JP3307891B2 - High heat-resistant polymer electrolyte and electrochemical device using the same - Google Patents

High heat-resistant polymer electrolyte and electrochemical device using the same

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JP3307891B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高耐熱性高分子電
解質及びこれを用いた電気化学デバイスに関し、さらに
詳しくは、燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電
解装置、食塩電解装置、酸素濃縮器、湿度センサ、ガス
センサ等に用いられる電解質膜等として好適な高耐熱性
高分子電解質及びこれを用いた電気化学デバイスに関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high heat resistant polymer electrolyte and an electrochemical device using the same, and more particularly, to a fuel cell, a water electrolysis apparatus, a hydrohalic acid electrolysis apparatus, a salt electrolysis apparatus, and an oxygen electrolysis apparatus. The present invention relates to a high heat-resistant polymer electrolyte suitable as an electrolyte membrane used for a concentrator, a humidity sensor, a gas sensor, and the like, and an electrochemical device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子電解質は、高分子鎖中にスル
ホン酸基等の電解質基を有する固体高分子材料であり、
特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオ
ンを選択的に透過する性質を有していることから、粒
子、繊維、あるいは膜状に成形し、各種の用途に利用さ
れている。
2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in a polymer chain.
Since it has the property of firmly binding to specific ions and selectively permeating cations or anions, it is formed into particles, fibers, or films and used for various purposes.

【0003】例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質
膜の両面に一対の電極を設け、改質ガス等の水素を含む
燃料ガスを一方の電極(燃料極)へ供給し、空気等の酸
素を含む酸化剤ガスを他方の電極(空気極)へ供給し、
燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを、直接電
気エネルギーとして取り出す電池である。固体高分子型
燃料電池には、電解質膜として、プロトン伝導性を有す
る固体高分子電解質膜が用いられている。
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a pair of electrodes is provided on both sides of an electrolyte membrane, a fuel gas containing hydrogen such as a reformed gas is supplied to one electrode (a fuel electrode), and oxygen such as air is supplied. Is supplied to the other electrode (air electrode),
This is a battery that directly extracts chemical energy generated when fuel is oxidized as electric energy. In a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte membrane.

【0004】また、SPE電解法は、水を電気分解する
ことにより水素と酸素を製造する方法であり、電解質と
して、従来のアルカリ水溶液に代えて、プロトン伝導性
を有する固体高分子電解質膜が用いられている。
The SPE electrolysis method is a method for producing hydrogen and oxygen by electrolyzing water. A solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte instead of a conventional alkaline aqueous solution. Have been.

【0005】このような用途に用いられる固体高分子電
解質としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポ
ン社製)に代表される非架橋のパーフルオロ系電解質が
知られている。パーフルオロ系電解質は、化学的安定性
が非常に高いことから、燃料電池、SPE電解等、過酷
な条件下で使用される電解質膜として賞用されているも
のである。
As a solid polymer electrolyte used for such a purpose, for example, a non-crosslinked perfluoro-based electrolyte represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) is known. Perfluoro-based electrolytes have very high chemical stability and have been used as electrolyte membranes used under severe conditions such as fuel cells and SPE electrolysis.

【0006】また、米国特許第5741408号には、
芳香族ポリエーテルケトンにスルホニルハライド基を導
入し、導入されたスルホニルハライド基とUV効果型の
アミン系架橋剤とを反応させ、次いでアミン系架橋剤を
架橋反応させることにより得られる架橋型炭化水素系電
解質膜が開示されている。
Also, US Pat. No. 5,741,408 discloses that
A crosslinked hydrocarbon obtained by introducing a sulfonyl halide group into an aromatic polyether ketone, reacting the introduced sulfonyl halide group with a UV effect type amine-based crosslinking agent, and then subjecting the amine-based crosslinking agent to a crosslinking reaction. A system electrolyte membrane is disclosed.

