JP2009104811A - Electrolyte membrane and membrane electrode assembly - Google Patents

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Hiroshi Tajima
洋 田島
Tadashi Yamada
正 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane with excellent low-methanol permeability. <P>SOLUTION: The electrolyte membrane contains a porous base material (A) with an inner communication structure, and a proton-dissociative polymer (B) as well as a non-proton-dissociative polymer (C) with a cross-linking structure contained inside the porous base material (A), with a contact angle of 50 to 70° to 30 mass% methanol aqueous solution, and the membrane electrode assembly is provided with the electrolyte membrane and electrodes. The (A) component is of an organic porous base material, and the (B) component is of a polymer having a cross-linking structure. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池、特に固体高分子型燃料電池及び直接メタノール型燃料電池用として好適な電解質膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane suitable for use in fuel cells, particularly solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells, and a method for producing the same.

従来から、燃料電池用の電解質膜として、スルホン酸基をはじめとする、解離性プロトンを有する官能基を含む重合体からなる電解質膜が知られている。中でも、燃料電池内で生成する水や、メタノールに代表される液体燃料への膨潤・溶解や、メタノール透過性が抑制され、かつ高いプロトン伝導性を有する電解質膜へのニーズが高い。
解離性プロトンを有する官能基を含む重合体の具体例には、パーフルオロスルホン酸の重合体、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンやポリベンズイミダゾール等の剛直な骨格にスルホン化により解離性プロトンを有する官能基が導入された重合体、或いは、該剛直な骨格にスルホン酸基を有する側鎖を結合させた重合体、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸(以下、AMPS)等の、C=C二重結合と解離性プロトンを有する官能基を有するモノマーを含む重合体等が挙げられる。
Conventionally, as an electrolyte membrane for a fuel cell, an electrolyte membrane made of a polymer containing a functional group having a dissociable proton such as a sulfonic acid group is known. In particular, there is a high need for an electrolyte membrane that has high proton conductivity and is prevented from swelling / dissolving in water produced in a fuel cell, liquid fuel typified by methanol, and methanol permeability.
Specific examples of the polymer containing a functional group having a dissociable proton include a polymer of perfluorosulfonic acid, a polyether sulfone, a polyether ketone, a polybenzimidazole, or the like having a dissociable proton by sulfonation. A polymer having a functional group introduced therein, or a polymer in which a side chain having a sulfonic acid group is bonded to the rigid skeleton, styrenesulfonic acid, vinylsulfonic acid, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfone Examples thereof include a polymer containing a monomer having a functional group having a C═C double bond and a dissociable proton, such as an acid (hereinafter referred to as AMPS).

このような解離性プロトンを有する官能基を含む重合体は、単独で電解質膜として用いられる場合もあるが、これらの解離性プロトンを有する官能基を含む重合体を電解質膜として使用する場合、(a)該重合体中の解離性プロトンを有する官能基量が多いと、高いプロトン伝導性が得られるが、水や、液体燃料に膨潤、溶解し易く、メタノール透過性が増大する;(b)該重合体中の解離性プロトンを有する官能基量が少ないと、水や液体燃料に膨潤、溶解し難くなり、メタノール透過性が抑制されるが、プロトン伝導性も低下する、という問題がある。   Such a polymer containing a functional group having a dissociative proton may be used alone as an electrolyte membrane. When a polymer containing a functional group having a dissociative proton is used as an electrolyte membrane, a) When the amount of the functional group having a dissociable proton in the polymer is large, high proton conductivity is obtained, but it easily swells and dissolves in water and liquid fuel, and increases methanol permeability; (b) When the amount of the functional group having a dissociable proton in the polymer is small, it becomes difficult to swell and dissolve in water or liquid fuel, and methanol permeability is suppressed, but there is a problem that proton conductivity is also lowered.

上記問題点を解決するために、例えば、特許文献1には、多孔質膜の空隙部に、単環式芳香族重合性単量体、架橋性重合性単量体及び重合性開始剤を充填させた後、当該重合組成物を重合硬化し、次いで前記単環式芳香族系単量体に由来するベンゼン環にカチオン交換基を導入する、直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法が開示されている。   In order to solve the above-mentioned problems, for example, Patent Document 1 discloses that a void of a porous membrane is filled with a monocyclic aromatic polymerizable monomer, a crosslinkable polymerizable monomer, and a polymerizable initiator. Then, a method for producing a diaphragm for a direct liquid fuel cell is disclosed in which the polymerization composition is polymerized and cured, and then a cation exchange group is introduced into a benzene ring derived from the monocyclic aromatic monomer. ing.

また、特許文献2には、酸生成基を有するポリマー中に、当該ポリマー中で形成された一分子中に二つ以上の二重結合を有する化合物のポリマーを含む高分子電解質膜であって、水及びメタノール浸漬後の膨潤率が特定範囲に制御された電解質膜が開示されている。   Patent Document 2 discloses a polymer electrolyte membrane containing a polymer of a compound having an acid-generating group and a compound having two or more double bonds in one molecule formed in the polymer, An electrolyte membrane in which the swelling ratio after immersion in water and methanol is controlled within a specific range is disclosed.

さらに、特許文献3には、解離性プロトンを有する官能基を含み、架橋構造を有する重合体からなる電解質膜前駆体に、解離性プロトンを有する官能基とC=C二重結合を有する解離性モノマーを重合して得られる重合体が充填された複合電解質膜が開示されている。   Further, Patent Document 3 discloses a dissociation property having a functional group having a dissociating proton and a C = C double bond in an electrolyte membrane precursor made of a polymer having a cross-linking structure that includes a functional group having a dissociating proton. A composite electrolyte membrane filled with a polymer obtained by polymerizing monomers is disclosed.

特開2007−234302号公報JP 2007-234302 A 特開2005−302312号公報JP 2005-30312 A 特開2007−128764号公報JP 2007-128764 A

しかしながら、上記文献に記載された電解質膜は、いずれも、メタノール透過性の観点から、未だに改善の余地を有するものである。   However, any of the electrolyte membranes described in the above documents still has room for improvement from the viewpoint of methanol permeability.

上記事情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、優れた低メタノール透過性を有する電解質膜及びその製造方法を提供することである。   In view of the above circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide an electrolyte membrane having excellent low methanol permeability and a method for producing the same.

本発明者らは、上記課題に対して鋭意研究を行った結果、30質量%メタノール水溶液に対する接触角が50〜70度である電解質膜が、優れた低メタノール透過性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors have found that an electrolyte membrane having a contact angle of 50 to 70 degrees with respect to a 30% by mass methanol aqueous solution has excellent low methanol permeability. The invention has been completed.

すなわち、本発明は以下のとおりである。
[1]
30質量%メタノール水溶液に対する接触角が50〜70度である、電解質膜。
[2]
内部連通構造を有する多孔質基材(A)と、
前記多孔質基材(A)の内部に含有される、プロトン解離性重合体(B)及び架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)と、
を含む上記[1]記載の電解質膜。
[3]
前記(B)成分は、架橋構造を有する重合体である、上記[2]記載の電解質膜。
[4]
前記(A)成分は、有機多孔質基材である、上記[2]又は[3]記載の電解質膜。
[5]
上記[1]〜[4]のいずれか記載の電解質膜と電極とを備える膜電極接合体。
[6]
上記[5]記載の膜電極接合体と集電体とを備える燃料電池。
That is, the present invention is as follows.
[1]
The electrolyte membrane whose contact angle with respect to 30 mass% methanol aqueous solution is 50-70 degree | times.
[2]
A porous substrate (A) having an internal communication structure;
A proton dissociable polymer (B) and a non-proton dissociable polymer (C) having a crosslinked structure, contained in the porous substrate (A);
The electrolyte membrane according to [1] above, comprising:
[3]
The electrolyte membrane according to the above [2], wherein the component (B) is a polymer having a crosslinked structure.
[4]
The electrolyte membrane according to [2] or [3], wherein the component (A) is an organic porous substrate.
[5]
A membrane electrode assembly comprising the electrolyte membrane according to any one of the above [1] to [4] and an electrode.
[6]
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to the above [5] and a current collector.

