JP2008146976A - Proton exchange membrane for high concentration direct methanol fuel cell, and fuel cell using it - Google Patents

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全広 山下
Yoshimitsu Sakaguchi
佳充 坂口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton exchange membrane for a high concentration direct methanol fuel cell. <P>SOLUTION: This is the proton exchange membrane for the high concentration direct methanol fuel cell containing aromatic hydrocarbon based polymer for the direct methanol fuel cell in which methanol-water solution of 20 wt.% concentration or more is used as a fuel. The aromatic hydrocarbon based polymer is a polymer having softening initiation temperatures of 80 to 180°C and having a repeating unit expressed by (formula 1), and an area swelling rate against the methanol water solution of 40°C and 30 wt.% at 40°C ranges from 0.5 to 30%. In the formula, X is -S(=O)<SB>2</SB>-group or -C(=O)-group, Y is H or a monovalent cation, Z<SP>1</SP>is either one of O or S atom, Z<SP>2</SP>is any one of O atom, -C(CH<SB>3</SB>)<SB>2</SB>-group, -C(CF<SB>3</SB>)<SB>2</SB>-group. -(CH<SB>3</SB>)<SB>q</SB>-group, or a cyclohexyl group, and q and n1 express respectively an integer of one or more. However, in the case n1 is 2 or more, Z<SP>2</SP>expresses O atom. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は特に、高濃度のメタノール水溶液を燃料として用いるダイレクトメタノール型燃料電池用のプロトン交換膜に関するものである。   The present invention particularly relates to a proton exchange membrane for a direct methanol fuel cell using a high-concentration aqueous methanol solution as a fuel.

ダイレクトメタノール型燃料電池は、燃料にメタノールを用いて発電する固体高分子型燃料電池であり、ノート型パソコンや、PDA、携帯電話などをはじめとする携帯用電源としての利用が期待されている。ダイレクトメタノール型燃料電池の構成としては、プロトン交換膜の両面に一対の電極を接合したメンブランエレクトロードアセンブリー(MEA)と呼ばれる構造体を中心として構成されており、片方の電極にメタノール水溶液を、もう一方の電極に空気などの酸化ガスを供給することで燃料電池として動作させることができる。メタノール濃度が濃いほどエネルギー密度が高く、長時間の運転や燃料タンクの小型化が可能であり携帯用電源として優れているものの、高濃度のメタノールを使うと、メタノールがプロトン交換膜を透過しやすく、副反応を起こすので、充分な発電性能が得られない問題がある。   A direct methanol fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity using methanol as a fuel, and is expected to be used as a portable power source such as a notebook personal computer, a PDA, and a mobile phone. The structure of the direct methanol fuel cell is mainly composed of a structure called a membrane electrode assembly (MEA) in which a pair of electrodes are joined to both sides of a proton exchange membrane. A methanol aqueous solution is applied to one electrode, A fuel cell can be operated by supplying an oxidizing gas such as air to the other electrode. The higher the methanol concentration is, the higher the energy density is, and it is possible to operate for a long time and miniaturize the fuel tank, which is excellent as a portable power source. However, if methanol is used at a high concentration, methanol easily permeates the proton exchange membrane. As a side reaction occurs, there is a problem that sufficient power generation performance cannot be obtained.

MEAに用いるプロトン交換膜は、カチオン交換膜としてプロトン伝導性を有するとともに化学的、熱的、電気化学的および力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長期にわたり使用できるものとして、主にパーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしながら、パーフルオロカーボンスルホン酸膜はメタノール透過が顕著で、メタノールクロスオーバーによる発電性能の低下が問題である。   The proton exchange membrane used for MEA must have proton conductivity as a cation exchange membrane and be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes have been mainly used as those that can be used over a long period of time. However, perfluorocarbon sulfonic acid membranes have remarkable methanol permeation, and there is a problem that the power generation performance is reduced by methanol crossover.

このため、よりメタノールクロスオーバーが起こりにくいプロトン交換膜の開発が行われており、炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入した高分子プロトン交換膜が広く検討されている(例えば、技術文献1)が、メタノール透過抑止性は充分とはいえず、また電極が剥がれやすい問題など解決すべき課題が残っている。
また、プロトン交換樹脂を多孔質材料に含浸したり、架橋することによって、メタノール透過をさらに抑制する膜開発も行われ、このタイプのプロトン交換膜は、炭化水素系プロトン交換膜よりもさらにメタノール透過を抑止できることで知られている(例えば、技術文献2)が、膜が脆く、電極との接合性も悪いため、ダイレクトメタノール型燃料電池として動作させることは難しい傾向にある。
このように炭化水素系プロトン交換膜あるいは、炭化水素系プロトン交換膜を用いた複合膜あるいは架橋膜においては、性能改善もさることながら、電極との接合性をいかに改善するかが解決すべき課題である。
For this reason, proton exchange membranes that are less prone to methanol crossover have been developed, and polymer proton exchange membranes in which sulfonic acid groups are introduced into hydrocarbon polymers have been widely studied (for example, Patent Document 1). However, it cannot be said that the methanol permeation inhibiting property is sufficient, and there are still problems to be solved such as a problem that the electrode is easily peeled off.
Membranes that further inhibit methanol permeation have also been developed by impregnating or cross-linking proton exchange resins with porous materials. This type of proton exchange membrane is more permeable to methanol than hydrocarbon proton exchange membranes. However, it is difficult to operate as a direct methanol fuel cell because the membrane is fragile and the bonding property with the electrode is poor.
Thus, in the case of a hydrocarbon proton exchange membrane, or a composite membrane or a crosslinked membrane using a hydrocarbon proton exchange membrane, the problem to be solved is how to improve the bondability with the electrode while improving the performance. It is.

Journal of Membrane Science 185 (2001) p.29−39Journal of Membrane Science 185 (2001) p. 29-39 第47回 電池討論会予稿集(2006年)、154−157頁Proceedings of the 47th Battery Symposium (2006), pages 154-157

プロトン伝導性の発現に寄与する、スルホン酸基などのカチオン性官能基をポリマー骨格中に含む成分と、プロトン伝導性に寄与しない例えば芳香族骨格からなる疎水性成分を、共重合して形成されるプロトン交換膜において、プロトン伝導性成分の割合を増やすとプロトン伝導性は増すが、それと相関して、メタノールクロスオーバーも増大する。一方、プロトン伝導性成分の割合を減らすとメタノールのクロスオーバーを抑制できるが、プロトン伝導性も低下する。すなわち、プロトンが移動可能なチャンネルもメタノールが移動可能なチャンネルも基本的には親水性部位であるため、両者の間には正の相関が存在する。従って、メタノールの透過を低減させるためには、基本的にメタノール水溶液に対する膨潤を小さく抑える必要がある。
そこで、本発明は、特に高濃度(20質量%以上)のメタノール水溶液を燃料として使用する場合においても、メタノール水溶液に対する耐膨潤性に優れ、かつ電極との接合性にも優れ、高濃度のメタノールでも良好に動作するダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜を提供しようとするものである。
It is formed by copolymerizing a component containing a cationic functional group such as a sulfonic acid group that contributes to the expression of proton conductivity in the polymer skeleton and a hydrophobic component made of, for example, an aromatic skeleton that does not contribute to proton conductivity. In the proton exchange membrane, when the proportion of the proton conductive component is increased, the proton conductivity increases, but in correlation therewith, the methanol crossover also increases. On the other hand, if the proportion of the proton conductive component is reduced, methanol crossover can be suppressed, but the proton conductivity also decreases. That is, since the channel through which protons can move and the channel through which methanol can move are basically hydrophilic sites, there is a positive correlation between them. Therefore, in order to reduce the permeation of methanol, it is basically necessary to suppress the swelling with respect to the aqueous methanol solution.
Therefore, the present invention is particularly excellent in swelling resistance against methanol aqueous solution and has excellent bondability with an electrode even when a high concentration (20% by mass or more) aqueous methanol solution is used as a fuel. However, the present invention intends to provide a proton exchange membrane for a direct methanol fuel cell that operates well.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、特定の構造の芳香族炭化水素系プロトン交換ポリマーにおいて、特定のメタノール水溶液に対する面積膨潤率と、ポリマーの軟化開始温度を有するプロトン交換膜を用いると、高濃度のメタノール水溶液を燃料として使用できるダイレクトメタノール型燃料電池を提供できることを見い出したのであり、本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、   As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have used a proton exchange membrane having a specific structure of an aromatic hydrocarbon proton exchange polymer having an area swelling ratio with respect to a specific aqueous methanol solution and a softening start temperature of the polymer. The present inventors have found that a direct methanol fuel cell that can use a high-concentration methanol aqueous solution as a fuel can be provided, and the present invention employs the following configuration. That is,

(1)20質量%以上の濃度のメタノール水溶液を燃料として使用するダイレクトメタノール型燃料電池用の芳香族炭化水素系ポリマーを含むプロトン交換膜であって、芳香族炭化水素系ポリマーが80〜180℃範囲の軟化開始温度を有し、かつ下記(式1)で表される繰り返し単位を有するポリマーであり、プロトン交換膜の40℃、30質量%のメタノール水溶液に対する面積膨潤率が0.5〜30%の範囲にあることを特徴とする高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜。 (1) A proton exchange membrane containing an aromatic hydrocarbon polymer for a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution having a concentration of 20% by mass or more as a fuel, wherein the aromatic hydrocarbon polymer is 80 to 180 ° C. The polymer has a softening start temperature in the range and a repeating unit represented by the following (formula 1), and the area swelling ratio of the proton exchange membrane with respect to a 40 ° C., 30% by mass methanol aqueous solution is 0.5-30. % Proton exchange membrane for high-concentration direct methanol fuel cells, characterized by being in the range of%.

