JP2015228292A - Solid polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, fuel battery, water electrolysis cell and water electrolysis device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子電解質膜、膜−電極接合体、燃料電池、水電解セルおよび水電解装置に関するものである。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly, a fuel cell, a water electrolysis cell, and a water electrolysis apparatus.
燃料電池は、水素ガスやメタノールと酸素ガスとを電気化学的に反応させて直接電気を取り出す発電装置であり、化学エネルギーを電気エネルギーに高効率で直接変換できる無公害な発電装置として注目を集めている。 Fuel cells are power generators that directly extract electricity by electrochemically reacting hydrogen gas, methanol, and oxygen gas. They attract attention as pollution-free power generators that can directly convert chemical energy into electrical energy with high efficiency. ing.
このような燃料電池は、通常、触媒を担持した一対の電極膜(アノード極およびカソード極)と該電極膜に挟持された1枚のプロトン伝導性の固体高分子電解質膜とから構成される。アノード極では、水素イオンと電子が生じ、水素イオンは固体高分子電解質膜を通って、カソード極で酸素と反応して水が生じる。 Such a fuel cell is usually composed of a pair of electrode membranes (anode electrode and cathode electrode) carrying a catalyst and one proton-conducting solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the electrode membranes. Hydrogen ions and electrons are generated at the anode electrode, and the hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and react with oxygen at the cathode electrode to generate water.
ここで用いられる固体高分子電解質膜は、十分なプロトン伝導性や、供給されるガスやメタノール等の燃料が直接反応することがないようにこれらの透過を抑制することなどが求められ、長期に安定した性能を示す燃料電池を得るために、これらの固体高分子電解質膜に求められる性質も長期にわたって発揮できることが求められている。 The solid polymer electrolyte membrane used here is required to have sufficient proton conductivity and suppression of permeation so that the supplied gas or fuel such as methanol does not directly react. In order to obtain a fuel cell exhibiting stable performance, it is required that the properties required for these solid polymer electrolyte membranes can be exhibited over a long period of time.
前記固体高分子電解質膜として、従来より、Nafion(登録商標、DuPont社製)などの様々な電解質膜が知られているが、上記のような構成の燃料電池において、これらの電解質膜は、燃料電池の長時間の運転に際し、十分な耐久性を示さないため、長期に安定した性質を示す燃料電池を得ることは容易ではなかった。 Conventionally, various electrolyte membranes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) are known as the solid polymer electrolyte membrane. In the fuel cell having the above-described configuration, these electrolyte membranes are fuels. When the battery is operated for a long time, it does not show sufficient durability, so it is not easy to obtain a fuel cell that exhibits stable properties over a long period of time.
ここで、特許文献1および2には、高耐久性を有する高分子電解質膜として、イオン交換基を有する重合体を含むフィルム2層以上の積層体からなる高分子電解質積層膜が開示されている。 Here, Patent Documents 1 and 2 disclose a polymer electrolyte laminate film composed of a laminate of two or more films containing a polymer having an ion exchange group, as a polymer electrolyte membrane having high durability. .
一般的に、燃料電池の電極には、触媒層が設けられ、触媒層に含まれる触媒として白金が用いられている。この白金は、取り出される電気エネルギーの元となる化学反応を促進するため重要であるが、一方で、電池作動中に、触媒層にある白金の一部が電解質膜内で析出し、この析出した白金により、電解質膜の劣化が引き起こされ、燃料電池の長期安定性が低下する要因になっていると考えられている。 In general, a catalyst layer is provided on an electrode of a fuel cell, and platinum is used as a catalyst contained in the catalyst layer. This platinum is important because it promotes the chemical reaction that is the source of the extracted electrical energy. On the other hand, during the operation of the battery, a part of the platinum in the catalyst layer is deposited in the electrolyte membrane. It is believed that platinum causes deterioration of the electrolyte membrane, which is a factor that reduces the long-term stability of the fuel cell.
また、水の電気分解により水素と酸素を生成する水電解装置に用いられる水電解セルには電極触媒層が設けられ、電極触媒層の全部または一部に白金が使用されている。水電解装置でも、燃料電池の場合と同様に、水電解中に電極触媒層にある白金の一部が電解質膜内で析出し、この析出した白金により、電解質膜の劣化が引き起こされ、水電解装置の長期安定性が低下する要因となっていると考えられている。 In addition, an electrode catalyst layer is provided in a water electrolysis cell used in a water electrolysis device that generates hydrogen and oxygen by electrolysis of water, and platinum is used for all or part of the electrode catalyst layer. Even in a water electrolysis apparatus, as in the case of a fuel cell, a part of platinum in an electrode catalyst layer is deposited in the electrolyte membrane during water electrolysis, and the deposited platinum causes deterioration of the electrolyte membrane, thereby causing water electrolysis. It is believed that this is a factor that reduces the long-term stability of the device.
従って、燃料電池や水電解装置の長期安定性を向上させるためには、電解質膜内部での白金の析出を抑制することが望まれる。
しかしながら、前記特許文献1および2に記載の高分子電解質膜では、電解質膜内部での白金の析出を抑制できなかった。
Therefore, in order to improve the long-term stability of the fuel cell and the water electrolysis apparatus, it is desired to suppress the precipitation of platinum inside the electrolyte membrane.
However, in the polymer electrolyte membranes described in Patent Documents 1 and 2, platinum deposition inside the electrolyte membrane could not be suppressed.
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜内部での白金の析出を抑制できる固体高分子電解質膜を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the solid polymer electrolyte membrane which can suppress precipitation of platinum inside an electrolyte membrane.
このような状況のもと、本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の構成の固体高分子電解質膜によれば、前記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の構成例は以下の通りである。
Under such circumstances, as a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above object can be achieved by a solid polymer electrolyte membrane having the following constitution, and the present invention has been achieved. It came to be completed.
A configuration example of the present invention is as follows.
[1] イオン交換基を有する重合体を含む電解質膜(A)と、スルホン酸基を実質的に含まない重合体を有する非電解質層とを含む、固体高分子電解質膜。 [1] A solid polymer electrolyte membrane comprising an electrolyte membrane (A) containing a polymer having ion exchange groups and a non-electrolyte layer having a polymer substantially free of sulfonic acid groups.
[2] 前記非電解質層が、pKaが3以下である官能基を有する重合体を実質的に含まない層である、[1]に記載の固体高分子電解質膜。
[3] 前記非電解質層の厚みが5μm以下である、[1]または[2]に記載の固体高分子電解質膜。
[2] The solid polymer electrolyte membrane according to [1], wherein the non-electrolyte layer is a layer substantially free of a polymer having a functional group having a pKa of 3 or less.
[3] The solid polymer electrolyte membrane according to [1] or [2], wherein the non-electrolyte layer has a thickness of 5 μm or less.
[4] 前記電解質膜(A)を2枚以上有する、[1]〜[3]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜。 [4] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [3], having two or more electrolyte membranes (A).
[5] 前記電解質膜(A)を折り曲げてなる構造体を含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜。 [5] The solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [4], which includes a structure formed by bending the electrolyte membrane (A).
[6] 前記固体高分子電解質膜が、カソードおよびアノード間に用いられる電解質膜であり、前記非電解質層がアノードに接していない、[1]〜[5]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜。 [6] The solid polymer according to any one of [1] to [5], wherein the solid polymer electrolyte membrane is an electrolyte membrane used between a cathode and an anode, and the non-electrolyte layer is not in contact with the anode. Electrolyte membrane.
[7] ガス拡散層、触媒層、[1]〜[6]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜、触媒層およびガス拡散層がこの順で積層された膜−電極接合体。
[8] [7]に記載の膜−電極接合体を有する燃料電池。
[7] A membrane-electrode assembly in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [6], a catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated in this order.
[8] A fuel cell having the membrane-electrode assembly according to [7].
[9] 触媒層、[1]〜[6]のいずれかに記載の固体高分子電解質膜および触媒層がこの順で積層された積層体を含む、水電解セル。
[10] [9]に記載の水電解セルを有する水電解装置。
[9] A water electrolysis cell comprising a laminate in which the catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [6], and the catalyst layer are laminated in this order.
[10] A water electrolysis apparatus having the water electrolysis cell according to [9].
本発明によれば、耐久性に優れ、十分なプロトン伝導性ならびに燃料および酸素等の透過抑制性を有し、電解質膜内部での白金の析出を抑制できる固体高分子電解質膜を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a solid polymer electrolyte membrane that is excellent in durability, has sufficient proton conductivity, and suppresses permeation of fuel and oxygen, etc., and can suppress the precipitation of platinum inside the electrolyte membrane. .
≪固体高分子電解質膜≫
本発明の固体高分子電解質膜は、イオン交換基を有する重合体を含む電解質膜(A)と、スルホン酸基を実質的に含まない重合体を有する非電解質層とを含む。
このような本発明の固体高分子電解質膜は耐久性に優れ、十分なプロトン伝導性ならびに燃料および酸素等の透過抑制性を有し、該電解質膜内部での白金の析出を抑制できるものである。
≪Solid polymer electrolyte membrane≫
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention includes an electrolyte membrane (A) containing a polymer having ion exchange groups and a non-electrolyte layer having a polymer substantially free of sulfonic acid groups.
Such a solid polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in durability, has sufficient proton conductivity and permeation suppression properties such as fuel and oxygen, and can suppress precipitation of platinum inside the electrolyte membrane. .
本発明の固体高分子電解質膜は、電解質膜(A)と非電解質層とを有すれば特に制限されず、これらの膜(層)の他に、従来公知の膜(層)が存在していてもよいが、本発明の前記効果をより効果的に発揮できる等の点から、実質的に電解質膜(A)および非電解質層のみからなる固体高分子電解質膜であることが好ましい。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it has an electrolyte membrane (A) and a non-electrolyte layer, and conventionally known membranes (layers) exist in addition to these membranes (layers). However, it is preferable that the solid polymer electrolyte membrane is substantially composed only of the electrolyte membrane (A) and the non-electrolyte layer from the standpoint that the effects of the present invention can be exhibited more effectively.
従来、燃料電池では、アノード極で生じた水素イオンが電解質膜を通ってカソード極で反応するため、プロトン伝導性の観点からは、高いプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜を用いることが望ましいと考えられてきた。
しかしながら、本発明の固体高分子電解質膜は、非電解質層を有するにもかかわらず、十分なプロトン伝導性を有し、さらに、該電解質膜内部での白金の析出を抑制できる。
Conventionally, in a fuel cell, since hydrogen ions generated at the anode electrode react at the cathode electrode through the electrolyte membrane, it is desirable to use a solid polymer electrolyte membrane exhibiting high proton conductivity from the viewpoint of proton conductivity. Has been considered.
However, although the solid polymer electrolyte membrane of the present invention has a non-electrolyte layer, it has sufficient proton conductivity, and can further suppress the precipitation of platinum inside the electrolyte membrane.
本発明の固体高分子電解質膜によれば、この様な効果が得られる理由は定かではないが、非電解質層は白金のような大きなイオンは非電解質層を構成する高分子間を通過することができないが、プロトンのような小さなイオンはその高分子間を通過することができるためであると考えられる。つまり、本発明の固体高分子電解質膜は、通過させるイオンサイズを選択し、白金のような大きなイオンの通過を阻害できるため、前記効果を奏すると考えられる。 According to the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, the reason why such an effect is obtained is not clear, but in the non-electrolyte layer, large ions such as platinum pass between the polymers constituting the non-electrolyte layer. However, it is considered that small ions such as protons can pass between the macromolecules. That is, it is considered that the solid polymer electrolyte membrane of the present invention has the above-mentioned effect because the ion size to be passed can be selected and the passage of large ions such as platinum can be inhibited.
本発明の固体高分子電解質膜は、下記実施例に記載のように燃料電池を作成し、該電池を下記実施例に記載のように作動させた場合の電位サイクルによる固体高分子電解質膜内部での白金析出量は、好ましくは5μg/cm2以下であり、より好ましくは3μg/cm2以下である。 The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is a fuel cell produced as described in the following examples, and the solid polymer electrolyte membrane by the potential cycle when the battery is operated as described in the following examples The amount of platinum deposited is preferably 5 μg / cm 2 or less, more preferably 3 μg / cm 2 or less.
また、本発明の固体高分子電解質膜を用い、下記実施例に記載のように燃料電池を作成し、該電池を下記実施例に記載のように作動させた場合の電位サイクルによる固体高分子電解質膜内部での白金析出量(μg/cm2)は、該固体高分子電解質膜を構成する電解質膜(A)に含まれるイオン交換基を有する重合体と同じ重合体からなる1枚の電解質膜(なお、該電解質膜は、前記固体高分子電解質膜と略同じ厚さである)を用いて同様に測定した電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の、0.8倍以下であることが好ましく、0.6倍以下であることがより好ましい。
なお、本発明の固体高分子電解質膜として、2種類以上の異なる電解質膜(A)を有する固体高分子電解質膜を用いる場合、本発明の固体高分子電解質膜と比較する1枚の電解質膜は、前記と同様の方法で測定した白金析出量の最も少ない電解質膜のことをいう。
Further, using the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, a fuel cell was prepared as described in the following examples, and the solid polymer electrolyte was produced by a potential cycle when the battery was operated as described in the following examples. The amount of platinum deposited inside the membrane (μg / cm 2 ) is one electrolyte membrane made of the same polymer as the polymer having an ion exchange group contained in the electrolyte membrane (A) constituting the solid polymer electrolyte membrane. (The electrolyte membrane is approximately the same thickness as the solid polymer electrolyte membrane) and is 0.8 times or less the amount of platinum deposited in the electrolyte membrane by the potential cycle measured in the same manner. Is preferable, and it is more preferable that it is 0.6 times or less.
In addition, when using the solid polymer electrolyte membrane which has 2 or more types of different electrolyte membranes (A) as a solid polymer electrolyte membrane of this invention, one electrolyte membrane compared with the solid polymer electrolyte membrane of this invention is The electrolyte membrane with the least amount of platinum deposition measured by the same method as described above.
固体高分子電解質膜内部での白金析出量が前記範囲にあると、耐久性に優れ、分子量の経時的な低下が抑制された固体高分子電解質膜が得られ、発電・水電解性能および長期安定性バランスよく優れる燃料電池および水電解装置が得られるため好ましい。 When the amount of platinum deposited inside the solid polymer electrolyte membrane is within the above range, a solid polymer electrolyte membrane having excellent durability and suppressing a decrease in molecular weight over time can be obtained, and power generation / water electrolysis performance and long-term stability can be obtained. This is preferable because a fuel cell and a water electrolysis device having excellent property balance can be obtained.
電解質膜内部での白金析出量が前記範囲にあるような固体高分子電解質膜は、例えば、以下の方法で製造することができる。 A solid polymer electrolyte membrane in which the amount of platinum deposited inside the electrolyte membrane is in the above range can be produced, for example, by the following method.
本発明の固体高分子電解質膜の厚みは、燃料電池や水電解セルに通常用いられる固体高分子電解質膜と同程度の厚みであればよいが、好ましくは5〜200μm、より好ましくは10〜150μmである。 The thickness of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention may be the same as that of a solid polymer electrolyte membrane usually used for fuel cells and water electrolysis cells, but is preferably 5 to 200 μm, more preferably 10 to 150 μm. It is.
<固体高分子電解質膜の製造方法等>
本発明の固体高分子電解質膜は、電解質膜(A)と非電解質層とを有すれば特に制限されず、複数の電解質膜(A)および複数の非電解質層を有していてもよいが、プロトン伝導性や機械的強度等の点から、1枚または2枚の電解質膜(A)と非電解質層1層とからなる固体高分子電解質膜であることが好ましい。
本発明の固体高分子電解質膜が、複数の電解質膜(A)や複数の非電解質層を含む場合、これらの電解質膜(A)および非電解質層は、それぞれ、全て同じ膜や層であってもよいし、種類の異なる膜や層であってもよい。
<Method for producing solid polymer electrolyte membrane, etc.>
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it has an electrolyte membrane (A) and a non-electrolyte layer, and may have a plurality of electrolyte membranes (A) and a plurality of non-electrolyte layers. From the viewpoint of proton conductivity, mechanical strength, etc., a solid polymer electrolyte membrane comprising one or two electrolyte membranes (A) and one non-electrolyte layer is preferable.
