JP2008031466A - Manufacturing method of polyelectrolyte emulsion and polyelectrolyte emulsion - Google Patents

Manufacturing method of polyelectrolyte emulsion and polyelectrolyte emulsion Download PDF

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竜磨 黒田
Shin Saito
伸 齋藤
Hiroyuki Kurita
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Kentaro Masui
建太朗 増井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte emulsion that manifests high power-generating properties when used as an ion-conductive membrane or an electrode binder which are a member for a fuel cell. <P>SOLUTION: [1] The manufacturing method of the polyelectrolyte emulsion comprises subjecting a polyelectrolyte dispersion, comprising polyelectrolyte particles dispersed in a dispersing medium, to a membrane treatment with a separating membrane. [2] In the manufacturing method of [1], the membrane treatment is a membrane treatment using a dialysis membrane. [3] The polyelectrolyte emulsion is manufactured by either one of the methods above. [4] The polyelectrolyte electrode for a fuel cell is obtained by using the above [3]. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質分散液の膜分離を用いた処理方法に関する。さらには、当該処理方法にて得られる、発電性能に優れる燃料電池を与える高分子電解質エマルションに関する。   The present invention relates to a treatment method using membrane separation of a polymer electrolyte dispersion. Furthermore, the present invention relates to a polymer electrolyte emulsion that is obtained by the treatment method and gives a fuel cell having excellent power generation performance.

従来、スルホン酸基、カルボキシル基、ホスホン酸基などの、親水性基を有する重合体は高分子固体電解質を含む高分子電解質エマルションは、燃料電池の部材である、プロトン伝導膜、あるいは白金担持カーボンなどと複合されて触媒層を形成するためのバインダーとして利用されている。例えば、燃料電池に適用する高分子電解質としては、Dupont社製のNafion(登録商標)、旭化成製のAciplex(登録商標)、旭硝子製のFlemion(登録商標)などが市販されている。これらは、いわゆるフッ素系高分子電解質であり、高分子電解質エマルションとしたとき、分散安定性は比較的良好であるという利点がある。その反面、環境への配慮や低コスト化の観点からは、分子内にフッ素原子をほとんど有さない、非フッ素系高分子電解質と呼ばれる高分子電解質、より好ましくは炭化水素系高分子電解質からなる高分子電解質エマルションが切望されていた。   Conventionally, a polymer having a hydrophilic group such as a sulfonic acid group, a carboxyl group, or a phosphonic acid group is a polymer electrolyte emulsion including a polymer solid electrolyte, a proton conductive membrane or a platinum-supporting carbon that is a member of a fuel cell. And used as a binder to form a catalyst layer. For example, as a polymer electrolyte to be applied to a fuel cell, Nafion (registered trademark) manufactured by Dupont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass, and the like are commercially available. These are so-called fluorine-based polymer electrolytes, and have an advantage that the dispersion stability is relatively good when a polymer electrolyte emulsion is formed. On the other hand, from the viewpoint of consideration for the environment and cost reduction, it is composed of a polymer electrolyte called a non-fluorine polymer electrolyte that has few fluorine atoms in the molecule, more preferably a hydrocarbon polymer electrolyte. A polyelectrolyte emulsion has been eagerly desired.

このような高分子電解質エマルションとして、例えば、特許文献1にはポリオルガノシロキサンを含有することにより耐水性、成膜性の改善された水系分散体を提供することが開示されている。また、特許文献2には、直接メタノール型燃料電池の燃料クロスオーバーを少なくするために表面にイオン性基を有する炭化水素系の微粒子を含む分散体が開示されている。
しかしながら、特許文献1あるいは特許文献2に開示されている高分子電解質エマルションは、高分子電解質粒子の分散安定性が良好でないことから、乳化剤の添加を必要とするものであった。
特開2005−132996号公報(特許請求の範囲) 特開2004−319353号公報(実施例)
As such a polymer electrolyte emulsion, for example, Patent Document 1 discloses providing an aqueous dispersion with improved water resistance and film-forming properties by containing polyorganosiloxane. Patent Document 2 discloses a dispersion containing hydrocarbon fine particles having an ionic group on the surface in order to reduce fuel crossover of a direct methanol fuel cell.
However, the polymer electrolyte emulsion disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2 requires the addition of an emulsifier because the dispersion stability of the polymer electrolyte particles is not good.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-132996 (Claims) JP-A-2004-319353 (Example)

特許文献1、2に開示されている高分子電解質エマルションを用いて、高分子電解質膜を製造すると、該膜には乳化剤が残存しやすく、かかる乳化剤の残存に起因する特性低下が懸念されていた。本発明者らが詳細に検討したところ、このような高分子電解質エマルションを燃料電池用電極に適用すると、乳化剤の存在によって発電性能低下が生じることが判明した。
そこで、本発明の目的は、燃料電池用部材であるイオン伝導膜あるいは電極用バインダーとして用いた場合に、高い発電特性を発現することのできる高分子電解質エマルションの製造方法、ならびに高分子電解質エマルションを提供することにある。
When a polymer electrolyte membrane is produced using the polymer electrolyte emulsion disclosed in Patent Documents 1 and 2, the emulsifier tends to remain in the membrane, and there has been a concern about deterioration in characteristics due to the remaining of the emulsifier. . When the present inventors examined in detail, when such a polymer electrolyte emulsion was applied to the electrode for fuel cells, it became clear that electric power generation performance fall by presence of an emulsifier.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a polymer electrolyte emulsion capable of exhibiting high power generation characteristics when used as an ion conductive membrane or electrode binder as a fuel cell member, and a polymer electrolyte emulsion. It is to provide.

本発明者らは、上記課題すべく鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、
[1]高分子電解質粒子が分散媒中に分散してなる高分子電解質分散液を分離膜で膜分離することを特徴とする高分子電解質エマルションの製造方法
を提供するものである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention. That is, the present invention
[1] To provide a method for producing a polymer electrolyte emulsion, characterized in that a polymer electrolyte dispersion obtained by dispersing polymer electrolyte particles in a dispersion medium is subjected to membrane separation with a separation membrane.

さらに、上記[1]に係る、好適な実施態様として、下記[2]〜[6]を提供する。
[2]上記分離膜が透析膜または限外濾過膜である、[1]の製造方法
[3]上記膜処理が透析膜である、[1]の製造方法
[4]上記高分子電解質粒子に含まれる高分子電解質が、その元素組成におけるフッ素原子の含有量が15重量%以下の高分子電解質である、[1]〜[3]のいずれかの製造方法
[5]上記高分子電解質分散液が、下記の(1)および(2)の工程を経て得られる分散液である、[1]〜[4]のいずれかの製造方法
(1)高分子電解質を、該高分子電解質の良溶媒を含む溶媒に溶解せしめて、高分子電解質溶液を調製する調製工程
(2)(1)で得られた高分子電解質溶液と、該高分子電解質の貧溶媒とを混合する混合工程
[6]上記高分子電解質の良溶媒が、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドおよびジメチルスルホキシドからなる群から選ばれる非プロトン性極性溶媒であることを特徴とする、[5]の製造方法
Furthermore, the following [2] to [6] are provided as preferred embodiments according to the above [1].
[2] The production method of [1], wherein the separation membrane is a dialysis membrane or an ultrafiltration membrane [3] The production method of [1], wherein the membrane treatment is a dialysis membrane [4] The polymer electrolyte particles The production method of any one of [1] to [3], wherein the polymer electrolyte contained is a polymer electrolyte having a fluorine atom content of 15% by weight or less in its elemental composition. [5] The polymer electrolyte dispersion liquid Is a dispersion obtained through the following steps (1) and (2), the production method of any one of [1] to [4] (1) a polymer electrolyte, a good solvent for the polymer electrolyte Mixing step [6] above, wherein the polymer electrolyte solution obtained in the preparation step (2) (1) and the poor solvent of the polymer electrolyte are dissolved in a solvent containing Good solvents for polymer electrolytes are N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylacetoa De, N, characterized in that an aprotic polar solvent selected from the group consisting of N- dimethylformamide and dimethyl sulfoxide, the production method of [5]

また、本発明は、上記いずれかの製造方法に係る下記[7]〜[9]を提供する。
[7][1]〜[6]のいずれかの製造方法を用いて製造される高分子電解質エマルション
[8]高分子電解質エマルションを構成する高分子電解質の良溶媒の含有量が、200ppm以下であることを特徴とする、[7]の高分子電解質エマルション
[9]動的光散乱法により求められる体積平均粒径が100nm〜200μmである、[7]または[8]の高分子電解質エマルション
In addition, the present invention provides the following [7] to [9] related to any one of the above production methods.
[7] Polymer electrolyte emulsion produced using the production method of any one of [1] to [6] [8] The content of the good solvent of the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte emulsion is 200 ppm or less. The polymer electrolyte emulsion of [7], wherein the volume average particle size determined by the dynamic light scattering method is 100 nm to 200 μm, [7] or [8]

上記の高分子電解質エマルションは、固体高分子型燃料電池を構成する部材を製造する上で好適であり、下記[10]〜[12]を提供する。
[10][7]〜[9]の高分子電解質エマルションからなる固体高分子型燃料電池用電極
[11][10]の固体高分子型燃料電池用電極を含むことを特徴とする膜電極接合体
[12][11]の膜電極接合体を含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池燃料電池
Said polymer electrolyte emulsion is suitable when manufacturing the member which comprises a solid polymer type fuel cell, and provides the following [10]-[12].
[10] Electrode for polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte emulsion of [7] to [9] [11] [10] Membrane electrode junction comprising electrode for polymer electrolyte fuel cell of [10] Solid polymer fuel cell fuel cell comprising a membrane electrode assembly of bodies [12] and [11]

本発明によれば、発電特性に優れる燃料電池を与える電極に好適な高分子電解質エマルションを容易に製造することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polymer electrolyte emulsion suitable for the electrode which gives the fuel cell excellent in electric power generation characteristic can be manufactured easily.