Figure 2008146976
[式中、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z1はO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−(CH)q−基、シクロヘキシル基のいずれかを表し、q、n1は1以上の整数を表す。但しn1が2以上の場合、ZはO原子を表す。]
(2)下記(式2)で表される繰り返し単位を芳香族炭化水素系ポリマー中にさらに有する(1)に記載の高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜。
Figure 2008146976
[Wherein X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Z 2 represents any one of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a — (CH 2 ) q— group, and a cyclohexyl group, and q and n1 are Represents an integer of 1 or more. Provided that when n1 is 2 or more, Z 2 represents O atom. ]
(2) The proton exchange membrane for a high concentration direct methanol fuel cell according to (1), wherein the aromatic hydrocarbon polymer further has a repeating unit represented by the following (formula 2).

Figure 2008146976
[式中、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−(CH)q−基、シクロヘキシル基のいずれかを表し、q、n1は1以上の整数を表す。但しn2が2以上の場合、ZはO原子を表す。]
(3)下記(式3)で表される繰り返し単位を芳香族炭化水素系ポリマー中にさらに有する(2)に記載の高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜。
Figure 2008146976
[Wherein Z 3 represents either O or S atom, Z 4 represents O atom, S atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, — (CH 2 ) Represents either a q-group or a cyclohexyl group, and q and n1 represent an integer of 1 or more. However, when n2 is 2 or more, Z 4 represents an O atom. ]
(3) The proton exchange membrane for high-concentration direct methanol fuel cells according to (2), wherein the aromatic hydrocarbon polymer further has a repeating unit represented by the following (formula 3).

Figure 2008146976
[式中、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
Figure 2008146976
[Wherein, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. ]

(4)前記(1)〜(3)のいずれかの高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜を用いた燃料電池。 (4) A fuel cell using the proton exchange membrane for a high concentration direct methanol fuel cell according to any one of (1) to (3).

本発明のダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜は、特定のポリアリーレンエーテル構造をポリマー骨格の一部として有し、スルホン酸基をポリマー中に有する芳香族炭化水素系ポリマーを含み、かつ芳香族炭化水素系ポリマーの軟化温度が特定の範囲であるポリマーを用いるため、得られるプロトン交換膜は高濃度のメタノール水溶液に対する耐膨潤性に優れるとともに電極との接合性に優れるため、高濃度のメタノールを燃料とする燃料電池のプロトン交換膜として好適である。   The proton exchange membrane for a direct methanol fuel cell according to the present invention includes an aromatic hydrocarbon polymer having a specific polyarylene ether structure as a part of a polymer skeleton, and having a sulfonic acid group in the polymer, and is aromatic. Since a polymer whose softening temperature of the hydrocarbon polymer is in a specific range is used, the resulting proton exchange membrane is excellent in swelling resistance against a high-concentration aqueous methanol solution and has excellent bonding properties with an electrode. It is suitable as a proton exchange membrane of a fuel cell used as a fuel.

本発明におけるプロトン交換膜としては、ポリアリーレンエーテル構造をポリマー骨格の一部として少なくとも有し、かつスルホン酸基もポリマー中に有する芳香族炭化水素系ポリマーを含むことを特徴としており、かつ、芳香族炭化水素系ポリマーの軟化開始温度が80〜180℃の範囲にあり、かつイオン交換膜の40℃、30質量%のメタノール水溶液に対する面積膨潤率が0.5〜30%の範囲である事が重要である。   The proton exchange membrane in the present invention includes an aromatic hydrocarbon polymer having at least a polyarylene ether structure as a part of a polymer skeleton, and also having a sulfonic acid group in the polymer. The softening start temperature of the aromatic hydrocarbon polymer is in the range of 80 to 180 ° C., and the area swelling ratio of the ion exchange membrane with respect to 40 ° C. and a 30% by mass methanol aqueous solution is in the range of 0.5 to 30%. is important.

本発明における40℃、30質量%のメタノール水溶液に対する面積膨潤率とは、プロトン交換膜の40℃、30質量%のメタノール水溶液に対する平衡膨潤度を示すものであり、膜厚みが20〜200μmの範囲のもので、5×5cmの大きさの乾燥膜(面積:As)を、40℃、30質量%のメタノール水溶液に2時間浸積した後、膜の面積(Aw)を測定し、下記式を用いて求められるものである。
面積膨潤率(%)=(Aw−As)/As×100(%)
In the present invention, the area swelling ratio with respect to a methanol aqueous solution of 40 ° C. and 30% by mass indicates the equilibrium swelling degree of the proton exchange membrane with respect to a methanol aqueous solution of 40 ° C. and 30% by mass, and the membrane thickness is in the range of 20 to 200 μm. After immersing a dry film (area: As) having a size of 5 × 5 cm in an aqueous methanol solution of 30% by mass at 40 ° C. for 2 hours, the area (Aw) of the film was measured, and the following formula was obtained: It is required to use.
Area swelling rate (%) = (Aw−As) / As × 100 (%)

面積膨潤性とメタノール透過性の間には相関があり、メタノール水溶液に対する膨潤性が低い膜ほどメタノールのクロスオーバーを低く抑えられる点で有効である。この点において濃度20質量%以上のメタノール水溶液を燃料として使用するダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜としては、40℃、30質量%のメタノールに対する面積膨潤率が0.5〜30%の範囲であることが必要である。面積膨潤率が0.5%よりも小さいと本発明の電極との接合性を改善したプロトン交換膜においても電極との接合が困難となる傾向がある。一方30%を越えるとメタノール透過抑止性が不十分であり、高濃度のメタノール水溶液を用いて発電すると性能低下する傾向にある。特に面積膨潤率としては、1〜15%の範囲である場合が特に良好である。   There is a correlation between area swellability and methanol permeability, and a membrane having a lower swellability with respect to an aqueous methanol solution is more effective in that the crossover of methanol can be kept low. In this respect, the proton exchange membrane for a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution having a concentration of 20% by mass or more as a fuel has an area swelling ratio of 0.5 to 30% with respect to methanol at 40 ° C. and 30% by mass. It is necessary to be. When the area swelling ratio is smaller than 0.5%, even in the proton exchange membrane having improved bonding properties with the electrode of the present invention, bonding with the electrode tends to be difficult. On the other hand, when it exceeds 30%, the methanol permeation inhibiting property is insufficient, and when power is generated using a high-concentration aqueous methanol solution, the performance tends to deteriorate. In particular, the area swelling rate is particularly preferably in the range of 1 to 15%.

従来のポリアリーレンエーテル構造を有する芳香族炭化水素系ポリマーにおいても、面積膨潤率を低く抑えることができればメタノール透過を低く抑えることが可能ではあるが、電極との接合性が悪くなってしまう問題がある。しかし、本発明の面積膨潤率を持つポリアリーレンエーテル構造およびスルホン酸基を含む芳香族炭化水素系ポリマーを含むプロトン交換膜においては、芳香族炭化水素系ポリマーの軟化開始温度が80〜180℃の範囲にある場合、電極との接合性が良好である。芳香族炭化水素系ポリマーの軟化開始温度が80℃未満の場合は、イオン交換膜の変形が大きくなり、短絡する傾向がある。芳香族炭化水素系ポリマーの軟化開始温度が180℃を越える場合は、電極との接合性が不十分となる傾向がある。軟化開始温度は、最適には90〜160℃の範囲である。   Even in an aromatic hydrocarbon polymer having a conventional polyarylene ether structure, if the area swelling rate can be kept low, methanol permeation can be kept low, but there is a problem that the bonding property with the electrode is deteriorated. is there. However, in the proton exchange membrane including the polyarylene ether structure having an area swelling rate of the present invention and the aromatic hydrocarbon polymer containing a sulfonic acid group, the softening start temperature of the aromatic hydrocarbon polymer is 80 to 180 ° C. When it is within the range, the bonding property with the electrode is good. When the softening start temperature of the aromatic hydrocarbon polymer is less than 80 ° C., the deformation of the ion exchange membrane becomes large and there is a tendency to short-circuit. When the softening start temperature of the aromatic hydrocarbon polymer exceeds 180 ° C., the bondability with the electrode tends to be insufficient. The softening onset temperature is optimally in the range of 90-160 ° C.

