JP2008140665A - Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2008140665A
JP2008140665A JP2006326140A JP2006326140A JP2008140665A JP 2008140665 A JP2008140665 A JP 2008140665A JP 2006326140 A JP2006326140 A JP 2006326140A JP 2006326140 A JP2006326140 A JP 2006326140A JP 2008140665 A JP2008140665 A JP 2008140665A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
proton conductive
membrane
conductive membrane
proton
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006326140A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideyasu Nakajima
秀康 中嶋
Yoshiharu Konno
義治 今野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sekisui Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sekisui Chemical Co Ltd filed Critical Sekisui Chemical Co Ltd
Priority to JP2006326140A priority Critical patent/JP2008140665A/en
Publication of JP2008140665A publication Critical patent/JP2008140665A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive membrane which realizes a high impact resistance and a high polar solvent resistance while maintaining a high proton conductivity, a membrane electrode assembly, and a solid polymer fuel cell. <P>SOLUTION: The proton conductive membrane contains particles 1 composed of a silicon-oxygen cross-linked structure. Furthermore, the terminal of non-reacted hydroxide group of the particles 1 is treated by a sililation reagent. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性膜、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive membrane, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、発電効率が高くかつ環境特性に優れているため、近年、社会的に大きな課題となっている環境問題やエネルギー問題の解決に貢献できる次世代の発電装置として注目されている。   Since fuel cells have high power generation efficiency and excellent environmental characteristics, in recent years, fuel cells have attracted attention as next-generation power generation devices that can contribute to solving environmental problems and energy problems that have become major social issues.

燃料電池は、一般に電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、この中でも固体高分子形燃料電池(以下において、「PEFC」という。)は、他のいずれのタイプに比べても小型かつ高出力であり、小規模オンサイト型、例えば、車輌のパワーソースなどの移動体用、携帯用等の電源として次世代の主力とされている。   Fuel cells are generally classified into several types according to the type of electrolyte. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) is smaller and smaller than any other type. It is a high-output, small-scale on-site power source for the next generation as a power source for mobile objects such as a power source for vehicles and for portable use.

このように、PEFCは、原理的に優れた長所を有しており、実用化に向けた開発が盛んに行われている。このPEFCでは、燃料として通常、水素を用いる。水素は、PEFCのアノード側に設置された触媒によりプロトン(水素イオン)と電子に分解される。このうち、電子は、外部に供給され、電気として使用され、PEFCのカソード側へと循環される。一方、プロトンはプロトン伝導性膜(電解質膜)に供給され、プロトン伝導性膜を通じてカソード側へ移動する。カソード側では、プロトン、循環されてきた電子、および外部から導入される酸素が触媒により供給され、水が生じる。すなわち、PEFC単体で見れば、PEFCは、水素と酸素から水を作る際に電気を取り出す非常にクリーンなエネルギー源である。   As described above, PEFC has excellent advantages in principle, and development for practical use is actively performed. In this PEFC, hydrogen is usually used as a fuel. Hydrogen is decomposed into protons (hydrogen ions) and electrons by a catalyst installed on the anode side of the PEFC. Among these, electrons are supplied to the outside, used as electricity, and circulated to the cathode side of the PEFC. On the other hand, protons are supplied to the proton conductive membrane (electrolyte membrane) and move to the cathode side through the proton conductive membrane. On the cathode side, protons, circulating electrons, and oxygen introduced from the outside are supplied by the catalyst to generate water. In other words, when viewed as a single PEFC, PEFC is a very clean energy source that extracts electricity when making water from hydrogen and oxygen.

近年、燃料電池の燃料としてアルコール、エーテル、炭化水素類等の水素以外の燃料を用い、触媒によりこれらの燃料からプロトンと電子とを取り出す燃料電池も検討されている。このような燃料電池の代表例はメタノール(通常、水溶液として用いる)を燃料とする直接メタノール型燃料電池(以下において、「DMFC」という。)である。DMFCは外部改質器を必要とせず、燃料の取扱いが容易なため、燃料電池の多様な種類のうちで小型、携帯用電源として最も期待されている。   In recent years, fuel cells that use fuels other than hydrogen such as alcohols, ethers, hydrocarbons, and the like as fuels for fuel cells and that extract protons and electrons from these fuels using a catalyst have been studied. A typical example of such a fuel cell is a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as “DMFC”) using methanol (usually used as an aqueous solution) as fuel. Since DMFC does not require an external reformer and fuel is easy to handle, it is most expected as a compact and portable power source among various types of fuel cells.

PEFCやDMFC等の燃料電池において、プロトン伝導性膜は、アノード側で生じたプロトンをカソード側へ伝導する役目を持つ。このプロトンの伝導は、電子の流れと協奏的に起こるものである。従って、燃料電池において高い出力、即ち高い電流密度を得るためには、プロトン伝導性膜を介したプロトンの伝導を充分かつ高速に行う必要がある。このように、プロトン伝導性膜は、燃料電池の性能を決めてしまうキーマテリアルといっても過言ではない。   In fuel cells such as PEFC and DMFC, the proton conductive membrane has a role of conducting protons generated on the anode side to the cathode side. This proton conduction occurs in concert with the flow of electrons. Therefore, in order to obtain a high output, that is, a high current density in the fuel cell, it is necessary to conduct protons through the proton conductive membrane sufficiently and at high speed. Thus, it is no exaggeration to say that the proton conductive membrane is a key material that determines the performance of the fuel cell.

又、プロトン伝導性膜は、その他にもアノード側とカソード側との電気絶縁をする絶縁膜としての役割や、アノード側に供給される水素等の燃料がカソード側に漏れないようにする燃料バリア膜としての役割も併せ持つ。   The proton conductive membrane also serves as an insulating film that electrically insulates the anode side and the cathode side, and a fuel barrier that prevents fuel such as hydrogen supplied to the anode side from leaking to the cathode side. It also has a role as a membrane.

現在、DMFCにおいて使用されている主なプロトン伝導性膜は、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基を有するフッ素系樹脂膜である。このようなスルホン化フッ素系樹脂膜としては、例えば、ナフィオン(Nafion(登録商標)膜(デュポン:Du Pont社、特許文献1参照。))、ダウ(Dow膜(ダウケミカル:Dow Chemical社、特許文献2参照。))、アシプレックス(Aciplex(登録商標)膜(旭化成工業(株)社、特許文献3参照。))、フレミオン(Flemion(登録商標)膜(旭硝子(株)社))等が知られている。   Currently, the main proton conductive membrane used in DMFC is a fluororesin membrane having perfluoroalkylene as a main skeleton and partially having a sulfonic acid group at the end of a perfluorovinyl ether side chain. Examples of such a sulfonated fluororesin membrane include Nafion (Nafion (registered trademark) membrane (Du Pont: Du Pont, see Patent Document 1)), Dow (Dow Chemical: Dow Chemical, Patent). Reference 2)), Aciplex (Aciplex (registered trademark) membrane (Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., see Patent Document 3)), Flemion (Flemion (registered trademark) membrane (Asahi Glass Co., Ltd.)), etc. Are known.

上記ナフィオン膜は、主鎖骨格にポリテトラ(又はトリ)フルオロエチレンを有し、側鎖にスルホン酸基を有している。ポリテトラ(又はトリ)フルオロエチレンは非極性・撥水性であり、側鎖のスルホン酸基は極性・親水性であるため、自発的に相分離構造を形成し、結果としてスルホン酸基が高濃度に集積した構造を形成し、プロトン伝導経路として機能する(非特許文献1参照。)。このように、プロトン伝導性膜は、高プロトン伝導性を実現するために、電解質中に非常に多くの酸基が含まれるものが提案されている。   The Nafion membrane has polytetra (or tri) fluoroethylene in the main chain skeleton and a sulfonic acid group in the side chain. Polytetra (or tri) fluoroethylene is non-polar and water-repellent, and the side chain sulfonic acid group is polar and hydrophilic, so it spontaneously forms a phase separation structure, resulting in a high concentration of sulfonic acid groups. An integrated structure is formed and functions as a proton conduction path (see Non-Patent Document 1). Thus, in order to realize high proton conductivity, a proton conductive membrane has been proposed in which a very large number of acid groups are contained in the electrolyte.

又、燃料用電解質膜は、上述したフッ素系樹脂膜の他、炭化水素系、無機系等、様々な種類の膜が盛んに開発されているのと同様に、燃料電池用電極の接合剤も様々な種類の電解質が用いられている。しかしながら、基準電極としては、代表的なフッ素系電極であるナフィオン電極(Nafion(登録商標)電極)が一般的に用いられているのが現状である。   In addition to the fluororesin membranes described above, fuel electrolyte membranes, as well as various types of membranes such as hydrocarbons and inorganics, are also being used as fuel cell electrode binders. Various types of electrolytes are used. However, as a reference electrode, currently, a Nafion electrode (Nafion (registered trademark) electrode), which is a typical fluorine-based electrode, is generally used.

一方、有機ケイ素化合物は、強い結合エネルギーを有するケイ素−酸素結合からなるために、化学的安定性、耐熱性及び耐酸化性が高く、その組成によって多くの特異な性質を付与できるため、電気、電子、事務機器、建築、食品、医療、繊維、プラスチック、紙、パルプ、塗料ゴムといったあらゆる産業分野で使用されている。この有機ケイ素化合物を利用し、ケイ素−酸素結合からなる架橋構造を有するプロトン伝導性膜が開示されている(例えば、特許文献4参照。)。ケイ素−酸素結合からなる架橋構造は、プロトン伝導性膜のように、強い酸性(プロトン存在)条件下で、高温高湿にさらされる場合でも、比較的安定であり、燃料電池膜内部の架橋構造として好適に用いることができる。
英国特許第4,330,654号公報 特開平4−366137号公報 特開平6−342665号公報 特許第3679104号公報 ジャーナルオブポリマーサイエンス ポリマーフィジクス(J,Polymer Science、Polymer Physics、第19巻、第1687頁、1981
On the other hand, since an organosilicon compound is composed of a silicon-oxygen bond having a strong binding energy, it has high chemical stability, heat resistance and oxidation resistance, and can impart many unique properties depending on its composition. It is used in all industrial fields such as electronics, office equipment, architecture, food, medicine, textile, plastic, paper, pulp, and paint rubber. A proton conductive membrane using this organosilicon compound and having a crosslinked structure composed of a silicon-oxygen bond has been disclosed (for example, see Patent Document 4). The cross-linked structure composed of silicon-oxygen bonds is relatively stable even when exposed to high temperature and high humidity under strong acidic (proton presence) conditions like the proton conductive membrane, and the cross-linked structure inside the fuel cell membrane Can be suitably used.
British Patent No. 4,330,654 JP-A-4-366137 JP-A-6-342665 Japanese Patent No. 3679104 Journal of Polymer Science Polymer Physics (J, Polymer Science, Polymer Physics, Vol. 19, p. 1687, 1981)

上述したように、プロトン伝導性膜は、高プロトン導電性を維持するために非常に多くの酸基を含むものが提案されている。このようなプロトン伝導性膜は、含有している酸の濃度がある一定の値を超えると、極性溶媒を大量に含むこととなる。この結果、プロトン伝導性膜は膨潤し、構造を破壊する結果としてその一部分が溶出するため、高燃料バリア性と高耐極性溶媒性を同時に実現することが難しかった。   As described above, a proton conductive membrane has been proposed that contains a large number of acid groups in order to maintain high proton conductivity. Such a proton conductive membrane contains a large amount of polar solvent when the concentration of the acid contained exceeds a certain value. As a result, the proton conductive membrane swells and a part thereof is eluted as a result of destroying the structure, so that it is difficult to simultaneously realize high fuel barrier properties and high polar solvent resistance.

又、ケイ素−酸素結合からなる架橋構造を有するプロトン伝導性膜を用いた場合、湿度変化等の外部圧力に対する耐衝撃性が低いという問題があった。例えば、高温低湿下における高プロトン伝導性が要求される燃料電池用電解質として有機ケイ素化合物を用いた場合に、性能が温度変動によって大きく変化し、プロトン伝導性の性能劣化があった。   Further, when a proton conductive membrane having a crosslinked structure composed of silicon-oxygen bonds is used, there is a problem that impact resistance against external pressure such as humidity change is low. For example, when an organosilicon compound is used as an electrolyte for a fuel cell that requires high proton conductivity at high temperature and low humidity, the performance greatly changes due to temperature fluctuations, and the proton conductivity performance deteriorates.

更に、有機ケイ素化合物は熱可塑性ではないために、熱可塑性樹脂であるナフィオン電極にホットプレス(加熱プレス)で接着することができない。その結果、ナフィオン電極との接着性が低下することにより、電極間接触抵抗が増大し、高プロトン伝導性が失われる。   Furthermore, since the organosilicon compound is not thermoplastic, it cannot be bonded to a Nafion electrode, which is a thermoplastic resin, by hot pressing (heating pressing). As a result, the adhesiveness with the Nafion electrode is lowered, the contact resistance between the electrodes is increased, and the high proton conductivity is lost.

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、高プロトン伝導性を維持しつつ、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現するプロトン伝導性膜、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a proton conductive membrane, a membrane-electrode assembly, and a solid polymer type that achieve high impact resistance and high polar solvent resistance while maintaining high proton conductivity. An object is to provide a fuel cell.

上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含むプロトン伝導性膜であって、架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されているプロトン伝導性膜であることを要旨とする。   In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is a proton conductive membrane including a crosslinkable electrolyte (A) having an acid group and a crosslink structure by a silicon-oxygen bond, wherein the crosslinkable electrolyte (A The unreacted hydroxyl terminal of (2) is a proton conductive membrane treated with the silylating agent (B).

第1の特徴に係るプロトン伝導性膜によると、高プロトン伝導性を維持しつつ、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現することができる。   According to the proton conductive membrane according to the first feature, high impact resistance and high polar solvent resistance can be realized while maintaining high proton conductivity.

又、第1の特徴に係るプロトン伝導性膜において、架橋性電解質(A)のケイ素−酸素結合率は、70%以上98%以下であることが好ましい。   In the proton conductive membrane according to the first feature, the silicon-oxygen bond rate of the crosslinkable electrolyte (A) is preferably 70% or more and 98% or less.

又、第1の特徴に係るプロトン伝導性膜において、シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基の分子量は、150以上であることが好ましい。   In the proton conductive membrane according to the first feature, the molecular weight of the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) is preferably 150 or more.

又、第1の特徴に係るプロトン伝導性膜において、シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基は、ヘテロ原子を構成原子として含有することが好ましい。   In the proton conductive membrane according to the first feature, the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) preferably contains a hetero atom as a constituent atom.

又、ヘテロ原子は、少なくともフッ素原子、窒素原子、酸素原子又は硫黄原子のいずれか1を含有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that a hetero atom contains any one of a fluorine atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a sulfur atom.

又、第1の特徴に係るプロトン伝導性膜において、架橋性電解質(A)は、複数のケイ素−酸素架橋と共有結合し、かつ炭素原子を含む有機無機複合構造体を含有し、当該炭素原子の重量%は、10%以上50%以下であることが好ましい。   In the proton conductive membrane according to the first feature, the crosslinkable electrolyte (A) contains an organic-inorganic composite structure that is covalently bonded to a plurality of silicon-oxygen bridges and contains carbon atoms, and the carbon atoms % By weight is preferably 10% or more and 50% or less.

本発明の第2の特徴は、プロトン伝導性膜の両面にガス拡散電極を接合した膜−電極接合体であって、プロトン伝導性膜は、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含み、架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されている膜−電極接合体であることを要旨とする。   The second feature of the present invention is a membrane-electrode assembly in which gas diffusion electrodes are bonded to both surfaces of a proton conductive membrane, and the proton conductive membrane has a cross-linked structure by an acid group and a silicon-oxygen bond. The gist is that the unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) contains a crosslinkable electrolyte (A) and is a membrane-electrode assembly treated with the silylating agent (B).

第2の特徴に係る膜−電極接合体によると、高プロトン伝導性を維持しつつ、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現することができる。   According to the membrane-electrode assembly according to the second feature, high impact resistance and high polar solvent resistance can be realized while maintaining high proton conductivity.

本発明の第3の特徴は、プロトン伝導性膜の両面にガス拡散電極を接合した膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池であって、プロトン伝導性膜は、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含み、架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されている固体高分子形燃料電池であることを要旨とする。   A third feature of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell including a membrane-electrode assembly in which gas diffusion electrodes are bonded to both surfaces of a proton conductive membrane, wherein the proton conductive membrane includes an acid group and silicon- The polymer electrolyte fuel cell includes a crosslinkable electrolyte (A) having a crosslink structure by oxygen bonding, and an unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) is treated with a silylating agent (B). Is the gist.