以下、本発明について順次説明する。
<高分子電解質分散液の調製>
本発明は、燃料電池、とりわけ燃料電池電極用バインダーに好適に用いることができる、高分子電解質エマルションの製造方法に関して、分離膜による膜分離を行うことを特徴とする。膜分離を行う対象となる、高分子電解質粒子が分散媒中に分散してなる高分子電解質分散液を調製する方法は特に限定されるものではないが、好適な実施態様としては、下記の(1)および(2)での工程を経て得られる分散液が好ましい。
(1)高分子電解質を、該高分子電解質の良溶媒を含む溶媒に溶解せしめて、高分子電解質溶液を調製する調製工程
(2)(1)で得られた高分子電解質溶液と、該高分子電解質の貧溶媒とを混合する混合工程
上記(2)混合工程においては、高分子電解質溶液を、該高分子電解質の貧溶媒に投入・攪拌することにより、該貧溶媒中に高分子電解質を粒子状に析出せしめ、分散液を調製する工程であると好ましい。
なお、該高分子電解質粒子とは、高分子電解質を含有してなる粒子を意味し、高分子電解質からなる粒子、後述するように添加剤を使用する場合は、高分子電解質と添加剤とを含有する粒子を包含するものである。
ここで、「良溶媒」および「貧溶媒」の定義は、「良溶媒」と「貧溶媒」の定義は、25℃における溶媒100gに溶解し得る高分子電解質の重量で規定されるものであり、良溶媒とは、0.1g以上の高分子電解質が可溶な溶媒であり、貧溶媒とは、高分子電解質が0.05g以下しか溶解し得ない溶媒である。これらの溶媒は適用する高分子電解質によって、その溶解度を勘案して選択することができる。
該分散液を製造するための良溶媒および貧溶媒の使用量も、使用する高分子電解質を粒子状に析出できる範囲で適宜最適化できるが、好適には(1)調整工程における高分子電解質溶液の高分子電解質の濃度は、0.1〜10重量%であると、より好ましく、0.5〜5重量%の範囲であると、さらに好ましい。また、(2)混合工程においては、混合する高分子電解質溶液の重量部に対して、使用する貧溶媒が4〜99重量倍であると好ましく、6〜99重量倍であると、さらに好ましく、9〜99重量倍であると、より好ましい。高分子電解質溶液の高分子電解質の濃度および貧溶媒の使用量が、上記の範囲であると、より高分子電解質分散液を得やすいという利点がある。
Hereinafter, the present invention will be sequentially described.
<Preparation of polymer electrolyte dispersion>
The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte emulsion that can be suitably used for a fuel cell, particularly a fuel cell electrode binder, and is characterized by performing membrane separation using a separation membrane. A method for preparing a polymer electrolyte dispersion liquid in which polymer electrolyte particles are dispersed in a dispersion medium, which is a target for membrane separation, is not particularly limited, but preferred embodiments include the following ( A dispersion obtained through the steps 1) and (2) is preferred.
(1) Preparation step (2) for preparing a polymer electrolyte solution by dissolving a polymer electrolyte in a solvent containing a good solvent for the polymer electrolyte, and the polymer electrolyte solution obtained in (1), Mixing step of mixing the poor solvent of the molecular electrolyte (2) In the mixing step, the polymer electrolyte is put into the poor solvent of the polymer electrolyte by stirring and adding the polymer electrolyte solution to the poor solvent. It is preferable that it is a step of precipitating in the form of particles and preparing a dispersion.
The polymer electrolyte particle means a particle containing a polymer electrolyte. When an additive is used as will be described later, a polymer electrolyte and an additive are used. It contains the contained particles.
Here, the definition of “good solvent” and “poor solvent” is defined by the weight of the polymer electrolyte that can be dissolved in 100 g of the solvent at 25 ° C. The good solvent is a solvent in which 0.1 g or more of the polymer electrolyte is soluble, and the poor solvent is a solvent in which the polymer electrolyte can dissolve only 0.05 g or less. These solvents can be selected in consideration of the solubility depending on the applied polymer electrolyte.
The amount of the good solvent and the poor solvent for producing the dispersion can also be optimized as long as the polymer electrolyte to be used can be deposited in the form of particles, but preferably (1) the polymer electrolyte solution in the adjustment step The concentration of the polymer electrolyte is more preferably 0.1 to 10% by weight, and further preferably 0.5 to 5% by weight. In addition, in the mixing step (2), the poor solvent to be used is preferably 4 to 99 times by weight, more preferably 6 to 99 times by weight with respect to parts by weight of the polymer electrolyte solution to be mixed, It is more preferable that it is 9 to 99 times by weight. When the concentration of the polymer electrolyte in the polymer electrolyte solution and the amount of the poor solvent used are within the above ranges, there is an advantage that it is easier to obtain a polymer electrolyte dispersion.

上記高分子電解質溶液を調整する良溶媒としては、上述のように、使用する高分子電解質に対する溶解度を勘案して選択できるものであるが、好ましくは、N,Nジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル―2―ピロリドンが挙げられ、これらを2種以上混合して用いてもよい。これらは、後述する好適な高分子電解質である、炭化水素系高分子電解質に対して、溶解度が比較的高いという利点がある。   As described above, the good solvent for preparing the polymer electrolyte solution can be selected in consideration of the solubility in the polymer electrolyte to be used, but preferably N, N dimethylacetamide, N, N-dimethyl. Examples include formamide, dimethyl sulfoxide, and N-methyl-2-pyrrolidone, and two or more of these may be used in combination. These have an advantage that the solubility is relatively high with respect to a hydrocarbon-based polymer electrolyte, which is a preferable polymer electrolyte described later.

貧溶媒も、同様に溶解度を勘案して選択できる。かかる貧溶媒としては、水、メタノールやエタノールなどのアルコール系溶媒、ヘキサンやトルエンなどの非極性有機溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、塩化メチレン、酢酸エチルなどの極性有機溶媒、もしくはこれらの混合物が用いられる。しかしながら、工業的に使用した場合の環境負荷低減の観点から、水もしくは水を主成分とした溶媒が好ましく用いられる。   The poor solvent can also be selected in consideration of solubility. Examples of the poor solvent include water, alcohol solvents such as methanol and ethanol, nonpolar organic solvents such as hexane and toluene, polar organic solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methylene chloride, and ethyl acetate, or a mixture thereof. However, from the viewpoint of reducing environmental burden when used industrially, water or a solvent containing water as a main component is preferably used.

<高分子電解質>
本発明に使用される高分子電解質は、例えば、スルホン酸基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)、ホスホン酸基(−PO(OH)2)、ホスフィン酸基(−POH(OH))、スルホンイミド基(−SO2NHSO2−)、フェノール性水酸基(−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す))などの陽イオン交換基を有するものである。あるいは第1級ないし第3級アミン基などの陰イオン交換基を有するものである。中でもスルホン酸基またはホスホン酸基を有する高分子電解質がより好ましく、スルホン酸基を有する高分子電解質がさらに好ましい。
<Polymer electrolyte>
The polymer electrolyte used in the present invention includes, for example, a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxyl group (—COOH), a phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ), a phosphinic acid group (—POH (OH )), Sulfonimide groups (—SO 2 NHSO 2 —), phenolic hydroxyl groups (—Ph (OH) (Ph represents a phenyl group)), and the like. Alternatively, it has an anion exchange group such as a primary to tertiary amine group. Among them, a polymer electrolyte having a sulfonic acid group or a phosphonic acid group is more preferable, and a polymer electrolyte having a sulfonic acid group is more preferable.

かかる高分子電解質の代表例としては、例えば(A)主鎖が脂肪族炭化水素からなる高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質;(B)主鎖が芳香環を有する高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質;(C)主鎖に実質的に炭素原子を含まないポリシロキサン、ポリフォスファゼンなどの高分子にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質;(D)(A)〜(C)のスルホン酸基および/またはホスホン酸基導入前の高分子を構成する繰り返し単位から選ばれるいずれか2種以上の繰り返し単位からなる共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基を導入した高分子電解質;(E)主鎖あるいは側鎖に塩基性を有する窒素原子を含み、硫酸やリン酸等の酸性化合物をイオン結合により導入した高分子電解質などが挙げられる。   Representative examples of such a polymer electrolyte include, for example, (A) a polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a polymer whose main chain is composed of an aliphatic hydrocarbon; (B) the main chain is an aromatic ring A polyelectrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group are introduced into a polymer having the following: (C) a sulfonic acid group and a polymer such as polysiloxane and polyphosphazene substantially free of carbon atoms in the main chain And / or polyelectrolyte into which a phosphonic acid group has been introduced; (D) any two or more selected from repeating units constituting the polymer before introduction of the sulfonic acid group and / or phosphonic acid group in (A) to (C) A polymer electrolyte in which a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a copolymer comprising repeating units of: (E) a basic nitrogen atom in the main chain or side chain, and sulfuric acid Such polyelectrolytes introduced by ionic bonding of the acidic compound such as phosphoric acid.

上記(A)の高分子電解質としては、例えば、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(α−メチルスチレン)スルホン酸、などが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (A) include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, poly (α-methylstyrene) sulfonic acid, and the like.

上記(B)の高分子電解質としては、芳香環が直接あるいは2価の基によって連結されて主鎖を形成する高分子であり、かつイオン交換基を有するものである。ここで、2価の基としては、オキシ基、チオキシ基、カルボニル基、スルホニル基等が例示される。かかる高分子電解質としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ(アリーレン・エーテル)、ポリイミド、ポリ((4-フェノキシベンゾイル)-1,4-フェニレン)、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の単独重合体のそれぞれにスルホン酸基が導入されたもの、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール(特開平9−110982号公報)、ホスホン化ポリ(フェニレンエーテル)(J.Appl.Polym.Sci.,18,1969(1974))などが挙げられる。   The polymer electrolyte (B) is a polymer in which aromatic rings are connected directly or by a divalent group to form a main chain, and has an ion exchange group. Here, examples of the divalent group include an oxy group, a thioxy group, a carbonyl group, and a sulfonyl group. Examples of such a polymer electrolyte include polyetheretherketone, polysulfone, polyethersulfone, poly (arylene ether), polyimide, poly ((4-phenoxybenzoyl) -1,4-phenylene), polyphenylene sulfide, and polyphenyl. Those in which a sulfonic acid group is introduced into each of homopolymers such as quinoxalen, sulfoarylated polybenzimidazole, sulfoalkylated polybenzimidazole, phosphoalkylated polybenzimidazole (Japanese Patent Laid-Open No. 9-110882), And phosphonated poly (phenylene ether) (J. Appl. Polym. Sci., 18, 1969 (1974)).