本発明のプロトン交換膜を作製するために使用する芳香族炭化水素系ポリマーは、少なくとも前記の(式1)で表される繰り返し単位を有するポリアリーレンエーテル構造とスルホン酸基を含むポリマーを含む。好ましくは50質量%以上、更に好ましくは70質量%以上含む。(式1)のポリアリーレンエーテル構造を含むことでプロトン交換膜とした際の面積膨潤率を低く抑えることが可能な傾向にあると共に電極との接合性が向上する。   The aromatic hydrocarbon polymer used for producing the proton exchange membrane of the present invention includes a polymer containing at least a polyarylene ether structure having a repeating unit represented by the above (formula 1) and a sulfonic acid group. Preferably it is 50 mass% or more, More preferably, it contains 70 mass% or more. By including the polyarylene ether structure of (Formula 1), the area swelling rate when a proton exchange membrane is formed tends to be kept low, and the bonding property with the electrode is improved.

スルホン酸基をポリマーに導入する方法としては、例えば(式1)の構造よりスルホン酸基を除いた基本骨格を有するようなポリアリーレンエーテル骨格を持つポリマーに対して、適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、Solid State Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。   As a method of introducing a sulfonic acid group into a polymer, for example, a suitable sulfonating agent is reacted with a polymer having a polyarylene ether skeleton having a basic skeleton obtained by removing the sulfonic acid group from the structure of (Formula 1). Can be obtained. Examples of such a sulfonating agent include those using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid, which have been reported as an example of introducing a sulfonic acid group into an aromatic ring-containing polymer (for example, Solid State Ionics, 106, P.A. 219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J. Polym Sci., Polym.Chem., 22, P.721 (1984), J. Polym.Sci., Polym.Chem., 23, P.1231 (1985)) and the like are effective. It can carry out by selecting reaction conditions according to each polymer using these reagents. Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189.

また、(式1)で表されるスルホン酸基を有する芳香族炭化水素系ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種にスルホン酸基あるいはその誘導体を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することが出来る。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られたポリマーの熱安定性が高くなるので好ましい。   In addition, the aromatic hydrocarbon polymer having a sulfonic acid group represented by (Formula 1) may be synthesized using a monomer containing a sulfonic acid group or a derivative thereof as at least one of monomers used for polymerization. it can. For example, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. I can do it. At this time, it is preferable to use a sulfonic acid group-containing dihalide rather than a sulfonic acid group-containing diol because the degree of polymerization tends to increase and the thermal stability of the obtained polymer increases.

芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミド骨格を含む場合においては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基含有ジアミンを用いてスルホン酸基含有ポリイミド骨格を導入することが出来る。また芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸を使用することによりスルホン酸基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール骨格を導入することが出来る。   In the case of including a polyimide skeleton synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, a sulfonic acid group-containing polyimide skeleton is introduced into at least one of the aromatic diamines using a sulfonic acid group-containing diamine. I can do it. In the case of polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, and polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, at least one kind of aromatic dicarboxylic acid has a sulfonic acid group. A sulfonic acid group-containing polybenzoxazole or polybenzthiazole skeleton can be introduced by using the contained dicarboxylic acid.

本発明におけるポリアリーレンエーテル構造とスルホン酸基を含むプロトン交換膜を形成するための芳香族炭化水素系ポリマーは、特に分子中に下記(式1)で表される骨格を含むものが、面積膨潤性と軟化開始温度を制御する上で好ましい。   In the present invention, an aromatic hydrocarbon polymer for forming a proton exchange membrane containing a polyarylene ether structure and a sulfonic acid group, particularly, a polymer containing a skeleton represented by the following (formula 1) in the molecule has an area swelling. It is preferable for controlling the property and the softening start temperature.

Figure 2008146976
[式1中、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z1はO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−(CH)q−基、シクロヘキシル基のいずれかを表し、q、n1は1以上の整数を表す。但しn1が2以上の場合、ZはO原子を表す。]
Figure 2008146976
[In Formula 1, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Z 2 represents any one of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a — (CH 2 ) q— group, and a cyclohexyl group, q, n 1 Represents an integer of 1 or more. Provided that when n1 is 2 or more, Z 2 represents O atom. ]

さらに、下記(式2)で表される構造をさらに含有することで、シアノ基の電子的作用により面積膨潤率が抑えられるのでより好ましい。   Furthermore, by further containing the structure represented by the following (formula 2), the area swelling rate is suppressed by the electronic action of the cyano group, which is more preferable.

Figure 2008146976
[式中、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−(CH)q−基、シクロヘキシル基のいずれかを表し、q、n1は1以上の整数を表す。但しn2が2以上の場合、ZはO原子を表す。]
Figure 2008146976
[Wherein Z 3 represents either O or S atom, Z 4 represents O atom, S atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, — (CH 2 ) Represents either a q-group or a cyclohexyl group, and q and n1 represent an integer of 1 or more. However, when n2 is 2 or more, Z 4 represents an O atom. ]

また、スルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーにおいては、上記(式1)および(式2)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記(式1)または(式2)で示される以外の構造単位は70質量%以下であることが好ましい。70質量%以下とすることにより、ポリマーの特性を活かしたプロトン交換膜とすることができる。特に良好には、50質量%以下である。   The polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group may contain structural units other than those represented by the above (Formula 1) and (Formula 2). At this time, it is preferable that the structural units other than those represented by the above (Formula 1) or (Formula 2) are 70% by mass or less. By setting it to 70% by mass or less, a proton exchange membrane utilizing the characteristics of the polymer can be obtained. Particularly preferably, it is 50% by mass or less.

本発明のプロトン交換膜を形成するための芳香族炭化水素系ポリマーとしては、スルホン酸基含有量が0.3〜1.9meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、軟化開始温度を本発明の範囲にした場合でも、MEAを作製する時の電極との接合性が悪く、ダイレクトメタノール型燃料電池とした際の内部抵抗が増加する。一方、1.9meq/gよりも大きい場合には、面積膨潤率が大きくなりすぎる傾向が強く、安定に動作させることはできない。なお、スルホン酸基含有量はポリマー組成より計算することができる。より好ましくは0.6〜1.7meq/gである。   The aromatic hydrocarbon polymer for forming the proton exchange membrane of the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 1.9 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, even when the softening start temperature is within the range of the present invention, the bondability with the electrode when producing MEA is poor, and the internal resistance when a direct methanol fuel cell is obtained. Will increase. On the other hand, when it is larger than 1.9 meq / g, the area swelling rate tends to be too large, and it cannot be stably operated. The sulfonic acid group content can be calculated from the polymer composition. More preferably, it is 0.6-1.7 meq / g.

なお、面積膨潤率を低減させるためにポリマーを架橋したり、フィラーあるいは多孔性素材を含むことはより好ましい傾向にある。架橋・フィラー・多孔性素材による膨潤抑制効果によって、よりメタノール透過が抑えられたプロトン交換膜とすることができる。   In addition, in order to reduce an area swelling rate, it exists in the more preferable tendency to bridge | crosslink a polymer or to contain a filler or a porous material. Due to the swelling-inhibiting effect of the cross-linking / filler / porous material, a proton exchange membrane with further suppressed methanol permeation can be obtained.

さらに芳香族炭化水素系ポリマーの分子中に、下記(式3)で表される繰り返し単位を有するプロトン交換膜は、面積膨潤率が抑えられるとともに、強靱性も高いものとなるため好ましい。   Furthermore, a proton exchange membrane having a repeating unit represented by the following (formula 3) in the molecule of the aromatic hydrocarbon polymer is preferable because the area swelling rate is suppressed and the toughness is high.

Figure 2008146976
[式3中、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
Figure 2008146976
[In Formula 3, X represents an —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. . ]

前記の(式1)および(式2)の繰り返し単位を有するスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系ポリマーは、下記(式4)および(式5)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。
(式4)で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルケトン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。
(式5)で表される化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。
The sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based polymer having the repeating units of (Formula 1) and (Formula 2) includes an aromatic nucleophilic compound containing compounds represented by the following (Formula 4) and (Formula 5) as monomers. It can polymerize by a substitution reaction.
Specific examples of the compound represented by the formula (4) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3,3 Examples include '-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl ketone, and those whose sulfonic acid group is converted to a salt with a monovalent cationic species. It is done. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto.
Examples of the compound represented by (Formula 5) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. .

Figure 2008146976
Figure 2008146976
(ただし、Xは−S(=O)基または−C(=O)基、Yは1価のカチオン種、Zは塩素またはフッ素を示す。)
Figure 2008146976
Figure 2008146976
(Where X represents a —S (═O) 2 group or —C (═O) group, Y represents a monovalent cation species, and Z 6 represents chlorine or fluorine.)

