JP2007257896A - High protonic conductive electrolyte film and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high protonic conductive electrolyte film having a relatively high protonic conductivity and its manufacturing method. <P>SOLUTION: This invention includes the manufacturing method of the high protonic conductive electrolyte film including a complex forming process for forming anion-cation complex by dissolving solid polymer electrolyte and cation molecules in a solvent, a film forming process for casting film by using the solution obtained by the complex forming process and a removing process for removing equal to or more than 80% of the cation molecules from the film and the high protonic conductive electrolyte film obtained by the method. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜として好適な高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a high proton conductive electrolyte membrane and a method for producing the same, and more specifically, a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, The present invention relates to a high proton conductive electrolyte membrane suitable as an electrolyte membrane used in various electrochemical devices such as a humidity sensor and a gas sensor, and a method for producing the same.

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層内電解質)との複合体からなる。   A solid polymer fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane as a basic unit. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon paper, carbon cloth, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (electrolyte in the catalyst layer).

このようなMEAを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた炭化フッ素系電解質(例えば、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)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。また、炭化フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質の使用も検討されている。   For the electrolyte membrane or the catalyst layer electrolyte that constitutes such an MEA, a fluorine-containing electrolyte having excellent oxidation resistance (for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont)), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Co., Ltd.) And Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.)) are generally used. In addition, the fluorine-containing electrolyte is excellent in oxidation resistance, but is generally very expensive. Therefore, in order to reduce the cost of the polymer electrolyte fuel cell, the use of a hydrocarbon-based electrolyte has been studied.

これらの固体高分子電解質膜に第1に要求される特性は、高プロトン伝導性を有することである。これは、プロトン伝導度の高い膜を用いることにより、燃料電池作動において高電流密度で電圧降下が小さくなり、高い電池出力を引き出すことができるためである。
固体高分子電解質膜の製造には、一般に、固体高分子電解質と有機溶媒等との溶液を基材上に流延塗布し、高温で溶媒を除去して膜を得るキャスト法が用いられている。このようなキャスト法により得られる固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を向上させる方法としては、
(1) 膜を水中又は飽和水蒸気圧下で加熱する方法(特許文献1)
(2) 溶媒の除去を加湿雰囲気下で行う方法(特許文献2)
(3) 溶媒として、沸点の異なる2種類の溶媒を用いる方法(特許文献3)
などが知られている。
The first characteristic required for these solid polymer electrolyte membranes is to have high proton conductivity. This is because by using a membrane having high proton conductivity, a voltage drop is reduced at a high current density in fuel cell operation, and a high battery output can be extracted.
For the production of a solid polymer electrolyte membrane, a casting method is generally used in which a solution of a solid polymer electrolyte and an organic solvent is cast on a substrate and the solvent is removed at a high temperature to obtain a membrane. . As a method for improving the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane obtained by such a casting method,
(1) Method of heating a membrane in water or under saturated water vapor pressure (Patent Document 1)
(2) Method for removing solvent under humidified atmosphere (Patent Document 2)
(3) Method using two kinds of solvents having different boiling points as a solvent (Patent Document 3)
Etc. are known.

特開平9−199144号公報JP-A-9-199144 特開2003−249245号公報JP 2003-249245 A 特開2003−249244号公報JP 2003-249244 A

キャスト法により得られた膜に対し、上述の処理を行うと、プロトン伝導性が向上すると言われている。これは、上述の処理を行うことによって、膜中のプロトン酸基が再配列し、相対的に大きなプロトン伝導パスが形成されるためと考えられている。しかしながら、膜を特定条件下で加熱したり、あるいは、溶媒の除去を特定の条件下で行う方法は、迂遠な方法である。また、2種類の溶媒を用いる方法は、低沸点溶媒に溶解する電解質にしか適用できないという欠点を持つ。
さらに、電解質膜は、一般に含水時に膨潤する。そのため、上述の処理によって相対的に大きなプロトン伝導パスを形成しても、使用中に膨潤・収縮を繰り返すことによって、膜内部に形成された構造が壊れ、プロトン伝導度が低下する場合がある。
It is said that proton conductivity is improved when the above-described treatment is performed on a membrane obtained by the casting method. This is considered to be because the proton acid groups in the membrane are rearranged by performing the above-described treatment, and a relatively large proton conduction path is formed. However, the method of heating the film under specific conditions or performing the solvent removal under specific conditions is a roundabout method. Further, the method using two kinds of solvents has a drawback that it can be applied only to an electrolyte that dissolves in a low boiling point solvent.
Furthermore, the electrolyte membrane generally swells when it contains water. For this reason, even if a relatively large proton conduction path is formed by the above-described treatment, the structure formed inside the membrane is broken by repeated swelling and shrinkage during use, and proton conductivity may be lowered.

本発明が解決しようとする課題は、相対的に高いプロトン伝導度を有する高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、膨潤・収縮を繰り返しても相対的に高いプロトン伝導度を維持することが可能な高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このような優れた特性を有する電解質膜を簡便な方法により製造することが可能な高プロトン伝導性電解質膜の製造方法を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a high proton conductive electrolyte membrane having a relatively high proton conductivity and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a high proton conductive electrolyte membrane capable of maintaining a relatively high proton conductivity even after repeated swelling and shrinkage, and a method for producing the same. is there.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a high proton conductive electrolyte membrane capable of producing an electrolyte membrane having such excellent characteristics by a simple method. .

上記課題を解決するために本発明に係る高プロトン伝導性電解質膜の製造方法は、固体高分子電解質及びカチオン分子を溶媒に溶解させ、アニオン・カチオンコンプレックスを形成するコンプレックス形成工程と、前記コンプレックス形成工程で得られた溶液をキャスト製膜し、膜を得る製膜工程と、前記膜から前記カチオン分子の80%以上を除去する除去工程とを備えている。この場合、前記製膜工程の前に、前記コンプレックス形成工程で得られた溶液に、2箇所以上のカチオン部を持つ第1の架橋剤を添加する架橋剤添加工程をさらに備えていても良い。また、前記除去工程の後に、前記膜中に第2の架橋剤を含浸させ、前記膜中に架橋構造を導入する架橋導入工程をさらに備えていても良い。
また、本発明に係る高プロトン伝導性電解質膜は、本発明に係る方法により得られたものからなる。
In order to solve the above problems, a method for producing a highly proton conductive electrolyte membrane according to the present invention includes a complex formation step in which a solid polymer electrolyte and a cation molecule are dissolved in a solvent to form an anion / cation complex, and the complex formation The film obtained by casting is formed into a film to obtain a film, and the removal process of removing 80% or more of the cationic molecules from the film. In this case, before the film forming step, a cross-linking agent addition step of adding a first cross-linking agent having two or more cation moieties to the solution obtained in the complex forming step may be further provided. Further, after the removing step, a cross-linking introduction step of impregnating the film with a second cross-linking agent and introducing a cross-linked structure into the film may be further provided.
In addition, the high proton conductive electrolyte membrane according to the present invention is obtained by the method according to the present invention.