本発明によれば、優れた低メタノール透過性を有する電解質膜を提供することができる。   According to the present invention, an electrolyte membrane having excellent low methanol permeability can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、本実施の形態)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing variously within the range of the summary.

本実施の形態の電解質膜は、30質量%メタノール水溶液に対する接触角が50〜70度である。本実施の形態においては接触角を上記特定の範囲に調節することにより、得られる電解質膜に優れた低メタノール透過性を付与することができる。接触角が上記範囲の場合に、優れた低メタノール透過性が得られる理由としては、基材及び電解質ポリマー骨格由来の疎水性と、プロトン解離性基由来の親水性とのバランスにより、電解質膜がメタノール水溶液に対して適度な撥水性を示し、メタノール水溶液の電解質膜表面近傍への溶解性が低下し、結果として、メタノール透過性が著しく低減するものと推定される。   The electrolyte membrane of the present embodiment has a contact angle with respect to a 30% by mass methanol aqueous solution of 50 to 70 degrees. In the present embodiment, by adjusting the contact angle to the specific range, excellent low methanol permeability can be imparted to the obtained electrolyte membrane. The reason why excellent low methanol permeability is obtained when the contact angle is in the above range is that the electrolyte membrane has a balance between the hydrophobicity derived from the base material and the electrolyte polymer skeleton and the hydrophilicity derived from the proton dissociable group. It is presumed that moderate water repellency is exhibited with respect to the aqueous methanol solution, the solubility of the aqueous methanol solution in the vicinity of the electrolyte membrane surface is lowered, and as a result, the methanol permeability is remarkably reduced.

また、接触角が上記範囲外であると、メタノール透過性の低減効果が不十分となる理由としては、接触角が50度以下であると、電解質膜を構成するポリマーとメタノール水溶液の親和性が強くなる傾向にあるためメタノール透過性が増大し、逆に、70度以上であると、撥水性のポリマー骨格に親水性のプロトン解離性基が結合した構造をとる必要があり、含水させた際に、プロトン解離性基同士が大きな親水性ドメイン(クラスター)を形成し易く、メタノールには含水した大きな親水性ドメインの間を透過しやすい性質があることから、結果として、メタノール透過性が増大するものと推定される。   Moreover, if the contact angle is outside the above range, the effect of reducing the methanol permeability is insufficient. If the contact angle is 50 degrees or less, the affinity between the polymer constituting the electrolyte membrane and the aqueous methanol solution is Methanol permeability increases because it tends to become stronger. Conversely, if it is 70 degrees or more, it is necessary to take a structure in which a hydrophilic proton-dissociable group is bonded to a water-repellent polymer skeleton. In addition, proton-dissociable groups tend to form large hydrophilic domains (clusters), and methanol has the property of easily passing between large hydrophilic domains containing water, resulting in an increase in methanol permeability. Estimated.

接触角を上記範囲に調節する方法としては、プロトン解離性基により形成される親水性ドメインが小さいことが知られている公知の炭化水素系電解質膜に、疎水性で、架橋構造を付与可能なモノマーを、非重合性の溶媒を用いることなく単独で塗布、または浸漬させた後、重合させ、疎水性の架橋性非電解質ポリマーとして上記炭化水素系電解質膜内に含浸させる方法等が挙げられる。
即ち、基材及び含浸させる重合体の種類や量を適宜調整する事により行うことができる。
As a method for adjusting the contact angle within the above range, a known hydrocarbon electrolyte membrane known to have a small hydrophilic domain formed by a proton dissociable group can be imparted with a hydrophobic and crosslinked structure. Examples include a method in which a monomer is applied or immersed alone without using a non-polymerizable solvent, polymerized, and impregnated into the hydrocarbon-based electrolyte membrane as a hydrophobic cross-linkable non-electrolyte polymer.
That is, it can be performed by appropriately adjusting the type and amount of the base material and the polymer to be impregnated.

本実施の形態において、接触角は、液滴法により、1μLの30質量%メタノール水溶液を滴下し、電解質膜表面に着滴後20秒後の接触角をθ/2法により測定した値を意味する。   In the present embodiment, the contact angle means a value obtained by dropping 1 μL of a 30% by mass methanol aqueous solution by the droplet method and measuring the contact angle 20 seconds after landing on the electrolyte membrane surface by the θ / 2 method. To do.

本実施の形態の電解質膜は、30質量%メタノール水溶液に対する接触角が50〜70度であれば、いかなる成分で構成されていてもよいが、内部連通構造を有する多孔質基材(A)と、前記多孔質基材(A)の内部に含有される、プロトン解離性重合体(B)及び架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)と、を含むのが、優れた低メタノール透過性と共に、良好なプロトン伝導性が得られる傾向にあるため好ましい。以下、各成分について説明する。   The electrolyte membrane of the present embodiment may be composed of any component as long as the contact angle with respect to the 30% by mass methanol aqueous solution is 50 to 70 degrees, but the porous substrate (A) having an internal communication structure and Including a proton dissociable polymer (B) and a non-proton dissociable polymer (C) having a crosslinked structure contained in the porous base material (A). It is preferable because good proton conductivity tends to be obtained. Hereinafter, each component will be described.

[(A)成分:多孔質基材]
(A)成分である内部連通構造を有する多孔質基材としては、その内部に細孔等による空隙部を有する多孔質基材であって、空隙部を介して、少なくとも空隙部の一部により基材の表裏が連通されているものであれば公知の多孔質基材が制限なく使用できる。
[(A) component: porous substrate]
The porous substrate having an internal communication structure as the component (A) is a porous substrate having voids due to pores or the like therein, and at least part of the voids through the voids. A known porous substrate can be used without limitation as long as the front and back sides of the substrate are communicated.

多孔質基材の空隙部の平均孔径は、好ましくは0.01〜2μmであり、より好ましくは0.015〜0.4μmである。平均孔径が0.01μm以上である場合には、電解質膜のプロトン伝導性が増加する傾向にあり、平均孔径が2μm以下である場合には、電解質膜のメタノール透過性が低減する傾向にある。
なお、ここでいう平均孔径は、水銀圧入法(例えば、島津製作所製オートポア9520形)により、体積基準のメディアン径(μm)として測定したものである。
The average pore diameter of the void portion of the porous substrate is preferably 0.01 to 2 μm, more preferably 0.015 to 0.4 μm. When the average pore size is 0.01 μm or more, the proton conductivity of the electrolyte membrane tends to increase, and when the average pore size is 2 μm or less, the methanol permeability of the electrolyte membrane tends to decrease.
The average pore diameter here is measured as a volume-based median diameter (μm) by a mercury intrusion method (for example, Autopore 9520 manufactured by Shimadzu Corporation).

多孔質基材の空隙率(気孔率とも呼ばれる)は、好ましくは20〜95%であり、より好ましくは30〜90%である。
なお、ここでいう空隙率は、多孔質基材の厚みと面積から試料体積(cm3)と重量(g)を測定し、多孔質基材の素材密度を用い、次式を用いて計算した値である。
気孔率={1−(重量/素材密度)/試料体積}×100
The porosity (also referred to as porosity) of the porous substrate is preferably 20 to 95%, more preferably 30 to 90%.
In addition, the porosity here is a value calculated from the thickness and area of the porous substrate by measuring the sample volume (cm3) and weight (g), using the material density of the porous substrate, and using the following equation: It is.
Porosity = {1− (weight / material density) / sample volume} × 100

多孔質基材の透気度(JIS P−8117)は、好ましくは1500秒以下であり、より好ましくは1000秒以下である。透気度が上記範囲内であると、得られる電解質膜の電気抵抗が低くなり、かつ、高い物理的強度が保たれる傾向がある。   The air permeability (JIS P-8117) of the porous substrate is preferably 1500 seconds or less, and more preferably 1000 seconds or less. When the air permeability is within the above range, the electric resistance of the obtained electrolyte membrane tends to be low, and high physical strength tends to be maintained.