また、上記(C)の高分子電解質としては例えば、ポリフォスファゼンにスルホン酸基が導入されたもの、ホスホン酸基を有するポリシロキサン(Polymer Prep.,41,No.1,70(2000))などが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (C) include those obtained by introducing sulfonic acid groups into polyphosphazene, polysiloxanes having phosphonic acid groups (Polymer Prep., 41, No. 1, 70 (2000)). Etc.

上記(D)の高分子電解質としては、ランダム共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものでも、交互共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものでも、ブロック共重合体にスルホン酸基および/またはホスホン酸基が導入されたものでもよい。ランダム共重合体にスルホン酸基が導入されたものとしては、例えば、特開平11−116679号公報に記載の、スルホン化ポリエーテルスルホン-ジヒドロキシビフェニル共重合体が挙げられる。   As the polymer electrolyte of (D) above, a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into a random copolymer, but a sulfonic acid group and / or a phosphonic acid group is introduced into an alternating copolymer. The sulfonic acid group and / or the phosphonic acid group may be introduced into the block copolymer. Examples of the sulfonic acid group introduced into the random copolymer include a sulfonated polyethersulfone-dihydroxybiphenyl copolymer described in JP-A-11-116679.

上記(D)の高分子電解質において、ブロック共重合体としては、特開2001−250567号公報に記載のスルホン化された芳香族ポリマーブロックを有するブロック共重合体、特開2003−31232号公報、特開2004−359925号公報、特開2005−232439号公報、特開2003−113136号公報等の特許文献に記載の、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンを主鎖構造とするブロック共重合体を挙げられる。また、これらのブロック共重合体の、スルホン酸基の一部または全部をホスホン酸基に置き換えたブロック共重合体が挙げられる。   In the polymer electrolyte of the above (D), as the block copolymer, a block copolymer having a sulfonated aromatic polymer block described in JP-A-2001-250567, JP-A-2003-32322, Examples include block copolymers having a main chain structure of polyetherketone and polyethersulfone described in JP-A-2004-359925, JP-A-2005-232439, and JP-A-2003-113136. It is done. Moreover, the block copolymer which substituted some or all of the sulfonic acid group of these block copolymers by the phosphonic acid group is mentioned.

なお、上記ブロック共重合体は、イオン交換基を有するセグメントと、イオン交換基を実質的に有しないセグメントとを有することが好ましいが、これらのセグメントを一つずつ有するブロック共重合体であってもよく、いずれか一方のセグメントを2つ以上有するブロック共重合体であってもよく、両方のセグメントを2つ以上有するマルチブロック共重合体のいずれであってもよい。   The block copolymer preferably has a segment having an ion exchange group and a segment substantially not having an ion exchange group, and is a block copolymer having one of these segments. Alternatively, it may be a block copolymer having two or more of any one segment, or may be any of a multi-block copolymer having two or more of both segments.

また、上記(E)の高分子電解質としては例えば、特表平11−503262号公報に記載の、リン酸を含有せしめたポリベンズイミダゾールなどが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte (E) include polybenzimidazole containing phosphoric acid described in JP-T-11-503262.

上記に例示した中でも、本発明に適用される高分子電解質は、その元素組成におけるフッ素原子の含有量が15重量%以下である高分子電解質(以下、「炭化水素系高分子電解質」と呼ぶ。なお、元素組成におけるフッ素原子の含有量が15重量%を越えるものを「フッ素系高分子電解質」と呼ぶ)であることが好ましい。かかる炭化水素系高分子電解質は、従来のフッ素系高分子電解質と比較してスルホン酸基の解離度が小さいためか、水媒体中での分散性が悪く、エマルションを安定化するための乳化剤を必要としていた。本発明者らは、このように乳化剤を含むエマルションをバインダーとして、燃料電池の触媒層製造に用いると、該乳化剤が、触媒成分である白金表面に吸着、被毒してしまい、該燃料電池の特性を著しく損なうことを見出した。上記に例示した好適な高分子電解質分散体は、このような乳化剤を使用せずに、分散媒中に炭化水素系高分子電解質からなる高分子電解質粒子を分散させた分散液であり、膜分離を行って得られる高分子電解質エマルションは、高度な分散安定性に加えて、燃料電池用触媒層などに使用した場合、発電性能を向上させることを可能とする。   Among those exemplified above, the polymer electrolyte applied to the present invention is referred to as a polymer electrolyte (hereinafter referred to as “hydrocarbon polymer electrolyte”) having a fluorine atom content of 15 wt% or less in its elemental composition. It is preferable that a fluorine atom content exceeding 15 wt% in the elemental composition is called “fluorine polymer electrolyte”). Such hydrocarbon-based polymer electrolytes have a lower dissociation degree of sulfonic acid groups than conventional fluorine-based polymer electrolytes, or are poorly dispersible in an aqueous medium, so that an emulsifier for stabilizing an emulsion is used. I needed it. When the present inventors use an emulsion containing an emulsifier as a binder in the production of a fuel cell catalyst layer, the emulsifier is adsorbed and poisoned on the platinum surface as a catalyst component. It has been found that the properties are significantly impaired. The preferred polymer electrolyte dispersion exemplified above is a dispersion in which polymer electrolyte particles composed of a hydrocarbon polymer electrolyte are dispersed in a dispersion medium without using such an emulsifier, and membrane separation is performed. In addition to a high degree of dispersion stability, the polymer electrolyte emulsion obtained by performing the step makes it possible to improve the power generation performance when used in a fuel cell catalyst layer or the like.

さらに、本発明の製造方法は、炭化水素系高分子電解質に対して、乳化剤を実質的に使用しなくとも、高度の分散性を維持したまま、発電性能に優れる燃料電池用電極を与える高分子電解質エマルションを製造し得ることにおいて特に効果的であるが、従来のフッ素系高分子電解質に対しても、発電性能向上に寄与することが期待される。かかるフッ素系高分子電解質としては、上記背景技術に記した市販のフッ素系高分子電解質に加え、特開平9−102322号公報に記載された炭化フッ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合によって作られた主鎖と、スルホン酸基を有する炭化水素系側鎖とから構成されるスルホン酸型ポリスチレン−グラフト−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)や、米国特許第4,012,303号公報または米国特許第4,605,685号公報に準拠して得られる、炭化フッ素系ビニルモノマと炭化水素系ビニルモノマとの共重合体に、α,β,β-トリフルオロスチレンをグラフト重合させ、これにクロロスルホン酸、フルオロスルホン酸等のスルホン化剤にてスルホン酸基を導入して得られる樹脂などが例示される。   Furthermore, the production method of the present invention provides a polymer that provides a fuel cell electrode with excellent power generation performance while maintaining a high degree of dispersibility even when an emulsifier is not substantially used for a hydrocarbon polymer electrolyte. Although it is particularly effective in producing an electrolyte emulsion, it is expected to contribute to improvement in power generation performance with respect to conventional fluorine-based polymer electrolytes. As such a fluorine-based polymer electrolyte, in addition to the commercially available fluorine-based polymer electrolyte described in the background art, copolymerization of a fluorine-containing vinyl monomer and a hydrocarbon-based vinyl monomer described in JP-A-9-102322 is performed. A sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) composed of a main chain thus prepared and a hydrocarbon side chain having a sulfonic acid group, and U.S. Pat. No. 4,012,303 No. 4 or US Pat. No. 4,605,685, obtained by graft polymerization of α, β, β-trifluorostyrene onto a copolymer of a fluorocarbon vinyl monomer and a hydrocarbon vinyl monomer, Examples thereof include resins obtained by introducing sulfonic acid groups with a sulfonating agent such as chlorosulfonic acid and fluorosulfonic acid. That.

<膜分離>
次に、本発明に適用する膜分離に関して、好適な実施様態を説明する。
ここで、膜分離法とは分離対象物質の大きさ順に、精密濾過法、限外濾過法、透析法、電気透析法、ナノ濾過法などのように、使用する膜の細孔径により便宜的に分類されている。ここで、精密濾過は、0.1μmより大きい粒子を阻止するものであり、限外濾過は、0.1μm〜2nmの範囲の粒子を阻止するものであり、ナノ濾過は2nmより小さい程度の粒子を阻止するものである。そして逆浸透は加圧により浸透圧差と逆方向に溶媒を移動させるものである。本発明には、これらの分離手段のいずれも使用することができるが、好適には、透析膜を用いた膜分離および/または限外濾過膜を用いた膜分離が好ましく、中でも透析膜を用いた膜分離を用いると、より好ましい。該透析膜の中でも、再生セルロース膜が好適に用いることができる。
透析膜を用いる方法は、濾過法と比較して圧力をかけなくても、処理できることを特徴とし、膜厚みがたいへん薄くできることも特徴である。細孔径は限外濾過膜程度から逆浸透膜程度まで各種のものがある。透析膜の素材としては再生セルロース、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリルなどが使われる。いずれも本発明には、好ましく使用することができる。
透析法に係る、好ましい実施条件としては再生セルロース膜を用い、かかる膜を隔てて一方に高分子電解質分散液を投入した第1の相、他方には適用する高分子電解質分散液調製に用いた貧溶媒を投入した第2の相を配する。第1の相側から、高分子電解質溶液の調製に使用した良溶媒や、高分子電解質製造時の未反応モノマー成分、その他の不純物などが膜を透過して、第2の相側に移動し、第2の相側からは貧溶媒が第1の相側へ移動することで、高分子電解質分散液が、不純物と貧溶媒とが交換されるとともに精製され、好適な高分子電解質エマルションが得られる。かかる膜分離は、通常常温(20〜30℃)程度で実施することが簡便であることから好ましい。
<Membrane separation>
Next, a preferred embodiment of the membrane separation applied to the present invention will be described.
Here, the membrane separation method is convenient depending on the pore size of the membrane to be used, such as microfiltration, ultrafiltration, dialysis, electrodialysis, nanofiltration, etc. It is classified. Here, microfiltration blocks particles larger than 0.1 μm, ultrafiltration blocks particles in the range of 0.1 μm to 2 nm, and nanofiltration particles smaller than 2 nm. Is to prevent. Reverse osmosis is to move the solvent in the opposite direction to the osmotic pressure difference by pressurization. Any of these separation means can be used in the present invention, but preferably membrane separation using a dialysis membrane and / or membrane separation using an ultrafiltration membrane is preferable, and among them, a dialysis membrane is used. It is more preferable to use conventional membrane separation. Among the dialysis membranes, a regenerated cellulose membrane can be suitably used.
The method using a dialysis membrane is characterized in that it can be processed without applying pressure as compared with the filtration method, and the membrane thickness can be made very thin. There are various pore sizes ranging from ultrafiltration membranes to reverse osmosis membranes. As the material of the dialysis membrane, regenerated cellulose, cellulose acetate, polyacrylonitrile and the like are used. Any of them can be preferably used in the present invention.
As a preferred implementation condition related to the dialysis method, a regenerated cellulose membrane was used, and the first phase in which the polymer electrolyte dispersion was added to one side across the membrane, and the other was used for preparation of the applied polymer electrolyte dispersion. A second phase charged with a poor solvent is provided. From the first phase side, the good solvent used for the preparation of the polymer electrolyte solution, unreacted monomer components at the time of polymer electrolyte production, other impurities, etc. permeate the membrane and move to the second phase side. From the second phase side, the poor solvent moves to the first phase side, so that the polymer electrolyte dispersion is purified while the impurities and the poor solvent are exchanged to obtain a suitable polymer electrolyte emulsion. It is done. Such membrane separation is usually preferred because it is simple to carry out at about room temperature (20 to 30 ° C.).