When the solid polymer electrolyte membrane of the present invention includes a plurality of electrolyte membranes (A) and a plurality of non-electrolyte layers, these electrolyte membranes (A) and non-electrolyte layers are all the same membranes and layers, respectively. Alternatively, different types of films and layers may be used.
また、本発明の固体高分子電解質膜は、前記電解質膜(A)を折り曲げてなる構造体を含んでいてもよい。
前記構造体は、1枚の電解質膜(A)を折り曲げた構造体であってもよいし、2枚以上の電解質膜(A)を積層し折り曲げた構造体であってもよいし、1枚または複数枚の電解質膜(A)と非電解質層との積層体を折り曲げた構造体であってもよいし、これらの構造体と、他の電解質膜(折り曲げたものまたは折り曲げていないもの)または非電解質層とを含む構造体であってもよい。
The solid polymer electrolyte membrane of the present invention may include a structure formed by bending the electrolyte membrane (A).
The structure may be a structure in which one electrolyte membrane (A) is bent, or may be a structure in which two or more electrolyte membranes (A) are stacked and bent. Alternatively, it may be a structure in which a laminate of a plurality of electrolyte membranes (A) and a non-electrolyte layer is folded, or these structures and other electrolyte membranes (folded or unfolded) or A structure including a non-electrolyte layer may be used.
本発明の固体高分子電解質膜の製造方法は、特に制限されないが、例えば、
電解質膜(A)上に、非電解質層形成用組成物を用いて非電解質層を形成する方法、
予め形成した電解質膜(A)と非電解質層とを単に重ね合わせる、または、従来公知の方法で積層する方法、
電解質膜(A)形成用組成物と非電解質層形成用組成物とを共押出する方法
が挙げられる。
The method for producing the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited.
A method of forming a non-electrolyte layer on the electrolyte membrane (A) using the non-electrolyte layer-forming composition;
A method of simply superimposing a pre-formed electrolyte membrane (A) and a non-electrolyte layer, or laminating by a conventionally known method,
The method of coextruding the composition for electrolyte membrane (A) formation and the composition for nonelectrolyte layer formation is mentioned.
電解質膜(A)を2枚以上有する本発明の固体高分子電解質膜の製造方法は、特に制限されないが、例えば、非電解質層と2枚以上の電解質膜(A)とを用い、これらを、
(i)単に重ね合わせること、
(ii)加熱下で貼り合わせること、または、
(iii)加熱下で架橋させること、
で製造することができる。
The method for producing the solid polymer electrolyte membrane of the present invention having two or more electrolyte membranes (A) is not particularly limited. For example, a non-electrolyte layer and two or more electrolyte membranes (A) are used.
(I) simply superimposing,
(Ii) pasting together under heating, or
(Iii) crosslinking under heating;
Can be manufactured.
前記構造体を含む本発明の固体高分子電解質膜の製造方法は、特に制限されないが、例えば、
電解質膜(A)と非電解質層とを単に重ね合わせる、または、従来公知の方法で積層し、この積層体を
(i−1)単に折り曲げること、
(ii−1)折り曲げ、加熱下で貼り合わせること、または、
(iii−1)折り曲げ、加熱下で架橋させること、
で製造することができ、
また、前記電解質膜(A)を
(i−2)単に折り曲げること、
(ii−2)折り曲げ、加熱下で貼り合わせること、または、
(iii−2)折り曲げ、加熱下で架橋させること、
で得られた構造体と非電解質層とを積層することで製造することができ、さらに、(i−2)で得られた構造体の電解質膜間に非電解質層を配置することでも製造することができる。
The method for producing the solid polymer electrolyte membrane of the present invention containing the structure is not particularly limited.
The electrolyte membrane (A) and the non-electrolyte layer are simply overlapped or laminated by a conventionally known method, and (i-1) simply folding the laminate,
(Ii-1) bending, pasting together under heating, or
(Iii-1) bending, crosslinking under heating,
Can be manufactured with
And (i-2) simply bending the electrolyte membrane (A),
(Ii-2) bending, pasting together under heating, or
(Iii-2) bending and crosslinking with heating,
It is possible to manufacture by laminating the structure obtained in (1) and the non-electrolyte layer, and also by disposing the non-electrolyte layer between the electrolyte membranes of the structure obtained in (i-2). be able to.
前記(i)、(i−1)または(i−2)の方法で得られた固体高分子電解質膜は、実質的に、接着剤などの不純物を含まないため、燃料電池や水電解装置の作動中における、該不純物による電池や水電解特性の劣化などが起こりにくく好ましい。
また、前記(i)、(i−1)および(i−2)の方法によれば、電解質膜(A)の少なくとも1枚が剥離可能である、または、折り曲げることで形成される面間が剥離可能である固体高分子電解質膜を得ることができ、このような固体高分子電解質膜は、特に、発電・水電解性能および耐久性にバランスよく優れ、分子量の経時的な低下や電解質膜内部での白金の析出を抑制できるため好ましい。
Since the solid polymer electrolyte membrane obtained by the method of (i), (i-1) or (i-2) substantially does not contain impurities such as an adhesive, it is used for fuel cells and water electrolysis devices. It is preferable that the battery and water electrolysis characteristics are not deteriorated by the impurities during operation.
Further, according to the methods (i), (i-1), and (i-2), at least one of the electrolyte membranes (A) can be peeled or the space between the surfaces formed by bending can be reduced. A solid polymer electrolyte membrane that can be peeled can be obtained, and such a solid polymer electrolyte membrane is particularly well-balanced in terms of power generation / water electrolysis performance and durability. This is preferable because the precipitation of platinum at the substrate can be suppressed.
前記(i)の方法では、非電解質層と2枚以上の電解質膜(A)とを単に重ね合わせること、または、電解質膜(A)と非電解質層および電解質膜(A)の積層体とを単に重ね合わせることが、耐久性に優れ、分子量の経時的な低下や電解質膜内部での白金の析出を抑制できる固体高分子電解質膜が得られるなどの点から好ましい。 In the method (i), the non-electrolyte layer and two or more electrolyte membranes (A) are simply overlapped, or the electrolyte membrane (A) is laminated with the non-electrolyte layer and the electrolyte membrane (A). It is preferable to simply superimpose them from the standpoints of obtaining a solid polymer electrolyte membrane that is excellent in durability, can reduce the molecular weight over time, and can suppress the precipitation of platinum inside the electrolyte membrane.
前記(ii)、(ii−1)または(ii−2)の方法における加熱温度としては、前記電解質膜(A)を構成する重合体のガラス転移温度(Tg)未満の温度であることが好ましく、該温度としては、特に制限されないが、好ましくはTgより10〜90℃低い温度であり、より好ましくはTgより20〜50℃低い温度である。なお、本発明の固体高分子電解質膜として、2種類以上の異なるTgを有する重合体を含む電解質膜を用いる場合には、「前記電解質膜を構成する重合体のTg未満の温度」とは、用いる電解質膜全てのうち、最も低いTgを有する重合体のTg未満の温度のことをいう。 The heating temperature in the method (ii), (ii-1) or (ii-2) is preferably a temperature lower than the glass transition temperature (Tg) of the polymer constituting the electrolyte membrane (A). The temperature is not particularly limited, but is preferably 10 to 90 ° C lower than Tg, more preferably 20 to 50 ° C lower than Tg. In the case of using an electrolyte membrane containing two or more types of polymers having different Tg as the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, “the temperature below the Tg of the polymer constituting the electrolyte membrane” The temperature below the Tg of the polymer having the lowest Tg among all the electrolyte membranes used.
前記貼り合わせる際には、従来公知の接着剤を用いてもよく、2枚以上の電解質膜を重ね合わせた状態で、ホットプレス、ロールプレス、真空プレス等の公知のプレス技術等により貼り合わせたものであってもよい。
なお、前記貼り合わせは、折り曲げた後行ってもよいが、折り曲げながら行ってもよい。
When the bonding is performed, a conventionally known adhesive may be used, and two or more electrolyte membranes are stacked and bonded by a known press technique such as a hot press, a roll press, or a vacuum press. It may be a thing.
In addition, although the said bonding may be performed after bending, you may perform it while bending.
前記(ii)の方法としては、好ましくは、非電解質層と2枚以上の電解質膜(A)とを単に重ね合わせた後、または、電解質膜(A)と非電解質層および電解質膜(A)の積層体とを単に重ね合わせた後、該電解質膜(A)を構成する重合体のTg未満の温度で貼り合わせる方法が、耐久性に優れ、分子量の経時的な低下や電解質膜内部での白金の析出を抑制できる固体高分子電解質膜が得られるなどの点から好ましい。 As the method (ii), preferably, the non-electrolyte layer and two or more electrolyte membranes (A) are simply overlapped, or the electrolyte membrane (A), the non-electrolyte layer, and the electrolyte membrane (A). The method of simply laminating the laminated body and laminating at a temperature lower than Tg of the polymer constituting the electrolyte membrane (A) is excellent in durability, and the molecular weight is decreased over time or in the electrolyte membrane. This is preferable from the viewpoint of obtaining a solid polymer electrolyte membrane capable of suppressing the deposition of platinum.
前記(ii)、(ii−1)または(ii−2)の方法で得られた固体高分子電解質膜は、該電解質膜がばらばらにならず、後述する膜−電極接合体や水電解セルを製造する際の作業容易性などの点で好ましい。 In the solid polymer electrolyte membrane obtained by the method (ii), (ii-1) or (ii-2), the electrolyte membrane is not separated, and a membrane-electrode assembly or a water electrolysis cell described later is used. It is preferable in terms of workability at the time of manufacturing.
前記(iii)、(iii−1)または(iii−2)の方法における加熱温度としては、前記電解質膜(A)を構成する重合体のTg未満の温度であることが好ましく、該温度としては、特に制限されないが、架橋反応が進行するような温度であることが好ましく、より好ましくはTgより10〜90℃低い温度であり、特に好ましくはTgより20〜50℃低い温度である。 The heating temperature in the method (iii), (iii-1) or (iii-2) is preferably a temperature lower than Tg of the polymer constituting the electrolyte membrane (A), Although not particularly limited, the temperature is preferably such that the crosslinking reaction proceeds, more preferably 10 to 90 ° C. lower than Tg, and particularly preferably 20 to 50 ° C. lower than Tg.
前記(iii)、(iii−1)または(iii−2)の方法は、架橋剤を含む電解質膜や非電解質層を用いることで行ってもよく、架橋させる際に、界面に架橋剤を塗布することで行ってもよい。
また、架橋の際には、非電解質層および電解質膜(A)を重ね合わせた状態で、ホットプレス、ロールプレス、真空プレス等の公知のプレス技術等により圧力をかけながら行ってもよい。
なお、前記架橋は、折り曲げた後行ってもよいが、折り曲げながら行ってもよい。
The method of (iii), (iii-1) or (iii-2) may be performed by using an electrolyte membrane or a non-electrolyte layer containing a crosslinking agent. When crosslinking is performed, a crosslinking agent is applied to the interface. It may be done by doing.
In the cross-linking, the non-electrolyte layer and the electrolyte membrane (A) may be overlapped while applying pressure by a known press technique such as hot press, roll press, vacuum press or the like.
In addition, although the said bridge | crosslinking may be performed after bending, you may perform it while bending.
前記(iii)の方法としては、好ましくは、非電解質層と2枚以上の電解質膜(A)とを単に重ね合わせた後もしくは架橋剤を介在させて重ね合わせた後、または、電解質膜(A)と非電解質層および電解質膜(A)の積層体とを単に重ね合わせた後もしくは架橋剤を介在させて重ね合わせた後、前記電解質膜(A)を構成する重合体のTg未満の温度で架橋させる方法が、耐久性に優れ、分子量の経時的な低下や電解質膜内部での白金の析出を抑制できる固体高分子電解質膜が得られるなどの点から好ましい。 As the method (iii), preferably, the non-electrolyte layer and two or more electrolyte membranes (A) are simply overlaid or overlaid with a crosslinking agent interposed therebetween, or the electrolyte membrane (A ) And the non-electrolyte layer and the laminate of the electrolyte membrane (A) are simply overlaid or overlaid with a cross-linking agent, and then at a temperature lower than Tg of the polymer constituting the electrolyte membrane (A). The method of crosslinking is preferable from the viewpoints of obtaining a solid polymer electrolyte membrane that is excellent in durability, can reduce the molecular weight over time, and can suppress the precipitation of platinum inside the electrolyte membrane.
前記(iii)、(iii−1)または(iii−2)の方法で得られた固体高分子電解質膜は、該電解質膜がばらばらにならず、後述する膜−電極接合体や水電解セルを製造する際の作業容易性などの点で好ましい。また、架橋により、機械的強度の高い固体高分子電解質膜を得ることができる。これは、特に厚みの薄い電解質膜を用いる場合に有効である。 In the solid polymer electrolyte membrane obtained by the method (iii), (iii-1) or (iii-2), the electrolyte membrane is not separated, and a membrane-electrode assembly and a water electrolysis cell described later are used. It is preferable in terms of workability at the time of manufacturing. Moreover, a solid polymer electrolyte membrane having high mechanical strength can be obtained by crosslinking. This is particularly effective when a thin electrolyte membrane is used.
前記架橋剤としては電解質膜間または電解質膜と非電解質層との間を架橋できるものであれば特に制限なく使用することができるが、例えば下記構造を有する架橋剤が好ましい。 The crosslinking agent can be used without particular limitation as long as it can crosslink between electrolyte membranes or between an electrolyte membrane and a non-electrolyte layer. For example, a crosslinking agent having the following structure is preferable.
前記架橋剤としては、具体的には、RESITOP C357(群栄化学工業(株)製)、DM−BI25X−F、46DMOC、46DMOIPP、46DMOEP(商品名、旭有機材工業(株)製)、DML−MBPC、DML−MBOC、MDL−OCHP、DML−PC、DML−PCHP、DML−PTBP、DML−34X、DML−EP、DML−POP、DML−OC、ジメチロール−Bis−C、ジメチロール−BisOC−P、DML−BisOC−Z、DML−BisOCHP−Z、DML−PFP、DML−PSBP、DML−MB25、DML−MTrisPC、DML−Bis25X−34XL、DML−Bis25X−PCHP(商品名、本州化学工業(株)製)、”ニカラック”(登録商標)MX−290(商品名、(株)三和ケミカル製)、2,6−ジメトキシメチル−4−t−ブチルフェノール、2,6−ジメトキシメチル−p−クレゾール、2,6−ジアセトキシメチル−p−クレゾール、TriML−P、TriML−35XL、TriML−TrisCR−HAP(商品名、本州化学工業(株)製)、TM−BIP−A(商品名、旭有機材工業(株)製)、TML−BP、TML−HQ、TML−pp−BPF、TML−BPA、TMOM−BP(商品名、本州化学工業(株)製)、”ニカラック”MX−280、”ニカラック”MX−270(商品名、(株)三和ケミカル製)、HML−TPPHBA、HML−TPHAP(商品名、本州化学工業(株)製)等を挙げることができる。 Specific examples of the cross-linking agent include RESITOP C357 (manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd.), DM-BI25X-F, 46DMOC, 46DMOIPP, 46DMOEP (trade name, manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), DML. -MBPC, DML-MBOC, MDL-OCHP, DML-PC, DML-PCHP, DML-PTBP, DML-34X, DML-EP, DML-POP, DML-OC, dimethylol-Bis-C, dimethylol-BisOC-P , DML-BisOC-Z, DML-BisOCHP-Z, DML-PFP, DML-PSBP, DML-MB25, DML-MTrisPC, DML-Bis25X-34XL, DML-Bis25X-PCHP (trade name, Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) ), "Nikarak" (registered trademark) MX-290 Trade name, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.), 2,6-dimethoxymethyl-4-t-butylphenol, 2,6-dimethoxymethyl-p-cresol, 2,6-diacetoxymethyl-p-cresol, TriML- P, TriML-35XL, TriML-TrisCR-HAP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TM-BIP-A (trade name, manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), TML-BP, TML-HQ , TML-pp-BPF, TML-BPA, TMOM-BP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), “Nicarac” MX-280, “Nicarac” MX-270 (trade name, Sanwa Chemical Co., Ltd.) Product), HML-TPPHBA, HML-TPHAP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), and the like.
