JP2007287675A - Membrane electrode assembly and fuel cell - Google Patents

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JP2007287675A JP2007073204A JP2007073204A JP2007287675A JP 2007287675 A JP2007287675 A JP 2007287675A JP 2007073204 A JP2007073204 A JP 2007073204A JP 2007073204 A JP2007073204 A JP 2007073204A JP 2007287675 A JP2007287675 A JP 2007287675A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly having a stable joining state, hardly peeling off the joining part between a membrane and an electrode in cycles of low humidity-high humidity to be especially supposed in the fuel cell, and expected to be long life. <P>SOLUTION: In the membrane electrode assembly formed by heating and/or pressing at least an electrolyte membrane and an electrode membrane, the electrolyte membrane contains a sulfonated aromatic polymer in which at least one sulfonate part is bonded to an aromatic ring of the aromatic polymer, and heating and/or pressing are/or conducted in a state that a solvent, which becomes a good solvent of the sulfonated aromatic polymer, is contained in at least one membrane of the electrolyte membrane and the electrode membrane in a range of 0.1-20 wt.% of each membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料として純水素、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタノールまたは化石燃料からの改質水素などを直接用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関するものであり、特に固体高分子型燃料電池において用いられる膜電極接合体および燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that uses pure hydrogen, methanol, ethanol, dimethyl ether, methanol or reformed hydrogen from fossil fuel as a fuel, and uses air or oxygen as an oxidant, and in particular, a solid polymer fuel The present invention relates to a membrane electrode assembly and a fuel cell used in a battery.

燃料電池用材料として特許文献1および非特許文献1においては耐熱性を有する非活性化芳香環上にスルホネート部分を含有するスルホン化芳香族系高分子が開示されている。また、特許文献2には上記のような燃料電池用材料を用いた燃料電池用電極が開示されている。一般的に燃料電池では、電解質膜の両面に電極膜(電極層)が設けられる。従来、電極膜と電解質膜とを一体形成するには、予め触媒を担持したカーボンを調製し、前記電解質膜と同じ種類のまたは異なった種類の電解質をバインダーとして作製した触媒ペーストを支持体上に塗布して熱処理した電極層を形成し、電解質膜を2枚の電極層で挟み加圧下でホットプレス法等により成形して、アノード電極/電解質層/カソード電極の三層接合を行っていた。   As fuel cell materials, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose sulfonated aromatic polymers containing a sulfonate moiety on a heat-activated non-activated aromatic ring. Patent Document 2 discloses a fuel cell electrode using the fuel cell material as described above. In general, in a fuel cell, electrode membranes (electrode layers) are provided on both surfaces of an electrolyte membrane. Conventionally, in order to integrally form an electrode membrane and an electrolyte membrane, a catalyst paste prepared by previously preparing carbon carrying a catalyst and using the same type of electrolyte as the electrolyte membrane or a different type of electrolyte as a binder is formed on a support. An electrode layer was formed by coating and heat treatment, and the electrolyte membrane was sandwiched between two electrode layers and molded by hot pressing or the like under pressure to perform a three-layer junction of anode electrode / electrolyte layer / cathode electrode.

しかし、このような三層接合方法では、近年需要が高まっている上記のような高耐熱性の電解質膜では、高硬度かつ熱可塑性が不十分であり、接合状態が不安定で、特に燃料電池で想定される低湿−高湿のサイクルでは膜−電極の接合部が剥離しやすく、燃料電池としての長寿命が期待できないという問題があった。   However, in such a three-layer joining method, the high heat-resistant electrolyte membrane as described above, which has been increasing in demand in recent years, has insufficient hardness and thermoplasticity, and the joining state is unstable. In the low-humidity-high-humidity cycle assumed in Fig. 1, there is a problem that the membrane-electrode junction is easily peeled off and a long life as a fuel cell cannot be expected.

特表2004−509224号公報JP-T-2004-509224 国際公開WO03/082956A1号パンフレットInternational Publication WO03 / 082956A1 Pamphlet PolymerPreprints(2000),41(1),237PolymerPreprints (2000), 41 (1), 237

本発明は、上記課題を解決することを目的とするものであって、接合状態が安定であり、特に燃料電池で想定される低湿−高湿のサイクルで膜−電極の接合部が剥離しにくく、燃料電池としての長寿命が期待できる膜電極接合体を提供することを目的とする。さらに、該膜電極接合体を用いた燃料電池を提供する。   The present invention aims to solve the above-described problems, and the bonding state is stable, and the membrane-electrode junction is difficult to peel off particularly in a low-humidity-high humidity cycle assumed in a fuel cell. An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly that can be expected to have a long life as a fuel cell. Furthermore, a fuel cell using the membrane electrode assembly is provided.

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、下記手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。
(1)少なくとも、電解質膜と電極膜とを加熱および/または加圧してなる膜電極接合体であって、前記電解質膜が、少なくとも1個のスルホネート部分が結合したスルホン化芳香族系高分子を含み、さらに、前記加熱および/または加圧は、前記電解質膜および電極膜の少なくとも一方に、各々の膜の重量の0.1〜20重量%の範囲で、前記スルホン化芳香族系高分子の良溶媒となる溶媒が含まれている状態で行われるものである膜電極接合体。
(2)前記良溶媒がアミド系溶媒、または、スルホキシド系溶媒である、(1)に記載の膜電極接合体。
(3)前記スルホン化芳香族系高分子は、スルホン化ポリスルホンであり、該ポリスルホンのスルホン官能基に隣接した非活性化芳香環に前記スルホネート部分が設けられている、(1)または(2)に記載の膜電極接合体。
(4)前記スルホン化芳香族系高分子が、下記式(1)で表される繰り返し単位またはその塩を含む、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
式(1)

Figure 2007287675
(式(1)中、mおよびnはそれぞれ正の整数であり、n/n+mは0.001〜1の範囲であり、Yはそれぞれ−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C65)−およびそれらの組合せからなる群から選択され、Zは単結合、−C(CH32−、−C(CF32−、−C(CF3)(C65)−、−C(O)−、−S(O)2−および−P(O)(C65)−からなる群から選択され、Aはスルホネート基および式(II)で表される基から選択される。)
式(II)
Figure 2007287675
(式(II)中、B1およびB2は、それぞれ、連結基を表し、Xはイオウ原子を含む基を表し、Mはカチオンを表し、m1は1以上の整数を表す。)
(5)前記式(1)において、n/(n+m)は0.1〜0.8の範囲であり、Yは−SO2−または−CO−であり、Zは単結合または−C(CF32−である、(4)に記載の膜電極接合体。
(6)前記スルホネート部分が、プロトン型、ナトリウム型またはカリウム型である、(1)〜(5)のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
(7)前記電極膜の少なくとも一方が、触媒金属の微粒子を含む炭素材からなる導電材料とバインダーとを含み、かつ、該バインダーが、前記式(1)で表される繰り返し単位を含み、前記バインダーに、体積平均粒子サイズが1nm〜200nmであるイオン性ポリマー粒子を含む分散液を用いることを特徴とする、(4)〜(6)のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
(8)(1)〜(7)のいずれか1項に記載の膜電極接合体を含む燃料電池。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following means, and have reached the present invention.
(1) A membrane electrode assembly formed by heating and / or pressurizing at least an electrolyte membrane and an electrode membrane, wherein the electrolyte membrane comprises a sulfonated aromatic polymer to which at least one sulfonate moiety is bonded. In addition, the heating and / or pressurization may be performed on at least one of the electrolyte membrane and the electrode membrane within the range of 0.1 to 20% by weight of the weight of each membrane of the sulfonated aromatic polymer. A membrane electrode assembly, which is performed in a state where a solvent that is a good solvent is contained.
(2) The membrane electrode assembly according to (1), wherein the good solvent is an amide solvent or a sulfoxide solvent.
(3) The sulfonated aromatic polymer is a sulfonated polysulfone, and the sulfonate moiety is provided on a non-activated aromatic ring adjacent to the sulfone functional group of the polysulfone, (1) or (2) 2. The membrane electrode assembly according to 1.
(4) The membrane electrode assembly according to any one of (1) to (3), wherein the sulfonated aromatic polymer includes a repeating unit represented by the following formula (1) or a salt thereof.
Formula (1)
Figure 2007287675
(In the formula (1), m and n are each a positive integer, n / n + m is in the range of 0.001-1, and Y is -S-, -S (O)-, -S (O ) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —, and combinations thereof, Z is a single bond, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) (C 6 H 5 ) —, —C (O) —, —S (O) 2 — and —P (O) (C 6 H 5 ) — Selected from the group, A is selected from a sulfonate group and a group of formula (II).)
Formula (II)
Figure 2007287675
(In formula (II), B 1 and B 2 each represent a linking group, X represents a group containing a sulfur atom, M represents a cation, and m1 represents an integer of 1 or more.)
(5) In the formula (1), n / (n + m) is in the range of 0.1 to 0.8, Y is —SO 2 — or —CO—, and Z is a single bond or —C (CF 3 ) The membrane electrode assembly according to (4), which is 2- .
(6) The membrane electrode assembly according to any one of (1) to (5), wherein the sulfonate moiety is a proton type, a sodium type, or a potassium type.
(7) At least one of the electrode films includes a conductive material made of a carbon material containing fine particles of a catalytic metal and a binder, and the binder includes a repeating unit represented by the formula (1), The membrane electrode assembly according to any one of (4) to (6), wherein a dispersion liquid containing ionic polymer particles having a volume average particle size of 1 nm to 200 nm is used as a binder.
(8) A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to any one of (1) to (7).

本発明の膜電極接合体は、接合状態が安定であり、特に燃料電池で想定される低湿−高湿のサイクルで膜−電極の接合部が剥離しにくい膜電極接合体が得られる。さらに、このような膜電極接合体は、燃料電池としての長寿命が期待できる。   The membrane electrode assembly of the present invention is stable in the joined state, and in particular, a membrane electrode assembly in which the membrane-electrode junction is difficult to peel off in a low-humidity-high humidity cycle assumed in a fuel cell can be obtained. Further, such a membrane electrode assembly can be expected to have a long life as a fuel cell.

以下において、本発明の内容について詳細に説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。   Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. In the present specification, “to” is used to mean that the numerical values described before and after it are included as a lower limit value and an upper limit value.

本発明の膜電極接合体はイオン、特にプロトンを伝導する機能を持つ電解質膜を、触媒粒子、カーボン材料およびプロトン伝導能を持つバインダーからなる2枚の電解膜で挟持した構造を持つ。具体的には、本発明の膜電極接合体は、少なくとも、電解質膜と電極膜とを加熱および/または加圧してなる膜電極接合体であって、電解質膜が、少なくとも1個のスルホネート部分が結合したスルホン化芳香族系高分子を含み、さらに、加熱および/または加圧は、スルホン化芳香族系高分子の良溶媒となる溶媒が、電解質膜および電極膜の少なくとも一方に、各々の膜の重量の0.1〜20重量%の範囲で含まれている状態で行われるものである膜電極接合体である。
本発明の膜電極接合体は、電解質膜に対し、電極膜(電極層)を積層させた後接合させて得られうるものであり、特に、2枚の電極膜を対向、積層させ、接合させて得られるものである。
The membrane electrode assembly of the present invention has a structure in which an electrolyte membrane having a function of conducting ions, particularly protons, is sandwiched between two electrolyte membranes made of catalyst particles, a carbon material, and a binder having proton conductivity. Specifically, the membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly formed by heating and / or pressurizing at least an electrolyte membrane and an electrode membrane, and the electrolyte membrane has at least one sulfonate moiety. In addition, the heating and / or pressurization includes a bonded sulfonated aromatic polymer, and a solvent which is a good solvent for the sulfonated aromatic polymer is added to at least one of the electrolyte membrane and the electrode membrane. It is a membrane electrode assembly which is performed in a state where it is contained in a range of 0.1 to 20% by weight.
The membrane / electrode assembly of the present invention can be obtained by laminating an electrode film (electrode layer) on an electrolyte membrane and then joining them. In particular, two electrode films are opposed, laminated, and joined. Is obtained.

(良溶媒)
本発明における良溶媒はスルホン化芳香族系高分子の良溶媒となる溶媒であれば良く、以下から選択することができる、
(Good solvent)
The good solvent in the present invention may be any solvent that is a good solvent for the sulfonated aromatic polymer, and can be selected from the following:

1)プロティック溶媒。
プロティック溶媒とは解離性の水素原子を持つ溶媒である。具体的にはメタノール、エタノール、2−プロパノール、1−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、アセトアミド、水である。
2)アミド系溶媒。
アミド系溶媒とは分子中にアミド構造(−CO−NR―)を含む溶媒である。ここでRは水素原子もしくは置換基を表す。具体的にはN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルカプロラクタム、ヘキサメチルホスホロトリアミド、テトラメチル尿素等である。
3)アミン系溶媒
アミン系溶媒とは分子中に塩基性性窒素原子を含む溶媒である。具体的にはピリジン、キノリン、イソキノリン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、イソホロン、ピペリジン、2,4−ルチジン、2,6−ルチジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミンンである。
4)エステル系溶媒
エステル系溶媒とは分子中にエステル構造(−COO−)を含む溶媒である。具体的には酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチルである。
5)ニトリル系溶媒
エステル系溶媒とは分子中にシアノ基を含む溶媒である。具体的にはアセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリルである。
6)スルホキシド系溶媒
スルホキシド系溶媒とは分子中にスルホキシド構造(−SO−)もしくはスルホン構造(−SO2−)を含む溶媒である。具体的にはジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、スルホランである。
7)エーテル系溶媒
エーテル系溶媒とは分子中にエーテル構造(−O−)を含む溶媒である。具体的にはジフェニルエーテル、アニソールである。
1) Protic solvent.
A protic solvent is a solvent having a dissociative hydrogen atom. Specifically, methanol, ethanol, 2-propanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-butanol, acetamide, and water.
2) Amide solvent.
An amide solvent is a solvent containing an amide structure (—CO—NR—) in the molecule. Here, R represents a hydrogen atom or a substituent. Specifically, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N-methylcaprolactam, Hexamethyl phosphorotriamide, tetramethyl urea and the like.
3) Amine-based solvent An amine-based solvent is a solvent containing a basic nitrogen atom in the molecule. Specifically, pyridine, quinoline, isoquinoline, α-picoline, β-picoline, γ-picoline, isophorone, piperidine, 2,4-lutidine, 2,6-lutidine, trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine is there.
4) Ester solvent The ester solvent is a solvent containing an ester structure (—COO—) in the molecule. Specifically, ethyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, and butyl acetate.
5) Nitrile solvent ester solvent is a solvent containing a cyano group in the molecule. Specific examples include acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, and benzonitrile.
6) Sulfoxide solvent The sulfoxide solvent is a solvent containing a sulfoxide structure (—SO—) or a sulfone structure (—SO 2 —) in the molecule. Specifically, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, and sulfolane.
7) Ether solvent The ether solvent is a solvent containing an ether structure (-O-) in the molecule. Specifically, diphenyl ether and anisole.

上記の良溶媒中、上記2)アミド系溶媒、または、6)スルホキシド系溶媒が好ましく、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホランがより好ましい。これらの中で、含水量が2%に満たないものは特に好ましい。   Among the above good solvents, the above 2) amide solvents or 6) sulfoxide solvents are preferred, and N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane are preferred. More preferred. Of these, those having a water content of less than 2% are particularly preferred.

これらの良溶媒は、2種以上混合して用いてもよい。混合して用いる場合は、任意の割合で相互に溶解するような溶媒の組み合わせが好ましい。   These good solvents may be used as a mixture of two or more. When mixed and used, a combination of solvents that are mutually soluble in an arbitrary ratio is preferable.

これらの良溶媒は、電解質膜および電極膜の少なくとも一つに、各々の膜の重量の合計の0.1〜20重量%の範囲で含まれている状態で加熱および/または加圧が行われるが、良溶媒は、0.5〜10重量%の範囲で含まれていることが好ましく、1〜5重量%の範囲で含まれていることがさらに好ましい。電解質膜と電極膜の良溶媒含量は、それぞれ、異なっていても良く、片方のみに含ませることが生産性の観点から好ましい。   These good solvents are heated and / or pressurized in a state where they are contained in at least one of the electrolyte membrane and the electrode membrane in a range of 0.1 to 20% by weight of the total weight of each membrane. However, the good solvent is preferably contained in the range of 0.5 to 10% by weight, and more preferably in the range of 1 to 5% by weight. The good solvent contents of the electrolyte membrane and the electrode membrane may be different from each other, and it is preferable to include them in only one of them from the viewpoint of productivity.

電解質膜および/または電極膜に良溶媒を含ませる方法は、電解質膜および/または電極膜の製造工程において乾燥度合いを調整することによって行ってもよく、また、噴霧、塗布等の方法によって、後で含ませても良い。後で含ませる場合の溶媒含量の範囲は前述したとおりである。   The method of including a good solvent in the electrolyte membrane and / or electrode membrane may be performed by adjusting the degree of drying in the manufacturing process of the electrolyte membrane and / or electrode membrane, and may be performed later by a method such as spraying or coating. It may be included. The range of the solvent content when it is included later is as described above.