本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリルおよび2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なプロトン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。   In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used for good proton conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.

上述の芳香族求核置換反応において、上記(式4)及び(式5)で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。   In the above-described aromatic nucleophilic substitution reaction, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used as monomers together with the compounds represented by the above (formula 4) and (formula 5). Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.

上述の(式1)乃至(式2)で表される構成単位は、上述の(式4)や(式5)で表される化合物とともに、ジオールやジチオールをモノマーとして用いて、芳香族求核置換反応をすることで得ることができる。このようなジオールあるいはジチオールモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、末端ヒドロキシル基含有ポリフェニレンエーテルオリゴマー、4,4’−チオビスベンゼンチオール、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、4,4’−ビフェニルジチオール、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,8−ジヒドロキシナフタレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,6−ジヒドロキシナフタレン、1,7−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、2,7−ジヒドロキシナフタレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)エーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−1,4−ベンゼン、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−1,3−ベンゼン、1,6−ヘキサンジチオール、1,7−ヘプタンジチオール、1,8−オクタンジチオール、1,4−ビス(ヒドロキシフェニル)ブタン、1,1−ビス(ヒドロキシフェニル)メタン、1,2−ビス(ヒドロキシフェニル)エタン、1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)プロパン、1,5−ビス(ヒドロキシフェニル)ヘプタン、1,6−ビス(ヒドロキシフェニル)ヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。   The structural unit represented by the above (Formula 1) to (Formula 2) is an aromatic nucleophilic compound using a diol or dithiol as a monomer together with the compound represented by the above (Formula 4) or (Formula 5). It can be obtained by carrying out a substitution reaction. Examples of such diol or dithiol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, terminal hydroxyl group-containing polyphenylene ether oligomer, 4,4 '-Thiobisbenzenethiol, 1,4-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, 4,4'-biphenyldithiol, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,8-dihydroxynaphthalene, 2,2-bis (4 -Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4 Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ) Ketone, 1,5-dihydroxynaphthalene, 1,6-dihydroxynaphthalene, 1,7-dihydroxynaphthalene, 2,6-dihydroxynaphthalene, 2,7-dihydroxynaphthalene, bis (4-hydroxyphenyl) ether, bis (4 -Hydroxyphenyl Sulfide, bis (4-hydroxyphenoxy) -1,4-benzene, bis (4-hydroxyphenoxy) -1,3-benzene, 1,6-hexanedithiol, 1,7-heptanedithiol, 1,8-octanedithiol 1,4-bis (hydroxyphenyl) butane, 1,1-bis (hydroxyphenyl) methane, 1,2-bis (hydroxyphenyl) ethane, 1,3-bis (hydroxyphenyl) propane, 1,5-bis (Hydroxyphenyl) heptane, 1,6-bis (hydroxyphenyl) hexane, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, and the like. In addition to these, polyarylene ether type by aromatic nucleophilic substitution reaction Various aromatic diols that can be used for polymerization of the compound can also be used.

また、これらの芳香族ジオールには、炭素数1〜30の範囲のアルキル基、フェニル基などの芳香族系の置換基、ハロゲン、シアノ基、スルホン酸基およびその塩化合物などの置換基が結合していても良い。アルキル基や芳香族系の置換基にハロゲン、シアノ基、スルホン酸基などの置換基が結合していても良い。置換基の種類は特に限定されることはなく、芳香環あたり0〜2個であることが好ましい。これらジオールあるいはジチオール化合物は、単独で使用することができるが、複数を併用することも可能である。   In addition, these aromatic diols are bonded to substituents such as alkyl groups having 1 to 30 carbon atoms, aromatic substituents such as phenyl groups, halogens, cyano groups, sulfonic acid groups and their salt compounds. You may do it. A substituent such as a halogen, a cyano group, or a sulfonic acid group may be bonded to an alkyl group or an aromatic substituent. The kind of substituent is not particularly limited, and is preferably 0 to 2 per aromatic ring. These diols or dithiol compounds can be used alone or in combination.

スルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーを芳香族求核置換反応により重合する場合、上記(式4)および(式5)で表せる化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/またはジクロロ芳香族化合物とジオールあるいはジチオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜230℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。   When a polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound and / or a dichloroaromatic compound including the compounds represented by the above (formula 4) and (formula 5) A polymer can be obtained by reacting a compound with a diol or dithiols in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 230 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed.

反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にし得るものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。   The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used.

芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜40質量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5質量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、40質量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。   When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the polymer concentration obtained is 5 to 40% by mass. When the amount is less than 5% by mass, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when it is more than 40% by mass, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.

また、本発明のスルホン酸基を含有するポリアリーレンエーテル系ポリマーは、ポリマー対数粘度が0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、プロトン交換膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。還元比粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、還元比粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。   The polyarylene ether-based polymer containing a sulfonic acid group of the present invention preferably has a polymer log viscosity of 0.1 or more. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane tends to become brittle when formed as a proton exchange membrane. The reduced specific viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, if the reduced specific viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.

なお、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、ラジカル防止剤などの各種添加剤や、プロトン交換膜の特性をコントロールするための貴金属、無機化合物や無機―有機のハイブリッド化合物、イオン性液体、などを含んでいても良い。また、可能な範囲で複数のものが混在していても良い。   If necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, a dispersant, a polymerization inhibitor, Various additives such as radical inhibitors, precious metals for controlling the properties of the proton exchange membrane, inorganic compounds, inorganic-organic hybrid compounds, ionic liquids, and the like may be included. Further, a plurality of items may be mixed as much as possible.

以上に示したポリマーを、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法でプロトン交換膜とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類や、エーテル類、ケトン類または、それらと水の混合溶媒から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50質量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1質量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50質量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。   The polymer shown above can be made into a proton exchange membrane by any method such as extrusion, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, alcohols such as methanol and ethanol, An appropriate one can be selected from ethers, ketones or a mixed solvent of water with them, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by mass. If the compound concentration in the solution is less than 0.1% by mass, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by mass, the workability tends to deteriorate.

溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。プロトン交換膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してプロトン交換膜を得ることができる。
溶媒の除去は、乾燥によることがプロトン交換膜の均一性の観点からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。
A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. The most preferable method for forming the proton exchange membrane is casting from a solution, and the proton exchange membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above.
The solvent is preferably removed by drying from the viewpoint of the uniformity of the proton exchange membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed.

キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜2500μmであることが好ましい。より好ましくは50〜1500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとプロトン交換膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、2500μmよりも厚いと不均一なプロトン交換膜ができやすくなる傾向にある。   The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 2500 μm. More preferably, it is 50-1500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the form as a proton exchange membrane tends to be not maintained, and if it is thicker than 2500 μm, a non-uniform proton exchange membrane tends to be easily formed.

溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温で行い、後に昇温させる方法がある。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。   As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, there is a method in which the first stage is performed at a low temperature and the temperature is raised later. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time.

本発明のプロトン交換膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、プロトン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には3〜200μmであることが好ましく、5〜150μmであることがさらに好ましい。プロトン交換膜の厚みが3μmより薄いとプロトン交換膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いとプロトン交換膜が頑丈となりすぎ、ハンドリングが難しくなる傾向にある。また本発明においては、プロトン交換膜として記載したが、中空糸状に加工することも好ましい形であり、加工に際しては公知の処方を利用できる。   The proton exchange membrane of the present invention can have any thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of proton conductivity. Specifically, it is preferably 3 to 200 μm, and more preferably 5 to 150 μm. If the thickness of the proton exchange membrane is less than 3 μm, handling of the proton exchange membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. If the thickness is greater than 200 μm, the proton exchange membrane becomes too strong and handling becomes difficult. There is a tendency. In the present invention, although described as a proton exchange membrane, processing in a hollow fiber shape is also a preferred form, and a known formulation can be used for processing.

最終的に得られたプロトン交換膜を使用する場合、膜中のイオン性官能基は一部金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理により酸型のものに変換した形が好ましい。この際、プロトン交換膜のプロトン伝導率は1.0×10−3S/cm以上であることが好ましい。プロトン伝導率が1.0×10−3S/cm以上である場合には、そのプロトン交換膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0x10−3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 When the proton exchange membrane finally obtained is used, the ionic functional group in the membrane may contain a part of the metal salt, but it is converted to the acid type by appropriate acid treatment. The shape is preferred. At this time, the proton conductivity of the proton exchange membrane is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the proton conductivity of 1.0 × 10 -3 S / cm or higher, tend to better output is obtained in the fuel cell using the proton exchange membrane, less than 1.0x10 -3 S / cm In this case, the output of the fuel cell tends to decrease.

なお、メタノールクロスオーバーを防ぐ意味では、メタノール透過速度として、0.1〜1.8mmol/m/sの範囲にあることが好ましく、より好適には、1.5mmol/m/sよりも小さいことが望ましい。 In order to prevent methanol crossover, the methanol permeation rate is preferably in the range of 0.1 to 1.8 mmol / m 2 / s, and more preferably 1.5 mmol / m 2 / s. Small is desirable.