多孔質基材の厚みは、好ましくは3〜120μmであり、より好ましくは5〜100μmであり、さらに好ましくは5〜70μmである。   The thickness of the porous substrate is preferably 3 to 120 μm, more preferably 5 to 100 μm, and still more preferably 5 to 70 μm.

多孔質基材の形態としては、特に限定されず、多孔質フィルム、織布、不織布、紙、無機膜等の任意の形態のものを用いることができる。多孔質基材の材質としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の有機多孔質基材、シリカ、アルミナ等の無機多孔質基材及びそれらの混合物等が挙げられる。中でも、製造が容易であり、後述する(B)及び(C)成分との密着強度が高くなる傾向にあるため、有機多孔質基材が好ましく、熱可塑性樹脂がより好ましい。   It does not specifically limit as a form of a porous base material, The thing of arbitrary forms, such as a porous film, a woven fabric, a nonwoven fabric, paper, an inorganic film | membrane, can be used. Examples of the material for the porous substrate include organic porous substrates such as thermoplastic resins and thermosetting resins, inorganic porous substrates such as silica and alumina, and mixtures thereof. Among these, since the production is easy and the adhesion strength with the components (B) and (C) described later tends to be high, an organic porous substrate is preferable, and a thermoplastic resin is more preferable.

熱可塑性樹脂としては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテン等のα−オレフィンの単独重合体又は共重合体等のポリオレフィン樹脂;ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−オレフィン共重合体等の塩化ビニル系樹脂;ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフロオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等のフッ素系樹脂;ナイロン6、ナイロン66等のポリアミド樹脂等が挙げられ、中でも、化学的安定性、耐薬品性に優れ、かつ、高い機械的強度と小さい孔径の両立が可能であるため、好ましくはポリオレフィン樹脂であり、より好ましくはポリエチレン又はポリプロピレン樹脂であり、さらに好ましくはポリエチレン樹脂である。   Examples of the thermoplastic resin include α such as ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, and 5-methyl-1-heptene. -Polyolefin resins such as olefin homopolymers or copolymers; Vinyl chloride resins such as polyvinyl chloride, vinyl chloride-vinyl acetate copolymers, vinyl chloride-vinylidene chloride copolymers, vinyl chloride-olefin copolymers Fluorine such as polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer; -Based resin: nylon 6, nylon 66, etc. Among them, preferred are polyolefin resins, and more preferred are polyethylene resins and polypropylene, since they are excellent in chemical stability and chemical resistance, and can achieve both high mechanical strength and small pore diameter. A resin, more preferably a polyethylene resin.

多孔質基材は、例えば、特開平3−64334号、特開平9−216964号公報、特開平11−130899公報等に記載の方法によって得ることができる。また、このような多孔質基材としては市販品を用いることもでき、例えば、旭化成「ハイポア」、宇部興産「ユーポア」、東燃タピルス「セテラ」、日東電工「エクセポール」、三井化学「ハイレット」等を用いることができる。   The porous substrate can be obtained, for example, by the method described in JP-A-3-64334, JP-A-9-216964, JP-A-11-130899, and the like. In addition, as such a porous substrate, commercially available products can also be used. Etc. can be used.

[(B)成分:プロトン解離性重合体]
(B)成分であるプロトン解離性重合体としては、例えば、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等をプロトン解離性基として含む重合体が好適に使用可能であるが、電解質膜として、より良好なプロトン伝導性が発現される傾向にあるため、スルホン酸基を含む重合体を用いるのが好ましい。
[(B) component: proton dissociable polymer]
As the proton dissociable polymer as the component (B), for example, a polymer containing a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group or the like as a proton dissociable group can be preferably used. Since a better proton conductivity tends to be expressed, it is preferable to use a polymer containing a sulfonic acid group.

スルホン酸基を含む重合体としては、例えば、パーフルオロスルホン酸を含む重合体、スルホン酸基を有するエーテルスルホン構造を含む重合体、スルホン酸基を有する芳香族イミド構造を含む重合体、スルホン酸基を有する芳香族エーテルエーテルケトン構造を含む重合体、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸を含む重合体、ポリスチレンスルホン酸を含む重合体、ビニルスルホン酸を含む重合体、アリルスルホン酸を含む重合体、メタリルスルホン酸を含む重合体、ビニルトルエンスルホン酸を含む重合体、ビニルキシレンスルホン酸を含む重合体、α−メチルスチレンスルホン酸を含む重合体、ビニルナフタレンスルホン酸を含む重合体、スルホン酸基を有するフェノール構造を含む重合体等を好適に用いることができる。   Examples of the polymer containing a sulfonic acid group include a polymer containing a perfluorosulfonic acid, a polymer containing an ether sulfone structure having a sulfonic acid group, a polymer containing an aromatic imide structure having a sulfonic acid group, and a sulfonic acid. A polymer containing an aromatic ether ether ketone structure having a group, a polymer containing 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid, a polymer containing polystyrenesulfonic acid, a polymer containing vinylsulfonic acid, and allylsulfonic acid Polymer, polymer containing methallyl sulfonic acid, polymer containing vinyl toluene sulfonic acid, polymer containing vinyl xylene sulfonic acid, polymer containing α-methylstyrene sulfonic acid, polymer containing vinyl naphthalene sulfonic acid, A polymer containing a phenol structure having a sulfonic acid group can be suitably used. That.

また、本実施の形態において、(B)成分は、架橋構造を有しているのが、得られる電解質膜のメタノール透過性がより低減される傾向にあるため好ましい。架橋の種類としては、例えば、共有結合による架橋、水素結合による架橋、配位結合による架橋が挙げられるが、架橋構造の強さの観点から、共有結合による架橋が好ましい。プロトン解離性重合体(B)の共有結合による架橋構造は、例えば、あらかじめ、プロトン解離性官能基と、C=C二重結合を含んだモノマーを、ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、イソプレン、ジビニルピリジン、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、ジビニルビフェニル、トリアリルイソシアヌレート、トリビニルベンゼン等の、複数のC=C二重結合を有する架橋性のモノマーと共重合させて、架橋構造を導入する方法(例えば、スルホン化ポリスチレンをジビニルベンゼンで架橋する)、複数のプロトン解離性官能基同士に対し、架橋構造を導入する方法(スルホン化ポリエーテルエーテルケトンとジアミンとを用いて、複数のスルホン酸基同士をスルホンアミド結合により架橋する、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの複数のスルホン酸基同士を脱硫酸縮合させ、スルホネート結合させて架橋する)、プロトン解離性官能基以外の反応性の構造を架橋する方法(スルホン化芳香族ポリマー中のカルボニル基や、芳香環に直接結合したアルキル基や、末端の不飽和結合に、紫外線照射などによりエネルギーを供給して架橋構造を形成する、スルホン化フェノールをホルムアルデヒドで架橋して架橋型スルホン化フェノール樹脂とする)方法等の方法で、好適に導入可能である。架橋構造の導入比は、好ましくは10〜50mol%であり、より好ましくは15〜45mol%である。   In the present embodiment, the component (B) preferably has a crosslinked structure because the methanol permeability of the obtained electrolyte membrane tends to be further reduced. Examples of the type of cross-linking include cross-linking by covalent bond, cross-linking by hydrogen bond, and cross-linking by coordination bond. From the viewpoint of the strength of the cross-linking structure, cross-linking by covalent bond is preferable. The covalently crosslinked structure of the proton-dissociating polymer (B) can be obtained by, for example, preparing a monomer containing a proton-dissociating functional group and a C═C double bond in advance, divinylbenzene, divinylsulfone, butadiene, isoprene, divinyl. A crosslinked structure is introduced by copolymerizing with a crosslinkable monomer having a plurality of C═C double bonds, such as pyridine, N, N′-methylenebisacrylamide, divinylbiphenyl, triallyl isocyanurate, and trivinylbenzene. A method (for example, cross-linking sulfonated polystyrene with divinylbenzene), a method for introducing a cross-linked structure between a plurality of proton dissociative functional groups (a plurality of sulfonic acids using sulfonated polyether ether ketone and diamine) Sulfonated polyethers that crosslink groups with sulfonamide bonds -Sulfuric acid groups of terketones are desulfurized and condensed to form a sulfonate bond to crosslink), and reactive structures other than proton dissociative functional groups are crosslinked (carbonyl groups in sulfonated aromatic polymers, aromatic A method of forming a cross-linked structure by supplying energy to the alkyl group directly bonded to the ring or an unsaturated bond at the terminal by ultraviolet irradiation or the like, and crosslinking the sulfonated phenol with formaldehyde to form a cross-linked sulfonated phenol resin) Etc., and can be suitably introduced. The introduction ratio of the crosslinked structure is preferably 10 to 50 mol%, more preferably 15 to 45 mol%.