(電解質膜)
本発明で用いる電解質膜は、少なくとも1個のスルホネート部分を有するスルホン化芳香族系高分子を含む。ここで、スルホン化芳香族系高分子は、スルホン化ポリスルホンであることが好ましい。さらに、スルホネート部分は、スルホン化ポリスルホンが有する芳香環であって、スルホン官能基に隣接した非活性化芳香環に設けられていることが好ましい。
本明細書における、ポリスルホンとは、芳香族化合物(フェニレン、ナフチレン、ヘテリレン等)が、2価の電子吸引性基(−SO2−、−SO−、−CO−、−PO(C65)−等)と2価の電子供与性基(−O−、−S−等)によって連結されてなる高分子であり、繰り返し単位中に少なくとも1つの−SO2−と、少なくとも1つの−O−を含むものが好ましい。スルホネート部分はプロトン型(スルホン酸)または塩型(アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等)のいずれであってもよい。
本発明における非活性化芳香環は、電子吸引性基である置換基を有する芳香環である。
ここで、電子吸引性基としては、特に定めるものではないが、ハロゲン原子(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素)、ニトロ基、スルホン(−SO2−)基、スルホキシド基(−SO−)、ケト基、ホスホノ基が挙げられ、スルホン基が特に好ましい。これらの電子吸引性基のほかに電子供与性基(アルキル基、酸素原子、硫黄原子)が置換していてもよい。芳香環としてはフェニレン基、ナフチレン基、ヘテリレン基が好ましく、特に1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基が好ましい。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane used in the present invention includes a sulfonated aromatic polymer having at least one sulfonate moiety. Here, the sulfonated aromatic polymer is preferably a sulfonated polysulfone. Furthermore, it is preferable that the sulfonate part is provided on the non-activated aromatic ring adjacent to the sulfone functional group, which is an aromatic ring of the sulfonated polysulfone.
In the present specification, polysulfone means an aromatic compound (phenylene, naphthylene, heterylene, etc.) is a divalent electron-withdrawing group (—SO 2 —, —SO—, —CO—, —PO (C 6 H 5 )-And the like) and a divalent electron-donating group (—O—, —S—, etc.), and is a polymer having at least one —SO 2 — and at least one —O in the repeating unit. Those containing-are preferred. The sulfonate moiety may be either proton type (sulfonic acid) or salt type (alkali metal salt, alkaline earth metal salt, etc.).
The non-activated aromatic ring in the present invention is an aromatic ring having a substituent that is an electron-withdrawing group.
Here, the electron-withdrawing group is not particularly defined, but a halogen atom (fluorine, chlorine, bromine, iodine), nitro group, sulfone (—SO 2 —) group, sulfoxide group (—SO—), keto Group and phosphono group, and a sulfone group is particularly preferable. In addition to these electron-withdrawing groups, an electron-donating group (alkyl group, oxygen atom, sulfur atom) may be substituted. As the aromatic ring, a phenylene group, a naphthylene group, and a heterylene group are preferable, and a 1,3-phenylene group and a 1,4-phenylene group are particularly preferable.

本明細書中で使用する「スルホネート」または「スルホン化」は、スルホネート基、あるいはスルホ基すなわち、SO3 -を意味し、これは、酸形態(−SO3H、スルホン酸)または塩形態(−SO3Na等)のいずれかである。この塩形態のカチオンは、1価もしくは2価のカチオンが好ましく、1価のカチオンがさらに好ましい。アルカリ金属類(リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム)、アルカリ土類金属類(カルシウム、マグネシウム等)または他の金属、無機カチオンまたは有機カチオン(アンモニウム等)等が例示される。特に、リチウム、ナトリウム、カリウム塩が好ましく、ナトリウム塩、カリウム塩である物が特に好ましい。これらのカチオンおよびプロトンの群から複数の物を採用してもよい。
また、原料あるいは合成、製膜の過程で混入したアニオン類(臭化物イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン等)が含まれていてもよい。
As used herein, “sulfonate” or “sulfonated” means a sulfonate group, or a sulfo group, ie, SO 3 , which is in the acid form (—SO 3 H, sulfonic acid) or salt form ( is either -SO 3 Na, etc.). The salt form cation is preferably a monovalent or divalent cation, more preferably a monovalent cation. Examples include alkali metals (lithium, sodium, potassium, cesium), alkaline earth metals (calcium, magnesium, etc.) or other metals, inorganic cations or organic cations (ammonium, etc.). In particular, lithium, sodium, and potassium salts are preferable, and sodium salts and potassium salts are particularly preferable. You may employ | adopt a several thing from the group of these cations and protons.
In addition, anions (bromide ions, chloride ions, sulfate ions, nitrate ions, etc.) mixed in the raw material or in the process of synthesis and film formation may be included.

さらに、「重合体」との用語は、使用するとき、広義に使用され、単独重合体、ランダム共重合体およびブロック共重合体を含む。   Further, the term “polymer”, when used, is used broadly and includes homopolymers, random copolymers and block copolymers.

本発明で用いるスルホン化芳香族系高分子は、式(1)で表される繰り返し単位またはその塩を含むことが好ましい:   The sulfonated aromatic polymer used in the present invention preferably contains a repeating unit represented by the formula (1) or a salt thereof:

式(1)

Figure 2007287675
(式(1)中、mおよびnはそれぞれ正の整数であり、n/n+mは0.001〜1の範囲であり、Yはそれぞれ−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C65)−およびそれらの組合せからなる群から選択され、Zは単結合、−C(CH32−、−C(CF32−、−C(CF3)(C65)−、−C(O)−、−S(O)2−および−P(O)(C65)−からなる群から選択され、Aはスルホネート基および式(II)で表される基から選択される。)
式(II)
Figure 2007287675
(式(II)中、B1およびB2は、それぞれ、連結基を表し、Xはイオウ原子を含む基を表し、Mはカチオンを表し、m1は1以上の整数を表す。) Formula (1)
Figure 2007287675
(In the formula (1), m and n are each a positive integer, n / n + m is in the range of 0.001-1, and Y is -S-, -S (O)-, -S (O ) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —, and combinations thereof, Z is a single bond, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) (C 6 H 5 ) —, —C (O) —, —S (O) 2 — and —P (O) (C 6 H 5 ) — Selected from the group, A is selected from a sulfonate group and a group of formula (II).)
Formula (II)
Figure 2007287675
(In formula (II), B 1 and B 2 each represent a linking group, X represents a group containing a sulfur atom, M represents a cation, and m1 represents an integer of 1 or more.)

n/(n+m)は、0.1〜0.8が好ましく、0.3〜0.7がより好ましい。Yは、それぞれ、−SO2−または−CO−が好ましく、−SO2−がより好ましい。
Zは、単結合、−C(CH32−、−C(CF32−、−CO−、−SO2−が好ましく、単結合、−C(CF32−がより好ましい。
n / (n + m) is preferably from 0.1 to 0.8, and more preferably from 0.3 to 0.7. Y is preferably —SO 2 — or —CO—, and more preferably —SO 2 —.
Z is preferably a single bond, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —CO—, or —SO 2 —, and more preferably a single bond or —C (CF 3 ) 2 —.

本発明で用いるスルホン化芳香族系高分子は、スルホン化ポリスルホンと他の高分子との共重合体であってもよく、このような高分子としては、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトンおよびポリ(アリーレンエーテルホスフィンオキシド)、ポリフェニレンが挙げられる。   The sulfonated aromatic polymer used in the present invention may be a copolymer of a sulfonated polysulfone and another polymer. Examples of such a polymer include polyethersulfone, polyimide, polyetherketone and Examples include poly (arylene ether phosphine oxide) and polyphenylene.

本発明では、一般式(II)で表される基が結合していることが好ましい。
一般式(II)
In this invention, it is preferable that group represented by general formula (II) has couple | bonded.
Formula (II)

Figure 2007287675
(一般式(II)中、B1およびB2は、それぞれ、連結基を表し、Xはイオウ原子を含む基を表し、Mはカチオンを表し、m1は1以上の整数を表す。)
一般式(II)中、B1およびB2はそれぞれ連結基を表す。
連結基としては、好ましくはアルキレン基(好ましくは炭素原子数(以下C数ということがある)1〜20のアルキレン基、例えば、メチレン基、エチレン基、メチルエチレン基、プロピレン基、メチルプロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、オクチレン基)、アリーレン基(好ましくはC数6〜26のアリーレン基、例えば1,2−フェニレン基、1,3−フェニレン基、1,4−フェニレン基、4−フェニレンメチレン基、1,4−ナフチレン基)、アルケニレン基(好ましくはC数2〜20のアルケニレン基、例えば、エテニレン基、プロペニレン基、ブタジエニレン基)、アルキニレン基(好ましくはC数2〜20のアルキニレン基、例えば、エチニレン基、プロピニレン基)、アミド基、エステル基、スルホン酸アミド基、スルホン酸エステル基、ウレイド基、スルホニル基、スルフィニル基、チオエーテル基、エーテル基、カルボニル基、ヘテリレン基(好ましくはC数1〜26のヘテリレン基、例えば、6−クロロ−1,3,5−トリアジル−2,4−ジイル基、ピリミジン−2,4−ジイル基、キノキサリン−2,3−ジイル基)、または、これらの2以上組み合わせて構成されるC数0〜100(より好ましくはC数1〜20)の連結基を表す。これらの基は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において置換基を有していてもよいが、置換基を有さない方が好ましい。これらの中でもより好ましくは、アルキレン基、アルキニレン基、アリーレン基、チオエーテル基、エーテル基を含む基であり、さらに好ましくは、アルキレン基、アリーレン基、チオエーテル基、エーテル基を含む基である。
Figure 2007287675
(In general formula (II), B 1 and B 2 each represent a linking group, X represents a group containing a sulfur atom, M represents a cation, and m1 represents an integer of 1 or more.)
In general formula (II), B 1 and B 2 each represent a linking group.
The linking group is preferably an alkylene group (preferably an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms (hereinafter sometimes referred to as C number), such as a methylene group, an ethylene group, a methylethylene group, a propylene group, a methylpropylene group, Butylene group, pentylene group, hexylene group, octylene group), arylene group (preferably an arylene group having 6 to 26 carbon atoms, such as 1,2-phenylene group, 1,3-phenylene group, 1,4-phenylene group, 4 -Phenylenemethylene group, 1,4-naphthylene group), alkenylene group (preferably an alkenylene group having 2 to 20 carbon atoms, for example, ethenylene group, propenylene group, butadienylene group), alkynylene group (preferably having 2 to 20 carbon atoms). Alkynylene group, for example, ethynylene group, propynylene group), amide group, ester group, sulfone Amide group, sulfonate group, ureido group, sulfonyl group, sulfinyl group, thioether group, ether group, carbonyl group, heterylene group (preferably a C1-C26 heterylene group such as 6-chloro-1,3, 5-triazyl-2,4-diyl group, pyrimidine-2,4-diyl group, quinoxaline-2,3-diyl group), or a combination of two or more thereof having 0 to 100 carbon atoms (more preferably Represents a linking group having 1 to 20 carbon atoms. These groups may have a substituent within a range not departing from the gist of the present invention, but it is preferable that these groups have no substituent. Among these, a group containing an alkylene group, an alkynylene group, an arylene group, a thioether group or an ether group is more preferred, and a group containing an alkylene group, an arylene group, a thioether group or an ether group is more preferred.

一般式(II)中、Xは、1つまたは2つ以上のイオウ原子を含み、イオウ原子のみから構成されていてもよいし、イオウ原子と他の原子から構成されていてもよい。好ましくは、−S−、−SO−および−SO2−の少なくとも1つを含む基である。 In general formula (II), X contains one or two or more sulfur atoms, may be composed of only sulfur atoms, or may be composed of sulfur atoms and other atoms. Preferably, -S -, - SO- and -SO 2 - is a group containing at least one of.

一般式(II)中、Mは、カチオンを表し、好ましくはプロトン、アルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム)カチオン、アルカリ土類金属(カリウム、ストロンチウム、バリウム)カチオン、第四級アンモニウム(トリメチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム、トリブチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム)カチオン、有機塩基(トリエチルアミン、ピリジン、メチルイミダゾール、モルホリン、トリブチルアンモニウム、トリス(2−ヒドロキシエチル)アミン)のプロトン化体からなる群から選択され、より好ましくはプロトンである。
一般式(II)中、m1は、好ましくは、1〜6の整数であり、より好ましくは、1〜3の整数である。
In the general formula (II), M represents a cation, preferably a proton, an alkali metal (lithium, sodium, potassium) cation, an alkaline earth metal (potassium, strontium, barium) cation, a quaternary ammonium (trimethylammonium, Selected from the group consisting of protonated forms of triethylammonium, tributylammonium, benzyltrimethylammonium) cation, organic base (triethylamine, pyridine, methylimidazole, morpholine, tributylammonium, tris (2-hydroxyethyl) amine), more preferably Proton.
In general formula (II), m1 is preferably an integer of 1 to 6, and more preferably an integer of 1 to 3.

一般式(II)が塩を形成する場合、酸残基のプロトンが以下のカチオンに置換されているものが好ましく、その置換比(カチオン/酸残基比)は0〜1であって、固体電解質の合成の過程では特に制限はないが、燃料電池用の固体電解質として用いる場合は0.1以下のものが好ましい。塩を形成するカチオンとしては、アルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム)カチオン、アルカリ土類金属(カリウム、ストロンチウム、バリウム)カチオン、第四級アンモニウム(トリメチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム、トリブチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム)カチオン、有機塩基(トリエチルアミン、ピリジン、メチルイミダゾール、モルホリン、トリブチルアンモニウム、トリス(2−ヒドロキシエチル)アミン)のプロトン化体が好ましく、アルカリ金属カチオンまたはアンモニウムカチオンがさらに好ましく、アルカリ金属カチオンが特に好ましい。   When the general formula (II) forms a salt, the acid residue proton is preferably substituted with the following cation, and the substitution ratio (cation / acid residue ratio) is 0 to 1, Although there is no particular limitation in the process of synthesizing the electrolyte, it is preferably 0.1 or less when used as a solid electrolyte for a fuel cell. Cations that form salts include alkali metal (lithium, sodium, potassium) cation, alkaline earth metal (potassium, strontium, barium) cation, quaternary ammonium (trimethylammonium, triethylammonium, tributylammonium, benzyltrimethylammonium) Protonates of cations and organic bases (triethylamine, pyridine, methylimidazole, morpholine, tributylammonium, tris (2-hydroxyethyl) amine) are preferred, alkali metal cations or ammonium cations are more preferred, and alkali metal cations are particularly preferred.

以下に一般式(II)の例を示すが本発明はこれらに限定されるものではない。

Figure 2007287675
Although the example of general formula (II) is shown below, this invention is not limited to these.
Figure 2007287675

本発明で用いるスルホン化ポリスルホンの合成方法の一例を挙げる。すなわち、少なくとも1個のスルホネート基および少なくとも2個の脱離基を有するモノマーであるスルホン化活性化芳香族モノマーと、スルホネート基を有しない少なくとも2個の脱離基を有するモノマーである非スルホン化活性化芳香族モノマーと、少なくとも2個の脱離基を有するコモノマーとを反応させて、これらの脱離基の縮合により除去される工程を包含する。
スルホン化活性化芳香族モノマーとしては、3,3'−ジスルホン化4,4'−ジクロロジフェニルスルホンが挙げられる。また、該モノマーは2種類以上の混合物でもよく、例えば、0.001〜0.999の範囲のモル比で、3,3'−ジスルホン化4,4'−ジクロロジフェニルスルホンおよび非スルホン化活性化芳香族モノマー4,4'−ジクロロジフェニルスルホンを混合したものを用いてもよい。
2個の脱離基を有するコモノマーとしては、4,4'−ビフェノール、ヒドロキノン、4,4'−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールおよびフェニルホスフィンオキシドビスフェノールからなる群から選択されるものが好ましく、4,4'−ビフェノールおよび4,4'−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールがより好ましい。スルホネート基は、スルホン酸基であってもよいし、その塩形状であってもよい。
An example of a method for synthesizing the sulfonated polysulfone used in the present invention will be given. A sulfonated activated aromatic monomer that is a monomer having at least one sulfonate group and at least two leaving groups, and a non-sulfonated monomer that has at least two leaving groups that do not have a sulfonate group It includes a step of reacting an activated aromatic monomer with a comonomer having at least two leaving groups and removing them by condensation of these leaving groups.
Sulfonated activated aromatic monomers include 3,3′-disulfonated 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone. The monomer may also be a mixture of two or more, for example, 3,3′-disulfonated 4,4′-dichlorodiphenylsulfone and non-sulfonated activated at a molar ratio in the range of 0.001 to 0.999. A mixture of aromatic monomers 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone may be used.
The comonomer having two leaving groups is preferably one selected from the group consisting of 4,4′-biphenol, hydroquinone, 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphenol and phenylphosphine oxide bisphenol, More preferred are 4,4′-biphenol and 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphenol. The sulfonate group may be a sulfonic acid group or a salt form thereof.

本発明で用いるスルホン化芳香族系高分子は、スルホン化活性化芳香族モノマー、非スルホン化活性化芳香族モノマーおよびコモノマー(例えば、ビスフェノール)を直接重合してスルホン化芳香族系高分子を形成することが好ましい。これらのモノマーの活性化基には、−S−、−SO−、−SO2−、−CO−および−PO(C65)−が挙げられ得る。これらのモノマーは、ジハライド形態またはジニトロ形態が例示される。ハライドには、Cl、FおよびBrが挙げられるが、これらに限定されない。 The sulfonated aromatic polymer used in the present invention forms a sulfonated aromatic polymer by directly polymerizing a sulfonated activated aromatic monomer, a non-sulfonated activated aromatic monomer and a comonomer (eg, bisphenol). It is preferable to do. Activating groups for these monomers can include —S—, —SO—, —SO 2 —, —CO— and —PO (C 6 H 5 ) —. These monomers are exemplified by the dihalide form or the dinitro form. Halides include, but are not limited to, Cl, F and Br.

