JP2009016344A - Compound proton conductor, proton-conductive electrolyte membrane, and fuel cell - Google Patents

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雄一 相原
Shigetoshi Kawada
成利 川田
Yasuhiro Aoki
康浩 青木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a compound proton conductor having stably high proton conductivity even under the condition of high temperature without humidification; a proton-conductive electrolyte membrane excellent in mechanical strength using this proton conductor; and a low-cost fuel cell excellent in power generating characteristics. <P>SOLUTION: This invention provides a fuel cell comprising: a compound proton conductor including an organic salt composed of an organic cation and oxo acid anion having at least one or more of hydrogen atoms, and a polymer electrolyte with an acid functional group; a proton conductive electrolyte membrane including this proton conductor; and a membrane electrode assembly using the proton-conductive electrolyte membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、複合プロトン伝導体、プロトン伝導性電解質膜、及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a composite proton conductor, a proton conductive electrolyte membrane, and a fuel cell.

電気化学デバイスに応用可能であり、特に、次世代のクリーンエネルギーとして注目されている燃料電池においては、近年、100℃以上の高温における運転が可能となるような無加湿または低加湿下でプロトンが伝導可能な電解質膜の開発が活発に行われている。このように、水に依存しない高温下でプロトン伝導が可能な電解質膜が提供されれば、燃料電池システムの簡略化が図られることから、家庭用コジェネレーション用途または自動車用用途として普及することが期待できる。   In fuel cells that can be applied to electrochemical devices, and that are attracting attention as a next-generation clean energy, in recent years, protons can be generated under no or low humidification that enables operation at a high temperature of 100 ° C. or higher. Conductive electrolyte membranes are being actively developed. Thus, if an electrolyte membrane capable of proton conduction at a high temperature that does not depend on water is provided, the fuel cell system can be simplified, so that it can be widely used as a household cogeneration application or an automobile application. I can expect.

このような家庭用コジェネレーション用途または自動車用用途に好適なものとして、固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)があるが、PEFCは、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜が触媒とガス拡散層等で構成される燃料極と酸素極によって挟まれた構造の膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を有しており、燃料極に水素ガスを、酸素極に空気または酸素を供給することによって次式の電気化学反応が生じ、起電力を得る仕組みである。
(燃料極)H → 2H + 2e
(酸素極)2H + 1/2O + 2e → H
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is suitable as a household cogeneration application or an automobile application. PEFC is a polymer electrolyte membrane having proton conductivity as a catalyst. And a membrane electrode assembly (MEA) having a structure sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a gas diffusion layer and the like, and hydrogen gas for the fuel electrode and air or oxygen for the oxygen electrode Is a mechanism in which an electrochemical reaction of the following formula occurs to obtain an electromotive force.
(Fuel electrode) H 2 → 2H + + 2e
(Oxygen electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O

上述したプロトン伝導性を有する高分子電解質膜については、米国デュポン社製ナフィオン(登録商標)や、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等が従来から知られている。これらの高分子電解質のプロトン伝導は、スルホン酸周囲の水分子が伝導に介在しているため、加湿等によって一定の湿潤状態で燃料電池に応用されるのが一般的である。そのため、運転温度は一般的に80℃以下とされ、この制限によって、触媒の一酸化炭素被毒などの問題が生じるため、選択的一酸化炭素除去が必要となり、燃料電池システムは、より複雑かつ高コストとならざるを得ない状況である。   As for the above-described polymer electrolyte membrane having proton conductivity, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, sulfonated polyetheretherketone, and the like are conventionally known. The proton conduction of these polymer electrolytes is generally applied to fuel cells in a certain wet state by humidification or the like because water molecules around the sulfonic acid are involved in conduction. Therefore, the operating temperature is generally set to 80 ° C. or less, and this limitation causes problems such as catalyst carbon monoxide poisoning. Therefore, selective carbon monoxide removal is necessary, and the fuel cell system is more complicated and The situation is inevitably high.

このような問題に鑑み、100℃以上で駆動するPEFCに関する様々な提案がなされている。一般に、100℃以上での発電においては触媒活性が向上することから、一酸化炭素による被毒の程度が軽減される可能性が示唆され、ひいては燃料電池寿命が向上するとされている。しかし、150℃程度といった中温域における運転においては水分子が安定に存在できないことから、リン酸をドープしたポリベンズイミダゾールを中心とした、水媒体に依存しない電解質系を用いた燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。このような燃料電池では、150℃程度といった中温域でも発電が可能とされている。   In view of such problems, various proposals have been made regarding PEFCs driven at 100 ° C. or higher. In general, the catalytic activity is improved in power generation at 100 ° C. or higher, which suggests that the degree of poisoning by carbon monoxide may be reduced, and as a result, the fuel cell life is improved. However, since water molecules cannot exist stably in operation in the middle temperature range of about 150 ° C., a fuel cell using an electrolyte system that does not depend on an aqueous medium, centering on polybenzimidazole doped with phosphoric acid, has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1). In such a fuel cell, power generation is possible even in an intermediate temperature range of about 150 ° C.

また、特許文献1に記載の技術の他に、プロトン移動媒体として常温溶融塩を用いた燃料電池が考案されている。このような燃料電池としては、例えば、一般的な常温溶融塩をプロトンの移動媒体とする発明(例えば、特許文献2を参照)を中心に、常温溶融塩は液体であることから、この常温溶融塩を固定化する方法として、ポリアリレンとの組み合わせ(例えば、特許文献3を参照)や、ポリベンズイミダゾール類等との組み合わせ(例えば、特許文献4を参照)、Zwitter ion型溶融塩および酸との組合せ(例えば、特許文献5及び特許文献6を参照)等が検討されている。   In addition to the technique described in Patent Document 1, a fuel cell using a room temperature molten salt as a proton transfer medium has been devised. As such a fuel cell, for example, a normal temperature molten salt is a liquid mainly around an invention using a normal temperature molten salt as a proton transfer medium (see, for example, Patent Document 2). As a method for immobilizing a salt, a combination with polyarylene (for example, see Patent Document 3), a combination with polybenzimidazoles or the like (for example, see Patent Document 4), a Zwitterion type molten salt and an acid Combinations (for example, see Patent Document 5 and Patent Document 6) and the like are being studied.

米国特許第5525436号明細書US Pat. No. 5,525,436 国際公開パンフレット第03/083981号明細書International Publication No. 03/083981 Specification 特開2006−32213号公報JP 2006-32213 A 特開2005−166598号公報JP 2005-166598 A 特開2005−228588号公報JP 2005-228588 A 特開2004−38683号公報JP 2004-38683 A R.Savinellら著、J.Electrochem.Soc.141,(1994) L46R. Savinell et al. Electrochem. Soc. 141, (1994) L46 J.Sunら著、Electrochemica Acta,46,(2001) 1703−1708J. et al. Sun et al., Electrochema Acta, 46, (2001) 1703-1708. Z.Zhouら著、J.Am.Chem.Soc.127,(2005) 10825Z. Zhou et al. Am. Chem. Soc. 127, (2005) 10825 M.Yoshizawa−Fujitaら著、Electrochem.Comm.9 (2007) 1202−1205M.M. Yoshizawa-Fujita et al., Electrochem. Comm. 9 (2007) 1202-1205 B.S.Laliaら著 Chem.Phys. Lett.,425 (2006) 294−300B. S. Lalia et al. Chem. Phys. Lett. , 425 (2006) 294-300

しかしながら、これまで考案されている常温溶融塩を用いた発電に関する特性確認における分極特性はきわめて低い、という問題があった。ここで、特許文献2では、分極曲線は示されているものの、継続的に発電したデータが示されておらず、特許文献3では、発電可能な根拠となるデータは示されていない。また、特許文献5、6には、電気化学測定結果として、継続的な通電試験の結果が記載されているものの、その特性は極めて低い。   However, there has been a problem that the polarization characteristics have been extremely low in the confirmation of characteristics relating to power generation using room temperature molten salts devised so far. Here, although Patent Document 2 shows a polarization curve, it does not show data generated continuously, and Patent Document 3 does not show data that is the basis for power generation. Further, Patent Documents 5 and 6 describe the results of continuous energization tests as electrochemical measurement results, but their characteristics are extremely low.

一方、従来のNafion(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸型高分子電解質に、リン酸をドープした技術(例えば、非特許文献1を参照)、一般的な常温溶融塩をドープした電解質(例えば、非特許文献2を参照)、または、スルホン化ポリスルホンにトリアゾールをドープした強酸−弱塩基の組合せ(例えば、非特許文献3を参照)に関してもプロトン移動の有無を確認はしているものの、発電特性に関しては十分に触れられておらず、その技術の燃料電池への実用化においては十分な検証が行われていないのが実情である。   On the other hand, a technology in which a conventional perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte represented by Nafion (registered trademark) is doped with phosphoric acid (see, for example, Non-Patent Document 1), an electrolyte doped with a normal room temperature molten salt (For example, see Non-Patent Document 2), or a strong acid-weak base combination (for example, see Non-Patent Document 3) in which triazole is doped into sulfonated polysulfone (see Non-Patent Document 3, for example). However, the power generation characteristics are not fully mentioned, and the actual situation is that sufficient verification has not been performed in the practical application of the technology to fuel cells.

すなわち、非特許文献1における検討に見られるように、リン酸などの酸性のプロトン媒体を用いた場合においては、上述したリン酸をドープしたポリベンズイミダゾールに見られるように、発電に必要なプロトンの移動は比較的容易に達成できることから、発電も可能と考えられる。しかし、酸をドープすることは、金属セパレータの腐食等の問題が生じるため、金属セパレータ等の利用が困難となる場合があり、燃料電池の実用化において重要であるコスト削減に制限が生じる、という問題がある。   That is, as can be seen in Non-Patent Document 1, in the case where an acidic proton medium such as phosphoric acid is used, the protons necessary for power generation are found as in the above-described polybenzimidazole doped with phosphoric acid. Since it can be achieved relatively easily, power generation is also possible. However, doping with an acid causes problems such as corrosion of the metal separator, which may make it difficult to use the metal separator and the like, and there is a limit to cost reduction that is important in the practical use of fuel cells. There's a problem.

一方、特許文献2や特許文献5、6等におけるように、常温溶融塩として酸塩基の中和塩を用いてはいるが、酸塩基のバランスがとれておらず、完全に中和されていない、すなわち、pHが中性でないイオン性液体を用いた場合においても、同様に、金属セパレータの腐食等の問題は生じると考えられる。   On the other hand, as in Patent Document 2 and Patent Documents 5 and 6, etc., neutralized salts of acid bases are used as room temperature molten salts, but the acid bases are not balanced and are not completely neutralized. That is, even when an ionic liquid having a non-neutral pH is used, similarly, problems such as corrosion of the metal separator are considered to occur.

また、いずれの常温溶融塩または常温溶融塩と高分子電解質との組合せにおいても、見かけの伝導特性と発電に関する分極特性があまりにもかけ離れている。従って、発電の際の電気化学反応に使用されるプロトンの伝導が不十分なものと考えざるを得ない。   In any room temperature molten salt or a combination of a room temperature molten salt and a polymer electrolyte, the apparent conduction characteristics and the polarization characteristics related to power generation are too far apart. Therefore, it must be considered that the conduction of protons used in the electrochemical reaction during power generation is insufficient.

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、高温・無加湿の条件下においても安定して高いプロトン伝導性を有する複合プロトン伝導体、このプロトン伝導体を利用した機械的強度に優れるプロトン伝導性電解質膜、及び、上記複合プロトン伝導体を利用した安価かつ発電特性に優れる燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of such problems, and is a composite proton conductor having high proton conductivity stably even under conditions of high temperature and no humidification, and a mechanical device using this proton conductor. An object of the present invention is to provide a proton conductive electrolyte membrane having excellent strength, and a fuel cell using the above composite proton conductor and inexpensive and excellent in power generation characteristics.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、先に挙げた各特許文献で検討されているような一般的な常温溶融塩ではなく、水素分子を有するオキソ酸(XO(OH) (X=P,S,Nのいずれか))をアニオンとする中性の有機塩を用いることにより、高温においても高いプロトン伝導性を示すということを見出した。また、本発明者らは、この有機塩をパーフルオロスルホン酸型の高分子等の酸性官能基を有する高分子電解質と組み合わせた場合に、高温・無加湿(低加湿の場合も含む、以下同様)の条件下においても、高分子電解質の変質がなく、有機塩が高分子電解質のプロトン伝導を補助することにより、全体として高いプロトン伝導性を発現できることを見出した。さらに、本発明者らは、このような有機塩と酸性官能基を有する高分子電解質との組み合わせを利用した燃料電池は、従来の燃料電池と比べ、著しく優れた発電特性(特に、分極特性)を有するということも見出した。このような知見に基づいて、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research in order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that an oxo acid having a hydrogen molecule (not a general room temperature molten salt as discussed in each of the aforementioned patent documents) It has been found that by using a neutral organic salt having XO m (OH) n (X = P, S, or N)) as an anion, high proton conductivity is exhibited even at a high temperature. In addition, when the present inventors combined this organic salt with a polymer electrolyte having an acidic functional group such as a perfluorosulfonic acid type polymer, high temperature and no humidification (including the case of low humidification, the same applies hereinafter) It has been found that even under the conditions of (2), the polymer electrolyte is not altered, and the organic salt can exhibit high proton conductivity as a whole by assisting proton conduction of the polymer electrolyte. Furthermore, the present inventors have found that a fuel cell using such a combination of an organic salt and a polymer electrolyte having an acidic functional group has remarkably superior power generation characteristics (particularly polarization characteristics) as compared with conventional fuel cells. I also found out that Based on such knowledge, the present invention has been completed.

すなわち、本発明のある観点によれば、有機化合物カチオン及び少なくとも1つ以上の水素原子を有する下記式(1)で表されるオキソ酸アニオンからなる有機塩と、酸性官能基を有する高分子電解質と、を含む複合プロトン伝導体が提供される。   That is, according to one aspect of the present invention, an organic salt comprising an organic compound cation and an oxo acid anion represented by the following formula (1) having at least one hydrogen atom, and a polymer electrolyte having an acidic functional group And a composite proton conductor comprising:

XO(OH) ・・・(1)
(式(1)において、Xは、P、S又はNであり、m、nは1以上である。)
XO m (OH) n (1)
(In Formula (1), X is P, S or N, and m and n are 1 or more.)