前記(i)〜(iii)、(i−1)〜(iii−1)または(i−2)〜(iii−2)の方法で得られた固体高分子電解質膜は、1枚の電解質膜(A)や、2枚以上の電解質膜(A)が接合または融着された積層体を有する固体高分子電解質膜と同程度の十分なプロトン伝導性ならびに燃料および酸素等の透過抑制性を有し、さらに、1枚の電解質膜や、接合または融着された2枚以上の電解質膜の積層体を用いた場合に比べ、同じ電解質膜を用いた場合であっても、発電・水電解性能および耐久性にバランスよく優れ、固体高分子電解質膜内部での白金の析出を抑制することができる傾向にある。 The solid polymer electrolyte membrane obtained by the method (i) to (iii), (i-1) to (iii-1) or (i-2) to (iii-2) is a single electrolyte membrane. (A) and sufficient proton conductivity as well as permeation suppression of fuel and oxygen, etc., as well as a solid polymer electrolyte membrane having a laminate in which two or more electrolyte membranes (A) are joined or fused. Furthermore, compared with the case of using one electrolyte membrane or a laminate of two or more electrolyte membranes bonded or fused, the power generation / water electrolysis performance can be achieved even when the same electrolyte membrane is used. In addition, it is excellent in balance in durability and tends to suppress the precipitation of platinum inside the solid polymer electrolyte membrane.
<非電解質層>
前記非電解質層は、スルホン酸基を実質的に含まない重合体(以下「重合体(b)」ともいう。)を有する非電解質層であれば特に制限されない。
本発明の固体高分子電解質膜がこのような非電解質層を有することで、固体高分子電解質膜内部での白金の析出を抑制することができる。
非電解質層には、重合体(b)を、1種単独で含んでもよく、2種以上含んでもよい。
また、非電解質層には、重合体(b)以外の添加剤等が含まれていてもよい。
<Non-electrolyte layer>
The non-electrolyte layer is not particularly limited as long as it is a non-electrolyte layer having a polymer substantially free of a sulfonic acid group (hereinafter also referred to as “polymer (b)”).
When the solid polymer electrolyte membrane of the present invention has such a non-electrolyte layer, the precipitation of platinum inside the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed.
The non-electrolyte layer may contain one type of polymer (b) or two or more types.
The non-electrolyte layer may contain additives other than the polymer (b).
前記非電解質層は、本発明の固体高分子電解質膜が、カソードおよびアノード間に用いられる電解質膜である場合、燃料電池の発電性能および水電解装置の水電解性能等の点から、該非電解質層がアノードに接していないこと、つまり、該非電解質層はカソード側や電解質膜(A)間に存在することが好ましく、カソード側に存在することがより好ましい。
なお、「非電解質層がアノードに接していない」とは、例えば、本発明の固体高分子電解質膜が触媒層に接して用いられる場合には、非電解質層がアノード側触媒層に接していないことを意味する。
When the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is an electrolyte membrane used between a cathode and an anode, the non-electrolyte layer is a non-electrolyte layer from the viewpoint of power generation performance of a fuel cell and water electrolysis performance of a water electrolysis device. Is not in contact with the anode, that is, the non-electrolyte layer is preferably present on the cathode side or between the electrolyte membranes (A), more preferably on the cathode side.
“The non-electrolyte layer is not in contact with the anode” means that, for example, when the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used in contact with the catalyst layer, the non-electrolyte layer is not in contact with the anode-side catalyst layer. Means that.
前記非電解質層は、固体高分子電解質膜内部での白金の析出をより抑制することができる等の点から、pKaが3以下である官能基を有する重合体を実質的に含まない層であることが好ましい。
このようなpKaが3以下である官能基としては、スルホン酸基およびホスホン酸基等の従来の電解質膜において、イオン交換基として用いられてきた基以外の基であることが好ましい。
The non-electrolyte layer is a layer that does not substantially contain a polymer having a functional group having a pKa of 3 or less from the viewpoint that the precipitation of platinum inside the solid polymer electrolyte membrane can be further suppressed. It is preferable.
Such a functional group having a pKa of 3 or less is preferably a group other than a group that has been used as an ion exchange group in a conventional electrolyte membrane such as a sulfonic acid group and a phosphonic acid group.
前記重合体(b)としては、例えば、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリスチレン、ポリヒドロキシスチレン、ポリヒドロキシフェノール、ポリビニルアルコール、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン、脂肪族ポリカーボネート等の脂肪族系重合体、ポリエステル、ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール等の主鎖の一部または全部に芳香族環を有する芳香族系重合体などが挙げられる。これらの中でも、ポリスチレン、ポリヒドロキシスチレン、ポリヒドロキシフェノール、ポリビニルアルコールが好ましい。 Examples of the polymer (b) include polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polystyrene, polyhydroxystyrene, polyhydroxyphenol, polyvinyl alcohol, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft- Aliphatic polymers such as polytetrafluoroethylene and aliphatic polycarbonate, polyester, polysulfone, polyphenylene ether, polyetherimide, aromatic polycarbonate, polyetheretherketone, polyetherketone, polyetherketoneketone, polyetherethersulfone, Polyethersulfone, polycarbonate, polyphenylene sulfide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyimide, Li benzoxazole, polybenzothiazole, some or all of the backbone of the polybenzimidazole and the like and aromatic polymers having an aromatic ring are exemplified in. Among these, polystyrene, polyhydroxystyrene, polyhydroxyphenol, and polyvinyl alcohol are preferable.
前記重合体(b)のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算の、重量平均分子量(Mw)は、好ましくは100〜100万、より好ましくは200〜50万、さらに好ましくは300〜30万であり、重量平均分子量/数平均分子量(Mw/Mn)は、好ましくは1.2〜10.0、より好ましくは1.5〜8.0、さらに好ましくは2.0〜5.0である。重合体(b)の平均分子量は、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。 The weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene by gel permeation chromatography (GPC) of the polymer (b) is preferably 100 to 1,000,000, more preferably 200 to 500,000, still more preferably 300 to 300,000. The weight average molecular weight / number average molecular weight (Mw / Mn) is preferably 1.2 to 10.0, more preferably 1.5 to 8.0, and still more preferably 2.0 to 5.0. . Specifically, the average molecular weight of the polymer (b) can be measured by the method described in the Examples below.
前記非電解質層は、例えば、前記重合体(b)と該重合体(b)を溶解する溶媒とを含む混合物を、公知の方法により電解質膜(A)や基材上に塗布する工程を含むことにより製造することができる。具体的には、前記混合物を電解質膜(A)や樹脂製(例:ポリエチレンテレフタレート(PET)製)、金属製またはガラス製などの基材上に塗布した後、塗布した組成物を乾燥させることで作成することができる。 The non-electrolyte layer includes, for example, a step of applying a mixture containing the polymer (b) and a solvent for dissolving the polymer (b) onto the electrolyte membrane (A) or the substrate by a known method. Can be manufactured. Specifically, after applying the mixture onto a substrate such as an electrolyte membrane (A), resin (eg, polyethylene terephthalate (PET)), metal, or glass, the applied composition is dried. Can be created.
前記重合体(b)を溶解する溶媒は、該重合体(b)に応じ適宜選択すればよく、従来公知のものを使用することができる。 The solvent for dissolving the polymer (b) may be appropriately selected according to the polymer (b), and conventionally known solvents can be used.
前記混合物を塗布する対象として電解質膜(A)や燃料電池の構成材料であり、本発明の固体高分子電解質膜に接して積層されるもの、例えば、下記触媒層(カソード)を用いる場合には、得られた電解質膜(A)を基材から剥離せずに用いてもよいが、それ以外の基材を用いる場合には、基材から剥離して用いればよい。 In the case of using an electrolyte membrane (A) or a fuel cell constituent material as a target to which the mixture is applied, and being laminated in contact with the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, for example, the following catalyst layer (cathode) The obtained electrolyte membrane (A) may be used without being peeled from the base material, but when other base materials are used, it may be peeled off from the base material.
前記非電解質層の厚みは、固体高分子電解質膜内部での白金の析出を抑制することができ、十分なプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を得ることができる等の点から、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは3μm以下であり、さらに好ましくは2μm以下である。 The thickness of the non-electrolyte layer is preferably from the standpoint that platinum deposition inside the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed, and a solid polymer electrolyte membrane having sufficient proton conductivity can be obtained. It is 5 μm or less, more preferably 3 μm or less, and even more preferably 2 μm or less.
<電解質膜(A)>
前記電解質膜(A)は、イオン交換基を有する重合体(以下「重合体(a)」ともいう。)を含む。このような電解質膜(A)としては、特に制限されず、従来より固体高分子電解質膜として使用されていたものであってもよい。
<Electrolyte membrane (A)>
The electrolyte membrane (A) includes a polymer having an ion exchange group (hereinafter also referred to as “polymer (a)”). Such an electrolyte membrane (A) is not particularly limited, and may be one that has been conventionally used as a solid polymer electrolyte membrane.
前記電解質膜(A)は、例えば、前記重合体(a)と該重合体(a)を溶解する溶媒とを含む組成物を、公知の方法により基材上に塗布する工程を含むことにより製造することができる。具体的には、前記組成物を樹脂製(例:ポリエチレンテレフタレート(PET)製)、金属製またはガラス製などの基材上に塗布した後、塗布した組成物を乾燥させ、基材から剥離することで作成することができる。なお、基材として、燃料電池の構成材料であり、本発明の固体高分子電解質膜に接して積層されるもの、例えば、下記触媒層を用いる場合には、得られた電解質膜(A)を基材から剥離せずに用いてもよい。 The electrolyte membrane (A) is produced, for example, by including a step of applying a composition containing the polymer (a) and a solvent for dissolving the polymer (a) onto a substrate by a known method. can do. Specifically, after the composition is applied on a resin (eg, polyethylene terephthalate (PET)), metal or glass substrate, the applied composition is dried and peeled off from the substrate. Can be created. In addition, as a base material, which is a constituent material of a fuel cell and is laminated in contact with the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, for example, when using the following catalyst layer, the obtained electrolyte membrane (A) You may use without peeling from a base material.
前記電解質膜(A)としては、前記組成物を多孔質材料やシート状の繊維質物質などからなる補強層に含浸させたり、塗布したりすることで得られる、補強層を含む電解質膜であってもよく、繊維、フィラー状の補強材などを含む電解質膜であってもよい。 The electrolyte membrane (A) is an electrolyte membrane including a reinforcement layer obtained by impregnating or applying the composition to a reinforcement layer made of a porous material or a sheet-like fibrous substance. Alternatively, it may be an electrolyte membrane containing fibers, filler-like reinforcing materials, and the like.
前記電解質膜(A)は、本発明の効果を損なわない範囲において、必要に応じて、白金親和度の高い化合物(例:硫黄原子などを含む化合物)、酸化スズやスズイオンなどの金属含有化合物および金属イオンからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属成分等の添加剤を含んでいてもよい。 The electrolyte membrane (A) is a compound having a high platinum affinity (eg, a compound containing a sulfur atom), a metal-containing compound such as tin oxide or tin ion, and the like, as long as the effects of the present invention are not impaired. An additive such as at least one metal component selected from the group consisting of metal ions may be included.
また、前記組成物には、前記重合体(a)および溶媒に加え、さらに、硫酸、リン酸などの無機酸;リン酸ガラス;タングステン酸;リン酸塩水和物;β−アルミナプロトン置換体;プロトン導入酸化物等の無機プロトン伝導体粒子;カルボン酸を含む有機酸;スルホン酸を含む有機酸;ホスホン酸を含む有機酸;適量の水などを配合してもよい。 In addition to the polymer (a) and the solvent, the composition further includes inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid; phosphate glass; tungstic acid; phosphate hydrate; β-alumina proton-substituted product; Inorganic proton conductor particles such as proton-introduced oxide; organic acid containing carboxylic acid; organic acid containing sulfonic acid; organic acid containing phosphonic acid;
前記電解質膜(A)の厚みは、燃料電池や水電解装置に通常用いられる電解質膜と同程度の厚みであればよいが、好ましくは3〜200μm、より好ましくは5〜150μmである。 Although the thickness of the said electrolyte membrane (A) should just be a thickness comparable as the electrolyte membrane normally used for a fuel cell or a water electrolysis apparatus, Preferably it is 3-200 micrometers, More preferably, it is 5-150 micrometers.
前記重合体(a)のTgは、燃料電池や水電解装置の作動中に固体高分子電解質膜を構成する電解質膜同士が融着せず、所望の効果を有する燃料電池や水電解装置を得ることができるなどの点から、好ましくは100℃以上であり、より好ましくは120℃以上、特に好ましくは150℃以上である。該Tgの上限は特に制限されないが、例えば、250℃であればよい。
前記重合体(a)のTgが前記範囲にあることで、耐久性に優れ、分子量の経時的な低下や電解質膜内部での白金の析出を抑制できる固体高分子電解質膜を得ることができ、さらに、耐久性等に優れる燃料電池および水電解装置を得ることができる。
The Tg of the polymer (a) is such that the electrolyte membranes constituting the solid polymer electrolyte membrane are not fused together during operation of the fuel cell or water electrolysis device, and a fuel cell or water electrolysis device having a desired effect is obtained. From the point of being able to do, it is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 120 ° C. or higher, particularly preferably 150 ° C. or higher. The upper limit of the Tg is not particularly limited, but may be, for example, 250 ° C.
By having the Tg of the polymer (a) in the above range, it is possible to obtain a solid polymer electrolyte membrane that is excellent in durability and capable of suppressing the temporal decrease in molecular weight and the precipitation of platinum inside the electrolyte membrane, Furthermore, a fuel cell and a water electrolysis device having excellent durability and the like can be obtained.
なお、本発明の固体高分子電解質膜として、2種類以上の異なる電解質膜(A)を用いる場合には、用いる電解質膜(A)を構成する全ての重合体(a)のTgが100℃以上であることが好ましい。前記重合体(a)が2つ以上のガラス転移温度を有する場合、前記重合体(a)のTgとは、その低い方のガラス転移温度のことをいう。 When two or more kinds of different electrolyte membranes (A) are used as the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, Tg of all the polymers (a) constituting the electrolyte membrane (A) to be used is 100 ° C. or more. It is preferable that When the polymer (a) has two or more glass transition temperatures, the Tg of the polymer (a) refers to the lower glass transition temperature.
前記重合体(a)のGPCによるポリスチレン換算の、重量平均分子量(Mw)は、好ましくは1万〜100万、より好ましくは2万〜80万、さらに好ましくは5万〜30万であり、数平均分子量(Mn)は、好ましくは3000〜100万、より好ましくは6000〜80万、さらに好ましくは15000〜30万である。重合体(a)の平均分子量は、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。 The weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene by GPC of the polymer (a) is preferably 10,000 to 1,000,000, more preferably 20,000 to 800,000, still more preferably 50,000 to 300,000. Average molecular weight (Mn) becomes like this. Preferably it is 3000-1 million, More preferably, it is 6000-800,000, More preferably, it is 15000-300,000. Specifically, the average molecular weight of the polymer (a) can be measured by the method described in the Examples below.
前記重合体(a)のイオン交換容量は、好ましくは0.5〜3.5meq/g、より好ましくは0.5〜3.0meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。イオン交換容量が0.5meq/g以上であれば、プロトン伝導度が高く、かつ発電・水電解性能の高い固体高分子電解質膜が得られるため好ましい。一方、3.5meq/g以下であれば、充分に高い耐水性を有する固体高分子電解質膜が得られるため好ましい。重合体(a)のイオン交換容量は、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。 The ion exchange capacity of the polymer (a) is preferably 0.5 to 3.5 meq / g, more preferably 0.5 to 3.0 meq / g, still more preferably 0.8 to 2.8 meq / g. is there. An ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more is preferable because a solid polymer electrolyte membrane having high proton conductivity and high power generation / water electrolysis performance can be obtained. On the other hand, it is preferably 3.5 meq / g or less because a solid polymer electrolyte membrane having sufficiently high water resistance can be obtained. Specifically, the ion exchange capacity of the polymer (a) can be measured by the method described in the Examples below.
前記イオン交換容量は、重合体(a)に含まれる構造単位の種類、その割合、組み合わせなどを変更することにより、調整することができる。したがって、重合時に構造単位を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類等を変えれば調整することができる。
概して、イオン交換基を含む構造単位の存在割合が重合体(a)中に多くなると、得られる固体高分子電解質膜のイオン交換容量が増えプロトン伝導性が高くなるが、耐水性が低下する傾向にあり、一方、該構造単位の存在割合が少なくなると、得られる固体高分子電解質膜のイオン交換容量が小さくなり、耐水性が高まるが、プロトン伝導性が低下する傾向にある。
The ion exchange capacity can be adjusted by changing the type of the structural unit contained in the polymer (a), its ratio, combination, and the like. Therefore, it can be adjusted by changing the charge amount ratio, type, etc. of the precursor (monomer / oligomer) that induces the structural unit during the polymerization.