固体高分子電解質及びカチオン分子を溶媒に溶解させると、プロトン酸基のプロトンとカチオン分子とがイオン交換し、アニオン・カチオンコンプレックスが形成される。次いで、アニオン・カチオンコンプレックスが導入された固体高分子電解質を含む溶液をキャスト製膜すると、膜中においてアニオン・カチオンコンプレックスが会合する。さらに、得られた電解質膜からカチオン分子の80%を除去すると、電解質膜内部にカチオン分子サイズに相当する相対的に大きな連続孔(プロトン伝導パス)が形成される。そのため、単に電解質をキャスト製膜する場合に比べて、プロトン伝導度が向上する。
また、膜中に架橋構造を導入すると、形成したプロトン伝導パスがより強固に固定される。そのため、膜が膨潤・収縮を繰り返しても、相対的に高いプロトン伝導度を維持することができる。
When the solid polymer electrolyte and the cation molecule are dissolved in a solvent, the proton of the proton acid group and the cation molecule are ion-exchanged to form an anion / cation complex. Subsequently, when the solution containing the solid polymer electrolyte into which the anion / cation complex is introduced is cast into a film, the anion / cation complex associates in the film. Further, when 80% of the cation molecules are removed from the obtained electrolyte membrane, relatively large continuous pores (proton conduction paths) corresponding to the size of the cation molecule are formed inside the electrolyte membrane. Therefore, proton conductivity is improved as compared with the case where the electrolyte is simply cast into a film.
In addition, when a crosslinked structure is introduced into the membrane, the formed proton conduction path is more firmly fixed. Therefore, even if the membrane repeatedly swells and contracts, a relatively high proton conductivity can be maintained.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
初めに、本発明の第1の実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法について説明する。本実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜の製造方法は、コンプレックス形成工程と、製膜工程と、除去工程とを備えている。また、本実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜は、本実施の形態に係る方法により得られたものからなる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
First, the high proton conductive electrolyte membrane and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described. The method for producing a high proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment includes a complex formation step, a membrane formation step, and a removal step. In addition, the high proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment is obtained by the method according to the present embodiment.

コンプレックス形成工程は、固体高分子電解質及びカチオン分子を溶媒に溶解させ、アニオン・カチオンコンプレックスを形成する工程である。
本発明において、固体高分子電解質は、特に限定されるものではなく、炭化フッ素系電解質又は炭化水素系電解質のいずれであっても良い。
ここで、「炭化フッ素系電解質」とは、全フッ素系電解質又は部分フッ素系電解質をいう。
「全フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−F結合を含み、C−H結合を含まないものをいう。本発明において、「全フッ素系電解質」というときは、ポリマ骨格中に、C−F結合以外の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基。)を有するものも含まれる。
「部分フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−F結合とC−H結合の双方を含むものをいう。
「炭化水素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−H結合を含み、C−F結合を含まないものをいう。
本発明に係る電解質膜には、これらのいずれか1種の電解質のみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
The complex formation step is a step of dissolving the solid polymer electrolyte and the cation molecule in a solvent to form an anion / cation complex.
In the present invention, the solid polymer electrolyte is not particularly limited, and may be either a fluorocarbon electrolyte or a hydrocarbon electrolyte.
Here, the “fluorocarbon electrolyte” refers to a perfluorinated electrolyte or a partially fluorinated electrolyte.
“Fully fluorinated electrolyte” means a polymer skeleton containing a C—F bond and no C—H bond. In the present invention, the term “perfluorinated electrolyte” refers to a structure other than the C—F bond (for example, —O—, —S—, —C (═O) —, —N (R) in the polymer skeleton. -Etc., provided that "R" is an alkyl group.)
The “partial fluorine-based electrolyte” refers to a polymer skeleton containing both C—F bonds and C—H bonds.
“Hydrocarbon-based electrolyte” means a polymer skeleton containing a C—H bond and no C—F bond.
The electrolyte membrane according to the present invention may contain only one of these electrolytes, or may contain two or more.

これらの中でも、固体高分子電解質は、芳香環及び複素環の少なくとも一方を有する重合体からなり、芳香環及び複素環のいずれか1以上ににプロトン酸基が結合しているものが好ましい。
このような固体高分子電解質としては、
(1) ポリアリーレン系重合体(例えば、ポリエーテル系、ポリケトン系、ポリスルホン系、ポリエーテルスルホン系、ポリエーテルエーテルスルホン系、ポリフェニレンオキシド系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリフェニレンスルホキシド系、ポリエーテルケトンケトン系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系)を含み、重合体に含まれる芳香環及び複素環のいずれか1以上にプロトン酸基が結合しているもの、
(2) ポリアゾール系重合体(例えば、ポリベンゾイミダゾール系、ポリベンゾチアゾール系、ポリベンゾオキサゾール系)を含み、重合体に含まれる芳香環及び複素環のいずれか1以上にプロトン酸基が結合しているもの、
が挙げられる。
また、プロトン酸基としては、スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸が挙げられ、これらの中でもスルホン酸が最も好ましい。
Among these, the solid polymer electrolyte is preferably composed of a polymer having at least one of an aromatic ring and a heterocyclic ring, and a protonic acid group bonded to at least one of the aromatic ring and the heterocyclic ring.
As such a solid polymer electrolyte,
(1) Polyarylene polymer (for example, polyether, polyketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenyleneoxide, polyphenylenesulfide, polyphenylenesulfoxide, polyetherketoneketone, A polyamide system, a polyimide system, a polyamideimide system), and a protonic acid group bonded to any one or more of an aromatic ring and a heterocyclic ring included in the polymer,
(2) Including a polyazole-based polymer (for example, polybenzimidazole-based, polybenzothiazole-based, polybenzoxazole-based), and a protonic acid group is bonded to at least one of an aromatic ring and a heterocyclic ring included in the polymer. What
Is mentioned.
Examples of the proton acid group include sulfonic acid, phosphonic acid, and carboxylic acid, and among these, sulfonic acid is most preferable.