このスルホン化活性化芳香族ジハライドは、当業者に公知のスルホン化方法により、対応する活性化芳香族ジハライドをスルホン化することにより、調製される。このスルホン化活性化芳香族ジハライドは、次いで、このスルホン化共ポリスルホンの形成で使用され得る。このスルホン化ポリスルホンを形成する一般反応スキームは、以下のスキーム1で示されている。   This sulfonated activated aromatic dihalide is prepared by sulfonating the corresponding activated aromatic dihalide by sulfonation methods known to those skilled in the art. The sulfonated activated aromatic dihalide can then be used in the formation of the sulfonated copolysulfone. The general reaction scheme for forming this sulfonated polysulfone is shown in Scheme 1 below.

スキーム1

Figure 2007287675
Scheme 1
Figure 2007287675

スキーム1では、Yは、脱離基Xを活性化する基であり、−S−、SO−、−SO2−、−CO−、−PO(C65)−またはそれらの組合せである。このスルホン化活性化芳香族モノマーの活性化基は、非スルホン化活性化芳香族モノマーの活性化基と同一であっても異なっていてもよい。
Xは、任意の活性化脱離基(例えば、ジハライド基またはジニトロ基)であることが好ましく、ジハライド基(Cl、FまたはBr等)がより好ましい。
Zは、単結合、−C(CH32−、−C(CF32−、−C(CF3)(C65)−、−CO−、−SO2−または−PO(C65)−である。
kは繰り返し単位の数である。
In Scheme 1, Y is a group that activates the leaving group X, and is —S—, SO—, —SO 2 —, —CO—, —PO (C 6 H 5 ) —, or a combination thereof. . The activating group of the sulfonated activated aromatic monomer may be the same as or different from the activating group of the non-sulfonated activated aromatic monomer.
X is preferably any activated leaving group (for example, dihalide group or dinitro group), and more preferably a dihalide group (Cl, F, Br, etc.).
Z is a single bond, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) (C 6 H 5 ) —, —CO—, —SO 2 — or —PO ( C 6 H 5) - a.
k is the number of repeating units.

活性化芳香族モノマーに対するスルホン化活性化芳香族モノマーのモル比、mおよびnはそれぞれ正の数であり、n/(n+m)は0.001〜1の範囲であり、0.1〜0.8が好ましく、0.3〜0.7がより好ましい。   The molar ratio of the sulfonated activated aromatic monomer to the activated aromatic monomer, m and n are each a positive number, n / (n + m) is in the range of 0.001-1, 0.1-0. 8 is preferable, and 0.3 to 0.7 is more preferable.

本発明において、スルホン化ポリスルホンは、所望のスルホン化モノマー(好ましくは、ジハライド)を選択または合成し、次いで、適切なコモノマー(例えば、ビスフェノール)と縮合することで形成される。このスルホン化モノマーは、単独で、または非スルホン化モノマーと共に添加され得る。特に好ましいスルホン化モノマーには、3,3'−ジスルホン化―4,4'−ジクロロジフェニルスルホン(SDCDPS)であり、これは、構造3で示される。4,4'−位に置換している塩素原子はフッ素原子や臭素原子であってもよいが、塩素原子、フッ素原子が特に好ましい。   In the present invention, the sulfonated polysulfone is formed by selecting or synthesizing the desired sulfonated monomer (preferably dihalide) and then condensing with an appropriate comonomer (eg, bisphenol). The sulfonated monomer can be added alone or with non-sulfonated monomers. A particularly preferred sulfonated monomer is 3,3′-disulfonated-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (SDCDPS), which is shown in Structure 3. The chlorine atom substituted at the 4,4′-position may be a fluorine atom or a bromine atom, but a chlorine atom or a fluorine atom is particularly preferred.

構造3

Figure 2007287675
Structure 3
Figure 2007287675

非スルホン化モノマーは、このスルホン化モノマーと共にスルホン化ポリスルホンを形成するものが好ましく、この非スルホン化モノマーは、得られる重合体または膜の所望の特性に依存して、選択できる。特に好ましい非スルホン化モノマーには、4,4'−ジクロロジフェニルスルホン(DCDPS)がある。非スルホン化モノマーに対するスルホン化モノマーの相対モル比は、その材料の所望の特性に依存して変わり、例えば、0.001〜1、好ましくは、0.3〜0.6の範囲である。   The non-sulfonated monomer is preferably one that forms a sulfonated polysulfone with the sulfonated monomer, and the non-sulfonated monomer can be selected depending on the desired properties of the resulting polymer or membrane. A particularly preferred non-sulfonated monomer is 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone (DCDPS). The relative molar ratio of the sulfonated monomer to the non-sulfonated monomer varies depending on the desired properties of the material and is, for example, in the range of 0.001-1, preferably 0.3-0.6.

このスルホン化ポリスルホンを形成するのに使用されるコモノマーもまた、得られる膜の所望の特性および用途に依存して、選択できる。好ましいコモノマーとして、4,4'−ビフェノール、ヒドロキノン、4,4'−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノール、フェニルホスフィンオキシドビスフェノールまたは他の芳香族ビスフェノールを使用することができる。さらに、このビスフェノールは、脂肪族置換基または芳香族置換基を含有していてもよい。特に、4,4'−ビフェノール、4,4'−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールは好ましい。   The comonomer used to form the sulfonated polysulfone can also be selected depending on the desired properties and application of the resulting membrane. As preferred comonomers, 4,4′-biphenol, hydroquinone, 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphenol, phenylphosphine oxide bisphenol or other aromatic bisphenols can be used. Further, the bisphenol may contain an aliphatic substituent or an aromatic substituent. In particular, 4,4′-biphenol and 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphenol are preferable.

本発明で用いる、スルホン化芳香族系高分子は、上記のほか、公知の方法(例えば、PolymerPreprints(2000),41(1),237)に準じて合成できるが、特に、芳香族求電子化合物と、芳香族求核化合物から選ばれる各々一つまたは複数の化合物とを塩基性条件下で重縮合させる方法が好適に用いられる。
本発明では、例えば、スキーム2で示すように、3,3'−ジスルホン化4,4'−ジクロロジフェニルスルホンおよびジクロロジフェニルスルホンと4,4'−ビフェノールとを直接縮合して、スルホン化ポリ(アリーレンエーテルスルホン)が合成できる。
In addition to the above, the sulfonated aromatic polymer used in the present invention can be synthesized according to a known method (for example, Polymer Preprints (2000), 41 (1), 237). And a method in which polycondensation of each and one or more compounds selected from aromatic nucleophilic compounds under basic conditions is preferably used.
In the present invention, for example, as shown in Scheme 2, 3,3′-disulfonated 4,4′-dichlorodiphenylsulfone and dichlorodiphenylsulfone and 4,4′-biphenol are directly condensed to form sulfonated poly ( Arylene ether sulfone) can be synthesized.

スキーム2
スルホン化ポリ(アリーレンエーテルスルホン)の合成

Figure 2007287675
Scheme 2
Synthesis of sulfonated poly (arylene ether sulfone)
Figure 2007287675

本発明において、スルホン酸基導入前の高分子化合物を合成する方法の一例として、下記式(III)で表される化合物と、下記式(IV)で表される化合物とを重合(好ましくは、重縮合)させる製造方法が挙げられる。
式(III)
In the present invention, as an example of a method for synthesizing a polymer compound before introduction of a sulfonic acid group, a compound represented by the following formula (III) and a compound represented by the following formula (IV) are polymerized (preferably, And polycondensation).
Formula (III)

Figure 2007287675
式(III)中、X1は、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子)またはニトロ基を表す。2つのX1はそれぞれ同一でも異なっていてもよい。
Figure 2007287675
In formula (III), X 1 represents a halogen atom (for example, a fluorine atom or a chlorine atom) or a nitro group. Two X 1 s may be the same or different.

式(IV)

Figure 2007287675
式(IV)中、Aは、上記式(1)におけるYと同義であり、好ましい範囲も同義である。mは0、1または2である。RおよびRiは、それぞれ、C数1〜10のアルキル基であり、メチル基あるいはエチル基が好ましい。sおよびsiは0〜4の整数であり、0または1が好ましい。 Formula (IV)
Figure 2007287675
In formula (IV), A has the same meaning as Y in formula (1), and the preferred range is also the same. m is 0, 1 or 2. R and Ri are each an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, preferably a methyl group or an ethyl group. s and s i are integers of 0 to 4, and 0 or 1 is preferable.

式(III)で表される化合物の具体例としては、以下に表される化合物を挙げることができる。   Specific examples of the compound represented by the formula (III) include the compounds represented below.

Figure 2007287675
Figure 2007287675

これらの化合物は単独であるいは2種以上を混合して使用することができる。   These compounds can be used alone or in admixture of two or more.

また前記式(IV)で表される化合物の具体例としては、ハイドロキノン、レゾルシン、2−メチルハイドロキノン、2−エチルハイドロキノン、2−プロピルハイドロキノン、2−ブチルハイドロキノン、2−ヘキシルハイドロキノン、2−オクチルハイドロキノン、2−デカニルハイドロキノン、2,3−ジメチルハイドロキノン、2,3−ジエチルハイドロキノン、2,5−ジメチルハイドロキノン、2,5−ジエチルハイドロキノン、2,6−ジメチルハイドロキノン、2,3,5−トリメチルハイドロキノン、2,3,5,6−テトラメチルハイドロキノン、4,4'−ジヒドロキシビフェニル、2,2'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシビフェニル、4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、2,2'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,3'5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルメタン、4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、2,2'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、2,2'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラメチル−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラクロロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラブロモ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3'−ジフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、3,3',5,5'−テトラフルオロ−4,4'−ジヒドロキシジフェニルスルホン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(2−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−フルオロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジフルオロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、α,α'−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(2−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(2−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,4−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン、α,α'−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−1,3−ジイソプロピルベンゼン等が挙げられる。これらの芳香族ジオール類は単独であるいは2種以上を混合して使用することができる。   Specific examples of the compound represented by the formula (IV) include hydroquinone, resorcin, 2-methylhydroquinone, 2-ethylhydroquinone, 2-propylhydroquinone, 2-butylhydroquinone, 2-hexylhydroquinone, and 2-octylhydroquinone. 2-decanyl hydroquinone, 2,3-dimethyl hydroquinone, 2,3-diethyl hydroquinone, 2,5-dimethyl hydroquinone, 2,5-diethyl hydroquinone, 2,6-dimethyl hydroquinone, 2,3,5-trimethyl hydroquinone 2,3,5,6-tetramethylhydroquinone, 4,4′-dihydroxybiphenyl, 2,2′-dihydroxybiphenyl, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxybiphenyl, 3,3 ′, 5 , 5'-Tetramethyl-4,4 ' -Dihydroxybiphenyl, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3 ', 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-dibromo-4,4 '-Dihydroxybiphenyl, 3,3', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3'-difluoro-4,4'-dihydroxybiphenyl, 3,3 ', 5,5'- Tetrafluoro-4,4'-dihydroxybiphenyl, 4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 2,2'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dimethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ', 5,5 '-Tetramethyl-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3', 5,5'-tetrachloro -4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-dibromo-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'-difluoro -4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 3,3'5,5'-tetrafluoro-4,4'-dihydroxydiphenylmethane, 4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 2,2'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'- Dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3′-dichloro-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ′ , 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-dibromo-4,4 '-Dihydroxydiphenyl ether, 3,3', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3'-difluoro-4,4'-dihydroxydiphenyl ether, 3,3 ', 5,5'- Tetrafluoro-4,4′-dihydroxydiphenyl ether, 4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 2,2′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3′-dichloro-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5′-tetrachloro-4,4 ′ -Dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3'-dibromo-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ' 5,5′-tetrabromo-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfide, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4′- Dihydroxydiphenyl sulfide, 4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 2,2′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3′-dimethyl-4,4′-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetramethyl -4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3'-dichloro-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3,3 ', 5,5'-tetrachloro-4,4'-dihydroxydiphenylsulfone, 3, 3'-dibromo-4,4'-dihydroxydiphenyl sulfone, 3,3 ', 5,5'-tetrabromo-4,4'-dihydroxydiph Nyl sulfone, 3,3′-difluoro-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 3,3 ′, 5,5′-tetrafluoro-4,4′-dihydroxydiphenyl sulfone, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) ) Propane, 2,2-bis (2-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-chloro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-bromo-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-didibromo-4- Hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3-fluoro-4-hydroxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-difluoro-4-hydro) Cyphenyl) propane, 2,2-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) propane, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis ( 2-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α′-bis (2-hydroxyphenyl) -1,3- Diisopropylbenzene, α, α′-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,4-diisopropylbenzene, α, α′-bis (3,5-dimethyl-4-hydroxyphenyl) -1,4- Diisopropylbenzene, α, α'-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene, α, α'-bis (3,5-dimethyl-4- Hydroxyphenyl) -1,3-diisopropylbenzene and the like. These aromatic diols can be used alone or in admixture of two or more.

また、前記式(III)で表される化合物とおよび式(IV)で表される化合物の好ましい配合割合は、式(IV)で表される化合物1モルに対して、式(III)で表される化合物は、0.7〜1.3モルが好ましく、0.9〜1.1モルがより好ましく、0.95〜1.05モルがさらに好ましい。   Moreover, the preferable compounding ratio of the compound represented by the formula (III) and the compound represented by the formula (IV) is represented by the formula (III) with respect to 1 mol of the compound represented by the formula (IV). The compound to be used is preferably 0.7 to 1.3 mol, more preferably 0.9 to 1.1 mol, and even more preferably 0.95 to 1.05 mol.

前記式(III)で表される化合物と、前記式(IV)で表される化合物とを重縮合して本発明のプロトン酸基含有ポリスルホン(固体電解質)を合成する場合、塩基性化合物存在下で重縮合させる方法が好適に用いられる。   When the compound represented by the formula (III) and the compound represented by the formula (IV) are polycondensed to synthesize the proton acid group-containing polysulfone (solid electrolyte) of the present invention, in the presence of a basic compound. A polycondensation method is preferably used.

反応剤の種類や反応条件等は特に規定されることはなく、公知の反応剤や反応条件等を適用できる。反応剤としてはアルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム)、アルカリ土類金属(カリウム、ストロンチウム、バリウム)、酸化亜鉛などの塩基性金属化合物、各種金属の炭酸塩(炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム)、酢酸塩(酢酸ナトリウム、酢酸リチウム、酢酸カリウム、酢酸セシウム)、水酸化物(水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、水酸化カルシウム)、第四級アンモニウム塩(トリメチルアンモニウムヒドロキシド、トリエチルアンモニウムヒドロキシド、トリブチルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド)、有機塩基(トリエチルアミン、ピリジン、メチルイミダゾール、モルホリン、トリブチルアンモニウム、トリス(2−ヒドロキシエチル)アミン)などが挙げられる。   The type of reaction agent, reaction conditions, and the like are not particularly defined, and known reaction agents, reaction conditions, and the like can be applied. Reactants include alkali metals (lithium, sodium, potassium), alkaline earth metals (potassium, strontium, barium), basic metal compounds such as zinc oxide, various metal carbonates (sodium carbonate, lithium carbonate, potassium carbonate, Cesium carbonate), acetate (sodium acetate, lithium acetate, potassium acetate, cesium acetate), hydroxide (lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, cesium hydroxide, calcium hydroxide), quaternary ammonium salt (Trimethylammonium hydroxide, triethylammonium hydroxide, tributylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide), organic bases (triethylamine, pyridine, methylimidazole, morpholine, tributylammonium, (2-hydroxyethyl) amine) and the like.

これら反応剤の使用量は、縮合するモノマーのモル数の和1モルに対して、0.05〜10.0モルが好ましく、0.1〜4.0モルがより好ましく、0.5〜2.5モルが特に好ましい。   The amount of these reactants used is preferably 0.05 to 10.0 moles, more preferably 0.1 to 4.0 moles, and more preferably 0.5 to 2 moles with respect to 1 mole of the sum of moles of monomers to be condensed. .5 mol is particularly preferred.

本発明で用いる電解質膜を製造する反応は、通常、溶媒中で行う。好ましい溶媒としては、下記のようなものが挙げられる。   The reaction for producing the electrolyte membrane used in the present invention is usually carried out in a solvent. The following are mentioned as a preferable solvent.

1)エーテル系溶媒
1,2−ジメトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、1,2−ビス(2−メトキシエトキシ)エタン、テトラヒドロフラン、ビス[2−(2−メトキシエトキシ)エチル]エーテル、1,4−ジオキサン等。
2)非プロトン性アミド系溶媒
N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチルカプロラクタム、ヘキサメチルホスホロトリアミド等。
3)アミン系溶媒
ピリジン、キノリン、イソキノリン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、イソホロン、ピペリジン、2,4−ルチジン、2,6−ルチジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミンン等。
4)その他の溶媒
ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジフェニルエーテル、スルホラン、ジフェニルスルホン、テトラメチル尿素、アニソール等。
1) ether solvent 1,2-dimethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, 1,2-bis (2-methoxyethoxy) ethane, tetrahydrofuran, bis [2- (2-methoxyethoxy) ethyl] ether, 1,4-dioxane and the like.
2) Aprotic amide solvents N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N -Methylcaprolactam, hexamethylphosphorotriamide and the like.
3) Amine solvents pyridine, quinoline, isoquinoline, α-picoline, β-picoline, γ-picoline, isophorone, piperidine, 2,4-lutidine, 2,6-lutidine, trimethylamine, triethylamine, tripropylamine, tributylamine etc.
4) Other solvents: dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, diphenyl ether, sulfolane, diphenyl sulfone, tetramethyl urea, anisole and the like.