上記複合プロトン伝導体において、高温・無加湿下における高いプロトン伝導性を有するという観点から、上記有機化合物カチオンは、イミダゾリウムカチオンであることが好ましく、特に、1,3−置換イミダゾリウムカチオン、更には、例えば、下記一般式(2)で表されるイミダゾリウムカチオンであることが好ましい。   In the composite proton conductor, the organic compound cation is preferably an imidazolium cation from the viewpoint of high proton conductivity under high temperature and no humidification, and in particular, a 1,3-substituted imidazolium cation, Is, for example, preferably an imidazolium cation represented by the following general formula (2).

Figure 2009016344
(一般式(2)において、Rは、炭素数1〜6のアルキル基、Rは、炭素数1〜30のアルキル基である。)
Figure 2009016344
(In General Formula (2), R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and R 2 is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms.)

また、同様の観点から、上記オキソ酸アニオンは、リン酸二水素アニオン(HPO )または硫酸一水素アニオン(HSO )であることが好ましい。 From the same viewpoint, the oxo acid anion is preferably a dihydrogen phosphate anion (H 2 PO 4 ) or a monohydrogen sulfate anion (HSO 4 ).

さらに、同様の観点から、上記有機塩は、上記複合プロトン伝導体を含むプロトン伝導性電解質膜を備える燃料電池の高温の作動温度(例えば、150℃〜200℃程度)以下の融点を有することが好ましく、融点が130℃以下であることがより好ましい。   Further, from the same viewpoint, the organic salt may have a melting point not higher than a high operating temperature (for example, about 150 ° C. to 200 ° C.) of a fuel cell including a proton conductive electrolyte membrane containing the composite proton conductor. Preferably, the melting point is 130 ° C. or lower.

上記高分子電解質としては、フッ素化高分子電解質を使用できる。このようなフッ素化高分子電解質としては、酸性官能基としてスルホン酸基を有するものが好ましく、例えば、パーフルオロスルホン酸型高分子電解質(市販品としては、Dupont社製のNafion(登録商標)等がある)などがある。   A fluorinated polymer electrolyte can be used as the polymer electrolyte. As such a fluorinated polymer electrolyte, those having a sulfonic acid group as an acidic functional group are preferable. For example, perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by Dupont) There is).

本発明の他の観点によれば、上述した複合プロトン伝導体を含むプロトン伝導性電解質膜が提供される。本発明のプロトン伝導性電解質膜は、高温・無加湿下における高いプロトン伝導性を有するとともに、高温における変質等がなく、機械的物性に優れる。   According to another aspect of the present invention, there is provided a proton conducting electrolyte membrane including the composite proton conductor described above. The proton conductive electrolyte membrane of the present invention has high proton conductivity at high temperatures and no humidification, and is excellent in mechanical properties without being altered at high temperatures.

ここで、上記プロトン伝導性電解質膜は、無機固体酸化物をさらに含んでいてもよい。   Here, the proton conductive electrolyte membrane may further contain an inorganic solid oxide.

このとき、上記無機固体酸化物としては、例えば、ジルコニア(ZrO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、チタニア(TiO)、ベリリア(BeO)、マグネシア(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ジルコン(ZrO・SiO)及びムライト(3Al・2SiO)からなる群より選択される少なくとも1種の酸化物を使用することができる。 At this time, examples of the inorganic solid oxide include zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), beryllia (BeO), magnesia (MgO), and oxidation. zinc (ZnO 2), barium titanate (BaTiO 3), lead zirconate the use of at least one oxide selected from the group consisting of (ZrO 2 · SiO 2) and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) Can do.

本発明のさらに他の観点によれば、上述したプロトン伝導性電解質膜を用いた膜電極接合体を備える燃料電池が提供される。本発明の燃料電池は、高温・無加湿下における高いプロトン伝導性を有する電解質膜を利用することにより、従来の燃料電池と比べ、著しく優れた発電特性(特に、分極特性)を有する。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell including a membrane electrode assembly using the proton conductive electrolyte membrane described above. The fuel cell of the present invention has remarkably superior power generation characteristics (particularly polarization characteristics) as compared with conventional fuel cells by using an electrolyte membrane having high proton conductivity under high temperature and no humidification.

本発明によれば、アニオンとして少なくとも1つ以上の水素原子を有するオキソ酸を有する有機塩を、酸性官能基を有する高分子電解質と組み合わせて使用することにより、高温・無加湿の条件下においても安定して高いプロトン伝導性を有する複合プロトン伝導体、このプロトン伝導体を利用した機械的強度に優れるプロトン伝導性電解質膜、及び、上記複合プロトン伝導体を利用した安価かつ発電特性に優れる燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, an organic salt having an oxo acid having at least one hydrogen atom as an anion is used in combination with a polymer electrolyte having an acidic functional group. Composite proton conductor having stable and high proton conductivity, proton conductive electrolyte membrane having excellent mechanical strength using the proton conductor, and fuel cell having excellent power generation characteristics using the composite proton conductor Can be provided.

以下に、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

[複合プロトン伝導体の構造及び物性]
まず、本発明の複合プロトン伝導体について説明する。上述したように、本発明の複合プロトン伝導体は、有機化合物カチオン及び下記式(1)で表されるオキソ酸アニオンからなる有機塩と、酸性官能基を有する高分子電解質と、を含む。
[Structure and physical properties of composite proton conductor]
First, the composite proton conductor of the present invention will be described. As described above, the composite proton conductor of the present invention includes an organic salt composed of an organic compound cation and an oxo acid anion represented by the following formula (1), and a polymer electrolyte having an acidic functional group.

XO(OH) ・・・(1) XO m (OH) n (1)

上記式(1)において、XはP、S又はNであり、m、nは1以上である。   In the above formula (1), X is P, S or N, and m and n are 1 or more.

本発明における有機塩を構成する有機化合物カチオンとしては、通常、ヘテロ環式化合物のカチオン類、特には1〜5個のヘテロ原子を含む3〜6員環のヘテロ環式化合物のカチオン類、殊にはヘテロ原子として1〜5個の窒素原子を含む3〜6員環化合物のカチオン類などが挙げられ、中でもイミダゾリウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン等が好ましい。また、鎖状の第四級アンモニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオン等も用いることができる。   The organic compound cation constituting the organic salt in the present invention is usually a cation of a heterocyclic compound, particularly a cation of a 3-6 membered heterocyclic compound containing 1 to 5 heteroatoms, particularly Includes cations of 3 to 6-membered ring compounds containing 1 to 5 nitrogen atoms as heteroatoms, among which imidazolium cation, pyrrolidinium cation, piperidinium cation, pyridinium cation and the like are preferable. Moreover, a chain | strand-shaped quaternary ammonium cation, a quaternary phosphonium cation, etc. can also be used.

上記カチオンの中でもイミダゾリウムカチオンが好ましく、特には1,3−置換イミダゾリウムカチオン、更には下記一般式(2)で表されるイミダゾリウムカチオンであることが好ましい。   Among the above cations, an imidazolium cation is preferable, and a 1,3-substituted imidazolium cation is particularly preferable, and an imidazolium cation represented by the following general formula (2) is preferable.

Figure 2009016344
Figure 2009016344

上記一般式(2)において、Rは、炭素数1〜6のアルキル基、Rは、炭素数1〜30のアルキル基である。Rは、より好ましくは炭素数1〜25、さらに好ましくは炭素数1〜20、最も好ましくは炭素数1〜16のアルキル基である。 In the general formula (2), R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and R 2 is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms. R 2 is more preferably an alkyl group having 1 to 25 carbon atoms, more preferably 1 to 20 carbon atoms, and most preferably 1 to 16 carbon atoms.

上記一般式(2)で表されるイミダゾリウムカチオンとしては、例えば、1,3−ジメチルイミダゾリウムカチオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウムカチオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムカチオン、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−ヘプチル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムカチオン、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムカチオン、1−エチル−3−プロピルイミダゾリウムカチオン、1−ブチル−3−エチルイミダゾリウムカチオン等があげられる。   Examples of the imidazolium cation represented by the general formula (2) include 1,3-dimethylimidazolium cation, 1-ethyl-3-methylimidazolium cation, 1-methyl-3-propylimidazolium cation, 1 -Butyl-3-methylimidazolium cation, 1-methyl-3-pentylimidazolium cation, 1-hexyl-3-methylimidazolium cation, 1-heptyl-3-methylimidazolium cation, 1-methyl-3-octyl Examples include imidazolium cation, 1-decyl-3-methylimidazolium cation, 1-dodecyl-3-methylimidazolium cation, 1-ethyl-3-propylimidazolium cation, 1-butyl-3-ethylimidazolium cation, and the like. It is done.

有機塩を形成するイミダゾリウムカチオンとして、一般式(2)のような構造の化合物を用いることにより、この有機塩と上記オキソ酸アニオンとからなる有機塩と酸性官能基を有する高分子電解質とを組み合わせた複合プロトン伝導体は、高温・無加湿下における高いプロトン伝導性を有することができる。   By using a compound having a structure as represented by the general formula (2) as an imidazolium cation forming an organic salt, an organic salt composed of the organic salt and the oxo acid anion and a polymer electrolyte having an acidic functional group are obtained. The combined composite proton conductor can have high proton conductivity under high temperature and no humidification.

本発明におけるオキソ酸アニオンとしては、上記式(1)で表される化合物を用い、少なくとも1つ以上の水素原子を有することが必要である。このようオキソ酸アニオンと有機化合物カチオンとがイオン結合した中性の有機塩を用いることにより、この有機塩を高温・無加湿の条件下において、水媒体兼プロトン供与体として用いることができる。すなわち、プロトンの交換可能なサイトを運動性の高いオキソ酸アニオンを用いることで、高いプロトン伝導性を実現することができる。   As the oxoacid anion in the present invention, it is necessary to use a compound represented by the above formula (1) and to have at least one hydrogen atom. By using a neutral organic salt in which an oxo acid anion and an organic compound cation are ion-bonded as described above, the organic salt can be used as an aqueous medium and a proton donor under conditions of high temperature and no humidification. That is, high proton conductivity can be realized by using an oxo acid anion having high mobility at a site where protons can be exchanged.

また、本発明のオキソ酸アニオンを有する有機塩を酸性官能基を有する高分子(特に、パーフルオロスルホン酸型高分子)に相溶して得られる高分子電解質を用いて燃料電池を作製することにより、高温においても無加湿で発電が可能となる。具体的には、後述する実施例で述べるように、従来のイオン性液体をパーフルオロスルホン酸型高分子とともに用いた燃料電池よりも約10倍以上の電流密度まで出力があげることが可能である。   Also, a fuel cell is produced using a polymer electrolyte obtained by compatibilizing an organic salt having an oxoacid anion of the present invention with a polymer having an acidic functional group (particularly perfluorosulfonic acid type polymer). This makes it possible to generate power without humidification even at high temperatures. Specifically, as described in Examples below, the output can be increased to a current density about 10 times or more that of a fuel cell using a conventional ionic liquid together with a perfluorosulfonic acid type polymer. .

また、このように、高温においても水を介したプロトン伝導を必要とせず、無加湿(無水)下でも安定してプロトンを伝導することができる高分子電解質が得られるため、金属セパレータや遷移金属触媒を利用した場合の腐食等の問題も生じない。従って、本発明によれば、金属セパレータや遷移金属触媒の利用を目的とした、安価かつ安定な燃料電池の提供が可能となる。   In addition, in this way, a polymer electrolyte that can conduct protons stably even without high humidity (anhydrous) without requiring proton conduction through water even at high temperatures can be obtained. There are no problems such as corrosion when using a catalyst. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an inexpensive and stable fuel cell for the purpose of using a metal separator or a transition metal catalyst.

以上説明したようなオキソ酸アニオンの使用目的に鑑みると、本発明におけるオキソ酸アニオンとしては、リン酸二水素アニオン(HPO )を使用することが好ましい。 In view of the purpose of use of the oxo acid anion as described above, it is preferable to use a dihydrogen phosphate anion (H 2 PO 4 ) as the oxo acid anion in the present invention.

本発明における有機塩は、常温では固体で、加熱して高温(例えば、100℃以上)になると融解して液体化するものであり、例えば、イミダゾリウムカチオンとして上記一般式(2)の化合物を使用した場合には、下記一般式(3)で表される構造となる。   The organic salt in the present invention is solid at normal temperature and melts and becomes liquid when heated to a high temperature (for example, 100 ° C. or higher). For example, the compound of the above general formula (2) is used as an imidazolium cation. When used, the structure is represented by the following general formula (3).

Figure 2009016344
Figure 2009016344

上記一般式(3)において、Rは、炭素数1〜6のアルキル基、Rは、炭素数1〜30のアルキル基であり、XはP、S又はNであり、m、nは1以上である。Rは、より好ましくは炭素数1〜25、さらに好ましくは炭素数1〜20、最も好ましくは炭素数1〜16のアルキル基である。 In the general formula (3), R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, X is P, S or N, and m and n are 1 or more. R 2 is more preferably an alkyl group having 1 to 25 carbon atoms, more preferably 1 to 20 carbon atoms, and most preferably 1 to 16 carbon atoms.

本発明における有機塩としては、上記複合プロトン伝導体を含むプロトン伝導性電解質膜を備える燃料電池の高温の作動温度(例えば、150℃〜200℃程度)以下の融点を有することが好ましく、その融点が130℃以下のものを使用することがより好ましい。このような有機塩としては、例えば、カチオンとして1−メチル−3−ヘキシルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(HMIP)を用い、アニオンとしてリン酸二水素アニオンを用いたものがある。   The organic salt in the present invention preferably has a melting point not higher than a high operating temperature (for example, about 150 ° C. to 200 ° C.) of a fuel cell provided with a proton conducting electrolyte membrane containing the composite proton conductor. It is more preferable to use one having a temperature of 130 ° C. or lower. Examples of such an organic salt include those using 1-methyl-3-hexylimidazolium dihydrogen phosphate (HMIP) as a cation and dihydrogen phosphate anion as an anion.