ポリアリーレン系構造の繰り返し構成単位を含む重合体(ポリアリーレン系重合体)を含む固体高分子電解質は、具体的には、式(1)に示すものが好ましい。   Specifically, the solid polymer electrolyte containing a polymer (polyarylene polymer) containing a repeating structural unit having a polyarylene structure is preferably represented by the formula (1).

Figure 2007257896
Figure 2007257896

式(1)中、X1、X2、及びX3は、それぞれ、単結合、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などからなる。これらの基の内、フェニル基、ナフチル基が好ましい。また、ポリマーユニット全体の20〜100%のユニットに含まれるX1、X2、X3の1種以上には、プロトン酸基が結合している。
A、B及びCは、2価の単結合又は有機基を示す。具体的には、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)−、−C(CF2)2−、−(CH2)−、−C(CH2)2−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C−などが挙げられる。
nは、10〜10000の整数を示す。
In the formula (1), X 1 , X 2 , and X 3 are each composed of a single bond, a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, a phenanthyl group, and the like. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. In addition, a protonic acid group is bonded to one or more of X 1 , X 2 , and X 3 included in 20 to 100% of the entire polymer unit.
A, B and C each represent a divalent single bond or an organic group. Specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) —, —C (CF 2 ) 2 —, — (CH 2 ) —, — C (CH 2 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C— and the like can be mentioned.
n shows the integer of 10-10000.

ポリアゾール系構造の繰り返し構成単位を含む重合体(ポリアゾール系重合体)を含む固体高分子電解質は、具体的には、式(2)に示すものが好ましい。   Specifically, the solid polymer electrolyte containing a polymer (polyazole polymer) containing a repeating structural unit having a polyazole structure is preferably represented by the formula (2).

Figure 2007257896
Figure 2007257896

式(2)中、X4は、O、S、N原子のいずれかを表す。また、X5は、単結合、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基を表す。また、ポリマーユニット全体の20〜100%のユニットに含まれるX5又はベンズアゾール基中の芳香環及び/又は複素環には、プロトン酸基が結合している。 In formula (2), X 4 represents any of O, S, and N atoms. X 5 represents a single bond, a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, or a phenanthyl group. Further, the aromatic ring and / or heterocyclic ring X 5 or in benzazole group contained 20 to 100% of the units of the total polymer units, protonic acid group is bonded.

「カチオン分子」とは、固体高分子電解質に含まれるプロトン酸基のプロトンとイオン交換することによって、アニオン・カチオンコンプレックスを形成することができる化合物をいう。このようなカチオン分子としては、具体的には、アミン化合物、アンモニウム塩、イミダゾール誘導体、ピリジン誘導体、キノリン誘導体、ピリダジン誘導体、ピリミジン誘導体、ピラジン誘導体などがある。これらは、それぞれ単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。   “Cation molecule” refers to a compound capable of forming an anion / cation complex by ion exchange with protons of protonic acid groups contained in a solid polymer electrolyte. Specific examples of such cationic molecules include amine compounds, ammonium salts, imidazole derivatives, pyridine derivatives, quinoline derivatives, pyridazine derivatives, pyrimidine derivatives, and pyrazine derivatives. These may be used alone or in combination of two or more.

アミン化合物としては、具体的には、ブチルアミン、ヘキシルアミン、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ペンチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、フェニルアミンなどがある。
アンモニウム塩としては、具体的には、テトラブチルアンモニウムブロミド、テトラメチルアンモニウムクロリド、テトラエチルアンモニウムブロミド、テトラプロピルアンモニウムブロミド、テトラブチルアンモニウムブロミド、テトラペンチルアンモニウムブロミド、テトラヘプチルアンモニウムブロミド、テトラヘキシルアンモニウムブロミド、テトラオクチルアンモニウムブロミド、トリエチルヘキシルアンモニウムブロミド、トリエチルメチルアンモニウムブロミドなどがある。
イミダゾール誘導体としては、具体的には、イミダゾール、1−メチルイミダゾール、2−メチルイミダゾール、4−メチルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、1,2−ジメチルイミダゾールなどがある。
ピリジン誘導体としては、具体的には、ピリジン、2−エチルピリジン、3−エチルピリジン、4−エチルピリジン、1,2−ジメチルピリジンイオダイドなどがある。
キノリン誘導体としては、具体的には、キノリン、3−メチルキノリン、6−メチルキノリン、7−メチルキノリン、8−メチルキノリンなどがある。
ピリダジン誘導体としては、具体的には、ピリダジン、4−メチルピリダジンなどがある。
ピリミジン誘導体としては、具体的には、ピリミジン、4−メチルピリミジン、4,6−ジメチルピリジミンなどがある。
ピラジン誘導体としては、具体的には、ピラジン、2−メチルピラジン、エチルピラジン、2,3−ジメチルピラジン、2,5−ジメチルピラジン、2,6−ジメチルピラジンなどがある。
Specific examples of the amine compound include butylamine, hexylamine, methylamine, ethylamine, propylamine, pentylamine, dimethylamine, trimethylamine, diethylamine, triethylamine, and phenylamine.
Specific examples of ammonium salts include tetrabutylammonium bromide, tetramethylammonium chloride, tetraethylammonium bromide, tetrapropylammonium bromide, tetrabutylammonium bromide, tetrapentylammonium bromide, tetraheptylammonium bromide, tetrahexylammonium bromide, tetra Examples include octyl ammonium bromide, triethylhexyl ammonium bromide, and triethylmethyl ammonium bromide.
Specific examples of the imidazole derivative include imidazole, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, and 1,2-dimethylimidazole.
Specific examples of pyridine derivatives include pyridine, 2-ethylpyridine, 3-ethylpyridine, 4-ethylpyridine, and 1,2-dimethylpyridine iodide.
Specific examples of quinoline derivatives include quinoline, 3-methylquinoline, 6-methylquinoline, 7-methylquinoline, and 8-methylquinoline.
Specific examples of pyridazine derivatives include pyridazine and 4-methylpyridazine.
Specific examples of the pyrimidine derivative include pyrimidine, 4-methylpyrimidine, and 4,6-dimethylpyrimidine.
Specific examples of the pyrazine derivative include pyrazine, 2-methylpyrazine, ethylpyrazine, 2,3-dimethylpyrazine, 2,5-dimethylpyrazine, and 2,6-dimethylpyrazine.