上記の溶媒中で、特に好ましい溶媒は、上記2)項の非プロトン性アミド系溶媒と4)項のジメチルスルホキシド、スルホランが挙げられ、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホランがより好ましい。   Among the above-mentioned solvents, particularly preferred solvents include the aprotic amide solvent described in the above item 2) and the dimethyl sulfoxide and sulfolane described in the item 4). N, N-dimethylacetamide, N, N-diethylacetamide, N -Methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide and sulfolane are more preferred.

これらの溶媒は、単独または2種以上混合して用いても差し支えない。また、下記5)項に示す溶媒を用いて、それら1種または2種以上とをさらに混合して用いることもできる。混合して用いる場合は、必ずしも任意の割合で相互に溶解するような溶媒の組み合わせを選択する必要はなく、混合し合わない不均一な状態でも差し支えない。また、反応濃度、反応液粘度の調整のために反応途中で溶媒を溜去、添加しても良い。濃度プロファイルは、仕込み時は溶解のために低濃度とし、中期は反応促進のために高濃度とし、終期は流動化のために再び低濃度とすることが好ましい。   These solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, it can also be used by further mixing these 1 type (s) or 2 or more types using the solvent shown to the following 5) term | claim. When mixed and used, it is not always necessary to select a combination of solvents that dissolve in each other at an arbitrary ratio, and a non-mixed and non-uniform state may be used. Further, the solvent may be distilled off and added during the reaction in order to adjust the reaction concentration and the reaction solution viscosity. The concentration profile is preferably a low concentration for dissolution at the time of charging, a high concentration for promoting the reaction in the middle period, and a low concentration again for fluidization in the final period.

これらの溶媒中で行う反応の濃度(以下、重合濃度と称する。)に制限はないが、低濃度では反応速度が低下し、高濃度では粘度が高くなりすぎ攪拌が困難になる。適当な濃度は固形分濃度として、例えば、1%〜100%(無溶媒)であり、好ましくは5%〜70%であり、特に好ましくは10%〜50%である。   The concentration of the reaction performed in these solvents (hereinafter referred to as polymerization concentration) is not limited, but the reaction rate decreases at low concentrations, and the viscosity becomes too high at high concentrations, making stirring difficult. The appropriate concentration is, for example, 1% to 100% (no solvent) as the solid content concentration, preferably 5% to 70%, and particularly preferably 10% to 50%.

雰囲気は空気、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンが用いられ特に制限はないが、不活性気体である窒素やアルゴンが好ましい。
さらに、反応の前処理として原料に含まれる水分を系外に除く為に、別の溶媒を共存させることが好ましい。ここで用いられる溶媒としては、下記5)項のようなものが挙げられる。
5)ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、m−ジクロロベンゼン、p−ジクロロベンゼン、ブロムベンゼン、o−ジブロモベンゼン、m−ジブロモベンゼン、p−ジブロモベンゼン、o−クロロトルエン、m−クロロトルエン、p−クロロトルエン、o−ブロモトルエン、m−ブロモトルエン、およびp−ブロモトルエンなど、が挙げられる。これら溶媒は、単独または2種以上混合して用いても差し支えない。
The atmosphere is air, nitrogen, helium, neon, or argon, and is not particularly limited, but is preferably an inert gas such as nitrogen or argon.
Furthermore, in order to remove moisture contained in the raw material out of the system as a pretreatment for the reaction, it is preferable that another solvent coexists. Examples of the solvent used here include the following 5).
5) benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, m-dichlorobenzene, p-dichlorobenzene, bromobenzene, o-dibromobenzene, m-dibromobenzene, p- And dibromobenzene, o-chlorotoluene, m-chlorotoluene, p-chlorotoluene, o-bromotoluene, m-bromotoluene, and p-bromotoluene. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

本発明で用いる電解質膜を製造する反応の温度、時間および圧力には、特に制限はなく公知の条件が適用できる。すなわち、反応温度は、50℃〜300℃が好ましく、100〜270℃がより好ましく、130〜250℃がさらに好ましい。また、反応時間は、使用するモノマーの種類、溶媒の種類、および反応温度により異なるが、1〜72時間が好ましい。より好ましくは3時間から48時間であり、さらに好ましくは、5〜24時間である。反応圧力については加圧下、減圧下でもよいが、常圧で構わない。   There are no particular limitations on the temperature, time and pressure of the reaction for producing the electrolyte membrane used in the present invention, and known conditions can be applied. That is, the reaction temperature is preferably 50 ° C to 300 ° C, more preferably 100 to 270 ° C, and further preferably 130 to 250 ° C. Moreover, although reaction time changes with kinds of monomer to be used, the kind of solvent, and reaction temperature, 1 to 72 hours are preferable. More preferably, it is 3 hours to 48 hours, More preferably, it is 5 to 24 hours. The reaction pressure may be under pressure or under reduced pressure, but may be normal pressure.

本発明で用いる電解質膜は、スルホン化芳香族系高分子(特に、スルホン化ポリスルホン)および無機ヘテロポリ酸の混合物を溶液注型して形成してもよい。無機ヘテロポリ酸は、リンタングステン酸、リンモリブデン酸およびリン酸ジルコニウム水素からなる群から選択されるものが好ましいが、これらに限定されない。 The electrolyte membrane used in the present invention may be formed by solution casting a mixture of a sulfonated aromatic polymer (particularly a sulfonated polysulfone) and an inorganic heteropolyacid. The inorganic heteropolyacid is preferably selected from the group consisting of phosphotungstic acid, phosphomolybdic acid, and zirconium hydrogen phosphate, but is not limited thereto.

本発明において、スルホン酸基導入前の高分子化合物にスルホン酸基を導入する方法としては、以下のような導入方法を用いることができる。また、該高分子化合物にスルホン酸基を直接導入する方法のほか、モノマーに導入後に高分子化してもよい。
例えば、B1がメチル基の場合には後記するクロロメチルメチルエーテル等のハロゲノメチル化剤を用いてハロゲノメチル化ポリスルホンとした後、チオエーテル結合をアルキル鎖に含んだ化合物、例えば下記の3−メルカプト−1−プロパンスルホン酸ナトリウムや2−メルカプトエタンスルホン酸ナトリウムを反応させる方法などが挙げられる。
In the present invention, the following introduction method can be used as a method for introducing a sulfonic acid group into the polymer compound before introduction of the sulfonic acid group. In addition to the method of directly introducing a sulfonic acid group into the polymer compound, the polymer compound may be polymerized after introduction into the monomer.
For example, when B 1 is a methyl group, a halogenomethylated polysulfone using a halogenomethylating agent such as chloromethyl methyl ether described later, and then a compound containing a thioether bond in the alkyl chain, such as 3-mercapto described below Examples thereof include a method of reacting sodium -1-propanesulfonate and sodium 2-mercaptoethanesulfonate.

Figure 2007287675
Figure 2007287675

Figure 2007287675
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本発明において、ハロゲノアルキル基としては、クロロメチル基、ブロモメチル基、ヨードメチル基、クロロエチル基、ブロモエチル基、ヨードエチル基、クロロプロピル基、ブロモプロピル基、ヨードプロピル基、クロロブチル基、ブロモブチル基、ヨードブチル基、クロロペンチル基、ブロモペンチル基、ヨードペンチル基、クロロヘキシル基、ブロモヘキシル基、ヨードヘキシル基等のハロゲノ(C数1〜6)アルキル基が挙げられ、ハロゲノメチル基が好ましい。   In the present invention, the halogenoalkyl group includes a chloromethyl group, bromomethyl group, iodomethyl group, chloroethyl group, bromoethyl group, iodoethyl group, chloropropyl group, bromopropyl group, iodopropyl group, chlorobutyl group, bromobutyl group, iodobutyl group, Examples include halogeno (C 1-6) alkyl groups such as chloropentyl group, bromopentyl group, iodopentyl group, chlorohexyl group, bromohexyl group, iodohexyl group, and the like, and halogenomethyl group is preferred.

本発明において好ましいハロゲノメチル基を芳香環に導入(芳香環のハロゲノメチル化反応)するには、公知反応が広範囲に使用できる。例えば、クロロメチル化剤として、クロロメチルメチルエーテル、1,4−ビス(クロロメトキシ)ブタン、1−クロロメトキシ−4−クロロブタンなどを用い、触媒として塩化スズ、塩化亜鉛、塩化アルミニウム、塩化チタンなどのルイス酸やフッ化水素酸などを用いてクロロメチル化反応を行うことにより、芳香環にクロロメチル基を導入することができる。溶媒には、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ニトロベンゼンなどを用い、均一系で反応を行うことが好ましい。また、パラホルムアルデヒドと塩化水素、もしくは臭化水素などを用いてハロゲノメチル化反応を行うこともできる。   In order to introduce a preferred halogenomethyl group in the present invention into an aromatic ring (halogenomethylation reaction of an aromatic ring), known reactions can be widely used. For example, chloromethyl methyl ether, 1,4-bis (chloromethoxy) butane, 1-chloromethoxy-4-chlorobutane, etc. are used as chloromethylating agents, and tin chloride, zinc chloride, aluminum chloride, titanium chloride, etc. are used as catalysts. A chloromethyl group can be introduced into an aromatic ring by carrying out a chloromethylation reaction using a Lewis acid or hydrofluoric acid. The solvent is preferably dichloroethane, trichloroethane, tetrachloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, nitrobenzene, etc., and the reaction is preferably carried out in a homogeneous system. Alternatively, a halogenomethylation reaction can be performed using paraformaldehyde and hydrogen chloride, hydrogen bromide, or the like.

本明細書中で使用する「ヘテロポリ酸」、「無機ヘテロポリ酸」および「HPA」は、当業者に公知の意味を有し、特に、Katsoulis,D.E.,「A Survey of Applications of Polyoxometalates」Chemical Reviews,1巻、359〜387ページ(1998)で述べられている。また、これらの文献に記載の内容を参酌して本明細書を理解することができる。   As used herein, “heteropolyacid”, “inorganic heteropolyacid” and “HPA” have meanings known to those skilled in the art and are described in particular in Katsoulis, D. et al. E. "A Survey of Applications of Polyoxometalates", Chemical Reviews, Vol. 1, pages 359-387 (1998). Further, the present specification can be understood in consideration of the contents described in these documents.

スルホン化芳香族系高分子(特に、スルホン化ポリスルホン)に対するヘテロポリ酸の重量比は、10%〜60%の範囲であることが好ましい。この比は、使用するスルホン化芳香族系高分子の種類およびヘテロポリ酸の種類に依存して適宜定めることができる。   The weight ratio of the heteropolyacid to the sulfonated aromatic polymer (particularly the sulfonated polysulfone) is preferably in the range of 10% to 60%. This ratio can be appropriately determined depending on the type of sulfonated aromatic polymer used and the type of heteropolyacid.

本発明におけるスルホン化芳香族系高分子中のスルホン酸基量は、重合体を構成する繰り返し単位の1ユニットに対して、通常、0.05〜2個、好ましくは0.3〜1.5個である。0.05個以上とすることにより、プロトン伝導性がより向上し、一方1.5個以下とすることにより、親水性が向上して水溶性ポリマーとなったり、水溶性に至って耐久性が低下したりするのをより効果的に抑止できる。   The amount of the sulfonic acid group in the sulfonated aromatic polymer in the present invention is usually 0.05 to 2, preferably 0.3 to 1.5, with respect to 1 unit of the repeating unit constituting the polymer. It is a piece. By setting the number to 0.05 or more, proton conductivity is further improved. On the other hand, by setting the number to 1.5 or less, the hydrophilicity is improved to become a water-soluble polymer, or the durability is lowered due to water solubility. Can be more effectively deterred.

また、本発明で用いるスルホン化芳香族系高分子のスルホン化前の前駆体のポリマーの分子量は、ポリスチレン換算重量平均分子量で、好ましくは1,000〜1,000,000、より好ましくは1,500〜400,000である。1,000以上とすることにより、成形膜のクラックの発生を抑止できる傾向にあり、また、塗膜性が良好になる傾向にあり、さらに強度的性質も向上する傾向にあり好ましい。一方、1,000,000以下とすることにより、溶解性が良好となる傾向にあり、溶液粘度が低くなる傾向にあり、加工性が良好になる傾向にある。   The molecular weight of the precursor polymer before sulfonation of the sulfonated aromatic polymer used in the present invention is a polystyrene-equivalent weight average molecular weight, preferably 1,000 to 1,000,000, more preferably 1, 500 to 400,000. By setting it to 1,000 or more, it tends to be able to suppress the occurrence of cracks in the molded film, tends to improve the coating properties, and tends to improve the strength properties, which is preferable. On the other hand, by setting it as 1,000,000 or less, the solubility tends to be good, the solution viscosity tends to be low, and the workability tends to be good.

なお、本発明で用いるスルホン化芳香族系高分子の構造は、赤外線吸収スペクトルによって、1,030〜1,045cm-1、1,160〜1,190cm-1のS=O吸収、1,130〜1,250cm-1のC−O−C吸収、1,640〜1,660cm-1のC=O吸収などにより確認でき、これらの組成比は、スルホン酸の中和滴定や、元素分析により知ることができる。また、核磁気共鳴スペクトル( 1H−NMR)により、6.8〜8.0ppmの芳香族プロトンのピークから、その構造を確認することができる。 In addition, the structure of the sulfonated aromatic polymer used in the present invention has S = O absorption of 1,030 to 1,045 cm −1 , 1,160 to 1,190 cm −1 , 1,130 according to infrared absorption spectrum. ˜1,250 cm −1 C—O—C absorption, 1,640 to 1,660 cm −1 C═O absorption, etc., and these composition ratios can be determined by neutralization titration of sulfonic acid or elemental analysis. I can know. Moreover, the structure can be confirmed from the peak of aromatic protons at 6.8 to 8.0 ppm by nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR).

本発明で用いる電解質膜の製膜工程においては、スルホン化芳香族系高分子化合物およびフィラーを融点より高い温度に保持した液体、または溶媒を用いて溶解した液体を用いて、押出成型によって製膜してもよいし、これらの液体をキャスト、または塗布して製膜してもよい。これらの操作はカレンダーロール、キャストロール等のロールまたはTダイを用いたフィルム成形機で行なうことができ、プレス機器を用いたプレス成形とすることもできる。さらに延伸工程を追加し、膜厚制御、膜特性改良を行ってもよい。   In the membrane formation process of the electrolyte membrane used in the present invention, the membrane is formed by extrusion molding using a liquid in which the sulfonated aromatic polymer compound and the filler are maintained at a temperature higher than the melting point or a liquid dissolved using a solvent. Alternatively, these liquids may be cast or coated to form a film. These operations can be performed with a film forming machine using a roll such as a calendar roll or a cast roll or a T-die, and can also be a press forming using a press machine. Further, a stretching process may be added to control film thickness and improve film characteristics.

さらに製膜工程を経た後に表面処理を行なってもよい。表面処理としては、粗面処理、表面切削、除去、コーティング処理を行なってもよく、これらは電極との密着を改良できることがある。   Furthermore, surface treatment may be performed after the film forming step. As the surface treatment, rough surface treatment, surface cutting, removal, and coating treatment may be performed, which may improve the adhesion with the electrode.

本発明で用いる電解質膜の厚さは、10〜500μmが好ましく、25〜150μmが特に好ましい。成形した時点で膜状であっても良いし、バルク体に成形した後に、切断して膜状に加工することもできる。   10-500 micrometers is preferable and, as for the thickness of the electrolyte membrane used by this invention, 25-150 micrometers is especially preferable. It may be in the form of a film at the time of molding, or may be cut into a film after being formed into a bulk body.

本発明で用いる電解質膜を、多孔質基材の細孔に含浸させて膜を形成することが可能である。細孔を有する基材上に本発明の第二工程終了後の反応液を塗布含浸させるか、基材を反応液に浸漬し、細孔内に電解質膜を満たして膜を形成してもよい。細孔を有する基材の好ましい例としては、多孔性ポリプロピレン、多孔性ポリテトラフルオロエチレン、多孔性架橋型耐熱性ポリエチレン、多孔性ポリイミドなどが挙げられる。   The electrolyte membrane used in the present invention can be impregnated into the pores of the porous substrate to form a membrane. The reaction solution after completion of the second step of the present invention may be applied and impregnated on a substrate having pores, or the substrate may be immersed in the reaction solution to fill the electrolyte membrane in the pores to form a membrane. . Preferable examples of the substrate having pores include porous polypropylene, porous polytetrafluoroethylene, porous cross-linked heat-resistant polyethylene, and porous polyimide.

本発明で用いる電解質膜の他の成分
本発明で用いる電解質膜は、膜特性を向上させるため、必要に応じて、酸化防止剤、吸水剤、可塑剤、相溶剤等を添加してもよい。これら添加剤の含有量は電解質膜の全体量に対し1〜30質量%の範囲が好ましい。
Other Components of Electrolyte Membrane Used in the Present Invention The electrolyte membrane used in the present invention may be added with an antioxidant, a water absorbing agent, a plasticizer, a compatibilizer or the like as necessary in order to improve the membrane characteristics. The content of these additives is preferably in the range of 1 to 30% by mass with respect to the total amount of the electrolyte membrane.

酸化防止剤としては、(ヒンダード)フェノール系、一価ないし二価のイオウ系、三価および五価のリン系、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、ヒンダードアミン系、シアノアクリレート系、サリチレート系、オキザリックアシッドアニリド系の各化合物が好ましい例として挙げられる。具体的には特開平8−53614号公報、特開平10−101873号公報、特開平11−114430号公報、特開2003−151346号公報に記載の化合物が挙げられる。   Antioxidants include (hindered) phenol, mono- or divalent sulfur, trivalent and pentavalent phosphorus, benzophenone, benzotriazole, hindered amine, cyanoacrylate, salicylate, oxalic Acid anilide compounds are preferred examples. Specific examples thereof include compounds described in JP-A-8-53614, JP-A-10-101873, JP-A-11-114430, and JP-A-2003-151346.