上記膜分離において、上記第1の相側から分離されるものは、燃料電池用部材に適用したとき、発電性能を損なうものと想定される。定かではないが、その1つとして上記高分子電解質分散液の調製で使用した、高分子電解質の良溶媒が想定される。好適な膜分離である透析膜を使用すると、このような良溶媒の除去量は、高分子電解質分散液中に含まれる良溶媒の総量を100重量%としたとき、80重量%以上除去できることが判明している。除去量は90%以上であるとさらに好ましく、実質的に100%であるとより好ましい。かかる膜分離を経て得られる高分子電解質エマルション中に残存する良溶媒の含有量で表すと、高分子電解質エマルションの分散媒の総重量に対して、良溶媒が200ppm以下であると好ましく、100ppm以下であるとより好ましく、良溶媒が実質的に含まれない、すなわち公知の分析手段で検出されない程度まで除去することが、特に好ましい。   In the membrane separation, what is separated from the first phase side is assumed to impair the power generation performance when applied to a fuel cell member. Although it is not certain, the good solvent of the polymer electrolyte used by the preparation of the said polymer electrolyte dispersion liquid is assumed as one of them. When a dialysis membrane that is suitable membrane separation is used, the removal amount of such a good solvent can be removed by 80% by weight or more when the total amount of the good solvent contained in the polymer electrolyte dispersion is 100% by weight. It turns out. The removal amount is more preferably 90% or more, and even more preferably substantially 100%. When expressed by the content of the good solvent remaining in the polymer electrolyte emulsion obtained through such membrane separation, the good solvent is preferably 200 ppm or less, and 100 ppm or less, based on the total weight of the dispersion medium of the polymer electrolyte emulsion. It is more preferable that the good solvent is not substantially contained, that is, it is particularly preferable to remove the good solvent so that it is not detected by a known analysis means.

<高分子電解質エマルジョン>
本発明の製造方法を経て得られる高分子電解質エマルションは、含有する高分子電解質粒子を含めた粒子の平均粒径が、動的光散乱法により求められた体積平均粒子径で表して、100nm〜200μmの範囲である。かかる平均粒径としては、好ましくは、150nm〜10μmの範囲であり、さらに好ましくは、200nm〜1μmの範囲である。高分子電解質粒子の平均粒径が上記の範囲であると、得られる高分子電解質エマルションがより高度の貯蔵安定性を有するものとなり、被膜を形成させたとき、該被膜の均一性が比較的良好となる利点がある。
<Polymer electrolyte emulsion>
In the polymer electrolyte emulsion obtained through the production method of the present invention, the average particle diameter of the particles including the polymer electrolyte particles contained is represented by a volume average particle diameter determined by a dynamic light scattering method, and is 100 nm to The range is 200 μm. The average particle size is preferably in the range of 150 nm to 10 μm, and more preferably in the range of 200 nm to 1 μm. When the average particle diameter of the polymer electrolyte particles is within the above range, the resulting polymer electrolyte emulsion has a higher degree of storage stability, and when the film is formed, the uniformity of the film is relatively good. There is an advantage to become.

さらに、上記の高分子電解質に加え、所望の特性に応じ、燃料電池用電極に適用したとき、触媒の被毒が生じない範囲で他の成分を含んでいてもよい。このような他の成分としては、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、密着助剤、離型剤、保水剤、無機あるいは有機の粒子、増感剤、レベリング剤、着色剤等の添加剤が挙げられ、これらの成分の、触媒被毒能の有無はサイクリックボルタンメトリー法による公知の方法により判定することができる。
このように、本発明により得られる高分子電解質エマルションを、燃料電池用電極の構成成分として使用する場合には、燃料電池の動作中に、該電極において過酸化物が生成し、この過酸化物が拡散しながらラジカル種に変化し、これが該電極と接合しているイオン伝導膜に移動して、該イオン伝導膜を構成しているイオン伝導材料(高分子電解質)を劣化させることがある。この場合、かかる不都合を回避するために、高分子電解質エマルションには、ラジカル耐性を付与し得る安定剤を添加することが好ましい。
これらの他の成分は、上記調製工程において高分子電解質とともに溶媒に溶解して、高分子電解質溶液を調製することにより、本発明の製造方法に適用することができる。
また、このような他の成分は、高分子電解質エマルションを構成する高分子電解質粒子中に含まれていてもよいし、分散媒中に溶解していてもよいし、高分子電解質粒子とは別に、他の成分からなる微粒子として存在していてもよい。
Furthermore, in addition to the above polymer electrolyte, other components may be contained within a range in which catalyst poisoning does not occur when applied to a fuel cell electrode according to desired characteristics. Examples of such other components include plasticizers, stabilizers, adhesion assistants, mold release agents, water retention agents, inorganic or organic particles, sensitizers, leveling agents, colorants, and the like used in ordinary polymers. The presence or absence of catalyst poisoning ability of these components can be determined by a known method using a cyclic voltammetry method.
As described above, when the polymer electrolyte emulsion obtained by the present invention is used as a constituent component of a fuel cell electrode, during the operation of the fuel cell, a peroxide is generated at the electrode. May be converted into radical species while diffusing, and this may move to the ion conductive film bonded to the electrode, thereby deteriorating the ion conductive material (polymer electrolyte) constituting the ion conductive film. In this case, in order to avoid such inconvenience, it is preferable to add a stabilizer capable of imparting radical resistance to the polymer electrolyte emulsion.
These other components can be applied to the production method of the present invention by preparing a polymer electrolyte solution by dissolving in a solvent together with the polymer electrolyte in the preparation step.
Further, such other components may be contained in the polymer electrolyte particles constituting the polymer electrolyte emulsion, dissolved in the dispersion medium, or separately from the polymer electrolyte particles. The fine particles may be present as other components.

<用途>
本発明の製造方法を経て得られる高分子電解質エマルションは、さまざまなフィルム成形法にて、精度のよいフィルムを得ることができる。フィルム成形法としてたとえば、キャストフィルム成形、スプレー塗布、刷毛塗り、ロールコーター、フローコーター、バーコーター、ディップコーターなどが使用できる。塗布膜厚は、用途によって異なるが、乾燥膜厚で、通常、0.01〜1,000μm、好ましくは0.05〜500μmである。
この高分子電解質エマルションは、乾燥膜として燃料電池用プロトン伝導膜や、カーボン、白金触媒と複合されて燃料電池用電極、あるいは基材表面に塗布して改質剤や接着剤として、好適に用いることができる。
<Application>
The polymer electrolyte emulsion obtained through the production method of the present invention can obtain an accurate film by various film forming methods. As the film forming method, for example, cast film forming, spray coating, brush coating, roll coater, flow coater, bar coater, dip coater and the like can be used. The coating film thickness varies depending on the use, but is usually a dry film thickness of 0.01 to 1,000 μm, preferably 0.05 to 500 μm.
This polymer electrolyte emulsion is suitably used as a proton conductive membrane for fuel cells as a dry membrane, a fuel cell electrode combined with carbon or platinum catalyst, or applied to a substrate surface as a modifier or adhesive. be able to.

このような、水素と空気の酸化還元反応を促進する白金などの触媒を含む触媒層と呼ばれる電極を、上記高分子電解質膜の両面に形成したものを膜電極接合体(以下、「MEA」と呼ぶ)、さらに、該MEAにおいて両触媒層の外側にガスを効率的に触媒層に供給するためのガス拡散層を有する形態としたものは、通常、膜電極ガス拡散層接合体(以下、「MEGA」ということもある。)と呼ばれている。   An electrode called a catalyst layer containing a catalyst such as platinum that promotes the oxidation-reduction reaction between hydrogen and air is formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane. Further, in the MEA, a structure having a gas diffusion layer for efficiently supplying gas to the catalyst layer outside both catalyst layers is usually a membrane electrode gas diffusion layer assembly (hereinafter referred to as “ It is also called “MEGA”.)

かかるMEAは、高分子電解質膜上に直接触媒層を形成する方法や、平板支持基材上に触媒層を形成して、これを高分子電解質膜に転写した後、該支持基材を剥離する方法等を用いて製造される。また、カーボンペーパー等のガス拡散層となる基材上に触媒層を形成した後に、これを高分子電解質膜と接合せしめ、MEGAの形態で製造する方法も挙げられる。   Such MEA is a method of directly forming a catalyst layer on a polymer electrolyte membrane, or a catalyst layer is formed on a flat support substrate, which is transferred to the polymer electrolyte membrane, and then the support substrate is peeled off. It is manufactured using a method or the like. Moreover, after forming a catalyst layer on the base material used as gas diffusion layers, such as carbon paper, this is joined with a polymer electrolyte membrane, and the method of manufacturing with the form of MEGA is also mentioned.