本発明において電極とプロトン交換膜の接合方法としては、特に限定されるものではなく、ホットプレス法などの公知の手法を用いることができる。一般的に、プロトン交換膜の両面に電極を接合することによって、MEAを得ることができる。燃料電池用の電極の構成については特に限定されるものではなく、適宜選択することができる。ホットプレスによる電極とプロトン交換膜との接合方法は、電極とプロトン交換膜を積層した状態で、熱・圧力・温度を印可することによって接合する手法であり、広く用いられている公知の技術である。   In the present invention, the method for joining the electrode and the proton exchange membrane is not particularly limited, and a known method such as a hot press method can be used. Generally, MEAs can be obtained by bonding electrodes to both sides of a proton exchange membrane. The configuration of the electrode for the fuel cell is not particularly limited and can be appropriately selected. The method of joining the electrode and the proton exchange membrane by hot pressing is a technique of joining by applying heat, pressure, and temperature in a state where the electrode and the proton exchange membrane are laminated, and is a widely used known technique. is there.

プロトン交換膜は、膜の両面に電極が接合されるが、電極としては、ガス拡散層と触媒層を含む2層以上の層からなる形態が一般的であり、触媒層がプロトン交換膜上に形成されており、その外側にガス拡散層が配置されるのが通常である。ここで触媒の種類や電極に使用されるガス拡散層の種類や接合方法などは特に限定されるものではなく、公知のものが使用でき、また公知の技術を組み合わせたものも使用できる。   In the proton exchange membrane, electrodes are bonded to both sides of the membrane, and the electrode is generally in the form of two or more layers including a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the catalyst layer is on the proton exchange membrane. It is usually formed and a gas diffusion layer is arranged outside thereof. Here, the type of the catalyst, the type of the gas diffusion layer used for the electrode, the bonding method, and the like are not particularly limited, and a known one can be used, and a combination of known techniques can also be used.

電極に使用する触媒としては、耐酸性と触媒活性の観点から適宜選出できるが、白金族系金属およびこれらの合金や酸化物が特に好ましい。例えばカソードに白金または白金系合金,アノードに白金または白金系合金や白金とルテニウムの合金を使用すると高効率発電に適している。複数の種類の触媒を使用していても良く、分布があっても良い。電極中の空孔率は特に制限されるものではない。触媒層中に触媒と一緒に混在させるプロトン伝導性樹脂の種類・量なども特に制限されるものではない。またフッ素系結着剤に代表される疎水性化合物の含浸など、ガス拡散層および触媒層のガス拡散性をコントロールするための手法なども好適に利用できる。   The catalyst used for the electrode can be appropriately selected from the viewpoint of acid resistance and catalytic activity, but platinum group metals and alloys and oxides thereof are particularly preferable. For example, platinum or a platinum-based alloy for the cathode and platinum or a platinum-based alloy or an alloy of platinum and ruthenium for the anode are suitable for high-efficiency power generation. Multiple types of catalysts may be used and may be distributed. The porosity in the electrode is not particularly limited. The type and amount of proton conductive resin mixed with the catalyst in the catalyst layer is not particularly limited. In addition, a technique for controlling the gas diffusibility of the gas diffusion layer and the catalyst layer, such as impregnation with a hydrophobic compound typified by a fluorine-based binder, can be suitably used.

電極をプロトン交換膜に接合する技術において、両者の界面に大きな抵抗が生じないようにすることが重要であり、また膜の膨潤収縮や、ガス発生の機械的な力によって剥離や電極触媒の剥落が生じないようにすることも重要である。この接合体の作製方法としては、従来から燃料電池における電極−膜接合方法の公知技術として知られている手法、例えば電極でプロトン交換膜を挟み込んだ後、プレスして接着する方法が有効に用いられる。電極としては、ガス拡散層上に触媒を塗布したものやテフロン(登録商標)等のフィルム状に触媒を塗布したものが用いられる。後者の場合、別途作製したガス拡散層と重ね合わせる手法が一般的である。さらには、触媒インクを膜にスプレーやインクジェット等で析出させてから、ガス拡散層と重ね合わせる手法などが好適に用いられる。   In the technique of joining the electrode to the proton exchange membrane, it is important to prevent a large resistance from being generated at the interface between the two. It is also important to prevent this from occurring. As a method for producing this joined body, a technique that has been conventionally known as a known technique of an electrode-membrane joining method in a fuel cell, for example, a method in which a proton exchange membrane is sandwiched between electrodes and then pressed and bonded is effectively used. It is done. As the electrode, an electrode obtained by applying a catalyst on a gas diffusion layer or an electrode obtained by applying a catalyst in a film shape such as Teflon (registered trademark) is used. In the latter case, a method of overlapping with a separately prepared gas diffusion layer is common. Furthermore, a method in which the catalyst ink is deposited on the film by spraying or ink jetting and then superposed on the gas diffusion layer is preferably used.

本発明のダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜は、20質量%以上の高濃度のメタノール水溶液に対する耐膨潤性に優れるのみならず、電極との接合性に優れるため、燃料電池に組み込まれたMEAは、長時間にわたって良好な状態を維持できる。メタノール濃度が低い場合は、エネルギー密度が低く、また大きな電池となってしまうことが問題となるため、本発明の場合のように、メタノール水溶液の濃度は、20質量%よりも高いことが好ましく、より好ましくは30質量%以上である。なおメタノール水溶液の濃度が60質量%を超えると、メタノールの酸化反応がスムーズに起こらなくなるため好ましくない。   The proton exchange membrane for a direct methanol fuel cell according to the present invention is not only excellent in swelling resistance with respect to a methanol aqueous solution having a high concentration of 20% by mass or more, but also excellent in bondability with an electrode. Can maintain a good state for a long time. When the methanol concentration is low, the energy density is low, and it becomes a problem that the battery becomes large. Therefore, as in the present invention, the concentration of the aqueous methanol solution is preferably higher than 20% by mass, More preferably, it is 30 mass% or more. In addition, it is not preferable that the concentration of the aqueous methanol solution exceeds 60% by mass because the methanol oxidation reaction does not occur smoothly.

また、燃料電池に使用されるセパレータの種類や、空気に代表される酸化ガスの流速・供給方法・流路の構造などや、運転方法、運転条件、温度分布、燃料電池の制御方法などは特に限定されるものではない。ただしダイレクトメタノール型燃料電池の供給方法によっては、燃料タンクに供給するメタノール水溶液の濃度は20質量%よりも濃いが、装置に希釈メカニズムを設けることによって、MEAに供給されるメタノール水溶液の濃度としては、20質量%よりもかなり希釈した形で供給可能である。しかしながら、本発明のダイレクトメタノール型燃料電池においては、濃度20質量%のメタノール水溶液を直接MEAに供給できるため、システムが簡素化され、燃料電池の高エネルギー密度化と小型化の実現に寄与することができる。   In addition, the type of separator used in the fuel cell, the flow rate / supply method / flow path structure of the oxidizing gas represented by air, the operating method, operating conditions, temperature distribution, fuel cell control method, etc. It is not limited. However, depending on the method of supplying the direct methanol fuel cell, the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the fuel tank is higher than 20% by mass. However, by providing a dilution mechanism in the apparatus, the concentration of the aqueous methanol solution supplied to the MEA is , 20% by mass can be supplied in a diluted form. However, in the direct methanol fuel cell of the present invention, a methanol aqueous solution having a concentration of 20% by mass can be directly supplied to the MEA, which simplifies the system and contributes to the realization of high energy density and miniaturization of the fuel cell. Can do.

以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、本発明で用いた評価法・測定法は、以下のとおりである。
<プロトン交換膜の膜厚>
プロトン交換膜の厚みは、PEACOCK DIGITAL GAUGE MODELD−10SとDIGITAL COUNTERを組み合わせて測定することにより求めた。室温が20℃で湿度が50±5RH%にコントロールされた測定室内で24時間以上静置したプロトン交換膜を5×5cmの大きさに切断したサンプルに対して、20箇所の厚みを測定し、その平均値を膜厚とした。
Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to these Examples.
The evaluation methods and measurement methods used in the present invention are as follows.
<Proton exchange membrane thickness>
The thickness of the proton exchange membrane was determined by measuring a combination of PEACOCK DIGITAL GAUGE MODEL-10S and DIGITAL COUNTER. For a sample obtained by cutting a proton exchange membrane that has been allowed to stand for 24 hours or more in a measurement chamber in which the room temperature is 20 ° C. and the humidity is controlled to 50 ± 5 RH% for 20 × 5 cm, the thickness is measured at 20 locations. The average value was taken as the film thickness.