吸水剤(親水性物質)としては、架橋ポリアクリル酸塩、デンプン−アクリル酸塩、ポバール、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリグリコールジアルキルエーテル、ポリグリコールジアルキルエステル、シリカゲル、合成ゼオライト、アルミナゲル、チタニアゲル、ジルコニアゲル、イットリアゲルが好ましい例として挙げられ、具体的には特開平7−135003号公報、特開平8−20716号公報、特開平9−251857号公報に記載の吸水剤が挙げられる。   Water-absorbing agents (hydrophilic substances) include cross-linked polyacrylate, starch-acrylate, poval, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose, polyvinylpyrrolidone, polyglycol dialkyl ether, polyglycol dialkyl ester, silica gel, synthetic zeolite, alumina gel , Titania gel, zirconia gel, and yttria gel are preferable examples. Specific examples include water absorbing agents described in JP-A Nos. 7-13003, 8-20716, and 9-251857. .

可塑剤としては、リン酸エステル系化合物、フタル酸エステル系化合物、脂肪族一塩基酸エステル系化合物、脂肪族二塩基酸エステル系化合物、二価アルコールエステル系化合物、オキシ酸エステル系化合物、塩素化パラフィン、アルキルナフタレン系化合物、スルホンアルキルアミド系化合物、オリゴエーテル類、カーボネート類、芳香族ニトリル類が好ましい例として挙げられ、具体的には特開2003−197030号公報、特開2003−288916号公報、特開2003−317539号公報に記載の可塑剤が挙げられる。   Plasticizers include phosphoric acid ester compounds, phthalic acid ester compounds, aliphatic monobasic acid ester compounds, aliphatic dibasic acid ester compounds, dihydric alcohol ester compounds, oxyacid ester compounds, and chlorination. Paraffin, alkylnaphthalene compounds, sulfonalkylamide compounds, oligoethers, carbonates, and aromatic nitriles are preferable examples. Specifically, JP2003-197030A and JP2003-288916A. And plasticizers described in JP-A No. 2003-317539.

さらに本発明で用いる電解質膜には、(1)膜の機械的強度を高める目的、および(2)膜中の酸濃度を高める目的で種々の高分子化合物を含有させてもよい。
(1)機械的強度を高める目的には、分子量10,000〜1,000,000程度で本発明の電解質膜と相溶性のよい高分子化合物が適する。例えば、パーフッ素化ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレングリコール、ポリオキセタン、ポリ(メタ)アクリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、およびこれらの2以上の重合体が好ましく、含有量としては全体に対し1〜30質量%の範囲が好ましい。
相溶剤としては、沸点または昇華点が250℃以上のものが好ましく、300℃以上のものがさらに好ましい。
(2)酸濃度を高める目的には、ナフィオン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)アクリレートなどのプトロン酸部位を有する高分子化合物などが好ましく、含有量としては全体に対し1〜30質量%の範囲が好ましい。
Furthermore, the electrolyte membrane used in the present invention may contain various polymer compounds for the purpose of (1) increasing the mechanical strength of the membrane and (2) increasing the acid concentration in the membrane.
(1) For the purpose of increasing mechanical strength, a polymer compound having a molecular weight of about 10,000 to 1,000,000 and having good compatibility with the electrolyte membrane of the present invention is suitable. For example, perfluorinated polymer, polystyrene, polyethylene glycol, polyoxetane, poly (meth) acrylate, polyether ketone, polyether sulfone, and two or more polymers thereof are preferable, and the content is 1 to 30 based on the total. A range of mass% is preferred.
The compatibilizer preferably has a boiling point or sublimation point of 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher.
(2) For the purpose of increasing the acid concentration, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer typified by Nafion, a polymer compound having a ptronic acid moiety such as poly (meth) acrylate having a phosphate group in the side chain, and the like are preferable. As a quantity, the range of 1-30 mass% is preferable with respect to the whole.

本発明で用いる電解質膜の特性としては、以下の諸性能を持つものが好ましい。
イオン伝導度は例えば25℃95%RHにおいて、0.005S/cmであることが好ましく、0.01S/cm以上であるものが特に好ましい。
強度としては例えば引っ張り強度が10MPa以上であることが好ましく、20MPa以上であるものが特に好ましい。
As the characteristics of the electrolyte membrane used in the present invention, those having the following various performances are preferable.
The ionic conductivity is preferably 0.005 S / cm, particularly preferably 0.01 S / cm or more at 25 ° C. and 95% RH, for example.
For example, the tensile strength is preferably 10 MPa or more, particularly preferably 20 MPa or more.

本発明で用いる電解質膜は安定した吸水率および含水率を持つものが好ましい。また、アルコール類、水およびこれらの混合溶媒に対し、溶解度は実質的に無視できる程度である物が好ましい。また上記溶媒に浸漬した時の重量減少、形態変化も実質的に無視できる程度である物が好ましい。
膜状に形成した場合のイオン伝導方向は表面から裏面の方向が、それ以外の方向に対し高い方が好ましいが、ランダムであっても良い。
The electrolyte membrane used in the present invention preferably has a stable water absorption and moisture content. Moreover, the thing whose solubility is a grade which can be disregarded substantially with respect to alcohol, water, and these mixed solvents is preferable. Moreover, the thing which is a grade which can be substantially disregarded in the weight reduction and shape change when immersed in the said solvent is preferable.
The ion conduction direction when the film is formed is preferably higher in the direction from the front surface to the rear surface than in other directions, but may be random.

本発明で用いる電解質膜の耐熱温度は、200℃以上であることが好ましく、250℃以上がさらに好ましく、300℃以上が特に好ましい。耐熱温度は例えば1℃/分の測度で加熱していったときの重量減少5%に達した時間として定義できる。この重量減少は、水分等の蒸発分を除いて計算される。 The heat resistant temperature of the electrolyte membrane used in the present invention is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 250 ° C. or higher, and particularly preferably 300 ° C. or higher. The heat resistant temperature can be defined as, for example, the time when the weight loss reaches 5% when heated at a rate of 1 ° C./min. This weight loss is calculated excluding evaporation such as moisture.

さらに、本発明で用いる電解質膜を燃料電池に用いる場合、アノード燃料とカソード燃料の酸化還元反応を促進させる活性金属触媒を添加してもよい。これにより、電解質膜中に浸透した燃料が他方極に到達すること無く電解質膜中で消費され、クロスオーバーを防ぐことができる。用いられる活性金属種は、電極触媒として機能するものであれば制限は無いが、白金または白金を基にした合金が適している。   Furthermore, when the electrolyte membrane used in the present invention is used in a fuel cell, an active metal catalyst that promotes the redox reaction between the anode fuel and the cathode fuel may be added. Thereby, the fuel which has permeated into the electrolyte membrane is consumed in the electrolyte membrane without reaching the other electrode, and crossover can be prevented. The active metal species used is not limited as long as it functions as an electrode catalyst, but platinum or an alloy based on platinum is suitable.

本発明の膜電極接合体(Membrane and Electrode Assembly)(以下「MEA」という)は、燃料電池に用いることができる。
図1は本発明の膜電極接合体の断面概略図の一例を示したものである。MEA10は、電解質膜11と、それを挟んで対向するアノード電極12及カソード電極13を備える。
アノード電極12とカソード電極13は、例えば、多孔質導電シート(例えばカーボンペーパー)12a、13aと触媒層12b、13bからなる(本実施形態の場合、本発明でいう電極膜は、多孔質導電シートと触媒層の積層体となる)。触媒層12b、13bは、白金粒子等の触媒金属を担持したカーボン粒子(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等)をプロトン伝導材料(例えば、ナフィオン等)に分散させた分散物からなる。触媒層12b、13bを電解質膜11に密着させるために、多孔質導電シート12a、13aに触媒層12b、13bを塗設したものを、電解質膜11にホットプレス法で圧着するか、適当な支持体に触媒層12b、13bを塗設したものを、電解質膜11に転写しながら圧着した後、多孔質導電シート12a、13aで挟み込む方法を一般に用いる。
The membrane and electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) of the present invention can be used in a fuel cell.
FIG. 1 shows an example of a schematic cross-sectional view of the membrane electrode assembly of the present invention. The MEA 10 includes an electrolyte membrane 11 and an anode electrode 12 and a cathode electrode 13 that are opposed to each other with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween.
The anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are composed of, for example, porous conductive sheets (for example, carbon paper) 12a, 13a and catalyst layers 12b, 13b (in the case of this embodiment, the electrode film referred to in the present invention is a porous conductive sheet) And a catalyst layer). The catalyst layers 12b and 13b are made of a dispersion in which carbon particles (for example, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, etc.) carrying a catalyst metal such as platinum particles are dispersed in a proton conductive material (eg, Nafion). . In order to bring the catalyst layers 12b and 13b into close contact with the electrolyte membrane 11, the porous conductive sheets 12a and 13a coated with the catalyst layers 12b and 13b may be pressure-bonded to the electrolyte membrane 11 by a hot press method or appropriately supported. Generally, a method in which the catalyst layers 12b and 13b coated on the body are pressure-bonded while being transferred to the electrolyte membrane 11, and then sandwiched between the porous conductive sheets 12a and 13a is generally used.

図2は燃料電池構造の一例を示す。燃料電池はMEA10と、MEA10を挟持する一対のセパレータ17からなる集電体17およびガスケット14とを有する。アノード極側の集電体17にはアノード極側給排気口15が設けられ、カソード極側の集電体17にはカソード極給排気口16設けられている。アノード極側給排気口15からは、水素、アルコール類(メタノール等)等のガス燃料またはアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、カソード極側給排気口16からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。   FIG. 2 shows an example of a fuel cell structure. The fuel cell includes an MEA 10, a current collector 17 including a pair of separators 17 that sandwich the MEA 10, and a gasket 14. The anode electrode side current collector 17 is provided with an anode electrode side air supply / exhaust port 15, and the cathode electrode side current collector 17 is provided with a cathode electrode air supply / exhaust port 16. Gas fuel such as hydrogen and alcohols (such as methanol) or liquid fuel such as an aqueous alcohol solution is supplied from the anode electrode side supply / exhaust port 15, and oxygen gas, air, etc. are oxidized from the cathode electrode side supply / exhaust port 16. An agent gas is supplied.

アノード電極およびカソード電極には、カーボン材料に白金などの活性金属粒子を担持した触媒が用いられる。通常用いられる活性金属の粒子サイズは、2〜10nmの範囲であり、粒子サイズが小さい程単位質量当りの表面積が大きくなるので活性が高まり有利であるが、小さすぎると凝集させずに分散させることが難しくなり、2nm程度が限度と言われている。   For the anode electrode and the cathode electrode, a catalyst in which active metal particles such as platinum are supported on a carbon material is used. The particle size of the active metal that is usually used is in the range of 2 to 10 nm. The smaller the particle size, the greater the surface area per unit mass and the greater the activity, which is advantageous. It is said that the limit is about 2 nm.

水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極(水素極)に比べ、カソード極(空気極)が大きい。これは、アノード極に比べ、カソード極の反応(酸素の還元)が遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Cu、Pt−Feなどのさまざまな白金基二元金属を用いることができる。アノード燃料に一酸化炭素を含む化石燃料改質ガスを用いる燃料電池においては、COによる触媒被毒を抑制することが重要である。この目的のために、Pt−Ru、Pt−Fe、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Moなどの白金基二元金属、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−W、Pt−Ru−Co、Pt−Ru−Fe、Pt−Ru−Ni、Pt−Ru−Cu、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Auなどの白金基三元金属を用いることができる。   The active polarization in the hydrogen-oxygen fuel cell is larger in the cathode electrode (air electrode) than in the anode electrode (hydrogen electrode). This is because the cathode electrode reaction (oxygen reduction) is slower than the anode electrode. For the purpose of improving the activity of the oxygen electrode, various platinum-based binary metals such as Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Cu, and Pt—Fe can be used. In a fuel cell using a fossil fuel reformed gas containing carbon monoxide as an anode fuel, it is important to suppress catalyst poisoning by CO. For this purpose, platinum-based binary metals such as Pt—Ru, Pt—Fe, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Mo, Pt—Ru—Mo, Pt—Ru—W, Pt—Ru—Co. Platinum-based ternary metals such as Pt—Ru—Fe, Pt—Ru—Ni, Pt—Ru—Cu, Pt—Ru—Sn, and Pt—Ru—Au can be used.

活性金属を担持させるカーボン材料としては、アセチレンブラック、Vulcan XC−72、ケチェンブラック、カーボンナノホーン(CNH)、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましく用いられる。   As the carbon material for supporting the active metal, acetylene black, Vulcan XC-72, ketjen black, carbon nanohorn (CNH), and carbon nanotube (CNT) are preferably used.

触媒層の機能は、(1)燃料を活性金属に輸送すること、(2)燃料の酸化(アノード極)、還元(カソード極)反応の場を提供すること、(3)酸化還元により生じた電子を集電体に伝達すること、(4)反応により生じたプロトンを電解質膜に輸送すること、である。(1)のために触媒層は、液体および気体燃料が奥まで透過できる多孔質性であることが必要である。(2)は上記で述べた活性金属触媒が、(3)は同じく上記で述べたカーボン材料が担う。(4)の機能を果たすために、触媒層にプロトン伝導材料を混在させる。   The function of the catalyst layer was caused by (1) transporting the fuel to the active metal, (2) providing a field for the oxidation (anode electrode) and reduction (cathode electrode) reaction of the fuel, and (3) redox. (4) transporting protons generated by the reaction to the electrolyte membrane. For (1), the catalyst layer needs to be porous so that liquid and gaseous fuel can permeate deeply. (2) is the active metal catalyst described above, and (3) is the same carbon material as described above. In order to fulfill the function (4), a proton conductive material is mixed in the catalyst layer.

触媒層のプロトン伝導材料としては、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、電解質膜に用いられる酸残基を有する高分子化合物、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、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾール等の耐熱芳香族高分子、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリオキセタン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化ポリフェニレンの膜が挙げられ、具体的には、特開2002−110174号公報、特開2002−105200号公報、特開2004−10677号公報、特開2003−132908号公報、特開2004−179154号公報、特開2004−175997号公報、特開2004−247182号公報、特開2003−147074号公報、特開2004−234931号公報、特開2002−289222号公報、特開2003−208816号公報に記載のものが挙げられる。本発明で用いる電解質膜を触媒層に用いると、該電解質膜と同種の材料となるため、電解質膜と触媒層との電気化学的密着性が高まりより有利である。   The proton conductive material of the catalyst layer is not limited as long as it is a solid having a proton donating group, but is a polymer compound having an acid residue used for an electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfone represented by Nafion (registered trademark). Heat resistant aromatics such as acid polymers, poly (meth) acrylates having phosphate groups in the side chain, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyetherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, and sulfonated polybenzimidazole Examples include polymers, sulfonated polystyrene, sulfonated polyoxetane, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene oxide, and sulfonated polyphenylene. Specifically, JP 2002-110174 A, JP 20 No. 2-105200, JP-A No. 2004-10777, JP-A No. 2003-132908, JP-A No. 2004-179154, JP-A No. 2004-175997, JP-A No. 2004-247182 and JP-A No. 2003-2003. No. 147074, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-234931, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-289222, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-208816. When the electrolyte membrane used in the present invention is used for the catalyst layer, the same kind of material as that of the electrolyte membrane is obtained, so that the electrochemical adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased, which is more advantageous.

また、バインダーが、例えば、式(1)で表される繰り返し単位等のポリスルホン化スルホンを含む場合、体積平均粒子サイズが1nm〜200nmであるイオン性ポリマー粒子を含む分散液を用いることが好ましい。
以下に、イオン性ポリマー粒子分散液の調整方法の一例を説明する。イオン性ポリマー粒子分散液は、イオン性ポリマーが難溶である貧溶媒と、貧溶媒と混和性を有し、かつ、イオン性ポリマーが易溶である良溶媒にイオン性ポリマーを溶解させたイオン性ポリマー溶液とを連続的に混合することにより、イオン性ポリマー粒子を生成することができる。ここで、連続的に混合とは、貧溶媒とイオン性ポリマー液がそれぞれ流動した状態で混合し、時間ともに新しい混合が生まれ続いている状態を表す。
Moreover, when a binder contains polysulfonated sulfone, such as a repeating unit represented by Formula (1), for example, it is preferable to use a dispersion liquid containing ionic polymer particles having a volume average particle size of 1 nm to 200 nm.
Below, an example of the adjustment method of an ionic polymer particle dispersion liquid is demonstrated. The ionic polymer particle dispersion is an ion obtained by dissolving an ionic polymer in a poor solvent in which the ionic polymer is hardly soluble, and in a good solvent that is miscible with the poor solvent and in which the ionic polymer is easily soluble. The ionic polymer particles can be produced by continuously mixing the ionic polymer solution. Here, the continuous mixing means a state in which the poor solvent and the ionic polymer liquid are mixed in a flowing state, and new mixing continues to occur over time.

ここで、本発明におけるイオン性ポリマーが難溶である貧溶媒とは、例えば、イオン性ポリマーの溶解度が10mg/mL以下のものをいう。
貧溶媒は、1種類または2種類以上を混合してもよい。本発明で用いる貧溶媒としては、水が好ましい。
Here, the poor solvent in which the ionic polymer in the present invention is hardly soluble means, for example, a solvent having a solubility of the ionic polymer of 10 mg / mL or less.
One kind or two or more kinds of poor solvents may be mixed. The poor solvent used in the present invention is preferably water.