多孔質基材(A)の内部に含有される(B)成分の含有量は、好ましくは15〜4000質量%、より好ましくは25〜2000質量%、さらに好ましくは35〜900質量%である。(B)成分の含有量が15質量%以上であると、電解質膜のプロトン伝導性が良好となる傾向にあり、4000質量%以下であると、電解質膜のメタノール透過性が低減する傾向にある。   The content of the component (B) contained in the porous substrate (A) is preferably 15 to 4000% by mass, more preferably 25 to 2000% by mass, and further preferably 35 to 900% by mass. When the content of the component (B) is 15% by mass or more, the proton conductivity of the electrolyte membrane tends to be favorable, and when it is 4000% by mass or less, the methanol permeability of the electrolyte membrane tends to decrease. .

[(C)成分:架橋構造を有する非プロトン解離性重合体]
(C)成分である架橋構造を有する非プロトン解離性重合体としては、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、α、ω両末端がビニルフェノキシ化されたC2以上のアルカン、α、ω両末端が(メタ)アクリレート化されたC2以上のジオール及びジオールが2分子以上縮合したジ(メタ)アクリレート系化合物、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート及びそのエチレンオキサイド又はプロピレンオキサイドによる変性物、イソシアヌル酸トリアリル、イソシアヌル酸トリ(メタ)アクリレート、全ての水酸基が(メタ)アクリレート化されたペンタエリスリトール及びその縮合物等の、複数の二重結合を有する化合物を重合させることにより得られる重合体であるのが好ましい。これらの複数の二重結合を有する化合物は、2種以上を組み合わせて用いることも可能である。また、市販されているジビニルベンゼンのように、不純物として複数の二重結合を含まないスチレン誘導体が混入している場合があるが、これらの不純物を除くことなく使用してもよい。さらに、電解質膜製造の際、複数の二重結合を有する化合物の総量を上回らない範囲で、スチレンモノマーを始めとする、複数の二重結合を含まないモノマーを、(C)成分を形成するモノマー混合物の粘度調整等の目的で、併用して架橋構造を付与することも可能である。中でも、メタノール透過性の低減の観点から、アミド系、エーテル系、エステル系官能基を含まない、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、α、ω両末端がビニルフェノキシ化されたC2以上のアルカン、イソシアヌル酸トリアリル等、水と混合しない疎水性の化合物からなる重合体が好ましい。
[Component (C): Non-proton dissociable polymer having a crosslinked structure]
Examples of the aprotic dissociative polymer having a crosslinked structure as component (C) include N, N′-methylenebisacrylamide, divinylbenzene, trivinylbenzene, α- and ω-terminated alkanes having both terminals α and ω vinylated. , Α and ω both ends of (meth) acrylated C2 or more diol and di (meth) acrylate compound condensed with two or more molecules of diol, trimethylolpropane tri (meth) acrylate and its ethylene oxide or propylene oxide It is obtained by polymerizing a compound having a plurality of double bonds, such as a modified product, triallyl isocyanurate, tri (meth) acrylate isocyanurate, pentaerythritol in which all hydroxyl groups are (meth) acrylated, and condensates thereof. A polymer is preferred. These compounds having a plurality of double bonds can be used in combination of two or more. In addition, styrene derivatives that do not contain a plurality of double bonds may be mixed as impurities, such as commercially available divinylbenzene, but they may be used without removing these impurities. Furthermore, in the production of the electrolyte membrane, a monomer that does not contain a plurality of double bonds, such as a styrene monomer, within a range not exceeding the total amount of compounds having a plurality of double bonds, is a monomer that forms component (C). For the purpose of adjusting the viscosity of the mixture, a cross-linked structure can be imparted in combination. Among them, from the viewpoint of reducing methanol permeability, divinylbenzene, trivinylbenzene, α- and ω-terminated vinylphenoxylated C2 or higher alkanes and isocyanuric acids that do not contain amide, ether, and ester functional groups. A polymer composed of a hydrophobic compound that does not mix with water, such as triallyl, is preferred.

多孔質基材(A)の内部に含有される(C)成分の含有量は、好ましくは0.01〜5質量%、より好ましくは0.05〜4質量%、さらに好ましくは0.1〜3質量%である。(C)成分の含有量が5質量%以下であると、電解質膜への(C)成分付着量が多過ぎず、電解質膜のプロトン伝導性が良好となる傾向にあり、0.01質量%以上であると、(C)成分による電解質膜のメタノール透過性低減効果がより大きくなる傾向にあるため好ましい。   The content of the component (C) contained in the porous substrate (A) is preferably 0.01 to 5% by mass, more preferably 0.05 to 4% by mass, and still more preferably 0.1 to 5% by mass. 3% by mass. When the content of the component (C) is 5% by mass or less, the amount of the component (C) attached to the electrolyte membrane is not too much, and the proton conductivity of the electrolyte membrane tends to be good, and 0.01% by mass The above is preferable because the methanol permeability reduction effect of the electrolyte membrane by the component (C) tends to be larger.

[電解質膜の製造]
本実施の形態の電解質膜の製造方法としては、特に限定されないが、例えば以下の(I),(II)の方法を採用することができる。
(I)内部連通構造を有する多孔質基材(A)の内部にプロトン解離性重合体(B)を形成するモノマー(b)を充填する第一充填工程と、
前記第一充填工程の後に、前記モノマー(b)を重合してプロトン解離性重合体(B)を形成する第一重合工程と、
前記第一重合工程の後に、架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)を形成するモノマー(c)を充填する第二充填工程と、
前記第二充填工程の後に、前記モノマー(c)を重合して架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)を形成する第二重合工程と、
を含む製造方法;
(II)内部連通構造を有する多孔質基材(A)の内部にプロトン解離性重合体(B)を形成するモノマー(b)を充填する第一充填工程と、
前記第一充填工程の後に、前記モノマー(b)を重合して重合体を形成する第一重合工程と、
前記第一重合工程の後に、前記重合体にプロトン解離性基を導入してプロトン解離性重合体(B)を形成するプロトン解離性基導入工程と、
前記プロトン解離性基導入工程の後に、架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)を形成するモノマー(c)を充填する第二充填工程と、
前記第二充填工程の後に、前記モノマー(c)を重合して架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)を形成する第二重合工程と、
を含む製造方法。
[Manufacture of electrolyte membrane]
The manufacturing method of the electrolyte membrane of the present embodiment is not particularly limited, but for example, the following methods (I) and (II) can be employed.
(I) a first filling step of filling a monomer (b) that forms a proton dissociable polymer (B) inside a porous substrate (A) having an internal communication structure;
A first polymerization step of polymerizing the monomer (b) to form a proton dissociable polymer (B) after the first filling step;
After the first polymerization step, a second filling step of filling the monomer (c) that forms the aprotic dissociative polymer (C) having a crosslinked structure;
A second polymerization step of polymerizing the monomer (c) to form an aprotic dissociable polymer (C) having a crosslinked structure after the second filling step;
A production method comprising:
(II) a first filling step of filling the monomer (b) that forms the proton dissociable polymer (B) inside the porous substrate (A) having an internal communication structure;
A first polymerization step of polymerizing the monomer (b) to form a polymer after the first filling step;
After the first polymerization step, a proton dissociable group introduction step of introducing a proton dissociable group into the polymer to form a proton dissociable polymer (B);
A second filling step of filling the monomer (c) that forms the aprotic dissociable polymer (C) having a crosslinked structure after the proton dissociable group introduction step;
A second polymerization step of polymerizing the monomer (c) to form an aprotic dissociable polymer (C) having a crosslinked structure after the second filling step;
Manufacturing method.