融点が130℃以下の有機塩を用いることにより、中温域(200℃〜100℃)における電解質中の有機塩の相溶状態が、融点を有しない有機塩とは異なり、高い分子運動を有すると考えられる。ひいては、該中温域における高いプロトン伝導が発現可能となる効果を奏する。また、本発明によれば、130℃以下の融点を有する有機塩が高分子電解質に相溶した状態であれば、複合プロトン伝導体に相溶する有機塩の融点以下となる作動温度においても伝導の変曲点は明確に出現しない。即ち、相溶状態にある場合においては、その融点が純物質の融点よりも低温にシフトすることは、一般的に融点降下等で知られている通りであり、前記融点以下の作動温度範囲においても、高い分子運動性を発現することが可能である。つまり、融点以下である100℃においてもその機能を十分に発現することが可能となる。   By using an organic salt having a melting point of 130 ° C. or lower, the organic salt in the electrolyte in the intermediate temperature range (200 ° C. to 100 ° C.) has a high molecular motion, unlike an organic salt having no melting point. Conceivable. As a result, the high proton conduction in the intermediate temperature range can be exhibited. Further, according to the present invention, if an organic salt having a melting point of 130 ° C. or lower is in a state compatible with the polymer electrolyte, it can be conducted even at an operating temperature that is lower than the melting point of the organic salt compatible with the composite proton conductor. The inflection point of does not appear clearly. That is, in the case of a compatible state, the melting point is shifted to a lower temperature than the melting point of the pure substance, as is generally known from a melting point drop or the like, and in the operating temperature range below the melting point. It is also possible to express high molecular mobility. That is, the function can be sufficiently exhibited even at 100 ° C. which is lower than the melting point.

ここで、有機塩の融点は、例えば、示差走査熱量測定(DSC:Differential Scanning Calorimetry)や、示差熱分析(DTA:Differential Thermal Analysis)等を用いることにより測定することができる。   Here, the melting point of the organic salt can be measured, for example, by using differential scanning calorimetry (DSC), differential thermal analysis (DTA), or the like.

また、一般に、有機塩の融点は、イミダゾリウムカチオンにおいては、アルキル鎖長が長くなるにつれて、融点が低下し、融解して液状化することが知られている。また、アルキル鎖長が長くなるに伴い、液状化した場合には、その粘性も低下することが知られている(例えば、Journal of Electrochemical Society,150 (12) D195−D199 (2003)等を参照)。   In general, it is known that the melting point of an organic salt in an imidazolium cation decreases as the alkyl chain length increases and melts and liquefies. In addition, it is known that when liquefied as the alkyl chain length becomes longer, the viscosity thereof also decreases (see, for example, Journal of Electrochemical Society, 150 (12) D195-D199 (2003)). ).

なお、本発明における有機塩としては、例えば、1,3−ジメチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(DMIP)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(BMIP)、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(HMIP)、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(MOIP)、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C12MIP)、1−ヘキサデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C16MIP)、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムハイドロジェンサルフェート(C12MIS)等がある。   Examples of the organic salt in the present invention include 1,3-dimethylimidazolium dihydrogen phosphate (DMIP), 1-butyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (BMIP), 1-hexyl- 3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (HMIP), 1-methyl-3-octylimidazolium dihydrogen phosphate (MOIP), 1-dodecyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (C12MIP), Examples include 1-hexadecyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (C16MIP), 1-dodecyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate (C12MIS), and the like.

本発明における高分子電解質としては、フッ素化高分子電解質を使用できる。このようなフッ素化高分子電解質としては、酸性官能基としてスルホン酸基を有するものが好ましく、例えば、パーフルオロスルホン酸型高分子電解質(市販品としては、Dupont社製のNafion(登録商標)等がある)などがある。   As the polymer electrolyte in the present invention, a fluorinated polymer electrolyte can be used. As such a fluorinated polymer electrolyte, those having a sulfonic acid group as an acidic functional group are preferable. For example, perfluorosulfonic acid type polymer electrolyte (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by Dupont) There is).

ここで、従来のスルホン酸基を有する高分子電解質は、高温になると吸着水が脱離し、スルホン酸が分解するという問題があった。本発明においては、高分子電解質中のスルホン酸基に、上述した有機塩が強く配位していること、また、有機塩は蒸気圧を有さないことから、本発明の高分子電解質は、高温(無加湿)で安定であるという長所を有する。このように、本発明の高分子電解質は、高温で安定であることから、高温・無加湿の条件下においても、高いプロトン伝導度を保つことが可能となる。なお、このことは、後述する実施例において、FT−IRスペクトルを用いてさらに具体的に説明する。   Here, the conventional polymer electrolyte having a sulfonic acid group has a problem that adsorbed water is desorbed and the sulfonic acid is decomposed at a high temperature. In the present invention, the organic salt described above is strongly coordinated to the sulfonic acid group in the polymer electrolyte, and the organic salt has no vapor pressure. It has the advantage of being stable at high temperatures (no humidification). Thus, since the polymer electrolyte of the present invention is stable at high temperatures, it is possible to maintain high proton conductivity even under conditions of high temperature and no humidification. This will be described more specifically using an FT-IR spectrum in Examples described later.

[複合プロトン伝導体の製造方法]
上述したような構造及び物性を有する本発明の複合プロトン伝導体は、以下のような方法により製造することができる。
[Production method of composite proton conductor]
The composite proton conductor of the present invention having the structure and physical properties as described above can be produced by the following method.

すなわち、例えば、Nafion(登録商標)等の酸性官能基を有する高分子電解質溶液に、上述したような有機塩(常温で固体)を所定の配合比で混合し、常温にて所定時間(例えば、)マグネチックスターラー等を用いて攪拌した後、真空脱泡を行うことにより、複合プロトン伝導体の混合溶液を調製することができる。   That is, for example, the above-mentioned organic salt (solid at room temperature) is mixed in a polymer electrolyte solution having an acidic functional group such as Nafion (registered trademark) at a predetermined blending ratio, and at a normal temperature for a predetermined time (for example, ) After stirring using a magnetic stirrer or the like, a mixed solution of the composite proton conductor can be prepared by performing vacuum defoaming.

上記製造方法において、酸性官能基を有する高分子電解質と有機塩との配合比は、高分子電解質の酸性官能基に対するモル濃度で、0.2[mol eq.]以上であることが好ましく、1.0mol eq.であることが最も好ましい。上記モル濃度を0.2[mol eq.]以上とすることにより、温度安定性が増し、複合プロトン伝導体のプロトン伝導度が燃料電池に使用しても十分なものとなるため、好ましい。   In the above production method, the compounding ratio of the polymer electrolyte having an acidic functional group and the organic salt is 0.2 [mol eq. ] Or more, preferably 1.0 mol eq. Most preferably. The molar concentration is 0.2 [mol eq. ] By the above, the temperature stability is increased, and the proton conductivity of the composite proton conductor is sufficient even when used in a fuel cell, which is preferable.

また、上記製造方法において、攪拌時間は、1〜24時間であることが好ましい。攪拌時間を上記範囲内とすることにより、均一且つ、ゲル化を防げるという効果を奏する。   Moreover, in the said manufacturing method, it is preferable that stirring time is 1 to 24 hours. By setting the stirring time within the above range, there is an effect that it is uniform and can prevent gelation.

[プロトン伝導性電解質膜の製造方法]
本発明のプロトン伝導性電解質膜は、上述したような複合プロトン伝導体を用いて、公知の方法により製造することができる。
[Production method of proton conductive electrolyte membrane]
The proton conductive electrolyte membrane of the present invention can be produced by a known method using the composite proton conductor as described above.

すなわち、例えば、上述したようにして得た複合プロトン伝導体の混合溶液をガラス基板等の基板上に滴下した後、ギャップを所定距離に設定したドクターブレード等を用いて平滑に引き伸ばし、所定の表面温度(例えば、40℃程度)に設定したホットプレート上で所定時間(例えば、30分程度)放置して溶剤を粗除去する。次に、乾燥した膜を基板ごと、高温(例えば、150℃程度)の恒温槽に所定時間(例えば、30秒程度)投入し、アニールを行うことにより、フィルム状の本発明のプロトン伝導性電解質膜を得ることができる。   That is, for example, after dropping the mixed solution of the composite proton conductor obtained as described above onto a substrate such as a glass substrate, it is smoothly stretched using a doctor blade or the like with a gap set to a predetermined distance, The solvent is roughly removed by leaving it on a hot plate set at a temperature (for example, about 40 ° C.) for a predetermined time (for example, about 30 minutes). Next, the dried membrane together with the substrate is put into a high-temperature (for example, about 150 ° C.) constant temperature bath for a predetermined time (for example, about 30 seconds) and annealed, whereby the proton conductive electrolyte of the present invention in the form of a film is obtained. A membrane can be obtained.

また、本発明のプロトン伝導性電解質膜は、高温では、その構造を形成するNafion(登録商標)の軟化に伴い、プロトン伝導性電解質膜の機械的強度が低下するものと考えられる。しかしながら、無機固体酸化物を複合プロトン伝導体の混合溶液に50質量%以下で混練して製膜することにより、プロトン伝導性電解質膜の機械的強度を向上させることができる。また、本発明で用いる有機塩によっては、作製したプロトン伝導性電解質膜の吸湿性が非常に高く、製膜後、大気中に放置することによって、膜表面に大気中の水分を凝縮することがある。これを防止するために、無機固体酸化物をプロトン伝導性電解質膜中に配することにより、高分子電解質内部のイオンを安定化し、水分の凝縮を防ぐ効果も得ることができる。   In addition, it is considered that the mechanical strength of the proton conductive electrolyte membrane of the proton conductive electrolyte membrane of the present invention decreases at high temperatures as the Nafion (registered trademark) that forms the structure softens. However, the mechanical strength of the proton conductive electrolyte membrane can be improved by kneading the inorganic solid oxide into a mixed solution of the composite proton conductor at 50% by mass or less to form a membrane. In addition, depending on the organic salt used in the present invention, the produced proton conductive electrolyte membrane has a very high hygroscopic property, and it can be condensed in the air on the membrane surface by leaving it in the air after film formation. is there. In order to prevent this, by arranging the inorganic solid oxide in the proton conductive electrolyte membrane, it is possible to stabilize ions in the polymer electrolyte and to prevent moisture condensation.

このような無機固体酸化物としては、例えば、ジルコニア(ZrO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、チタニア(TiO)、ベリリア(BeO)、マグネシア(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ジルコン(ZrO・SiO)及びムライト(3Al・2SiO)からなる群より選択される少なくとも1種の酸化物を使用することができる。 Examples of such inorganic solid oxides include zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), beryllia (BeO), magnesia (MgO), and zinc oxide. (ZnO 2), barium titanate (BaTiO 3), it is used zircon (ZrO 2 · SiO 2) and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) at least one oxide selected from the group consisting of it can.

[燃料電池の製造方法]
本発明の燃料電池は、上述のようにして得たプロトン伝導性電解質膜を用いて、公知の方法により製造することができる。
[Fuel Cell Manufacturing Method]
The fuel cell of the present invention can be produced by a known method using the proton conductive electrolyte membrane obtained as described above.

すなわち、例えば、PEFCの場合には、上述のようにして得たプロトン伝導性電解質膜の両側を電極としての触媒層で挟み、さらにガス拡散層を設け、これらを一体化してMEAを製造する。次に、このMEAの両側を金属セパレータ等のセパレータで挟み、単位セルを構成し、この単位セルを複数並べることにより、燃料電池スタックを製造することができる。   That is, for example, in the case of PEFC, the proton conductive electrolyte membrane obtained as described above is sandwiched between catalyst layers as electrodes, a gas diffusion layer is provided, and these are integrated to produce an MEA. Next, a fuel cell stack can be manufactured by sandwiching both sides of the MEA with a separator such as a metal separator to form a unit cell and arranging a plurality of the unit cells.

[非特許文献4,5に記載された技術との関係]
なお、非特許文献4(M.Yoshizawa−Fujitaら著、Electrochem.Comm.9 (2007) 1202−1205)では、本発明の有機塩に含まれる1−メチル−3−ブチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファートの熱物性とイオン伝導度について検討している。しかし、固体の塩単独で用いる場合においては、薄い隔膜としての機能を必要とする電解質部分には物理的に不適当であり、また、そのイオン伝導度は10−5Scm−2程度でしかないため、燃料電池におけるプロトン伝導体として用いることは実用的ではない。また、プロトン伝導の論拠は示されていないことからも、プロトンの移送を必要とする電解質としての可能性は全く示されていない。
[Relationship with technologies described in Non-Patent Documents 4 and 5]
In Non-Patent Document 4 (M. Yoshizawa-Fujita et al., Electrochem. Comm. 9 (2007) 1202-1205), 1-methyl-3-butylimidazolium dihydrogenphos contained in the organic salt of the present invention. We are studying thermal properties and ionic conductivity of fert. However, in the case of using a solid salt alone, it is physically unsuitable for an electrolyte portion that requires a function as a thin diaphragm, and its ionic conductivity is only about 10 −5 Scm −2. Therefore, it is not practical to use as a proton conductor in a fuel cell. In addition, since the rational for proton conduction is not shown, the possibility as an electrolyte that requires proton transfer is not shown at all.

また、非特許文献5(B.S.Laliaら著 Chem.Phys. Lett.,425 (2006) 294−300)では、本発明における一般式(2)のイミダゾリウムカチオンの2位にメチル基を有する有機塩を合成し、PVdF−HFPとの複合体を作成し、イオン伝導と熱分解温度について検討している。有機リン酸塩は中性の塩であるため、同文献で用いている高分子は、本発明のように高分子がプロトンを与える能力を有していないことから、イオン伝導の主体はイミダゾリウム誘導体カチオンとフォスファートアニオンが主体と推測され、本発明が酸性官能基を有する高分子(例えば、パーフルオロスルホン酸型高分子)であるのとは異なる。また、プロトン伝導の根拠も記載されておらず、発電等、燃料電池に利用できる論拠は示されていない。   In Non-Patent Document 5 (B.S. Lalia et al., Chem. Phys. Lett., 425 (2006) 294-300), a methyl group is located at the 2-position of the imidazolium cation of the general formula (2) in the present invention. An organic salt is synthesized, a complex with PVdF-HFP is prepared, and ion conduction and thermal decomposition temperature are examined. Since the organic phosphate is a neutral salt, the polymer used in this document does not have the ability of the polymer to give protons as in the present invention. A derivative cation and a phosphate anion are presumed to be main components, and the present invention is different from a polymer having an acidic functional group (for example, a perfluorosulfonic acid type polymer). Moreover, the grounds for proton conduction are not described, and no rationale that can be used for fuel cells such as power generation is shown.

以下、実施例を示しながら、本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

[有機塩の合成例] [Synthesis example of organic salt]

(合成例1)
合成例1では、1,3−ジメチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(DMIP)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 1)
In Synthesis Example 1, 1,3-dimethylimidazolium dihydrogen phosphate (DMIP) was synthesized as follows.