良溶媒としては、イオン性ポリマーを溶解しかつ貧溶媒と混和する溶媒であれば、特に定めるものではなく、2種類以上の良溶媒の混合溶媒であってもよい。
本発明で用いる良溶媒は、イオン性ポリマー粒子分散液から、容易に除去が可能な有機溶媒が好ましい。斯かる溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、1−ブタノール、n−メチルピロリドン、アセトン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、エチレンジアミン、アセトニトリル、メチルエチルケトン、ジメチルスルホキサイド、ジクロロメタン、ジメチルアセトアミドが挙げられる。
The good solvent is not particularly limited as long as it dissolves the ionic polymer and is miscible with the poor solvent, and may be a mixed solvent of two or more good solvents.
The good solvent used in the present invention is preferably an organic solvent that can be easily removed from the ionic polymer particle dispersion. Examples of such solvents include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, 1-butanol, n-methylpyrrolidone, acetone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, ethylenediamine, acetonitrile, methyl ethyl ketone, dimethyl sulfoxide, dichloromethane, and dimethylacetamide.

また、例えば、1〜200nmのサブミクロンオーダーのイオン性ポリマー粒子を含有するためには、貧溶媒とイオン性ポリマー溶液を混合する際、貧溶媒と良溶媒の体積流量比を1:1〜100:1に設定することが好ましく、5:1〜100:1に設定することがより好ましく、10:1〜100:1に設定することがさらに好ましい。さらに、貧溶媒とイオン性ポリマー溶液を混合により、より粒子サイズが小さく、分散安定性に優れたイオン性ポリマー粒子分散液を得るためには、貧溶媒またはイオン性ポリマー溶液に、分散安定剤を含有させるのが好ましい。 For example, in order to contain ionic polymer particles of submicron order of 1 to 200 nm, when mixing the poor solvent and the ionic polymer solution, the volume flow ratio of the poor solvent to the good solvent is 1: 1 to 100. Is preferably set to 1: 1, more preferably 5: 1 to 100: 1, and still more preferably 10: 1 to 100: 1. Furthermore, in order to obtain an ionic polymer particle dispersion having a smaller particle size and excellent dispersion stability by mixing the poor solvent and the ionic polymer solution, a dispersion stabilizer is added to the poor solvent or the ionic polymer solution. It is preferable to contain.

触媒層にはさらに撥水剤を含むものが好ましく、撥水剤としては、撥水性を有する含フッ素樹脂が好ましく、耐熱性および耐酸化性に優れたものがより好ましい。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体を挙げることができる。 The catalyst layer preferably further contains a water repellent. The water repellent is preferably a fluorine-containing resin having water repellency, and more preferably has excellent heat resistance and oxidation resistance. Examples thereof include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer.

活性金属の使用量は、0.03〜10mg/cm2の範囲が電池出力と経済性の観点から適している。活性金属を担持するカーボン材料の質量は、活性金属の質量に対して、0.5〜10倍が適している。プロトン伝導材料の質量は、活性金属担持カーボンの質量に対して、0.1〜0.7倍が適している。 The amount of active metal used is suitably in the range of 0.03 to 10 mg / cm 2 from the viewpoint of battery output and economy. The mass of the carbon material supporting the active metal is suitably 0.5 to 10 times the mass of the active metal. The mass of the proton conductive material is suitably 0.1 to 0.7 times the mass of the active metal-carrying carbon.

電極基材、透過層、あるいは裏打ち材とも呼ばれ、集電機能および水がたまりガスの透過が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用し、撥水化のためにポリテトラフルオロエチレン(PTFE)処理を施したものを使用することもできる。   It is also called an electrode base material, a permeable layer, or a backing material, and plays a role of collecting current and preventing water from accumulating and deteriorating gas permeation. Usually, carbon paper or carbon cloth can be used, and polytetrafluoroethylene (PTFE) treated for water repellency can be used.

また、触媒金属を担持する方法としては、熱還元法、スパッタ法、パルスレーザーデポジション法、真空蒸着法などが挙げられる(例えば、国際公開WO2002/05451
4号パンフレットなど)。
Examples of the method for supporting the catalytic metal include a thermal reduction method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a vacuum deposition method, and the like (for example, International Publication WO2002 / 05451).
No. 4 pamphlet).

電極膜の作製方法について説明する。
ナフィオンに代表される電解質膜を溶媒に溶解し、触媒金属を担持した触媒材料と混合した分散液を分散する。分散液の溶媒はヘテロ環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、N−メチルピロリドン等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールジアルキルエーテル等)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル等)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリン等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)、塩素系溶媒(メチレンクロリド、エチレンクロリド等)、アミド類(N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、アセタミド等)、水等が好ましく用いられ、この中でもヘテロ環化合物、アルコール類、多価アルコール類、アミド類が好ましく用いられる。
A method for manufacturing the electrode film will be described.
An electrolyte membrane typified by Nafion is dissolved in a solvent, and a dispersion mixed with a catalyst material supporting a catalyst metal is dispersed. Solvents of the dispersion are heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl) Ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene glycol dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoalkyl ether, etc.), many Polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, poly Pyrene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), Amides (N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, acetamide and the like), water and the like are preferably used, and among these, heterocyclic compounds, alcohols, polyhydric alcohols and amides are preferably used.

分散方法は、攪拌による方法でも良いが、超音波分散、ボールミル等を用いることもできる。   The dispersion method may be a method using stirring, but ultrasonic dispersion, ball mill, or the like can also be used.

分散液の塗布について説明する。塗布工程においては、上記分散液を用いて、押出成型によって製膜してもよいし、これらの分散液をキャストまたは塗布して製膜してもよい。この場合の支持体は特に限定されないが、好ましい例としては、ガラス基板、金属基板、高分子フィルム、反射板等を挙げることができる。高分子フィルムとしては、トリアセチルセルロース(TAC)等のセルロース系高分子フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のエステル系高分子フィルム、ポリトリフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系高分子フィルム、ポリイミドフィルム等が挙げられる。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、印刷コーティング法等を用いることができる。特に、支持体として導電性多孔質体(カーボンペーパー、カーボンクロス)を用いると直接触媒電極膜が作製できる。   Application of the dispersion will be described. In the coating step, the dispersion may be used to form a film by extrusion molding, or these dispersions may be cast or applied to form a film. The support in this case is not particularly limited, but preferred examples include a glass substrate, a metal substrate, a polymer film, a reflector and the like. Examples of polymer films include cellulose polymer films such as triacetylcellulose (TAC), ester polymer films such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), and fluorine such as polytrifluoroethylene (PTFE). Examples thereof include a polymer film and a polyimide film. The coating method may be a known method, for example, using curtain coating method, extrusion coating method, roll coating method, spin coating method, dip coating method, bar coating method, spray coating method, slide coating method, print coating method, etc. Can do. In particular, when a conductive porous body (carbon paper, carbon cloth) is used as a support, a catalyst electrode membrane can be directly produced.

これらの操作はカレンダーロール、キャストロール等のロールまたはTダイを用いたフィルム成形機で行なうこともでき、プレス機器を用いたプレス成形とすることもできる。さらに延伸工程を追加し、膜厚制御、膜特性改良を行ってもよい。この他の方法として、上記のようにペースト状にした電極触媒を通常のスプレー等を用いて高分子電解質膜に直接噴霧して触媒層を形成する方法等も用いることができる。噴霧時間と噴霧量を調節することで均一な電極触媒層を形成することができる。 These operations can be performed by a film forming machine using a roll such as a calendar roll or a cast roll or a T die, or can be a press forming using a press machine. Further, a stretching process may be added to control film thickness and improve film characteristics. As another method, a method of forming a catalyst layer by directly spraying the electrode catalyst made into a paste as described above onto a polymer electrolyte membrane using a normal spray or the like can be used. A uniform electrode catalyst layer can be formed by adjusting the spraying time and the spraying amount.

塗布工程の乾燥温度は乾燥速度に関連し、材料の性質に応じて選択することができる。好ましくは−20℃〜150℃であり、より好ましくは20℃〜120℃であり、さらに好ましくは50℃〜100℃である。乾燥時間は短時間であるほうが生産性の観点から好ましいが、あまり短時間であると気泡、表面の凹凸、膜の亀裂等の欠陥の原因となる。このため、乾燥時間は1分〜48時間が好ましく、5分〜10時間がより好ましく、10分〜5時間がさらに好ましい。また湿度の制御も重要であり、25〜100%RHが好ましく、50〜95%RHがより好ましい。   The drying temperature of the coating process is related to the drying speed and can be selected according to the properties of the material. Preferably it is -20 degreeC-150 degreeC, More preferably, it is 20 degreeC-120 degreeC, More preferably, it is 50 degreeC-100 degreeC. A short drying time is preferable from the viewpoint of productivity. However, if the drying time is too short, defects such as bubbles, surface irregularities, and film cracks may be caused. For this reason, the drying time is preferably 1 minute to 48 hours, more preferably 5 minutes to 10 hours, and further preferably 10 minutes to 5 hours. Control of humidity is also important, and is preferably 25 to 100% RH, more preferably 50 to 95% RH.

塗布工程における塗布液(分散液)中には金属イオンの含量が少ない物が好ましく、特に遷移金属イオン、中でも鉄イオン、ニッケルイオン、コバルトイオンは少ない物が好ましい。遷移金属イオンの含量は500ppm以下が好ましく、100ppm以下がより好ましい。従って、前述の工程で使用する溶媒も、これらのイオンの含量の低い物が好ましい。   A coating liquid (dispersion) in the coating step preferably has a low content of metal ions, and particularly preferably has a low transition metal ion content, especially iron ions, nickel ions, and cobalt ions. The content of transition metal ions is preferably 500 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less. Therefore, the solvent used in the above-mentioned process is also preferably a solvent having a low content of these ions.

さらに塗布工程を経た後に表面処理を行なってもよい。表面処理としては、粗面処理、表面切削処理、除去処理、コーティング処理を行なってもよく、これらは電解質膜あるいは多孔質導電体との密着を改良できることがある。   Further, the surface treatment may be performed after the coating process. As the surface treatment, rough surface treatment, surface cutting treatment, removal treatment, and coating treatment may be performed, which may improve the adhesion with the electrolyte membrane or the porous conductor.

本発明における電極膜中の触媒層の厚さは5〜200μmが好ましく、10〜100μmが特に好ましい。   The thickness of the catalyst layer in the electrode film in the present invention is preferably from 5 to 200 μm, particularly preferably from 10 to 100 μm.

MEAの作製には、次の4つの方法が好ましい。
(1)プロトン伝導材料塗布法:活性金属担持カーボン、プロトン伝導材料、溶媒を基本要素とする触媒ペースト(インク)を電解質膜の両側に直接塗布し、多孔質導電シートを熱圧着(ホットプレス)して5層構成のMEAを作製する。
(2)多孔質導電シート塗布法:触媒ペーストを多孔質導電シート表面に塗布し、触媒層を形成させた後、電解質膜と熱圧着(ホットプレス)し、5層構成のMEAを作製する。塗布の支持体が異なる以外は上記(1)と同様である。
(3)Decal法:触媒ペーストを支持体(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート等)上に塗布し、触媒層を形成させた後、電解質膜に触媒層のみを熱圧着(ホットプレス)により転写させ3層のMEAを形成させ、多孔質導電シートを圧着し、5層構成のMEAを作製する。
(4)触媒後担持法:白金未担持カーボン材料をプロトン伝導材料とともに混合したインクを電解質膜、多孔質導電シートあるいはPTFE上に塗布・製膜した後、白金イオンを当該電解質膜に含浸させ、白金粒子を膜中で還元析出させて触媒層を形成させる。触媒層を形成させた後は、上記(1)〜(3)の方法にてMEAを作製する。
The following four methods are preferable for the production of MEA.
(1) Proton conductive material coating method: A catalyst paste (ink) based on active metal-supported carbon, proton conductive material, and solvent is directly applied to both sides of the electrolyte membrane, and a porous conductive sheet is thermocompression-bonded (hot press). Thus, a MEA having a five-layer structure is manufactured.
(2) Porous conductive sheet coating method: After a catalyst paste is coated on the surface of the porous conductive sheet to form a catalyst layer, it is thermocompression-bonded (hot pressed) with the electrolyte membrane to produce a MEA having a five-layer structure. The same as (1) above except that the coating support is different.
(3) Decal method: After a catalyst paste is applied on a support (polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet or the like) to form a catalyst layer, only the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane by thermocompression bonding (hot pressing). A three-layer MEA is formed, and a porous conductive sheet is pressure-bonded to produce a five-layer MEA.
(4) Post-catalyst support method: After applying and forming an ink obtained by mixing a platinum-unsupported carbon material together with a proton conductive material on an electrolyte membrane, a porous conductive sheet or PTFE, platinum ions are impregnated in the electrolyte membrane, Platinum particles are reduced and deposited in the film to form a catalyst layer. After forming the catalyst layer, the MEA is produced by the above methods (1) to (3).

ここで、ホットプレス法は、電解質膜を電極膜で挟み、温度および圧力を加える方法である。また、ホットプレスを行う前に、良溶媒を含ませた電解質膜および電極膜を貼り合わせ、ホットプレスの際の温度よりも低温でしばらく静置させることが好ましい(貼り合わせ操作)。貼り合わせ操作の条件に関し、温度は10〜80℃の範囲が好ましく、20〜40℃の範囲がより好ましい。時間は0.1〜10分が好ましく、0.5〜5分がより好ましい。
ホットプレス条件に関し、ホットプレス温度は、好ましくは100℃以上であり、より好ましくは130℃以上、さらに好ましくは150℃以上である。プレス温度の上限は300℃以下が好ましく、250℃以下がさらに好ましい。
Here, the hot press method is a method in which an electrolyte membrane is sandwiched between electrode membranes and temperature and pressure are applied. Further, before performing hot pressing, it is preferable that the electrolyte membrane and electrode film containing a good solvent are bonded together and allowed to stand for a while at a temperature lower than the temperature during hot pressing (bonding operation). Regarding the conditions of the bonding operation, the temperature is preferably in the range of 10 to 80 ° C, more preferably in the range of 20 to 40 ° C. The time is preferably from 0.1 to 10 minutes, more preferably from 0.5 to 5 minutes.
Regarding hot press conditions, the hot press temperature is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 130 ° C. or higher, and further preferably 150 ° C. or higher. The upper limit of the press temperature is preferably 300 ° C. or lower, more preferably 250 ° C. or lower.

上記塩を用いる場合にはさらに以下の工程が必要である。
燃料電池用途として使用するには、本発明における電解質膜の原料となるスルホン化芳香族系高分子がプロトン伝導性を有する必要性がある。そのために、酸との接触によって、電解質膜の塩置換率を接触する前の99%以下にする。電極触媒と高分子電解質膜を接合した後に酸と接触させることによって、電極接合時に受ける熱履歴による膜の含水率およびイオン伝導性の低下を回復させることができる。
When the above salt is used, the following steps are further required.
For use as a fuel cell application, the sulfonated aromatic polymer used as the raw material for the electrolyte membrane in the present invention needs to have proton conductivity. For this purpose, the salt substitution rate of the electrolyte membrane is reduced to 99% or less before the contact by contacting with an acid. By joining the electrode catalyst and the polymer electrolyte membrane and then bringing them into contact with the acid, it is possible to recover the reduction in the moisture content and ion conductivity of the membrane due to the thermal history received during electrode joining.

酸と接触させる方法としては、塩酸、硫酸、硝酸、有機スルホン酸のような酸性水溶液に浸漬または酸性水溶液を噴霧する公知の方法を使用することができるが、浸漬する方法が簡便で好ましい。また、鉱酸である塩酸、硫酸、硝酸を用いる方法が好ましく、硫酸は特に好ましい。使用する酸性水溶液の濃度は、イオン伝導性の低下状況、浸漬温度、浸漬時間等にも依存するが、例えば、0.0001〜5規定の酸性水溶液を好適に用いることができ、0.1〜2規定の範囲がより好ましい。浸漬温度は多くの場合は室温であれば十分に転化することができ、浸漬時間を短縮する場合は、酸性水溶液を加温してもよい。この場合には30〜100℃の範囲が好ましく、50〜95℃の範囲がさらに好ましい。浸漬時間は、酸性水溶液の濃度および浸漬温度に依存するが、概ね10分間〜24時間の範囲で好適に実施することができ、生産性の観点から上記範囲で、6時間以下が好ましく、4時間以下がより好ましい。この酸性溶液に含まれる不純物は1重量%以下が好ましく、0.1%以下がさらに好ましい。 As a method of contacting with an acid, a known method of dipping or spraying an acidic aqueous solution such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, or organic sulfonic acid can be used, but the dipping method is simple and preferable. Further, a method using hydrochloric acid, sulfuric acid or nitric acid which are mineral acids is preferable, and sulfuric acid is particularly preferable. Although the density | concentration of the acidic aqueous solution to be used is dependent also on the ionic conductivity fall state, immersion temperature, immersion time, etc., 0.0001-5 normal acidic aqueous solution can be used suitably, for example, 0.1-0.1 A range of 2N is more preferable. In many cases, the immersion temperature can be sufficiently converted at room temperature, and when the immersion time is shortened, the acidic aqueous solution may be heated. In this case, the range of 30 to 100 ° C is preferable, and the range of 50 to 95 ° C is more preferable. Although the immersion time depends on the concentration of the acidic aqueous solution and the immersion temperature, it can be preferably carried out in the range of approximately 10 minutes to 24 hours, and is preferably 6 hours or less in the above range from the viewpoint of productivity, and preferably 4 hours. The following is more preferable. The impurity contained in the acidic solution is preferably 1% by weight or less, and more preferably 0.1% or less.