第3の特徴に係る固体高分子形燃料電池によると、高プロトン伝導性を維持しつつ、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現することができる。   According to the polymer electrolyte fuel cell according to the third feature, high impact resistance and high polar solvent resistance can be realized while maintaining high proton conductivity.

本発明によると高プロトン伝導性を維持しつつ、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現するプロトン伝導性膜、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a proton conductive membrane, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell that achieve high impact resistance and high polar solvent resistance while maintaining high proton conductivity.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and ratios of dimensions and the like are different from actual ones. Accordingly, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

本実施形態に係る燃料電池は、正極(空気極)と負極(燃料極)と、これら2つの電極の間に配置されたプロトン伝導性膜とを備え、このプロトン伝導性膜の構造に特徴を有するものである。このプロトン伝導性膜は、ケイ素−酸素架橋構造体からなる粒子を有し、粒子の表面には酸基が付与され、かつ、粒子が連続体を構成したことを特徴とするもので、プロトンだけがこの膜を通過できるように構成されている。   The fuel cell according to this embodiment includes a positive electrode (air electrode), a negative electrode (fuel electrode), and a proton conductive membrane disposed between these two electrodes, and is characterized by the structure of this proton conductive membrane. It is what you have. This proton conductive membrane is characterized by having particles made of a silicon-oxygen crosslinked structure, acid groups are added to the surface of the particles, and the particles constitute a continuum. Is configured to pass through this membrane.

このプロトン伝導性膜の構造について各項目毎に順次説明する。   The structure of the proton conductive membrane will be described sequentially for each item.

(ケイ素−酸素架橋構造)
本発明のプロトン伝導性膜において、架橋構造は、重要な構成要素であり、膜の機械的強度、耐熱性、耐久性、寸法安定性等を担う役割を果たす。
(Silicon-oxygen cross-linked structure)
In the proton conductive membrane of the present invention, the crosslinked structure is an important component and plays a role in mechanical strength, heat resistance, durability, dimensional stability, and the like of the membrane.

本実施形態に係るプロトン伝導性膜は、このように架橋構造をもつことにより、膜の機械的強度、耐熱性、耐久性、寸法安定性を得ることができる。即ち、十分な密度の架橋構造となるようにすると、湿潤状態であっても、乾燥状態であっても、大きな寸法変化が見られなくなり、強度変化も生じなくなる。   The proton conductive membrane according to the present embodiment can obtain the mechanical strength, heat resistance, durability, and dimensional stability of the membrane by having such a crosslinked structure. That is, when a crosslinked structure having a sufficient density is obtained, a large dimensional change is not observed and a strength change is not caused even in a wet state or a dry state.

このように、本発明のプロトン伝導性膜は、乾燥時と湿潤時の膜の寸法に大きな変化がないため、プロトン伝導性膜とガス拡散電極との接合体(一般に「膜−電極接合体」、以下において「MEA」という。)の製造が容易であるばかりではなく、燃料電池作動時にも作動状態変化による燃料電池内部の温湿度変化に応じて常に膜が伸び縮みすることがない。従って、膜の破断やMEAの破壊が生じることはない。更に、膨潤により膜が弱くなることはないため、前述の寸法変化だけではなく、燃料電池内で差圧が発生した場合などに膜の破れなどが生じる危険性を回避することができる。   As described above, the proton conductive membrane of the present invention has no significant change in the dimensions of the membrane when dried and wet. Therefore, the assembly of the proton conductive membrane and the gas diffusion electrode (generally “membrane-electrode assembly”). In the following, it is easy to manufacture “MEA”), and the membrane does not always expand and contract in response to a change in temperature and humidity in the fuel cell due to a change in the operating state even during operation of the fuel cell. Therefore, the film is not broken and the MEA is not broken. Furthermore, since the membrane does not weaken due to swelling, it is possible to avoid the risk of not only the above-mentioned dimensional change but also the membrane tearing when a differential pressure is generated in the fuel cell.

一方、従来のナフィオン膜などのフッ素系樹脂膜や、芳香族分子構造を主鎖に有する高分子材料からなるプロトン伝導性膜は、いずれも架橋構造を有していない。このため、高温ではクリープ現象などにより、膜の構造が大きく変化し、その結果、高温における燃料電池の動作が不安定となる。   On the other hand, none of the conventional fluorine-based resin films such as a Nafion film or a proton conductive film made of a polymer material having an aromatic molecular structure in the main chain has a crosslinked structure. For this reason, at high temperatures, the structure of the membrane changes greatly due to the creep phenomenon, and as a result, the operation of the fuel cell at high temperatures becomes unstable.

又、ケイ素−酸素結合からなる架橋構造は、燃料電池膜の様に強い酸性(プロトン存在)条件下で、高温高湿にさらされる場合でも比較的安定であり、燃料電池膜内部の架橋構造としては好適に用いることができる。更に、ケイ素−酸素結合は、容易に形成することができ、安価であるため、好適に用いることができる。   The cross-linked structure consisting of silicon-oxygen bonds is relatively stable even when exposed to high temperature and high humidity under strong acidic (proton presence) conditions like a fuel cell membrane. Can be preferably used. Furthermore, since a silicon-oxygen bond can be easily formed and is inexpensive, it can be suitably used.

本実施形態に係るプロトン伝導性膜は、このように、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含む、又、架橋性電解質(A)のケイ素−酸素結合率は、70%以上98%以下であることが好ましい。   As described above, the proton conductive membrane according to this embodiment includes the crosslinkable electrolyte (A) having an acid group and a crosslink structure by a silicon-oxygen bond, and the silicon-oxygen bond of the crosslinkable electrolyte (A). The rate is preferably 70% or more and 98% or less.

これに対し、このような架橋構造を形成するためには、例えばエポキシ樹脂、架橋性アクリル樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの有機高分子系材料を用いることもできるが、燃料電池膜の様に強い酸性条件下で、高温高湿にさらされる場合には長時間の安定性を得ることは困難である。   On the other hand, in order to form such a crosslinked structure, for example, an organic polymer material such as an epoxy resin, a crosslinkable acrylic resin, a melamine resin, and an unsaturated polyester resin can be used. It is difficult to obtain long-term stability when exposed to high temperature and high humidity under such strong acidic conditions.

(粒子、粒子の連続体、及び粒子の間隙)
本発明のプロトン伝導性膜は、次の要件を具備することにより、高プロトン伝導性を達成することができる。
(Particles, particle continuum, and particle gaps)
The proton conductive membrane of the present invention can achieve high proton conductivity by satisfying the following requirements.

1)酸基が高濃度に存在。   1) A high concentration of acid groups.

2)連続的に酸が存在するプロトン伝導経路の形成。   2) Formation of a proton conduction path in which an acid continuously exists.

燃料電池動作時にはアノードで生じたプロトンが膜に供給され、一方、カソードでは膜中のプロトンが消費される。プロトン伝導性膜中にはあらかじめある程度のプロトンが存在し、アノードではプロトン供給によりプロトン濃度が高まり、カソードではプロトン消費によりプロトン濃度が低くなる。このようにして膜中に生じるプロトン濃度勾配が、アノードからカソードへのプロトン拡散の駆動力である。膜中にプロトンが十分に存在しない場合、カソード側のプロトンが不足し、安定した燃料電池作動が望めない。従って、膜中には十分なプロトン濃度が必要となる。   During fuel cell operation, protons generated at the anode are supplied to the membrane, while protons in the membrane are consumed at the cathode. A certain amount of protons are present in advance in the proton conductive membrane, and the proton concentration is increased by supplying protons at the anode, and the proton concentration is decreased by proton consumption at the cathode. The proton concentration gradient generated in the membrane in this way is the driving force for proton diffusion from the anode to the cathode. If there are not enough protons in the membrane, there will be insufficient protons on the cathode side, and stable fuel cell operation cannot be expected. Therefore, a sufficient proton concentration is required in the membrane.

そこで、酸基が高濃度に存在するようにし、膜中のプロトン濃度を上昇せしめることにより、安定した燃料電池作動を達成する。   Thus, stable fuel cell operation is achieved by increasing the concentration of protons in the membrane so that the acid groups are present at a high concentration.

更に、プロトン濃度勾配による拡散移動は、十分に速い速度で起こらなければ、カソードのプロトン不足が起こるため、効率的な拡散が可能なように、プロトンの移動経路が確保されている必要がある。プロトンは、通常、水和物として移動するので、水との親和性が良く、又、プロトンが安定して存在できる高濃度に酸が集積した、アノードからカソードに至る連続相すなわちプロトン伝導性膜の主表面から相対向する面に連通したプロトン伝導路を有することが好ましい。   Furthermore, if the diffusion transfer due to the proton concentration gradient does not occur at a sufficiently high rate, the proton shortage of the cathode occurs. Therefore, it is necessary to secure a proton transfer path so that efficient diffusion is possible. Proton usually moves as a hydrate, so it has a good affinity with water, and a continuous phase from the anode to the cathode, that is, a proton-conducting membrane in which acid is accumulated at a high concentration where protons can exist stably. It is preferable to have a proton conduction path communicating from the main surface to the opposite surface.

即ち、高温でも安定に動作するプロトン伝導性膜は、酸基が高濃度に存在し、かつ酸基が連続的に配置したプロトン伝導経路を形成している必要がある。更に、このプロトン伝導経路を形成する構造は、高温でも変形しない化学的構造を形成する必要がある。   That is, a proton conductive membrane that operates stably even at high temperatures needs to form a proton conduction path in which acid groups are present in a high concentration and acid groups are continuously arranged. Furthermore, the structure forming the proton conduction path needs to form a chemical structure that does not deform even at high temperatures.

本発明のプロトン伝導性膜は、ケイ素−酸素架橋構造体からなる粒子を有し、当該粒子は表面に酸基を有し、かつ当該粒子が連続体を構成している。   The proton conductive membrane of the present invention has particles composed of a silicon-oxygen crosslinked structure, the particles have acid groups on the surface, and the particles constitute a continuum.

ここで、粒子の連続体とは、当該粒子が互いに接触部分をもつように連続して存在する構造を指す。粒子の連続体について、図1を参照して説明する。   Here, the particle continuum refers to a structure in which the particles continuously exist so as to have contact portions with each other. The continuum of particles will be described with reference to FIG.

図1は、本発明のフロント伝導性膜の拡大模式図である。本発明のプロトン伝導性膜においては、図1に示すように、ケイ素−酸素架橋構造体からなる粒子(架橋性電解質)1が膜中に多数存在し、これが密集して連続的に存在している。このような構造をとると、幾何学的に完全に密な構造をとることは困難であり、粒子間に空隙(粒子の間隙)2が生じる。密集した粒子は、粒子間で結合を形成することが好ましく、この粒子間の結合は、粒子表面に存在する未反応ケイ素−酸素架橋基が相互に反応したケイ素−酸素結合、あるいは別途添加した架橋剤(後述)が粒子間の接着剤の役割をしても良い。このようにケイ素−酸素架橋基が相互に反応した粒子間結合をもつことにより、膜の強度が更に向上する。   FIG. 1 is an enlarged schematic view of a front conductive film of the present invention. In the proton conductive membrane of the present invention, as shown in FIG. 1, a large number of particles (crosslinkable electrolyte) 1 composed of a silicon-oxygen crosslinked structure are present in a dense and continuous state. Yes. When such a structure is adopted, it is difficult to obtain a geometrically completely dense structure, and voids (particle gaps) 2 are generated between the particles. It is preferable that the dense particles form a bond between the particles. The bond between the particles is a silicon-oxygen bond in which unreacted silicon-oxygen cross-linking groups existing on the particle surface react with each other, or a separately added cross-link. An agent (described later) may serve as an adhesive between the particles. Thus, the strength of the film is further improved by having an interparticle bond in which the silicon-oxygen crosslinking groups react with each other.

更に、粒子の表面には酸基が導入されているため、この粒子の間隙の壁面(即ち粒子と粒子の間隙の境界部)には酸基が多数存在する。即ち、この粒子の間隙は酸基が集積したプロトン伝導経路としての役割を果たす。   Furthermore, since acid groups are introduced on the surface of the particles, a large number of acid groups exist on the wall surfaces of the gaps between the particles (that is, the boundary between the particles and the gaps between the particles). That is, the gap between the particles serves as a proton conduction path in which acid groups are accumulated.

この粒子の間隙は、本発明のプロトン伝導性膜の主表面から相対向する面に連通していることが好ましい。即ち、プロトン伝導路が主表面から相対向する面に連通することによりプロトンがアノードからカソードに効率的に拡散・移動することが可能である。逆に、粒子の間隙がプロトン伝導性膜の主表面から相対向する面に連通していない場合には、プロトン伝導性能は顕著に低下する。   It is preferable that the gap between the particles communicates with the opposite surface from the main surface of the proton conductive membrane of the present invention. That is, the proton conduction path communicates from the main surface to the opposite surface, so that protons can efficiently diffuse and move from the anode to the cathode. On the other hand, when the gap between the particles does not communicate with the opposite surface from the main surface of the proton conducting membrane, the proton conducting performance is significantly reduced.

(粒子の詳細)
本発明のプロトン伝導性膜は、ケイ素−酸素架橋構造体からなる粒子を有し、当該粒子は表面に酸基を有している。
(Details of particles)
The proton conductive membrane of the present invention has particles composed of a silicon-oxygen crosslinked structure, and the particles have acid groups on the surface.

なお、粒子の形態に関しては、球形である場合、若干強度が大きいという利点があるが、必ずしも真球に近い球形である必要はなく、偏平な粒状、柱状など非球形であっても良い。粒子は、明確な構造境界を有するものであれば特に制限はない。   In addition, regarding the form of the particles, the spherical shape has an advantage that the strength is slightly high, but the shape is not necessarily a spherical shape close to a true sphere, and may be a non-spherical shape such as a flat granular shape or a columnar shape. The particles are not particularly limited as long as they have clear structural boundaries.

ケイ素−酸素結合からなる架橋構造体は、いわゆるガラス構造体であり、前述したように高温でも安定であるために、耐熱性を必要とするプロトン伝導性膜の基本構造として適している。   The cross-linked structure composed of silicon-oxygen bonds is a so-called glass structure and is suitable as a basic structure of a proton conductive membrane that requires heat resistance because it is stable at high temperatures as described above.

本発明のプロトン伝導性膜において、粒子の表面の酸基は、スルホン酸基であることが望ましい。スルホン酸は極めて強い酸であり、酸基としてスルホン酸を用いることにより、プロトンの解離性は極めて良好となる。すなわち、スルホン酸はプロトンの拡散抑制が極めて少なく、本発明に好ましく用いることができる。スルホン酸は酸化耐久性も良好であって、又、耐熱性においても180℃まで安定であって、本発明に好ましく用いることができる。   In the proton conductive membrane of the present invention, the acid group on the surface of the particle is preferably a sulfonic acid group. Sulfonic acid is a very strong acid, and by using sulfonic acid as an acid group, the dissociation property of protons becomes very good. That is, sulfonic acid has very little suppression of proton diffusion and can be preferably used in the present invention. The sulfonic acid has good oxidation durability and is stable up to 180 ° C. in heat resistance, and can be preferably used in the present invention.

本発明のプロトン伝導性膜において、粒子状骨格構造となる粒子の連続体を構成する各粒子の平均粒径は、3〜200nmであることが好ましい。平均粒子径が200nmを超えるとプロトン伝導の主役を担う粒子の表面積が減少し、高い伝導度が得られなくなり、又、粒子の間隙が大きくなりすぎて脆くなり、更に燃料ガスの漏洩(いわゆるケミカルショート)の発生も危惧される。一方、3nm以下では均一層に近くなり、十分なプロトン伝導経路が確保できず、効率的なプロトン伝導が困難となる。従って粒子の好ましい平均粒径範囲は3〜200nmであり、より好ましくは5〜100nm、更に好ましくは10〜50nmである。平均粒径範囲を前述の範囲とすることにより、十分な強度を確保しつつも、プロトン伝導経路を十分に確保することができる。   In the proton conductive membrane of the present invention, it is preferable that the average particle diameter of each particle constituting the continuous particle body having a particulate skeleton structure is 3 to 200 nm. If the average particle diameter exceeds 200 nm, the surface area of the particles that play a major role in proton conduction decreases, and high conductivity cannot be obtained. Also, the gap between the particles becomes too large and becomes brittle, and fuel gas leaks (so-called chemicals). Short circuit) is also a concern. On the other hand, when the thickness is 3 nm or less, the layer is close to a uniform layer, and a sufficient proton conduction path cannot be secured, making efficient proton conduction difficult. Therefore, the preferable average particle diameter range of the particles is 3 to 200 nm, more preferably 5 to 100 nm, and still more preferably 10 to 50 nm. By setting the average particle diameter range to the above-described range, it is possible to sufficiently secure the proton conduction path while ensuring sufficient strength.