オートクレーブに1−メチルイミダゾール82.1g(1.0mol)と脱水メタノール123.2mlと炭酸ジメチルを180.2g(2.0mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、85%リン酸115.3g(1.0mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加えた。反応液をろ過し、得られた結晶を減圧下で乾燥し、1,3−ジメチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート100.4g(0.52 mol、収率51.7%)を得た。構造はプロトンNMR(H−NMR(核磁気共鳴))測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(MeOH−d4,300MHz);δ(ppm); 7.55(s,2H): 3.93(s,6H)
To the autoclave were added 82.1 g (1.0 mol) of 1-methylimidazole, 123.2 ml of dehydrated methanol, and 180.2 g (2.0 mol) of dimethyl carbonate, and the mixture was heated and stirred at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature, and 115.3 g (1.0 mol) of 85% phosphoric acid was added over 1 hour with sufficient stirring. The reaction solution was filtered, and the resulting crystals were dried under reduced pressure to obtain 100.4 g (0.52 mol, yield 51.7%) of 1,3-dimethylimidazolium dihydrogen phosphate. The structure was confirmed by proton NMR ( 1 H-NMR (nuclear magnetic resonance)) measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (MeOH-d4, 300 MHz); δ (ppm); 7.55 (s, 2H): 3.93 (s, 6H)

(合成例2)
合成例2では、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(BMIP)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 2)
In Synthesis Example 2, 1-butyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (BMIP) was synthesized as follows.

還流管つきのフラスコにイミダゾール68.1g(1.0mol)と炭酸カリウム248.8g(1.8mol)とアセトニトリル500mlを加えた後、75℃に加熱し、1−ブロモブタン137.0g(1.0mol)を、2時間ほどかけて加えそのまま10時間加熱攪拌した。その後、反応液を室温まで冷却、ろ過し、得られた濾液を減圧下で蒸留することで、1−ブチルイミダゾール66.3gを得た。   After adding 68.1 g (1.0 mol) of imidazole, 248.8 g (1.8 mol) of potassium carbonate, and 500 ml of acetonitrile to a flask with a reflux tube, the mixture was heated to 75 ° C. and 137.0 g (1.0 mol) of 1-bromobutane. Was added over about 2 hours, and the mixture was stirred with heating for 10 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature and filtered, and the obtained filtrate was distilled under reduced pressure to obtain 66.3 g of 1-butylimidazole.

オートクレーブに1−ブチルイミダゾール37.2g(0.3mol)と脱水メタノール55.8mlと炭酸ジメチルを54.0g(0.6mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、85%リン酸34.6g(0.3mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加え、反応液を減圧下濃縮した。そこで得られた粗結晶に、N,N−ジメチルホルムアミド1000mlを加えて十分攪拌、懸濁させた後、結晶をろ過し、酢酸エチル800mlで洗浄後、減圧下で乾燥し、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート53.4g(0.23mol、収率75.4%)を得た。構造はプロトンNMR測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(MeOH−d4,300MHz);δ(ppm);7.63(s,1H);7.58(s,1H);4.22(t,2H);3.94(s,3H);1.87(5th,2H);1.38(6th,2H);0.98(t,3H)
To the autoclave, 37.2 g (0.3 mol) of 1-butylimidazole, 55.8 ml of dehydrated methanol and 54.0 g (0.6 mol) of dimethyl carbonate were added, followed by heating and stirring at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature, and 34.6 g (0.3 mol) of 85% phosphoric acid was added over 1 hour with sufficient stirring, and the reaction solution was concentrated under reduced pressure. The crude crystals thus obtained were added with 1,000 ml of N, N-dimethylformamide and sufficiently stirred and suspended. The crystals were filtered, washed with 800 ml of ethyl acetate, dried under reduced pressure, and 1-butyl-3 -53.4 g (0.23 mol, yield 75.4%) of methyl imidazolium dihydrogen phosphate was obtained. The structure was confirmed by proton NMR measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (MeOH-d4, 300 MHz); δ (ppm); 7.63 (s, 1H); 7.58 (s, 1H); 4.22 (t, 2H); 3.94 (s, 3H); 1.87 (5th, 2H); 1.38 (6th, 2H); 0.98 (t, 3H)

(合成例3)
合成例3では、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(HMIP)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 3)
In Synthesis Example 3, 1-hexyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (HMIP) was synthesized as follows.

還流管つきのフラスコにイミダゾール68.1g(1.0mol)と炭酸カリウム248.8g(1.8mol)とアセトニトリル500mlを加えた後、75℃に加熱し、1−ブロモヘキサン165.1g(1.0mol)を、2時間ほどかけて加えそのまま10時間加熱攪拌した。その後、反応液を室温まで冷却、ろ過し、得られた濾液を減圧下で蒸留することで、1−ヘキシルイミダゾール75.2gを得た。   After adding 68.1 g (1.0 mol) of imidazole, 248.8 g (1.8 mol) of potassium carbonate, and 500 ml of acetonitrile to a flask equipped with a reflux tube, the mixture was heated to 75 ° C. and 165.1 g (1.0 mol of 1-bromohexane). ) Was added over about 2 hours, and the mixture was stirred with heating for 10 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature and filtered, and the obtained filtrate was distilled under reduced pressure to obtain 75.2 g of 1-hexylimidazole.

オートクレーブに1−ヘキシルイミダゾール45.7g(0.3mol)と脱水メタノール55.8mlと炭酸ジメチルを54.0g(0.6mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、85%リン酸34.6g(0.3mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加え、反応液を減圧下濃縮した。そこで得られた粗結晶に、アセトン500mlを加えて十分攪拌、懸濁させた後、結晶をろ過し、アセトン500mlで洗浄後、減圧下で乾燥し、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート48.8g(0.18mol、収率61.5%)を得た。構造はプロトンNMR測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(MeOH−d4,300MHz);δ(ppm);7.63(s,1H);7.57(s,1H);4.21(t,2H);3.93(s,3H);1.88(5th,2H);1.35(m,6H);0.91(t,3H)
After adding 45.7 g (0.3 mol) of 1-hexylimidazole, 55.8 ml of dehydrated methanol and 54.0 g (0.6 mol) of dimethyl carbonate to the autoclave, the mixture was heated and stirred at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature, and 34.6 g (0.3 mol) of 85% phosphoric acid was added over 1 hour with sufficient stirring, and the reaction solution was concentrated under reduced pressure. After adding 500 ml of acetone to the obtained crude crystals and sufficiently stirring and suspending, the crystals were filtered, washed with 500 ml of acetone, dried under reduced pressure, and 1-hexyl-3-methylimidazolium dihydrochloride. 48.8 g (0.18 mol, yield 61.5%) of gen phosphate was obtained. The structure was confirmed by proton NMR measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (MeOH-d4, 300 MHz); δ (ppm); 7.63 (s, 1H); 7.57 (s, 1H); 4.21 (t, 2H); 3.93 (s, 3H); 1.88 (5th, 2H); 1.35 (m, 6H); 0.91 (t, 3H)

(合成例4)
合成例4では、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(MOIP)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 4)
In Synthesis Example 4, 1-methyl-3-octylimidazolium dihydrogen phosphate (MOIP) was synthesized as follows.

還流管つきのフラスコにイミダゾール68.1g(1.0mol)と炭酸カリウム248.8g(1.8mol)とアセトニトリル500mlを加えた後、75℃に加熱し、1−クロロオクタン148.7g(1.0mol)を、2時間ほどかけて加えそのまま10時間加熱攪拌した。その後、反応液を室温まで冷却、ろ過し、得られた濾液を減圧下で蒸留することで、1−オクチルイミダゾール108gを得た。   After adding 68.1 g (1.0 mol) of imidazole, 248.8 g (1.8 mol) of potassium carbonate, and 500 ml of acetonitrile to a flask equipped with a reflux tube, the mixture was heated to 75 ° C. and 148.7 g (1.0 mol) of 1-chlorooctane. ) Was added over about 2 hours, and the mixture was stirred with heating for 10 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature and filtered, and the obtained filtrate was distilled under reduced pressure to obtain 108 g of 1-octylimidazole.

オートクレーブに1−オクチルイミダゾール57.9g(0.3mol)と脱水メタノール55.8mlと炭酸ジメチルを54.0g(0.6mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、85%リン酸34.6g(0.3mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加え、反応液を減圧下濃縮した。そこで得られた粗結晶に、酢酸エチル500mlを加えて十分攪拌、懸濁させた後、結晶をろ過し、酢酸エチル200mlで洗浄後、減圧下で乾燥し、1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート78g(0.267mol、収率89%)を得た。構造はプロトンNMR測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(DMSO−d6,300MHz);δ(ppm);9.21(s,1H);7.74(d,1H);7.70(d,1H);4.17(t,2H);3.87(s、3H);1.74(5th,2H);1.21(m,10H);0.83(t,3H)
To the autoclave, 57.9 g (0.3 mol) of 1-octylimidazole, 55.8 ml of dehydrated methanol and 54.0 g (0.6 mol) of dimethyl carbonate were added, followed by heating and stirring at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature, and 34.6 g (0.3 mol) of 85% phosphoric acid was added over 1 hour with sufficient stirring, and the reaction solution was concentrated under reduced pressure. After adding 500 ml of ethyl acetate to the obtained crude crystals and sufficiently stirring and suspending the crystals, the crystals were filtered, washed with 200 ml of ethyl acetate, dried under reduced pressure, and 1-methyl-3-octylimidazolium. 78 g (0.267 mol, 89% yield) of dihydrogen phosphate was obtained. The structure was confirmed by proton NMR measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (DMSO-d6, 300 MHz); δ (ppm); 9.21 (s, 1H); 7.74 (d, 1H); 7.70 (d, 1H); 4.17 (t, 2H); 3.87 (s, 3H); 1.74 (5th, 2H); 1.21 (m, 10H); 0.83 (t, 3H)

(合成例5)
合成例5では、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C12MIP)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 5)
In Synthesis Example 5, 1-dodecyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (C12MIP) was synthesized as follows.

還流管つきのフラスコにイミダゾール68.1g(1.0mol)と炭酸カリウム248.8g(1.8mol)とアセトニトリル500mlを加えた後、90℃に加熱し、1−クロロドデカン204.8g(1.0mol)を、2時間ほどかけて加えそのまま10時間加熱攪拌した。その後、反応液を室温まで冷却、ろ過し、得られた濾液を減圧下で蒸留することで、1−ドデシルイミダゾール178gを得た。   After adding 68.1 g (1.0 mol) of imidazole, 248.8 g (1.8 mol) of potassium carbonate, and 500 ml of acetonitrile to a flask equipped with a reflux tube, the mixture was heated to 90 ° C. and 204.8 g (1.0 mol) of 1-chlorododecane. ) Was added over about 2 hours, and the mixture was stirred with heating for 10 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature and filtered, and the obtained filtrate was distilled under reduced pressure to obtain 178 g of 1-dodecylimidazole.

オートクレーブに1−ドデシルイミダゾール74.8g(0.3mol)と脱水メタノール55.8mlと炭酸ジメチルを54.0g(0.6mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、85%リン酸34.6g(0.3mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加え、反応液を減圧下濃縮した。そこで得られた粗結晶に、酢酸エチル500mlを加えて十分攪拌、懸濁させた後、結晶をろ過し、酢酸エチル200mlで洗浄後、減圧下で乾燥し、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート96.8g(0.278mol、収率93%)を得た。構造はプロトンNMR測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(DMSO−d6,300MHz);δ(ppm);9.43(s,1H);7.74(s,1H);7.69(s,1H);4.12(t,2H);3.85(s、3H);1.74(t,2H);1.21(m,18H);0.83(t,3H)
To the autoclave, 74.8 g (0.3 mol) of 1-dodecylimidazole, 55.8 ml of dehydrated methanol and 54.0 g (0.6 mol) of dimethyl carbonate were added, followed by heating and stirring at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature, and 34.6 g (0.3 mol) of 85% phosphoric acid was added over 1 hour with sufficient stirring, and the reaction solution was concentrated under reduced pressure. After adding 500 ml of ethyl acetate to the obtained crude crystals and sufficiently stirring and suspending the crystals, the crystals were filtered, washed with 200 ml of ethyl acetate, dried under reduced pressure, and 1-dodecyl-3-methylimidazolium. 96.8 g (0.278 mol, yield 93%) of dihydrogen phosphate was obtained. The structure was confirmed by proton NMR measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (DMSO-d6, 300 MHz); δ (ppm); 9.43 (s, 1H); 7.74 (s, 1H); 7.69 (s, 1H); 4.12 (t, 2H); 3.85 (s, 3H); 1.74 (t, 2H); 1.21 (m, 18H); 0.83 (t, 3H)

(合成例6)
合成例6では、1−ヘキサデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C16MIP)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 6)
In Synthesis Example 6, 1-hexadecyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate (C16MIP) was synthesized as follows.

還流管つきのフラスコにイミダゾール68.1g(1.0mol)と炭酸カリウム248.8g(1.8mol)とアセトニトリル500mlを加えた後、75℃に加熱し、1−クロロヘキサデカン260.9g(1.0mol)を、2時間ほどかけて加えそのまま10時間加熱攪拌した。その後、反応液を室温まで冷却、ろ過し、得られた濾液を減圧下で蒸留することで、1−ヘキサデシルイミダゾール234gを得た。   After adding 68.1 g (1.0 mol) of imidazole, 248.8 g (1.8 mol) of potassium carbonate, and 500 ml of acetonitrile to a flask with a reflux tube, the mixture was heated to 75 ° C. and 260.9 g (1.0 mol) of 1-chlorohexadecane. ) Was added over about 2 hours, and the mixture was stirred with heating for 10 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature and filtered, and the obtained filtrate was distilled under reduced pressure to obtain 234 g of 1-hexadecylimidazole.