本発明の方法で得られる高分子電解質エマルションは、これらのような、プライマーや接着剤、バインダー樹脂、高分子固体電解質膜などに代表される種々用途に応用可能である。
例えば、イオン伝導膜上に、本発明で得られる高分子電解質エマルションと、白金担持カーボンと配合した触媒インクを塗布することにより、MEAを形成すれば、発電特性に極めて優れたMEAを得ることができる。あるいはイオン伝導膜上に本発明で得られる高分子電解質エマルションを塗布し、該エマルション塗膜の乾燥前に電解質と白金担持カーボンが複合された粒子を乗せることにより、MEAを形成すれば、発電特性に極めて優れたMEAを得ることができる。あるいは、膜電極接合体とガス拡散層とを接合するにあたり、本発明の高分子電解質エマルションを接着剤として用いても、発電特性に極めて優れたMEAを得ることができる。
The polymer electrolyte emulsion obtained by the method of the present invention can be applied to various uses such as a primer, an adhesive, a binder resin, and a polymer solid electrolyte membrane.
For example, if an MEA is formed by applying a catalyst ink blended with the polymer electrolyte emulsion obtained in the present invention and platinum-supported carbon on an ion conductive membrane, an MEA with extremely excellent power generation characteristics can be obtained. it can. Alternatively, if the MEA is formed by applying the polymer electrolyte emulsion obtained by the present invention on the ion conductive membrane and placing the composite particles of the electrolyte and platinum-supported carbon before drying the emulsion coating film, the power generation characteristics An extremely excellent MEA can be obtained. Alternatively, when the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are joined, even when the polymer electrolyte emulsion of the present invention is used as an adhesive, an MEA having extremely excellent power generation characteristics can be obtained.

次に、本発明の高分子電解質エマルションにより得られたMEAを備える燃料電池について説明する。   Next, a fuel cell provided with MEA obtained by the polymer electrolyte emulsion of the present invention will be described.

図1は、好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。図1に示すように、燃料電池10は、イオン伝導膜12の両側に、これを挟むように触媒層14a,14bがなり、これが本発明の製造方法で得られるMEA20である。さらに、両面の触媒層には、それぞれ、ガス拡散層16a,16bを備え、該ガス拡散層にセパレータ18a,18bが形成されている。
ここで、MEA20とガス拡散層16a,16bを備えたものが、上述のMEGAである。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a fuel cell according to a preferred embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 has catalyst layers 14a and 14b sandwiching the ion conductive membrane 12 on both sides, and this is the MEA 20 obtained by the manufacturing method of the present invention. Furthermore, the catalyst layers on both sides are provided with gas diffusion layers 16a and 16b, respectively, and separators 18a and 18b are formed in the gas diffusion layers.
Here, the MEGA includes the MEA 20 and the gas diffusion layers 16a and 16b.

ここで触媒層14a,14bは、燃料電池における電極層として機能する層であり、これらのいずれか一方がアノード触媒層となり、他方がカソード触媒層となる。   Here, the catalyst layers 14a and 14b are layers that function as electrode layers in the fuel cell, and either one of them serves as an anode catalyst layer and the other serves as a cathode catalyst layer.

ガス拡散層16a,16bは、MEA20の両側を挟むように設けられており、触媒層14a,14bへの原料ガスの拡散を促進するものである。このガス拡散層16a,16bは、電子伝導性を有する多孔質材料により構成されるものが好ましい。例えば、多孔質性のカーボン不織布やカーボンペーパーが、原料ガスを触媒層14a,14bへ効率的に輸送することができるため、好ましい。   The gas diffusion layers 16a and 16b are provided so as to sandwich both sides of the MEA 20, and promote the diffusion of the raw material gas into the catalyst layers 14a and 14b. The gas diffusion layers 16a and 16b are preferably made of a porous material having electron conductivity. For example, a porous carbon non-woven fabric or carbon paper is preferable because the raw material gas can be efficiently transported to the catalyst layers 14a and 14b.

セパレータ18a,18bは、電子伝導性を有する材料で形成されており、かかる材料としては、例えば、カーボン、樹脂モールドカーボン、チタン、ステンレス等が挙げられる。かかるセパレータ18a,18bは、図示しないが、触媒層14a,14b側に、燃料ガス等の流路となる溝が形成されていると好ましい。   Separator 18a, 18b is formed with the material which has electronic conductivity, As this material, carbon, resin mold carbon, titanium, stainless steel etc. are mentioned, for example. Although not shown, the separators 18a and 18b are preferably provided with grooves serving as flow paths for fuel gas or the like on the catalyst layers 14a and 14b.

そして、燃料電池10は、上述したようなMEGAを、一対のセパレータ18a,18bで挟み込み、これらを接合することで得ることができる。   The fuel cell 10 can be obtained by sandwiching MEGA as described above between a pair of separators 18a and 18b and joining them together.

なお、本発明の燃料電池は、必ずしも上述した構成を有するものに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜異なる構成を有していてもよい。   The fuel cell of the present invention is not necessarily limited to the above-described configuration, and may have a different configuration as long as it does not depart from the spirit of the fuel cell.

また、燃料電池10は、上述した構造を有するものを、ガスシール体等で封止したものであってもよい。さらに、上記構造の燃料電池10は、直列に複数個接続して、燃料電池スタックとして実用に供することもできる。そして、このような構成を有する燃料電池は、燃料が水素である場合は固体高分子形燃料電池として、また燃料がメタノール水溶液である場合は直接メタノール型燃料電池として動作することができる。   The fuel cell 10 may be one having the above-described structure sealed with a gas seal body or the like. Furthermore, a plurality of the fuel cells 10 having the above structure can be connected in series to be put to practical use as a fuel cell stack. The fuel cell having such a configuration can operate as a solid polymer fuel cell when the fuel is hydrogen, and as a direct methanol fuel cell when the fuel is an aqueous methanol solution.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these Examples.

(イオン交換容量の測定方法)
測定に供する高分子電解質を、溶液キャスト法を用いて膜とした。この膜を、加熱温度105℃に設定されたハロゲン水分率計を用いて、その乾燥重量を求めた。次いで、この膜を0.1mol/L水酸化ナトリウム水溶液5mLに浸漬した後、更に50mLのイオン交換水を加え、2時間放置した。その後、この膜が浸漬された溶液に、0.1mol/Lの塩酸を徐々に加えることで滴定を行い、中和点を求めた。そして、膜の乾燥重量と上記の中和に要した塩酸の量から、膜のイオン交換容量(単位:meq/g)を算出した。
(Measurement method of ion exchange capacity)
The polymer electrolyte used for the measurement was made into a membrane using a solution casting method. The dry weight of this membrane was determined using a halogen moisture meter set at a heating temperature of 105 ° C. Next, this membrane was immersed in 5 mL of a 0.1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution, and then 50 mL of ion-exchanged water was added and left for 2 hours. Thereafter, titration was performed by gradually adding 0.1 mol / L hydrochloric acid to the solution in which the membrane was immersed, and the neutralization point was determined. Then, the ion exchange capacity (unit: meq / g) of the membrane was calculated from the dry weight of the membrane and the amount of hydrochloric acid required for the neutralization.

(重量平均分子量の測定方法)
ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)による測定を行い、ポリスチレン換算を行うことによって重量平均分子量を算出された。GPCの測定条件は下記のとおりである。
GPC条件
・GPC測定装置 TOSOH社製 HLC−8220
・カラム Shodex社製 AT−80Mを2本直列に接続
・カラム温度 40℃
・移動相溶媒 DMAc(LiBrを10mmol/dm3になるように添加)
・溶媒流量 0.5mL/min
(Measurement method of weight average molecular weight)
The weight average molecular weight was calculated by measuring by gel permeation chromatography (GPC) and performing polystyrene conversion. The measurement conditions of GPC are as follows.
GPC conditions and GPC measurement device HLC-8220 manufactured by TOSOH
・ Two columns AT-80M made by Shodex are connected in series ・ Column temperature 40 ℃
Mobile phase solvent DMAc (added LiBr to 10 mmol / dm 3 )
・ Solvent flow rate 0.5mL / min

(平均粒径測定方法)
製造されたエマルション中に存在する粒子の平均粒径は、動的光散乱法(濃厚系粒径アナライザーFPAR−1000[大塚電子製])を用いて測定した。測定温度は30℃、積算時間は30min、測定に用いたレーザーの波長は660nmである。得られたデータを、上記装置付属の解析ソフトウェア(FPARシステム VERSION5.1.7.2)を用い、CONTIN法で解析することで散乱強度分布を得、最も頻度の高い粒径を平均粒径とした。
(Average particle size measurement method)
The average particle size of the particles present in the produced emulsion was measured using a dynamic light scattering method (concentrated particle size analyzer FPAR-1000 [manufactured by Otsuka Electronics]). The measurement temperature is 30 ° C., the integration time is 30 minutes, and the wavelength of the laser used for the measurement is 660 nm. The obtained data is analyzed by the CONTIN method by using the analysis software (FPAR system VERSION 5.1.7.2) attached to the above apparatus, and the scattering intensity distribution is obtained. did.