又、粒径の分布については、均一な粒径の粒子の連続体であっても、不均一な粒径の粒子の連続体であってもよい。ここで、粒子の粒径分布が均一であると、粒径にもよるが幾何学的に隙間ができやすく、高いイオン伝導度を発揮できる可能性がある。一方、粒径分布に幅があると、密なパッキングが可能であり、燃料ガスバリア性の向上や膜の強度向上に寄与する。従って使用状況に応じて粒径分布を選ぶようにするのが望ましい。粒子の粒径分布はイオン伝導度、燃料ガスバリア性、膜強度を勘案して適宜決定される。粒径制御は、用いる原料の構造・分子量、溶媒種類・濃度、触媒種類・量、反応温度などの条件調整により可能である。粒径制御の詳細な方法については、後述の本発明のプロトン伝導性膜の製造方法にて示す。粒径分布は前述の小角X線散乱等から求めることが可能である。   The particle size distribution may be a continuum of particles having a uniform particle size or a continuum of particles having a non-uniform particle size. Here, when the particle size distribution of the particles is uniform, although it depends on the particle size, a gap is easily formed geometrically, and there is a possibility that high ion conductivity can be exhibited. On the other hand, when the particle size distribution is wide, dense packing is possible, which contributes to improvement of fuel gas barrier properties and membrane strength. Therefore, it is desirable to select the particle size distribution according to the usage situation. The particle size distribution of the particles is appropriately determined in consideration of ion conductivity, fuel gas barrier properties, and membrane strength. The particle size can be controlled by adjusting the conditions such as the structure / molecular weight of the raw material used, solvent type / concentration, catalyst type / amount, and reaction temperature. A detailed method of controlling the particle size will be described in the method for producing a proton conductive membrane of the present invention described later. The particle size distribution can be obtained from the aforementioned small-angle X-ray scattering or the like.

前述のように、本発明のプロトン伝導性膜に含まれる粒子の表面には酸基、好ましくはスルホン酸基が存在する。スルホン酸基は、スルホン酸含有化合物を粒子の間隙に注入(ドープ)された状態であっても良いが、この場合には、長期にわたって燃料電池用電解質膜として使用した場合、プロトン伝導性膜から散逸(いわゆるドープアウト)する可能性がある。   As described above, acid groups, preferably sulfonic acid groups are present on the surfaces of the particles contained in the proton conducting membrane of the present invention. The sulfonic acid group may be in a state where a sulfonic acid-containing compound is injected (doped) into the gaps between the particles. In this case, when used as an electrolyte membrane for a fuel cell for a long time, the proton conductive membrane is used. There is a possibility of dissipation (so-called dope out).

これに対し、スルホン酸基を粒子表面に共有結合にて固定化すると、安定した性能を発揮させることが可能となる。   On the other hand, when the sulfonic acid group is immobilized on the particle surface by a covalent bond, stable performance can be exhibited.

又、本実施形態に係るプロトン伝導性膜において、架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されている。   In the proton conductive membrane according to this embodiment, the unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) is treated with the silylating agent (B).

ここで、シリル化は、水酸基を保護する方法の一つとして有機合成において広く用いられている。シリル化の一般的な方法としては、水酸基を有する化合物に対してイミダゾールなどの塩基存在下、シリルクロライドを反応させることでシリル化は速やかに起こる。溶媒としては、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ピリジンなどが一般に用いられる。反応性が低い場合には、2,6-ルチジンやN,N-ジイソプロピルエチルアミンの存在下、シリルトリフラートを作用させて反応させる。本実施形態では、図2に示すように、プロトン伝導性膜表面付近の未半のシラノール(HO−Si)末端に、例えば、シリルクロライドを反応させることでシリル化する。   Here, silylation is widely used in organic synthesis as one of the methods for protecting the hydroxyl group. As a general method of silylation, silylation occurs rapidly by reacting a compound having a hydroxyl group with silyl chloride in the presence of a base such as imidazole. As the solvent, dimethylformamide, tetrahydrofuran, pyridine and the like are generally used. When the reactivity is low, silyl triflate is allowed to react in the presence of 2,6-lutidine or N, N-diisopropylethylamine. In this embodiment, as shown in FIG. 2, silylation is carried out by reacting, for example, silyl chloride with the remaining half of silanol (HO—Si) terminal near the surface of the proton conductive membrane.

又、シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基の分子量は、150以上であることが好ましい。シリル基の分子量が150以上となるシリル化剤(B)としては、例えば、図3に示すように、トリフェニルシリルクロライドやt−ブチルジフェニルシリルクロライドなどが挙げられる。   Moreover, it is preferable that the molecular weight of the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) is 150 or more. Examples of the silylating agent (B) having a silyl group molecular weight of 150 or more include triphenylsilyl chloride and t-butyldiphenylsilyl chloride as shown in FIG.

又、シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基は、ヘテロ原子を構成原子として含有することが好ましい。このヘテロ原子は、少なくともフッ素原子、窒素原子、酸素原子又は硫黄原子のいずれか1を含有することが好ましい。シリル基がヘテロ原子を構成原子として含む原子団としては、例えば、図4に示すように、メチル−3,3,3−トリフルオロプロピルジクロロシランや3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロヘキシルメチルジクロロシランなどが挙げられる。   Moreover, it is preferable that the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) contains a hetero atom as a constituent atom. This heteroatom preferably contains at least any one of a fluorine atom, a nitrogen atom, an oxygen atom and a sulfur atom. Examples of the atomic group in which the silyl group includes a hetero atom as a constituent atom include methyl-3,3,3-trifluoropropyldichlorosilane and 3,3,4,4,5,5, as shown in FIG. Examples include 6,6,6-nonafluorohexylmethyldichlorosilane.

又、架橋性電解質(A)は、複数のケイ素−酸素架橋と共有結合し、かつ炭素原子を含む有機無機複合構造体を含有し、当該炭素原子の重量%は、20%以下であることが好ましい。   The crosslinkable electrolyte (A) contains an organic-inorganic composite structure that is covalently bonded to a plurality of silicon-oxygen bridges and contains carbon atoms, and the weight% of the carbon atoms is 20% or less. preferable.

(粒子の間隙)
前述したように、本発明のプロトン伝導性膜は、ケイ素−酸素架橋構造からなる粒子を有し、当該粒子は表面に酸基を有し、かつ当該粒子が連続体を構成している。粒子の連続体は、前述のように幾何学的に粒子の間隙を生じる。特に、この粒子の間隙が、プロトン伝導性膜の主表面から相対向する面に連通している場合、粒子の間隙はプロトンがアノードからカソードに効率的に拡散・移動するプロトン伝導経路となる。
(Gap between particles)
As described above, the proton conductive membrane of the present invention has particles composed of a silicon-oxygen crosslinked structure, the particles have acid groups on the surface, and the particles constitute a continuum. The particle continuum geometrically creates particle gaps as described above. In particular, when the gap between the particles communicates with the opposite surface from the main surface of the proton conductive membrane, the gap between the particles becomes a proton conduction path through which protons efficiently diffuse and move from the anode to the cathode.

粒子の間隙の間隙幅は特に限定されないが、極端に狭いとプロトン伝導が阻害され、又、広すぎると膜が脆くなるだけでなく、燃料ガスがリークして(いわゆるケミカルショート)発電効率が低下する。具体的な平均間隙幅としては、例えば、0.5nm〜500nmが好ましく、1nm〜200nmがより好ましく、更に好ましくは1〜10nmである。   The gap width of the particle gap is not particularly limited, but if it is extremely narrow, proton conduction is inhibited, and if it is too wide, not only the membrane becomes brittle, but also fuel gas leaks (so-called chemical short) and power generation efficiency decreases. To do. The specific average gap width is, for example, preferably 0.5 nm to 500 nm, more preferably 1 nm to 200 nm, and still more preferably 1 to 10 nm.

この粒子の間隙の幅を直接観察することは困難であるが、代替評価として水銀圧入法やBET法による比表面積測定より求められる細孔径分布により見積もることができる。   Although it is difficult to directly observe the width of the gap between the particles, as an alternative evaluation, it can be estimated from a pore size distribution obtained by measuring a specific surface area by a mercury intrusion method or a BET method.

ところで、前述のように、粒子の間隙の壁面(即ち粒子表面)には酸基が導入されているため、粒子の間隙は親水性となっており、水は間隙に効率的に導入することができ、間隙を水によりほぼ置換することができる。プロトン伝導の媒体である水が粒子の間隙に導入可能であることは、プロトン伝導性膜にとっては必須である。通常、燃料電池動作時には、燃料ガスの加湿水、又はカソードの反応で生じた水等により、粒子の間隙の一部あるいは全部が充填された状態となる。プロトン(水素イオン)は、これらの複数の水分子で水和された状態(ヒドロニウムイオン)の形で存在し、このヒドロニウムイオンの拡散移動によりプロトンが伝達される。すなわち、粒子の間隙は、乾燥時には周辺の大気が充満しているが、燃料電池動作時には燃料ガスの加湿水、あるいはカソードの反応で生じた水が満たされていることが好ましい。   By the way, as described above, since acid groups are introduced into the wall surfaces of the particle gap (that is, the particle surface), the particle gap is hydrophilic, and water can be efficiently introduced into the gap. And the gap can be substantially replaced by water. It is essential for the proton conducting membrane that water, which is a proton conducting medium, can be introduced into the gaps between the particles. Normally, during operation of the fuel cell, part or all of the gaps between the particles are filled with humidified water of the fuel gas or water generated by the reaction of the cathode. Protons (hydrogen ions) exist in the form of hydration with these plural water molecules (hydronium ions), and protons are transferred by diffusion movement of the hydronium ions. That is, the gap between the particles is preferably filled with the surrounding atmosphere during drying, but is preferably filled with humidified water of the fuel gas or water generated by the reaction of the cathode during the operation of the fuel cell.

粒子の間隙の容積は、同様にして水銀圧入法やBET法により見積もることもできるが、の粒子の間隙を水で置換することが可能であることを利用したより簡便な方法として、含水量測定がある。即ち、プロトン伝導性膜を水に浸せきし、表面の水分を取り除いた後の湿潤質量と、プロトン伝導性膜を乾燥(例えば減圧で100度加熱)した乾燥質量を測定し、(湿潤質量−乾燥質量)/(乾燥質量)の式で算出できる含水率は間隙の体積分率と相関のある数値となる。いわば、空孔率に相当するものである。   The volume of the particle gap can also be estimated by the mercury intrusion method or the BET method in the same way, but as a simpler method utilizing the fact that the particle gap can be replaced with water, water content measurement is possible. There is. That is, the wet mass after immersing the proton conductive membrane in water and removing the moisture on the surface and the dry mass obtained by drying the proton conductive membrane (for example, heating at 100 ° C. under reduced pressure) were measured. The water content that can be calculated by the formula of (mass) / (dry mass) is a value that correlates with the volume fraction of the gap. In other words, it corresponds to the porosity.

本発明のプロトン伝導性膜においては、上記含水率が3質量%以上であることが好ましい。これ未満の含水率では粒子の間隙、即ちプロトン伝導経路の容積が不十分であり、高い伝導度を得ることができない。一方、含水率が50質量%を超える場合には、燃料ガスが通りやすくなり、ケミカルショートを起こすと同時に膜が脆く弱くなる傾向があるため、50質量%以下であることが好ましい。このように、含水率3〜50質量%であることが好ましいが、更に5〜30質量%がより好ましい。   In the proton conductive membrane of the present invention, the water content is preferably 3% by mass or more. If the moisture content is less than this, the gap between the particles, that is, the volume of the proton conduction path is insufficient, and high conductivity cannot be obtained. On the other hand, when the water content exceeds 50% by mass, the fuel gas tends to pass through and tends to cause a chemical short circuit, and at the same time, the membrane tends to be brittle and weak. Thus, the water content is preferably 3 to 50% by mass, and more preferably 5 to 30% by mass.

又、更に、この粒子の間隙の容量(体積)は、粒子の間隙が水で満たされている状態と、乾燥して空気が存在する状態との間での体積差が、3体積%以下であることが好ましい。乾燥時と含水時で体積差(含水による膨潤)があると、膜−電極接合時に含水率調整等が必要となって、接合プロセスが煩雑となるばかりではなく、燃料電池動作時の膜の含水率変動により膜−電極接合体に大きなストレスを生じ、電極からの膜剥離や接触脱落の原因となる。   Further, the volume (volume) of the particle gap is such that the volume difference between the state where the particle gap is filled with water and the state where air is present after drying is 3% by volume or less. Preferably there is. If there is a difference in volume (swelling due to moisture) between drying and moisture content, it is necessary to adjust the moisture content at the time of membrane-electrode joining, which not only complicates the joining process, but also the moisture content of the membrane during fuel cell operation. The rate fluctuation causes a large stress on the membrane-electrode assembly, which causes the membrane to peel off from the electrode or cause contact to drop off.

この体積差は、乾燥状態で測定した乾燥容量と、水を満たした場合の含水率の差で求めることもできるが、簡易には、乾燥状態と湿潤状態の膜の膨潤率で求めることが可能である。この場合、粒子は高密度架橋構造を有し、含水しても膨潤しないため、膨潤はすべて粒子の間隙の体積変動に起因するものとして良い。本発明のプロトン伝導性膜では、通常、含水による膨潤率は3%以下であり、燃料電池動作時にも大きな体積変化が無く、極めて良好に用いることができる。   This volume difference can be obtained from the difference between the dry capacity measured in the dry state and the moisture content when water is filled, but it can be easily obtained from the swelling rate of the dry and wet membranes. It is. In this case, since the particles have a high-density cross-linked structure and do not swell even when they are hydrated, all the swelling may be caused by volume fluctuations in the gaps between the particles. In the proton conductive membrane of the present invention, the swelling ratio due to water content is usually 3% or less, and there is no large volume change even during operation of the fuel cell, and it can be used very well.

更に、粒子の間隙に、親水性の材料や電解質材料を充填しても良い。ただし、一般的に粒子の間隙にこれらの材料を充填するとプロトン伝導性が低下する。しかしながら、例えば燃料ガス透過によるケミカルショートを防止する場合や、メタノールなどの直接液体燃料を燃料電池に導入する場合の燃料浸透防止には効果があるため、必要に応じてあらかじめこれら材料の充填を行うようにしても良い。   Furthermore, a hydrophilic material or an electrolyte material may be filled in the gaps between the particles. However, generally, when these materials are filled in the gaps between the particles, proton conductivity decreases. However, it is effective in preventing fuel penetration when preventing chemical short circuit due to fuel gas permeation or when direct liquid fuel such as methanol is introduced into the fuel cell. You may do it.

(固体高分子形燃料電池)
上記プロトン伝導性膜とガス拡散電極とを接合することにより、膜−電極接合体を得ることができる。又、当該膜−電極接合体を単位セルとして、その外側に、燃料、酸素の通路となる一対のセパレータを設置するとともに、隣り合う複数セルを相互に連結することにより、固体高分子形燃料電池を得ることができる。
(Solid polymer fuel cell)
A membrane-electrode assembly can be obtained by bonding the proton conductive membrane and the gas diffusion electrode. In addition, the membrane-electrode assembly is used as a unit cell, and a pair of separators serving as fuel and oxygen passages are installed outside the unit cell, and a plurality of adjacent cells are connected to each other, thereby solid polymer fuel cell Can be obtained.

(プロトン伝導性膜の製造方法)
次に、本実施の形態のプロトン伝導性膜の製造方法について説明する。
(Proton conductive membrane production method)
Next, the manufacturing method of the proton conductive membrane of this Embodiment is demonstrated.

ケイ素−酸素架橋構造からなる粒子であって、当該粒子の表面に酸基が導入され、かつ当該粒子が連続体を構成しているプロトン伝導性膜の製造方法は、特に限定されることはないが、例えば以下のような方法で製造することができる。   There is no particular limitation on the method for producing a proton conductive membrane having a silicon-oxygen crosslinked structure, in which an acid group is introduced on the surface of the particle, and the particle constitutes a continuum. However, it can be manufactured by the following method, for example.