オートクレーブに1−ヘキサデシルイミダゾール91.6g(0.3mol)と脱水メタノール55.8mlと炭酸ジメチルを54.0g(0.6mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、85%リン酸34.6g(0.3mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加え、その反応液にメタノール500mlを加えて十分攪拌、懸濁させた後、結晶をろ過し、メタノール100mlで洗浄後、減圧下で乾燥し、1−ヘキサデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート39.8g(0.098mol、収率33%)を得た。構造はプロトンNMR測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(DMSO−d6,300MHz);δ(ppm);9.25(s,1H);7.79(d,2H);4.16(t,2H);3.85(s,3H);1.79(5th,2H);1.23(m,26H);0.85(t,3H)
After adding 91.6 g (0.3 mol) of 1-hexadecylimidazole, 55.8 ml of dehydrated methanol and 54.0 g (0.6 mol) of dimethyl carbonate to the autoclave, the mixture was heated and stirred at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution is cooled to room temperature, and 34.6 g (0.3 mol) of 85% phosphoric acid is added over 1 hour with sufficient stirring, and 500 ml of methanol is added to the reaction solution and sufficiently stirred and suspended. Then, the crystals were filtered, washed with 100 ml of methanol, and dried under reduced pressure to obtain 39.8 g (0.098 mol, yield 33%) of 1-hexadecyl-3-methylimidazolium dihydrogen phosphate. . The structure was confirmed by proton NMR measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (DMSO-d6, 300 MHz); δ (ppm); 9.25 (s, 1H); 7.79 (d, 2H); 4.16 (t, 2H); 3.85 (s, 3H); 1.79 (5th, 2H); 1.23 (m, 26H); 0.85 (t, 3H)

(合成例7)
合成例7では、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンサルフェート(C12MIS)を以下のようにして合成した。
(Synthesis Example 7)
In Synthesis Example 7, 1-dodecyl-3-methylimidazolium dihydrogen sulfate (C12MIS) was synthesized as follows.

還流管つきのフラスコにイミダゾール68.1g(1.0mol)と炭酸カリウム248.8g(1.8mol)とアセトニトリル500mlを加えた後、75℃に加熱し、1−ブロモドデカン249.2g(1.0mol)を、2時間ほどかけて加えそのまま10時間加熱攪拌した。その後、反応液を室温まで冷却、ろ過し、得られた濾液を減圧下で蒸留することで、1−ドデシルイミダゾール178gを得た。   After adding 68.1 g (1.0 mol) of imidazole, 248.8 g (1.8 mol) of potassium carbonate, and 500 ml of acetonitrile to a flask equipped with a reflux tube, the mixture was heated to 75 ° C., and 249.2 g (1.0 mol) of 1-bromododecane was added. ) Was added over about 2 hours, and the mixture was stirred with heating for 10 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature and filtered, and the obtained filtrate was distilled under reduced pressure to obtain 178 g of 1-dodecylimidazole.

オートクレーブに1−ドデシルイミダゾール74.8g(0.3mol)と脱水メタノール55.8mlと炭酸ジメチルを54.0g(0.6mol)を加えた後、140℃で15時間加熱、攪拌した。その後、室温まで反応液を冷却し、70%硫酸42g(0.3mol)を十分攪拌しながら、1時間ほどかけて加え、反応液を減圧下濃縮した。そこで得られた粗結晶に、酢酸エチル500mlを加えて十分攪拌、懸濁させた後、結晶をろ過し、酢酸エチル200mlで洗浄後、減圧下で乾燥し、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンサルフェート89g(0.254mol、収率85%)を得た。構造はプロトンNMR測定により確認を行った。ケミカルシフトは以下の通りである。
H−NMR(DMSO−d6,300MHz);δ(ppm);9.16(s,1H);7.75(d,1H);7.69(d,1H);4.13(t,2H);3.83(s、3H);1.75(5th,2H);1.22(m,18H);0.84(t,3H)
To the autoclave, 74.8 g (0.3 mol) of 1-dodecylimidazole, 55.8 ml of dehydrated methanol and 54.0 g (0.6 mol) of dimethyl carbonate were added, followed by heating and stirring at 140 ° C. for 15 hours. Thereafter, the reaction solution was cooled to room temperature, and 42 g (0.3 mol) of 70% sulfuric acid was added over 1 hour with sufficient stirring, and the reaction solution was concentrated under reduced pressure. After adding 500 ml of ethyl acetate to the obtained crude crystals and sufficiently stirring and suspending the crystals, the crystals were filtered, washed with 200 ml of ethyl acetate, dried under reduced pressure, and 1-dodecyl-3-methylimidazolium. 89 g (0.254 mol, 85% yield) of dihydrogen sulfate was obtained. The structure was confirmed by proton NMR measurement. The chemical shift is as follows.
1 H-NMR (DMSO-d6, 300 MHz); δ (ppm); 9.16 (s, 1H); 7.75 (d, 1H); 7.69 (d, 1H); 4.13 (t, 2H); 3.83 (s, 3H); 1.75 (5th, 2H); 1.22 (m, 18H); 0.84 (t, 3H)

[プロトン伝導性電解質膜の製造例]
次に、上述したようにして合成された有機塩を用いて製造された、本発明の複合プロトン伝導体を利用したプロトン伝導性電解質膜の例について説明する。
[Production example of proton conductive electrolyte membrane]
Next, an example of a proton conductive electrolyte membrane using the composite proton conductor of the present invention manufactured using the organic salt synthesized as described above will be described.

(実施例1)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.18mmol(0.617g)の1,3−ジメチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(DMIP、一般式(2)でR=メチル基,R=メチル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
Example 1
3.18 mmol (0.617 g) of 1,3-dimethylimidazolium against 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100) which is a commercial product of Dupont's Nafion® solution Dihydrogen phosphate (DMIP, R 1 = methyl group, R 2 = methyl group in general formula (2)) is blended, stirred at room temperature for 24 hours using a magnetic stirrer, and then vacuum degassed A mixed solution was prepared. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例2)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.18mmol(0.750g)の1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(BMIP、一般式(2)でR=メチル基,R=ブチル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
(Example 2)
3.20 mmol (0.750 g) of 1-butyl-3-methyl against 200.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100) which is a commercial product of Dupont's Nafion® solution Imidazolium dihydrogen phosphate (BMIP, R 1 = methyl group, R 2 = butyl group in the general formula (2)), stirred for 24 hours at room temperature using a magnetic stirrer, then vacuum degassed To prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例3)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.18mmol(0.840g)の1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(HMIP、一般式(2)でR=メチル基,R=ヘキシル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
(Example 3)
3.20 mmol (0.840 g) of 1-hexyl-3-methyl against 200.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100), a commercial product of Dupont's Nafion® solution Imidazolium dihydrogen phosphate (HMIP, R 1 = methyl group, R 2 = hexyl group in general formula (2)), stirred at room temperature for 24 hours with a magnetic stirrer, and then vacuum degassed To prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例4)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.63mmol(1.062g)の1−メチル−3−オクチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(MOIP、一般式(2)でR=メチル基,R=オクチル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
Example 4
3.63 mmol (1.062 g) of 1-methyl-3-octyl relative to 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100) which is a commercial product of Dupont's Nafion® solution Imidazolium dihydrogen phosphate (MOIP, R 1 = methyl group, R 2 = octyl group in the general formula (2)) is blended, stirred for 24 hours at room temperature using a magnetic stirrer, and then vacuum degassed To prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例5)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.63mmol(1.266g)の1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C12MIP、一般式(2)でR=メチル基,R=ドデシル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
(Example 5)
3.63 mmol (1.266 g) of 1-dodecyl-3-methyl versus 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100), a commercial product of Dupont's Nafion® solution Compound of imidazolium dihydrogen phosphate (C12MIP, R 1 = methyl group, R 2 = dodecyl group in general formula (2)), stirred for 24 hours at room temperature using a magnetic stirrer, then vacuum degassed To prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例6)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.63mmol(1.471g)の1−ヘキサデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C16MIP、一般式(2)でR=メチル基,R=ヘキサデシル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
(Example 6)
3.63 mmol (1.471 g) of 1-hexadecyl-3-methyl against 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100) which is a commercial product of Dupont's Nafion® solution Imidazolium dihydrogen phosphate (C16MIP, R 1 = methyl group, R 2 = hexadecyl group in general formula (2)), stirred at room temperature for 24 hours using a magnetic stirrer, then vacuum degassed To prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例7)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.63mmol(1.266g)の1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムハイドロジェンサルフェート(C12MIS、一般式(2)でR=メチル基,R=ドデシル基)を配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
(Example 7)
3.63 mmol (1.266 g) of 1-dodecyl-3-methyl versus 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100), a commercial product of Dupont's Nafion® solution Imidazolium hydrogen sulfate (C12MIS, general formula (2), R 1 = methyl group, R 2 = dodecyl group) is blended, stirred for 24 hours at room temperature using a magnetic stirrer, and then vacuum degassed A mixed solution was prepared. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(実施例8)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.63mmol(1.266g)の1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンホスファート(C12MIP、一般式(2)でR=メチル基,R=ドデシル基)と、無機固体酸化物であるジルコニア(ナノパウダー、粒径20〜30マイクロメートル)1.000gを配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは白色であった。
(Example 8)
3.63 mmol (1.266 g) of 1-dodecyl-3-methyl versus 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100), a commercial product of Dupont's Nafion® solution Imidazolium dihydrogen phosphate (C12MIP, R 1 = methyl group, R 2 = dodecyl group in the general formula (2)) and zirconia (nano powder, particle size 20-30 micrometers) which is an inorganic solid oxide 1 .000 g was mixed and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for 24 hours, followed by vacuum defoaming to prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The resulting film was white.

(実施例9)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、3.63mmol(1.266g)の1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムジハイドロジェンサルフェート(C12MIS、一般式(2)でR=メチル基,R=ドデシル基)と、無機固体酸化物であるジルコニア(ナノパウダー、粒径20〜30マイクロメートル)1.000gを配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは白色であった。
Example 9
3.63 mmol (1.266 g) of 1-dodecyl-3-methyl versus 20.000 g of 20% Nafion® dispersion (Ew1,100), a commercial product of Dupont's Nafion® solution 1. Imidazolium dihydrogen sulfate (C12MIS, R 1 = methyl group, R 2 = dodecyl group in the general formula (2)) and zirconia (nano powder, particle size 20-30 micrometers) which is an inorganic solid oxide After mixing with 000 g and stirring with a magnetic stirrer at room temperature for 24 hours, vacuum defoaming was performed to prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. The dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The resulting film was white.

(実施例10)
ポリエーテルエーテルケトンの繰り返し単位に対し、68.9mol%スルホン化を施したスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)のスルホン酸基に対して当量となるよう、即ち、1.000gのS−PEEKとHMIP0.769gをNMP 5.5gに分散後、マグネチックスターラーを用いて溶解させ、ガラス基板上にドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度80℃に設定したホットプレート上で乾燥を行い、電解質膜を得た。得られたフィルムは常温で若干白濁した薄黄色であった。
(Example 10)
It is equivalent to the sulfonic acid group of the sulfonated polyether ether ketone (S-PEEK) subjected to 68.9 mol% sulfonation with respect to the repeating unit of the polyether ether ketone, that is, 1.000 g of S- PEEK and HMIP 0.769g are dispersed in NMP 5.5g, dissolved using a magnetic stirrer, stretched smoothly on a glass substrate using a doctor blade, and dried on a hot plate set at a surface temperature of 80 ° C. An electrolyte membrane was obtained. The obtained film was a pale yellow slightly cloudy at room temperature.

(比較例1)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。見かけ上、乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムはやや茶色掛かっているものの、ほぼ無色透明であった。
(Comparative Example 1)
About 20 ml of Nafion (registered trademark) dispersion (Ew1,100), a product of Dupont's Nafion (registered trademark) solution, was dropped on a glass substrate in an approximately 5 ml rod shape, and then a doctor blade with a gap set at 650 μm was used. It was stretched smoothly and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to roughly remove alcohol as a solvent. Apparently, the dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. Although the obtained film was slightly brownish, it was almost colorless and transparent.

(比較例2)
Dupont社のNafion(登録商標)溶液の商品である20%Nafion(登録商標)ディスパージョン(Ew1,100)20.000gに対して、特許文献WO03/083981A1および、特開2006−32213、にも例示されている1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIBF)を前述の本発明と同様に3.18mmol(0.630g)配合し、常温にて24時間マグネチックスターラーを用いて攪拌の後、真空脱泡を行い、混合溶液を調製した。この混合溶液をガラス基板上に約5ml棒状に滴下した後、ギャップを650μmに設定したドクターブレードを用いて平滑に引き伸ばし、表面温度40℃に設定したホットプレート上で30分放置して溶剤のアルコールを粗除去した。見かけ上、乾燥した膜をガラス基板ごと、150℃の恒温槽に30秒投入し、アニールを行った後、ガラス基板上より得られた高分子電解質フィルムを剥いだ。得られたフィルムは無色透明であった。
(Comparative Example 2)
200.00 Nafion (registered trademark) dispersion (Ew1,100) 200.000 g which is a commercial product of Dupont's Nafion (registered trademark) solution is also exemplified in Patent Documents WO03 / 083981A1 and JP-A-2006-32213 3.18 mmol (0.630 g) of 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIBF 4 ) was blended in the same manner as in the present invention described above, and stirred for 24 hours at room temperature using a magnetic stirrer. Thereafter, vacuum degassing was performed to prepare a mixed solution. After about 5 ml of this mixed solution was dropped on a glass substrate in a rod shape, it was stretched smoothly using a doctor blade with a gap set at 650 μm and left on a hot plate set at a surface temperature of 40 ° C. for 30 minutes to leave the solvent alcohol. Was roughly removed. Apparently, the dried film was put together with the glass substrate in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 seconds, annealed, and then the polymer electrolyte film obtained from the glass substrate was peeled off. The obtained film was colorless and transparent.

(比較例3)
実施例4と同様にHMIPを加えていないS−PEEK膜を作製した。調製方法はHMIPを添加しない以外は同様な操作で行った。
(Comparative Example 3)
As in Example 4, an S-PEEK film without HMIP was prepared. The preparation method was the same as that except that HMIP was not added.

[プロトン伝導性電解質膜及び燃料電池の特性評価方法]
次に、上述したようにして得られたプロトン伝導性電解質膜及びこの電解質膜を用いて作成した燃料電池の特性を評価した方法について説明する。具体的には、以下に示す方法で、プロトン伝導性電解質膜のイオン伝導度測定及び熱分析、また、プロトン伝導性電解質膜を用いて作成した燃料電池の発電特性に関する試験を行った。
[Characteristic Evaluation Method of Proton Conducting Electrolyte Membrane and Fuel Cell]
Next, a proton conductive electrolyte membrane obtained as described above and a method for evaluating the characteristics of a fuel cell prepared using this electrolyte membrane will be described. Specifically, the ion conductivity measurement and thermal analysis of the proton conductive electrolyte membrane were performed by the method described below, and tests on the power generation characteristics of the fuel cell prepared using the proton conductive electrolyte membrane were performed.