【0007】さらに、ジャーナル・オブ・フルオリン・
ケミストリ(Journal of FluorineCemistry)第72巻
(1995年)203〜208頁、及びジャーナル・オ
ブ・エレクトロケミカル・ソサイアティ(Journal of E
lectro-Chemical Society)第145巻、No.1(1
998年)107〜109頁には、新規な酸基として、
ビス(パーフルオロアルキルスルホニル)イミド基が提
案されており、強酸性を呈する種々のビス(パーフルオ
ロアルキルスルホニル)イミドポリマ、ビス(パーフル
オロアルキルスルホニル)イミド化合物が報告されてい
る。また、特開平9−263637号公報には、スルホ
ニルカルボニルイミドアニオンが高濃度で含有された重
合体が開示されている。
Further, the Journal of Fluorin
Chemistry (Journal of FluorineCemistry) Vol. 72 (1995) pp. 203-208, and Journal of Electrochemical Society (Journal of E)
electro-Chemical Society) Vol. 1 (1
(998) p. 107-109, as a new acid group,
Bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide groups have been proposed, and various bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide polymers and bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide compounds exhibiting strong acidity have been reported. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-263637 discloses a polymer containing a sulfonylcarbonylimide anion at a high concentration.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池は、電池の作動温度が高くなるほど、発電効
率が高くなることが知られている。また、固体高分子電
解質の両面に接合される電極には、白金系の電極触媒が
含まれているが、白金は、微量の一酸化炭素であっても
被毒され、燃料電池の出力を低下させる原因となる。し
かも、電極触媒の一酸化炭素による被毒は、低温ほど著
しくなることが知られている。
By the way, it is known that the power generation efficiency of a polymer electrolyte fuel cell increases as the operating temperature of the cell increases. In addition, the electrodes bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte contain a platinum-based electrode catalyst, but platinum is poisoned even with a trace amount of carbon monoxide, which lowers the output of the fuel cell. This can cause Moreover, it is known that the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide becomes more significant at lower temperatures.

【0009】そのため、メタノール改質ガス等、微量の
一酸化炭素を含むガスを燃料ガスとして用いる固体高分
子型燃料電池においては、高効率化と電極触媒の一酸化
炭素被毒の低減のために、作動温度を高くすることが望
まれている。
Therefore, in a polymer electrolyte fuel cell using a gas containing a trace amount of carbon monoxide, such as a methanol reformed gas, as a fuel gas, it is necessary to increase the efficiency and reduce the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide. It is desired to increase the operating temperature.

【0010】また、水電解において、水の電気分解に必
要な全エネルギーは温度によってさほど変化しないが、
水の電気分解に必要な最低の電圧、すなわち理論分解電
圧は、高温になるほど小さくなることが知られている。
そのため、外部から熱エネルギーを系に供給し、高温に
おいて電気分解反応を行わせることができれば、高価な
電気エネルギーの消費を減らすことができ、効率の点で
有利である。
In water electrolysis, the total energy required for electrolysis of water does not change much with temperature.
It is known that the minimum voltage required for water electrolysis, that is, the theoretical decomposition voltage, decreases as the temperature increases.
Therefore, if heat energy can be supplied to the system from the outside and the electrolysis reaction can be performed at a high temperature, consumption of expensive electric energy can be reduced, which is advantageous in terms of efficiency.