溶媒は、固体高分子電解質及びカチオン分子の双方を溶解させることが可能なものであればよい。溶媒としては、具体的には、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチルピロリドン(NMP)、エタノール、メタノール、プロパノール、1,2−ジクロロエタン、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、O−ジクロロベンゼン、テトラヒドロフラン(THF)、メチルエチルケトン、ヘキサン、キシレン、トルエンなどがある。これらは、単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。また、溶媒への溶解手順は、特に限定されるものではなく、アニオン・カチオンコンプレックスが形成できる限り、いずれを先に溶解させても良い。   Any solvent may be used as long as it can dissolve both the solid polymer electrolyte and the cation molecule. Specific examples of the solvent include dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), ethanol, methanol, propanol, 1,2-dichloroethane, carbon tetrachloride. , Chloroform, dichloromethane, O-dichlorobenzene, tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone, hexane, xylene, toluene and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Further, the dissolution procedure in the solvent is not particularly limited, and any of them may be dissolved first as long as an anion / cation complex can be formed.

溶媒に溶解させる固体高分子電解質の量は、特に限定されるものではなく、固体高分子電解質の溶解度、作業性等を考慮して、任意に選択することができる。
カチオン分子の量は、固体高分子電解質中のプロトン酸基のすべてをアニオン・カチオンコンプレックスに変換できる量以上であればよい。一般に、カチオン分子の量が少なくなるほど、相対的に多量のプロトン酸基が残り、相対的に大きなアニオン・カチオンコンプレックスの会合体を得るのが困難となる。カチオン分子の量は、具体的には、すべてのプロトン酸基をアニオン・カチオンコンプレックスに変換できる量の50%以上が好ましく、さらに好ましくは、80%以上である。
一方、必要以上のカチオン分子の添加は、実益がない。従って、カチオン分子の量は、すべてのプロトン酸基をアニオン・カチオンコンプレックスに変換できる量の150%以下が好ましく、さらに好ましくは、120%以下である。
The amount of the solid polymer electrolyte dissolved in the solvent is not particularly limited, and can be arbitrarily selected in consideration of the solubility, workability, etc. of the solid polymer electrolyte.
The amount of the cation molecule may be any amount that can convert all of the protonic acid groups in the solid polymer electrolyte into an anion / cation complex. In general, the smaller the amount of cationic molecules, the more protonic acid groups remain, making it difficult to obtain a relatively large anion / cation complex association. Specifically, the amount of the cation molecule is preferably 50% or more, more preferably 80% or more of the amount capable of converting all the protonic acid groups into an anion / cation complex.
On the other hand, adding more cationic molecules than necessary has no real benefit. Accordingly, the amount of the cation molecule is preferably 150% or less, more preferably 120% or less of the amount capable of converting all proton acid groups into an anion / cation complex.

製膜工程は、コンプレックス形成工程で得られた溶液をキャスト製膜し、膜を得る工程である。製膜方法は、特に限定されるものではなく、周知の方法を用いることができる。溶液を適当な基材(例えば、ポリテトラフルオロエチレン基板、ガラスシャーレなど)表面にキャストし、溶媒を除去すると、アニオン・カチオンコンプレックスを含む電解質膜が得られる。   The film forming step is a step of casting the solution obtained in the complex forming step to obtain a film. The film forming method is not particularly limited, and a known method can be used. When the solution is cast on the surface of an appropriate substrate (for example, polytetrafluoroethylene substrate, glass petri dish, etc.) and the solvent is removed, an electrolyte membrane containing an anion / cation complex is obtained.

除去工程は、膜からカチオン分子の80%以上を除去する工程である。カチオン分子の除去は、得られた膜を酸水溶液に浸漬することにより行う。カチオン分子の除去に用いる酸としては、具体的には、塩酸、硝酸、硫酸などがある。酸水溶液中の酸濃度、浸漬時間等は、特に限定されるものではなく、効率よくカチオン分子を除去できる条件であればよい。
また、カチオン分子の分子量が大きい場合、酸水溶液で処理する前又はこれと同時に、膜を膨潤させる処理を施すのが好ましい。膜を若干、膨潤させた状態で酸処理を行うと、カチオン分子の除去を容易に行うことができる。このような処理としては、
(1) 酸水溶液による処理を相対的に高温(室温〜100℃)で行う方法、
(2) 酸水溶液にアルコール(例えば、エタノール)を添加する方法、
などがある。
The removing step is a step of removing 80% or more of the cation molecules from the membrane. The removal of the cation molecule is performed by immersing the obtained membrane in an acid aqueous solution. Specific examples of the acid used for removing the cation molecule include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid and the like. The acid concentration in the acid aqueous solution, the immersion time, and the like are not particularly limited as long as the cationic molecule can be efficiently removed.
Moreover, when the molecular weight of the cation molecule is large, it is preferable to perform a treatment for swelling the membrane before or simultaneously with the treatment with the acid aqueous solution. When the acid treatment is performed with the membrane slightly swollen, the cationic molecules can be easily removed. As such processing,
(1) A method of performing treatment with an aqueous acid solution at a relatively high temperature (room temperature to 100 ° C.),
(2) A method of adding an alcohol (for example, ethanol) to the acid aqueous solution,
and so on.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法について説明する。本実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜の製造方法は、コンプレックス形成工程と、架橋剤添加工程と、製膜工程と、除去工程とを備えている。また、本実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜は、本実施の形態に係る方法により得られたものからなる。   Next, a high proton conductive electrolyte membrane and a method for manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention will be described. The method for producing a high proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment includes a complex formation step, a crosslinking agent addition step, a membrane formation step, and a removal step. In addition, the high proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment is obtained by the method according to the present embodiment.