製造例1[4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの合成]
攪拌機を備えた反応器に、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン467gと30%発煙硫酸3500gとを加え、100℃で5時間反応させた。得られた反応混合物を冷却した後、大量の氷水中に加え、これに更に50%水酸化カリウム水溶液470mLを滴下した。
次いで、析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。得られた固体を脱イオン水6.0Lに溶解させ、50%水酸化カリウム水溶液を加えて、pH7.5に調整した後、塩化カリウム460gを加えた。析出した固体を濾過して集め、エタノールで洗浄した後、乾燥させた。
その後、得られた固体をジメチルスルホキシド(以下、「DMSO」と呼ぶ)2.9Lに溶解させ、不溶の無機塩を濾過で除き、残渣をDMSO300mLでさらに洗浄した。得られた濾液に酢酸エチル/エタノール=24/1の溶液6.0Lを滴下し、析出した固体をメタノールで洗浄し、100℃で乾燥させて、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウムの固体482gを得た。
Production Example 1 [Synthesis of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate]
To a reactor equipped with a stirrer, 467 g of 4,4′-difluorodiphenylsulfone and 3500 g of 30% fuming sulfuric acid were added and reacted at 100 ° C. for 5 hours. The obtained reaction mixture was cooled and then added to a large amount of ice water, and 470 mL of a 50% aqueous potassium hydroxide solution was further added dropwise thereto.
Next, the precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried. The obtained solid was dissolved in 6.0 L of deionized water, 50% aqueous potassium hydroxide solution was added to adjust the pH to 7.5, and then 460 g of potassium chloride was added. The precipitated solid was collected by filtration, washed with ethanol, and dried.
Thereafter, the obtained solid was dissolved in 2.9 L of dimethyl sulfoxide (hereinafter referred to as “DMSO”), insoluble inorganic salts were removed by filtration, and the residue was further washed with 300 mL of DMSO. To the obtained filtrate, 6.0 L of a solution of ethyl acetate / ethanol = 24/1 was added dropwise, and the precipitated solid was washed with methanol, dried at 100 ° C., and 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3. 482 g of dipotassium dipotassium disulfonate was obtained.

製造例2[高分子電解質Aの製造]
(スルホン酸基を有する高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、製造例1で得られた4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン−3,3’−ジスルホン酸ジカリウム9.32重量部、2,5−ジヒドロキシベンゼンスルホン酸カリウム4.20重量部、DMSO59.6重量部、及び、トルエン9.00重量部を加え、これらを室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを2.67重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続け、スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液を得た。総加熱時間は14時間であった。得られた溶液は室温にて放冷した。
Production Example 2 [Production of polymer electrolyte A]
(Synthesis of polymer compound having sulfonic acid group)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, 9.32 parts by weight of dipotassium 4,4′-difluorodiphenylsulfone-3,3′-disulfonate obtained in Production Example 1 in an argon atmosphere, 2,5-dihydroxybenzene 4.20 parts by weight of potassium sulfonate, 59.6 parts by weight of DMSO, and 9.00 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring these at room temperature.
Thereafter, 2.67 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while distilling off toluene, and a DMSO solution of a polymer compound having a sulfonic acid group was obtained. Total heating time was 14 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature.

(イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物の合成)
共沸蒸留装置を備えたフラスコに、アルゴン雰囲気下、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン8.32重量部、2,6−ジヒドロキシナフタレン5.36重量部、DMSO30.2重量部、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」と呼ぶ)30.2重量部、及び、トルエン9.81重量部を加え、室温にて撹拌しながらアルゴンガスを1時間バブリングした。
その後、得られた混合物に、炭酸カリウムを5.09重量部加え、140℃にて加熱撹拌して共沸脱水した。その後トルエンを留去しながら加熱を続けた。総加熱時間は5時間であった。得られた溶液を室温にて放冷し、イオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を得た。
(Synthesis of polymer compounds substantially free of ion exchange groups)
In a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, in an argon atmosphere, 8.32 parts by weight of 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 5.36 parts by weight of 2,6-dihydroxynaphthalene, 30.2 parts by weight of DMSO, N-methyl- 20.2 parts by weight of 2-pyrrolidone (hereinafter referred to as “NMP”) and 9.81 parts by weight of toluene were added, and argon gas was bubbled for 1 hour while stirring at room temperature.
Thereafter, 5.09 parts by weight of potassium carbonate was added to the obtained mixture, and azeotropic dehydration was performed by heating and stirring at 140 ° C. Thereafter, heating was continued while toluene was distilled off. Total heating time was 5 hours. The resulting solution was allowed to cool at room temperature to obtain a NMP / DMSO mixed solution of a polymer compound substantially free of ion exchange groups.

(ブロック共重合体の合成)
得られたイオン交換基を実質的に有さない高分子化合物のNMP/DMSO混合溶液を攪拌しながら、これに、上記スルホン酸基を有する高分子化合物のDMSO溶液の全量とNMP80.4重量部、DMSO45.3重量部を加え、150℃にて40時間ブロック共重合反応を行った。
得られた反応液を大量の2N塩酸に滴下し、1時間浸漬した。その後、生成した沈殿物を濾別した後、再度2N塩酸に1時間浸漬した。得られた沈殿物を濾別、水洗した後、95℃の大量の熱水に1時間浸漬した。そして、この溶液を80℃で12時間乾燥させて、ブロック共重合体である高分子電解質Aを得た。得られた高分子電解質Aのイオン交換容量は1.9meq/gであり、重量平均分子量は、4.2x105であった。
この高分子電解質Aの構造を下記に示す。なお、下記式における「block」の記載は、スルホン酸基を有するブロック及びイオン交換基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上有することを表している。n、mはそれぞれの構造単位の共重合モル分率を表すものである。

Figure 2008031466
(Synthesis of block copolymer)
While stirring the obtained NMP / DMSO mixed solution of the polymer compound having substantially no ion exchange group, the total amount of the DMSO solution of the polymer compound having the sulfonic acid group and 80.4 parts by weight of NMP were added thereto. DMSO (45.3 parts by weight) was added, and a block copolymerization reaction was carried out at 150 ° C. for 40 hours.
The obtained reaction solution was dropped into a large amount of 2N hydrochloric acid and immersed for 1 hour. Thereafter, the produced precipitate was filtered off and then immersed again in 2N hydrochloric acid for 1 hour. The obtained precipitate was filtered and washed with water, and then immersed in a large amount of hot water at 95 ° C. for 1 hour. And this solution was dried at 80 degreeC for 12 hours, and the polymer electrolyte A which is a block copolymer was obtained. The obtained polymer electrolyte A had an ion exchange capacity of 1.9 meq / g and a weight average molecular weight of 4.2 × 10 5 .
The structure of this polymer electrolyte A is shown below. In addition, description of "block" in a following formula represents having at least one block each having a sulfonic acid group and no block having an ion exchange group. n and m represent the copolymerization mole fraction of each structural unit.
Figure 2008031466

製造例3[高分子電解質Bの製造]
アルゴン雰囲気下、共沸蒸留装置を備えたフラスコに、DMSO600ml、トルエン200mL、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ナトリウム26.5g(106.3mmol)、末端クロロ型である下記ポリエーテルスルホン(住友化学製スミカエクセルPES5200P、Mn=5.4×104、Mw=1.2×105)10.0g、2,2’−ビピリジル43.8g(280.2mmol)を入れて攪拌した。その後バス温を150℃まで昇温し、トルエンを加熱留去することで系内の水分を共沸脱水した後、60℃に冷却した。次いで、これにビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)73.4g(266.9mmol)を加え、80℃に昇温し、同温度で5時間攪拌した。放冷後、反応液を大量の6mol/Lの塩酸に注ぐことによりポリマーを析出させ濾別。その後6mol/L塩酸による洗浄・ろ過操作を数回繰り返した後、濾液が中性になるまで水洗を行い、減圧乾燥することにより目的とする下記ポリアリーレン系ブロック共重合体16.3gを得た。これを高分子電解質B(下式)とする。なお、下記式における「block」の記載は、スルホン酸基を有するブロック及びイオン交換基を有さないブロックをそれぞれ一つ以上有することを表している。

Figure 2008031466
得られた高分子電解質Bのイオン交換容量は2.3meq/gであり、重量平均分子量は、2.7×105であった。なお、t、uは各ブロックを構成する括弧内の繰返し単位の平均重合度を表すものである。 Production Example 3 [Production of polymer electrolyte B]
Under an argon atmosphere, in a flask equipped with an azeotropic distillation apparatus, DMSO 600 ml, toluene 200 mL, sodium 2,5-dichlorobenzenesulfonate 26.5 g (106.3 mmol), the following polyethersulfone having a terminal chloro type (manufactured by Sumitomo Chemical) Sumika Excel PES5200P, Mn = 5.4 × 10 4 , Mw = 1.2 × 10 5 ) 10.0 g and 2,2′-bipyridyl 43.8 g (280.2 mmol) were added and stirred. Thereafter, the bath temperature was raised to 150 ° C., and water in the system was azeotropically dehydrated by distilling off toluene, followed by cooling to 60 ° C. Next, 73.4 g (266.9 mmol) of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) was added thereto, the temperature was raised to 80 ° C., and the mixture was stirred at the same temperature for 5 hours. After allowing to cool, the reaction solution is poured into a large amount of 6 mol / L hydrochloric acid to precipitate a polymer, which is filtered off. Thereafter, washing and filtration operations with 6 mol / L hydrochloric acid were repeated several times, followed by washing with water until the filtrate became neutral and drying under reduced pressure to obtain 16.3 g of the following polyarylene block copolymer. . This is designated as polymer electrolyte B (the following formula). In addition, description of "block" in a following formula represents having at least one block each having a sulfonic acid group and no block having an ion exchange group.
Figure 2008031466
The obtained polymer electrolyte B had an ion exchange capacity of 2.3 meq / g and a weight average molecular weight of 2.7 × 10 5 . T and u represent the average degree of polymerization of the repeating units in parentheses constituting each block.