<イオン交換容量(酸型)>
イオン交換容量(IEC)としては、イオン交換膜に存在する酸型の官能基量を測定した。まずサンプル調整として、サンプル片(5×5cm)を80℃のオーブンで窒素気流下2時間乾燥し、さらに乾燥窒素ガスで満たしたグローブボックスで30分間放置冷却した後、乾燥質量を測定した(Ws)。次いで、200mlの密閉型のガラス瓶に、200mlの1mol/Lの濃度の塩化ナトリウム-超純水溶液と秤量済みの前記サンプルを入れ、密閉したまま、室温で24時間攪拌した。次いで、溶液30mlを取り出し、10mMの水酸化ナトリウム水溶液(市販の標準溶液)で中和滴定し、滴定量(T)より下記式を用いて、IECを求めた。
IEC(meq/g)=10T/(30Ws)×0.2
(Tの単位:ml Wsの単位:g)
<Ion exchange capacity (acid type)>
As the ion exchange capacity (IEC), the amount of acid type functional groups present in the ion exchange membrane was measured. First, as a sample preparation, a sample piece (5 × 5 cm) was dried in an oven at 80 ° C. under a nitrogen stream for 2 hours, further allowed to cool in a glove box filled with dry nitrogen gas for 30 minutes, and then the dry mass was measured (Ws ). Next, 200 ml of a 1 mol / L sodium chloride-ultrapure aqueous solution having a concentration of 1 mol / L and the weighed sample were placed in a 200 ml sealed glass bottle and stirred at room temperature for 24 hours while being sealed. Next, 30 ml of the solution was taken out, neutralized with a 10 mM aqueous sodium hydroxide solution (commercial standard solution), and IEC was determined from the titration (T) using the following formula.
IEC (meq / g) = 10 T / (30 Ws) × 0.2
(Unit of T: ml Unit of Ws: g)

<面積膨潤率>
プロトン交換膜の面積膨潤率の測定は、<イオン交換容量(酸型)>の項で調整方法を示した乾燥状態にあるサンプルの正確な面積(As)を測定した。次いで、サンプルを密閉型のガラス瓶に入れた200mlの40℃、30質量%のメタノール水溶液に2時間撹拌しながら浸積した。その後、ガラス瓶を水冷することによって、25℃までメタノール水溶液の温度を下げた。次いでサンプルをガラス瓶から取り出し、直ぐにメタノール水溶液で膨潤したサンプルの面積(Aw)を測定し、下記式を用いて面積膨潤率を求めた。
面積膨潤率(%)=(Aw−As)/As×100(%)
<Area swelling rate>
The measurement of the area swelling rate of the proton exchange membrane was performed by measuring the exact area (As) of the sample in the dry state indicated by the adjustment method in the section of <ion exchange capacity (acid type)>. Next, the sample was immersed in 200 ml of 40 ° C., 30% by mass aqueous methanol solution in a sealed glass bottle with stirring for 2 hours. Thereafter, the temperature of the aqueous methanol solution was lowered to 25 ° C. by cooling the glass bottle with water. Next, the sample was taken out from the glass bottle, and the area (Aw) of the sample immediately swollen with the aqueous methanol solution was measured, and the area swelling rate was determined using the following formula.
Area swelling rate (%) = (Aw−As) / As × 100 (%)

<プロトン伝導率>
プロトン伝導率σは次のようにして測定した。自作測定用プローブ(ポリテトラフルロエチレン製)上で幅10mmの短冊状膜試料の表面に10mm間隔で、4本の白金線(直径:0.2mm)をそれぞれ平行となるように押しあて、上からテフロン(登録商標)板で抑えることによって固定した後、25℃に調整した超純水中に試料をプローブとを一緒に浸積し、白金線間の交流インピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を10mmから40mmまで10mm間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Dr[Ω/cm]から下記式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ[S/cm]=1/(膜幅×膜厚[cm]×Dr)
<Proton conductivity>
The proton conductivity σ was measured as follows. Four platinum wires (diameter: 0.2 mm) were pushed in parallel with each other at 10 mm intervals on the surface of a strip-shaped film sample having a width of 10 mm on a self-made measurement probe (made of polytetrafluoroethylene), After fixing with a Teflon (registered trademark) plate from above, the sample is immersed in ultrapure water adjusted to 25 ° C. together with the probe, and the AC impedance between the platinum wires is measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. It was measured. Measured by changing the distance between the electrodes from 10 mm to 40 mm at 10 mm intervals, and canceling the contact resistance between the membrane and the platinum wire from the linear slope Dr [Ω / cm] plotting the distance between the electrodes and the measured resistance value And calculated.
σ [S / cm] = 1 / (film width × film thickness [cm] × Dr)

<メタノール透過速度およびメタノール透過係数>
プロトン交換膜のメタノール透過速度およびメタノール透過係数は、以下の方法で測定した。25℃に調整した5モル/リットルの濃度のメタノール水溶液(メタノール水溶液の調整には、市販の試薬特級グレードのメタノールと超純水(18MΩ・cm)を使用。)に24時間浸漬したプロトン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5モル/リットルの濃度のメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、プロトン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフにより測定することで算出した(プロトン交換膜の面積は、2.0cm)。なおセルの撹拌速度は撹拌速度の影響によってメタノール透過性が変化しない速度で撹拌した。なお具体的には、超純水を入れたセルのメタノール濃度変化速度[Ct](mmol/L/s)より以下の式を用いて算出した。
メタノール透過速度[mmol/m/s]
=(Ct[mmol/L/s]×0.1[L])/2×10−4[m
メタノール透過係数[μmol/m/s]
=メタノール透過速度[mmol/m/s]×膜厚[m]×1000
<Methanol permeation rate and methanol permeation coefficient>
The methanol permeation rate and methanol permeation coefficient of the proton exchange membrane were measured by the following methods. A proton exchange membrane immersed in an aqueous methanol solution with a concentration of 5 mol / liter adjusted to 25 ° C. (Methanol aqueous solution is prepared using commercially available reagent-grade methanol and ultrapure water (18 MΩ · cm)) for 24 hours. Is placed in an H-type cell, 100 ml of 5 mol / liter aqueous methanol solution is injected into one side of the cell, 100 ml of ultrapure water is injected into the other cell, and proton exchange is performed while stirring the cells on both sides at 25 ° C. The amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the membrane was calculated by measuring with a gas chromatograph (the area of the proton exchange membrane was 2.0 cm 2 ). The cell was stirred at a speed at which the methanol permeability did not change due to the influence of the stirring speed. Specifically, it was calculated using the following formula from the methanol concentration change rate [Ct] (mmol / L / s) of the cell containing ultrapure water.
Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s]
= (Ct [mmol / L / s] × 0.1 [L]) / 2 × 10 −4 [m 2 ]
Methanol permeability coefficient [μmol / m / s]
= Methanol permeation rate [mmol / m 2 / s] × film thickness [m] × 1000

<軟化開始温度の測定>
高分子電解質膜の軟化開始温度は次のようにして測定した。幅5mmの短冊状の試料をユービーエム社製動的粘弾性測定装置(型式名:Rheogel−E4000)にチャック間距離14mmとなるようにセットし、乾燥窒素気流下で試料を4時間乾燥させた後、引張モードで周波数10Hz、歪み0.7%、窒素気流中、測定温度25〜250℃まで、昇温速度2℃/分で温度を上昇させながら貯蔵弾性率(E‘)と損失弾性率(E“)を求め、次式よりTan−δを求めた。2℃毎の測定ステップで測定した。
Tan−δ=E“/E‘
温度上昇を開始しても、Tan−δの変化は小さいが、一定温度を超えるとTan−δが急激に立ち上がり、その後ピークを示す凸型のカーブを描く。この測定においてTan−δの立ち上がり温度を軟化開始温度と定義し、Tan−δのピークをガラス転移温度とした。具体的なTan−δの立ち上がり温度は、縦軸にTan−δを対数目盛りでプロットし、横軸に温度をプロットした図において、Tan−δ立ち上がり前のプラトー領域の接線と、立ち上がり後に傾きが直線となる部分の接線とが交わる温度とした。
<Measurement of softening start temperature>
The softening start temperature of the polymer electrolyte membrane was measured as follows. A strip-shaped sample with a width of 5 mm was set on a dynamic viscoelasticity measuring apparatus (model name: Rheogel-E4000) manufactured by UBM Co., Ltd. so that the distance between chucks was 14 mm, and the sample was dried for 4 hours under a dry nitrogen stream. After that, the storage elastic modulus (E ′) and the loss elastic modulus are increased in a tensile mode at a frequency of 10 Hz, a strain of 0.7%, in a nitrogen stream, up to a measurement temperature of 25 to 250 ° C., and at a temperature rising rate of 2 ° C./min. (E ") was determined, and Tan-δ was determined from the following equation, measured at every 2 ° C measurement step.
Tan−δ = E “/ E ′
Even if the temperature rise is started, the change in Tan-δ is small, but when the temperature exceeds a certain temperature, Tan-δ rises rapidly and then a convex curve showing a peak is drawn. In this measurement, the Tan-δ rise temperature was defined as the softening start temperature, and the Tan-δ peak was defined as the glass transition temperature. Specifically, the Tan-δ rise temperature is plotted with the logarithmic scale of Tan-δ on the vertical axis and the tangent to the plateau region before the Tan-δ rise in the graph in which the temperature is plotted on the horizontal axis. The temperature at which the tangent of the straight part intersects was used.