即ち、本発明のプロトン伝導性膜は、メルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基と、及び/又はシラノール基を有するメルカプト基含有化合物(D)と、極性制御剤(E)とを含有する混合物を調製する第1の工程と、それを成膜する第2の工程と、該成膜された混合物に含まれる加水分解性シリル基を加水分解及び縮合、及び/又はシラノール基を縮合させることにより、ケイ素−酸素架橋構造からなる粒子の連続体を構成する膜を形成する第3の工程と、更に膜中のメルカプト基を酸化してスルホン酸基とし、粒子の表面にスルホン酸基を導入する第4の工程とより製造することができる。   That is, the proton conductive membrane of the present invention has a mercapto group-containing compound (D) having a mercapto group and a hydrolyzable silyl group covalently bonded to the mercapto group and / or a silanol group. And a first step of preparing a mixture containing the polarity control agent (E), a second step of forming the film, and hydrolyzing the hydrolyzable silyl group contained in the formed mixture And a third step of forming a film constituting a continuum of particles having a silicon-oxygen crosslinked structure by condensing and / or condensing silanol groups, and further oxidizing the mercapto group in the film to sulfonic acid And a fourth step of introducing a sulfonic acid group to the surface of the particle.

以下、各工程について詳細に説明する。   Hereinafter, each step will be described in detail.

5.1 第1の工程
第1の工程では、メルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基と、及び/又はシラノール基を有するメルカプト基含有化合物(D)と、極性制御剤(E)とを含有する混合物を調製する。
5.1 First Step In the first step, a mercapto group-containing compound having a mercapto group and a hydrolyzable silyl group capable of condensation reaction covalently bonded to the mercapto group and / or a silanol group ( A mixture containing D) and a polarity control agent (E) is prepared.

5.1.1 メルカプト基含有化合物(D)
メルカプト基含有化合物(D)はメルカプト基を有し、かつ、メルカプト基と共有結合した縮合反応可能な加水分解性シリル基、及び/又はシラノール基を有していれば特に制限はない。
5.1.1 Mercapto group-containing compound (D)
The mercapto group-containing compound (D) is not particularly limited as long as it has a mercapto group and has a hydrolyzable silyl group and / or silanol group that can be condensed and covalently bonded to the mercapto group.

このメルカプト基含有化合物(D)として、以下に例示するが、本発明はこれに限定されるものではない。   Examples of the mercapto group-containing compound (D) are shown below, but the present invention is not limited thereto.

メルカプト基含有化合物(D)として、例えば、次式(1)で示されるメルカプト基含有化合物(G)があげられる。

Figure 2008140665
Examples of the mercapto group-containing compound (D) include a mercapto group-containing compound (G) represented by the following formula (1).
Figure 2008140665

(式中、R7はH、CH3、C25、C37、又はC49のいずれかの基を表し、R1は炭素数20以下の炭化水素基を表し、R2はCH3、C25、C37、又はC65のいずれかの基を表し、nは1〜3の整数を表す。nが1のとき、R2は異なる置換基の混合体でもよい。)
ここで、R1は、炭素数20以下の炭化水素基であれば特に制限はないが、芳香族環や分岐を含まないメチレン鎖(−CH2−の連鎖)が酸や酸化に対して安定であり好ましく用いることができる。特に、炭素数が3(即ち、R1が−CH2CH2CH2−)のものは安価かつ入手が容易で好ましく用いることができる。R1に分岐構造や芳香族環が含まれていても、燃料電池作動条件下で安定であれば特に問題はない。
(Wherein, R7 represents H, CH 3, C 2 H 5, C 3 H 7, or one of the groups of C 4 H 9, R1 represents a hydrocarbon group having 20 or less carbon atoms, the R2 CH 3 represents any group of C 2 H 5 , C 3 H 7 , or C 6 H 5 , and n represents an integer of 1 to 3. When n is 1, R 2 may be a mixture of different substituents. Good.)
Here, R1 is not particularly limited as long as it is a hydrocarbon group having 20 or less carbon atoms, but a methylene chain (a chain of —CH 2 —) containing no aromatic ring or branch is stable against acid and oxidation. It can be preferably used. In particular, those having 3 carbon atoms (that is, R 1 is —CH 2 CH 2 CH 2 —) are preferably inexpensive and easily available. Even if R1 contains a branched structure or an aromatic ring, there is no particular problem as long as it is stable under the operating conditions of the fuel cell.

又、R7がHの場合には、ポットライフが短くなるため、注意して扱う必要がある。R7がアルキル基の場合には、ポットライフも長く、反応制御も容易であり、好適に用いることができる。とくに、R7はCH3、C25のものが安価かつ入手も容易であり、好適に用いることができる。 Further, when R7 is H, the pot life is shortened, so it must be handled with care. When R7 is an alkyl group, the pot life is long, the reaction control is easy, and it can be suitably used. In particular, R7 is CH 3, a C 2 H easy is inexpensive and available ones 5, can be suitably used.

アルキレン基(R2)は式(1)中にあげられた各置換基を用いることができるが、R2がCH3のものが安価かつ入手容易であり、好ましく用いることができる。 Alkylene group (R2) may be used each substituent mentioned in the formula (1), R2 is inexpensive and easily available ones CH 3, can be preferably used.

架橋基(OR7)とアルキル基(R2)の比率は、架橋基が多い程粒子に安定して固定化可能であるが、一方、アルキル基を導入することにより、プロトン伝導性膜の可撓性が付与できる。他の架橋剤との組み合わせも含め、物性と安定性のバランスの上で、架橋基とアルキル基の比率は適宜選択可能であるが、好ましくは架橋基の数は2、又は3であり、架橋基が3あるものがより安定して固定化できるため、より好ましい。   The ratio of the cross-linking group (OR7) to the alkyl group (R2) can be more stably immobilized on the particles as the cross-linking group increases. On the other hand, by introducing an alkyl group, the flexibility of the proton conductive membrane can be increased. Can be granted. In view of the balance between physical properties and stability, including combinations with other cross-linking agents, the ratio of the cross-linking group to the alkyl group can be appropriately selected, but preferably the number of cross-linking groups is 2 or 3, Those having 3 groups are more preferred because they can be more stably immobilized.

この式(1)で示される原料としては、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリプロポキシシラン、3−メルカプトプロピルトリプトキシシラン、2−メルカプトエチルトリメトキシシラン、2−メルカプトエチルトリエキトキシシラン、2−メルカプトエチルトリプロポキシシラン、2−メルカプトエチルトリプトキシシラン、メルカプトメチルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジプロポキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジブトキシシラン、3−メルカプトプロピルエチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルブチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルフェニルジメトキシシラン、メルカプトメチルメチルジエトキシシラン等が例示されるが、本発明はこれに限定されるものではない。   As the raw material represented by the formula (1), 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltripropoxysilane, 3-mercaptopropyltryptoxysilane, 2-mercaptoethyltrimethoxy Silane, 2-mercaptoethyltriethoxysilane, 2-mercaptoethyltripropoxysilane, 2-mercaptoethyltryptoxysilane, mercaptomethyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldiethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldipropoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldibutoxysilane, 3-mercaptopropylethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropylbutyl Silane, 3-mercaptopropyl phenyl dimethoxy silane, but mercaptomethyl methyldiethoxysilane, and the like, the present invention is not limited thereto.

この中でも3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)社製)が大量且つ安価に入手することができ、好ましく用いることができる。   Among these, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) can be obtained in large quantities and at low cost, and can be preferably used.

又、メルカプト基含有化合物(D)の例として、次式(2)で表されるメルカプト基含有縮合体(H)があげられる。

Figure 2008140665
Examples of the mercapto group-containing compound (D) include a mercapto group-containing condensate (H) represented by the following formula (2).
Figure 2008140665

(式中、R7はH、CH3、C25、C36、又はC49のいずれかの基を表し、R1は炭素数20以下の炭化水素基を表し、R2はOH、OCH3、OC26、OC36、OC49、CH3、C26、C37、C49、C65のいずれかの基を表し、mは1〜100の整数を表す。又、R7が−Si、又はR2がO−Si結合となった環状構造、分岐構造となっても良い)
これは、メルカプト基含有化合物(G)の縮合体であり、例えばメルカプト基含有化合物(G)を縮合することにより得ることができる。このような縮合体を用いると、酸の連続性が高まり、より高い伝導度が得られると同時に、1分子内の架橋基が増加することにより粒子との結合安定性も向上し、より高い耐久性能を実現することができる。
(Wherein, R7 represents H, CH 3, C 2 H 5, C 3 H 6, or one of the groups of C 4 H 9, R1 represents a hydrocarbon group having 20 or less carbon atoms, the R2 OH , OCH 3 , OC 2 H 6 , OC 3 H 6 , OC 4 H 9 , CH 3 , C 2 H 6 , C 3 H 7 , C 4 H 9 , C 6 H 5 , Represents an integer of 1 to 100. Also, R7 may be -Si, or R2 may be an O-Si bond or a cyclic structure or a branched structure.
This is a condensate of a mercapto group-containing compound (G), and can be obtained, for example, by condensing a mercapto group-containing compound (G). When such a condensate is used, the continuity of the acid is increased, higher conductivity is obtained, and at the same time, the cross-linking group in one molecule is increased, so that the bond stability with the particles is improved and the durability is increased. Performance can be realized.

R1、R2、及びR7はメルカプト基含有化合物(G)に準ずるが、このうち、R7が−Si、又はR2がO−Si結合となった環状構造、分岐構造を含んでいても良い。   R1, R2, and R7 are based on the mercapto group-containing compound (G), and among them, R7 may be -Si, or R2 may be a cyclic structure or a branched structure in which an O-Si bond is formed.

又、重合度(m+1)は2以下であると縮合による酸の連続化、架橋基増加等の効果が見られず、100を超えるとゲル化等が起こり、原料として用いることが困難となる。   On the other hand, if the degree of polymerization (m + 1) is 2 or less, effects such as continuation of acid by condensation and increase in cross-linking group are not observed. If it exceeds 100, gelation occurs and it becomes difficult to use as a raw material.

更に、メルカプト基含有化合物(D)の例として、次式(3)で表されるメルカプト基含有縮合体(I)があげられる。

Figure 2008140665
Furthermore, examples of the mercapto group-containing compound (D) include a mercapto group-containing condensate (I) represented by the following formula (3).
Figure 2008140665

(式中、R7はH、CH3、C25、C36、又はC49のいずれかの基を表し、R1は炭素数20以下の炭化水素基を表し、R2、R8、R9はそれぞれ独立にOH、OCH3、OC26、OC36、OC49、CH3、C26、C37、C49、C65のいずれかの基を表し、n、mはそれぞれ独立に1〜100の整数を表す。又、R7が−Si結合、又はR2、R8、R9が−O−Si結合となった環状構造、分岐構造となっても良い)
これは、メルカプト基含有化合物(G)と、後に詳述する架橋剤(J)の共縮合物である。架橋剤(J)の実例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラプトキシシラン等が挙げられる。このうち、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランは汎用品であり、安価であり、大量かつ容易に入手可能であるため、特に好ましく用いることができる。又、更に、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、n−ヘキシルトリメトキシシラン、n−オクチルトリメトキシシラン、n−ウンデシルトリメトキシシラン、n−ドデシルトリメトキシシラン、n−ヘキサデシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリメトキシシラン等のメトキシ体、及びこれらのエトキシ体、イソプロポキシ体、ブトキシ体等との共重合体であっても良い。本発明はこれに限定されるものではなく、式(3)で表される化合物であれば限定はない。
(Wherein, R7 represents H, CH 3, C 2 H 5, C 3 H 6, or one of the groups of C 4 H 9, R1 represents a hydrocarbon group having 20 or less carbon atoms, R2, R8 , R9 are each independently OH, either OCH 3, OC 2 H 6, OC 3 H 6, OC 4 H 9, CH 3, C 2 H 6, C 3 H 7, C 4 H 9, C 6 H 5 N and m each independently represents an integer of 1 to 100. In addition, R7 is a -Si bond, or R2, R8, R9 is a -O-Si bond, May be)
This is a cocondensate of a mercapto group-containing compound (G) and a crosslinking agent (J) described in detail later. Examples of the cross-linking agent (J) include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetraptoxysilane and the like. Among these, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are general-purpose products, are inexpensive, and are easily available in large quantities, and therefore can be particularly preferably used. Furthermore, methyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, i-propyltrimethoxysilane, n-butyltrimethoxysilane, n Methoxy compounds such as hexyltrimethoxysilane, n-octyltrimethoxysilane, n-undecyltrimethoxysilane, n-dodecyltrimethoxysilane, n-hexadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltrimethoxysilane, and the like Copolymers with ethoxy, isopropoxy, butoxy and the like may also be used. This invention is not limited to this, There will be no limitation if it is a compound represented by Formula (3).

R1、R2、及びR7はメルカプト基含有化合物(G)に準じ、R8、R9は架橋剤(J)の基本構造に準ずるが、このうち、R7が分子内のSiと結合して環状構造、又はR2、R8、R9が−O−Si結合となった環状構造、分岐構造を含んでいても良い
又、重合度(m+n)は2未満であると縮合による酸の連続化、架橋基増加等の効果が見られず、200を超えるとゲル化等が起こり、原料として用いることが困難となる。メルカプト基含有縮合体(I)は、メルカプト基含有縮合体(H)にくらべて置換基の調整範囲が大であるため、より高重合度までゲル化せずに原料化できる。
R1, R2 and R7 are in accordance with the mercapto group-containing compound (G), and R8 and R9 are in accordance with the basic structure of the crosslinking agent (J). Of these, R7 is bonded to Si in the molecule to form a cyclic structure, or R2, R8, R9 may contain a cyclic structure or a branched structure in which -O-Si bond is formed. If the degree of polymerization (m + n) is less than 2, acid continuation by condensation, increase of crosslinking groups, etc. No effect is seen, and when it exceeds 200, gelation or the like occurs, making it difficult to use as a raw material. Since the mercapto group-containing condensate (I) has a larger adjustment range of substituents than the mercapto group-containing condensate (H), it can be used as a raw material without gelation to a higher degree of polymerization.

このメルカプト基含有縮合体(I)は、構造設計上自由度が高く、架橋性の高い構造を導入して、粒子との固定化をより強固とし、安定したプロトン伝導性を発揮させたり、架橋度をむしろ低下させて膜に可撓性を付与したり、種々の物性調整が可能となる。   This mercapto group-containing condensate (I) has a high degree of freedom in structural design, introduces a highly crosslinkable structure, makes it more firmly fixed with particles, exhibits stable proton conductivity, and crosslinks. The degree is rather lowered to give flexibility to the film, and various physical properties can be adjusted.

これらのメルカプト基含有縮合体(H)、(I)は公知の方法で合成することができ、これらの方法は、例えば、特開平9−40911号公報、特開平8−134219号公報、特開2002−30149号公報、ジャーナルオブポリマーサイエンス パートA:ポリマーケミストリ(Journal of Polymer Science:PartA:Polymer Chemistry、第33巻、第751−754頁、1995)、ジャーナルオブポリマーサイエンス パートA:ポリマーケミストリ(Journal of Polymer Science:PartA:Polymer Chemistry、第37巻、第1017−1026頁、1999)などに開示されている。   These mercapto group-containing condensates (H) and (I) can be synthesized by known methods. For example, these methods are disclosed in JP-A-9-40911, JP-A-8-134219, 2002-30149, Journal of Polymer Science Part A: Polymer of Chemistry (Part A: Polymer Chemistry, Vol. 33, pages 751-754, 1995), Journal of Polymer Science Part A: Journal of Polymer Chemistry (Journal) of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 37, pages 1017-1026, 1999) and the like.

これらメルカプト基含有化合物(D)は、あらかじめ後述の第4の工程で用いる酸化剤によりあらかじめ酸化してから用いても良い。この場合には、第4の工程を省略することが可能となる。   These mercapto group-containing compounds (D) may be used after being previously oxidized with an oxidizing agent used in the fourth step described later. In this case, the fourth step can be omitted.