コンプレックス形成工程は、固体高分子電解質及びカチオン分子を溶媒に溶解させ、アニオン・カチオンコンプレックスを形成する工程である。コンプレックス形成工程の詳細は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   The complex forming step is a step of dissolving the solid polymer electrolyte and the cation molecule in a solvent to form an anion / cation complex. The details of the complex formation process are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

架橋剤添加工程は、コンプレックス形成工程で得られた溶液に、第1の架橋剤を添加する工程である。
ここで、「第1の架橋剤」とは、2箇所以上のカチオン部を持つ化合物をいう。第1の架橋剤としては、具体的には、次の式(3)で表されるものがある。これらは、それぞれ単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。なお、式(3)は、それぞれの繰り返し単位がランダム又はブロックで連結していることを示す。
The crosslinking agent adding step is a step of adding the first crosslinking agent to the solution obtained in the complex forming step.
Here, the “first crosslinking agent” refers to a compound having two or more cation moieties. Specific examples of the first crosslinking agent include those represented by the following formula (3). These may be used alone or in combination of two or more. In addition, Formula (3) shows that each repeating unit is connected with random or a block.

Figure 2007257896
Figure 2007257896

架橋剤の添加量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、架橋剤の添加量が多くなるほど、膜内部に形成された構造を強固に固定化することができる。一方、架橋剤の添加量が多くなりすぎると、プロトン酸基が架橋に消費されるので、プロトン伝導度が低下する。従って、架橋剤の添加量は、固体高分子電解質の種類、要求される特性等に応じて、最適な添加量を選択するのが好ましい。   The addition amount of a crosslinking agent is not specifically limited, It can select arbitrarily according to the objective. Generally, as the amount of the crosslinking agent added increases, the structure formed inside the film can be more firmly fixed. On the other hand, if the addition amount of the crosslinking agent is too large, protonic acid groups are consumed for crosslinking, so that proton conductivity decreases. Therefore, it is preferable to select the optimum addition amount of the crosslinking agent in accordance with the type of solid polymer electrolyte, required characteristics, and the like.

製膜工程は、架橋剤添加工程で得られた溶液をキャスト製膜し、膜を得る工程である。製膜工程は、第1の架橋剤を含む溶液を用いる点以外は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   The film forming step is a step of casting the solution obtained in the crosslinking agent adding step to obtain a film. Since the film forming process is the same as that of the first embodiment except that a solution containing the first cross-linking agent is used, the description thereof is omitted.

除去工程は、膜からカチオン分子の80%以上を除去する工程である。カチオン分子の除去は、得られた膜を酸水溶液に浸漬することにより行う。除去工程に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
但し、本除去工程においては、カチオン分子のみを選択的に除去して、第1の架橋剤を可能な限り除去しないことが重要である。第1の架橋剤の架橋機序は、アニオン・カチオンコンプレックスの形成機序と同様なので、酸浸漬により架橋剤分子自体が膜外へ流出する可能性がある。このような流出を避けるためには、カチオン分子・架橋剤の選択や酸への浸漬条件の最適化が必要である。
カチオン分子及び架橋剤の選択においては、カチオン分子として流出しやすいもの(分子量の小さいもの。例えば、テトラメチルアンモニウムクロリドなど。)、架橋剤としては流出しにくいもの(分子量の大きいもの。例えば、4,4’−ジ[トリメチルアンモニウムクロリド]ビフェニルなど。)等を選択するのがよい。
また、酸への浸漬条件としては、酸溶液(酸濃度、溶媒、温度)や浸漬時間を最適化することで、カチオン分子のみを選択的に除去できる。
第1の架橋剤を含む溶液をキャスト製膜し、カチオン分子のみを選択的に除去すると、固体高分子電解質のプロトン酸基と第1の架橋剤のカチオン部とがカチオン/アニオン相互作用を起こし、高分子鎖間に架橋(イオン架橋)が形成される。
The removing step is a step of removing 80% or more of the cation molecules from the membrane. The removal of the cation molecule is performed by immersing the obtained membrane in an acid aqueous solution. Other points regarding the removal step are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
However, in this removal step, it is important to selectively remove only the cationic molecules and not remove the first cross-linking agent as much as possible. Since the cross-linking mechanism of the first cross-linking agent is the same as the formation mechanism of the anion / cation complex, the cross-linking agent molecule itself may flow out of the membrane by acid immersion. In order to avoid such outflow, it is necessary to select a cationic molecule / crosslinking agent and to optimize the immersion conditions in acid.
In the selection of the cation molecule and the crosslinking agent, those that easily flow out as cationic molecules (small molecular weights, such as tetramethylammonium chloride), and those that do not easily flow out as crosslinking agents (large molecular weights, such as 4 , 4′-di [trimethylammonium chloride] biphenyl, etc.).
Moreover, as an immersion condition in an acid, only a cation molecule can be selectively removed by optimizing the acid solution (acid concentration, solvent, temperature) and the immersion time.
When a solution containing the first crosslinking agent is cast to form a film and only the cation molecules are selectively removed, the protonic acid group of the solid polymer electrolyte and the cation portion of the first crosslinking agent cause a cation / anion interaction. , Crosslinks (ionic crosslinks) are formed between the polymer chains.

次に、本発明の第3の実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法について説明する。本実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜の製造方法は、コンプレックス形成工程と、製膜工程と、除去工程と、架橋導入工程とを備えている。また、本実施の形態に係る高プロトン伝導性電解質膜は、本実施の形態に係る方法により得られたものからなる。これらの内、コンプレックス形成工程、製膜工程及び除去工程は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。   Next, a high proton conductive electrolyte membrane and a method for manufacturing the same according to a third embodiment of the present invention will be described. The method for producing a high proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment includes a complex formation step, a membrane formation step, a removal step, and a crosslinking introduction step. In addition, the high proton conductive electrolyte membrane according to the present embodiment is obtained by the method according to the present embodiment. Among these, the complex forming process, the film forming process, and the removing process are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

架橋導入工程は、カチオン分子を除去した後の膜中に第2の架橋剤を含浸させ、膜中に架橋構造を導入する工程である。
第2の架橋剤としては、具体的には、
(1) イオン架橋を導入可能な架橋剤(すなわち、第1の架橋剤と同種のもの)、
(2) 共有結合架橋(例えば、−SO2NHSO2−、−SO2NHCO−、−CONHCO−など)を導入可能な架橋剤、
などがある。
また、共有結合架橋を導入可能な架橋剤としては、具体的には、(4)〜(7)式で表されるものがある。これらの架橋剤は、それぞれ単独で用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
The cross-linking introduction step is a step of introducing a cross-linked structure into the film by impregnating the second cross-linking agent into the film after removing the cationic molecules.
Specifically, as the second crosslinking agent,
(1) a crosslinking agent capable of introducing ionic crosslinking (that is, the same kind as the first crosslinking agent),
(2) covalent cross-linking (e.g., -SO 2 NHSO 2 -, - SO 2 NHCO -, - CONHCO- etc.) can introduce crosslinking agent,
and so on.
Specific examples of the crosslinking agent capable of introducing covalent bond crosslinking include those represented by the formulas (4) to (7). These crosslinking agents may be used alone or in combination of two or more.