<発電特性>
デュポン社製20%ナフィオン(登録商標)溶液に、市販の54%白金/ルテニウム触媒担持カーボンと、少量の超純水およびイソプロパノールを加え、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、ガス拡散層となる疎水化を施した東レ社製カーボンペーパー(TGPH−090)に白金の付着量が2.1mg/cmになるようにアプリケーターを用いて均一に塗布・乾燥して、アノード用の触媒層付きガス拡散層を作製した。
また、同様の手法で、白金/ルテニウム触媒担持カーボンに替えて市販の40%白金触媒担持カーボンを用いて、疎水化した前記カーボンペーパー上に電極触媒層を形成することで、カソード用の触媒層付きガス拡散層を作製した(1.0mg−白金/cm)。
上記2種類の触媒層付きガス拡散層の間に、プロトン交換膜を、触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス機により3分間加圧、加熱することにより、MEAを作製した。プレス圧力と温度は種々変更し、発電特性が最も良かった条件をそれぞれの膜の標準MEA条件とした。
発電特性の比較は、最適化したホットプレス条件で作製したMEAの発電性能とした。MEAはElectrochem社製の評価用燃料電池セルに組み込んでセル温度60℃で、アノードに55℃の33質量%の濃度のメタノール水溶液をカソードに乾燥空気をそれぞれ供給しながら、電流密度0.1A/cmで放電試験を行った際の電圧を調べた。測定は、運転開始後、80時間後の値を代表値として評価した。また電流密度0.1A/cmにおいて電流遮断法(100μs)により測定される電池の抵抗を測定し、比較した。
<Power generation characteristics>
Commercially available 54% platinum / ruthenium catalyst-supporting carbon, a small amount of ultrapure water and isopropanol were added to a DuPont 20% Nafion (registered trademark) solution, and the mixture was stirred until uniform to prepare a catalyst paste. This catalyst paste is uniformly applied and dried using an applicator so that the adhesion amount of platinum is 2.1 mg / cm 2 on carbon paper (TGPH-090) manufactured by Toray Industries, Inc., which has been subjected to hydrophobicity to become a gas diffusion layer. Thus, a gas diffusion layer with a catalyst layer for the anode was produced.
Further, in the same manner, a catalyst layer for a cathode is formed by forming an electrode catalyst layer on the carbon paper hydrophobized using a commercially available 40% platinum catalyst-supporting carbon instead of the platinum / ruthenium catalyst-supporting carbon. An attached gas diffusion layer was prepared (1.0 mg-platinum / cm 2 ).
A proton exchange membrane was sandwiched between the two types of gas diffusion layers with a catalyst layer so that the catalyst layer was in contact with the membrane, and pressurized and heated for 3 minutes with a hot press machine to prepare an MEA. Various conditions were used for the press pressure and temperature, and the conditions under which the power generation characteristics were the best were used as the standard MEA conditions for each film.
The comparison of the power generation characteristics was the power generation performance of the MEA produced under optimized hot press conditions. The MEA was incorporated in an evaluation fuel cell manufactured by Electrochem, and the cell temperature was 60 ° C., and a 33 mass% methanol aqueous solution at 55 ° C. was supplied to the anode while supplying dry air to the cathode. The voltage when the discharge test was performed at cm 2 was examined. The measurement was evaluated with a value 80 hours after the start of operation as a representative value. Moreover, the resistance of the battery measured by the current interruption method (100 μs) at a current density of 0.1 A / cm 2 was measured and compared.

<実施例1>
3,3’−ジスルホン酸ナトリウム−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(略号:S−DCDPS)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)、4,4’−ビフェノール(略号:BP)、1,6−ヘキサンジチオール(略号: HDT)、炭酸カリウム、をモル比15:85:50:50で合計10gとなるよう調整し、そこに乾燥したモレキュラーシーブ3−A 6.5gを200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。100mlのN−メチル−2−ピロリドン(略号:NMP)を入れて、150℃で30分撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。
得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマー濃度15%となるようNMPに溶解し、ホットプレート上ガラス板にアプリケーターを用いてキャストして、80℃で1.0時間、150℃で0.5時間加熱した後、窒素雰囲気の150℃のオーブン中で1時間乾燥し、ガラス板からフィルムを剥離した。
得られたフィルムは室温の純水に1日浸漬した後、2mol/Lの硫酸水溶液に2時間浸漬した。その後、洗浄水が中性になるまでフィルムを純水で洗浄し、空気中に放置して乾燥して、イオン交換膜を得た。
得られたイオン交換膜について評価を行った結果を表1に示す。また、動的粘弾性測定結果から求めた軟化開始温度は、110℃±5℃であった(図1)。
<Example 1>
Sodium 3,3′-disulfonate-4,4′-dichlorodiphenylsulfone (abbreviation: S-DCDPS), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN), 4,4′-biphenol (abbreviation: BP), 1,6-Hexanedithiol (abbreviation: HDT) and potassium carbonate were adjusted so that the molar ratio was 15: 85: 50: 50 to a total of 10 g, and 6.5 ml of dried molecular sieve 3-A was added to 200 ml. Weighed into a neck flask and flushed with nitrogen. After adding 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone (abbreviation: NMP) and stirring at 150 ° C. for 30 minutes, the reaction temperature is increased to 195-200 ° C. Continued. After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand.
The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. It is dissolved in NMP so that the polymer concentration becomes 15%, cast on a glass plate on a hot plate using an applicator, heated at 80 ° C. for 1.0 hour, and at 150 ° C. for 0.5 hour, and then at 150 ° C. in a nitrogen atmosphere. The film was dried in an oven for 1 hour to peel the film from the glass plate.
The obtained film was immersed in pure water at room temperature for 1 day, and then immersed in a 2 mol / L sulfuric acid aqueous solution for 2 hours. Thereafter, the film was washed with pure water until the washing water became neutral, and allowed to stand in the air and dried to obtain an ion exchange membrane.
Table 1 shows the results of evaluating the obtained ion exchange membrane. Moreover, the softening start temperature calculated | required from the dynamic viscoelasticity measurement result was 110 degreeC +/- 5 degreeC (FIG. 1).

<実施例2>
S−DPDPS、DCBN、BP、HDTのモル比を15:85:75:25に変えた以外は、実施例1に従い実施例2のプロトン交換膜を作製した。得られたプロトン交換膜について評価を行った結果を表1に示す。また動的粘弾性測定結果から求めた軟化開始温度は、168±5℃であった。
<Example 2>
A proton exchange membrane of Example 2 was produced according to Example 1 except that the molar ratio of S-DPPDPS, DCBN, BP, and HDT was changed to 15: 85: 75: 25. Table 1 shows the results of evaluating the obtained proton exchange membrane. Moreover, the softening start temperature calculated | required from the dynamic viscoelasticity measurement result was 168 +/- 5 degreeC.

<実施例3>
BP及びHDTに換えて、末端ヒドロキシル基含有フェニレンエーテルオリゴマー(略号:DPE)(大日本インキ社製SPECIANOL DPE−PL、ロットC106)(フェニレンエーテルモノマーの繰り返し単位として、n=1〜7の成分を含む混合物。平均組成はn=4.0)を用い、S−DPDPSとDCBNとDPEがモル比で23:77:100となるように変えた以外は、実施例1に従い実施例3のプロトン交換膜を作製した。 得られたプロトン交換膜について評価を行った結果を表1に示す。また、動的粘弾性測定結果から求めた軟化開始温度は、143±5℃であった。
<Example 3>
In place of BP and HDT, terminal hydroxyl group-containing phenylene ether oligomer (abbreviation: DPE) (Dainippon Ink & Co., Ltd. SPECIANOL DPE-PL, lot C106) The proton exchange of Example 3 according to Example 1 except that the average composition is n = 4.0) and S-DPPDPS, DCBN and DPE are changed to a molar ratio of 23: 77: 100. A membrane was prepared. Table 1 shows the results of evaluating the obtained proton exchange membrane. Moreover, the softening start temperature calculated | required from the dynamic viscoelasticity measurement result was 143 +/- 5 degreeC.