更に、第1の工程において、次式(4)で表される架橋剤(J)を加える。架橋剤(J)は、架橋性電解質(A)に含有されるテトラ分子量当たりより多くのシラノールを発生することのできる架橋剤である。

Figure 2008140665
Furthermore, in the first step, a crosslinking agent (J) represented by the following formula (4) is added. The crosslinking agent (J) is a crosslinking agent capable of generating more silanol per tetramolecular weight contained in the crosslinkable electrolyte (A).
Figure 2008140665

(式中、R3は炭素原子20以下のアルキル基を表し、R10はOH、OCH3、OC25、OC25、OC49、OCOCH3、又はClを表し、nは2〜4の整数である。)
ここで、架橋剤(J)は、Si−O結合を形成する構造体であれば特に制限はなく、(4)式に表される構造であれば用いることができる。架橋剤(J)の実例としては、イミダゾール、ベンゾトリアゾール、ピラジン、(3−(4−ピリジニル)プロピル)トリメトシシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙げられる。このうち、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランは汎用品であり、安価であり、大量かつ容易に入手可能であるため、特に好ましく用いることができる。又更に、メチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン、n−ヘキシルトリメトキシシラン、n−オクチルトリメトキシシラン、n−ウンデシルトリメトキシシラン、n−ドデシルトリメトキシシラン、n−ヘキサデシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリメトキシシラン等のメトキシ体、及びこれらのエトキシ体、イソプロポキシ体、ブトキシ体等であっても良い。
(Wherein, R3 represents an alkyl group having carbon atoms of 20 or less, R10 represents OH, OCH 3, OC 2 H 5, OC 2 H 5, OC 4 H 9, OCOCH 3, or Cl, n is 2 It is an integer of 4.)
Here, the crosslinking agent (J) is not particularly limited as long as it is a structure that forms a Si—O bond, and any structure can be used as long as it is a structure represented by the formula (4). Examples of the cross-linking agent (J) include imidazole, benzotriazole, pyrazine, (3- (4-pyridinyl) propyl) trimethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane and the like. It is done. Among these, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are general-purpose products, are inexpensive, and are easily available in large quantities, and therefore can be particularly preferably used. Still further, methyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, phenylmethyldimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, i-propyltrimethoxysilane, n-butyltrimethoxysilane, n- Methoxy compounds such as hexyltrimethoxysilane, n-octyltrimethoxysilane, n-undecyltrimethoxysilane, n-dodecyltrimethoxysilane, n-hexadecyltrimethoxysilane, n-octadecyltrimethoxysilane, and ethoxys thereof Body, isopropoxy body, butoxy body and the like.

又、これと類似した役割を担う材料として、チタン、ジルコニウムを含む加水分解性化合物を用いてもよい。具体例としては、チタンメトキシド、チタンエトキシド、チタンn−プロポキシド、チタンi−プロポキシド、チタンn−プトキシド、チタンi−プトキシド、チタンt−プトキシド、ジルコニウムエトキシド、ジルコニウムn−プロポキシド、ジルコニウムi−プロポキシド、ジルコニウムn−プトキシド、ジルコニウムi−プトキシド、ジルコニウムt−プトキシド、及びそれらのアセチルアセトン、アセト酢酸エステル、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン錯体等が挙げられる。   Moreover, you may use the hydrolyzable compound containing titanium and zirconium as a material which plays the role similar to this. Specific examples include titanium methoxide, titanium ethoxide, titanium n-propoxide, titanium i-propoxide, titanium n-ptoxide, titanium i-ptoxide, titanium t-ptoxide, zirconium ethoxide, zirconium n-propoxide, Zirconium i-propoxide, zirconium n-ptoxide, zirconium i-ptoxide, zirconium t-ptoxide, and acetylacetone, acetoacetate, ethanolamine, diethanolamine, triethanolamine complex, and the like.

この架橋剤(J)を用いると、粒子の架橋密度や粒子間結合強度を調整することが可能であり、強度、可撓性を適宜制御することができる。   When this crosslinking agent (J) is used, it is possible to adjust the crosslinking density and interparticle bond strength of the particles, and the strength and flexibility can be appropriately controlled.

又、更に、第一の工程において、次式(5)で表される橋かけ架橋剤(K)を加えても良い。

Figure 2008140665
Furthermore, in the first step, a cross-linking agent (K) represented by the following formula (5) may be added.
Figure 2008140665

(式中、R10はOH、OCH3、OC25、OC36、OC49、OCOCH3、又はClを表し、R5は炭素数1〜30の炭素原子含有分子鎖基を表し、R4はCH3、C25、C37、C49、又はC65から選ばれたいずれかの基であり、nは0、1又は2のいずれかの整数である。)
ここで、式(5)中のR5は、炭素数1〜30の炭素原子含有分子鎖基を表すが、直鎖状のアルキレン基が好ましい。
(Wherein, R10 is OH, OCH 3, OC 2 H 5, OC 3 H 6, OC 4 H 9, OCOCH 3, or represents Cl, R5 represents a carbon atom-containing molecular chain group having from 1 to 30 carbon atoms , R 4 is any group selected from CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 , C 4 H 9 , or C 6 H 5 , and n is an integer of 0, 1 or 2 is there.)
Here, R5 in the formula (5) represents a carbon atom-containing molecular chain group having 1 to 30 carbon atoms, and a linear alkylene group is preferable.

式(5)の構造を有する架橋剤(K)の具体例としては、例えば、イミダゾール、ベンゾトリアゾール、ピラジン、(3−(4−ピリジニル)プロピル)トリメトシシシラン等が挙げられる。又、1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン、1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン、1,9−ビス(トリエトキシシリル)ノナンが該当するが、これらはゲレスト(Gelest)社より市販されている。これ以外の鎖長のもの、あるいはこれ以外の加水分解性基を有する有機無機複合架橋剤(F)も、両末端が不飽和結合となっている直鎖状炭化水素、例えば、1,3−ブタジエンや1,9−デカジエン、1,12−ドデカジエン、1,13−テトラデカジエン、1,21−ドコサジエンなどに白金錯体触媒を用いて各種アルコキシシランとヒドロシリル化反応を行うことにより、対応する架橋性化合物である化合物を得ることができる。   Specific examples of the crosslinking agent (K) having the structure of the formula (5) include imidazole, benzotriazole, pyrazine, (3- (4-pyridinyl) propyl) trimethoxysilane and the like. In addition, 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,6-bis (trimethoxysilyl) hexane, 1,8-bis (triethoxysilyl) octane, 1,9-bis (triethoxysilyl) nonane Applicable, these are commercially available from Gelest. Organic-inorganic composite crosslinking agents (F) having other chain lengths or other hydrolyzable groups are also used as linear hydrocarbons having unsaturated bonds at both ends, such as 1,3- By carrying out hydrosilylation reaction with various alkoxysilanes using platinum complex catalyst on butadiene, 1,9-decadiene, 1,12-dodecadiene, 1,13-tetradecadiene, 1,21-docosadiene, etc. A compound that is a functional compound can be obtained.

この架橋剤(K)を用いると、粒子状構造体の架橋密度を調整することが可能であり、強度、可撓性を適宜制御することができる。   When this crosslinking agent (K) is used, the crosslinking density of the particulate structure can be adjusted, and the strength and flexibility can be appropriately controlled.

5.1.2 極性制御剤(E)
極性制御剤(E)は、粒子を形成するための構造制御剤であって、本発明において好適に用いることができる。
5.1.2 Polarity control agent (E)
The polarity control agent (E) is a structure control agent for forming particles, and can be suitably used in the present invention.

本発明のプロトン伝導性膜においては、物質(水素イオンあるいはその水和体)が拡散、移動できることが必須であるため、膜の内部にイオンを輸送するプロトン伝導経路を形成することが好ましく、粒子の間隙がその役割を担うことは、前述した。   In the proton conductive membrane of the present invention, it is essential that a substance (hydrogen ion or its hydrate) can diffuse and move. Therefore, it is preferable to form a proton conduction path for transporting ions inside the membrane. As described above, this gap plays a role.

本発明のプロトン伝導性膜においては、この粒子及び粒子の間隙の効率的な形成のため、極性制御剤(E)を用いる。   In the proton conductive membrane of the present invention, the polarity control agent (E) is used for the efficient formation of the particles and the gaps between the particles.

通常、テトラエトキシシランのような無機材料などを同様にして加水分解・縮合し、十分な加熱(例えば800℃)を行えば、ガラス状の緻密な架橋体が得られ、イオンチャネルに相当する微細孔は形成されない。このようなアルコキシシランの加水分解、縮合、ゲル化過程(sol−gel反応)は詳細に検討されており、例えばブリンカー(Brinker)らのゾルゲルサイエンス(SOL−GEL SCIENCE)(Academic press,Inc.1990)、作花の「ゾル−ゲル法の化学」(アグネ承風社、1988)等にまとめられている。sol−gel反応では粒子成長、粒子結合、緻密化が順に起こる。典型的なアルコキシシラン材料についてはそれらの詳細な解析がなされ、反応条件等も明らかになっている。   Usually, if an inorganic material such as tetraethoxysilane is similarly hydrolyzed / condensed and heated sufficiently (for example, at 800 ° C.), a glassy dense cross-linked product can be obtained, and a fine equivalent to an ion channel can be obtained. No holes are formed. Such hydrolysis, condensation, and gelation processes (sol-gel reaction) of alkoxysilanes have been studied in detail. For example, Blinker et al. (SOL-GEL SCIENCE) (Academic Press, Inc. 1990). ), “Chemistry of Sol-Gel Method” (Agune Jofusha, 1988). In the sol-gel reaction, particle growth, particle bonding, and densification occur in this order. Detailed analysis of typical alkoxysilane materials has been made, and reaction conditions have been clarified.

本発明のプロトン伝導性膜においては、置換基を有するアルコキシシラン材料を原料とし、更に、粒子の粒径制御、粒子間の結合制御、それに伴う粒子の間隙の制御が必要であり、これを達成するために種々の検討を行った結果、極性制御剤(E)を加えることにより、粒子の連続体形成とそれに伴う粒子の間隙制御が可能であることを見いだした。   In the proton conductive membrane of the present invention, the alkoxysilane material having a substituent is used as a raw material, and further, it is necessary to control the particle size of particles, control of bonding between particles, and control of the gap of particles accompanying it. As a result of various investigations, the inventors have found that the addition of the polarity control agent (E) enables the formation of particle continuum and the accompanying particle gap control.

極性制御剤(E)は有機液体であって、水溶性であることが望ましい。水溶性であると、第1の工程で溶媒を用いる場合(後述)、メルカプト基含有化合物(D)の溶媒への溶解性を調整することが可能であり、適度な粒子の粒径、及び粒子の間隙制御が可能となる。又更に、作製後の膜から水洗にて容易に抽出できるという利点もある。   The polarity control agent (E) is an organic liquid and desirably water-soluble. When the solvent is used in the first step (to be described later), it is possible to adjust the solubility of the mercapto group-containing compound (D) in the solvent. Can be controlled. Furthermore, there is an advantage that the membrane can be easily extracted by washing with water.

又、極性制御剤(E)は、沸点100℃以上であり、融点が25℃以上であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the polarity control agent (E) has a boiling point of 100 ° C. or higher and a melting point of 25 ° C. or higher.

極性制御剤(E)の沸点が低すぎると、膜を形成する際に行う縮合反応時(主として加熱条件にて行う)に揮発してしまい、粒子の粒径制御、及び粒子の間隙制御が不十分になって十分な伝導度が確保できない。従って、極性制御剤(E)の沸点としては、最低でも第1の工程において溶媒が用いられる場合には溶媒の沸点以上であることが好ましく、特に沸点100℃以上が好ましく、より好ましくは150℃以上、更に好ましくは200℃以上である。   If the boiling point of the polarity control agent (E) is too low, it will volatilize during the condensation reaction (mainly performed under heating conditions) when forming the film, and particle size control and particle gap control will not be possible. Sufficient conductivity cannot be ensured. Accordingly, the boiling point of the polarity control agent (E) is preferably at least the boiling point of the solvent when the solvent is used in the first step, particularly preferably at least 100 ° C., more preferably at 150 ° C. As mentioned above, More preferably, it is 200 degreeC or more.

又、極性制御剤(E)の分子間相互作用が大きすぎる場合には極性制御剤(E)が固化して粒子の間隙以外に大きなドメインを形成する可能性があり、この場合膜の強度が低下したり、膜の燃料ガスバリア性が低下する可能性がある。極性制御剤(E)の分子間相互作用の大きさは、融点とほぼ相関があり、融点を指標とすることができる。本発明で用いる極性制御剤(E)の融点は、25℃以下であることが好ましい。融点25℃以下であると適度な分子間相互作用が期待でき、好ましく用いることができ、より好ましくは15℃以下である。   In addition, when the intermolecular interaction of the polarity control agent (E) is too large, the polarity control agent (E) may solidify and form a large domain other than the gap between the particles. The fuel gas barrier property of the membrane may be lowered. The magnitude of the intermolecular interaction of the polarity control agent (E) is substantially correlated with the melting point, and the melting point can be used as an index. The melting point of the polarity control agent (E) used in the present invention is preferably 25 ° C. or less. When the melting point is 25 ° C. or lower, an appropriate intermolecular interaction can be expected and preferably used, and more preferably 15 ° C. or lower.

このような有機物としては、水酸基、エーテル基、アミド基、エステル基などの極性置換基を有しているもの、カルボン酸基、スルホン酸基等の酸基又はその塩を有しているもの、アミン等の塩基基又はその塩を有しているものなどが挙げられる。このうち、酸、塩基及びその塩類は、加水分解・縮合の際に触媒を用いる場合には、これら触媒との相互作用に気を付ける必要があるため、より好ましくは非イオン性のものが好ましく用いることができる。   Examples of such organic substances include those having a polar substituent such as a hydroxyl group, an ether group, an amide group, and an ester group, those having an acid group such as a carboxylic acid group and a sulfonic acid group, or salts thereof. Examples thereof include those having a base group such as amine or a salt thereof. Of these, acids, bases and salts thereof are more preferably nonionic since it is necessary to pay attention to the interaction with these catalysts when using catalysts during hydrolysis and condensation. Can be used.

具体的には、グリセリン及びその誘導体、エチレングリコール及びその誘導体、エチレングリコール重合体(ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、各種分子量のポリエチレングリコールなど)、グルコース、フルクトース、マンニット、ソルビット、スクロースなどの糖類、ペンタエリスリトールなどの多価水酸基化合物、ポリオキシアルキレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、アクリル酸などの水溶性樹脂、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等の炭酸エステル類、ジメチルスルホキシド等のアルキル硫黄酸化物、ジメチルホルムアミド等のアミド類、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのポリオキシエチレンアルキルエーテル類、等があげられるが本発明はこれに限定されるものではない。   Specifically, glycerin and its derivatives, ethylene glycol and its derivatives, ethylene glycol polymers (diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycols of various molecular weights, etc.), glucose, fructose, mannitol, sorbit, sucrose, etc. Saccharides, polyhydric hydroxyl compounds such as pentaerythritol, water-soluble resins such as polyoxyalkylene, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone and acrylic acid, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, alkyl sulfur oxides such as dimethyl sulfoxide, Examples include amides such as dimethylformamide, and polyoxyethylene alkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, but the present invention is not limited thereto. Not.

又、これらのエチレングリコール類の末端OHの一部又は全部が、アルキルエーテルとなったエチレングリコール(モノ/ジ)アルキルエーテル類も好ましく用いることができる。この例としては、エチレングリコール類のモノメチルエーテル、ジメチルエーテル、モノエチルエーテル、ジエチルエーテル、モノプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、モノブチルエーテル、ジプチルエーテル、モノペンチルエーテル、ジペンチルエーテル、モノジシクロペンテニルエーテル、モノグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、モノフェニルエーテル、ジフェニルエーテル、モノビニルエーテルジビニルエーテルがあげられる。又、エチレングリコール類の末端OHの一部又は全部がエステルとなっていても良い。この例としては、エチレングリコール類のモノアセテート、ジアセテートがあげられる。   In addition, ethylene glycol (mono / di) alkyl ethers in which part or all of the terminal OHs of these ethylene glycols are alkyl ethers can also be preferably used. Examples of this include ethylene glycol monomethyl ether, dimethyl ether, monoethyl ether, diethyl ether, monopropyl ether, dipropyl ether, monobutyl ether, diptyl ether, monopentyl ether, dipentyl ether, monodicyclopentenyl ether, monoglycidyl. Examples include ether, diglycidyl ether, monophenyl ether, diphenyl ether, and monovinyl ether divinyl ether. Further, part or all of the terminal OH of ethylene glycol may be an ester. Examples thereof include ethylene glycol monoacetates and diacetates.