このような製造方法を採用することは、第一充填工程の際に、モノマー(b)を溶解するために使用される場合がある溶媒が脱離して生じる空隙や、プロトン解離性基導入工程後に採用される場合がある水による洗浄工程時に生じると考えられる、メタノールを透過させやすいルーズな構造を、重合体(C)により充填し、電解質膜を緻密化し、メタノール透過性を抑える観点から好ましい。   Employing such a production method means that, after the step of introducing a proton dissociable group, a void formed by the elimination of a solvent that may be used to dissolve the monomer (b) during the first filling step. It is preferable from the viewpoint of filling a loose structure that easily allows methanol permeation, which is likely to occur during a washing step with water that may be employed, with polymer (C), densifying the electrolyte membrane, and suppressing methanol permeability.

プロトン解離性重合体(B)は、あらかじめプロトン解離性基を有するモノマー(b)を用いて重合を行うか、あるいはプロトン解離性基を有さないモノマー(b)を用いて重合を行った後、得られた重合体にプロトン解離性基を導入することにより調製される。   The proton dissociative polymer (B) is polymerized in advance using the monomer (b) having a proton dissociable group, or polymerized using a monomer (b) having no proton dissociable group. It is prepared by introducing a proton dissociable group into the obtained polymer.

モノマー(b)として、プロトン解離性基を有するモノマーとしては、例えば、ビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、等のスルホン酸系単量体;アクリル酸、メタクリル酸、ビニル安息香酸等のカルボン酸系単量体;ビニルホスホン酸、スチレンホスホン酸等のホスホン酸系単量体等の、公知のC=C二重結合とスルホン酸、カルボン酸、ホスホン酸基を有する化合物等が挙げられる。   As the monomer (b), examples of the monomer having a proton dissociable group include sulfones such as vinyl sulfonic acid, (meth) allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, and 2- (meth) acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid. Acidic monomers; carboxylic acid monomers such as acrylic acid, methacrylic acid, and vinyl benzoic acid; known C═C double bonds such as phosphonic acid monomers such as vinylphosphonic acid and styrenephosphonic acid And compounds having a sulfonic acid, carboxylic acid, or phosphonic acid group.

一方、プロトン解離性基を有さないモノマーとしては、例えば,スチレン、o−,m−,p−メチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、1,2,4−トリメチルスチレン、1,3,4−トリメチルスチレン、2−エチル−4−メチルスチレン、2−プロピル−4−メチルスチレン、2−ブチル−4−メチルスチレン、2−クロロ−4−メチルスチレン、p−メチル−α−メチルスチレン等のビニル芳香族化合物が挙げられる。上記モノマーは単独で用いても、2種以上を併用してもよい。   On the other hand, as a monomer having no proton dissociable group, for example, styrene, o-, m-, p-methylstyrene, 2,4-dimethylstyrene, 1,2,4-trimethylstyrene, 1,3,4 -Trimethylstyrene, 2-ethyl-4-methylstyrene, 2-propyl-4-methylstyrene, 2-butyl-4-methylstyrene, 2-chloro-4-methylstyrene, p-methyl-α-methylstyrene, etc. A vinyl aromatic compound is mentioned. The above monomers may be used alone or in combination of two or more.

モノマー(b)としては、多孔質基材へ充填し易く、かつ、得られる電解質膜のプロトン伝導性が良好となる傾向にあるため、疎水性ビニルモノマーを用いることが好ましい。このような疎水性ビニルモノマーとしては、例えば、上記のスチレン、メチルスチレンを始めとする疎水性のビニル芳香族化合物とジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、α、ω両末端がビニルフェノキシ化されたC2以上のアルカン等の疎水性の架橋剤を併用して用いるのが好ましい。   As the monomer (b), it is preferable to use a hydrophobic vinyl monomer because it is easy to fill the porous substrate and the proton conductivity of the obtained electrolyte membrane tends to be good. Examples of such a hydrophobic vinyl monomer include the above-mentioned hydrophobic vinyl aromatic compounds such as styrene and methylstyrene and divinylbenzene, trivinylbenzene, C2 or more in which both α and ω terminals are vinylphenoxylated. It is preferable to use a hydrophobic cross-linking agent such as alkane in combination.

モノマー(b)を多孔質基材(A)内部に充填する方法としては、モノマーだけで、または溶媒に溶解させて、モノマー液(液状モノマー)として、例えば浸漬法やコート法等の公知の方法で、(A)成分である多孔質基材に含浸される。含浸の際、溶媒を使用する場合は、多孔質基材に浸透しやすい、例えば、水、アルコール類、ジメチルスルホキシド、等の極性溶媒が好適に使用可能であるが、溶媒を用いると、電解質膜の使用時に溶媒が除去されることにより、得られる電解質膜のメタノール透過性が増加するおそれがあるため、溶媒を使用せずに含浸させるのが好ましい。また、必要に応じて、界面活性剤、可塑剤などの添加剤を少量用いることも可能である。   As a method of filling the monomer (b) inside the porous substrate (A), a known method such as an immersion method or a coating method can be used as a monomer liquid (liquid monomer) by dissolving only in the monomer or in a solvent. Then, the porous substrate as component (A) is impregnated. When using a solvent during impregnation, polar solvents such as water, alcohols, dimethyl sulfoxide and the like that can easily penetrate into the porous base material can be suitably used. Since the methanol permeability of the resulting electrolyte membrane may be increased by removing the solvent during use, it is preferable to impregnate without using a solvent. If necessary, a small amount of additives such as a surfactant and a plasticizer can be used.

多孔質基材(A)の空隙部に充填されたモノマー(b)の重合方法としては、特に限定されず、モノマー及び重合開始剤の種類に応じて適宜公知の方法を採用すればよい。重合開始剤として、例えば有機過酸化物を用いる場合は、加熱による重合方法(熱重合)を用いるのが一般的である。この方法は、操作が容易で、また比較的均一に重合させることができるので好ましい。重合に際しては、酸素による重合阻害を防止し、また表面の平滑性を得るため、モノマー(b)が充填された多孔質基材をポリエステル等のフィルムで覆った後、重合させのが好ましい。フィルムで多孔質基材を覆うことにより、過剰のモノマーが多孔質基材から排除され、薄く均一な電解質膜が得られる傾向にある。   The method for polymerizing the monomer (b) filled in the voids of the porous substrate (A) is not particularly limited, and a known method may be appropriately employed depending on the types of the monomer and the polymerization initiator. For example, when an organic peroxide is used as the polymerization initiator, a heating polymerization method (thermal polymerization) is generally used. This method is preferable because it is easy to operate and can be relatively uniformly polymerized. In the polymerization, in order to prevent polymerization inhibition due to oxygen and to obtain smoothness of the surface, it is preferable to perform polymerization after covering the porous substrate filled with the monomer (b) with a film of polyester or the like. By covering the porous substrate with a film, excess monomer is excluded from the porous substrate, and a thin and uniform electrolyte membrane tends to be obtained.

