ガス供給溝。
100 fuel cells,
110 solid polymer electrolyte membrane,
120a, 120c electrode catalyst layer,
130a, 130c gas diffusion layers,
140 membrane electrode assembly,
150a, 150c separator,
151a, 151c Gas supply grooves.

Claims (6)

化学式1で示される有機金属化合物と、プロトン伝導性を有する有機ポリマーと、を複合させたことを特徴とする固体高分子電解質;
Figure 2007207625
前記化学式1において、
〜Xは、互いに独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭化水素基、またはアルコキシル基であり、
は、水素原子、または置換基を有していてもよい炭化水素基であり、
Mは、Si、Ti、Al、Zr、およびGeからなる群から選択される少なくとも一種の金属原子であり、
nは1〜100の整数である。
A solid polymer electrolyte obtained by combining an organometallic compound represented by Chemical Formula 1 and an organic polymer having proton conductivity;
Figure 2007207625
In Formula 1,
X 1 to X 3 are each independently a hydrogen atom, an optionally substituted hydrocarbon group, or an alkoxyl group,
X 4 is a hydrogen atom or an optionally substituted hydrocarbon group,
M is at least one metal atom selected from the group consisting of Si, Ti, Al, Zr, and Ge;
n is an integer of 1-100.
前記有機ポリマーは、ヒドロキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、スルホンアミド基、スルホンイミド基およびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも一種の反応性基を有することを特徴とする請求項1記載の固体高分子電解質。   The organic polymer has at least one reactive group selected from the group consisting of a hydroxyl group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a sulfonamide group, a sulfonimide group, and derivatives thereof. The solid polymer electrolyte described. 前記有機金属化合物は、有機溶媒に可溶であることを特徴とする請求項1または2記載の固体高分子電解質。   The solid polymer electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the organometallic compound is soluble in an organic solvent. 請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子電解質を含むことを特徴とする固体高分子電解質膜。   A solid polymer electrolyte membrane comprising the solid polymer electrolyte according to claim 1. 請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子電解質および/または請求項4に記載の固体高分子電解質膜を含む燃料電池用膜電極接合体。   A fuel cell membrane electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3 and / or the solid polymer electrolyte membrane according to claim 4. 請求項5に記載の燃料電池用膜電極接合体を含む固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the fuel cell membrane electrode assembly according to claim 5.
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