【0011】しかしながら、ナフィオンに代表されるパ
ーフルオロ系電解質は、非架橋であるために耐熱性が低
く、ガラス転移温度近傍である130℃以上でクリープ
するという性質がある。そのため、パーフルオロ系電解
質を燃料電池やSPE電解装置に用いた場合には、作動
温度を100℃以下とする必要があり、一酸化炭素によ
る電極触媒の被毒の防止や効率の点で有利な高温で使用
することができないという問題があった。また、パーフ
ルオロ系電解質は、非架橋であるため、導電性を向上さ
せるために電解質基の導入量を増しすぎると、水に著し
く膨潤、もしくは可溶化してしまい、膜の設計自由度も
大幅に限定されていた。
However, a perfluoro-based electrolyte typified by Nafion has a low heat resistance because it is non-crosslinked, and has a property of creeping at 130 ° C. or higher, which is near the glass transition temperature. Therefore, when a perfluoro-based electrolyte is used in a fuel cell or an SPE electrolyzer, the operating temperature must be 100 ° C. or less, which is advantageous in terms of preventing poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide and improving efficiency. There was a problem that it could not be used at high temperatures. In addition, since the perfluoro-based electrolyte is non-crosslinked, if the introduction amount of the electrolyte group is excessively increased in order to improve the conductivity, the perfluoro-based electrolyte swells or is solubilized remarkably in water, and the design flexibility of the membrane is greatly increased. Was limited to.

【0012】一方、パーフルオロ系電解質を架橋さるこ
とができれば、高温における高分子鎖の流動が抑制され
るので、パーフルオロ系電解質の耐高温クリープ化に対
して有効と考えられる。さらには、架橋により膜の電解
質基の導入量を増しても可溶化することなく、導電性の
向上など、その設計自由度が向上する。しかしながら、
パーフルオロ系電解質は、構造の化学的安定性ゆえに、
主鎖での架橋は難しい。
On the other hand, if the perfluoro-based electrolyte can be crosslinked, the flow of the polymer chains at a high temperature is suppressed, so that it is considered to be effective for the high-temperature creep resistance of the perfluoro-based electrolyte. Furthermore, even if the introduction amount of the electrolyte group of the membrane is increased by cross-linking, the membrane is not solubilized, and the degree of freedom in design such as improvement in conductivity is improved. However,
Perfluoro-based electrolytes, due to their structural chemical stability,
Crosslinking in the main chain is difficult.

【0013】これに対し、米国特許第5741408号
に開示されている方法を転用し、パーフルオロ系電解質
に備えられており、かつ反応性の高い電解質基もしくは
電解質基前駆体とアミン系架橋剤とを反応させれば、パ
ーフルオロ系電解質を架橋させることも可能である。し
かしながら、この方法では、パーフルオロ系電解質に含
まれる電解質基の量が少なくなり、導電性が低下すると
いう問題がある。
On the other hand, the method disclosed in US Pat. No. 5,741,408 is diverted to provide a highly reactive electrolyte group or an electrolyte group precursor provided in a perfluoro-based electrolyte and an amine-based crosslinking agent. Is allowed to crosslink the perfluoro-based electrolyte. However, this method has a problem that the amount of electrolyte groups contained in the perfluoro-based electrolyte is reduced, and the conductivity is reduced.

【0014】また、米国特許第5741408号に開示
されている架橋型炭化水素系電解質自体は、架橋剤を含
めて主要部分が炭化水素構造で構成されているために、
高温での耐酸化性がなく、そのままでは高温で使用する
ことはできない。
Further, the cross-linked hydrocarbon electrolyte disclosed in US Pat. No. 5,741,408 itself has a hydrocarbon structure in a main part including a cross-linking agent.
It has no oxidation resistance at high temperatures and cannot be used at high temperatures as it is.

【0015】さらに、ジャーナル・オブ・エレクトロケ
ミカル・ソサイアティ第145巻、No.1(1998
年)107〜109頁には、ビス(パーフルオロアルキ
ルスルホニル)イミド基とナフィオン様のパーフルオロ
骨格を組み合わせることにより、ナフィオンとほぼ同様
のプロトン伝導性を有するビス(パーフルオロアルキル
スルホニル)イミドポリマが得られることが報告されて
いる。しかしながら、これらの化合物は、いずれも非架
橋型の化合物であるので、ナフィオンと同様に、耐熱性
に問題がある。また、こうした官能基をパーフルオロ系
電解質の架橋に応用した例はない。
Further, Journal of Electrochemical Society, Vol. 1 (1998
On pages 107-109, a bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide polymer having almost the same proton conductivity as Nafion was obtained by combining a bis (perfluoroalkylsulfonyl) imide group with a Nafion-like perfluoro skeleton. Has been reported to be However, since these compounds are all non-crosslinked compounds, they have a problem in heat resistance, like Nafion. There is no example in which such a functional group is applied to crosslinking of a perfluoro-based electrolyte.