In general, when the proportion of the structural unit containing an ion exchange group increases in the polymer (a), the ion exchange capacity of the obtained solid polymer electrolyte membrane increases and the proton conductivity increases, but the water resistance tends to decrease. On the other hand, when the proportion of the structural unit is decreased, the ion exchange capacity of the obtained solid polymer electrolyte membrane is decreased and the water resistance is increased, but the proton conductivity tends to be decreased.
前記イオン交換基としては、特に制限されないが、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシ基、ビススルホニルイミド基などが挙げられ、スルホン酸基が好ましい。 Although it does not restrict | limit especially as said ion exchange group, A sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxy group, a bissulfonyl imide group etc. are mentioned, A sulfonic acid group is preferable.
前記重合体(a)としては、例えば、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、ポリスチレン、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン、脂肪族ポリカーボネート等の脂肪族系重合体にスルホン酸基が導入された重合体、ポリエステル、ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール等の主鎖の一部または全部に芳香族環を有する芳香族系重合体にスルホン酸基が導入された重合体が挙げられる。
また、これらの重合体に導入する基を、スルホン酸基からホスホン酸基等のイオン交換基に変えた重合体、またはこれらの基が共存する重合体等が挙げられる。
Examples of the polymer (a) include fats such as polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic resin, polystyrene, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and aliphatic polycarbonate. Polymers in which a sulfonic acid group is introduced into an aromatic polymer, polyester, polysulfone, polyphenylene ether, polyetherimide, aromatic polycarbonate, polyether ether ketone, polyether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether sulfone, poly Ether sulfone, polycarbonate, polyphenylene sulfide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyimide, polybenzoxazole, polybenzothiazo Le, aromatic polymer polymer having sulfonate group introduced therein in having an aromatic ring in a part or the whole of the main chain such as polybenzimidazole and the like.
Moreover, the polymer which changed the group introduce | transduced into these polymers into ion exchange groups, such as a phosphonic acid group from a sulfonic acid group, the polymer in which these groups coexist, etc. are mentioned.
前記重合体としては、公知の重合体を用いることができ、特に限定されないが、例えば、Nafion(登録商標、デュポン(株)製)、アシプレックス(登録商標、旭化成工業(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)の商品名で市販されているスルホン酸基を有する全フッ化炭素系高分子重合体;ポリ芳香族炭化水素系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリイミド系またはポリベンザゾール系などの芳香族環を主鎖骨格に有し、スルホン酸基を有する高分子重合体;等を使用することができる。この中でも、国際公開第2013/018677号、特開2012−067216号公報、特開2010−238374号公報、特開2010−174179号公報、特開2010−135282号公報、特開2004−137444号公報、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報等に記載の重合体が好ましく、下記重合体(1)がより好ましい。 A known polymer can be used as the polymer, and is not particularly limited. For example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.), Flemion (A registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), a fluorinated carbon-based high molecular polymer having a sulfonic acid group commercially available; polyaromatic hydrocarbon-based, polyetheretherketone-based, polyphenylene sulfide-based, A high molecular polymer having an aromatic ring such as a polyimide-based or polybenzazole-based main chain skeleton and a sulfonic acid group can be used. Among them, International Publication Nos. 2013/018677, 2012-0667216, 2010-238374, 2010-174179, 2010-135282, 2004-137444, and the like. The polymers described in JP 2004-345997 A, JP 2004-346163 A, and the like are preferable, and the following polymer (1) is more preferable.
・重合体(1)
前記重合体(1)は、プロトン伝導性基を有する構造単位と疎水性構造単位とを有する重合体であり、ポリマーまたはオリゴマーである。
本発明において、プロトン伝導性基を有する構造単位は、単にプロトン伝導性基であってもよく、プロトン伝導性基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシ基、ビススルホニルイミド基などが挙げられ、スルホン酸基が好ましい。
・ Polymer (1)
The polymer (1) is a polymer having a structural unit having a proton conductive group and a hydrophobic structural unit, and is a polymer or an oligomer.
In the present invention, the structural unit having a proton conductive group may be simply a proton conductive group, and examples of the proton conductive group include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxy group, and a bissulfonylimide group. And sulfonic acid groups are preferred.
前記重合体(1)は、具体的には、プロトン伝導性基を有する構造単位となる親水性セグメント(A1)と、疎水性構造単位となる疎水性セグメント(B1)とからなる重合体であることが好ましい。この場合、該重合体(1)は、ブロック重合体であってもよく、ランダム重合体であってもよいが、より発電や水電解性能および乾湿サイクル時の寸法安定性に優れる固体高分子電解質膜が得られる等の点から、親水性セグメント(A1)と疎水性セグメント(B1)とのブロック共重合体が好ましい。 Specifically, the polymer (1) is a polymer comprising a hydrophilic segment (A1) serving as a structural unit having a proton conductive group and a hydrophobic segment (B1) serving as a hydrophobic structural unit. It is preferable. In this case, the polymer (1) may be a block polymer or a random polymer. However, the polymer (1) is more excellent in power generation, water electrolysis performance, and dimensional stability during a wet and dry cycle. In view of obtaining a film, a block copolymer of the hydrophilic segment (A1) and the hydrophobic segment (B1) is preferable.
・親水性セグメント(A1)
親水性セグメント(A1)としては、プロトン伝導性基を有し、親水性を示すセグメントであれば特に制限されないが、例えば、主鎖に芳香環を有し、スルホン酸基などのプロトン伝導性基を含有する親水性セグメントが挙げられ、親水性セグメントの連続性が高く、プロトン伝導度が高い電解質膜(A)が得られるなどの点から、下記式(5)で表される構造単位(以下「構造単位(5)」ともいう。)を含むセグメントであることが好ましく、構造単位(5)からなるセグメントであることがより好ましい。
親水性セグメント(A1)は、1種類の構造単位のみからなってもよく、2種類以上の構造単位を含んでもよい。
・ Hydrophilic segment (A1)
The hydrophilic segment (A1) is not particularly limited as long as it has a proton conductive group and exhibits hydrophilicity. For example, the hydrophilic segment (A1) has an aromatic ring in the main chain and a proton conductive group such as a sulfonic acid group. From the point that an electrolyte membrane (A) having high continuity of the hydrophilic segment and high proton conductivity can be obtained (hereinafter referred to as the structural unit represented by the following formula (5)) A segment including “structural unit (5)” is preferable, and a segment including the structural unit (5) is more preferable.
The hydrophilic segment (A1) may consist of only one type of structural unit or may contain two or more types of structural units.
式(5)中、Ar11、Ar12およびAr13はそれぞれ独立に、ハロゲン原子、ニトリル基、炭素数1〜20の1価の炭化水素基もしくは炭素数1〜20の1価のハロゲン化炭化水素基で置換されていてもよい、ベンゼン環、縮合芳香環または含窒素複素環を有する芳香族基を示し、YおよびZはそれぞれ独立に、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)u−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である。)、−C(CH3)2−または−C(CF3)2−を示し、R17は独立に、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−または−(CF2)p−(pは1〜12の整数を示す。)を示し、R18およびR19はそれぞれ独立に、水素原子または保護基を示す。ただし、前記構造単位(5)中に含まれる全てのR18およびR19のうち少なくとも1個は水素原子である。
x1は独立に、0〜6の整数を示し、x2は1〜7の整数を示し、aは0または1を示し、bは0〜20の整数を示す。
In the formula (5), Ar 11 , Ar 12 and Ar 13 are each independently a halogen atom, a nitrile group, a monovalent hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a monovalent halogenated carbonization having 1 to 20 carbon atoms. An aromatic group having a benzene ring, a condensed aromatic ring or a nitrogen-containing heterocyclic ring, which may be substituted with a hydrogen group, and Y and Z are each independently a direct bond, -O-, -S-, -CO -, - SO 2 -, - SO -, - (CH 2) u -, - (CF 2) u - (u is an integer of 1 to 10.), - C (CH 3 ) 2 - or -C (CF 3 ) 2 — and R 17 is independently a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p — or — (CF 2 ) p. -(P represents an integer of 1 to 12), and R 18 and R 19 each independently represent a hydrogen atom or a protecting group. However, at least one of all R 18 and R 19 contained in the structural unit (5) is a hydrogen atom.
x 1 independently represents an integer of 0 to 6, x 2 represents an integer of 1 to 7, a represents 0 or 1, and b represents an integer of 0 to 20.
前記保護基とは、反応性の基(−SO3−または−SO3 -)を一時的に保護する目的で使用されるイオン、原子または原子団等のことをいう。具体的には、アルカリ金属原子、脂肪族炭化水素基、脂環基、含酸素複素環基および含窒素カチオンなどが挙げられる。 The protecting group refers to an ion, atom or atomic group used for the purpose of temporarily protecting a reactive group (—SO 3 — or —SO 3 − ). Specific examples include an alkali metal atom, an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic group, an oxygen-containing heterocyclic group, and a nitrogen-containing cation.
親水性セグメント(A1)は、スルホン酸基を有する前記構造単位(5)以外にも、スルホン酸基以外のプロトン伝導性基を有する構造単位として、例えば、ホスホン酸基を有する構造単位や、特開2011−089036号公報および国際公開第2007/010731号等に記載の含窒素複素環を有する芳香族系構造単位などを含んでもよい。 The hydrophilic segment (A1) includes, in addition to the structural unit (5) having a sulfonic acid group, as a structural unit having a proton conductive group other than a sulfonic acid group, for example, a structural unit having a phosphonic acid group, Aromatic structural units having a nitrogen-containing heterocyclic ring described in Kaikai 2011-089036 and International Publication No. 2007/010731 may be included.
・疎水性セグメント(B1)
疎水性セグメント(B1)としては、疎水性を示すセグメントであれば特に制限されない。
親水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位のみからなってもよく、2種類以上の構造単位を含んでもよい。
・ Hydrophobic segment (B1)
The hydrophobic segment (B1) is not particularly limited as long as it is a hydrophobic segment.
The hydrophilic segment (B1) may be composed of only one type of structural unit or may include two or more types of structural units.
疎水性セグメント(B1)としては、好ましくは、主鎖に芳香環を有し、スルホン酸基などのプロトン伝導性基を含有しない疎水性セグメントが挙げられ、より熱水膨潤抑制に優れる電解質膜(A)が得られるなどの点から、下記式(1)で表される構造単位(以下「構造単位(1)」ともいう。)、下記式(2)で表される構造単位(以下「構造単位(2)」ともいう。)および下記式(3')で表される構造単位(以下「構造単位(3')」ともいう。)からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造単位を含むセグメントであることが好ましく、構造単位(1)および構造単位(2)からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造単位からなるセグメントであることがより好ましい。 The hydrophobic segment (B1) preferably includes a hydrophobic segment that has an aromatic ring in the main chain and does not contain a proton conductive group such as a sulfonic acid group, and is an electrolyte membrane that is more excellent in suppressing hot water swelling ( In view of obtaining A), a structural unit represented by the following formula (1) (hereinafter also referred to as “structural unit (1)”), a structural unit represented by the following formula (2) (hereinafter referred to as “structure”). Unit (2) ”) and at least one structural unit selected from the group consisting of structural units represented by the following formula (3 ′) (hereinafter also referred to as“ structural unit (3 ′) ”). A segment is preferable, and a segment composed of at least one structural unit selected from the group consisting of the structural unit (1) and the structural unit (2) is more preferable.
前記重合体(1)が、構造単位(1)〜(3')のいずれか、特には、構造単位(1)または(2)を含有することにより、該重合体の疎水性が著しく向上する。このため、従来と同様のプロトン伝導性を具備しながら、優れた熱水耐性を有する電解質膜(A)を得ることができる。また、セグメント(B1)がニトリル基を含む場合は、靭性および機械的強度の高い電解質膜(A)を製造できる。 When the polymer (1) contains any one of the structural units (1) to (3 ′), in particular, the structural unit (1) or (2), the hydrophobicity of the polymer is remarkably improved. . For this reason, it is possible to obtain an electrolyte membrane (A) having excellent hot water resistance while having proton conductivity similar to the conventional one. Moreover, when segment (B1) contains a nitrile group, an electrolyte membrane (A) with high toughness and mechanical strength can be produced.
・構造単位(1)
疎水性セグメント(B1)が、構造単位(1)を含有することにより、該セグメント(B1)の剛直性が高くなり、かつ芳香環密度が高くなることで、得られる重合体(1)を含む電解質膜(A)の熱水耐性、過酸化物に対するラジカル耐性、ガスバリア性、機械的強度および寸法安定性等を向上させることができる。
前記疎水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位(1)を含んでもよく、2種類以上の構造単位(1)を含んでもよい。
・ Structural unit (1)
When the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (1), the segment (B1) includes the polymer (1) obtained by increasing the rigidity and increasing the aromatic ring density. The hot water resistance of the electrolyte membrane (A), radical resistance to peroxide, gas barrier properties, mechanical strength, dimensional stability, and the like can be improved.
The hydrophobic segment (B1) may include one type of structural unit (1), or may include two or more types of structural units (1).
式(1)中、芳香環を構成する少なくとも1つの置換可能な炭素原子は窒素原子に置き換えられてもよく、R21は独立に、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基またはR22−E−(Eは、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−CONH−、−COO−、−CF2−、−CH2−、−C(CF3)2−または−C(CH3)2−を示し;R22は、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、アリール基、ハロゲン化アリール基または含窒素複素環を示し、これらの基の少なくとも1つの水素原子は、さらにヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基およびR22−E−からなる群より選ばれる少なくとも1種の基で置換されていてもよい。)を示し、複数のR21が結合して環構造を形成してもよい。
なお、R21がR22−E−であり、かつ、該R22がさらにR22−E−で置換される場合、複数のEは同一でも異なっていてもよく、複数のR22(ただし、置換によって生じる構造の差異を除く部分の構造)も同一でも異なっていてもよい。同様に、本発明において、一つの式中に同一の符号で表される基が複数存在する場合には、これらの基は、同一でも異なっていてもよい。ただし、一つの式中に複数のR22が含まれる場合、その上限は5個であることが好ましい。
c1およびc2は独立に0または1以上の整数を示し、dは1以上の整数を示し、eは独立に、0〜(2c1+2c2+4)の整数を示す。
In the formula (1), at least one substitutable carbon atom constituting the aromatic ring may be replaced with a nitrogen atom, and R 21 is independently a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a nitrile group or R 22 —. E- (E is a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —CONH—, —COO—, —CF 2 —, —CH 2 —, —C (CF 3 ) 2- or -C (CH 3 ) 2- ; R 22 represents an alkyl group, a halogenated alkyl group, an alkenyl group, an aryl group, a halogenated aryl group or a nitrogen-containing heterocycle, and at least one of these groups one of the hydrogen atoms, further hydroxy group, a nitro group, may be substituted with at least one group selected from the group consisting of nitrile group, and R 22 -E-.) shows a plurality of R 21 is bonded To form a ring structure.
When R 21 is R 22 -E- and R 22 is further substituted with R 22 -E-, the plurality of E may be the same or different, and a plurality of R 22 (provided that The structure of the portion excluding the structural difference caused by the substitution may be the same or different. Similarly, in the present invention, when there are a plurality of groups represented by the same symbol in one formula, these groups may be the same or different. However, when several R <22> is contained in one formula, it is preferable that the upper limit is five.
c 1 and c 2 independently represent an integer of 0 or 1 or more, d represents an integer of 1 or more, and e independently represents an integer of 0 to (2c 1 + 2c 2 +4).
・構造単位(2)
前記疎水性セグメント(B1)が構造単位(2)を含むと、過酸化物などに対するラジカル耐性が向上し、発電・水電解耐久性に優れる電解質膜(A)が得られると考えられるため好ましい。
また、前記疎水性セグメント(B1)が構造単位(2)を含有することにより、該セグメント(B1)に適度な屈曲性(柔軟性)を付与することができ、得られる重合体を含む電解質膜(A)の靭性を向上させることができる。
前記疎水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位(2)を含んでもよく、2種類以上の構造単位(2)を含んでもよい。
・ Structural unit (2)
It is preferable that the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (2) because radical resistance to peroxides and the like is improved, and an electrolyte membrane (A) excellent in power generation / water electrolysis durability can be obtained.