Figure 2007257896
Figure 2007257896

架橋構造の導入は、第2の架橋剤を含む溶液を膜中に含浸させ、第2の架橋剤と高分子鎖との間で架橋反応させることにより行う。反応条件は、第2の架橋剤の種類に応じて、最適な条件を選択する。
例えば、第2の架橋剤が、イオン架橋を導入可能な架橋剤である場合、カチオン分子を除去した膜に第2の架橋剤を含浸させるだけでよい。これにより、固体高分子電解質のプロトン酸基と第2の架橋剤のカチオン部とがカチオン/アニオン相互作用を起こし、高分子鎖間にイオン架橋が形成される。
また、例えば、第2の架橋剤がパーフルオロアルキルジスルホニルアミドであり、膜中に含まれるプロトン酸基がスルホン酸基である場合、予め膜を塩化チオニルに浸漬し、スルホン酸基(−SO3H)をスルホニルクロライド基(−SO2Cl)に変換する。次いで、この膜にパーフルオロアルキルジスルホニルアミド/トリエチルアミン溶液を含浸させると、膜中においてスルホニルクロライド基とスルホニルアミド基とが反応し、高分子鎖間に共有結合架橋(−SO2NHSO2−)が形成されるされる。
他の第2の架橋剤を用いる場合も同様であり、必要に応じて膜中のプロトン酸基を第2の架橋剤と反応可能な官能基に変換した後、膜中に第2の架橋剤を導入すれば良い。また、第2の架橋剤による架橋構造の導入は、単独で用いても良く、あるいは、第1の架橋剤による架橋構造の導入と組み合わせても良い。
The cross-linked structure is introduced by impregnating a solution containing the second cross-linking agent into the film and causing a cross-linking reaction between the second cross-linking agent and the polymer chain. As the reaction conditions, optimum conditions are selected according to the type of the second crosslinking agent.
For example, when the second crosslinking agent is a crosslinking agent capable of introducing ionic crosslinking, it is only necessary to impregnate the membrane from which the cation molecules have been removed with the second crosslinking agent. As a result, the proton acid group of the solid polymer electrolyte and the cation portion of the second cross-linking agent cause a cation / anion interaction, and an ionic cross-link is formed between the polymer chains.
Further, for example, when the second cross-linking agent is perfluoroalkyldisulfonylamide and the protonic acid group contained in the membrane is a sulfonic acid group, the membrane is previously immersed in thionyl chloride and the sulfonic acid group (—SO2 3 H) is converted to a sulfonyl chloride group (—SO 2 Cl). Next, when this membrane is impregnated with a perfluoroalkyldisulfonylamide / triethylamine solution, the sulfonyl chloride group and the sulfonylamide group react in the membrane, and covalent bond crosslinking (—SO 2 NHSO 2 —) occurs between the polymer chains. Is formed.
The same applies to the case of using another second cross-linking agent. If necessary, the proton acid group in the membrane is converted into a functional group capable of reacting with the second cross-linking agent, and then the second cross-linking agent is used in the membrane. Should be introduced. Moreover, the introduction of the crosslinked structure by the second crosslinking agent may be used alone or in combination with the introduction of the crosslinked structure by the first crosslinking agent.

次に、本発明に係る高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法の作用について説明する。キャスト法は、高分子電解質を含む溶液を基材に流延塗布し、溶媒を除去する方法であり、従来の標準的な高分子電解質膜の製造方法である。キャスト法により電解質膜を製膜すると、プロトン酸基が会合し、膜内にプロトン伝導パスが形成される。しかしながら、キャスト法により得られるプロトン伝導パスの大きさは、相対的に小さいので、この方法では、到達可能なプロトン伝導度に限界がある。   Next, the operation of the high proton conductive electrolyte membrane and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. The cast method is a method of casting a solution containing a polymer electrolyte on a substrate and removing the solvent, and is a conventional standard method for producing a polymer electrolyte membrane. When an electrolyte membrane is formed by the casting method, protonic acid groups associate to form a proton conduction path in the membrane. However, since the size of the proton conduction path obtained by the casting method is relatively small, this method has a limit in the reachable proton conductivity.

これに対し、固体高分子電解質及びカチオン分子を溶媒に溶解させると、プロトン酸基のプロトンとカチオン分子とがイオン交換し、アニオン・カチオンコンプレックスが形成される。次いで、アニオン・カチオンコンプレックスが導入された固体高分子電解質を含む溶液をキャスト製膜すると、図1(a)に示すように、高分子鎖12の末端に結合しているアニオン(プロトン酸基からプロトンがとれたもの)12aとカチオン分子14からなるアニオン・カチオンコンプレックスが会合すると考えられる。さらに、電解質膜10からカチオン分子14の80%以上を除去すると、図1(b)に示すように、電解質膜10内部にカチオン分子14とほぼ同等の大きさを有する連続孔10aが形成される。この連続孔10aは、プロトン伝導の際にプロトン伝導パスとして機能するものであるが、その大きさは、単に電解質をキャスト製膜する場合に比べて大きくなる。そのため、従来の方法に比べて、高いプロトン伝導度が得られる。
さらに、このような連続孔10aを有する膜中に架橋構造を導入すると、連続孔10aがより強固に固定される。そのため、膜が膨潤・収縮を繰り返しても、相対的に高いプロトン伝導度を維持することができる。
On the other hand, when the solid polymer electrolyte and the cation molecule are dissolved in the solvent, the proton of the proton acid group and the cation molecule are ion-exchanged to form an anion / cation complex. Next, when the solution containing the solid polymer electrolyte into which the anion / cation complex is introduced is cast into a film, as shown in FIG. 1A, the anion (from the proton acid group) bonded to the terminal of the polymer chain 12 is formed. It is considered that an anion / cation complex composed of 12a and a cation molecule 14 is associated. Further, when 80% or more of the cation molecules 14 are removed from the electrolyte membrane 10, as shown in FIG. 1B, a continuous hole 10 a having a size almost equal to that of the cation molecules 14 is formed inside the electrolyte membrane 10. . The continuous hole 10a functions as a proton conduction path in proton conduction, but its size is larger than that in the case of simply casting an electrolyte. Therefore, high proton conductivity can be obtained as compared with the conventional method.
Furthermore, when a crosslinked structure is introduced into a film having such continuous holes 10a, the continuous holes 10a are more firmly fixed. Therefore, even if the membrane repeatedly swells and contracts, a relatively high proton conductivity can be maintained.