【0016】また、特開平9−263637号公報に示
された重合体(Hタイプ)は、高濃度で強酸基を含有
するため、基本的には水に可溶であり、燃料電池用の電
解質としては、耐熱性以前に、そのままで使用できるも
のではない。
The polymer (H + type) disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-263637 is basically soluble in water because it contains a strong acid group at a high concentration, and is basically used for fuel cells. The electrolyte cannot be used as it is before the heat resistance.

【0017】本発明が解決しようとする課題は、耐熱
性、及び耐酸化性に優れ、しかも高い導電性を有する高
耐熱性高分子電解質を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a high heat-resistant polymer electrolyte having excellent heat resistance and oxidation resistance and high conductivity.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る高耐熱性高分子電解質は、強酸性架橋基
を介して、パーフルオロ系高分子化合物が架橋されてい
ることを要旨とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, a highly heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is characterized in that a perfluoropolymer compound is crosslinked via a strongly acidic crosslinking group. It is assumed that.

【0019】ここで、強酸性架橋基とは、架橋後の架橋
点の構造が、水を含んだ状態で強酸性を呈するものをい
う。このような性質を有する架橋基としては、種々の構
造を有するものが挙げられるが、強酸性架橋基として
は、ビススルホニルイミド、スルホニルカルボニルイミ
ド、ビスカルボニルイミド、ビススルホニルメチレンな
どが好適である。なお、架橋点は、パーフルオロ系高分
子化合物の分子鎖中のいずれかにあれば良く、特に限定
されるものではない。
Here, the strongly acidic crosslinking group refers to a group in which the structure of the crosslinking point after crosslinking exhibits strong acidity in a state containing water. Examples of the cross-linking group having such properties include those having various structures. Preferred examples of the strongly acidic cross-linking group include bissulfonylimide, sulfonylcarbonylimide, biscarbonylimide, and bissulfonylmethylene. The crosslinking point is not particularly limited as long as it is at any position in the molecular chain of the perfluoropolymer compound.

【0020】本発明に係る高耐熱性高分子電解質は、強
酸性架橋基を介してパーフルオロ系高分子化合物が架橋
されているので、高温における分子の流動が抑制され、
耐高温クリープ性を大幅に向上させることができる。
In the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention, since the perfluoropolymer compound is cross-linked through the strongly acidic cross-linking group, the flow of molecules at high temperatures is suppressed,
High temperature creep resistance can be greatly improved.

【0021】また、架橋点そのものが強酸性であるた
め、架橋密度を増加させても、電解質の導電性を大きく
低下させることがない。さらに、高分子鎖がパーフルオ
ロ系で構成されているため、高温における耐酸化性も問
題とならない。
Further, since the crosslinking point itself is strongly acidic, even if the crosslinking density is increased, the conductivity of the electrolyte is not significantly reduced. Further, since the polymer chain is composed of a perfluoro-based, oxidation resistance at high temperatures does not matter.