又、酸及びその塩を用いても良い場合には、酢酸、プロビオン酸、ドデシル硫酸、ドデシルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸等の酸及びその塩類があげられ、塩基及びその塩を用いても良い場合には塩化トリメチルベンジルアンモニウムなどのアンモニウム塩類、N,N−ジメチルベンジルアミン等のアミン類及びその塩類があげられる。更に、グルタミン酸ナトリウムなどのアミノ酸類などの両性イオン化合物も使用することができる。   In the case where an acid and a salt thereof may be used, an acid such as acetic acid, propionic acid, dodecyl sulfuric acid, dodecyl sulfonic acid, benzene sulfonic acid, dodecyl benzene sulfonic acid, toluene sulfonic acid, and salts thereof may be used. In addition, when salts thereof may be used, ammonium salts such as trimethylbenzylammonium chloride, amines such as N, N-dimethylbenzylamine, and salts thereof are exemplified. Furthermore, zwitterionic compounds such as amino acids such as sodium glutamate can also be used.

又、極性制御剤(E)として無機塩等も用いることは可能ではあるが、一般的に無機塩は凝集力が強く(融点が高く)、メルカプト基含有化合物(D)を含む混合物に添加しても分子レベルの微細分散は困難で、大きな結晶やアモルファス固体となり、膜物物理性やガスバリア性に不利な大きな凝集体を形成する可能性が高い。   Although it is possible to use an inorganic salt or the like as the polarity control agent (E), generally, the inorganic salt has a strong cohesive force (high melting point) and is added to the mixture containing the mercapto group-containing compound (D). However, it is difficult to finely disperse at the molecular level, resulting in large crystals or amorphous solids, and there is a high possibility of forming large aggregates that are disadvantageous to film physical properties and gas barrier properties.

又、本発明においは、その他のイオン界面活性剤も好適に用いることができ、更に触媒との相互作用を勘案してアニオン、カチオン、両性の各界面活性剤なども用いることができる。   In the present invention, other ionic surfactants can be suitably used, and anionic, cationic, and amphoteric surfactants can also be used in consideration of the interaction with the catalyst.

この中でも、液状の水溶性有機物であり、メルカプト基含有化合物(D)に対して適度な相溶性(あるいは適当な非相溶性)を有するポリオキシアルキレンが好ましく、その中でも特にエチレングリコールの重合体が好ましく用いることができる。このポリオキシアルキレン類は以下のような一般式で示すことができる。

Figure 2008140665
Among these, polyoxyalkylene which is a liquid water-soluble organic substance and has appropriate compatibility (or appropriate incompatibility) with the mercapto group-containing compound (D) is preferable, and among them, a polymer of ethylene glycol is particularly preferable. It can be preferably used. These polyoxyalkylenes can be represented by the following general formula.
Figure 2008140665

このようなエチレングリコールの重合体は、2量体(ジエチレングリコール)から各種分子量のポリエチレングリコールまで幅広く市販されており、相溶性、粘度、分子サイズなど、適宜選択可能であり、好ましく用いることができる。特に本発明においては、分子量が約100のジエチレングリコールから平均分子量600のポリエチレングリコールがより好ましく用いることができ、更に、分子量が200前後のテトラエチレングリコールあるいはポリエチレングリコールが特に好ましく用いることができる。   Such polymers of ethylene glycol are widely available from dimers (diethylene glycol) to polyethylene glycols of various molecular weights, and the compatibility, viscosity, molecular size, etc. can be appropriately selected and can be preferably used. In particular, in the present invention, diethylene glycol having a molecular weight of about 100 to polyethylene glycol having an average molecular weight of 600 can be more preferably used, and tetraethylene glycol or polyethylene glycol having a molecular weight of about 200 can be particularly preferably used.

粒子、及び粒子の間隙のサイズは、メルカプト基含有化合物(D)との相溶性と、溶媒や添加剤を含めた膜形成原料系全体との相溶性バランス、及び、極性制御剤(E)の分子量、及び配合量により決定される。本発明の場合、極性制御剤(E)の平均分子量と粒子の間隙の径に相関が見られ、分子量600を超えるポリエチレングリコールを用いた場合には大きな径となってガスバリア性や物性が低下したり、膜が脆くなったりし、一方、分子量100未満であると、小さな径となって、緻密な膜となりすぎて、十分な粒子の間隙が形成されない傾向がある。   The size of the particles and the gap between the particles is such that the compatibility with the mercapto group-containing compound (D), the compatibility balance with the entire film-forming raw material system including the solvent and additives, and the polarity control agent (E) Determined by molecular weight and blending amount. In the case of the present invention, there is a correlation between the average molecular weight of the polarity control agent (E) and the diameter of the gap between particles, and when polyethylene glycol having a molecular weight of more than 600 is used, the diameter becomes large and gas barrier properties and physical properties decrease. On the other hand, if the molecular weight is less than 100, the film has a small diameter and becomes too dense, and there is a tendency that sufficient particle gaps are not formed.

なお、極性制御剤(E)の添加量は用いる極性制御剤(E)の種類や分子量、あるいは膜の構造に依存するために一概に言うことは難しいが、一般的にはメルカプト基含有化合物(D)100重量部に対して3〜150重量部添加する。3重量部未満では、粒子径、及び粒子の間隙制御の効果がほとんど認められず、150重量部を超えると粒子の間隙が大きくなりすぎ、膜が脆くなったり、ガス透過が顕著になったりする可能性が高い。   The amount of the polarity control agent (E) added depends on the type and molecular weight of the polarity control agent (E) to be used and the structure of the film. D) Add 3 to 150 parts by weight per 100 parts by weight. If the amount is less than 3 parts by weight, the effect of controlling the particle diameter and the particle gap is hardly observed. If the amount exceeds 150 parts by weight, the particle gap becomes too large, the film becomes brittle, and gas permeation becomes remarkable. Probability is high.

以上のように、本発明のプロトン伝導性膜は、極性制御剤(E)を用いることにより、粒子の間隙、即ちプロトン伝導経路の構造をオーダーメイドで設計、形成することができるため、燃料ガス透過性や膜強度などの各種膜物性とバランスの良い膜を形成することができる。これが従来のスルホン酸化フッ素樹脂膜のように、分子構造により一義的にプロトン伝導経路が決定されるものとは大きく異なる点である。   As described above, the proton conductive membrane of the present invention can be designed and formed with a custom-made structure of the gap between particles, that is, the proton conduction path, by using the polarity control agent (E). A film having a good balance with various film properties such as permeability and film strength can be formed. This is a point that is different from a conventional sulfonated fluororesin membrane in which the proton conduction path is uniquely determined by the molecular structure.

又、このように制御されたプロトン伝導経路は、高温・高湿環境下においても変形しないため、燃料電池を高温で作動させても安定した運転が可能となる。   In addition, since the proton conduction path controlled in this way does not deform even in a high temperature / high humidity environment, stable operation is possible even when the fuel cell is operated at a high temperature.

5.1.3 混合方法
今まで述べてきたように、メルカプト基含有化合物(D)、極性制御剤(E)、更に任意成分である架橋剤(J)、(K)を適宜調整して用いることにより、プロトン伝導性、耐熱性、耐久性、膜強度など、種々の物性を調整することが可能である。
5.1.3 Mixing method As described so far, the mercapto group-containing compound (D), the polarity control agent (E), and the optional cross-linking agents (J) and (K) are appropriately adjusted and used. Accordingly, various physical properties such as proton conductivity, heat resistance, durability, and film strength can be adjusted.

ここで、任意成分である架橋剤(J)、(K)を加える場合、その添加量は各材料の配合、プロセスにより変動するため一概に言えないが、代表的な値としては、メルカプト基含有化合物(D)100重量部に対して(J)、(K)の合計添加量は900重量部以下である。   Here, when adding the optional cross-linking agents (J) and (K), the amount of addition varies depending on the composition and process of each material, but it cannot be said unconditionally, but typical values include mercapto groups The total addition amount of (J) and (K) is 900 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the compound (D).

これを超える配合量の架橋剤を添加すると、粒子の表面酸基濃度が低下し、プロトン伝導性が低下するおそれがある。   If a cross-linking agent in an amount exceeding this is added, the surface acid group concentration of the particles decreases, and proton conductivity may decrease.

これらの混合物を調製する場合には、溶媒を用いてもよい。用いる溶媒は、それぞれの材料が均一に混合可能であれば良く、特に制限はない。一般的には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、t−プタノールなどのアルコール系溶媒、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル系溶媒などが好適に用いることができる。   When preparing these mixtures, you may use a solvent. The solvent to be used is not particularly limited as long as the respective materials can be uniformly mixed. In general, alcohol solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and t-ptanol, and ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane can be preferably used.

溶媒の比率については特に制限はないが、通常、固形分濃度が90〜10重量%程度の濃度が好ましく用いることができる。   Although there is no restriction | limiting in particular about the ratio of a solvent, Usually, the density | concentration whose solid content concentration is about 90 to 10 weight% can be used preferably.

更に、後述するが、触媒(F)をこの工程で同時に混合してもよい。   Further, as described later, the catalyst (F) may be mixed at the same time in this step.

又、加水分解に必要な水を投入してもよい。水は、通常、加水分解性シリル基に対して等mol量加えるが、反応を加速するために多く加えても良く、又、反応を抑制するために少量加えてもよい。   Further, water necessary for hydrolysis may be added. Water is usually added in an equimolar amount with respect to the hydrolyzable silyl group, but may be added in a large amount to accelerate the reaction, or may be added in a small amount to suppress the reaction.

混合には、撹拌、振動など公知の方法を用いて良く、十分な混合が可能であれば特に限定されない。又、必要に応じて加熱や加圧、脱泡、脱気等を行ってもよい。   For mixing, a known method such as stirring and vibration may be used, and there is no particular limitation as long as sufficient mixing is possible. Moreover, you may perform a heating, pressurization, defoaming, deaeration, etc. as needed.

更に、第1の工程において、本発明の目的を損なわない範囲内で、補強材、柔軟化剤、分散剤、反応促進剤、安定剤、着色剤、酸化防止剤、無機又は有機充填材などの他の任意成分を添加することができる。   Further, in the first step, a reinforcing material, a softening agent, a dispersing agent, a reaction accelerator, a stabilizer, a colorant, an antioxidant, an inorganic or organic filler, etc., within a range not impairing the object of the present invention. Other optional ingredients can be added.

5.2 第2の工程
本発明のプロトン伝導性膜の製造方法において、第2の工程は、第1の工程で得た混合物を膜状に成形(成膜)する工程である。
5.2 Second Step In the method for producing a proton conductive membrane of the present invention, the second step is a step of forming (forming a film) the mixture obtained in the first step into a film.

第1の工程で得られた混合物を膜状に成形するためには、キャスト、コート、注型など、公知の方法を用いることができる。膜状に成形する方法としては、均一な膜を得ることができる方法であれば特に制限はない。膜の厚みは特に制限されないが、10μmから1mmの間の任意の厚みとなるように形成することができる。燃料電池用のプロトン伝導性膜は、プロトン伝導性、燃料バリア性、膜の機械的強度から膜厚は適宜決定され、通常、膜厚が20〜300μmのものが好ましく用いることができるため、本発明のプロトン伝導性膜の膜厚もこれに準じて製造する。   In order to form the mixture obtained in the first step into a film, a known method such as casting, coating, or casting can be used. The method for forming the film is not particularly limited as long as a uniform film can be obtained. The thickness of the film is not particularly limited, but can be formed to have an arbitrary thickness between 10 μm and 1 mm. The proton conductive membrane for a fuel cell is appropriately determined from the proton conductivity, fuel barrier properties, and mechanical strength of the membrane, and usually a membrane having a thickness of 20 to 300 μm can be preferably used. The thickness of the proton conductive membrane of the invention is also produced according to this.

又、この成膜工程を行う際に、繊維、マット、フィプリルなどの支持体、補強材を添加してもよいし、又、これら支持体に含浸させてもよい。これら支持体、補強材は耐熱性と耐酸性を勘案してガラス材料、シリコーン樹脂材料、フッ素樹脂材料、環状ポリオレフィン材料、超高分子量ポリオレフィン材料等から適宜選択し、用いることができる。含浸する方法としては、ディップ法、ポッティング法、ロールプレス法、真空プレス法など、限定されることなく、公知の方法を用いることができ、又、加熱、加圧等を行ってもよい。   Moreover, when performing this film-forming process, you may add support bodies and reinforcements, such as a fiber, a mat | matte, and a fibril, and you may impregnate these support bodies. These supports and reinforcing materials can be appropriately selected from glass materials, silicone resin materials, fluororesin materials, cyclic polyolefin materials, ultrahigh molecular weight polyolefin materials and the like in consideration of heat resistance and acid resistance. The impregnation method is not limited to a dipping method, a potting method, a roll press method, a vacuum press method, or the like, and a known method may be used, and heating, pressurization, or the like may be performed.

5.3 第3の工程
本発明のプロトン伝導性膜の製造方法において、第3の工程は、第2の工程で成膜した膜状物に含まれる加水分解性シリル基を加水分解及び縮合、及び/又はシラノール基を縮合させることにより、ケイ素−酸素架橋構造からなる粒子の連続体を有する膜を形成する工程である。
5.3 Third Step In the method for producing a proton conductive membrane of the present invention, the third step includes hydrolyzing and condensing a hydrolyzable silyl group contained in the membrane formed in the second step. And / or a process of forming a film having a continuum of particles composed of a silicon-oxygen crosslinked structure by condensing silanol groups.

本発明におけるプロトン伝導性膜は、アルコキシシリル基等の加水分解、縮合により、架橋構造を形成し、高温においても安定的にプロトン伝導性を発揮し、形状変化等も少ないことを特徴とする。このようなアルコキシシリル基等の加水分解、縮合によるSi−O−Si結合の生成はゾルゲル(sol−gil)反応としてよく知られている。   The proton conductive membrane in the present invention is characterized in that a crosslinked structure is formed by hydrolysis and condensation of an alkoxysilyl group or the like, stably exhibits proton conductivity even at high temperatures, and has little shape change. Such generation of Si—O—Si bonds by hydrolysis or condensation of alkoxysilyl groups or the like is well known as a sol-gil reaction.

sol−gel反応においては、反応加速及び制御のために、触媒が用いられるのが普通である。触媒は、通常、酸又は塩基が用いられる。   In the sol-gel reaction, a catalyst is usually used for accelerating and controlling the reaction. As the catalyst, an acid or a base is usually used.

5.3.1 触媒(F)
本発明のプロトン伝導性膜の製造方法において用いる触媒(F)は、酸であっても塩基であってもよい。
5.3.1 Catalyst (F)
The catalyst (F) used in the method for producing a proton conductive membrane of the present invention may be an acid or a base.

酸触媒を用いる場合には、塩酸、硫酸、リン酸、酢酸などのプレンステッド酸を用いる。酸の種類、濃度等は特に限定されず、入手可能な範囲のものであればよい。この中でも酢酸は反応後、酸の残留等が比較的少なく、好適に用いることができる。塩酸を用いた場合、特に濃度等には制限はないが、通常0.01〜12Nのものが用いられる。   When an acid catalyst is used, a Prinsted acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid or acetic acid is used. The type, concentration, etc. of the acid are not particularly limited as long as it is within the available range. Among these, acetic acid can be suitably used since it has a relatively small amount of acid remaining after the reaction. When hydrochloric acid is used, the concentration and the like are not particularly limited, but those of 0.01 to 12N are usually used.

一般的に、酸を用いた場合には加水分解と縮合が競争することにより、分岐の少ない直鎖状の架橋構造となることが知られている。   In general, it is known that when an acid is used, hydrolysis and condensation compete to form a linear crosslinked structure with few branches.

一方、塩基を触媒とした場合には、加水分解が一気に起こるために分岐の多い樹状構造となることが知られている。本発明においては、膜物性を勘案していずれの方法もとることが可能であるが、粒子、及びその連続体の形成という本発明の特徴を際だたせるためには、塩基触媒が好ましく用いることができる。   On the other hand, when a base is used as a catalyst, it is known that a dendritic structure with many branches is obtained because hydrolysis occurs at once. In the present invention, any method can be used in consideration of film physical properties, but a base catalyst is preferably used in order to highlight the characteristics of the present invention such as formation of particles and continuums thereof. it can.

塩基触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができる。この中でも、残留塩が生じないアンモニアは好適に用いることができる。更に、メルカプト基含有化合物(D)との相溶性等を勘案して、有機アミン類も好ましく用いることができる。   As the base catalyst, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia or the like can be used. Among these, ammonia that does not produce a residual salt can be preferably used. Furthermore, organic amines can also be preferably used in consideration of compatibility with the mercapto group-containing compound (D).