燃料電池運転の際に、電解質膜の内部を移動するプロトンが酸として機能することによって置換したカチオンが洗い流され、より高いイオン伝導性を発現させる方法等も用いることができる。このようにして製造された膜電極接合体を用いて燃料電池を製造する方法を説明する。   When the fuel cell is operated, a method in which the proton moving inside the electrolyte membrane functions as an acid to wash away the substituted cation and develop higher ion conductivity can be used. A method for producing a fuel cell using the membrane electrode assembly produced in this manner will be described.

固体高分子電解質型燃料電池は、MEA、集電体、燃料電池フレーム、ガス供給装置等より構成される。このうち、集電体(バイポーラプレート)は、表面等にガス流路を有するグラファイト製または金属製の流路形成材兼集電体である。こうした集電体の間にMEAを挿入して複数積み重ねることにより、燃料電池スタックを作製することができる。   The solid polymer electrolyte fuel cell includes an MEA, a current collector, a fuel cell frame, a gas supply device, and the like. Of these, the current collector (bipolar plate) is a graphite or metal flow path forming material and current collector having a gas flow path on the surface or the like. By inserting a plurality of MEAs between such current collectors and stacking them, a fuel cell stack can be produced.

燃料電池の作動温度は、高温であるほど触媒活性が上がるために好ましいが、通常は水分管理が容易な50℃〜120℃で運転させる。酸素や水素の供給圧力は、高いほど燃料電池出力が高まるため好ましいが、電解質膜の破損等によって両者が接触する確率も増加するため適当な圧力範囲例えば1気圧から3気圧の範囲に調整することが好ましい。   The higher the operating temperature of the fuel cell is, the higher the catalyst activity is. However, the fuel cell is usually operated at 50 to 120 ° C. where water management is easy. The higher the supply pressure of oxygen and hydrogen, the higher the output of the fuel cell, which is preferable. However, since the probability of contact between the two due to damage to the electrolyte membrane also increases, the pressure should be adjusted to an appropriate pressure range, for example, 1 to 3 atmospheres. Is preferred.

本発明の燃料電池の燃料として用いることのできるのは、アノード燃料としては、水素、アルコール類(メタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど)、エーテル類(ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど)、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられる。カソード燃料としては、酸素(大気中の酸素も含む)、過酸化水素などが挙げられる。   The anode fuel that can be used as the fuel of the fuel cell of the present invention includes hydrogen, alcohols (methanol, isopropanol, ethylene glycol, etc.), ethers (dimethyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane, etc.), formic acid, Examples thereof include borohydride complexes and ascorbic acid. Examples of the cathode fuel include oxygen (including oxygen in the atmosphere) and hydrogen peroxide.

上記アノード燃料およびカソード燃料を、それぞれの触媒層に供給する方法には、(1)ポンプ等の補機を用いて強制循環させる方法(アクティブ型)と、(2)補機を用いない方法(例えば、液体の場合には毛管現象や自然落下により、気体の場合には大気に触媒層を晒し供給するパッシブ型)の2通りがあり、これらを組み合わせることも可能である。前者は、反応ガスの加圧調湿等を行い、高出力化ができる等の利点がある反面、より小型化がし難い欠点がある。後者は、小型化が可能な利点がある反面、高い出力が出にくい欠点がある。   The methods for supplying the anode fuel and the cathode fuel to the respective catalyst layers include (1) a method of forced circulation using an auxiliary device such as a pump (active type), and (2) a method not using an auxiliary device ( For example, in the case of a liquid, there are two types, ie, a passive type in which a catalyst layer is exposed to the atmosphere and supplied to the atmosphere in the case of a gas due to capillary action or natural fall, and these can be combined. The former is advantageous in that the pressure and humidity of the reaction gas can be adjusted to increase the output, but there is a drawback that it is difficult to reduce the size. The latter is advantageous in that it can be miniaturized, but has a drawback that high output is difficult to obtain.

燃料電池の単セル電圧は一般的に1.2V以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて
、単セルを直列スタッキングして用いる。スタッキングの方法としては、単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」および、単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレーターを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。前者は、カソード極(空気極)が表面に出るため、空気を取り入れ易く、薄型にできることから小型燃料電池に適している。この他にも、MEMS技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も提案されている。
Since the single cell voltage of the fuel cell is generally 1.2 V or less, the single cells are used in series stacking according to the required voltage of the load. As the stacking method, “planar stacking” in which the single cells are arranged on a plane and “bipolar stacking” in which the single cells are stacked via separators having fuel flow paths formed on both sides are used. The former is suitable for a small fuel cell because the cathode electrode (air electrode) comes out on the surface, so that air can be easily taken in and can be made thin. In addition to this, a method of applying MEMS technology, performing fine processing on a silicon wafer, and stacking has been proposed.

燃料電池は、自動車用、家庭用、携帯機器用など様々な利用が考えられているが、特に、水素型燃料電池は、高出力が得られる利点を活かし、様々な家庭用給湯発電装置、輸送機器の動力、携帯電子機器のエネルギー源としての利用が期待されている。例えば、好ましく適用できる給湯発電装置としては、家庭用、集合住宅用、病院用、輸送機器としては、自動車、船舶、携帯機器としては、携帯電話、モバイルノートパソコン、電子スチルカメラなどが挙げられる。好ましく適用できるポータブル機器としては、ポータブル発電機、野外照明機器などが挙げられる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された2次電池の充電用電源としても有用である。さらに非常用電源の用途も提案されている。   Fuel cells are considered to be used in various applications such as automobiles, homes, and portable devices. In particular, hydrogen fuel cells take advantage of the high output and make use of various types of hot water generators for home use and transportation. It is expected to be used as a power source for devices and as an energy source for portable electronic devices. For example, hot water generators that can be preferably applied include homes, apartment houses, hospitals, transportation equipment such as automobiles, ships, and portable equipment such as mobile phones, mobile notebook computers, and electronic still cameras. Examples of portable devices that can be preferably applied include portable generators and outdoor lighting devices. It can also be preferably used as a power source for industrial or household robots or other toys. Furthermore, it is also useful as a power source for charging secondary batteries mounted on these devices. In addition, the use of an emergency power supply has been proposed.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.

[平均分子量]
ポリマーの平均分子量は、溶媒にN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)を用い、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
[Average molecular weight]
The average molecular weight of the polymer was determined as a molecular weight in terms of polystyrene by gel permeation chromatography (GPC) using N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent.

[イオン交換容量]
ポリマーを所定量計り取り、1NのNaOH水溶液に12時間浸漬し、過剰量のNaOHを、pHメーターを用いて、1Nの塩酸により中和滴定した。初期のNaOHのモル量と中和に要したHClのモル量の差から、ポリマー中のスルホン酸量を計算した。これを上記所定量(ポリマー量)で割ることにより単位重量あたりのイオン交換容量を計算した。
[Ion exchange capacity]
A predetermined amount of the polymer was weighed and immersed in a 1N NaOH aqueous solution for 12 hours, and an excess amount of NaOH was neutralized and titrated with 1N hydrochloric acid using a pH meter. From the difference between the initial molar amount of NaOH and the molar amount of HCl required for neutralization, the amount of sulfonic acid in the polymer was calculated. By dividing this by the predetermined amount (polymer amount), the ion exchange capacity per unit weight was calculated.

[耐久性試験]
高湿運転、低湿運転を繰り返す燃料電池の模擬試験として、MEAをPTFEメッシュに挟み、水中で2時間煮沸し、室温送風乾燥2時間のサイクルを10回繰り返した。
[Durability test]
As a simulation test of a fuel cell in which high humidity operation and low humidity operation are repeated, MEA was sandwiched between PTFE meshes, boiled in water for 2 hours, and a room temperature blow drying 2 hour cycle was repeated 10 times.

[合成例1]
(スルホン化ポリスルホン1)
PolymerPreprints(2000),41(1),237を参考に、スルホン化モノマーを調製した。4,4'−ジクロロジフェニルスルホン(DCDPS)を発煙硫酸と反応させたのに続いて、塩化ナトリウムおよび水酸化ナトリウムで中和した。この求電子性芳香族置換プロセスにより、スルホニル基がメタ位置にあり塩素基がオルト位置にある誘導体が得られた。この化学構造を、H−NMR、C−NMR、質量分析法、赤外スペクトルおよび元素分析により確認した。80%近い収率で、予想された構造が得られた。この化合物をSDCDPSと称する。
[Synthesis Example 1]
(Sulfonated polysulfone 1)
A sulfonated monomer was prepared with reference to PolymerPreprints (2000), 41 (1), 237. 4,4′-Dichlorodiphenylsulfone (DCDPS) was reacted with fuming sulfuric acid followed by neutralization with sodium chloride and sodium hydroxide. This electrophilic aromatic substitution process resulted in a derivative with the sulfonyl group in the meta position and the chlorine group in the ortho position. This chemical structure was confirmed by H-NMR, C-NMR, mass spectrometry, infrared spectrum and elemental analysis. The expected structure was obtained with a yield of close to 80%. This compound is referred to as SDCDPS.

スルホン化ポリ(アリーレンエーテルスルホン)1を、ジハライド(DCDPS+SDCDPS)の全濃度に対して40%のSDCDPSで、ビフェノールと反応させ合成した。この重合体合成(スキーム1)は、NMP(共沸剤として、トルエンを含有)中にて、制御した量のスルホン化活性化ハライド(SDCDPS)、4,4'−ジクロロジフェニルスルホンおよびビフェノールを縮合する工程を包含する。置換した活性化ハライドは、明らかに反応性が低く、溶解性が低かった。それゆえ、高分子化に必要な温度は、通常よりもある程度高かった(約190℃まで)。これらの重合は、SDCDPSのナトリウム塩形態で行い、そのスルホン酸塩の非常に高い安定性を利用した。以上の操作によりスルホン化ポリスルホン1を得た。そのNMRスペクトルからほぼ仕込み比どおりの共重合体が得られていることが分かった。DMF溶媒にてGPCを用いて分子量分布を測定したところ、数平均分子量として76,000、重量平均分子量として211,000の値が得られた。これらのナトリウムスルホネート基の導入は、FT−IRスペクトルでも確認し、この場合、1030cm-1および1098cm-1での強力で特徴的なピークは、SO3Naの対称ストレッチおよび非対称ストレッチに帰属した。 Sulfonated poly (arylene ether sulfone) 1 was synthesized by reacting with biphenol at 40% SDCDPS relative to the total concentration of dihalide (DCDPS + SDCDPS). This polymer synthesis (Scheme 1) condenses a controlled amount of sulfonated activated halide (SDCDPS), 4,4′-dichlorodiphenylsulfone and biphenol in NMP (containing toluene as an azeotropic agent). The process of carrying out is included. The substituted activated halide was clearly less reactive and less soluble. Therefore, the temperature required for polymerization was somewhat higher than usual (up to about 190 ° C.). These polymerizations were performed in the sodium salt form of SDCDPS and utilized the very high stability of the sulfonate. The sulfonated polysulfone 1 was obtained by the above operation. From the NMR spectrum, it was found that a copolymer having almost the same charge ratio was obtained. When the molecular weight distribution was measured using GPC in a DMF solvent, the number average molecular weight was 76,000, and the weight average molecular weight was 211,000. The introduction of these sodium sulfonate groups was also confirmed in the FT-IR spectrum, where the strong and characteristic peaks at 1030 cm −1 and 1098 cm −1 were attributed to symmetric and asymmetric stretches of SO 3 Na.

Figure 2007287675
Figure 2007287675

[合成例2]
(スルホン化ポリスルホン2)
スルホン化ポリスルホン1におけるビスフェノールを等モル換算で4,4'−(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフェノールに置き換え同様な操作を行いスルホン化ポリスルホン2を得た。そのNMRスペクトルからほぼ仕込み比どおりの共重合体が得られていることが分かった。DMF溶媒にてGPCを用いて分子量分布を測定したところ、数平均分子量は68,000、重量平均分子量は200,000であった。ナトリウムスルホネート基の導入は、FT−IRで確認した。
[Synthesis Example 2]
(Sulfonated polysulfone 2)
The bisphenol in the sulfonated polysulfone 1 was replaced with 4,4 ′-(hexafluoroisopropylidene) diphenol in equimolar conversion, and the same operation was performed to obtain a sulfonated polysulfone 2. From the NMR spectrum, it was found that a copolymer having almost the same charge ratio was obtained. When molecular weight distribution was measured using GPC in a DMF solvent, the number average molecular weight was 68,000, and the weight average molecular weight was 200,000. The introduction of the sodium sulfonate group was confirmed by FT-IR.

Figure 2007287675
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[合成例3]
(スルホン化ポリスルホン3の合成)
モノマーとして、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−クロロフェニルフェニル)スルホンを用い、丸善:第4版実験化学講座、28巻、高分子合成、P.357に記載の一般的な重合法に従い、ポリスルホンを合成した。
その後、SnCl4を加えたクロロメチルメチルエーテル(ClCH2OCH3)を、前記ポリスルホンを1,1,2,2−テトラクロロエタンに溶かした溶液に加えた。
カリウムーtert−ブトキシド((CH33COK))および3−メルカプト−1−プロパンスルホン酸ナトリウム(HS−(CH23−SO3Na)を入れ、脱水ジメチルホルムアミド(DMF)を加えた。上記で合成したクロロメチル化ポリスルホンを脱水DMFに溶かしたものを、上記で作製した溶液が入った三口フラスコに滴下ロートを用いて加え、反応させた。その後、吸引ろ過を行い沈殿部とろ液に分け、沈殿部を乾燥させ、スルホン化ポリスルホン3化合物を得た。
スルホン化ポリスルホン3をN,N−ジメチルアセトアミドに分散後攪拌することで溶解させ、20重量%のドープを得た。これを平均孔径0.45μmのPTFE製ミクロフィルターでろ過し、ガラス板上に流延、アプリケータ−を用いて展開した。これを室温から徐々に温度を上げて乾燥を行なった。ガラス板から剥離することでスルホン化ポリスルホン1のナトリウム塩型の膜が得られた。これを希塩酸中に浸漬し、プロトン型に変換した後、水洗、乾燥することでプロトン型のスルホン化ポリスルホン3のイオン交換膜を得た。製膜およびプロトン型に交換した後のイオン交換容量は1.29meq/gであった。
[Synthesis Example 3]
(Synthesis of sulfonated polysulfone 3)
As a monomer, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane and bis (4-chlorophenylphenyl) sulfone were used. Maruzen: 4th edition, Experimental Chemistry Course, Vol. 28, Polymer Synthesis, p. According to the general polymerization method described in 357, polysulfone was synthesized.
Thereafter, chloromethyl methyl ether (ClCH 2 OCH 3 ) to which SnCl 4 was added was added to a solution in which the polysulfone was dissolved in 1,1,2,2-tetrachloroethane.
Put potassium chromatography tert- butoxide ((CH 3) 3 COK) ) and 3-mercapto-1-propane sulfonate (HS- (CH 2) 3 -SO 3 Na), was added dehydrated dimethylformamide (DMF). A solution of the chloromethylated polysulfone synthesized above in dehydrated DMF was added to the three-necked flask containing the solution prepared above using a dropping funnel and allowed to react. Thereafter, suction filtration was performed to separate the precipitate portion and the filtrate, and the precipitate portion was dried to obtain a sulfonated polysulfone 3 compound.
The sulfonated polysulfone 3 was dispersed in N, N-dimethylacetamide and dissolved by stirring to obtain a 20% by weight dope. This was filtered through a PTFE microfilter having an average pore diameter of 0.45 μm, cast on a glass plate, and developed using an applicator. This was gradually heated from room temperature and dried. By peeling from the glass plate, a sodium salt-type membrane of sulfonated polysulfone 1 was obtained. This was immersed in dilute hydrochloric acid, converted into a proton type, washed with water, and dried to obtain an ion exchange membrane of proton type sulfonated polysulfone 3. The ion exchange capacity after film formation and proton exchange was 1.29 meq / g.

Figure 2007287675
Figure 2007287675

[膜作製]
スルホン化ポリスルホン1、スルホン化ポリスルホン2またはスルホン化ポリスルホン3をN,N−ジメチルアセトアミドに分散後攪拌することで溶解させ、20重量%のドープを得た。これを平均孔径0.45μmのPTFE製ミクロフィルターでろ過し、ガラス板上に流延、アプリケータ−を用いて展開した。これを室温から徐々に温度を上げて乾燥を行なった。ガラス板から剥離することでスルホン化ポリスルホンの塩型の膜が得られた。これを希塩酸中に浸漬し、プロトン型に変換した後、水洗、乾燥することでプロトン型のスルホン化ポリスルホンの膜(酸型)を得た。スルホン化ポリスルホンの膜(酸型)ではイオン交換容量がスルホン化ポリスルホン1では1.28meq/g、スルホン化ポリスルホン2では1.25meq/g、スルホン化ポリスルホン3では1.29meq/gであった。
[Film preparation]
Sulfonated polysulfone 1, sulfonated polysulfone 2 or sulfonated polysulfone 3 was dispersed in N, N-dimethylacetamide and dissolved by stirring to obtain a 20 wt% dope. This was filtered through a PTFE microfilter having an average pore diameter of 0.45 μm, cast on a glass plate, and developed using an applicator. This was gradually heated from room temperature and dried. By peeling from the glass plate, a sulfonated polysulfone salt-type membrane was obtained. This was immersed in dilute hydrochloric acid, converted into a proton type, washed with water and dried to obtain a proton-type sulfonated polysulfone membrane (acid type). The ion exchange capacity of the sulfonated polysulfone membrane (acid type) was 1.28 meq / g for sulfonated polysulfone 1, 1.25 meq / g for sulfonated polysulfone 2, and 1.29 meq / g for sulfonated polysulfone 3.