Moreover, when the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (2), an appropriate flexibility (flexibility) can be imparted to the segment (B1), and the electrolyte membrane containing the resulting polymer The toughness of (A) can be improved.
The hydrophobic segment (B1) may include one type of structural unit (2), or may include two or more types of structural units (2).
式(2)中、芳香環を構成する少なくとも1つの置換可能な炭素原子は窒素原子に置き換えられてもよく、R31は独立に、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基またはR22−E−(EおよびR22はそれぞれ独立に、前記式(1)中のEおよびR22と同義である。)を示し、複数のR31が結合して環構造を形成してもよい。
fは0または1以上の整数を示し、gは0〜(2f+4)の整数を示す。ただし、式(2)で表される構造単位は、式(1)で表される構造単位以外の構造単位である。
In the formula (2), at least one substitutable carbon atom constituting the aromatic ring may be replaced with a nitrogen atom, and R 31 is independently a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a nitrile group or R 22 —. E- (E and R 22 are each independently synonymous with E and R 22 in the formula (1)), and a plurality of R 31 may be bonded to form a ring structure.
f represents 0 or an integer of 1 or more, and g represents an integer of 0 to (2f + 4). However, the structural unit represented by Formula (2) is a structural unit other than the structural unit represented by Formula (1).
・構造単位(3')
前記疎水性セグメント(B1)が構造単位(3')を含有することにより、該セグメント(B1)に適度な屈曲性(柔軟性)を付与することができ、得られる重合体を含む電解質膜(A)の靭性を向上させることができる。
前記疎水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位(3')を含んでもよく、2種類以上の構造単位(3')を含んでもよい。
・ Structural unit (3 ')
When the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (3 ′), an appropriate flexibility (flexibility) can be imparted to the segment (B1), and an electrolyte membrane containing the resulting polymer ( The toughness of A) can be improved.
The hydrophobic segment (B1) may include one type of structural unit (3 ′) or may include two or more types of structural units (3 ′).
式(3')中、A'およびD'はそれぞれ独立に、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数である)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基またはフルオレニリデン基を示し、B'は独立に、酸素原子または硫黄原子を示し、R1〜R16はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基またはR22−E−(EおよびR22はそれぞれ独立に、式(1)中のEおよびR22と同義である。)を示し、R1〜R16のうちの複数の基が結合して環構造を形成してもよい。
sおよびtはそれぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。
In formula (3 ′), A ′ and D ′ are each independently a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2) i - (i is an integer of 1 to 10), - (CH 2) j - (j is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon Group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group.), A cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B ′ independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16 each independently represent represent hydrogen atom, halogen atom, hydroxy group, nitro group, nitrile group or R 22 -E- (E and R 22 are independently the same as E and R 22 in the formula (1).) shows the , R 1 to R 16 may combine to form a ring structure.
s and t each independently represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
・重合体(1)の合成方法
前記重合体(1)は、従来公知の方法で合成することができ、特に制限されないが、例えば、前記構造単位となる化合物を触媒や溶媒の存在下で反応させ、必要によりスルホン酸エステル基などをスルホン酸基に変換する、または、スルホン化剤を用いてスルホン化する等の方法でプロトン伝導性基を導入することにより合成することができる。
-Synthesis method of polymer (1) The polymer (1) can be synthesized by a conventionally known method and is not particularly limited. For example, the compound serving as the structural unit is reacted in the presence of a catalyst or a solvent. Then, if necessary, it can be synthesized by introducing a proton conductive group by a method such as conversion of a sulfonic acid ester group or the like to a sulfonic acid group, or sulfonation using a sulfonating agent.
≪膜−電極接合体≫
本発明に係る膜−電極接合体は、ガス拡散層、触媒層、本発明の固体高分子電解質膜、触媒層およびガス拡散層がこの順で積層された膜−電極接合体である。具体的には、本発明の固体高分子電解質膜の一方の面にはカソード電極用の触媒層が、他方の面にはアノード電極用の触媒層が設けられており、さらにカソード電極用およびアノード電極用の各触媒層の固体高分子電解質膜と反対側に接して、それぞれガス拡散層が設けられたものであることが好ましい。
≪Membrane-electrode assembly≫
The membrane-electrode assembly according to the present invention is a membrane-electrode assembly in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane of the present invention, a catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated in this order. Specifically, a catalyst layer for a cathode electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, and a catalyst layer for an anode electrode is provided on the other surface. It is preferable that a gas diffusion layer is provided in contact with the opposite side of the catalyst layer for each electrode to the solid polymer electrolyte membrane.
非電解質層と2枚の電解質膜(A)とを含有する固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体としては、例えば、図1に示すような膜−電極接合体が挙げられる。このように、非電解質層と2枚の電解質膜(A)とを含む固体高分子電解質膜は、該非電解質層および電解質膜(A)のうち、最も面積の広い面が重なり合うように、これらの膜(層)が前記の方法で積層等されたものであることが、発電性能に優れる燃料電池、および、水電解性能に優れる水電解装置が得られるなどの点から好ましい。 Examples of the membrane-electrode assembly including the solid polymer electrolyte membrane containing the non-electrolyte layer and the two electrolyte membranes (A) include a membrane-electrode assembly as shown in FIG. As described above, the solid polymer electrolyte membrane including the non-electrolyte layer and the two electrolyte membranes (A) is formed so that the widest surface of the non-electrolyte layer and the electrolyte membrane (A) overlaps. It is preferable that the membrane (layer) is laminated by the above method from the viewpoint of obtaining a fuel cell excellent in power generation performance and a water electrolysis device excellent in water electrolysis performance.
また、電解質膜(A)を折り曲げてなる構造体を含む固体高分子電解質膜を用いる場合、図1の固体高分子電解質膜17の代わりに、図2の固体高分子電解質膜17'を図の向きで含む膜−電極接合体が好ましい。つまり、電解質膜(A)を折り曲げる際には、該電解質膜(A)のうち、最も面積の広い面が対向するように、また、折り曲げることでできる電解質膜界面が、触媒層などとの積層方向と略垂直方向になるように電解質膜(A)を折り曲げることが好ましい。 2 is used instead of the solid polymer electrolyte membrane 17 of FIG. 1, the solid polymer electrolyte membrane 17 ′ of FIG. 2 is replaced with the solid polymer electrolyte membrane 17 ′ of FIG. Membrane-electrode assemblies containing in the orientation are preferred. That is, when the electrolyte membrane (A) is folded, the electrolyte membrane (A) is laminated so that the widest surface of the electrolyte membrane (A) faces and the interface of the electrolyte membrane that can be folded is laminated with the catalyst layer or the like. The electrolyte membrane (A) is preferably bent so as to be in a direction substantially perpendicular to the direction.
前記ガス拡散層としては、特に制限されず公知のものを使用することができるが、多孔性基材または多孔性基材と微多孔層との積層構造体等が挙げられる。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層との積層構造体からなる場合には、微多孔層が触媒層に接することが好ましい。また、前記ガス拡散層は、撥水性を付与するために含フッ素重合体を含んでいることが好ましい。 The gas diffusion layer is not particularly limited and a known one can be used, and examples thereof include a porous substrate or a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, the microporous layer is preferably in contact with the catalyst layer. The gas diffusion layer preferably contains a fluoropolymer in order to impart water repellency.
前記ガス拡散層の厚みは、燃料電池に通常用いられるガス拡散層と同程度の厚みであればよいが、好ましくは50〜400μm、より好ましくは100〜300μmである。 Although the thickness of the said gas diffusion layer should just be the same thickness as the gas diffusion layer normally used for a fuel cell, Preferably it is 50-400 micrometers, More preferably, it is 100-300 micrometers.
前記触媒層は、特に制限されず公知のものを使用することができるが、例えば、触媒、イオン交換樹脂電解質などから構成される。
触媒としては、白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素を含むものであってもよい。このような貴金属触媒は、高比表面積カーボン微粒子に担持したものを用いてもよい。
The catalyst layer is not particularly limited, and a known layer can be used. For example, the catalyst layer includes a catalyst, an ion exchange resin electrolyte, and the like.
As the catalyst, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium or iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more elements such as an alloy or a mixture. As such a precious metal catalyst, a catalyst supported on high specific surface area carbon fine particles may be used.
イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を結着させるバインダー成分として働くとともに、アノード極では触媒上の反応によって発生したイオンを固体高分子電解質膜へ効率的に供給し、また、カソード極では固体高分子電解質膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する物質であることが好ましい。 The ion exchange resin electrolyte functions as a binder component for binding the catalyst, and efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the solid polymer electrolyte membrane at the anode electrode, and the solid polymer at the cathode electrode. A substance that efficiently supplies ions supplied from the electrolyte membrane to the catalyst is preferable.
前記イオン交換樹脂電解質としては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。
このようなポリマーに含まれるプロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などが挙げられるが特に限定されるものではない。
また、このようなプロトン交換基を有するポリマーも、特に限定されることなく用いられるが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマーや、スルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体などが好ましく用いられる。また、前記電解質膜(A)の欄で例示した重合体(a)をイオン交換樹脂電解質として使用してもよく、さらに、プロトン交換基を有し、フッ素原子を含むポリマー、エチレンやスチレンなどから得られる他のポリマー、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。
The ion exchange resin electrolyte is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the catalyst layer.
Examples of proton exchange groups contained in such a polymer include, but are not particularly limited to, sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups.
Further, a polymer having such a proton exchange group is also used without any particular limitation, but a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, and a sulfonic acid group can be used. An aromatic hydrocarbon polymer having the same is preferably used. Further, the polymer (a) exemplified in the column of the electrolyte membrane (A) may be used as an ion exchange resin electrolyte, and further, a polymer having a proton exchange group and containing a fluorine atom, such as ethylene or styrene. Other polymers obtained, copolymers or blends thereof may be used.
このようなイオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、例えば、Nafionであってもよい。 As such an ion exchange resin electrolyte, a known one can be used without particular limitation, and may be, for example, Nafion.
前記触媒層は、必要に応じてさらに、炭素繊維、イオン交換基を有しない樹脂等の添加剤を含んでもよい。この添加剤としては撥水性の高い成分であることが好ましく、例えば、含フッ素共重合体、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼンなどを挙げることができるが、好ましくは含フッ素共重合体である。 The catalyst layer may further contain an additive such as a carbon fiber or a resin having no ion exchange group, if necessary. This additive is preferably a component having high water repellency, and examples thereof include a fluorine-containing copolymer, a silane coupling agent, a silicone resin, a wax, and polyphosphazene. It is a coalescence.
前記触媒層の厚みは、燃料電池や水電解装置に通常用いられる触媒層と同程度の厚みであればよいが、好ましくは1〜100μm、より好ましくは3〜50μmである。 Although the thickness of the said catalyst layer should just be the same thickness as the catalyst layer normally used for a fuel cell or a water electrolysis apparatus, Preferably it is 1-100 micrometers, More preferably, it is 3-50 micrometers.
≪燃料電池≫
本発明に係る燃料電池は、前記膜−電極接合体を有する。このため、本発明に係る燃料電池は、特に耐久性に優れ、発電性能の経時的な低下が抑制され、長期にわたって安定な発電が可能である。
≪Fuel cell≫
The fuel cell according to the present invention has the membrane-electrode assembly. For this reason, the fuel cell according to the present invention is particularly excellent in durability, a decrease in power generation performance over time is suppressed, and stable power generation is possible over a long period of time.
本発明に係る燃料電池は、具体的には、少なくとも一つの膜−電極接合体の両外側に位置する、セパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;および酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む燃料電池であることが好ましい。 Specifically, the fuel cell according to the present invention includes at least one electricity generation unit including a separator, located on both outer sides of at least one membrane-electrode assembly; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit And an oxidant supply part for supplying an oxidant to the electricity generation part.
前記セパレータとしては、通常の燃料電池に使用されるものを用いることができる。具体的にはカーボンタイプのセパレータ、金属タイプのセパレータ等が挙げられる。 As said separator, what is used for a normal fuel cell can be used. Specifically, a carbon type separator, a metal type separator, etc. are mentioned.
また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。本発明の燃料電池は単セルであってもよいし、複数の単セルを直列に繋いだスタックセルであってもよい。スタックの方法としては公知の方法を用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキングであってもよいし、および燃料または酸化剤の流路が、セパレータの裏表面にそれぞれ形成されているセパレータを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングであってもよい。 Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The fuel cell of the present invention may be a single cell or a stack cell in which a plurality of single cells are connected in series. A known method can be used as the stacking method. Specifically, it may be flat stacking in which single cells are arranged in a plane, and a fuel or oxidant flow path is a stack in which single cells are stacked via separators formed on the back surface of the separator. Polar stacking may be used.
≪水電解セル≫
本発明に係る水電解セルは、触媒層、本発明の固体高分子電解質膜および触媒層がこの順で積層された積層体を含む。
前記触媒層としては、公知のものを特に制限なく使用可能であり、具体的には、前記膜−電極接合体で説明した触媒層と同様の層などが挙げられる。
≪Water electrolysis cell≫
The water electrolysis cell according to the present invention includes a laminate in which the catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, and the catalyst layer are laminated in this order.
As the catalyst layer, a known layer can be used without particular limitation, and specifically, the same layer as the catalyst layer described in the membrane-electrode assembly can be used.
≪水電解装置≫
本発明に係る水電解装置は、前記水電解セルを有する。このため、本発明に係る水電解装置は、特に耐久性に優れ、性能の経時的な低下が抑制され、長期にわたって安定な電気分解が可能である。
≪Water electrolysis equipment≫
The water electrolysis apparatus according to the present invention has the water electrolysis cell. For this reason, the water electrolysis apparatus according to the present invention is particularly excellent in durability, suppresses a decrease in performance over time, and enables stable electrolysis over a long period of time.
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these Examples.
〔スルホン酸基を有する重合体のイオン交換容量〕
以下の合成例で得られた重合体のイオン交換容量は以下のようにして測定した。
以下の合成例で得られた重合体を脱イオン水に浸漬することで、該重合体中に残存している酸を完全に除去した後、重合体1mg当たり2mLの2N食塩水に浸漬してイオン交換させることにより塩酸水溶液を調製した。この塩酸水溶液を、フェノールフタレインを指示薬として、0.001N水酸化ナトリウムの標準水溶液にて中和滴定した。イオン交換後の重合体を脱イオン水で洗浄し、110℃で2時間真空乾燥させて乾燥重量を測定した。下記式に示すように、水酸化ナトリウムの滴定量と重合体の乾燥重量とから、スルホン酸基の当量(以下「イオン交換容量」という。)を求めた。
イオン交換容量(meq/g)=水酸化ナトリウムの滴定量(mmol)/重合体の乾燥重量(g)
[Ion exchange capacity of polymer having sulfonic acid group]
The ion exchange capacity of the polymers obtained in the following synthesis examples was measured as follows.
The polymer obtained in the following synthesis example was immersed in deionized water to completely remove the acid remaining in the polymer, and then immersed in 2 mL of 2N saline per 1 mg of the polymer. A hydrochloric acid aqueous solution was prepared by ion exchange. This hydrochloric acid aqueous solution was neutralized with a standard aqueous solution of 0.001N sodium hydroxide using phenolphthalein as an indicator. The polymer after ion exchange was washed with deionized water, dried in vacuum at 110 ° C. for 2 hours, and the dry weight was measured. As shown in the following formula, an equivalent amount of sulfonic acid group (hereinafter referred to as “ion exchange capacity”) was determined from the titration amount of sodium hydroxide and the dry weight of the polymer.
Ion exchange capacity (meq / g) = titration amount of sodium hydroxide (mmol) / dry weight of polymer (g)
〔分子量の測定〕
以下の合成例で得られた化合物の分子量の測定は、測定する化合物に応じて以下の(A)または(B)の方法を用いた。
(Measurement of molecular weight)
The molecular weight of the compounds obtained in the following synthesis examples was measured using the following method (A) or (B) depending on the compound to be measured.