有機アミン類は、特に制限無く用いることができるが、通常、沸点が50℃以上のものが好ましく用いられ、この範囲の入手容易な有機アミン類の具体例としては、トリエチルアミン、ジプロピルアミン、イソブチルアミン、ジエチルアミン、ジエチルエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、ピペラジン又はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド等が挙げられ、いずれも好適に用いることができる。   Organic amines can be used without any particular limitation, but usually those having a boiling point of 50 ° C. or higher are preferably used. Specific examples of organic amines within this range that are readily available include triethylamine, dipropylamine, and isobutyl. Examples thereof include amine, diethylamine, diethylethanolamine, triethanolamine, pyridine, piperazine, and tetramethylammonium hydroxide, and any of them can be suitably used.

又、縮合触媒としてフッ化カリウム、フッ化アンモニウム、テトラメチルアンモニウムフロリド、テトラエチルアンモニウムフロリドなどフッ化物を用いても良い。   Further, fluorides such as potassium fluoride, ammonium fluoride, tetramethylammonium fluoride, and tetraethylammonium fluoride may be used as the condensation catalyst.

触媒の添加量は、任意に設定することが可能で、反応速度、膜原料との相溶性などを懸案して適宜決定する。   The addition amount of the catalyst can be arbitrarily set, and is appropriately determined taking into consideration the reaction rate, compatibility with the film material, and the like.

触媒を導入する工程は、第1の工程から第3の工程のいずれのタイミングでもよい。最も簡便なのは第1の工程で混合物を調製する際に導入する方法であるが、この場合には第2の工程である成膜におけるポットラインやセット時間を勘案する必要がある。   The step of introducing the catalyst may be any timing from the first step to the third step. The simplest method is the method introduced when preparing the mixture in the first step. In this case, it is necessary to take into consideration the pot line and the set time in the film formation which is the second step.

5.3.1 縮合反応
縮合反応は室温でも可能であるが、反応時間を短縮し、より効率的な硬化を行うためには加熱を行う方がよい。加熱は公知の方法で良く、オーブンによる加熱やオートクレープによる加圧加熱、遠赤外線加熱、電磁誘導加熱、マイクロ波加熱などが使用できる。加熱は室温から300℃までの任意の温度で行うことができ、100〜250℃で行うことが好ましい。この際、減圧下、窒素下、あるいはアルゴン下等、不活性ガス等の元で加熱しても良い。
5.3.1 Condensation reaction Although the condensation reaction can be performed at room temperature, it is better to heat in order to shorten the reaction time and perform more efficient curing. Heating may be performed by a known method, and heating by an oven, pressure heating by an autoclave, far infrared heating, electromagnetic induction heating, microwave heating, or the like can be used. Heating can be performed at any temperature from room temperature to 300 ° C., preferably 100 to 250 ° C. At this time, heating may be performed under an inert gas or the like under reduced pressure, nitrogen, or argon.

又、加熱は室温である程度時間をかけて硬化させてから、高温に徐々に昇温するなど、急激な環境変化を避ける方法を採用してもよい。   In addition, a method of avoiding a sudden environmental change, such as heating after curing for some time at room temperature and then gradually raising the temperature to a high temperature, may be employed.

又、加水分解で必要な水を補給するために水蒸気下で行っても良く、又、急激な膜の乾燥を防ぐため、溶媒蒸気下で行ってもよい。   Further, it may be carried out under steam in order to replenish water necessary for hydrolysis, and may be carried out under solvent vapor in order to prevent rapid membrane drying.

第3の工程を経た膜は、必要に応じて水洗により未反応物や効果触媒を取り除き、更に硫酸などでイオン交換を行ってもよいる
5.4 第4の工程
本発明のプロトン伝導性膜の製造方法において、第4の工程は、膜中のメルカプト基を酸化してスルホン酸基とし、粒子の表面にスルホン酸基を導入する工程である。
The membrane that has undergone the third step may be washed with water to remove unreacted substances and effect catalysts, if necessary, and may further be subjected to ion exchange with sulfuric acid or the like. 5.4 Fourth Step The proton conductive membrane of the present invention In the production method, the fourth step is a step of oxidizing the mercapto group in the film to form a sulfonic acid group and introducing the sulfonic acid group to the surface of the particle.

前述したように、酸化に先立ち、膜を水洗してもよく、又更に、触媒として有機アミン類を用いた場合には、酸化に先立って、塩酸、硫酸等の酸に膜を接触させ、触媒を取り除いてもよい。   As described above, the membrane may be washed with water prior to oxidation. Further, when organic amines are used as a catalyst, the membrane is contacted with an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid prior to oxidation, and the catalyst is May be removed.

洗浄する際に用いる水は、蒸留水、イオン交換水など、金属イオンを含まないものが好ましい。水洗においては、加熱しても良く、加圧や振動を与えてより水洗を効率化してもよい。更に、膜中への浸透を促進するために、水にメタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン等を加えた混合溶剤を用いてもよい。   The water used for washing is preferably water containing no metal ions, such as distilled water or ion exchange water. In washing with water, heating may be performed, and washing with water may be made more efficient by applying pressure or vibration. Furthermore, in order to promote the penetration into the membrane, a mixed solvent in which methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, acetone, tetrahydrofuran or the like is added to water may be used.

本発明で用いるメルカプト基酸化方法としては、特に制限されないが、一般的な酸化剤を用いることができる。具体的には、例えば、新実験化学講座(丸善、第3版、第15巻、1976)において述べられているように、硝酸、過酸化水素、酸素、有機過酸(過カルボン酸)、臭素水、次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、過マンガン酸カリウム、クロム酸などの酸化剤を用いることができる。   The mercapto group oxidation method used in the present invention is not particularly limited, but a general oxidizing agent can be used. Specifically, for example, as described in a new experimental chemistry course (Maruzen, 3rd edition, Vol. 15, 1976), nitric acid, hydrogen peroxide, oxygen, organic peracid (percarboxylic acid), bromine Oxidizing agents such as water, hypochlorite, hypobromite, potassium permanganate, and chromic acid can be used.

この中でも過酸化水素及び有機過酸(過酢酸、過安息香酸類)が比較的取り扱いが容易で酸化収率も良好であることから好適に用いる事ができる。   Among these, hydrogen peroxide and organic peracids (peracetic acid and perbenzoic acids) can be suitably used because they are relatively easy to handle and the oxidation yield is good.

更に、酸化により得られた膜中スルホン酸基のプロトン化のため、塩酸、硫酸等の強酸と接触させてもよい。この場合の酸濃度、浸せき時間、浸せき温度等のプロトン化条件は、膜中のスルホン酸基含有濃度、膜の多孔質度、酸との親和性などにより適宜決定される。代表例としては、1N硫酸中50℃1時間、膜を浸せきする方法などが挙げられる。   Furthermore, in order to protonate the sulfonic acid group in the membrane obtained by oxidation, it may be contacted with a strong acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid. In this case, protonation conditions such as acid concentration, immersion time, and immersion temperature are appropriately determined depending on the sulfonic acid group-containing concentration in the membrane, the porosity of the membrane, the affinity with the acid, and the like. A typical example is a method of immersing the film in 1N sulfuric acid at 50 ° C. for 1 hour.

又、酸化後の膜は水洗して、膜中の酸化剤を取り除くことが好ましい。   The oxidized film is preferably washed with water to remove the oxidizing agent in the film.

更に、酸化後の膜を塩酸、硫酸等による酸処理を行ってもよい。酸処理により、膜中の不純物や不要な金属イオンが洗い流されることが期待できる。酸処理の後、更に水洗を行うことが好ましい。   Furthermore, the oxidized film may be subjected to acid treatment with hydrochloric acid, sulfuric acid or the like. It can be expected that impurities and unnecessary metal ions in the film are washed away by the acid treatment. It is preferable to perform water washing after the acid treatment.

以上、述べてきた製造方法は一例であって、例えば、あらかじめ好ましい平均粒径を有するシリカ、あるいは金属酸化物粒子を用意し、これらの表面にメルカプト基含有化合物(D)をシランカップリング剤として表面処理した後酸化する方法なども可能である。ただし、このような表面処理法では安定した性能を得にくく、又、高濃度に表面処理することが困難であり、本発明で述べた方法を用いる方がプロトン伝導性膜の製造方法としては好ましい。   The production method described above is an example. For example, silica or metal oxide particles having a preferable average particle diameter are prepared in advance, and a mercapto group-containing compound (D) is used as a silane coupling agent on these surfaces. A method of oxidizing after surface treatment is also possible. However, it is difficult to obtain stable performance by such a surface treatment method, and it is difficult to perform surface treatment at a high concentration, and it is preferable as a method for producing a proton conductive membrane to use the method described in the present invention. .

(作用及び効果)
本実施形態に係るプロトン伝導性膜は、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含み、架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されている。このため、意図的にシラノール基の数を増やし、即ち、シリル化されるポイントを増やしている。
(Function and effect)
The proton conductive membrane according to this embodiment includes a crosslinkable electrolyte (A) having an acid group and a crosslink structure by a silicon-oxygen bond, and the unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) is a silylating agent ( B). For this reason, the number of silanol groups is intentionally increased, that is, the points to be silylated are increased.

このように、プロトン伝導性膜表面付近の未反応シラノール(HO−Si)末端に、シリル化剤を反応させることでシリル化することにより、表面改質を行い、プロトン伝導性膜に様々な性質を付与することができる。具体的には、立体障害が大きく、疎水性の強いシリル基を付与することで、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性が向上する。   In this way, the surface of the proton conducting membrane is modified by reacting with a silylating agent on the unreacted silanol (HO-Si) end in the vicinity of the surface of the proton conducting membrane. Can be granted. Specifically, high impact resistance and high polar solvent resistance are improved by imparting a silyl group having large steric hindrance and strong hydrophobicity.

又、従来、有機ケイ素化合物は熱可塑性ではないために、熱可塑性樹脂であるナフィオン電極にホットプレス(加熱プレス)で接着することができない。その結果、ナフィオン電極との接着性が低下することにより、電極間接触抵抗が増大し、高プロトン伝導性が失われていた。又、電解質を電極間に入れて接着性を向上させることが試みられているが、高プロトン伝導性を維持することができなかった。   Conventionally, since an organosilicon compound is not thermoplastic, it cannot be bonded to a Nafion electrode, which is a thermoplastic resin, by hot pressing (heating pressing). As a result, the adhesiveness with the Nafion electrode decreased, the interelectrode contact resistance increased, and the high proton conductivity was lost. In addition, attempts have been made to improve the adhesion by putting an electrolyte between the electrodes, but high proton conductivity could not be maintained.

本発明では、シリル化で電解質表面を、例えばフッ素系シランなどによって修飾することにより、ホットプレスによる十分な接着性を実現でき、高プロトン伝導性を維持することができる。   In the present invention, by modifying the electrolyte surface by silylation with, for example, fluorine-based silane, sufficient adhesiveness by hot pressing can be realized, and high proton conductivity can be maintained.

従って、本実施形態に係るプロトン伝導性膜によると、高プロトン伝導性、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現することができる。   Therefore, according to the proton conductive membrane according to the present embodiment, high proton conductivity, high impact resistance, and high polar solvent resistance can be realized.

又、架橋性電解質(A)のケイ素−酸素結合率は、70%以上98%以下であることが好ましい。ケイ素−酸素結合率が70%以上であることにより、強い結合エネルギーを有し、化学的安定性、耐熱性及び耐酸化性を向上させることができる。又、ケイ素−酸素結合率が98%以下であることにより、導入されたシリル基の効果が充分顕著に現れ、高温における柔軟性を付与することができる。   The crosslinkable electrolyte (A) preferably has a silicon-oxygen bond ratio of 70% or more and 98% or less. When the silicon-oxygen bond rate is 70% or more, it has a strong bond energy and can improve chemical stability, heat resistance and oxidation resistance. Further, when the silicon-oxygen bond rate is 98% or less, the effect of the introduced silyl group appears sufficiently remarkably, and flexibility at high temperature can be imparted.

又、シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基の分子量は、150以上であることが好ましい。水酸基に付加したシリル基の分子量が150以上であることにより、シリル化による高プロトン伝導性、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を更に向上させることができる。   Moreover, it is preferable that the molecular weight of the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) is 150 or more. When the molecular weight of the silyl group added to the hydroxyl group is 150 or more, high proton conductivity, high impact resistance, and high polar solvent resistance due to silylation can be further improved.

又、第1の特徴に係るプロトン伝導性膜において、シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基は、ヘテロ原子を構成原子として含有することが好ましい。又、ヘテロ原子は、少なくともフッ素原子、窒素原子、酸素原子又は硫黄原子のいずれか1を含有することが好ましい。   In the proton conductive membrane according to the first feature, the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) preferably contains a hetero atom as a constituent atom. Moreover, it is preferable that a hetero atom contains any one of a fluorine atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, or a sulfur atom.

又、第1の特徴に係るプロトン伝導性膜において、架橋性電解質(A)は、複数のケイ素−酸素架橋と共有結合し、かつ炭素原子を含む有機無機複合構造体を含有し、当該炭素原子の重量%は、10%以上50%以下であることが好ましい。炭素原子の重量%が10%以上であるため、高温における柔軟性が付与されるとともに、導入したシリル基によって電極に対する接着性をより効果的に向上することができる。又、炭素原子の重量%が50%以下であるために、高い化学的安定性、耐熱性及び耐酸化性を維持しつつ、極性溶媒による膨潤を抑制することができる。   In the proton conductive membrane according to the first feature, the crosslinkable electrolyte (A) contains an organic-inorganic composite structure that is covalently bonded to a plurality of silicon-oxygen bridges and contains carbon atoms, and the carbon atoms % By weight is preferably 10% or more and 50% or less. Since the weight% of carbon atoms is 10% or more, flexibility at high temperature is imparted, and adhesion to the electrode can be more effectively improved by the introduced silyl group. Moreover, since the weight% of carbon atoms is 50% or less, swelling by a polar solvent can be suppressed while maintaining high chemical stability, heat resistance, and oxidation resistance.

本発明を更に詳しく説明するために以下に実施例を挙げるが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。   In order to describe the present invention in more detail, examples will be given below, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン53.0g、テトラエトキシシラン131.2g及びメタノール26.5gをフラスコに計量し、0℃で10分撹拌した。そこに、0.01N塩酸15.6gとメタノール20.8gとを混合した溶液を添加し、0℃で1時間撹拌し、40℃に昇温後、更に2時間撹拌した。次いで、フッ化カリウム0.114gとメタノール29.7gとを混合した溶液を添加し、40℃で1時間撹拌し、80℃に昇温後、更に2時間撹拌した。混合溶液を0℃に冷却し、その後、40℃真空にてアルコールを分留した。得られた溶液を0℃に冷却し、ジエチルエーテル200mLを加えて、0℃で10分撹拌した後、メンブレンフィルター(MILLIPORE社製、オムニポアメンブレン孔径0.2μm)を用いて濾過した。得られた濾液から40℃真空にてジエチルエーテルを分留し、図2に示すようなイオン架橋性メルカプト基含有シランオリゴマーを得た。
(Example 1)
33.0 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 131.2 g of tetraethoxysilane, and 26.5 g of methanol were weighed in a flask and stirred at 0 ° C. for 10 minutes. A solution obtained by mixing 15.6 g of 0.01N hydrochloric acid and 20.8 g of methanol was added thereto, stirred at 0 ° C. for 1 hour, heated to 40 ° C., and further stirred for 2 hours. Next, a solution obtained by mixing 0.114 g of potassium fluoride and 29.7 g of methanol was added, stirred at 40 ° C. for 1 hour, heated to 80 ° C., and further stirred for 2 hours. The mixed solution was cooled to 0 ° C, and then the alcohol was fractionally distilled at 40 ° C in vacuum. The obtained solution was cooled to 0 ° C., 200 mL of diethyl ether was added, and the mixture was stirred at 0 ° C. for 10 minutes, followed by filtration using a membrane filter (MILLIPORE, Omnipore membrane pore size 0.2 μm). Diethyl ether was fractionally distilled from the obtained filtrate at 40 ° C. under vacuum to obtain an ion-crosslinkable mercapto group-containing silane oligomer as shown in FIG.