(イオン伝導度測定の試験方法)
各電解質を13mmΦの円形に打ち抜き、テフロン(登録商標)のハウジングを有する二極の白金ブロッキング電極セルに挟み込み、恒温槽に固定して150℃に昇温して一昼夜放置した後、150℃から降温しながら、抵抗を測定した。抵抗測定には英国ソーラトロン社製SI1287 Electrochemical Interface and SI1260 Impedance/gain phase Analyzerを用いた。得られたバルク抵抗とセル定数から、イオン伝導度を算出した。
(Test method for measuring ionic conductivity)
Each electrolyte was punched into a 13 mmφ circle, sandwiched between bipolar platinum blocking electrode cells having a Teflon (registered trademark) housing, fixed in a thermostatic chamber, heated to 150 ° C., allowed to stand overnight, and then cooled from 150 ° C. The resistance was measured. For resistance measurement, SI1287 Electrochemical Interface and SI1260 Impedance / gain phase Analyzer manufactured by Solartron, UK was used. Ionic conductivity was calculated from the obtained bulk resistance and cell constant.

(熱分析の試験方法)
本発明に用いる水素原子を有するオキソ酸を配する塩の熱安定性を調べるため、セイコー電子社製TG/DTA6200を用いて、空気気流下での熱重量分析を行った。また、実施例3のみ、150℃以下に融解を確認していたことから、融点を決定すべく、示差走査熱分析を行った。示差走査熱分析の装置としては、セイコー電子社製DSC6200を用い、金メッキしたステンレス製の密封パンに試料を約10mg封入して走査速度10℃/min.にて測定した。
(Test method for thermal analysis)
In order to examine the thermal stability of the salt with an oxo acid having a hydrogen atom used in the present invention, thermogravimetric analysis was performed under an air stream using TG / DTA6200 manufactured by Seiko Denshi. Moreover, since only Example 3 confirmed melting at 150 ° C. or lower, differential scanning calorimetry was performed to determine the melting point. As an apparatus for differential scanning thermal analysis, DSC6200 manufactured by Seiko Electronics Co., Ltd. was used. About 10 mg of a sample was sealed in a gold-plated stainless steel sealing pan, and the scanning speed was 10 ° C./min. Measured at

(燃料電池の発電特性の試験方法)
本発明と従来技術を比較すべく、作製した膜を2.8cm角に切り取った市販のガス拡散電極(米Electrochem社製触媒付電極;カーボンペーパーに触媒Pt1mg/cmを付着させた電極;EC−20−10−7)で挟み込んで簡易的な膜−電極接合体(MEA)を作製した。次いで、テフロン(登録商標)のガスケットと該MEAをガス流路が形成されているカーボンセパレータで挟み込んだ上、集電板とエンドプレートを両極外側に配して、ボルトで締め付けてテストセルとした。このテストセルを窒素パージしながら、150℃に昇温し、水素および酸素をボンベから流量をコントロールするマスフローを介して直接(加湿器を通さず)セルへ導入した。発電の分極特性および連続発電特性の調査には、北斗電工社製電気化学測定装置HZ−3000を用いた。
(Test method for power generation characteristics of fuel cells)
In order to compare the present invention with the prior art, a commercially available gas diffusion electrode obtained by cutting the produced membrane into 2.8 cm square (electrode with catalyst made by Electrochem, USA; electrode with catalyst Pt 1 mg / cm 2 attached to carbon paper; EC -20-10-7) to prepare a simple membrane-electrode assembly (MEA). Next, a Teflon (registered trademark) gasket and the MEA were sandwiched between carbon separators having gas flow paths, and current collector plates and end plates were placed on both outer sides and tightened with bolts to form test cells. . While this test cell was purged with nitrogen, the temperature was raised to 150 ° C., and hydrogen and oxygen were directly introduced into the cell (without passing through a humidifier) through a mass flow whose flow rate was controlled. Hokuto Denko's electrochemical measuring device HZ-3000 was used for investigation of power generation polarization characteristics and continuous power generation characteristics.

[プロトン伝導性電解質膜及び燃料電池の特性評価結果]
以下、上述した方法で行った特性評価の結果について、図面を参照しながら説明する。
[Characteristic evaluation results of proton conductive electrolyte membrane and fuel cell]
Hereinafter, the result of the characteristic evaluation performed by the above-described method will be described with reference to the drawings.

(実施例1〜3の高分子電解質のイオン伝導度)
まず、図1を参照しながら、本発明の実施例1〜3及び比較例2のプロトン伝導性電解質膜のイオン伝導度の評価結果を説明する。なお、図1は、本発明の実施例1〜3および比較例2のイオン伝導度のアレニウスプロットであり、縦軸がイオン伝導度[Scm−1]、横軸が温度(1000/T)[K−1]を示している。
(Ionic conductivity of polymer electrolytes of Examples 1 to 3)
First, the evaluation result of the ionic conductivity of the proton conductive electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. 1 is an Arrhenius plot of ion conductivity of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 of the present invention, where the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1000 / T) [ K −1 ].

図1に示すように、実施例1のDMIP配合の高分子電解質は、比較例2のBMIBF4配合の高分子電解質とほぼ同等であるものの、実施例2および3の高分子電解質においては、著しく高いイオン伝導度を示すことがわかった。イオン伝導の温度特性は、図1から明らかなように、屈曲などが認められないことから、低温から高温まで一連の機構によって支配されていることは明らかで、いずれも塩は相溶状態にあると考えられる。また、図1から明らかなように、測定温度域に液体領域を有する実施例3のHMIP配合の高分子電解質は、著しくその特性が向上していることが明確である。いずれの電解質中においても移動可能なイオン種が3種(塩のカチオン・アニオンおよびスルホン酸由来のプロトン)存在することから、実質、電極反応に必要なプロトンの正味の移動度は不明瞭であり、その特性は発電試験などで比較する必要があると考えられる。   As shown in FIG. 1, the DMIP blended polymer electrolyte of Example 1 is almost the same as the BMIBF4 blended polymer electrolyte of Comparative Example 2, but the polymer electrolytes of Examples 2 and 3 are significantly higher. It was found to show ionic conductivity. As is clear from FIG. 1, the temperature characteristics of ionic conduction are clearly not governed by a series of mechanisms from low temperature to high temperature because no bending or the like is observed, and both salts are in a compatible state. it is conceivable that. Further, as is clear from FIG. 1, it is clear that the characteristics of the polymer electrolyte containing HMIP of Example 3 having a liquid region in the measurement temperature range are remarkably improved. In all electrolytes, there are three ion species that can move (protons derived from the salt cation / anion and sulfonic acid), so the net mobility of protons necessary for electrode reactions is virtually unclear. Therefore, it is considered that the characteristics need to be compared in power generation tests.

なお、比較例1のNafion単独膜は含水型の高分子であるため、150℃における温度保持の段階で、水の蒸発に伴って抵抗が増大することから、安定したイオン伝導度の温度特性は得られなかった。   In addition, since the Nafion single membrane of Comparative Example 1 is a water-containing polymer, the resistance increases with the evaporation of water at the temperature holding stage at 150 ° C., so the temperature characteristics of the stable ionic conductivity are It was not obtained.

(HMIPのイオン伝導度)
次に、図2を参照しながら、本発明の実施例3に用いたHMIPのイオン伝導度の温度特性について説明する。なお、図2は、HMIPのイオン伝導度のアレニウスプロットであり、縦軸がイオン伝導度[Scm−1]、横軸が温度(1000/T)[K−1]を示している。
(Ion conductivity of HMIP)
Next, the temperature characteristics of the ionic conductivity of the HMIP used in Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an Arrhenius plot of HMIP ion conductivity, where the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1000 / T) [K −1 ].

図2に示すように、HMIPは、溶融温度以上にて単独でも高いイオン伝導度を発現する。この結果は、水素原子を有するオキソ酸アニオンを配した溶融塩のイオン伝導は知られておらず、単独でもプロトン移動媒体として利用可能であることを示唆するものである。   As shown in FIG. 2, HMIP expresses high ionic conductivity even when used alone at a melting temperature or higher. This result suggests that the ionic conduction of the molten salt in which the oxoacid anion having a hydrogen atom is arranged is not known and can be used alone as a proton transfer medium.

(実施例4〜7の高分子電解質のイオン伝導度)
次に、図3を参照しながら、本発明の実施例4〜7及び比較例2のプロトン伝導性電解質膜のイオン伝導度の評価結果を説明する。なお、図3は、本発明の実施例4〜7のイオン伝導度のアレニウスプロットであり、縦軸がイオン伝導度[Scm−1]、横軸が温度(1000/T)[K−1]を示している。
(Ionic conductivity of polymer electrolytes of Examples 4 to 7)
Next, the evaluation results of the ionic conductivity of the proton conductive electrolyte membranes of Examples 4 to 7 and Comparative Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an Arrhenius plot of ion conductivity of Examples 4 to 7 of the present invention, where the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1000 / T) [K −1 ]. Is shown.

図3に示すように、イミダゾールカチオンに結合するアルキル鎖がヘキサデシル基であるC16MIPを含有する電解質(本発明における実施例6の電解質)においても、安定したイオン伝導度の温度特性が発現することが示唆され、このことから、アルキル側鎖が炭素数16まで安定して機能することが明確である。また、イミダゾールカチオンの対となるアニオンがハイドロジェンサルフェートである、実施例7の電解質においても安定なイオン伝導度の温度特性が得られていることから、ジハイドロジェンフォスファートのみならず、ハイドロジェンサルフェート等の他のオキソ酸アニオンであっても同等の特性が得られることが明確である。   As shown in FIG. 3, even in an electrolyte containing C16MIP in which the alkyl chain bonded to the imidazole cation is a hexadecyl group (the electrolyte of Example 6 in the present invention), stable temperature characteristics of ionic conductivity may be exhibited. This suggests that the alkyl side chain functions stably up to 16 carbon atoms. Further, since the anion which is a pair of imidazole cations is hydrogen sulfate, stable temperature characteristics of ionic conductivity are obtained in the electrolyte of Example 7, so that not only dihydrogen phosphate but also hydrogen It is clear that equivalent characteristics can be obtained with other oxoacid anions such as sulfate.

(実施例8〜9の高分子電解質のイオン伝導度)
次に、図4を参照しながら、本発明の実施例8〜9及び比較例2のプロトン伝導性電解質膜のイオン伝導度の評価結果を説明する。なお、図4は、本発明の実施例8〜9および比較例2のイオン伝導度のアレニウスプロットであり、縦軸がイオン伝導度[Scm−1]、横軸が温度(1000/T)[K−1]を示している。
(Ionic conductivity of polymer electrolytes of Examples 8 to 9)
Next, the evaluation results of the ionic conductivity of the proton conductive electrolyte membranes of Examples 8 to 9 and Comparative Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an Arrhenius plot of ion conductivity of Examples 8 to 9 and Comparative Example 2 of the present invention, where the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1000 / T) [ K −1 ].

図4に示すように、本発明の高分子電解質中に無機固体酸化物の一例であるジルコニアを配する実施例8および9の高分子電解質において、それ自身がイオン伝導を有しないジルコニアを20質量%電解質中に配してもイオン伝導度は大きく損なわれないことが明確である。また、実施例8および9の高分子電解質は、広範囲な温度においても屈曲点を持たず安定したイオン伝導を示すことが明確である。   As shown in FIG. 4, in the polymer electrolytes of Examples 8 and 9 in which zirconia, which is an example of an inorganic solid oxide, is arranged in the polymer electrolyte of the present invention, 20 masses of zirconia that itself does not have ionic conduction. It is clear that the ionic conductivity is not significantly impaired even when placed in the% electrolyte. Moreover, it is clear that the polymer electrolytes of Examples 8 and 9 do not have a bending point even in a wide range of temperatures and show stable ionic conduction.

次に、図5を参照しながら、本発明の実施例3に用いたHMIPの熱安定性を評価した結果を説明する。なお、図5は、HMIPの示差走査熱分析(DSC)における昇温時の結晶化・融解ピークを示す図である。   Next, the results of evaluating the thermal stability of the HMIP used in Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, FIG. 5 is a figure which shows the crystallization and melting peak at the time of temperature rising in the differential scanning calorimetry (DSC) of HMIP.

図5に示すように、HMIPは、約125℃付近、即ち、130℃以下にて融解することがわかった。   As shown in FIG. 5, it was found that HMIP melts at about 125 ° C., that is, 130 ° C. or less.

次に、図6〜図8を参照しながら、本発明の実施例4、7および9に用いた電解質の熱安定性を評価した結果を説明する。なお、図6、図7、図8は、それぞれ、実施例4、実施例7、実施例9の示差走査熱分析(DSC)における昇温時の結晶化・融解ピークを示す図である。   Next, the results of evaluating the thermal stability of the electrolytes used in Examples 4, 7, and 9 of the present invention will be described with reference to FIGS. 6, 7, and 8 are diagrams showing crystallization / melting peaks at the time of temperature increase in differential scanning calorimetry (DSC) of Example 4, Example 7, and Example 9, respectively.

図6〜図8に示すように、本発明の実施例4、7および9の電解質は、燃料電池における高温の作動温度(例えば、150℃程度)以下にて融解することがわかった。   As shown in FIGS. 6 to 8, it was found that the electrolytes of Examples 4, 7, and 9 of the present invention melt at a high operating temperature (for example, about 150 ° C.) or less in the fuel cell.

(実施例1〜3の高分子電解質を用いた燃料電池セルの発電特性)
次に、図9を参照しながら、本発明の実施例1〜3及び比較例1、2のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの発電特性(分極特性)の評価結果を説明する。なお、図9は、本発明の実施例1〜3及び比較例1、2のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの分極曲線を示すグラフであり、縦軸が電圧[V]、横軸が電流密度[mAcm−2]を示している。
(Power generation characteristics of fuel cells using the polymer electrolytes of Examples 1 to 3)
Next, referring to FIG. 9, the evaluation results of the power generation characteristics (polarization characteristics) of the fuel cell test cells produced using the proton conductive electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention are shown. explain. FIG. 9 is a graph showing polarization curves of fuel cell test cells produced using the proton conductive electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention, and the vertical axis represents voltage [V ], The horizontal axis indicates the current density [mAcm −2 ].