(A)測定する化合物をN−メチル−2−ピロリドン緩衝溶液(以下「NMP緩衝溶液」という。)に溶解し、溶離液としてNMP緩衝溶液を、装置としてTOSOH HLC−8220(東ソー(株)製)を、カラムとしてTSKgel α−M(東ソー(株)製)を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、ポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)を求めた。
NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調製した。
(A) A compound to be measured is dissolved in an N-methyl-2-pyrrolidone buffer solution (hereinafter referred to as “NMP buffer solution”), an NMP buffer solution is used as an eluent, and TOSOH HLC-8220 (manufactured by Tosoh Corporation) is used as an apparatus. The number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene were determined by gel permeation chromatography (GPC) using TSKgel α-M (manufactured by Tosoh Corporation) as a column.
The NMP buffer solution was prepared at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).
(B)測定する化合物をテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、溶離液としてTHFを、装置としてTOSOH HLC−8220(東ソー(株)製)を、カラムとしてTSKgel α−M(東ソー(株)製)を用いたGPCにより、ポリスチレン換算のMnおよびMwを求めた。 (B) A compound to be measured is dissolved in tetrahydrofuran (THF), THF is used as an eluent, TOSOH HLC-8220 (manufactured by Tosoh Corporation) is used as an apparatus, and TSKgel α-M (manufactured by Tosoh Corporation) is used as a column. Polystyrene-converted Mn and Mw were determined by the GPC used.
〔合成例1〕
(1)疎水性ユニットの合成
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管および窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル49.4g(0.29モル)、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン88.4g(0.26モル)、および炭酸カリウム47.3g(0.34モル)を量り取った。得られたフラスコを窒素置換後、該フラスコにスルホラン346mLおよびトルエン173mLを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、150℃で加熱還流させた。反応により生成した水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、200℃で3時間反応を続けた。次いで、2,6−ジクロロベンゾニトリル12.3g(0.072モル)を加え、さらに5時間反応させた。得られた反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を2Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別回収し、乾燥させた後、テトラヒドロフラン250mLに溶解させた。得られた溶液をメタノール2Lに投入し、再沈殿させ、目的の化合物(沈殿物)107gを得た。
得られた目的の化合物のGPC(溶媒:THF)で求めたポリスチレン換算のMnは7,300であった。得られた化合物は下記構造式で表されるオリゴマーであった。
[Synthesis Example 1]
(1) Synthesis of hydrophobic unit 49.4 g of 2,6-dichlorobenzonitrile was added to a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, a condenser tube, a Dean-Stark tube and a three-way cock for introducing nitrogen. 0.29 mol), 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane 88.4 g (0.26 mol), and potassium carbonate 47.3 g ( 0.34 mol) was weighed out. After replacing the obtained flask with nitrogen, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added to the flask and stirred. The flask was placed in an oil bath and heated to reflux at 150 ° C. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. After removing most of the toluene while gradually raising the reaction temperature, the reaction was continued at 200 ° C. for 3 hours. Next, 12.3 g (0.072 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool and then diluted by adding 100 mL of toluene. The precipitate of the inorganic compound produced as a by-product was removed by filtration, and the filtrate was put into 2 L of methanol. The precipitated product was collected by filtration, dried, and then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran. The obtained solution was poured into 2 L of methanol and reprecipitated to obtain 107 g of the target compound (precipitate).
The Mn in terms of polystyrene determined by GPC (solvent: THF) of the obtained target compound was 7,300. The obtained compound was an oligomer represented by the following structural formula.
(2)親水性ユニットの合成
攪拌機および冷却管を備えた3Lの三つ口フラスコに、クロロスルホン酸233.0g(2モル)を加え、続いて2,5−ジクロロベンゾフェノン100.4g(400ミリモル)を加え、得られたフラスコを100℃のオイルバスに入れ、8時間反応させた。8時間後、反応液を砕氷1000gにゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロリドを得た。粗結晶は精製せず、そのまま次工程に用いた。
(2) Synthesis of hydrophilic unit To a 3 L three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser tube was added 233.0 g (2 mol) of chlorosulfonic acid, followed by 100.4 g (400 mmol) of 2,5-dichlorobenzophenone. ) Was added, and the resulting flask was placed in a 100 ° C. oil bath and allowed to react for 8 hours. After 8 hours, the reaction solution was slowly poured onto 1000 g of crushed ice and extracted with ethyl acetate. The organic layer was washed with brine and dried over magnesium sulfate, and then ethyl acetate was distilled off to obtain pale yellow crude crystals of 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonic acid chloride. The crude crystals were not purified and used as they were in the next step.
2,2−ジメチル−1−プロパノール(ネオペンチルアルコール)38.8g(440ミリモル)をピリジン300mLに加え、約10℃に冷却した。ここに前記で得られた粗結晶を約30分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに30分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水1000mL中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で順次洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥させ、酢酸エチルを留去することで粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、下記構造式で表される3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチルの白色結晶を得た。 3,8.8 g (440 mmol) of 2,2-dimethyl-1-propanol (neopentyl alcohol) was added to 300 mL of pyridine and cooled to about 10 ° C. The crude crystals obtained above were gradually added thereto over about 30 minutes. After the total amount was added, the reaction was further stirred for 30 minutes. After the reaction, the reaction solution was poured into 1000 mL of hydrochloric acid water, and the precipitated solid was collected. The obtained solid was dissolved in ethyl acetate, washed successively with aqueous sodium bicarbonate solution and brine, dried over magnesium sulfate, and ethyl acetate was distilled off to obtain crude crystals. This was recrystallized with methanol to obtain white crystals of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate represented by the following structural formula.
(3)塩基性ユニットの合成
撹拌羽根、温度計および窒素導入管を取り付けた2Lの3つ口フラスコに、フルオロベンゼン240.2g(2.50モル)を取り、氷浴で10℃まで冷却し、2,5−ジクロロ安息香酸クロライド134.6g(0.50モル)、および塩化アルミニウム86.7g(0.65モル)を反応温度が40℃を超えないように徐々に添加した。添加後、40℃で8時間撹拌した。薄層クロマトグラフィーにより原料の消失を確認した後、攪拌後の混合物を氷水に滴下し、酢酸エチルで抽出した。得られた有機層を5%重曹水により中和した後、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、エバポレーターで溶媒を留去した。これをメタノールで再結晶させることで、中間体の2,5−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノンを130g、収率97%で得た。
(3) Synthesis of basic unit 240.2 g (2.50 mol) of fluorobenzene was placed in a 2 L three-necked flask equipped with a stirring blade, a thermometer and a nitrogen introduction tube, and cooled to 10 ° C. in an ice bath. 2,5-dichlorobenzoic acid chloride 134.6 g (0.50 mol) and aluminum chloride 86.7 g (0.65 mol) were gradually added so that the reaction temperature did not exceed 40 ° C. After the addition, the mixture was stirred at 40 ° C. for 8 hours. After confirming the disappearance of the raw material by thin layer chromatography, the stirred mixture was added dropwise to ice water and extracted with ethyl acetate. The obtained organic layer was neutralized with 5% aqueous sodium bicarbonate, washed with saturated brine, dried over magnesium sulfate, and the solvent was distilled off with an evaporator. This was recrystallized from methanol to obtain 130 g of intermediate 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone in a yield of 97%.
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管および窒素導入の三方コックを取り付けた2Lの3つ口フラスコに、前記2,5−ジクロロ−4'−フルオロベンゾフェノン130.5g(0.49モル)、2−ヒドロキシピリジン46.1g(0.49モル)、および炭酸カリウム73.7g(0.53モル)を取り、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)500mLおよびトルエン100mLを加え、オイルバス中、窒素雰囲気下で撹拌しながら130℃で反応させた。反応により生成した水をトルエンと共沸させ、Dean−Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。その後、大部分のトルエンを除去し、130℃で10時間反応を続けた。得られた反応液を放冷後濾過し、濾液を2Lの水/メタノール(9/1)中に投入した。沈殿した生成物を濾別により回収し、乾燥させた。 To a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube and nitrogen-introduced three-way cock, 130.5 g (0.49 mol) of 2,5-dichloro-4′-fluorobenzophenone was added. ), 46.1 g (0.49 mol) of 2-hydroxypyridine, and 73.7 g (0.53 mol) of potassium carbonate, add 500 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) and 100 mL of toluene, and in an oil bath The mixture was reacted at 130 ° C. with stirring under a nitrogen atmosphere. When water produced by the reaction was azeotroped with toluene and reacted while being removed from the system with a Dean-Stark tube, almost no water was observed in about 3 hours. Thereafter, most of the toluene was removed, and the reaction was continued at 130 ° C. for 10 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool and then filtered, and the filtrate was put into 2 L of water / methanol (9/1). The precipitated product was collected by filtration and dried.
撹拌機、温度計、冷却管、Dean−Stark管および窒素導入の三方コックを取り付けた2Lの3つ口フラスコに前記乾燥物を取り、トルエン1L中、100℃で撹拌し、残留した水分を留去しながら溶解させた。放冷後、析出した結晶を濾過することにより下記構造式で表される淡黄色の2,5−ジクロロ−4'−(2−ピリジニルオキシ)ベンゾフェノンを142g、収率83%で得た。 The dried product is placed in a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, cooling tube, Dean-Stark tube and nitrogen-introduced three-way cock, and stirred in 1 L of toluene at 100 ° C. to retain residual moisture. It was dissolved while leaving. After allowing to cool, 142 g of a pale yellow 2,5-dichloro-4 ′-(2-pyridinyloxy) benzophenone represented by the following structural formula was obtained in a yield of 83% by filtering the precipitated crystals.
(4)スルホン酸基を有する重合体の合成
撹拌機、温度計および窒素導入管を接続した1Lの3つ口フラスコに、乾燥したDMAc166mLを入れ、そこに(1)で合成したオリゴマー13.4g(1.8ミリモル)、(2)で合成した3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル37.6g(93.7ミリモル)、(3)で合成した2,5−ジクロロ−4'−(2−ピリジニルオキシ)ベンゾフェノン1.61g(4.7ミリモル)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.62g(4.0ミリモル)、トリフェニルホスフィン10.5g(40.1ミリモル)、ヨウ化ナトリウム0.45g(3.0ミリモル)、および亜鉛15.7g(240.5ミリモル)の混合物を窒素下で加えた。
(4) Synthesis of polymer having sulfonic acid group Into a 1 L three-necked flask connected with a stirrer, a thermometer and a nitrogen introduction tube, 166 mL of dried DMAc was placed, and 13.4 g of the oligomer synthesized in (1). (1.8 mmol), 37.6 g (93.7 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate synthesized in (2), 2,5-dichloro-4 synthesized in (3) '-(2-pyridinyloxy) benzophenone 1.61 g (4.7 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 2.62 g (4.0 mmol), triphenylphosphine 10.5 g (40.1 mmol), iodine A mixture of 0.45 g (3.0 mmol) sodium chloride and 15.7 g (240.5 mmol) zinc was added under nitrogen.
得られた混合物を撹拌下に加熱し(最終的には82℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。反応後の溶液をDMAc175mLで希釈し、30分撹拌した後、セライトを濾過助剤として用い濾過した。得られた濾液を、撹拌機を取り付けた1Lの3つ口フラスコに入れ、ここに臭化リチウム24.4g(281ミリモル)を1/3ずつ3回に分け1時間間隔で加え、内温120℃で5時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4Lに注ぎ、凝固させた。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N硫酸1500mLに入れ、攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、濾物を洗浄液のpHが5以上になるまで、イオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的の塩基性ユニットが導入されたスルホン酸基を有する重合体38.0gを得た。得られたスルホン酸基を有する重合体のGPC(溶媒:NMP緩衝溶液)で測定したポリスチレン換算の分子量は、Mn=63000、Mw=194000であった。また、この重合体のイオン交換容量は2.33meq/gであった。得られたスルホン酸基を有する重合体は、下記構造式で表される化合物(樹脂A)であった。 The resulting mixture was heated with stirring (finally warmed to 82 ° C.) and allowed to react for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The solution after the reaction was diluted with 175 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and then filtered using Celite as a filter aid. The obtained filtrate was put into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, to which 24.4 g (281 mmol) of lithium bromide was added in 1/3 portions at intervals of 1 hour. The reaction was carried out at 5 ° C. for 5 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature, poured into 4 L of acetone and solidified. The coagulated product was collected by filtration, air-dried, pulverized with a mixer, put into 1500 mL of 1N sulfuric acid, and washed with stirring. After filtration, the filtrate is washed with ion-exchanged water until the pH of the washing solution becomes 5 or higher, and then dried at 80 ° C. overnight. Got. The molecular weight of polystyrene conversion measured by GPC (solvent: NMP buffer solution) of the obtained polymer having a sulfonic acid group was Mn = 63000 and Mw = 194000. The ion exchange capacity of this polymer was 2.33 meq / g. The obtained polymer having a sulfonic acid group was a compound (resin A) represented by the following structural formula.
〔合成例2〕
(1)親水性ユニットの合成
攪拌機を備えた1Lのフラスコに、ネオペンチルアルコール(45.30g、514mmol)のピリジン(300mL)溶液を加え、続いて3,5−ジクロロベンゼンスルホニルクロライド(114.65g、467mmol)を少量ずつ攪拌しながら15分かけて添加した。この間、反応温度は18〜20℃に保った。反応混合物の入ったフラスコを、氷浴中で冷却しながらさらに30分攪拌した後、氷冷した10% HCl水溶液(1600mL)を添加した。水に不溶の成分を700mLの酢酸エチルで抽出し、1N HCl水溶液で2回(各700mL)洗浄し、次いで、5% NaHCO3水溶液で2回(各700mL)洗浄し、その後硫酸マグネシウムで乾燥させた。回転乾燥機を用いて溶媒を除去し、残渣を500mLのメタノールで再結晶させた。その結果、下記構造式で表される3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ネオペンチルの光沢のある無色結晶を収量105.98g、収率76%で得た。
[Synthesis Example 2]
(1) Synthesis of hydrophilic unit To a 1 L flask equipped with a stirrer, a solution of neopentyl alcohol (45.30 g, 514 mmol) in pyridine (300 mL) was added, followed by 3,5-dichlorobenzenesulfonyl chloride (114.65 g). 467 mmol) was added in portions over 15 minutes with stirring. During this time, the reaction temperature was kept at 18-20 ° C. The flask containing the reaction mixture was stirred for an additional 30 minutes while cooling in an ice bath, and then ice-cooled 10% aqueous HCl (1600 mL) was added. Insoluble components in water were extracted with 700 mL of ethyl acetate, washed twice with 1N aqueous HCl (700 mL each), then twice with 5% aqueous NaHCO 3 (700 mL each) and then dried over magnesium sulfate. It was. The solvent was removed using a rotary dryer and the residue was recrystallized with 500 mL of methanol. As a result, glossy colorless crystals of neopentyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate represented by the following structural formula were obtained in a yield of 105.98 g and a yield of 76%.
(2)スルホン酸基を有する重合体の合成
添加系:得られた3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ネオペンチル29.15g(98.09mmol)およびトリフェニルホスフィン1.65g(6.28mmol)の混合物中に、脱水したDMAc71mLを窒素下で加えて添加系溶液を調製した。
(2) Synthesis of polymer having sulfonic acid group Addition system: In a mixture of 29.15 g (98.09 mmol) of neopentyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate obtained and 1.65 g (6.28 mmol) of triphenylphosphine In addition, 71 mL of dehydrated DMAc was added under nitrogen to prepare an addition system solution.
反応系:2,5−ジクロロベンゾフェノン23.03g(91.71mmol)、2,6−ジクロロベンゾニトリル1.75g(10.19mmol)、トリフェニルホスフィン1.92g(7.34mmol)および亜鉛15.99g(244.57mmol)の混合物中に、脱水したDMAc66mLを窒素下で加えた。この反応系を撹拌下に60℃まで加熱した後、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド1.60g(2.45mmol)を加えて重合を開始し、80℃で20分間撹拌した。反応に伴い発熱や粘度上昇が観察された。 Reaction system: 2,5-dichlorobenzophenone 23.03 g (91.71 mmol), 2,6-dichlorobenzonitrile 1.75 g (10.19 mmol), triphenylphosphine 1.92 g (7.34 mmol) and zinc 15.99 g In a mixture of (244.57 mmol), 66 mL of dehydrated DMAc was added under nitrogen. The reaction system was heated to 60 ° C. with stirring, and then 1.60 g (2.45 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride was added to initiate polymerization, followed by stirring at 80 ° C. for 20 minutes. An exotherm and an increase in viscosity were observed with the reaction.