得られたイオン架橋性メルカプト基含有シランオリゴマー5.86gとテトラエトキシシラン0.51gとを混合した液に、水0.11gとトリエチルアミン0.05gとを滴下した。室温で10分攪拌した後、フッ素樹脂フィルム上でこの溶液をポリエチレン製多孔質膜に含浸させた。含浸後の膜にフッ素樹脂フィルムを被せ、その上からアプリケーターで膜厚が50μmになるようにレベリングした。フッ素樹脂フィルムを被せたまま室温で80時間養生した後、フィルムを剥がし更に室温で24時間養生した。養生後の膜を2枚のガラス板でフッ素樹脂フィルムを介して挟み、この状態でガラス製の容器に水500mLとともに入れ、ギアオーブンを用いて80℃で24時間加熱硬化させた。   0.11 g of water and 0.05 g of triethylamine were added dropwise to a solution obtained by mixing 5.86 g of the obtained ion-crosslinkable mercapto group-containing silane oligomer and 0.51 g of tetraethoxysilane. After stirring at room temperature for 10 minutes, this solution was impregnated into a polyethylene porous membrane on a fluororesin film. The impregnated film was covered with a fluororesin film, and the film was leveled with an applicator from above. After curing for 80 hours at room temperature with the fluororesin film covered, the film was peeled off and further cured for 24 hours at room temperature. The cured film was sandwiched between two glass plates through a fluororesin film, put in this state with 500 mL of water in a glass container, and heat cured at 80 ° C. for 24 hours using a gear oven.

焼成して得られた膜を、酢酸125mL、30%過酸化水素水100mLを混合して作製した過酢酸に膜を浸漬し、ホットプレートにて60℃で1時間加熱した。得られた膜を過酢酸溶液から取り出し、80℃の水に各1時間、2回浸漬して過酢酸溶液を充分に除いて、半透明の膜を得た。   The film obtained by baking was immersed in peracetic acid prepared by mixing 125 mL of acetic acid and 100 mL of 30% hydrogen peroxide solution, and heated at 60 ° C. for 1 hour on a hot plate. The obtained film was taken out from the peracetic acid solution and immersed in 80 ° C. water twice for 1 hour each to sufficiently remove the peracetic acid solution to obtain a translucent film.

得られた膜を3,3,4,4,5,5,6,6,6−ノナフルオロヘキシルメチルジクロロシラン5g、N,N-ジイソプロピルエチルアミン10g、ジメチルホルムアミド100mLを混合した溶液に膜を浸漬し、ホットプレートにて60℃で1時間加熱した。   Immerse the membrane in a solution containing 5 g of 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexylmethyldichlorosilane, 10 g of N, N-diisopropylethylamine and 100 mL of dimethylformamide. And heated on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour.

室温下、1M硫酸溶液で洗浄した後、精製水で洗浄し、半透明の膜を得た。これをプロトン伝導性膜とした。   After washing with 1M sulfuric acid solution at room temperature, it was washed with purified water to obtain a translucent film. This was used as a proton conductive membrane.

(比較例1)
実施例1において3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン53.0g、テトラエトキシシラン131.2gのみからメルカプト基含有シランオリゴマーを同様に合成し、そのオリゴマー4.37gを用いて、以下シリル化工程を経ないこと以外は同様にして、図1に示すような、プロトン伝導性膜を作成した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a mercapto group-containing silane oligomer was synthesized in the same manner from 53.0 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane and 131.2 g of tetraethoxysilane, and 4.37 g of the oligomer was used, and the subsequent silylation step was not performed. A proton conducting membrane as shown in FIG. 1 was prepared in the same manner except that.

(比較例2)
図5に示すような、市販のNafion117(デュポン社製)をプロトン伝導性膜とした。
(Comparative Example 2)
A commercially available Nafion 117 (manufactured by DuPont) as shown in FIG. 5 was used as the proton conductive membrane.

(評価)
(1)プロトン伝導性評価
本発明の製造方法により得られたプロトン伝導性膜を通例の電気化学セル(例えば特開2002−184427号公報中、図3に記載されたものと同一のもの)にセットし、プロトン伝導性膜と白金板とを密着させた。この白金板に、電気化学インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製、1260型)を接続し、周波数0.1Hz〜100kHzの領域でインピーダンス測定し、イオン伝導性膜のプロトン伝導度を評価した。
(Evaluation)
(1) Evaluation of proton conductivity In a conventional electrochemical cell obtained by the production method of the present invention (for example, the same as that described in FIG. 3 in JP-A-2002-184427) The proton conductive membrane and the platinum plate were brought into close contact with each other. The platinum plate was connected to an electrochemical impedance measuring device (1260 type, manufactured by Solartron), and impedance measurement was performed in a frequency range of 0.1 Hz to 100 kHz to evaluate the proton conductivity of the ion conductive membrane.

なお、上記測定では、サンプルは、電気的に絶縁された密閉容器中に支持され、水蒸気雰囲気(95〜100%RH)で、温度コントローラーによりセル温度を室温から160℃まで変化させ、それぞれの温度でプロトン伝導度の測定を行った。   In the above measurement, the sample was supported in an electrically insulated sealed container, and the cell temperature was changed from room temperature to 160 ° C. with a temperature controller in a water vapor atmosphere (95 to 100% RH). The proton conductivity was measured at

(2)メタノール透過性評価
メタノール透過係数(以下、「MCO」という。)を、以下の方法により測定した。
(2) Methanol permeability evaluation Methanol permeability coefficient (hereinafter referred to as “MCO”) was measured by the following method.

まず、直径2cmの円形の窓を有する円形セル2つを用い、窓の部分でゴムパッキンを介してプロトン伝導性膜を挟み込み、一方のセルに純メタノールを、他方のセルに純水を入れ、25℃にて1時間、スターラーで攪拌した。その後、純水側に透過したメタノールの濃度X(重量%)をガスクロマトグラフィーにより測定し、下式によりMCOを算出した。

Figure 2008140665
First, using two circular cells having a circular window with a diameter of 2 cm, sandwiching a proton conductive membrane through a rubber packing at the window part, putting pure methanol into one cell and pure water into the other cell, The mixture was stirred with a stirrer at 25 ° C. for 1 hour. Thereafter, the concentration X (% by weight) of methanol permeated to the pure water side was measured by gas chromatography, and MCO was calculated by the following equation.
Figure 2008140665

(3)耐衝撃性評価
プロトン伝導性膜を1辺が10cmの正方形に切断し、これを純メタノール中に浸漬して、25℃において12時間放置した。その後、60℃で1時間加熱し、再び25℃まで冷却して12時間放置した。プロトン伝導性膜を純メタノールから取り出し、表面の液体を取り除いた後、すばやく寸法を測定し、浸漬後寸法を浸漬前寸法で割った値から1をひいて100をかけた値の4辺の平均値を寸法膨潤率として表した。
(3) Impact resistance evaluation The proton conductive membrane was cut into a square having a side of 10 cm, immersed in pure methanol, and allowed to stand at 25 ° C. for 12 hours. Then, it heated at 60 degreeC for 1 hour, cooled again to 25 degreeC, and left to stand for 12 hours. After removing the proton conductive membrane from pure methanol and removing the liquid on the surface, the dimensions were quickly measured, and the average of four sides of the value obtained by dividing the post-immersion dimension by the pre-immersion dimension and multiplying by 1 and multiplying by 100 The value was expressed as a dimensional swelling rate.

(4)耐極性溶媒性評価
プロトン伝導性膜を1辺が5cmの正方形に切断し、それぞれサンプル瓶に満たされた100mLの純メタノール中に浸し、60℃に保って放置した。100h後、浸漬したプロトン伝導性膜を取り出した。乾燥した後、浸漬による重量減少量を浸漬前の重量で割ってメタノール重量減少率を算出し、1からメタノール重量減少率をひいて100をかけた値を耐メタノール重量保持率と定め、耐メタノール性の指標として表した。
(4) Polar Solvent Resistance Evaluation A proton conductive membrane was cut into a square having a side of 5 cm, immersed in 100 mL of pure methanol filled in a sample bottle, and kept at 60 ° C. After 100 hours, the immersed proton conductive membrane was taken out. After drying, the weight loss by immersion is divided by the weight before immersion to calculate the methanol weight reduction rate. The value obtained by subtracting the methanol weight reduction rate from 1 and multiplying by 100 is defined as the methanol weight retention rate. Expressed as a sex indicator.

(5)Nafion電極接着性
プロトン伝導製膜を1辺が5cmの正方形に切断し、充分に水で濡らして含水させた後、膜を1辺が2.5cm角のNafion電極で挟み、精密プレス機を用いて、140℃、1kNの条件下、3分間プレスを行い、膜−電極接合体を得た。
(5) Adhesion of Nafion electrode After cutting the proton conductive membrane into a square with 5cm sides, wetting it thoroughly with water and holding it in water, sandwiching the membrane with Nafion electrodes with 2.5cm square on one side, precision press Using a machine, pressing was performed under conditions of 140 ° C. and 1 kN for 3 minutes to obtain a membrane-electrode assembly.

片側電極を両面テープで固定し、90°剥離試験機を使って電解質膜の側部75mmを1cm/secの速度で引き剥がし、その電極-膜間の接着強度を同条件のNafion膜−Nafion電極接合体で得られた強度で割った比をNafion電極接着性の指標とした。 The electrode on one side is fixed with double-sided tape, and the side 75 mm 2 of the electrolyte membrane is peeled off at a rate of 1 cm / sec using a 90 ° peel tester, and the adhesion strength between the electrode and membrane is the same as that of the Nafion membrane-Nafion. The ratio divided by the strength obtained with the electrode assembly was used as an index of Nafion electrode adhesion.

(結果)
結果を表1に示す。

Figure 2008140665
(result)
The results are shown in Table 1.
Figure 2008140665

表1に示すように、実施例1で得られたプロトン伝導性膜は、比較例1及び比較例2と比べて、高プロトン伝導性を維持していることが分かった。又、実施例1で得られたプロトン伝導性膜が非常に低いメタノール透過係数を示したのに対し、比較例2のプロトン伝導性膜では比較的高いメタノール透過係数であった。   As shown in Table 1, it was found that the proton conductive membrane obtained in Example 1 maintained high proton conductivity as compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2. The proton conducting membrane obtained in Example 1 showed a very low methanol permeability coefficient, whereas the proton conducting membrane of Comparative Example 2 had a relatively high methanol permeability coefficient.

又、実施例1で得られたプロトン伝導性膜は、比較例1及び比較例2と比べて、高耐衝撃性を有することが分かった。又、実施例1で得られたプロトン伝導性膜は、比較例1と同等であり、比較例2と比べて高耐局性溶媒性を有することが分かった。又、実施例1で得られたプロトン伝導性膜は、比較例2と同等であり、比較例1と比べて強い電極接着性を有することが分かった。このように、実施例1に係るプロトン伝導性膜は、高プロトン伝導性を維持しつつ、高耐衝撃性及び高耐極性溶媒性を実現することが分かった。更に、実施例1に係るプロトン伝導性膜は、非常に低いメタノール透過係数を示し、強い電極接着性を有することが分かった。   In addition, it was found that the proton conductive membrane obtained in Example 1 had higher impact resistance than Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Moreover, it was found that the proton conductive membrane obtained in Example 1 was equivalent to Comparative Example 1 and had higher local solvent resistance than Comparative Example 2. Moreover, it was found that the proton conductive membrane obtained in Example 1 was equivalent to Comparative Example 2 and had stronger electrode adhesion than Comparative Example 1. Thus, it was found that the proton conductive membrane according to Example 1 achieves high impact resistance and high polar solvent resistance while maintaining high proton conductivity. Furthermore, it was found that the proton conductive membrane according to Example 1 showed a very low methanol permeability coefficient and had strong electrode adhesion.

本実施形態に係るプロトン伝導性膜の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the proton conductive membrane which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るプロトン伝導性膜表面を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the proton conductive membrane surface concerning this embodiment. 本実施形態に係るシリカ化剤(B)の構造式の一例である。It is an example of the structural formula of the silicifying agent (B) which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るヘテロ原子を構成原子として含有するシリル基の構造式の一例である。It is an example of the structural formula of the silyl group which contains the hetero atom which concerns on this embodiment as a constituent atom. 比較例2に係るプロトン伝導性膜の構造式である。4 is a structural formula of a proton conductive membrane according to Comparative Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1 ケイ素−酸素架橋構造体からなる微粒子
2 間隙
1 Fine particles composed of silicon-oxygen crosslinked structure 2 Gaps

Claims (8)

酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含むプロトン伝導性膜であって、
前記架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されていることを特徴とするプロトン伝導性膜。
A proton conductive membrane comprising a crosslinkable electrolyte (A) having an acid group and a crosslinked structure by a silicon-oxygen bond,
A proton conductive membrane, wherein the unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) is treated with a silylating agent (B).
前記架橋性電解質(A)のケイ素−酸素結合率は、70%以上98%以下であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性膜。   2. The proton conductive membrane according to claim 1, wherein the crosslinkable electrolyte (A) has a silicon-oxygen bond ratio of 70% to 98%. 前記シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基の分子量は、150以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to claim 1 or 2, wherein the molecular weight of the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) is 150 or more. 前記シリル化剤(B)によって処理されることで水酸基に付加したシリル基は、ヘテロ原子を構成原子として含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductivity according to any one of claims 1 to 3, wherein the silyl group added to the hydroxyl group by being treated with the silylating agent (B) contains a hetero atom as a constituent atom. film. 前記ヘテロ原子は、少なくともフッ素原子、窒素原子、酸素原子又は硫黄原子のいずれか1つを含有することを特徴とする請求項4に記載のプロトン伝導性膜。   5. The proton conductive membrane according to claim 4, wherein the heteroatom contains at least one of a fluorine atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, and a sulfur atom. 前記架橋性電解質(A)は、複数のケイ素−酸素架橋と共有結合し、かつ炭素原子を含む有機無機複合構造体を含有し、当該炭素原子の重量%は、10%以上50%以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1に記載のプロトン伝導性膜。   The crosslinkable electrolyte (A) contains an organic-inorganic composite structure that is covalently bonded to a plurality of silicon-oxygen bridges and contains carbon atoms, and the weight% of the carbon atoms is 10% or more and 50% or less. The proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein プロトン伝導性膜の両面にガス拡散電極を接合した膜−電極接合体であって、
前記プロトン伝導性膜は、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含み、
前記架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されていることを特徴とする膜−電極接合体。
A membrane-electrode assembly in which gas diffusion electrodes are bonded to both sides of a proton conductive membrane,
The proton conductive membrane includes a crosslinkable electrolyte (A) having an acid group and a crosslink structure by a silicon-oxygen bond,
The membrane-electrode assembly, wherein the unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) is treated with a silylating agent (B).
プロトン伝導性膜の両面にガス拡散電極を接合した膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池であって、
前記プロトン伝導性膜は、酸基とケイ素−酸素結合による架橋構造とを有する架橋性電解質(A)を含み、
前記架橋性電解質(A)の未反応水酸基末端は、シリル化剤(B)によって処理されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
A polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane-electrode assembly in which gas diffusion electrodes are bonded to both sides of a proton conductive membrane,
The proton conductive membrane includes a crosslinkable electrolyte (A) having an acid group and a crosslink structure by a silicon-oxygen bond,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein an unreacted hydroxyl terminal of the crosslinkable electrolyte (A) is treated with a silylating agent (B).
JP2006326140A 2006-12-01 2006-12-01 Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell Pending JP2008140665A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006326140A JP2008140665A (en) 2006-12-01 2006-12-01 Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006326140A JP2008140665A (en) 2006-12-01 2006-12-01 Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008140665A true JP2008140665A (en) 2008-06-19

Family

ID=39601917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006326140A Pending JP2008140665A (en) 2006-12-01 2006-12-01 Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008140665A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4430618B2 (en) Proton conductive membrane, method for producing the same, and fuel cell using the same
JP3875256B2 (en) Proton conductive membrane, method for producing the same, and fuel cell using the same
JP2001307545A (en) Proton conductive film, its manufacturing method, and fuel cell using the same
JP4847577B2 (en) Membrane-electrode bonding agent, proton conductive membrane with bonding layer, membrane-electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing membrane-electrode assembly
KR101214319B1 (en) Proton-conductive film process for producing the same and fuel cell employing the proton-conductive film
KR101115070B1 (en) Proton conductive film, membrane-electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell
JP2009181788A (en) Manufacturing method of electrolyte membrane, electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP4394906B2 (en) FUEL CELL ELECTRODE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND FUEL CELL USING THE SAME
JP4643132B2 (en) Proton conductive membrane, method for producing the same, and fuel cell using the same
JP2010195987A (en) Silane-treated electrolyte membrane and method for producing the same
JP2008140665A (en) Proton conductive membrane, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
CA2725129A1 (en) Sulfonated poly 2-(phenyl ethyl) siloxane polymer electrolyte membranes
JP2009099547A (en) Electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, manufacturing method of membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell
JP5291349B2 (en) Proton conducting membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP2008065992A (en) Proton conducting membrane, membrane-electrode junction, and solid polymer fuel cell
JP2007138028A (en) Method for producing proton-conductive membrane, proton-conductive membrane and fuel battery