図9に示すように、150℃(無加湿条件)においては、プロトンを移動させるための媒体である水が不足するため、比較例1のNafion(登録商標)単独の電解質膜を用いたテストセルでは全く分極特性が得られないことがわかる。また、比較例2のBMIBF4の電解質膜を用いたテストセルにおいても、極めて低い電流密度においてはNafion(登録商標)と比較して良好に見受けられるが、1mA・cm−2以上では、プロトン移動の拡散が全く追いつかないためか、急激な低下を示した。これに対して、本発明の電解質を用いた実施例1〜3の電解質を用いて作製されたテストセルは、従来提案されている常温溶融塩を用いた比較例2の電解質膜を用いたテストセルと比較して、飛躍的に分極特性が向上しており、特に、融点を130℃以下に有する実施例3の溶融塩を添加した高分子電解質は、比較例2と比較して7〜9倍近くの電流密度が得られることがわかった。これは、使用温度範囲に融点を有することで、高分子電解質中での運動性が他の塩と比較して高いためと考えられる。また、見かけのイオン伝導度がほぼ同等である実施例1と比較例2の電解質を用いたテストセル、あるいは、カチオンが共通である、実施例2と比較例2の特性を比較しても明らかなように、分極特性は本発明の溶融塩を使用することにより、格段に向上していることが分かる。すなわち、電解質内におけるプロトンの交換が、水素原子を有するオキソ酸アニオンを介してスムースに行われることが明らかとなった。 As shown in FIG. 9, at 150 ° C. (non-humidified condition), the test cell using the Nafion (registered trademark) single electrolyte membrane of Comparative Example 1 is insufficient because water as a medium for transferring protons is insufficient. It can be seen that no polarization characteristics can be obtained. In addition, in the test cell using the BMIBF4 electrolyte membrane of Comparative Example 2, it can be seen well as compared with Nafion (registered trademark) at an extremely low current density, but at 1 mA · cm −2 or more, proton transfer is observed. It showed a sharp decline because the diffusion could not catch up at all. On the other hand, the test cell produced using the electrolytes of Examples 1 to 3 using the electrolyte of the present invention is a test using the electrolyte membrane of Comparative Example 2 using a conventionally proposed room temperature molten salt. Compared with the cell, the polarization characteristics are dramatically improved. In particular, the polymer electrolyte to which the molten salt of Example 3 having a melting point of 130 ° C. or lower is added is 7 to 9 compared with Comparative Example 2. It was found that a current density nearly doubled was obtained. This is considered to be because the mobility in the polymer electrolyte is higher than that of other salts by having a melting point in the operating temperature range. In addition, it is clear that the test cells using the electrolytes of Example 1 and Comparative Example 2 that have substantially the same ionic conductivity or the characteristics of Example 2 and Comparative Example 2 that share the same cation are compared. Thus, it can be seen that the polarization characteristics are remarkably improved by using the molten salt of the present invention. That is, it has been clarified that proton exchange in the electrolyte is smoothly performed via an oxo acid anion having a hydrogen atom.

(実施例8〜9の高分子電解質を用いた燃料電池セルの発電特性)
次に、図10を参照しながら、本発明の実施例8〜9のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの発電特性(分極特性)の評価結果を説明する。なお、図10は、本発明の実施例8〜9のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの分極曲線を示すグラフであり、縦軸が電圧[V]、横軸が電流密度[mAcm−2]を示している。
(Power generation characteristics of fuel cells using the polymer electrolytes of Examples 8 to 9)
Next, evaluation results of power generation characteristics (polarization characteristics) of fuel cell test cells manufactured using the proton conductive electrolyte membranes of Examples 8 to 9 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a graph showing a polarization curve of a fuel cell test cell produced using the proton conductive electrolyte membranes of Examples 8 to 9 of the present invention, where the vertical axis represents voltage [V] and the horizontal axis represents current. The density [mAcm −2 ] is shown.

図10に示すように、炭素数が6以下の有機塩を含む本発明の電解質と同様に、150℃においても、起電力を与え、発電が可能であることが明確である。また、ハイドロジェンサルフェートをアニオンに有する実施例9の電解質においても、その発電に係る電解質の特性を満足し、プロトンの輸送が可能であることを明確に示すものである。また、本発明における無機固体酸化物の一つであるジルコニアを配しても、プロトン輸送が可能であり、且つ、高温無加湿下における発電が可能であることを示している。   As shown in FIG. 10, similarly to the electrolyte of the present invention containing an organic salt having 6 or less carbon atoms, it is clear that an electromotive force can be applied even at 150 ° C. to generate electricity. In addition, the electrolyte of Example 9 having hydrogen sulfate as an anion clearly satisfies the characteristics of the electrolyte related to power generation and clearly shows that proton transport is possible. Further, it is shown that even when zirconia, which is one of the inorganic solid oxides in the present invention, is arranged, proton transport is possible and power generation is possible under high temperature and no humidification.

(実施例1〜3に用いた有機塩の熱分解特性)
次に、図11を参照しながら、本発明の実施例1〜3に用いた有機塩の熱分解特性を評価した結果を説明する。なお、図11は、本発明の実施例1〜3に用いた有機塩の熱分解曲線を示すグラフであり、縦軸が熱分解率[%]、横軸がセル温度[℃]を示している。また、本測定は、空気を200mL/min.流した中で行ったものである。
(Thermal decomposition characteristics of organic salts used in Examples 1 to 3)
Next, the results of evaluating the thermal decomposition characteristics of the organic salts used in Examples 1 to 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, FIG. 11 is a graph which shows the thermal decomposition curve of the organic salt used for Examples 1-3 of this invention, a vertical axis | shaft shows thermal decomposition rate [%] and a horizontal axis shows cell temperature [degreeC]. Yes. In this measurement, air was supplied at 200 mL / min. It was done in the flow.

図11に示すように、いずれの有機塩も200℃までは熱分解せずに安定であることがわかった。すなわち、本発明の実施例に用いた有機塩は、200℃までの運転温度で使用される燃料電池に使用可能であることが示唆された。   As shown in FIG. 11, it was found that all organic salts were stable up to 200 ° C. without being thermally decomposed. That is, it was suggested that the organic salt used in the examples of the present invention can be used for a fuel cell used at an operating temperature up to 200 ° C.

(実施例3の電解質を用いた燃料電池セルの安定性)
次に、図12を参照しながら、本発明の実施例3の高分子電解質を用いた燃料電池テストセルの安定性を評価した結果を説明する。なお、図12は、本発明の実施例3の高分子電解質を用いた燃料電池テストセルの連続運転結果を示すグラフであり、縦軸が閉回路電圧[V]、横軸が運転時間[hour]を示している。この試験では、電流密度を1.0mAcm−2、セル温度を150℃とし、アノードガスとして流量が100mL/min.のH、カソードガスとして流量が100mL/min.のOを用い、10000秒の時点で試験を打ち切った。
(Stability of the fuel cell using the electrolyte of Example 3)
Next, the results of evaluating the stability of a fuel cell test cell using the polymer electrolyte of Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a graph showing the result of continuous operation of the fuel cell test cell using the polymer electrolyte of Example 3 of the present invention, where the vertical axis represents the closed circuit voltage [V] and the horizontal axis represents the operation time [hour]. ] Is shown. In this test, the current density was 1.0 mAcm −2 , the cell temperature was 150 ° C., and the flow rate was 100 mL / min. H 2 , a cathode gas with a flow rate of 100 mL / min. Using the O 2, it broke off test at the time of 10000 seconds.

図12に示すように、本発明の高分子電解質を用いて作製された燃料電池は、従来の燃料電池と比較しても明確に高い電流密度で長時間安定に動かすことが可能であることがわかった。すなわち、本発明の燃料電池は、瞬間的な発電のみならず、原理的に連続発電運転が可能であることを示唆している。   As shown in FIG. 12, the fuel cell produced using the polymer electrolyte of the present invention can be stably operated for a long time with a clearly high current density even when compared with a conventional fuel cell. all right. That is, the fuel cell of the present invention suggests that not only instantaneous power generation but also continuous power generation operation is possible in principle.

(実施例10の高分子電解質のイオン伝導度)
次に、図13を参照しながら、本発明の実施例10のプロトン伝導性電解質膜のイオン伝導度の評価結果を説明する。なお、図13は、本発明の実施例10のイオン伝導度のアレニウスプロットであり、縦軸がイオン伝導度[Scm−1]、横軸が温度(1000/T)[K−1]を示している。
(Ionic conductivity of polymer electrolyte of Example 10)
Next, the evaluation results of the ionic conductivity of the proton conductive electrolyte membrane of Example 10 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is an Arrhenius plot of the ionic conductivity of Example 10 of the present invention, in which the vertical axis represents ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis represents temperature (1000 / T) [K −1 ]. ing.

図13に示すように、S−PEEKは、Nafion(登録商標)と同じ含水型の高分子であるものの、一般に言われている通り、水の保持に関してはパーフルオロ系より保持率が低く、100℃以上においては容易に乾燥してしまい、100℃以上の高温領域においてイオン伝導を発現することは困難とされている。実際に、実施例10のイオン伝導度の温度特性は、他の実施例1〜3および比較例2と比較して全温度領域で低いことが分かる。これは高分子の相溶性および高分子のガラス転移点の違いによるものと考えられる。実施例4のイオン伝導の温度特性に関しては、むしろ用いたHMIPの温度特性が反映されたものと考えられる。一方、比較例3のHMIPを含まないS−PEEKは自然電位が安定して得られず、抵抗測定ができなかった。従って、水分の蒸発によって、不導体化したものと考えられる。   As shown in FIG. 13, although S-PEEK is the same water-containing polymer as Nafion (registered trademark), as is generally said, the retention rate of water is lower than that of the perfluoro type, and 100 It easily dries above ℃, and it is difficult to develop ionic conduction in a high temperature region above 100 ℃. Actually, it can be seen that the temperature characteristics of the ionic conductivity of Example 10 are lower in all temperature ranges than in other Examples 1 to 3 and Comparative Example 2. This is considered to be due to the difference in polymer compatibility and the glass transition point of the polymer. Regarding the temperature characteristics of ion conduction in Example 4, it is considered that the temperature characteristics of the HMIP used were reflected. On the other hand, S-PEEK which does not contain HMIP of Comparative Example 3 was not able to stably obtain a natural potential, and resistance measurement could not be performed. Therefore, it is considered that the conductor is made nonconductive due to evaporation of moisture.

(実施例10の高分子電解質を用いた燃料電池セルの発電特性)
次に、図14を参照しながら、本発明の実施例10のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの発電特性(分極特性)の評価結果を説明する。なお、図14は、本発明の実施例10のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの分極曲線を示すグラフであり、縦軸が電圧[V]、横軸が電流密度[mAcm−2]を示している。
(Power generation characteristics of a fuel cell using the polymer electrolyte of Example 10)
Next, evaluation results of power generation characteristics (polarization characteristics) of a fuel cell test cell manufactured using the proton conductive electrolyte membrane of Example 10 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a graph showing a polarization curve of a fuel cell test cell produced using the proton conductive electrolyte membrane of Example 10 of the present invention. The vertical axis represents voltage [V], and the horizontal axis represents current density [ mAcm −2 ].

図14に示すように、無加湿運転においても、S−PEEKを高分子基材として運転できることを証明する結果が得られた。比較例3は、Nafion(登録商標)とは異なり、基準電位が全く取れず試験は不可能であった。従来提案されている比較例2の分極特性と比較して、S−PEEKを用いてもなお特性が良いのは、実施例10の有機塩とS−PEEKとを含む複合プロトン伝導体が、正味のプロトン移動媒体として良好に機能しているためであると考えられる。本発明の有機塩を使用することにより、見かけのイオン伝導は低いものの、正味のプロトン移動が良好であることが明らかとなった。   As shown in FIG. 14, a result demonstrating that S-PEEK can be operated as a polymer substrate even in a non-humidified operation was obtained. In Comparative Example 3, unlike Nafion (registered trademark), no reference potential could be obtained and the test was impossible. Compared with the polarization characteristics of Comparative Example 2 proposed in the past, the characteristics are still good even when S-PEEK is used. The composite proton conductor containing the organic salt of Example 10 and S-PEEK is net. This is probably because it functions well as a proton transfer medium. By using the organic salt of the present invention, it was revealed that the net proton transfer was good although the apparent ionic conductivity was low.

(塩濃度とイオン伝導度との関係)
次に、図15を参照しながら、本発明の実施例3の高分子電解質を使用して、有機塩の塩濃度とイオン伝導度との関係を調査した結果を説明する。なお、図15は、本発明の実施例3に用いた有機塩(HMIP)の塩濃度とイオン伝導度との関係を示すグラフであり、縦軸がイオン伝導度[Scm−1]、横軸が塩濃度、具体的には、パーフルオロスルホン酸(PFSA)のスルホン酸に対するモル濃度[mol eq.]を示している。また、本実験では、それぞれ、所定濃度の複合電解質膜を実施例とは別途作製し、150℃にて2日間保存の後、イオン伝導度を測定した。
(Relationship between salt concentration and ionic conductivity)
Next, the result of investigating the relationship between the salt concentration of the organic salt and the ionic conductivity using the polymer electrolyte of Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the salt concentration and the ionic conductivity of the organic salt (HMIP) used in Example 3 of the present invention, where the vertical axis represents the ion conductivity [Scm −1 ] and the horizontal axis. Is a salt concentration, specifically, a molar concentration of perfluorosulfonic acid (PFSA) to sulfonic acid [mol eq. ] Is shown. In this experiment, a composite electrolyte membrane having a predetermined concentration was prepared separately from the example, and the ionic conductivity was measured after storage at 150 ° C. for 2 days.

図15から明らかなように、本発明の有機塩とPFSAの複合化によって、イオン伝導度は増加し、ほぼ1.0mol eq.で、イオン伝導度が最大を示すことがわかる。   As is apparent from FIG. 15, the ionic conductivity is increased by the combination of the organic salt of the present invention and PFSA, and is approximately 1.0 mol eq. It can be seen that the ionic conductivity is maximum.

(高分子電解質中のスルホン酸の安定性)
次に、図16を参照しながら、本発明の実施例3及び比較例1を用いて、高温における高分子電解質中のスルホン酸の安定性を調査した結果を説明する。なお、図16は、本発明の実施例3と比較例1の高分子電解質の30℃及び150℃における赤外吸収スペクトルである。
(Stability of sulfonic acid in polymer electrolyte)
Next, the results of investigating the stability of the sulfonic acid in the polymer electrolyte at high temperatures using Example 3 and Comparative Example 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 shows infrared absorption spectra at 30 ° C. and 150 ° C. of the polymer electrolytes of Example 3 and Comparative Example 1 of the present invention.