得られた反応系に添加系溶液を窒素下で加えた。この系を撹拌下に60℃まで加熱した後、亜鉛15.39g(235.43mmol)およびビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド2.05g(3.14mmol)を加えてさらに重合を促進させ、80℃で3時間撹拌した。反応に伴い発熱や粘度上昇が観察された。 The addition system solution was added to the obtained reaction system under nitrogen. After heating the system to 60 ° C. with stirring, 15.39 g (235.43 mmol) of zinc and 2.05 g (3.14 mmol) of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride were added to further promote the polymerization, and 80 ° C. For 3 hours. An exotherm and an increase in viscosity were observed with the reaction.
得られた溶液をDMAc273mLで希釈し、セライトを濾過助剤として用いて濾過した。濾液に臭化リチウム29.82g(343.33mmol)を加え、100℃で7時間反応させた。反応後、反応液を室温まで冷却し、水3.2Lに投入して凝固させた。凝固物にアセトンを加え、撹拌しながら4回洗浄・濾過を行った。洗浄物を1N硫酸で撹拌しながら7回洗浄・濾過を行った。さらに洗浄物を洗浄液のpHが5以上になるまで脱イオン水で洗浄・濾過を行った。得られた洗浄物を75℃で24時間乾燥させることにより目的のスルホン酸基を有する重合体26.3gを得た。 The resulting solution was diluted with 273 mL of DMAc and filtered using celite as a filter aid. To the filtrate, 29.82 g (343.33 mmol) of lithium bromide was added and reacted at 100 ° C. for 7 hours. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature and poured into 3.2 L of water to be solidified. Acetone was added to the coagulated product, and washing and filtration were performed 4 times with stirring. The washed product was washed and filtered seven times while stirring with 1N sulfuric acid. Further, the washed product was washed and filtered with deionized water until the pH of the washing solution reached 5 or higher. The obtained washed product was dried at 75 ° C. for 24 hours to obtain 26.3 g of a polymer having a target sulfonic acid group.
このスルホン酸基を有する重合体のGPC(溶媒:NMP緩衝溶液)で測定したポリスチレン換算の分子量は、Mnが53000であり、Mwが120000であった。また、この重合体のイオン交換容量は2.30meq/gであった。NMRで確認したところ、得られたスルホン酸基を有する重合体は、下記構造単位(q:r=90:10)を有する化合物(樹脂B)であった。 The molecular weight in terms of polystyrene measured by GPC (solvent: NMP buffer solution) of the polymer having a sulfonic acid group was 53,000 for Mn and 120,000 for Mw. Moreover, the ion exchange capacity of this polymer was 2.30 meq / g. When confirmed by NMR, the obtained polymer having a sulfonic acid group was a compound (resin B) having the following structural unit (q: r = 90: 10).
〔触媒ペーストの作製〕
80mLのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)容器に、直径5mmのジルコニアボール((株)ニッカトー製「YTZボール」)80g、白金ルテニウム担持カーボン粒子(田中貴金属工業(株)製「TEC61E54」、Pt:29.8質量%担持、Ru:23.2質量%担持)1.28g、および蒸留水3.60gを入れ、遊星ボールミル(フリッチュ社製「P−5」)を用いて200rpmで10分間混練した。その後、更にn−プロピルアルコール12.02gおよびNafion D2020(DuPont社製、ポリマー濃度21%分散液、イオン交換容量1.08meq/g)3.90gを加え、200rpmで30分間混練した後、ジルコニアボールを除去することで、アノード触媒ペーストを得た。
[Preparation of catalyst paste]
In an 80 mL polytetrafluoroethylene (PTFE) container, 80 g of zirconia balls having a diameter of 5 mm (“YTZ balls” manufactured by Nikkato Co., Ltd.), platinum ruthenium-supported carbon particles (“TEC61E54” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.), Pt: 29 0.88% by weight, Ru: 23.2% by weight) 1.28 g and distilled water 3.60 g were added, and kneaded for 10 minutes at 200 rpm using a planetary ball mill ("P-5" manufactured by Fritsch). Thereafter, 12.02 g of n-propyl alcohol and 3.90 g of Nafion D2020 (manufactured by DuPont, polymer concentration 21% dispersion, ion exchange capacity 1.08 meq / g) were added, kneaded at 200 rpm for 30 minutes, and then zirconia balls. Was removed to obtain an anode catalyst paste.
80mLのPTFE容器に、直径5mmのジルコニアボール(YTZボール)80g、白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業(株)製「TEC10E50E」、Pt:45.6質量%担持)1.25g、および蒸留水3.64gを入れ、遊星ボールミル(P−5)を用いて200rpmで10分間混練した。その後、更にn−プロピルアルコール11.91gおよびNafion D2020(4.40g)を加え、200rpmで30分間混練した後、ジルコニアボールを除去することで、カソード触媒ペーストを得た。 In an 80 mL PTFE container, 80 g of zirconia balls (YTZ balls) having a diameter of 5 mm, platinum-supported carbon particles (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt: 45.6% by mass), and distilled water 3 .64 g was added and kneaded for 10 minutes at 200 rpm using a planetary ball mill (P-5). Thereafter, 11.91 g of n-propyl alcohol and Nafion D2020 (4.40 g) were further added and kneaded at 200 rpm for 30 minutes, and then the zirconia balls were removed to obtain a cathode catalyst paste.
〔ガス拡散電極の作製〕
80mLのPTFE容器に直径5mmのジルコニアボール(YTZボール)80g、カーボンブラック(ライオン(株)製「ケッチェンブラックEC」)0.48g、蒸留水12.14g、n−プロピルアルコール4.05g、およびNafion D2020(3.33g)を入れ、遊星ボールミル(P−5)を用いて200rpmで5分間混練した後、ジルコニアボールを除去することで、カーボンブラックペーストを作製した。
[Production of gas diffusion electrode]
In an 80 mL PTFE container, 80 g of zirconia balls (YTZ balls) having a diameter of 5 mm, carbon black (“Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation) 0.48 g, distilled water 12.14 g, n-propyl alcohol 4.05 g, and Nafion D2020 (3.33 g) was added, kneaded at 200 rpm for 5 minutes using a planetary ball mill (P-5), and then the zirconia balls were removed to prepare a carbon black paste.
得られたカーボンブラックペーストをSGL CARBON社製のガス拡散層25BC上にドクターブレードにて乾燥後の重量増加が0.3mg/cm2になるように塗布し、80℃で15分間乾燥させることで下地層塗布ガス拡散層を作製した。 By applying the obtained carbon black paste on the gas diffusion layer 25BC manufactured by SGL CARBON with a doctor blade so that the weight increase after drying is 0.3 mg / cm 2 and drying at 80 ° C. for 15 minutes. A base layer coating gas diffusion layer was prepared.
アノード触媒ペーストを、下地層塗布ガス拡散層の下地層上にPtとRuとの合計量が0.6mg/cm2になるようにドクターブレードにて塗布後、80℃で15分間乾燥し、アノードガス拡散電極を作製した。 The anode catalyst paste was applied on the underlayer of the underlayer coating gas diffusion layer with a doctor blade so that the total amount of Pt and Ru was 0.6 mg / cm 2, and then dried at 80 ° C. for 15 minutes. A gas diffusion electrode was produced.
カソード触媒ペーストを、下地層塗布ガス拡散層の下地層上にPtの量が0.6mg/cm2になるようにドクターブレードにて塗布後、80℃で15分間乾燥し、カソードガス拡散電極を作製した。 After applying the cathode catalyst paste on the underlayer of the underlayer coating gas diffusion layer with a doctor blade so that the amount of Pt is 0.6 mg / cm 2 , the cathode catalyst paste is dried at 80 ° C. for 15 minutes. Produced.
[比較例1]
(1)製膜
合成例1で得られた樹脂A16gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒84mLに溶解した溶液をPETフィルム上にダイコーターにてキャスト塗工し、80℃で40分予備乾燥した後、120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、PETフィルムから剥離することで膜厚が20μmである電解質膜1を得た。
[Comparative Example 1]
(1) Film formation A solution obtained by dissolving 16 g of the resin A obtained in Synthesis Example 1 in 84 mL of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. For 40 minutes, followed by drying at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight, the remaining NMP in the coating film is removed, air-dried, and then peeled off from the PET film to form an electrolyte membrane 1 having a film thickness of 20 μm. Obtained.
(2)ガラス転移温度の測定
動的粘弾性装置(アイティー計測制御(株)製「DVA−200」)を用い、変形様式:引張、下限弾性率:1000Pa、下限動ちから:0cN、昇温速度:2℃/分、測定周波数10Hz、歪:0.05%、静/動力比:1.5、上限伸び率:50%、最小加重:0.5cNの条件で測定することで、温度と弾性率との曲線を得、得られた曲線の変曲点からガラス転移温度を求めた。電解質膜1のガラス転移温度は190℃であった。
なお同一の樹脂および同様の製法から得られる膜のガラス転移温度は膜厚によらず同一である。
(2) Measurement of glass transition temperature Using a dynamic viscoelastic device ("DVA-200" manufactured by IT Measurement Control Co., Ltd.), deformation mode: tensile, lower elastic modulus: 1000 Pa, lower limit movement: 0 cN, temperature rise By measuring under the conditions of speed: 2 ° C./min, measurement frequency: 10 Hz, strain: 0.05%, static / power ratio: 1.5, upper limit elongation: 50%, minimum load: 0.5 cN, temperature and A curve with the elastic modulus was obtained, and the glass transition temperature was determined from the inflection point of the obtained curve. The glass transition temperature of the electrolyte membrane 1 was 190 ° C.
In addition, the glass transition temperature of the film | membrane obtained from the same resin and the same manufacturing method is the same irrespective of a film thickness.
(3)燃料電池の作製
1枚の電解質膜1の両面に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を触媒ペースト塗布側と電解質膜1表面が接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル((株)ケミックス製「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の評価用燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of fuel cell An anode gas diffusion electrode and a cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm on both surfaces of one electrolyte membrane 1 are overlapped and evaluated so that the catalyst paste application side and the electrolyte membrane 1 surface are in contact with each other. A fuel cell for evaluation having an effective area of 25 cm 2 was fabricated by incorporating the battery into a cell for use (“JFC-025-01H” manufactured by Chemix Co., Ltd.).
(4)出力電圧測定
得られた評価用燃料電池のアノードガス拡散電極側に、純水素ガスに露点80℃の水蒸気を含ませたものを0.5L/minで供給し、カソードガス拡散電極側に、空気に露点80℃の水蒸気を含ませたものを2L/minで供給し、燃料電池の温度を80℃に制御し、0〜1A/cm2までの電流掃引を120回繰り返し、前処理をした。
評価用燃料電池のカソード電極側に背圧120kPa、利用率40%で空気を供給し、アノード電極側に背圧120kPa、利用率70%で純水素を供給し、セル温度を90℃、カソード電極側相対湿度を30%、アノード電極側相対湿度を30%として、電流密度1.0A/cm2での出力電圧を測定した。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement To the anode gas diffusion electrode side of the obtained fuel cell for evaluation, pure hydrogen gas containing water vapor with a dew point of 80 ° C. was supplied at 0.5 L / min, and the cathode gas diffusion electrode side In addition, air containing water vapor with a dew point of 80 ° C. is supplied at 2 L / min, the temperature of the fuel cell is controlled to 80 ° C., and the current sweep from 0 to 1 A / cm 2 is repeated 120 times for pretreatment. Did.
Air is supplied to the cathode electrode side of the evaluation fuel cell at a back pressure of 120 kPa and a utilization rate of 40%, pure hydrogen is supplied to the anode electrode side at a back pressure of 120 kPa and a utilization rate of 70%, the cell temperature is 90 ° C., the cathode electrode The output voltage at a current density of 1.0 A / cm 2 was measured with a side relative humidity of 30% and an anode electrode side relative humidity of 30%. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
(4)で使用した評価用燃料電池のアノードガス拡散電極側に、純水素ガスに露点45℃の水蒸気を含ませたものを0.05L/minで供給し、カソードガス拡散電極側に、窒素ガスに露点45℃の水蒸気を含ませたものを0.1L/minで供給し、燃料電池の温度を50℃に制御し、ポテンショガルバノスタット(ソーラトロン社製 1287型)を用いアノードに対するカソードの電圧を0.6Vから1.5Vまで掃引速度0.1V/sで100回往復させた。その後、燃料電池から膜を取り出し、膜に付着した電極を除去後、膜内に析出した白金量を蛍光X線分析装置(スペクトリ(株)「Magix」)にて元素分析することで定量した。結果を表1に示す。
(5) Precipitation amount of platinum inside electrolyte membrane by potential cycle 0.05L of pure hydrogen gas containing water vapor with dew point of 45 ° C on the anode gas diffusion electrode side of the evaluation fuel cell used in (4) Supply at 0.1 L / min to the cathode gas diffusion electrode side containing water vapor with a dew point of 45 ° C., and control the temperature of the fuel cell to 50 ° C., and a potentiogalvanostat (Solartron 1287 type) was used, and the cathode voltage with respect to the anode was reciprocated 100 times from 0.6 V to 1.5 V at a sweep rate of 0.1 V / s. Thereafter, the membrane was taken out from the fuel cell, the electrode adhered to the membrane was removed, and the amount of platinum deposited in the membrane was quantified by elemental analysis with a fluorescent X-ray analyzer (Spectrum "Magix"). The results are shown in Table 1.
[実施例1]
(1)製膜
合成例1で得られた樹脂A16gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒84gに溶解した溶液をPETフィルム上にダイコーターにてキャスト塗工し、80℃で40分予備乾燥した後、120℃で40分乾燥した。その後、乾燥後の塗膜上に、ポリヒドロキシスチレン(SIGMA−ALDRICH社製)5gをメタノール/NMP=20/80(質量比)の混合溶媒120gに溶解した溶液を、ダイコーターにて乾燥後の膜厚が1μmになるように厚みを制御してキャスト塗工し、120℃で60分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた。その後、風乾することで、厚み1μmのポリヒドロキシスチレン層と、樹脂Aのみからなる、厚み20μmの層とがこの順で積層された積層体が得られた。なお、使用したポリヒドロキシスチレンが有する官能基はフェノール性水酸基であるため、そのpKaは3以上である。また、以下の評価では、この積層体からPETフィルムを取り除いたものを電解質膜2(厚み21μm)として用いた。
[Example 1]
(1) Film formation A solution obtained by dissolving 16 g of the resin A obtained in Synthesis Example 1 in 84 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. For 40 minutes, followed by drying at 120 ° C. for 40 minutes. Thereafter, a solution obtained by dissolving 5 g of polyhydroxystyrene (manufactured by SIGMA-ALDRICH) in 120 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 20/80 (mass ratio) on the dried coating film was dried with a die coater. The thickness was controlled so that the film thickness was 1 μm, and cast coating was performed, followed by drying at 120 ° C. for 60 minutes. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove the remaining NMP in the coating film. Thereafter, the laminate was air-dried to obtain a laminate in which a polyhydroxystyrene layer having a thickness of 1 μm and a layer having a thickness of 20 μm composed of only the resin A were laminated in this order. In addition, since the functional group which the used polyhydroxystyrene has is a phenolic hydroxyl group, its pKa is 3 or more. Moreover, in the following evaluation, what remove | excluded PET film from this laminated body was used as the electrolyte membrane 2 (21 micrometers in thickness).
(3)燃料電池の作製
1枚の電解質膜2の両面に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を、カソードガス拡散電極の触媒ペースト塗布側がポリヒドロキシスチレン層と接し、アノードガス拡散電極の触媒ペースト塗布側が樹脂Aからなる層と接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル((株)ケミックス製「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of fuel cell An anode gas diffusion electrode and a cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm on both surfaces of one electrolyte membrane 2, and the catalyst paste application side of the cathode gas diffusion electrode is in contact with the polyhydroxystyrene layer, and the anode The gas diffusion electrodes are stacked so that the catalyst paste application side is in contact with the layer made of resin A, and are assembled in an evaluation cell (“JFC-025-1H” manufactured by Chemix Co., Ltd.) to produce a fuel cell with an effective area of 25 cm 2. did.