製造例4[安定剤ポリマーdの製造]
ポリマーaの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ビス−4−ヒドロキシジフェニルスルホン63.40g、4,4’−ジヒドロキシビフェニル70.81g、NMP955gを加え均一な溶液とした。その後、炭酸カリウム92.80gを添加し、NMPを留去しながら135℃〜150℃で4.5時間減圧脱水した。その後、ジクロロジフェニルスルホン200.10gを添加し180℃で21時間反応をおこなった。
反応終了後、反応溶液をメタノールに滴下し、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体は更にメタノール洗浄、水洗浄、熱メタノール洗浄を経て、乾燥し275.55gのポリマーaを得た。このポリマーaの構造を下記に示す。ポリマーaはGPC測定によるポリスチレン換算の重量平均分子量が18000であり、NMR測定の積分値から求めたnとmの比がn:m=7:3であった。なお、下記の「random」の表記は、下記ポリマーaを形成する構成単位が、ランダムに共重合されていることを示す。

Figure 2008031466
Production Example 4 [Production of Stabilizer Polymer d]
Synthesis of polymer a A 2 L separable flask equipped with a vacuum azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 63.40 g of bis-4-hydroxydiphenylsulfone, 70.81 g of 4,4′-dihydroxybiphenyl, and 955 g of NMP were added to obtain a homogeneous solution. did. Thereafter, 92.80 g of potassium carbonate was added, and dehydrated under reduced pressure at 135 ° C. to 150 ° C. for 4.5 hours while NMP was distilled off. Thereafter, 200.10 g of dichlorodiphenylsulfone was added and the reaction was carried out at 180 ° C. for 21 hours.
After completion of the reaction, the reaction solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was filtered and collected. The recovered solid was further washed with methanol, washed with water, and washed with hot methanol and dried to obtain 275.55 g of polymer a. The structure of this polymer a is shown below. The polymer a had a polystyrene-reduced weight average molecular weight of 18000 by GPC measurement, and the ratio of n and m determined from the integrated value of NMR measurement was n: m = 7: 3. In addition, the following "random" description shows that the structural unit which forms the following polymer a is copolymerized at random.
Figure 2008031466

ポリマーbの合成
2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ニトロベンゼン1014.12g、ポリマーa 80.00g、を加え均一な溶液とした。その後、N-ブロモスクシンイミドを50.25g添加し、15℃まで冷却した。続いて、95%濃硫酸 106.42gを40分かけて滴下し15℃で6時間反応をおこなった。6時間後、15℃に冷却しながら10w%水酸化ナトリウム水溶液450.63g、チオ硫酸ナトリウム 18.36gを添加した。その 2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ニトロベンゼン1014.12g、ポリマーa80.00g、を加え均一な溶液とした。その後、N-ブロモスクシンイミドを50.25g添加し、15℃まで冷却した。続いて、95%濃硫酸106.42gを40分かけて滴下し15℃で6時間反応をおこなった。6時間後、15℃に冷却しながら10w%水酸化ナトリウム水溶液450.63g、チオ硫酸ナトリウム18.36gを添加した。その後、この溶液をメタノールに滴下し、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体はメタノール洗浄、水洗浄、再度メタノール洗浄を経て乾燥し、86.38gのポリマーbを得た。
Synthesis of Polymer b The 2 L separable flask was purged with nitrogen, and 101.12 g of nitrobenzene and 80.00 g of polymer a were added to obtain a uniform solution. Thereafter, 50.25 g of N-bromosuccinimide was added and cooled to 15 ° C. Subsequently, 106.42 g of 95% concentrated sulfuric acid was added dropwise over 40 minutes, and the reaction was carried out at 15 ° C. for 6 hours. Six hours later, 450.63 g of a 10 w% aqueous sodium hydroxide solution and 18.36 g of sodium thiosulfate were added while cooling to 15 ° C. The 2 L separable flask was purged with nitrogen, and 1014.12 g of nitrobenzene and 80.00 g of polymer a were added to obtain a uniform solution. Thereafter, 50.25 g of N-bromosuccinimide was added and cooled to 15 ° C. Subsequently, 106.42 g of 95% concentrated sulfuric acid was added dropwise over 40 minutes, and the reaction was carried out at 15 ° C. for 6 hours. Six hours later, 450.63 g of a 10 w% aqueous sodium hydroxide solution and 18.36 g of sodium thiosulfate were added while cooling to 15 ° C. Thereafter, this solution was added dropwise to methanol, and the precipitated solid was collected by filtration. The recovered solid was washed with methanol, washed with water, washed again with methanol and dried to obtain 86.38 g of polymer b.

ポリマーcの合成
減圧共沸蒸留装置を備えた2Lセパラブルフラスコを窒素置換し、ジメチルホルムアミド 116.99g、ポリマーb 80.07g、加え均一な溶液とした。その後、ジメチルホルムアミドを留去しながら5時間減圧脱水をおこなった。5時間後50℃まで冷却し、塩化ニッケルを41.87g添加して130℃まで昇温し、亜リン酸トリエチルを69.67g滴下して140℃〜145℃で2時間反応をおこなった。2時間後亜リン酸トリエチルをさらに17.30g添加し145℃〜150℃で3時間反応をおこなった。3時間後室温まで冷却し、水 1161gとエタノール 929gの混合溶液を滴下して、析出した固体をろ過、回収した。回収した固体に水を添加して十分に粉砕し、5w%塩酸で洗浄、水洗浄を経て、86.83gのポリマーcを得た。
Synthesis of Polymer c A 2 L separable flask equipped with a reduced-pressure azeotropic distillation apparatus was purged with nitrogen, and 116.99 g of dimethylformamide and 80.07 g of polymer b were added to obtain a uniform solution. Thereafter, dehydration under reduced pressure was performed for 5 hours while distilling off dimethylformamide. After 5 hours, the mixture was cooled to 50 ° C., 41.87 g of nickel chloride was added, the temperature was raised to 130 ° C., and 69.67 g of triethyl phosphite was added dropwise, and the reaction was carried out at 140 ° C. to 145 ° C. for 2 hours. After 2 hours, an additional 17.30 g of triethyl phosphite was added, and the reaction was carried out at 145 ° C. to 150 ° C. for 3 hours. After 3 hours, the mixture was cooled to room temperature, a mixed solution of 1161 g of water and 929 g of ethanol was added dropwise, and the precipitated solid was collected by filtration. Water was added to the collected solid and sufficiently pulverized, washed with 5 w% hydrochloric acid and washed with water to obtain 86.83 g of polymer c.

ポリマーdの合成
5Lセパラブルフラスコを窒素置換し、35重量%塩酸水溶液1200g、水550g、ポリマーc75.00g、を加え105℃〜110℃で15時間攪拌した。15時間後、室温まで冷却し水1500gを滴下した。その後、系中の固体をろ過、回収し、得た固体を水洗浄、熱水洗浄した。乾燥後目的とするポリマーdを72.51g得た。ポリマーdの元素分析から求めたリンの含有率は5.91%であり、元素分析値から計算したx(ビフェニリレンオキシ基1個当たりのホスホン酸基数)の値は1.6であった。

Figure 2008031466
Synthesis of Polymer d A 5 L separable flask was purged with nitrogen, and 1200 g of 35 wt% hydrochloric acid aqueous solution, 550 g of water and 75.00 g of polymer c were added, and the mixture was stirred at 105 ° C. to 110 ° C. for 15 hours. After 15 hours, the mixture was cooled to room temperature and 1500 g of water was added dropwise. Thereafter, the solid in the system was filtered and collected, and the obtained solid was washed with water and hot water. After drying, 72.51 g of the target polymer d was obtained. The phosphorus content determined from elemental analysis of polymer d was 5.91%, and the value of x (number of phosphonic acid groups per biphenylyleneoxy group) calculated from the elemental analysis value was 1.6.
Figure 2008031466

(イオン伝導膜の作製方法)
合成例1で得られた高分子電解質を、N−メチルピロリドンに13.5wt%の濃度となるように溶解させて、高分子電解質溶液を調製した。次いで、この高分子電解質溶液をガラス板上に滴下した。それから、ワイヤーコーターを用いて高分子電解質溶液をガラス板上に均一に塗り広げた。この際、0.25mmクリアランスのワイヤーコーターを用いて塗工厚みをコントロールした。塗布後、高分子電解質溶液を80℃で常圧乾燥した。それから、得られた膜を1mol/Lの塩酸に浸漬した後、イオン交換水で洗浄し、さらに常温乾燥することによって厚さ30μmのイオン伝導膜1を得た。
(Production method of ion conductive membrane)
The polymer electrolyte obtained in Synthesis Example 1 was dissolved in N-methylpyrrolidone to a concentration of 13.5 wt% to prepare a polymer electrolyte solution. Next, this polymer electrolyte solution was dropped on a glass plate. Then, the polymer electrolyte solution was uniformly spread on the glass plate using a wire coater. At this time, the coating thickness was controlled using a wire coater having a 0.25 mm clearance. After application, the polymer electrolyte solution was dried at 80 ° C. under normal pressure. Then, the obtained membrane was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid, washed with ion-exchanged water, and further dried at room temperature to obtain an ion conductive membrane 1 having a thickness of 30 μm.

実施例1(高分子電解質エマルション1の作成)
製造例2で得られた高分子電解質A0.9gと製造例4で得られた安定剤であるポリマーd0.1gを、N−メチルピロリドン(NMP)に溶解させ、1重量%の溶液100gを作製した。次いで、この高分子電解質溶液100gを蒸留水900gに滴下速度3〜5g/minで滴下し、高分子電解質溶液を希釈した。この希釈した高分子電解質溶液を、透析膜透析用セルロースチューブ(三光純薬(株)製UC36−32−100:分画分子量14,000)に封入して、72時間流水で曝露し、膜分離処理を行った。処理後の高分子電解質溶液をエバポレーターを用いて、2.0wt%の濃度になるように濃縮し、高分子電解質エマルションを作製した。この高分子電解質エマルションの平均粒径は394nmであった。なお、NMPの残存量をガスクロマトグラフ−質量分析(GC−MASS)で行ったところ4ppmであった。
Example 1 (Preparation of polymer electrolyte emulsion 1)
The polymer electrolyte A 0.9 g obtained in Production Example 2 and the polymer d0.1 g which is the stabilizer obtained in Production Example 4 are dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare 100 g of a 1 wt% solution. did. Next, 100 g of this polymer electrolyte solution was dropped into 900 g of distilled water at a dropping rate of 3 to 5 g / min to dilute the polymer electrolyte solution. This diluted polymer electrolyte solution was sealed in a dialysis membrane dialysis cellulose tube (UC36-32-100, manufactured by Sanko Junyaku Co., Ltd .: molecular weight cut off 14,000), exposed to running water for 72 hours, and subjected to membrane separation. Processed. The polymer electrolyte solution after the treatment was concentrated using an evaporator so as to have a concentration of 2.0 wt% to prepare a polymer electrolyte emulsion. The average particle diameter of this polymer electrolyte emulsion was 394 nm. In addition, it was 4 ppm when the residual amount of NMP was performed by the gas chromatograph-mass spectrometry (GC-MASS).