<比較例1>
S−DCDPS、BP、及びDCBNを、S−DCDPSとDCBNとBPのモル数が20:80:100となるように重合することによって比較例1のプロトン交換膜を作製した。
得られたプロトン交換膜について評価を行った結果を表1に示す。動的粘弾性を測定したが、250℃以下の温度では軟化開始温度を示さなかった。
<Comparative Example 1>
A proton exchange membrane of Comparative Example 1 was produced by polymerizing S-DCDPS, BP, and DCBN so that the molar number of S-DCDPS, DCBN, and BP was 20: 80: 100.
Table 1 shows the results of evaluating the obtained proton exchange membrane. Although dynamic viscoelasticity was measured, the softening start temperature was not shown at a temperature of 250 ° C. or lower.

<比較例2>
S−DCDPS、DCBN、DPEのモル比を28:72:100となるに変えた以外は、実施例3に従い、比較例2のプロトン交換膜を作製した。
得られたプロトン交換膜について評価を行った結果を表1に示す。動的粘弾性測定結果より求めた軟化開始温度は、147±5℃であった。
<Comparative example 2>
A proton exchange membrane of Comparative Example 2 was produced in accordance with Example 3 except that the molar ratio of S-DCDPS, DCBN, and DPE was changed to 28: 72: 100.
Table 1 shows the results of evaluating the obtained proton exchange membrane. The softening start temperature obtained from the dynamic viscoelasticity measurement result was 147 ± 5 ° C.

<比較例3>
DuPont社製ナフィオン(登録商標)117膜をプロトン交換膜として手に入れた状態で使用した。評価を行った結果を表1に示す。動的粘弾性測定結果より求めた軟化開始温度は、62±5℃であった。
<Comparative Example 3>
A Nafion (registered trademark) 117 membrane manufactured by DuPont was used as a proton exchange membrane. Table 1 shows the results of the evaluation. The softening start temperature obtained from the dynamic viscoelasticity measurement result was 62 ± 5 ° C.

Figure 2008146976
Figure 2008146976

以上より、本発明の実施例1〜3のプロトン交換膜においては、メタノール透過性が低く、濃度20%以上のメタノールを燃料として運転するダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜として適している。また組み立てた燃料電池の電池抵抗は小さく、電極と良好に接合できていることが分かる。   From the above, the proton exchange membranes of Examples 1 to 3 of the present invention are suitable as proton exchange membranes for direct methanol fuel cells that operate with methanol having a low methanol permeability and a concentration of 20% or more as fuel. It can also be seen that the assembled fuel cell has a low cell resistance and is well bonded to the electrode.

一方、比較例1のプロトン交換膜はプロトン伝導率も高く、かつメタノール透過性は抑制されたプロトン交換膜ではあるが、電池に組み込んで評価すると電池抵抗が著しく高く、電池の電圧は低いものであった。これは軟化開始温度が高いために電極との間で接合が上手くいっていないためであると考えられる。なお、同様の発電を、より低温で低濃度のメタノールを用いて行ったところ、電池性能には特に問題は観察されなかった。メタノール濃度と発電温度の上昇により、電極とプロトン交換膜の界面に問題が発生したものと考えられる。よって、実施例の発明は、よりダイレクトメタノール型燃料電池として過酷な運転条件でも使用できることが分かる。
また、比較例2のプロトン交換膜は、軟化開始温度は適切であり、電池とした時の抵抗値は低く抑えられているものの、面積膨潤率が高く、メタノールを通しやすいために、燃料電池とした際の性能は低いものであった。
また、比較例3のプロトン交換膜は、比較例2と比べても面積膨潤率が高く、メタノール透過が著しく高いために、電池性能は低いものであった。
以上より、本発明のプロトン交換膜は、濃度20質量%以上のメタノール水溶液を燃料として使用するダイレクトメタノール型燃料電池に適したプロトン交換膜であることが分かる。
On the other hand, the proton exchange membrane of Comparative Example 1 is a proton exchange membrane having high proton conductivity and suppressed methanol permeability. However, when incorporated in a battery and evaluated, the battery resistance is remarkably high and the battery voltage is low. there were. This is considered to be because the softening start temperature is high and the bonding with the electrode is not well performed. When similar power generation was performed using methanol at a lower temperature and a lower concentration, no particular problem was observed in battery performance. It is considered that a problem occurred at the interface between the electrode and the proton exchange membrane due to the rise in methanol concentration and power generation temperature. Therefore, it can be seen that the invention of the example can be used as a direct methanol fuel cell even under severe operating conditions.
In addition, the proton exchange membrane of Comparative Example 2 has an appropriate softening start temperature and a low resistance value when used as a battery, but has a high area swelling rate and facilitates the passage of methanol. The performance was low.
In addition, the proton exchange membrane of Comparative Example 3 had a high area swell rate as compared with Comparative Example 2 and the methanol permeation was extremely high, so that the battery performance was low.
From the above, it can be seen that the proton exchange membrane of the present invention is a proton exchange membrane suitable for a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution having a concentration of 20% by mass or more as a fuel.

本発明のプロトン交換膜は、高濃度のメタノール水溶液を燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池用に好適なプロトン交換膜であり、燃料電池の高エネルギー密度化と小型化の実現に寄与することができる。   The proton exchange membrane of the present invention is a proton exchange membrane suitable for a direct methanol fuel cell using a high-concentration methanol aqueous solution as a fuel, and can contribute to realization of high energy density and miniaturization of the fuel cell. .

本発明におけるプロトン交換膜の軟化開始温度を、Tan−δと温度との関係図からを求めた測定例である。It is the measurement example which calculated | required the softening start temperature of the proton exchange membrane in this invention from the relationship figure of Tan-delta and temperature.

Claims (4)

20質量%以上の濃度のメタノール水溶液を燃料として使用するダイレクトメタノール型燃料電池用の芳香族炭化水素系ポリマーを含むプロトン交換膜であって、芳香族炭化水素系ポリマーが80〜180℃範囲の軟化開始温度を有し、かつ下記(式1)で表される繰り返し単位を有するポリマーであり、プロトン交換膜の40℃、30質量%のメタノール水溶液に対する面積膨潤率が0.5〜30%の範囲にあることを特徴とする高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜。
Figure 2008146976
[式中、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、Z1はO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−(CH)q−基、シクロヘキシル基のいずれかを表し、q、n1は1以上の整数を表す。但しn1が2以上の場合、ZはO原子を表す。]
A proton exchange membrane containing an aromatic hydrocarbon polymer for a direct methanol fuel cell using an aqueous methanol solution having a concentration of 20% by mass or more as a fuel, wherein the aromatic hydrocarbon polymer is softened in the range of 80 to 180 ° C A polymer having a starting temperature and having a repeating unit represented by the following (formula 1), and having an area swelling ratio of 0.5 to 30% with respect to a proton exchange membrane at 40 ° C. and a 30% by mass methanol aqueous solution A proton exchange membrane for high-concentration direct methanol fuel cells, characterized in that
Figure 2008146976
[Wherein X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, Z 1 represents either an O or S atom, Z 2 represents any one of an O atom, an S atom, a —C (CH 3 ) 2 — group, a —C (CF 3 ) 2 — group, a — (CH 2 ) q— group, and a cyclohexyl group, and q and n1 are Represents an integer of 1 or more. Provided that when n1 is 2 or more, Z 2 represents O atom. ]
下記(式2)で表される繰り返し単位を芳香族炭化水素系ポリマー中にさらに有する請求項1に記載の高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜。
Figure 2008146976
[式中、ZはO又はS原子のいずれかを、Zは、O原子、S原子、−C(CH−基、−C(CF−基、−(CH)q−基、シクロヘキシル基のいずれかを表し、q、n1は1以上の整数を表す。但しn2が2以上の場合、ZはO原子を表す。]
The proton exchange membrane for high-concentration direct methanol fuel cells according to claim 1, further comprising a repeating unit represented by the following (formula 2) in an aromatic hydrocarbon polymer.
Figure 2008146976
[Wherein Z 3 represents either O or S atom, Z 4 represents O atom, S atom, —C (CH 3 ) 2 — group, —C (CF 3 ) 2 — group, — (CH 2 ) Represents either a q-group or a cyclohexyl group, and q and n1 represent an integer of 1 or more. However, when n2 is 2 or more, Z 4 represents an O atom. ]
下記(式3)で表される繰り返し単位を、芳香族炭化水素系ポリマー中にさらに有する請求項2に記載の高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜。
Figure 2008146976
[式中、Xは−S(=O)−基又は−C(=O)−基を、YはH又は1価の陽イオンを、ZはO又はS原子のいずれかを表す。]
The proton exchange membrane for high-concentration direct methanol fuel cells according to claim 2, further comprising a repeating unit represented by the following (formula 3) in the aromatic hydrocarbon polymer.
Figure 2008146976
[Wherein, X represents a —S (═O) 2 — group or —C (═O) — group, Y represents H or a monovalent cation, and Z 5 represents either an O or S atom. ]
請求項1〜3のいずれかの高濃度ダイレクトメタノール型燃料電池用プロトン交換膜を用いた燃料電池。   A fuel cell using the proton exchange membrane for a high concentration direct methanol fuel cell according to claim 1.
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