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[比較例2]
(1)製膜
合成例2で得られた樹脂B15gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒85gに溶解した溶液をPETフィルム上にダイコーターにてキャスト塗工し、80℃で40分予備乾燥した後、120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、PETフィルムから剥離することで膜厚が20μmである電解質膜3を得た。
[Comparative Example 2]
(1) Film Formation A solution obtained by dissolving 15 g of the resin B obtained in Synthesis Example 2 in 85 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. For 40 minutes, followed by drying at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight, the remaining NMP in the coating film is removed, then air-dried, and peeled off from the PET film to form an electrolyte membrane 3 having a film thickness of 20 μm. Obtained.
(2)ガラス転移温度の測定
比較例1と同様の方法で測定した電解質膜3のガラス転移温度は166℃であった。
(2) Measurement of glass transition temperature The glass transition temperature of the electrolyte membrane 3 measured by the same method as in Comparative Example 1 was 166 ° C.
(3)燃料電池の作製
電解質膜3を使用した他は比較例1と同様の方法で燃料電池を作製した。
(3) Production of Fuel Cell A fuel cell was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the electrolyte membrane 3 was used.
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[実施例2]
(1)製膜
合成例2で得られた樹脂B15gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒85gに溶解した溶液をPETフィルム上にダイコーターにてキャスト塗工し、80℃で40分予備乾燥した後、120℃で40分乾燥した。その後、乾燥後の塗膜上に、ポリヒドロキシスチレン(SIGMA−ALDRICH社製)5gをメタノール/NMP=20/80(質量比)の混合溶媒120gに溶解した溶液を、ダイコーターにて乾燥後の膜厚が1μmになるように厚みを制御してキャスト塗工し、120℃で60分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた。その後、風乾することで、厚み1μmのポリヒドロキシスチレン層と、樹脂Bのみからなる、厚み20μmの層とがこの順で積層された積層体が得られた。なお、以下の評価では、この積層体からPETフィルムを取り除いたものを電解質膜4(厚み21μm)として用いた。
[Example 2]
(1) Film Formation A solution obtained by dissolving 15 g of the resin B obtained in Synthesis Example 2 in 85 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. For 40 minutes, followed by drying at 120 ° C. for 40 minutes. Thereafter, a solution obtained by dissolving 5 g of polyhydroxystyrene (manufactured by SIGMA-ALDRICH) in 120 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 20/80 (mass ratio) on the dried coating film was dried with a die coater. The thickness was controlled so that the film thickness was 1 μm, and cast coating was performed, followed by drying at 120 ° C. for 60 minutes. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove the remaining NMP in the coating film. Thereafter, the laminate was air-dried to obtain a laminate in which a polyhydroxystyrene layer having a thickness of 1 μm and a layer having a thickness of 20 μm composed of only the resin B were laminated in this order. In the following evaluation, a material obtained by removing the PET film from this laminate was used as the electrolyte membrane 4 (thickness: 21 μm).
(3)燃料電池の作製
電解質膜4を使用した他は実施例1と同様の方法で燃料電池を作製した。
(3) Production of Fuel Cell A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte membrane 4 was used.
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[実施例3]
(1)製膜
実施例2において、ポリヒドロキシスチレンの代わりにポリスチレン(SIGMA−ALDRICH社製)を用いた以外は実施例2と同様にして、厚み1μmのポリスチレン層と、樹脂Bのみからなる、厚み20μmの層とがこの順で積層された積層体を得た。なお、使用したポリスチレンは酸性を示す官能基を有さない。また、以下の評価では、この積層体からPETフィルムを取り除いたものを電解質膜5(厚み21μm)として用いた。
[Example 3]
(1) Film Formation In Example 2, except that polystyrene (manufactured by SIGMA-ALDRICH) was used instead of polyhydroxystyrene, it was composed of a polystyrene layer having a thickness of 1 μm and resin B only, in the same manner as in Example 2. A laminated body in which layers having a thickness of 20 μm were laminated in this order was obtained. In addition, the used polystyrene does not have a functional group showing acidity. Moreover, in the following evaluation, what remove | excluded PET film from this laminated body was used as the electrolyte membrane 5 (21 micrometers in thickness).
(3)燃料電池の作製
1枚の電解質膜5の両面に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を、カソードガス拡散電極の触媒ペースト塗布側がポリスチレン層と接し、アノードガス拡散電極の触媒ペースト塗布側が樹脂Bからなる層と接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル((株)ケミックス製「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of fuel cell Anode gas diffusion electrode and cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm on both surfaces of one electrolyte membrane 5, the catalyst paste application side of the cathode gas diffusion electrode is in contact with the polystyrene layer, and anode gas diffusion The electrodes were superimposed so that the catalyst paste application side of the electrode was in contact with the layer made of resin B, and assembled into an evaluation cell (“JFC-025-01H” manufactured by Chemix Co., Ltd.) to produce a fuel cell with an effective area of 25 cm 2 .
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[比較例3]
電解質膜1の代わりに、厚み50μmのNafion NRE212CS(DuPont社製)を電解質膜6として用いた以外は、比較例1と同様の方法で燃料電池を作製し、出力電圧の測定を行った。また、比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
A fuel cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that Nafion NRE212CS (manufactured by DuPont) having a thickness of 50 μm was used as the electrolyte membrane 6 instead of the electrolyte membrane 1, and the output voltage was measured. Further, the amount of platinum deposited inside the electrolyte membrane was determined by the potential cycle in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in Table 1.
[実施例4]
(1)製膜
Nafion NRE212CS膜上に、ポリヒドロキシスチレン(SIGMA−ALDRICH社製)5gをメタノール/NMP=20/80(質量比)の混合溶媒120gに溶解した溶液を、ダイコーターにて乾燥後の膜厚が1μmになるように厚みを制御してキャスト塗工し、120℃で60分乾燥した。乾燥後の塗膜付Nafion膜を大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた。その後、風乾することで、厚み1μmのポリヒドロキシスチレン層と、Nafion NRE212CSのみからなる、厚み50μmの層とがこの順で積層された積層体(電解質膜7(厚み51μm))が得られた。
[Example 4]
(1) Film formation A solution obtained by dissolving 5 g of polyhydroxystyrene (manufactured by SIGMA-ALDRICH) in 120 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 20/80 (mass ratio) on a Nafion NRE212CS film is dried with a die coater. The thickness was controlled so that the film thickness was 1 μm, and cast coating was performed, followed by drying at 120 ° C. for 60 minutes. The dried Nafion film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove the remaining NMP in the coating film. Thereafter, by air drying, a laminate (electrolyte film 7 (thickness 51 μm)) in which a polyhydroxystyrene layer having a thickness of 1 μm and a layer having a thickness of 50 μm composed of only Nafion NRE212CS were laminated in this order was obtained.
(3)燃料電池の作製
電解質膜7を使用した他は実施例1と同様の方法で燃料電池を作製した。
(3) Production of Fuel Cell A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte membrane 7 was used.
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[参考例1]
(1)製膜
膜厚を10μmに調整した以外は比較例2と同様の方法で電解質膜8を得た。
[Reference Example 1]
(1) Film Formation Electrolyte film 8 was obtained by the same method as Comparative Example 2 except that the film thickness was adjusted to 10 μm.
(3)燃料電池の作製
2枚の電解質膜8を重ね合わせ、更にその外側に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を触媒ペースト塗布側と電解質膜8表面とが接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル(「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of fuel cell Two electrolyte membranes 8 are overlapped, and the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm on the outside thereof are in contact with the catalyst paste application side and the surface of the electrolyte membrane 8 And a fuel cell having an effective area of 25 cm 2 was fabricated by being superimposed on each other and incorporated in an evaluation cell (“JFC-025-01H”).
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[実施例5]
(1)製膜
参考例1で得られたPETフィルム付きの電解質膜8上に、ポリスチレン(SIGMA−ALDRICH社製)5gをテトラヒドロフラン溶媒120gに溶解した溶液を、ダイコーターにて乾燥後の膜厚が0.5μmになるように厚みを制御してキャスト塗工し、80℃で60分乾燥することで、厚み0.5μmのポリスチレン層と、樹脂Bのみからなる、厚み10μmの層とがこの順で積層された積層体を得た。なお、以下の評価では、この積層体からPETフィルムを取り除いたものを電解質膜9(厚み10.5μm)として用いた。
[Example 5]
(1) Film formation The film thickness after drying the solution which melt | dissolved 5 g of polystyrene (made by SIGMA-ALDRICH) in the tetrahydrofuran solvent 120g on the electrolyte membrane 8 with a PET film obtained in Reference Example 1 with a die coater. The thickness is controlled so that the thickness becomes 0.5 μm, cast coating is performed, and drying is performed at 80 ° C. for 60 minutes, so that a polystyrene layer having a thickness of 0.5 μm and a layer having a thickness of 10 μm composed of only the resin B are obtained. The laminated body laminated | stacked in order was obtained. In the following evaluation, a material obtained by removing the PET film from this laminate was used as the electrolyte membrane 9 (thickness 10.5 μm).
(3)燃料電池の作製
電解質膜8と電解質膜9とをポリスチレン層が外側にくるように重ね合わせ、更にその外側に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を、アノードガス拡散電極の触媒ペースト塗布側が電解質膜8と接し、カソードガス拡散電極の触媒ペースト塗布側が電解質膜9のポリスチレン層と接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル(「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of a fuel cell The electrolyte membrane 8 and the electrolyte membrane 9 are overlapped so that the polystyrene layer is on the outside, and an anode gas diffusion electrode and a cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm are further formed outside the anode gas. The diffusion electrode catalyst paste application side is in contact with the electrolyte membrane 8 and the cathode gas diffusion electrode catalyst paste application side is in contact with the polystyrene layer of the electrolyte membrane 9 so that they are stacked and incorporated in the evaluation cell ("JFC-025-01H"). A fuel cell having an effective area of 25 cm 2 was produced.
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[実施例6]
(1)製膜
参考例1で得られたPETフィルム付きの電解質膜8上に、ポリビニルアルコール(SIGMA−ALDRICH社製)5gをアセトン溶媒120gに溶解した溶液を、ダイコーターにて乾燥後の膜厚が1μmになるように厚みを制御してキャスト塗工し、80℃で60分乾燥することで、厚み1μmのポリビニルアルコール層と、樹脂Bのみからなる、厚み10μmの層とがこの順で積層された積層体を得た。なお、使用したポリビニルアルコールが有する官能基はヒドロキシ基であるため、そのpKaは3以上である。また、以下の評価では、この積層体からPETフィルムを取り除いたものを電解質膜10(厚み11μm)として用いた。
[Example 6]
(1) Film formation On the electrolyte film 8 with a PET film obtained in Reference Example 1, a solution obtained by dissolving 5 g of polyvinyl alcohol (manufactured by SIGMA-ALDRICH) in 120 g of an acetone solvent is dried with a die coater. The thickness is controlled so that the thickness becomes 1 μm, cast coating is performed, and drying is performed at 80 ° C. for 60 minutes. A laminated body was obtained. In addition, since the functional group which the used polyvinyl alcohol has is a hydroxy group, its pKa is 3 or more. Moreover, in the following evaluation, what remove | excluded PET film from this laminated body was used as the electrolyte membrane 10 (11 micrometers in thickness).
(3)燃料電池の作製
電解質膜8と電解質膜10とをポリビニルアルコール層が中間にくるように重ね合わせ、更にその外側に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を触媒ペースト塗布側と電解質膜8表面が接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル(「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of fuel cell The electrolyte membrane 8 and the electrolyte membrane 10 are overlapped so that the polyvinyl alcohol layer is in the middle, and the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm are further formed outside the catalyst paste. The fuel cell having an effective area of 25 cm 2 was manufactured by superimposing the coating side and the electrolyte membrane 8 so that the surface was in contact with each other and incorporating them in an evaluation cell (“JFC-025-01H”).
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[実施例7]
(1)製膜
実施例6において、ポリビニルアルコールの代わりにポリヒドロキシスチレン(SIGMA−ALDRICH社製)を用い、厚み0.5μmのポリヒドロキシスチレン層が得られるようにキャスト塗工した以外は実施例6と同様にして、厚み0.5μmのポリヒドロキシスチレン層と、樹脂Bのみからなる、厚み10μmの層とがこの順で積層された積層体を得た。また、以下の評価では、この積層体からPETフィルムを取り除いたものを電解質膜11(厚み10.5μm)として用いた。
[Example 7]
(1) Film Formation Example 6 except that polyhydroxystyrene (manufactured by SIGMA-ALDRICH) was used instead of polyvinyl alcohol and cast coating was performed so that a 0.5 μm-thick polyhydroxystyrene layer was obtained. In the same manner as in Example 6, a laminated body in which a polyhydroxystyrene layer having a thickness of 0.5 μm and a layer having a thickness of 10 μm composed of only the resin B were laminated in this order was obtained. Moreover, in the following evaluation, what removed the PET film from this laminated body was used as the electrolyte membrane 11 (thickness 10.5 micrometer).
(3)燃料電池の作製
電解質膜8と電解質膜11とをポリヒドロキシスチレン層が中間にくるように重ね合わせ、更にその外側に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を触媒ペースト塗布側と電解質膜8表面が接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル(「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
(3) Fabrication of fuel cell The electrolyte membrane 8 and the electrolyte membrane 11 are overlapped so that the polyhydroxystyrene layer is in the middle, and further, the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm are catalyzed on the outside. Each of the paste coating side and the electrolyte membrane 8 surface was overlapped so as to be in contact with each other and assembled in an evaluation cell (“JFC-025-01H”) to produce a fuel cell having an effective area of 25 cm 2 .
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
[実施例8]
(3)燃料電池の作製
電解質膜11をポリヒドロキシスチレン層が内側になるように折り重ね、その外側両面に5cm×5cmに切り出したアノードガス拡散電極およびカソードガス拡散電極を触媒ペースト塗布側と電解質膜8表面が接するようにそれぞれ重ね合わせ、評価用セル((株)ケミックス製「JFC−025−01H」)に組み込み、有効面積25cm2の燃料電池を作製した。
[Example 8]
(3) Fabrication of fuel cell The electrolyte membrane 11 is folded so that the polyhydroxystyrene layer is on the inner side, and the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode cut out to 5 cm × 5 cm on both outer sides are connected to the catalyst paste application side and the electrolyte. Each of the membranes 8 was overlapped so that the surface was in contact with each other and incorporated in an evaluation cell (“JFC-025-01H” manufactured by Chemix Co., Ltd.) to produce a fuel cell having an effective area of 25 cm 2 .
(4)出力電圧測定
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で出力電圧の測定を行った。結果を表1に示す。
(4) Output voltage measurement The output voltage was measured by the same method as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
(5)電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量
得られた燃料電池を用いた他は比較例1と同様の方法で電位サイクルによる電解質膜内部での白金析出量の定量を行った。結果を表1に示す。
(5) Platinum deposition amount inside electrolyte membrane by potential cycle The amount of platinum deposition inside the electrolyte membrane by potential cycle was determined in the same manner as in Comparative Example 1 except that the obtained fuel cell was used. The results are shown in Table 1.
本発明の固体高分子電解質膜によれば、出力電圧の低下がなく、電解質膜内部での白金析出量を低減できることが分かった。従って、本発明の固体高分子電解質膜は劣化が起こりにくく、このような固体高分子電解質膜を用いることで、長期安定性に優れる燃料電池や水電解装置が得られると考えられる。 According to the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, it has been found that the amount of platinum deposited inside the electrolyte membrane can be reduced without lowering the output voltage. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is unlikely to deteriorate, and it is considered that by using such a solid polymer electrolyte membrane, a fuel cell and a water electrolysis device having excellent long-term stability can be obtained.
10:膜−電極接合体
11:アノードガス拡散層
12:アノード触媒層
13:電解質膜(A)
14:非電解質層
15:カソード触媒層
16:カソードガス拡散層
17:固体高分子電解質膜
13':電解質膜(A)を折り曲げてなる構造体
14':非電解質層
17':固体高分子電解質膜
10: membrane-electrode assembly 11: anode gas diffusion layer 12: anode catalyst layer 13: electrolyte membrane (A)
14: Non-electrolyte layer 15: Cathode catalyst layer 16: Cathode gas diffusion layer 17: Solid polymer electrolyte membrane 13 ′: Structure 14 ′ formed by bending the electrolyte membrane (A): Non-electrolyte layer 17 ′: Solid polymer electrolyte film
Claims (10)
前記非電解質層がアノードに接していない、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体高分子電解質膜。 The solid polymer electrolyte membrane is an electrolyte membrane used between a cathode and an anode;
The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the non-electrolyte layer is not in contact with the anode.
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Applications Claiming Priority (1)
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