(MEAの作成)
アノード側
市販のナフィオン5wt%溶液(アルドリッチ製)5.0mLに50重量%白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を0.696g投入し、さらにエタノールを11mL加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで5時間攪拌し、触媒インクを得た。引き続き、特開2004−089976号公報に記載の方法に準拠し、上記イオン伝導膜1の片面中央部5.2cm角の領域に触媒インクを塗布した。吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。8回の重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。もう一方の面にも同様に触媒インクを塗布し、触媒層を形成した。触媒層の組成と塗布した重量から、0.6mg/cm2の白金が配置された、MEAを得た。
カソード側
上記アノード側に触媒インクの塗布されたMEAの反対面に、カソード側の電極を塗布するにあたり、上記高分子電解質エマルション1、2.561gに50重量%白金が担持された白金担持カーボン(SA50BK、エヌ・イー・ケムキャット製)を1.000g投入し、さらにエタノールを16.87g加えた。得られた混合物を1時間超音波処理したのち、スターラーで5時間攪拌し、触媒インクを得た。引き続き、特開2004−089976号公報に記載の方法に準拠し、上記高分子電解質膜1の片面の中央部の5.2cm角の領域に触媒インクを塗布した。吐出口から膜までの距離は6cm、ステージ温度は75℃に設定した。8回の重ね塗りをした後、ステージ上に15分間放置して、溶媒を除去し、触媒層を形成させた。もう一方の面にも同様に触媒インクを塗布し、触媒層を形成した。触媒層の組成と塗布した重量から、0.6mg/cm2の白金が配置された、MEAを得た。
(Create MEA)
0.696 g of platinum-supported carbon (SA50BK, manufactured by N.E. Chemcat) carrying 50 wt% platinum in 5.0 mL of Nafion 5 wt% solution (manufactured by Aldrich) on the anode side was added, and 11 mL of ethanol was further added. . The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a catalyst ink. Subsequently, in accordance with a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, a catalyst ink was applied to a 5.2 cm square region on one side of the ion conductive membrane 1. The distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After eight times of overcoating, the mixture was left on the stage for 15 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Similarly, the catalyst ink was applied to the other surface to form a catalyst layer. From the composition of the catalyst layer and the applied weight, MEA in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was arranged was obtained.
When the cathode side electrode is applied to the opposite side of the MEA on which the catalyst ink is applied to the anode side on the cathode side, platinum-supported carbon (50 wt% platinum supported on 2.561 g of the polymer electrolyte emulsion 1) 1.50 g of SA50BK (manufactured by N.E. Chemcat) was added, and 16.87 g of ethanol was further added. The obtained mixture was subjected to ultrasonic treatment for 1 hour and then stirred for 5 hours with a stirrer to obtain a catalyst ink. Subsequently, in accordance with the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-089976, a catalyst ink was applied to a 5.2 cm square region at the center of one side of the polymer electrolyte membrane 1. The distance from the discharge port to the film was set to 6 cm, and the stage temperature was set to 75 ° C. After eight times of overcoating, the mixture was left on the stage for 15 minutes to remove the solvent and form a catalyst layer. Similarly, the catalyst ink was applied to the other surface to form a catalyst layer. From the composition of the catalyst layer and the applied weight, MEA in which 0.6 mg / cm 2 of platinum was arranged was obtained.

(燃料電池セルの作成)
市販のJARI標準セルを用いて燃料電池セルを製造した。すなわち、各実施例または比較例の高分子電解質膜を用いて得られた膜−電極接合体の両外側に、ガス拡散層となるカーボンクロスを配置し、その外側にガス通路用の溝を切削加工したカーボン製セパレータを配し、さらにその外側に集電体及びエンドプレートを順に配置し、これらをボルトで締め付けることによって、有効膜面積25cm2の燃料電池セルを組み立てた。
(Fuel cell creation)
A fuel cell was manufactured using a commercially available JARI standard cell. That is, carbon cloth serving as a gas diffusion layer is disposed on both outer sides of the membrane-electrode assembly obtained using the polymer electrolyte membrane of each Example or Comparative Example, and a gas passage groove is cut on the outer side. A processed carbon separator was disposed, and a current collector and an end plate were sequentially disposed on the outside thereof, and these were tightened with bolts, thereby assembling a fuel cell having an effective membrane area of 25 cm 2 .

(発電試験)
得られた各燃料電池セルを80℃に保ちながら、アノードに加湿水素、カソードに加湿空気をそれぞれ供給した。この際、セルのガス出口における背圧が0.1MPaGとなるようにした。各原料ガスの加湿は、バブラーにガスを通すことで行い、水素用バブラーの水温は80℃、空気用バブラーの水温は80℃とした。ここで、水素のガス流量は529mL/min、空気のガス流量は1665mL/minとした。そして、電流密度が0.2A/cm2となる時のセル電圧の値を測定して、各燃料電池セルの発電性能を評価した。セル電圧が高いほど、燃料電池セルの発電性能が優れていることを示している。
(Power generation test)
While keeping the obtained fuel cells at 80 ° C., humidified hydrogen was supplied to the anode and humidified air was supplied to the cathode. At this time, the back pressure at the gas outlet of the cell was set to 0.1 MPaG. Each source gas was humidified by passing the gas through a bubbler. The water temperature of the hydrogen bubbler was 80 ° C., and the water temperature of the air bubbler was 80 ° C. Here, the hydrogen gas flow rate was 529 mL / min, and the air gas flow rate was 1665 mL / min. And the value of the cell voltage when a current density was set to 0.2 A / cm < 2 > was measured, and the electric power generation performance of each fuel cell was evaluated. The higher the cell voltage, the better the power generation performance of the fuel cell.

参考例1
<ナフィオン溶液を使用した場合>
実施例1において、カソード側をアノード側と同様に電極を形成し、発電性能を評価した。
Reference example 1
<When Nafion solution is used>
In Example 1, an electrode was formed on the cathode side in the same manner as the anode side, and power generation performance was evaluated.

比較例1
透析を用いない以外は実施例1と同様にして発電性能を評価した。
Comparative Example 1
The power generation performance was evaluated in the same manner as in Example 1 except that dialysis was not used.

Figure 2008031466
Figure 2008031466

本発明の方法によって得られた高分子電解質エマルションによって得られた燃料電池は、乳化剤が配合されていないので、触媒被毒もないことから、高い発電性能を示す。   Since the fuel cell obtained by the polymer electrolyte emulsion obtained by the method of the present invention does not contain an emulsifier, it has no catalyst poisoning and thus exhibits high power generation performance.

好適な実施形態に係る燃料電池の断面構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the cross-sectional structure of the fuel cell which concerns on suitable embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・燃料電池、12・・・イオン伝導膜、14a,14b・・・触媒層、16a,16b・・・ガス拡散層、18a,18b・・・セパレータ、20・・・MEA   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 12 ... Ion conduction membrane, 14a, 14b ... Catalyst layer, 16a, 16b ... Gas diffusion layer, 18a, 18b ... Separator, 20 ... MEA

Claims (12)

高分子電解質粒子が分散媒中に分散してなる高分子電解質分散液を分離膜で膜分離することを特徴とする高分子電解質エマルションの製造方法。   A method for producing a polymer electrolyte emulsion, comprising separating a polymer electrolyte dispersion obtained by dispersing polymer electrolyte particles in a dispersion medium with a separation membrane. 上記分離膜が、透析膜または限外濾過膜である請求項1記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the separation membrane is a dialysis membrane or an ultrafiltration membrane. 上記膜処理が、透析膜である請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the membrane treatment is a dialysis membrane. 上記高分子電解質粒子に含まれる高分子電解質が、その元素組成におけるフッ素原子の含有量が15重量%以下の高分子電解質である、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。   The production method according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte particles is a polymer electrolyte having a fluorine atom content of 15 wt% or less in its elemental composition. 上記高分子電解質分散液が、下記の(1)および(2)の工程を経て得られる分散液である、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
(1)高分子電解質を、該高分子電解質の良溶媒を含む溶媒に溶解せしめて、高分子電解質溶液を調製する調製工程
(2)(1)で得られた高分子電解質溶液と、該高分子電解質の貧溶媒とを混合する混合工程
The manufacturing method in any one of Claims 1-4 whose said polymer electrolyte dispersion liquid is a dispersion liquid obtained through the process of following (1) and (2).
(1) A preparation step (2) of preparing a polymer electrolyte solution by dissolving a polymer electrolyte in a solvent containing a good solvent for the polymer electrolyte, and the polymer electrolyte solution obtained in (1), Mixing process of mixing molecular electrolyte with poor solvent
上記高分子電解質の良溶媒が、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドおよびジメチルスルホキシドから選ばれる非プロトン性極性溶媒であることを特徴とする、請求項5に記載の製造方法。   6. The good solvent of the polymer electrolyte is an aprotic polar solvent selected from N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide and dimethylsulfoxide. The manufacturing method as described. 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法を用いて得られる高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion obtained using the manufacturing method in any one of Claims 1-6. 高分子電解質エマルションを構成する高分子電解質の良溶媒の含有量が、200ppm以下であることを特徴とする、請求項7に記載の高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion according to claim 7, wherein the content of the good solvent of the polymer electrolyte constituting the polymer electrolyte emulsion is 200 ppm or less. 動的光散乱法により求められる体積平均粒径が100nm〜200μmである、請求項7または8に記載の高分子電解質エマルション。   The polymer electrolyte emulsion according to claim 7 or 8, wherein the volume average particle size determined by a dynamic light scattering method is 100 nm to 200 µm. 請求項7〜9のいずれかに記載の高分子電解質エマルションからなる固体高分子型燃料電池用電極。   An electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising the polymer electrolyte emulsion according to any one of claims 7 to 9. 請求項10記載の固体高分子型燃料電池用電極を有する、膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte fuel cell electrode according to claim 10. 請求項9記載の膜電極接合体を有する、固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 9.
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