重合開始剤としては、有機過酸化物を用いるのが好ましく、例えば、オクタノイルパーオキシド、ラウロイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、ベンゾイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシイソブチレート、t−ブチルパーオキシラウレート、t−ヘキシルパーオキシベンゾエート、ジ−t−ブチルパーオキシド等のラジカル重合開始剤が挙げられる。   As the polymerization initiator, an organic peroxide is preferably used. For example, octanoyl peroxide, lauroyl peroxide, t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, benzoyl peroxide, t-butylperoxyiso Examples thereof include radical polymerization initiators such as butyrate, t-butyl peroxylaurate, t-hexyl peroxybenzoate, and di-t-butyl peroxide.

重合開始剤の使用量は、モノマーや重合開始剤の種類に応じて適宜変更されるが、通常、モノマー成分100質量部に対して、好ましくは0.1〜20質量部、より好ましくは0.5〜10質量部である。   Although the usage-amount of a polymerization initiator is suitably changed according to the kind of monomer or polymerization initiator, Preferably it is 0.1-20 mass parts with respect to 100 mass parts of monomer components, More preferably, it is 0.00. 5 to 10 parts by mass.

熱重合させる際の重合温度は特に制限されず、公知の温度条件を適宜選択すればよいが、好ましくは50〜150℃、より60〜120℃である。重合時間は、好ましくは10分〜10時間である。   The polymerization temperature at the time of thermal polymerization is not particularly limited, and a known temperature condition may be appropriately selected, but is preferably 50 to 150 ° C, more preferably 60 to 120 ° C. The polymerization time is preferably 10 minutes to 10 hours.

プロトン解離性基を有さないモノマー(b)を用いて重合を行った後の、重合体に導入されるプロトン解離性基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等が挙げられ、中でも、得られる電解質膜のプロトン伝導性が良好となる傾向にあるため、スルホン酸基が好ましい。   Examples of the proton-dissociable group introduced into the polymer after polymerization using the monomer (b) having no proton-dissociable group include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, and a phosphonic acid group. Among them, a sulfonic acid group is preferable because proton conductivity of the obtained electrolyte membrane tends to be good.

重合体にスルホン酸基を導入する方法としては、例えば、ベンゼン環にスルホン酸基を導入する方法として、例えば、濃硫酸、発煙硫酸、二酸化硫黄、クロロスルホン酸等のスルホン化剤を反応させる方法等が挙げられる。また、ベンゼン環にホスホン基を導入する方法としては、例えば、重合体に無水塩化アルミニウムの存在下、三塩化リンを反応させた後、アルカリ性水溶液中で加水分解する方法等が挙げられる。更に、ベンゼン環にカルボン酸基を導入する方法としては、ハロゲン化鉄等の触媒の存在下、ハロゲンガスと接触させることによりハロゲン化し、さらにアルキルリチウムと反応させた後、二酸化炭素と反応させる方法等が挙げられる。   As a method for introducing a sulfonic acid group into a polymer, for example, as a method for introducing a sulfonic acid group into a benzene ring, for example, a method of reacting a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur dioxide, chlorosulfonic acid, etc. Etc. Examples of the method for introducing a phosphonic group into the benzene ring include a method in which the polymer is reacted with phosphorus trichloride in the presence of anhydrous aluminum chloride and then hydrolyzed in an alkaline aqueous solution. Furthermore, as a method of introducing a carboxylic acid group into the benzene ring, a method of halogenating by contacting with a halogen gas in the presence of a catalyst such as iron halide, further reacting with alkyllithium, and then reacting with carbon dioxide. Etc.

本実施の形態においては、上記第一充填工程及び第一重合工程、又は、上記第一充填工程、第一重合工程、及びプロトン解離性基導入工程により、多孔質基材(A)内部に、プロトン解離性重合体(B)を形成させた後、架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)を形成するモノマー(c)を充填する第二充填工程と、前記第二充填工程の後に、前記モノマー(c)を重合して架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)を形成する第二重合工程を実施する。   In the present embodiment, the first filling step and the first polymerization step, or the first filling step, the first polymerization step, and the proton dissociable group introduction step, into the porous substrate (A), After the formation of the proton dissociable polymer (B), a second filling step of filling the monomer (c) that forms the non-proton dissociating polymer (C) having a crosslinked structure, and after the second filling step The second polymerization step of polymerizing the monomer (c) to form the aprotic dissociable polymer (C) having a crosslinked structure is carried out.

モノマー(c)としては、例えば、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、α、ω両末端がビニルフェノキシ化されたC2以上のアルカン、α、ω両末端が(メタ)アクリレート化されたC2以上のジオール及びジオールが2分子以上縮合したジ(メタ)アクリレート系化合物、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート及びそのエチレンオキサイドまたはプロピレンオキサイドによる変性物、イソシアヌル酸トリアリル、イソシアヌル酸トリ(メタ)アクリレート、全ての水酸基が(メタ)アクリレート化されたペンタエリスリトール及びその縮合物等の、複数の二重結合を有する化合物を用いることができ、中でも、多孔質基材へ充填し易く、かつ、得られる電解質膜のメタノール透過性が低減する傾向にあるため、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、α、ω両末端がビニルフェノキシ化されたC2以上のアルカン、イソシアヌル酸トリアリル等、水と混合しない疎水性の架橋剤が好ましい。   Examples of the monomer (c) include N, N′-methylenebisacrylamide, divinylbenzene, trivinylbenzene, C2 or higher alkane in which both ends of α and ω are vinylphenoxylated, and both ends of α and ω are (meth). Diacrylated C2 or higher diol and di (meth) acrylate-based compounds in which two or more diols are condensed, trimethylolpropane tri (meth) acrylate and its modified products by ethylene oxide or propylene oxide, triallyl isocyanurate, triisocyanurate A compound having a plurality of double bonds, such as (meth) acrylate, pentaerythritol in which all hydroxyl groups are (meth) acrylated, and a condensate thereof can be used. And methanol permeation of the resulting electrolyte membrane Because There is a tendency to decrease, divinylbenzene, trivinylbenzene, alpha, omega both ends vinylphenoxy reduction has been C2 or more alkanes, such as triallyl isocyanurate, hydrophobic crosslinking agent immiscible with water is preferred.

モノマー(c)を多孔質基材(A)内部に充填する方法としては、上記モノマー(b)の充填方法と同様の方法を用いることができ、多孔質基材(A)に含浸させたモノマー(c)を重合させる方法としては、上記と同様の重合法を用いることができる。   As a method of filling the monomer (c) into the porous substrate (A), a method similar to the method of filling the monomer (b) can be used. The monomer impregnated in the porous substrate (A) As a method for polymerizing (c), the same polymerization method as described above can be used.

[膜電極接合体、燃料電池]
上記のようにして得られる電解質膜は、必要に応じて洗浄、裁断等が行われ、以下に説明するような常法に従って、燃料電池用の隔膜として用いることができる。
[Membrane electrode assembly, fuel cell]
The electrolyte membrane obtained as described above is washed, cut, and the like as necessary, and can be used as a diaphragm for a fuel cell according to a conventional method as described below.

本実施の形態の燃料電池は、公知の方法に従って、電解質膜の両面にガス拡散電極を密着させ(膜電極接合体の製造)、ついで膜全体を集電体で挟むことにより製造することができる。ガス拡散電極は、公知の方法に従って、白金、もしくは白金と例えばルテニウム等の異種金属との合金からなる微粒子を担持したカーボンブラック粉末を、公知の解離性プロトンを有する官能基を含む重合体やPTFEなどの疎水性樹脂バインダーで保持した多孔質体のシートよりなる。該ガス拡散電極は、公知の方法、例えばあらかじめ支持体上にガス拡散電極を作成した後、ホットプレスにより電解質膜と密着させる、電解質膜上にスクリーン印刷で直接形成する等の方法により、電解質膜に密着させる。   The fuel cell of the present embodiment can be manufactured by attaching gas diffusion electrodes to both surfaces of the electrolyte membrane (manufacturing the membrane electrode assembly) and then sandwiching the entire membrane with a current collector according to a known method. . In accordance with a known method, the gas diffusion electrode is prepared by using carbon black powder carrying fine particles made of platinum or an alloy of platinum and a dissimilar metal such as ruthenium, a polymer containing a functional group having a known dissociative proton, or PTFE. And a porous sheet held by a hydrophobic resin binder. The gas diffusion electrode may be formed by a known method, for example, by preparing a gas diffusion electrode on a support in advance and then closely adhering to the electrolyte membrane by hot pressing, or directly forming it on the electrolyte membrane by screen printing. Adhere to.