本発明に係る方法は、キャスト法により製膜する場合において、高分子電解質を含む溶液にカチオン分子を溶解させるという簡便なものであり、しかも、これによって高いプロトン伝導度が得られるという特徴がある。また、キャスト法により製膜できるすべての電解質にも適用できる。さらに、製造条件を最適化すれば、単に電解質をキャスト製膜する場合に比べて、20%以上高いプロトン伝導度を有する電解質膜が得られる。   The method according to the present invention is a simple method in which cationic molecules are dissolved in a solution containing a polymer electrolyte in the case of forming a film by a casting method, and has a feature that high proton conductivity can be obtained thereby. . Moreover, it is applicable also to all the electrolytes which can be formed into a film by the casting method. Furthermore, if the manufacturing conditions are optimized, an electrolyte membrane having a proton conductivity higher by 20% or more than that obtained by simply casting the electrolyte into a membrane can be obtained.

(実施例1)
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)0.1108gをはかり取り、4mLのDMAcに溶解・攪拌した(溶液A)。この溶液Aにテトラブチルアンモニウムブロミド0.1019gを添加し、さらに攪拌した(溶液B)。φ48.5mmのシャーレに溶液Bを注ぎ、ドラフト内の水平台の上に乗せ、3日間室温下に放置した。概ねDMAcがなくなったところで、シャーレごと真空乾燥(60℃、2時間)した。
次に、余分なDMAcを除去するために、膜をシャーレから剥がし、1N塩酸で洗浄(ゆっくり攪拌しながら一晩。その後、新しい塩酸に替えて2時間攪拌)した。さらに、イオン交換水による洗浄(1時間ゆっくり攪拌×3回)を行い、真空乾燥(140℃、2時間)を行った。
次に、テトラブチルアンモニウムブロミドを除去するために、膜をEtOH/HCl混合溶液(EtOH/HCl=9/1)中で洗浄(40℃、ゆっくり攪拌、24時間)した。さらに、イオン交換水による洗浄(1時間ゆっくり攪拌×3回)を行い、真空乾燥(60℃、一晩)を行った。
(実施例2)
テトラブチルアンモニウムブロミドに代えて、ブチルアミンを用いた以外は、実施例1と同一の手順に従い、電解質膜を作製した。
(実施例3)
テトラブチルアンモニウムブロミドに代えて、ヘキシルアミンを用いた以外は、実施例1と同一の手順に従い、電解質膜を作製した。
Example 1
0.1108 g of sulfonated polyetheretherketone (S-PEEK) was weighed and dissolved and stirred in 4 mL of DMAc (solution A). To this solution A, 0.1019 g of tetrabutylammonium bromide was added and further stirred (solution B). Solution B was poured into a petri dish having a diameter of 48.5 mm, placed on a horizontal table in a draft, and left at room temperature for 3 days. When the DMAc was almost gone, the petri dish was vacuum dried (60 ° C., 2 hours).
Next, in order to remove excess DMAc, the membrane was peeled off from the petri dish and washed with 1N hydrochloric acid (overnight with slow stirring, then stirred for 2 hours instead of fresh hydrochloric acid). Furthermore, washing with ion-exchanged water (slow stirring for 1 hour × 3 times) was performed, followed by vacuum drying (140 ° C., 2 hours).
Next, in order to remove tetrabutylammonium bromide, the membrane was washed (40 ° C., slowly stirred, 24 hours) in EtOH / HCl mixed solution (EtOH / HCl = 9/1). Further, washing with ion-exchanged water (slow stirring for 1 hour × 3 times) was performed, followed by vacuum drying (60 ° C., overnight).
(Example 2)
An electrolyte membrane was prepared according to the same procedure as in Example 1 except that butylamine was used instead of tetrabutylammonium bromide.
(Example 3)
An electrolyte membrane was prepared according to the same procedure as in Example 1 except that hexylamine was used instead of tetrabutylammonium bromide.

(実施例4)
実施例1の方法により得た膜を五塩化りん/塩化チオニル(4vol./1vol.)中に室温で一晩浸漬し、膜中のスルホン酸基をスルホニルクロライド基へと変換した。次に、膜をパーフルオロプロパンジスルホニルアミド(0.78mg)/トリエチルアミン(1ml)/THF(100ml)中に50℃で一晩浸漬し、高分子鎖間にスルホンイミド基を介した架橋を形成した膜を得た。次に、1N塩酸中で膜を洗浄(室温、3時間×3回)、さらにイオン交換水による洗浄(室温、1時間×3回)、真空乾燥(60℃、一晩)を行い、架橋導入電解質膜を得た。
(比較例1)
S−PEEKのみからなる電解質膜を試験に供した。
Example 4
The membrane obtained by the method of Example 1 was immersed in phosphorus pentachloride / thionyl chloride (4 vol./1 vol.) Overnight at room temperature to convert sulfonic acid groups in the membrane to sulfonyl chloride groups. Next, the membrane was immersed in perfluoropropanedisulfonylamide (0.78 mg) / triethylamine (1 ml) / THF (100 ml) overnight at 50 ° C. to form a bridge via a sulfonimide group between the polymer chains. A film was obtained. Next, the membrane was washed in 1N hydrochloric acid (room temperature, 3 hours x 3 times), further washed with ion-exchanged water (room temperature, 1 hour x 3 times), and vacuum-dried (60 ° C, overnight) to introduce crosslinking. An electrolyte membrane was obtained.
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane consisting only of S-PEEK was used for the test.