【0022】そのため、これを例えば燃料電池やSPE
電解装置に用いた場合には、130℃以上の高温条件下
であっても安定に作動でき、効率を飛躍的に向上させる
ことができる。しかも、メタノール改質型燃料電池にお
いて問題となっている、電極触媒の一酸化炭素による被
毒に起因する電圧低下は、こうした高温運転により大幅
に軽減することができる。
For this reason, this can be used, for example, in a fuel cell or SPE
When used in an electrolysis apparatus, it can operate stably even under a high temperature condition of 130 ° C. or more, and the efficiency can be dramatically improved. Moreover, the voltage drop caused by the poisoning of the electrode catalyst by carbon monoxide, which is a problem in the methanol reforming fuel cell, can be significantly reduced by such a high-temperature operation.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。本発明に係る高耐熱性高分子電解質は、強
酸性架橋基と、強酸性架橋基を介して架橋されたパーフ
ルオロ系高分子化合物とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail. The highly heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention includes a strongly acidic crosslinking group and a perfluoropolymer compound crosslinked via the strongly acidic crosslinking group.

【0024】ここで、強酸性架橋基とは、上述したよう
に、架橋後の架橋点の構造が強酸性を呈するものをい
い、架橋前の官能基が、必ずしも強酸性である必要はな
い。パーフルオロ系高分子化合物を架橋させるための強
酸性架橋基としては、具体的には、ビススルホニルイミ
ド(−SO−NH−SO−)が好適である。
Here, as described above, the strongly acidic cross-linking group refers to a group in which the structure of the cross-linking point after cross-linking exhibits strong acidity, and the functional group before cross-linking does not necessarily need to be strongly acidic. As the strong acidic crosslinking group for crosslinking the perfluoropolymer compound, specifically, bissulfonylimide (—SO 2 —NH—SO 2 —) is suitable.

【0025】ビススルホニルイミドは、パーフルオロ骨
格と組み合わせることにより、ナフィオンと同等の高い
プロトン伝導性を発現する。これは、ビススルホニルイ
ミドを介してパーフルオロ系高分子化合物を架橋させる
ことにより、N−H結合に寄与する電子が、電気陰性度
の大きなFに引っ張られてパーフルオロ骨格側に移動
し、架橋点に結合しているHがプロトンとして放出され
やすくなるためである。
The bissulfonylimide exhibits high proton conductivity equivalent to that of Nafion when combined with a perfluoro skeleton. This is because, by cross-linking a perfluoropolymer compound via bissulfonylimide, electrons contributing to the NH bond are pulled by F having a large electronegativity and move to the perfluoro skeleton side. This is because H bonded to a point is easily released as a proton.

【0026】従って、パーフルオロ系高分子を架橋させ
るための強酸性架橋基は、ビススルホニルイミドに限ら
れるものではなく、架橋点から電子を移動させやすい構
造を備えた架橋基であれば、いずれも本発明で言う「強
酸性架橋基」となり得る。
Accordingly, the strongly acidic crosslinking group for crosslinking the perfluoropolymer is not limited to bissulfonylimide, and any crosslinking group having a structure that allows electrons to easily move from the crosslinking point can be used. Can also be a “strongly acidic crosslinking group” in the present invention.

【0027】強酸性架橋基の他の好適な一例としては、
例えば、ビススルホニルメチレン(−SO−CH
SO−)、ビスカルボニルイミド(−CO−NH−C
O−)、スルホニルカルボニルイミド(−CO−NH−
SO−)等が挙げられる。
Another preferred example of the strongly acidic crosslinking group is:
For example, bissulfonylmethylene (—SO 2 —CH 2
SO 2 —), biscarbonylimide (—CO—NH—C
O-), sulfonylcarbonylimide (-CO-NH-
SO 2- ) and the like.