集電体は、導電性カーボン板などの導電性材料からなり、陰極側には燃料ガスもしくは液体、陽極側には酸化剤ガスの流路となる溝が形成される。   The current collector is made of a conductive material such as a conductive carbon plate, and a groove serving as a flow path for fuel gas or liquid is formed on the cathode side and an oxidant gas is formed on the anode side.

固体高分子型燃料電池では、例えば、陰極側には水素ガスが、陽極側には空気が供給され、次の反応により電気エネルギーが生成する。
陰極:H2→2H++2e-
陽極:1/2O2+2H++2e-→H2
In a polymer electrolyte fuel cell, for example, hydrogen gas is supplied to the cathode side and air is supplied to the anode side, and electric energy is generated by the following reaction.
Cathode: H 2 → 2H + + 2e
Anode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

直接メタノール型燃料電池では、例えば、陰極側にはメタノール水溶液が、陽極側には空気が供給され、次の反応により電気エネルギーが生成する。
陰極:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
陽極:3/2O2+6H++6e-→3H2
In a direct methanol fuel cell, for example, an aqueous methanol solution is supplied to the cathode side and air is supplied to the anode side, and electric energy is generated by the following reaction.
Cathode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
Anode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O

以下に実施例を示して、本実施の形態をより詳細に説明する。
[測定方法]
本明細書中の物性等の測定方法は以下の通りである。
(接触角の測定)
協和界面科学社製 自動接触角系 CA−V150型を使用し、液滴法により、1μlの30質量%メタノール水溶液を滴下し、電解質膜表面に着滴後20秒後の接触角をθ/2法により測定した。
(メタノール透過性の測定)
ガラス製H型セルに電解質膜を挟み、片側のセル(A)に30質量%メタノール水溶液、反対側のセル(B)にイオン交換水を入れ、両側のセルを攪拌しながら、セル(B)内のメタノール濃度の経時変化をガスクロマトグラフにて定量し、メタノール透過性を求めた。各電解質膜の測定値を、米国デュポン社製Nafion(登録商標)117について同様に測定した値で割り、相対値として規格化した。
(プロトン伝導性の測定)
40℃、水中における膜面方向のプロトン伝導度(S/cm)を、英国ソーラトロン社製 1280Bケミカルインピーダンスアナライザを用い、4端子法により測定した交流インピーダンスから求め、この値を膜厚み(cm)で割り、プロトン伝導性(S/cm2)とした。各電解質膜の測定値を、米国デュポン社製Nafion(登録商標)117について同様に測定した値で割り、相対値として規格化した。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples.
[Measuring method]
The measuring method of the physical property etc. in this specification is as follows.
(Measurement of contact angle)
Using an automatic contact angle system CA-V150 manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd., 1 μl of a 30% by mass methanol aqueous solution is dropped by the droplet method, and the contact angle 20 seconds after landing on the electrolyte membrane surface is θ / 2. Measured by the method.
(Measurement of methanol permeability)
An electrolyte membrane is sandwiched between a glass H-type cell, a 30% by weight aqueous methanol solution is added to one side cell (A), ion-exchanged water is added to the opposite side cell (B), and the cells on both sides are agitated. The change in methanol concentration with time was quantified with a gas chromatograph to determine methanol permeability. The measured value of each electrolyte membrane was divided by the value measured in the same manner for Nafion (registered trademark) 117 manufactured by DuPont, USA, and normalized as a relative value.
(Measurement of proton conductivity)
The proton conductivity (S / cm) in the direction of the membrane surface at 40 ° C. in water was determined from the AC impedance measured by the 4-terminal method using a 1280B chemical impedance analyzer manufactured by Solartron, England, and this value was obtained as the membrane thickness (cm). The proton conductivity (S / cm 2 ) was divided. The measured value of each electrolyte membrane was divided by the value measured in the same manner for Nafion (registered trademark) 117 manufactured by DuPont, USA, and normalized as a relative value.

[比較例1]
ポリエチレン微多孔膜(厚み16μm、気孔率41%、透気度250sec/100cc)を、メチルスチレン(和光純薬工業製、m−体 約60%、p−体 約40%の混合物)60質量部、ジビニルベンゼン(DVB)(和光純薬工業製、含有率 約55%の異性体混合物)40質量部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルエキサノエート(日本油脂製、商標名「パーブチルO」、含有率 97%以上)5質量部からなるモノマー液に含浸し、引き上げた後、2枚のポリエチレンテレフタレートフィルム(以下、PETフィルム)に挟み、窒素雰囲気下、80℃で5時間重合した。得られた膜をPETフィルムから剥離し、98%濃硫酸と純度90%以上のクロロスルホン酸の1:1の混合物中に40℃で60分間浸漬して、ベンゼン環をスルホン化し、電解質膜を得た。得られた電解質膜の接触角は32度、プロトン伝導性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で4.4であり、メタノール透過性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で0.23であった。
[Comparative Example 1]
Polyethylene microporous membrane (thickness: 16 μm, porosity: 41%, air permeability: 250 sec / 100 cc), 60 parts by mass of methylstyrene (mixed product of Wako Pure Chemical Industries, m-form: about 60%, p-form: about 40%) , Divinylbenzene (DVB) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., isomer mixture having a content of about 55%), t-butylperoxy-2-ethylexanoate (manufactured by NOF Corporation, trade name) “Perbutyl O” (content 97% or more) impregnated with 5 parts by mass of a monomer liquid, pulled up, sandwiched between two polyethylene terephthalate films (hereinafter referred to as “PET film”), and in nitrogen atmosphere at 80 ° C. for 5 hours Polymerized. The obtained film was peeled off from the PET film and immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more at 40 ° C. for 60 minutes to sulfonate the benzene ring, and the electrolyte membrane was Obtained. The obtained electrolyte membrane had a contact angle of 32 degrees, proton conductivity of 4.4 relative to Nafion (registered trademark) 117, and methanol permeability of 0.2 relative to Nafion (registered trademark) 117. 23.

[比較例2]
ポリエチレン微多孔膜(厚み25μm、気孔率36%、透気度700sec/100cc)を、メチルスチレン(比較例1で使用したものと同様)60質量部、ジビニルベンゼン(DVB)(比較例1で使用したものと同様)40質量部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルエキサノエート(比較例1で使用したものと同様)5質量部からなるモノマー液に含浸し、引き上げた後、2枚のPETフィルムに挟み、窒素雰囲気下、80℃で5時間重合した。得られた膜をPETフィルムから剥離し、98%濃硫酸と純度90%以上のクロロスルホン酸の1:1の混合物中に40℃で60分間浸漬して、ベンゼン環をスルホン化し、電解質膜を得た。得られた電解質膜の接触角は42度、プロトン伝導性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で3.3であり、メタノール透過性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で0.50あった。
[Comparative Example 2]
Polyethylene microporous membrane (thickness 25 μm, porosity 36%, air permeability 700 sec / 100 cc), 60 parts by mass of methylstyrene (similar to that used in Comparative Example 1), divinylbenzene (DVB) (used in Comparative Example 1) After impregnating the monomer liquid consisting of 40 parts by mass and 5 parts by mass of t-butylperoxy-2-ethylexanoate (similar to that used in Comparative Example 1) as a polymerization initiator and pulling it up The film was sandwiched between two PET films and polymerized at 80 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained film was peeled off from the PET film and immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more at 40 ° C. for 60 minutes to sulfonate the benzene ring, and the electrolyte membrane was Obtained. The obtained electrolyte membrane had a contact angle of 42 degrees, proton conductivity of 3.3 relative to Nafion (registered trademark) 117, and methanol permeability of 0.2 relative to Nafion (registered trademark) 117. There were 50.