実施例1〜4及び比較例1で得られた膜について、当量重量(EW:Equivalent Weight)、含水率、及び、電気伝導度を測定した。表1に、その結果を示す。表1より、実施例1〜4で得られた膜の当量重量は、比較例1とほぼ同等であるのに対し、含水率及び電気伝導度は、いずれも比較例1より向上していることがわかる。これは、キャスト製膜時に溶液中にテトラアンモニウムブロミド等のカチオン分子を添加し、製膜後に膜からカチオン分子を除去しているので、膜中に相対的に大きなプロトン伝導パスが形成されたためと考えられる。   About the film | membrane obtained in Examples 1-4 and the comparative example 1, the equivalent weight (EW: Equivalent Weight), the moisture content, and the electrical conductivity were measured. Table 1 shows the results. From Table 1, the equivalent weights of the membranes obtained in Examples 1 to 4 are almost the same as in Comparative Example 1, whereas the water content and electrical conductivity are both improved from Comparative Example 1. I understand. This is because cation molecules such as tetraammonium bromide were added to the solution during casting, and the cation molecules were removed from the membrane after film formation, so a relatively large proton conduction path was formed in the membrane. Conceivable.

Figure 2007257896
Figure 2007257896

次に、実施例1、4及び比較例1で得られた膜について、煮沸/乾燥サイクル試験を行った。煮沸/乾燥は、膜の水煮沸(1時間)と真空乾燥(60℃、3時間)を1サイクルとして、10サイクル実施した。サイクル試験後のプロトン伝導度(水中、25℃)を試験前と比較し、膨潤・乾燥を繰り返すことによるプロトン伝導度への影響を調べた。表2に、その結果を示す。実施例1では、試験による膨潤・乾燥が繰り返されると、形成されていた構造が壊れることによるプロトン伝導度の低下が生じたが、実施例4では、低下は生じなかった。   Next, the membranes obtained in Examples 1 and 4 and Comparative Example 1 were subjected to a boiling / drying cycle test. Boiling / drying was performed 10 cycles, with one cycle consisting of boiling the membrane with water (1 hour) and vacuum drying (60 ° C., 3 hours). The proton conductivity (25 ° C. in water) after the cycle test was compared with that before the test, and the influence on proton conductivity due to repeated swelling and drying was investigated. Table 2 shows the results. In Example 1, when the swelling / drying by the test was repeated, the proton conductivity was lowered due to the breakage of the formed structure, but in Example 4, no decrease was caused.

Figure 2007257896
Figure 2007257896

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る高プロトン伝導性電解質膜及びその製造方法は、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜及びその製造方法として使用することができる。   A high proton conductive electrolyte membrane and a method for producing the same according to the present invention include a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used as an electrolyte membrane used for various electrochemical devices such as the above and a method for producing the same.

図1(a)は、アニオン・カチオンコンプレックスを有する電解質膜の製膜直後の断面模式図であり、図1(b)は、カチオン分子を除去した後の電解質膜の断面模式図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view immediately after formation of an electrolyte membrane having an anion / cation complex, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the electrolyte membrane after removal of cationic molecules.

符号の説明Explanation of symbols

10 固体高分子電解質膜
12 高分子鎖
12a アニオン
14 カチオン
10 solid polymer electrolyte membrane 12 polymer chain 12a anion 14 cation

Claims (7)

固体高分子電解質及びカチオン分子を溶媒に溶解させ、アニオン・カチオンコンプレックスを形成するコンプレックス形成工程と、
前記コンプレックス形成工程で得られた溶液をキャスト製膜し、膜を得る製膜工程と、
前記膜から前記カチオン分子の80%以上を除去する除去工程と
を備えた高プロトン伝導性電解質膜の製造方法。
A complex forming step of dissolving a solid polymer electrolyte and a cation molecule in a solvent to form an anion / cation complex;
Casting the solution obtained in the complex formation step into a film, and forming a film; and
And a removal step of removing 80% or more of the cationic molecules from the membrane.
前記固体高分子電解質は、ポリアリーレン系又はポリアゾール系の重合体を含み、前記重合体に含まれる芳香環及び複素環のいずれか1以上にプロトン酸基が導入されたものである請求項1に記載の高プロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The solid polymer electrolyte includes a polyarylene-based or polyazole-based polymer, and a protonic acid group is introduced into any one or more of an aromatic ring and a heterocyclic ring included in the polymer. A method for producing the high proton conductive electrolyte membrane as described. 前記カチオン分子は、アミン化合物、アンモニウム塩、イミダゾール誘導体、ピリジン誘導体、キノリン誘導体、ピリダジン誘導体、ピリミジン誘導体、及び、ピラジン誘導体から選ばれるいずれか1以上である請求項1又は2に記載の高プロトン伝導性電解質膜の製造方法。   3. The high proton conductivity according to claim 1, wherein the cationic molecule is at least one selected from an amine compound, an ammonium salt, an imidazole derivative, a pyridine derivative, a quinoline derivative, a pyridazine derivative, a pyrimidine derivative, and a pyrazine derivative. For producing a conductive electrolyte membrane. 前記コンプレックス形成工程は、前記固体高分子電解質に含まれるすべてのプロトン酸基をアニオン・カチオンコンプレックスに変換することができる量の50%以上150%以下の前記カチオン分子を前記溶媒に溶解させるものである請求項1から3までのいずれかに記載の高プロトン伝導性電解質膜の製造方法。   In the complex formation step, 50% or more and 150% or less of the cation molecules in an amount capable of converting all protonic acid groups contained in the solid polymer electrolyte into an anion / cation complex are dissolved in the solvent. The method for producing a high proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3. 前記製膜工程の前に、前記コンプレックス形成工程で得られた溶液に、2箇所以上のカチオン部を持つ第1の架橋剤を添加する架橋剤添加工程をさらに備えた請求項1から4までのいずれかのいずれかに記載の高プロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The cross-linking agent adding step of adding a first cross-linking agent having two or more cation moieties to the solution obtained in the complex forming step before the film forming step is further provided. The manufacturing method of the high proton conductive electrolyte membrane in any one. 前記除去工程の後に、前記膜中に第2の架橋剤を含浸させ、前記膜中に架橋構造を導入する架橋導入工程をさらに備えた請求項1から5までのいずれかに記載の高プロトン伝導性電解質膜の製造方法。   The high proton conduction according to any one of claims 1 to 5, further comprising a cross-linking introduction step of impregnating the second cross-linking agent into the membrane and introducing a cross-linking structure into the membrane after the removing step. For producing a conductive electrolyte membrane. 請求項1から6までのいずれかに記載の方法により得られる高プロトン伝導性電解質膜。
A high proton conductive electrolyte membrane obtained by the method according to claim 1.
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