図16に示すように、比較例1においては、図中a(1415cm−1)およびb(901cm−1)にスルホン酸変性物のピークが明確に確認される。しかしながら、実施例3においては30℃および150℃でピーク形状の大きな変化がないことが明らかである。この結果から、高温においてのスルホン酸の安定性が実施例3では保たれていることが示唆された。 As shown in FIG. 16, in Comparative Example 1, the peak of the sulfonic acid modified product is clearly confirmed at a (1415 cm −1 ) and b (901 cm −1 ) in the figure. However, in Example 3, it is clear that there is no significant change in peak shape at 30 ° C. and 150 ° C. From this result, it was suggested that the stability of sulfonic acid at high temperature was maintained in Example 3.

(無機固体酸化物を添加する効果)
次に、表1を参照しながら、本発明の実施例1〜9の大気中における膜表面の安定性を調査した結果を説明する。なお、表1は本発明の実施例1〜9の高分子電解質を室温(約22℃、湿度45%RH)に1時間放置したときの電解質表面における水分の付着を調べた結果である。表1に示すように、ハイドロジェンサルフェートをアニオンとする実施例7の高分子電解質は、大気中の水分を吸湿して、膜表面に凝縮した水が観察された。しかしながら、ジルコニアを配合した実施例9の高分子電解質においては全く観察されず、この結果より、ジルコニアに代表される無機固体酸化物を配合することによって、電解質膜内部におけるイオンの安定性が増し、大気中より吸湿することによって、表面に水を凝縮する現象が解消されることが示唆された。
(Effect of adding inorganic solid oxide)
Next, referring to Table 1, the results of investigating the stability of the film surface in the atmosphere of Examples 1 to 9 of the present invention will be described. Table 1 shows the results of examining the adhesion of moisture on the electrolyte surface when the polymer electrolytes of Examples 1 to 9 of the present invention were allowed to stand at room temperature (about 22 ° C., humidity 45% RH) for 1 hour. As shown in Table 1, the polymer electrolyte of Example 7 using hydrogen sulfate as an anion absorbed moisture in the atmosphere, and water condensed on the membrane surface was observed. However, it is not observed at all in the polymer electrolyte of Example 9 containing zirconia, and from this result, by adding an inorganic solid oxide typified by zirconia, the stability of ions inside the electrolyte membrane is increased, It was suggested that the phenomenon of water condensation on the surface is eliminated by absorbing moisture from the atmosphere.

Figure 2009016344
Figure 2009016344

すなわち、これにより、電解質製造工程並びに、MEA作製の工程における大気中水分の管理においても、特段の配慮の必要がないことが示唆された。なお、ジハイドロジェンフォスファートをアニオンとする実施例1〜6および実施例8に関しては、膜表面に水が凝縮する現象は認められなかった。   That is, this suggested that there is no need for special consideration in the management of moisture in the atmosphere in the electrolyte manufacturing process and the MEA manufacturing process. In addition, regarding Examples 1 to 6 and Example 8 in which dihydrogen phosphate was used as an anion, a phenomenon that water was condensed on the membrane surface was not observed.

続いて、図17および図18を参照しながら、無機固体酸化物を添加する効果について、更に説明をする。図17および図18は、本発明の実施例5および7と、無機固体酸化物の一例であるジルコニアを配する実施例8および9との高分子電解質の矩形試験片を不活性ガス気流中、室温から150℃まで50mNの応力で引っ張りながら、温度変化を行い、機械的強度を調べた結果である。本実験では、プロトン伝導性電解質膜の熱機械特性を調べるため、セイコー電子社製TMA/SS6100を用いて、アルゴンガス気流下で一定トルク引張り条件における膜の伸びを調べた。具体的には、試料を一定幅の短冊状に切り出し、試験片長が約5mmとなるようにチャックに固定し、50mNの一定負荷を引張り方向に与えて固定し、加熱炉により、室温から150℃まで5℃/分の速度で昇温を行い、試験片の伸びの変化を観測した。   Subsequently, the effect of adding the inorganic solid oxide will be further described with reference to FIGS. 17 and 18. FIGS. 17 and 18 show a rectangular specimen of a polymer electrolyte of Examples 5 and 7 of the present invention and Examples 8 and 9 in which zirconia, which is an example of an inorganic solid oxide, is arranged in an inert gas stream. This is a result of examining the mechanical strength by changing the temperature while pulling from room temperature to 150 ° C. with a stress of 50 mN. In this experiment, in order to investigate the thermomechanical characteristics of the proton conductive electrolyte membrane, the elongation of the membrane under a constant torque tension condition was examined under a stream of argon gas using a TMA / SS6100 manufactured by Seiko Denshi. Specifically, a sample is cut into a strip having a constant width, fixed to a chuck so that the length of the test piece is about 5 mm, fixed by applying a constant load of 50 mN in the pulling direction, and from a room temperature to 150 ° C. with a heating furnace. The temperature was raised at a rate of 5 ° C./min until the change in the elongation of the test piece was observed.

比較対象となる電解質(実施例5と実施例8、あるいは、実施例7と実施例9)は、ジルコニアの配合の有無に違いを持ち、配合する有機塩は同じものを比較したものである。また、図17および図18の縦軸は試験片の長さの変化を示し、横軸はサンプル近傍の雰囲気温度の変化を示している。図17および図18を見れば明らかなように、応力一定で引っ張りながら、温度を変化させた時に、雰囲気温度が上がるにつれて、100℃付近を過ぎると急激に試料長の伸びを示すが、これは高分子電解質の構造を形成するNafion(登録商標)の軟化に伴う変化であると考えられる。いずれの試料もジルコニアを配することによって、軟化温度が高温側にシフトすると同時に、その試料片の伸び方も鈍化していることがわかる。すなわち、軟化後のある温度においての試験片の長さの変化量を比較すれば、いずれのジルコニアを配する電解質(すなわち、実施例8および9)も、ジルコニアを配していない電解質(すなわち、実施例5および7)と比較して、伸び率が低下しており、ジルコニアを配した試験片の方が機械的強度が高いということが明確である。この結果より、無機固体酸化物を本発明に係る有機塩を相溶させた高分子固体電解質にさらに配合することによって、機械的強度も明確に向上することが示唆された。   The electrolytes to be compared (Examples 5 and 8 or Examples 7 and 9) have a difference in the presence or absence of zirconia, and the organic salts to be mixed are the same. Moreover, the vertical axis | shaft of FIG.17 and FIG.18 has shown the change of the length of a test piece, and the horizontal axis has shown the change of the atmospheric temperature near a sample. As apparent from FIG. 17 and FIG. 18, when the temperature is changed while pulling at a constant stress, the sample temperature increases rapidly when the ambient temperature rises, and the vicinity of 100 ° C. increases. This is considered to be a change accompanying the softening of Nafion (registered trademark) that forms the structure of the polymer electrolyte. It can be seen that by arranging zirconia in any sample, the softening temperature shifts to the high temperature side, and at the same time, the elongation of the sample piece also slows down. That is, when comparing the amount of change in the length of the test piece at a certain temperature after softening, any of the electrolytes in which zirconia is arranged (that is, Examples 8 and 9) is an electrolyte in which no zirconia is arranged (that is, Compared with Examples 5 and 7), the elongation is decreased, and it is clear that the test piece provided with zirconia has higher mechanical strength. From these results, it was suggested that the mechanical strength is also clearly improved by further blending the inorganic solid oxide with the solid polymer electrolyte in which the organic salt according to the present invention is compatible.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明の実施例1〜3および比較例2のイオン伝導度のアレニウスプロットである。It is an Arrhenius plot of the ionic conductivity of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3に用いたHMIPのイオン伝導度のアレニウスプロットである。It is an Arrhenius plot of the ionic conductivity of HMIP used for Example 3 of this invention. 本発明の実施例4〜7および比較例2のイオン伝導度のアレニウスプロットである。It is an Arrhenius plot of the ionic conductivity of Examples 4 to 7 and Comparative Example 2 of the present invention. 本発明の実施例8〜9および比較例2のイオン伝導度のアレニウスプロットである。It is an Arrhenius plot of the ionic conductivity of Examples 8-9 and Comparative Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3に用いたHMIPの示差走査熱分析(DSC)における昇温時の結晶化・融解ピークを示す図である。It is a figure which shows the crystallization and melting peak at the time of temperature rising in the differential scanning calorimetry (DSC) of HMIP used for Example 3 of this invention. 本発明の実施例4の電解質の示差走査熱分析(DSC)における昇温時の結晶化・融解ピークを示す図である。It is a figure which shows the crystallization and melting peak at the time of temperature rising in the differential scanning calorimetry (DSC) of the electrolyte of Example 4 of this invention. 本発明の実施例7の電解質の示差走査熱分析(DSC)における昇温時の結晶化・融解ピークを示す図である。It is a figure which shows the crystallization and melting peak at the time of temperature rising in the differential scanning calorimetry (DSC) of the electrolyte of Example 7 of this invention. 本発明の実施例9の電解質の示差走査熱分析(DSC)における昇温時の結晶化・融解ピークを示す図である。It is a figure which shows the crystallization and melting peak at the time of temperature rising in the differential scanning calorimetry (DSC) of the electrolyte of Example 9 of this invention. 本発明の実施例1〜3及び比較例1、2のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの分極曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization curve of the fuel cell test cell produced using the proton conductive electrolyte membrane of Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2 of this invention. 本発明の実施例8〜9のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの分極曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization curve of the fuel cell test cell produced using the proton-conductive electrolyte membrane of Examples 8-9 of this invention. 本発明の実施例1〜3に用いた有機塩の熱分解曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the thermal decomposition curve of the organic salt used for Examples 1-3 of this invention. 本発明の実施例3の高分子電解質を用いた燃料電池テストセルの連続運転結果を示すグラフである。It is a graph which shows the continuous operation result of the fuel cell test cell using the polymer electrolyte of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4のイオン伝導度のアレニウスプロットである。It is an Arrhenius plot of the ionic conductivity of Example 4 of this invention. 本発明の実施例4のプロトン伝導性電解質膜を用いて作製した燃料電池テストセルの分極曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization curve of the fuel cell test cell produced using the proton-conductive electrolyte membrane of Example 4 of this invention. 本発明の実施例3に用いた有機塩(HMIP)の塩濃度とイオン伝導度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the salt concentration of the organic salt (HMIP) used for Example 3 of this invention, and ionic conductivity. 本発明の実施例3と比較例1の高分子電解質の30℃及び150℃における赤外吸収スペクトルである。It is an infrared absorption spectrum at 30 ° C. and 150 ° C. of the polymer electrolytes of Example 3 and Comparative Example 1 of the present invention. 本発明の実施例5と実施例8の高分子電解質の機械的強度を調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the mechanical strength of the polymer electrolyte of Example 5 and Example 8 of this invention. 本発明の実施例7と実施例9の高分子電解質の機械的強度を調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the mechanical strength of the polymer electrolyte of Example 7 and Example 9 of this invention.

Claims (12)

有機化合物カチオンと、少なくとも1つ以上の水素原子を有する下記式(1)で表されるオキソ酸アニオンとからなる有機塩と、
酸性官能基を有する高分子電解質と、
を含むことを特徴とする、複合プロトン伝導体。
XO(OH) ・・・(1)
前記式(1)において、Xは、P、S又はNであり、m、nは1以上である。
An organic salt comprising an organic compound cation and an oxoacid anion represented by the following formula (1) having at least one hydrogen atom;
A polymer electrolyte having an acidic functional group;
A composite proton conductor comprising:
XO m (OH) n (1)
In the formula (1), X is P, S or N, and m and n are 1 or more.
前記有機化合物カチオンが、イミダゾリウムカチオンであることを特徴とする、請求項1に記載の複合プロトン伝導体。   The composite proton conductor according to claim 1, wherein the organic compound cation is an imidazolium cation. 前記イミダゾリウムカチオンが、1,3−置換イミダゾリウムカチオンであることを特徴とする、請求項2に記載の複合プロトン誘導体。   3. The complex proton derivative according to claim 2, wherein the imidazolium cation is a 1,3-substituted imidazolium cation. 前記1,3−置換イミダゾリウムカチオンが、下記一般式(2)で表されるイミダゾリウムカチオンであることを特徴とする、請求項3に記載の複合プロトン伝導体。
Figure 2009016344
前記一般式(2)において、Rは、炭素数1〜6のアルキル基、Rは、炭素数1〜30のアルキル基である。
The composite proton conductor according to claim 3, wherein the 1,3-substituted imidazolium cation is an imidazolium cation represented by the following general formula (2).
Figure 2009016344
In the general formula (2), R 1 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and R 2 is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms.
前記オキソ酸アニオンは、リン酸二水素アニオンまたは硫酸一水素アニオンであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の複合プロトン伝導体。   The composite proton conductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxo acid anion is a dihydrogen phosphate anion or a monohydrogen sulfate anion. 前記有機塩は、融点が130℃以下であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の複合プロトン伝導体。   The composite proton conductor according to claim 1, wherein the organic salt has a melting point of 130 ° C. or less. 前記高分子電解質は、フッ素化高分子電解質であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の複合プロトン伝導体。   The composite proton conductor according to claim 1, wherein the polymer electrolyte is a fluorinated polymer electrolyte. 前記酸性官能基は、スルホン酸基であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の複合プロトン伝導体。   The composite proton conductor according to claim 1, wherein the acidic functional group is a sulfonic acid group. 請求項1〜8のいずれかに記載の複合プロトン伝導体を含む、プロトン伝導性電解質膜。   A proton conductive electrolyte membrane comprising the composite proton conductor according to claim 1. 無機固体酸化物をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載のプロトン伝導性電解質膜。   The proton conductive electrolyte membrane according to claim 9, further comprising an inorganic solid oxide. 前記無機固体酸化物は、ジルコニア(ZrO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、チタニア(TiO)、ベリリア(BeO)、マグネシア(MgO)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ジルコン(ZrO・SiO)及びムライト(3Al・2SiO)からなる群より選択される少なくとも1種の酸化物であることを特徴とする、請求項10に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The inorganic solid oxide includes zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), beryllia (BeO), magnesia (MgO), zinc oxide (ZnO 2 ), barium titanate (BaTiO 3), characterized in that it is a zircon least one oxide selected from the group consisting of (ZrO 2 · SiO 2) and mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), claim 11. The proton conductive electrolyte membrane according to 10. 請求項9〜11のいずれかに記載のプロトン伝導性電解質膜を用いた膜電極接合体を備える、燃料電池。

A fuel cell comprising a membrane electrode assembly using the proton conductive electrolyte membrane according to claim 9.

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