[実施例1]
比較例1の電解質膜を、ジビニルベンゼン(比較例1で使用したものと同様)100質量部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルエキサノエート(比較例1で使用したものと同様)5質量部からなるモノマー液に含浸し、引き上げた後、2枚のPETフィルムに挟み、窒素雰囲気下、80℃で5時間重合した。得られた膜をPETフィルムから剥離し、本実施の形態の電解質膜を得た。得られた電解質膜の接触角は58度、プロトン伝導性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で3.6であり、メタノール透過性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で0.08であった。
[Example 1]
The electrolyte membrane of Comparative Example 1 is 100 parts by mass of divinylbenzene (similar to that used in Comparative Example 1) and t-butylperoxy-2-ethylexanoate (as used in Comparative Example 1 as a polymerization initiator). Similarly) After impregnating the monomer liquid consisting of 5 parts by mass and pulling it up, it was sandwiched between two PET films and polymerized at 80 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained membrane was peeled from the PET film to obtain the electrolyte membrane of the present embodiment. The obtained electrolyte membrane had a contact angle of 58 degrees, proton conductivity of 3.6 relative to Nafion (registered trademark) 117, and methanol permeability of 0.2 relative to Nafion (registered trademark) 117. 08.

[実施例2]
比較例2の電解質膜を、実施例1と同様のモノマー液に含浸し、引き上げた後、2枚のPETフィルムに挟み、窒素雰囲気下、80℃で5時間重合した。得られた膜をPETフィルムから剥離し、本実施の形態の電解質膜を得た。得られた電解質膜の接触角は58度、プロトン伝導性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で1.5であり、メタノール透過性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で0.15であった。
[Example 2]
The electrolyte membrane of Comparative Example 2 was impregnated with the same monomer solution as in Example 1, pulled up, sandwiched between two PET films, and polymerized at 80 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained membrane was peeled from the PET film to obtain the electrolyte membrane of the present embodiment. The obtained electrolyte membrane had a contact angle of 58 degrees, proton conductivity of 1.5 relative to Nafion (registered trademark) 117, and methanol permeability of 0.2 relative to Nafion (registered trademark) 117. It was 15.

[実施例3]
比較例2の電解質膜を、イソシアヌル酸トリアリル(TAIC)(東京化成工業製、含有率 97%以上)100質量部と、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルエキサノエート(比較例1で使用したものと同様)30質量部からなるモノマー液に含浸し、引き上げた後、2枚のPETフィルムに挟み、窒素雰囲気下、80℃で5時間重合した。得られた膜をPETフィルムから剥離し、本実施の形態の電解質膜を得た。得られた電解質膜の接触角は51度、プロトン伝導性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で2.4であり、メタノール透過性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で0.18であった。
[Example 3]
The electrolyte membrane of Comparative Example 2 was prepared by using 100 parts by mass of isocyanuric acid triallyl (TAIC) (produced by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., content of 97% or more) and t-butylperoxy-2-ethylexanoate (Comparative Example) as a polymerization initiator. (Similar to that used in No. 1) 30 parts by mass of a monomer liquid was impregnated, pulled up, sandwiched between two PET films, and polymerized at 80 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained membrane was peeled from the PET film to obtain the electrolyte membrane of the present embodiment. The obtained electrolyte membrane had a contact angle of 51 degrees, proton conductivity of 2.4 relative to Nafion (registered trademark) 117, and methanol permeability of 0.2 relative to Nafion (registered trademark) 117. 18

[比較例3]
比較例2の電解質膜を、スチレンモノマー(和光純薬工業製、含有率 99%以上)100質量部と、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルエキサノエート(参考例1で使用したものと同様)5質量部からなるモノマー液に含浸し、引き上げた後、2枚のPETフィルムに挟み、窒素雰囲気下、80℃で5時間重合した。得られた膜をPETフィルムから剥離し、本実施の形態の電解質膜を得た。得られた電解質膜の接触角は41度、プロトン伝導性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で1.6であり、メタノール透過性は、Nafion(登録商標)117に対する相対値で0.35であった。
[Comparative Example 3]
The electrolyte membrane of Comparative Example 2 was prepared by using 100 parts by mass of a styrene monomer (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. content: 99% or more) and t-butylperoxy-2-ethylexanoate (used in Reference Example 1) as a polymerization initiator. (Similar to the above) The polymer liquid was impregnated with 5 parts by mass, pulled up, sandwiched between two PET films, and polymerized at 80 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained membrane was peeled from the PET film to obtain the electrolyte membrane of the present embodiment. The obtained electrolyte membrane had a contact angle of 41 degrees, proton conductivity of 1.6 relative to Nafion (registered trademark) 117, and methanol permeability of 0.2 relative to Nafion (registered trademark) 117. 35.

[比較例4]
市販の米国デュポン社製電解質膜Nafion(登録商標)117を入手し、実施例1〜3、比較例1〜3と同様に測定した接触角は74度であった。
[Comparative Example 4]
A commercially available electrolyte membrane Nafion (registered trademark) 117 manufactured by DuPont USA was obtained, and the contact angle measured in the same manner as in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 was 74 degrees.

Figure 2009104811
Figure 2009104811

表1の結果から明らかなように、30質量%メタノール水溶液に対する接触角が50〜70度である実施例1〜3の電解質膜は、良好なプロトン伝導性を維持すると共に、メタノール透過性が顕著に低減されていた。
これに対して、接触角が50度未満である比較例1〜3の電解質膜は、プロトン伝導性は良好であったものの、メタノール透過性の低減効果が不十分なものであった。
また、接触角が70度を超える比較例4の電解質膜は、プロトン伝導性及びメタノール透過性のいずれも劣っていた。
As is clear from the results in Table 1, the electrolyte membranes of Examples 1 to 3 having a contact angle of 50 to 70 degrees with respect to a 30% by mass methanol aqueous solution maintain good proton conductivity and have remarkable methanol permeability. It was reduced to.
On the other hand, although the electrolyte membranes of Comparative Examples 1 to 3 having a contact angle of less than 50 degrees had good proton conductivity, the effect of reducing methanol permeability was insufficient.
Moreover, the electrolyte membrane of Comparative Example 4 having a contact angle exceeding 70 degrees was inferior in both proton conductivity and methanol permeability.

本発明の電解質膜は、優れた低プロトン透過性を有し、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池及び直接メタノール型燃料電池用の電解質膜としての産業上利用可能性を有する。   The electrolyte membrane of the present invention has excellent low proton permeability, and has industrial applicability as an electrolyte membrane for fuel cells, particularly solid polymer fuel cells and direct methanol fuel cells.

Claims (6)

30質量%メタノール水溶液に対する接触角が50〜70度である、電解質膜。   The electrolyte membrane whose contact angle with respect to 30 mass% methanol aqueous solution is 50-70 degree | times. 内部連通構造を有する多孔質基材(A)と、
前記多孔質基材(A)の内部に含有される、プロトン解離性重合体(B)及び架橋構造を有する非プロトン解離性重合体(C)と、
を含む請求項1記載の電解質膜。
A porous substrate (A) having an internal communication structure;
A proton dissociable polymer (B) and a non-proton dissociable polymer (C) having a crosslinked structure, contained in the porous substrate (A);
The electrolyte membrane according to claim 1, comprising:
前記(B)成分は、架橋構造を有する重合体である、請求項2記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 2, wherein the component (B) is a polymer having a crosslinked structure. 前記(A)成分は、有機多孔質基材である、請求項2又は3記載の電解質膜。   The electrolyte membrane according to claim 2 or 3, wherein the component (A) is an organic porous substrate. 請求項1〜4のいずれか1項記載の電解質膜と電極とを備える膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4 and an electrode. 請求項5記載の膜電極接合体と集電体とを備える燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5 and a current collector.
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