(比較例1)
(1)電極膜の作製
(1−1) 電極膜の作製
白金担持カーボン(VulcanXC72(田中貴金属(株)製)に白金48質量%が担持)2gとスルホン化ポリスルホン1の溶液(5%N−メチル−2−ピロリドン溶液)15gを混合し、超音波分散機で45分間分散させた。得られた分散物を補強材入りポリテトラフルオロエチレンフィルム(サンゴバン製)上にバーコータを用いて塗設し、常圧下、40℃で加熱乾燥した後、さらに減圧下加熱乾燥(温度:60℃、時間:8時間)した。所定の大きさに打ち抜き、白金担持量が0.2mg/cm2となる電極膜を作製した。
(Comparative Example 1)
(1) Production of electrode membrane (1-1) Production of electrode membrane A solution of 2 g of platinum-supported carbon (48 mass% of platinum supported on Vulcan XC72 (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.)) and sulfonated polysulfone 1 (5% N- 15 g of methyl-2-pyrrolidone solution) was mixed and dispersed with an ultrasonic disperser for 45 minutes. The obtained dispersion was coated on a polytetrafluoroethylene film (made by Saint-Gobain) containing a reinforcing material using a bar coater, and heated and dried at 40 ° C. under normal pressure, followed by further drying under reduced pressure (temperature: 60 ° C., Time: 8 hours). An electrode film having a platinum loading of 0.2 mg / cm 2 was produced by punching to a predetermined size.

(2)MEAの作製
作製したポリスルホン1の電解質膜(塩型)の両面に上記で得られた電極膜を塗布面がプロトン伝導膜に接するように張り合わせ、経時後、180℃、3MPa、2分間で熱圧着し、圧力をかけたまま降温した後、電極膜の作製に用いたベースを剥離することで、MEAを作製した。ここで、熱圧着は良溶媒を用いずに行った。この後、0.5モル/Lの希硫酸に浸漬し2時間90℃に加熱、水洗後、2時間水に浸漬し、乾燥した。
(2) Production of MEA The electrode membrane obtained above was bonded to both sides of the produced polysulfone 1 electrolyte membrane (salt type) so that the coated surface was in contact with the proton conducting membrane, and after aging, 180 ° C., 3 MPa, 2 minutes Then, the temperature was lowered while applying pressure, and then the base used for the production of the electrode film was peeled off to produce an MEA. Here, the thermocompression bonding was performed without using a good solvent. Then, it was immersed in 0.5 mol / L dilute sulfuric acid, heated at 90 ° C. for 2 hours, washed with water, immersed in water for 2 hours, and dried.

(3)燃料電池特性
(2)で得られたMEAに電極と同サイズにカットしたE−TEK製ガス拡散電極を積層し、エレクトロケム社製標準燃料電池試験セルにセットし、試験セルを燃料電池評価システム((株)エヌエフ回路設計ブロック製、As−510)に接続した。アノード側に加湿した水素ガスを、カソード側に加湿した模擬大気を流し、電圧が安定するまで運転した。その後、アノード電極12とカソード電極13間に、負荷をかけて電流−電圧特性から最大出力および電流遮断法による平均のセル面積抵抗値を記録した。
(3) A gas diffusion electrode made of E-TEK cut to the same size as the electrode is laminated on the MEA obtained in the fuel cell characteristics (2), set in a standard fuel cell test cell manufactured by Electrochem, and the test cell as fuel The battery was connected to a battery evaluation system (manufactured by NF Circuit Design Block, As-510). A humidified hydrogen gas was supplied to the anode side and a simulated atmosphere was supplied to the cathode side, and the operation was continued until the voltage was stabilized. Thereafter, a load was applied between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13, and the maximum output and the average cell area resistance value by the current interruption method were recorded from the current-voltage characteristics.

(比較例2)
上記比較例1においてポリスルホン1をポリスルホン2に置き換えた他は同様に操作を行なった。
(Comparative Example 2)
The same operation was performed except that polysulfone 1 was replaced with polysulfone 2 in Comparative Example 1 above.

(比較例3)
上記比較例1においてポリスルホン1をポリスルホン3に置き換えた他は同様に操作を行なった。
(Comparative Example 3)
The same operation was performed except that polysulfone 1 was replaced with polysulfone 3 in Comparative Example 1 above.

(比較例4)
上記比較例3において電極膜の作製を以下のように変更した他は同様に操作を行なった。
(1−2)電極膜の作製
上記プロトン型スルホン化ポリスルホン3化合物を良溶媒であるN−メチルピロリドンに溶解し、3%のイオン性ポリマー溶液を得た。貧溶媒とイオン性ポリマー溶液を連続的に混合してイオン性ポリマー粒子分散液を得た。貧溶媒としては水を使用した。イオン性ポリマー溶液と貧溶媒の供給流量はそれぞれ20ml/minと50ml/minとした。ここで、イオン性ポリマー液の温度は、45℃で、貧溶媒は25℃で、供給した。このイオン性ポリマー粒子分散のイオン性ポリマー粒子の体積平均粒子サイズが170nmであった。上記イオン性ポリマー溶液を濃縮し、n−プロピルアルコールにより溶媒置換して5重量%溶液としてバインダー溶液を調整した。
白金担持カーボン(VulcanXC72に白金50質量%が担持)2gと前記イオン性ポリマー粒子分散液15gを混合し、超音波分散器で30分間分散させた。得られた分散物を補強材入りポリテトラフルオロエチレンフィルム(サンゴバン製)上に塗設し、常圧下、40℃で加熱乾燥した後、さらに減圧下加熱乾燥した(温度:60℃、時間:8時間)。所定の大きさに打ち抜き、白金担持量が0.2mg/cm2となる電極膜を作製した。
(Comparative Example 4)
The same operation was performed except that the production of the electrode film in Comparative Example 3 was changed as follows.
(1-2) Production of Electrode Film The proton sulfonated polysulfone 3 compound was dissolved in N-methylpyrrolidone, which is a good solvent, to obtain a 3% ionic polymer solution. The poor solvent and the ionic polymer solution were continuously mixed to obtain an ionic polymer particle dispersion. Water was used as the poor solvent. The supply flow rates of the ionic polymer solution and the poor solvent were 20 ml / min and 50 ml / min, respectively. Here, the temperature of the ionic polymer liquid was 45 ° C., and the poor solvent was supplied at 25 ° C. The volume average particle size of the ionic polymer particles dispersed in this ionic polymer particle was 170 nm. The ionic polymer solution was concentrated, and the solvent was replaced with n-propyl alcohol to prepare a binder solution as a 5 wt% solution.
2 g of platinum-supporting carbon (50 mass% of platinum supported on Vulcan XC72) and 15 g of the ionic polymer particle dispersion were mixed and dispersed with an ultrasonic disperser for 30 minutes. The obtained dispersion was coated on a reinforcing polytetrafluoroethylene film (manufactured by Saint-Gobain), heat-dried at 40 ° C under normal pressure, and further heat-dried under reduced pressure (temperature: 60 ° C, time: 8). time). An electrode film having a platinum loading of 0.2 mg / cm 2 was produced by punching to a predetermined size.

(実施例1)
上記比較例1の電極膜の作製工程において電極膜の乾燥減量が2%となるまで乾燥を行い、MEAの作製工程において貼り合わせ後の経時を1分として、以下は同様に操作を行なった。
乾燥減量の測定は乾燥後のベース重量を除いた電極膜から真空加熱下乾燥のベース重量を除いた電極膜の重量を差し引き、これを真空加熱下乾燥のベース重量を除いた電極膜の重量で割ることで求めた。従って乾燥減量は電極膜の含溶媒量に対応する。
Example 1
In the electrode film production process of Comparative Example 1, the electrode film was dried until the loss on drying of the electrode film reached 2%. In the MEA production process, the time after bonding was 1 minute, and the following operations were performed in the same manner.
The loss on drying is measured by subtracting the weight of the electrode film excluding the base weight for drying under vacuum heating from the electrode film excluding the base weight after drying. Obtained by dividing. Therefore, the loss on drying corresponds to the solvent content of the electrode film.

(実施例2)
上記実施例1においてスルホン化ポリスルホン1をスルホン化ポリスルホン2に置き換え、MEAの作成工程において貼り合わせ後の経時を3分とした他は同様にして操作を行なった。
(Example 2)
In Example 1, the sulfonated polysulfone 1 was replaced with the sulfonated polysulfone 2, and the operation was performed in the same manner except that the elapsed time after bonding was 3 minutes in the MEA preparation process.

(実施例3)
上記実施例2において電極膜の乾燥減量が4%となるまで乾燥を行い、MEAの作成工程において貼り合わせ後の経時を1分とした他は同様にして操作を行なった。
Example 3
The operation was performed in the same manner as in Example 2 except that the electrode film was dried until the loss on drying of the electrode film reached 4%, and the elapsed time after bonding was 1 minute in the MEA preparation process.

(実施例4)
上記比較例2のMEA作成工程においてN−メチルピロリドンを電解質膜に対して0.14mg/cm2となるように両面に噴霧し、貼り合わせ後の経時を5分とした以外は同様に操作を行なった。
Example 4
In the MEA preparation process of Comparative Example 2 above, N-methylpyrrolidone was sprayed on both sides so as to be 0.14 mg / cm 2 with respect to the electrolyte membrane, and the same operation was performed except that the elapsed time after bonding was 5 minutes. I did it.

(実施例5)
上記実施例2においてスルホン化ポリスルホン2用液の溶媒をジメチルスルホキシドにした他は同様にして操作を行なった。
(Example 5)
The same operation as in Example 2 was conducted except that dimethyl sulfoxide was used as the solvent for the sulfonated polysulfone 2 solution.

(実施例6)
上記比較例2においてスルホン化ポリスルホン電解質膜として乾燥減量が3%のものを用いた他は同様に操作を行なった。
(Example 6)
The same operation was performed except that a sulfonated polysulfone electrolyte membrane having a loss on drying of 3% was used in Comparative Example 2 above.

(実施例7)
上記比較例3においてスルホン化ポリスルホン電解質膜として乾燥減量が3%のものを用いた他は同様に操作を行なった。
(Example 7)
The same operation was performed except that a sulfonated polysulfone electrolyte membrane having a loss on drying of 3% was used in Comparative Example 3 above.

(実施例8)
上記比較例4においてスルホン化ポリスルホン電解質膜として乾燥減量が3%のものを用いた他は同様に操作を行なった。
(Example 8)
The same operation as in Comparative Example 4 was conducted except that a sulfonated polysulfone electrolyte membrane having a loss on drying of 3% was used.

Figure 2007287675
Figure 2007287675

図3は本発明および比較例における電解質膜、触媒膜接合部の拡大概略断面図である。比較例においては触媒膜(18)と電解質膜(19)とを積層しているために明瞭な界面が形成されるが、本発明においては良溶媒の効果により両者の間に混合層が形成される。   FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view of the electrolyte membrane / catalyst membrane junction in the present invention and comparative examples. In the comparative example, a clear interface is formed because the catalyst membrane (18) and the electrolyte membrane (19) are laminated, but in the present invention, a mixed layer is formed between the two due to the effect of a good solvent. The

本発明の膜電極接合体は、電池としての抵抗が小さく最大出力も高いこと、および、耐久性模擬試験において変化が無いことが認められた。これらは、膜−電極の密着性が良好であり、膜へのダメージも小さいためと考えられた。 The membrane electrode assembly of the present invention was found to have a low resistance as a battery and a high maximum output, and no change in the durability simulation test. These were considered to be because the film-electrode adhesion was good and the damage to the film was small.

本発明の高分子電解質膜を用いた触媒電極接合膜の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the catalyst electrode joining film | membrane using the polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明の燃料電池の構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the structure of the fuel cell of this invention. 本発明および比較例における膜電極接合体の拡大概略断面図である。It is an expansion schematic sectional drawing of the membrane electrode assembly in this invention and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・膜電極接合体(MEA)
11・・・電解質膜
12・・・アノード電極
12a・・・アノード極多孔質導電シート
12b・・・アノード極触媒膜
13・・・カソード電極
13a・・・カソード極多孔質導電シート
13b・・・カソード極触媒膜
14・・・ガスケット
15・・・アノード極ガス給排口
16・・・カソード極ガス給排口
17・・・集電体
18・・・触媒層
19・・・電解質膜
20・・・触媒層、電解質膜混合層
10 ... Membrane electrode assembly (MEA)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrolyte membrane 12 ... Anode electrode 12a ... Anode electrode porous conductive sheet 12b ... Anode electrode catalyst film 13 ... Cathode electrode 13a ... Cathode electrode porous conductive sheet 13b ... Cathode electrode catalyst membrane 14 ... Gasket 15 ... Anode electrode gas supply / exhaust port 16 ... Cathode electrode gas supply / exhaust port 17 ... Current collector 18 ... Catalyst layer 19 ... Electrolyte membrane 20 ..Catalyst layer and electrolyte membrane mixed layer

Claims (8)

少なくとも、電解質膜と電極膜とを加熱および/または加圧してなる膜電極接合体であって、前記電解質膜が、少なくとも1個のスルホネート部分が結合したスルホン化芳香族系高分子を含み、さらに、前記加熱および/または加圧は、前記電解質膜および電極膜の少なくとも一方に、各々の膜の重量の0.1〜20重量%の範囲で、前記スルホン化芳香族系高分子の良溶媒となる溶媒が含まれている状態で行われるものである膜電極接合体。 A membrane electrode assembly formed by heating and / or pressurizing at least an electrolyte membrane and an electrode membrane, wherein the electrolyte membrane includes a sulfonated aromatic polymer to which at least one sulfonate moiety is bonded; and The heating and / or pressurization is performed by applying a good solvent for the sulfonated aromatic polymer to at least one of the electrolyte membrane and the electrode membrane in the range of 0.1 to 20% by weight of the weight of each membrane. A membrane electrode assembly which is performed in a state in which a solvent is contained. 前記良溶媒がアミド系溶媒、または、スルホキシド系溶媒である、請求項1に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the good solvent is an amide solvent or a sulfoxide solvent. 前記スルホン化芳香族系高分子は、スルホン化ポリスルホンであり、該ポリスルホンのスルホン官能基に隣接した非活性化芳香環に前記スルホネート部分が設けられている、請求項1または2に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode according to claim 1 or 2, wherein the sulfonated aromatic polymer is a sulfonated polysulfone, and the sulfonate moiety is provided on a non-activated aromatic ring adjacent to a sulfone functional group of the polysulfone. Joined body. 前記スルホン化芳香族系高分子が、下記式(1)で表される繰り返し単位またはその塩を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜電極接合体。
式(1)
Figure 2007287675
(式(1)中、mおよびnはそれぞれ正の整数であり、n/n+mは0.001〜1の範囲であり、Yはそれぞれ−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、−P(O)(C65)−およびそれらの組合せからなる群から選択され、Zは単結合、−C(CH32−、−C(CF32−、−C(CF3)(C65)−、−C(O)−、−S(O)2−および−P(O)(C65)−からなる群から選択され、Aはスルホネート基および式(II)で表される基から選択される。)
式(II)
Figure 2007287675
(式(II)中、B1およびB2は、それぞれ、連結基を表し、Xはイオウ原子を含む基を表し、Mはカチオンを表し、m1は1以上の整数を表す。)
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3, wherein the sulfonated aromatic polymer includes a repeating unit represented by the following formula (1) or a salt thereof.
Formula (1)
Figure 2007287675
(In the formula (1), m and n are each a positive integer, n / n + m is in the range of 0.001-1, and Y is -S-, -S (O)-, -S (O ) 2 —, —C (O) —, —P (O) (C 6 H 5 ) —, and combinations thereof, Z is a single bond, —C (CH 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) 2 —, —C (CF 3 ) (C 6 H 5 ) —, —C (O) —, —S (O) 2 — and —P (O) (C 6 H 5 ) — Selected from the group, A is selected from a sulfonate group and a group of formula (II).)
Formula (II)
Figure 2007287675
(In formula (II), B 1 and B 2 each represent a linking group, X represents a group containing a sulfur atom, M represents a cation, and m1 represents an integer of 1 or more.)
前記式(1)において、n/(n+m)は0.1〜0.8の範囲であり、Yは−SO2−または−CO−であり、Zは単結合または−C(CF32−である、請求項4に記載の膜電極接合体。 In the formula (1), n / (n + m) is in the range of 0.1 to 0.8, Y is —SO 2 — or —CO—, and Z is a single bond or —C (CF 3 ) 2. The membrane electrode assembly according to claim 4, which is −. 前記スルホネート部分が、プロトン型、ナトリウム型またはカリウム型である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the sulfonate moiety is proton type, sodium type or potassium type. 前記電極膜の少なくとも一方が、触媒金属の微粒子を含む炭素材からなる導電材料とバインダーとを含み、かつ、該バインダーが、前記式(1)で表される繰り返し単位を含み、前記バインダーに、体積平均粒子サイズが1nm〜200nmであるイオン性ポリマー粒子を含む分散液を用いることを特徴とする、請求項4〜6のいずれか1項に記載の膜電極接合体。 At least one of the electrode films includes a conductive material composed of a carbon material containing fine particles of a catalytic metal and a binder, and the binder includes a repeating unit represented by the formula (1), and the binder includes: The membrane electrode assembly according to any one of claims 4 to 6, wherein a dispersion liquid containing ionic polymer particles having a volume average particle size of 1 nm to 200 nm is used. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の膜電極接合体を含む燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 1.
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