【0028】本発明に係る高耐熱性高分子電解質の主要
部分を構成するパーフルオロ系高分子化合物の構造は、
特に限定されるものではないが、スルホン酸基、カルボ
ン酸基、ビススルホニルイミド基、ホスホン酸基などの
強酸性官能基を側鎖に有するパーフルオロ系電解質ポリ
マ、あるいはその前駆体や誘導体などが特に好適であ
る。また、その高分子鎖は、直鎖状、あるいは分岐状の
いずれの構造を有するものであっても良い。また、架橋
点は、パーフルオロ系高分子化合物の分子鎖中のいずれ
かにあれば良い。すなわち、主鎖で架橋されていても良
く、側鎖で架橋されていても良い。
The structure of the perfluoropolymer compound constituting the main part of the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is as follows:
Although not particularly limited, a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a bissulfonylimide group, a perfluoro-based electrolyte polymer having a strongly acidic functional group such as a phosphonic acid group in a side chain, or a precursor or derivative thereof. Particularly preferred. Further, the polymer chain may have a linear or branched structure. The crosslinking point may be at any point in the molecular chain of the perfluoropolymer compound. That is, it may be cross-linked by the main chain or cross-linked by the side chain.

【0029】なお、本発明の場合、架橋密度が大きくな
るほど、耐熱性に優れた高分子電解質が得られるが、架
橋密度が過大になると、含水及び水分子の移動を妨げ、
かえってプロトン導電性を低下させる傾向がある。従っ
て、架橋密度は、高耐熱性高分子電解質に要求される耐
熱性、導電性等に応じて、最適な値を選択すればよい。
In the case of the present invention, a polymer electrolyte having excellent heat resistance can be obtained as the crosslink density increases. However, when the crosslink density is excessive, water content and movement of water molecules are hindered.
On the contrary, it tends to lower the proton conductivity. Therefore, the crosslink density may be selected to an optimum value according to the heat resistance, conductivity, and the like required for the high heat resistant polymer electrolyte.

【0030】また、本発明に係る高耐熱性高分子電解質
は、1種類の強酸性架橋基を介して、パーフルオロ系高
分子化合物が架橋されていても良く、あるいは、2種以
上の強酸性架橋基を介して、パーフルオロ系高分子化合
物が架橋されていても良い。
The highly heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention may be such that a perfluoropolymer compound is cross-linked through one kind of strongly acidic crosslinking group, or two or more kinds of strongly acidic crosslinking compounds are used. The perfluoropolymer compound may be crosslinked via a crosslinking group.

【0031】次に、本発明に係る高耐熱性高分子電解質
の製造方法について説明する。本発明に係る高耐熱性高
分子電解質は、パーフルオロ系高分子鎖同士を、直接、
あるいは、架橋剤を介して架橋反応させることにより得
ることができる。
Next, a method for producing a high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention will be described. High heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention, perfluoro-based polymer chains, directly,
Alternatively, it can be obtained by causing a crosslinking reaction via a crosslinking agent.

【0032】従って、高耐熱性高分子電解質の主要部分
を構成するパーフルオロ系高分子化合物には、パーフル
オロ系高分子化合物を構成する分子鎖中のいずれかに、
架橋剤と反応して強酸性架橋基となり得る官能基(以
下、これを「官能基A」という)を備えている必要があ
る。
Therefore, the perfluoropolymer compound constituting the main part of the high heat-resistant polymer electrolyte includes any one of the molecular chains constituting the perfluoropolymer compound,
It is necessary to have a functional group that can react with a cross-linking agent to become a strongly acidic cross-linking group (hereinafter, this is referred to as “functional group A”).

【0033】パーフルオロ系高分子化合物に備えられる
官能基Aとしては、具体的には、スルホニルハライド
基、カルボニルハライド基、カルボン酸エステル基等、
及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げられる。特
に、スルホニルハライド基は、架橋に消費されなかった
場合であっても、これを加水分解すれば容易に強酸基と
なり、電解質に高い導電率を付与することができるの
で、官能基Aとして好適である。
As the functional group A provided in the perfluoropolymer compound, specifically, a sulfonyl halide group, a carbonyl halide group, a carboxylic acid ester group, etc.
And their derivatives are preferred examples. In particular, even when the sulfonyl halide group is not consumed for cross-linking, it can easily become a strong acid group by hydrolyzing it and impart high conductivity to the electrolyte. is there.

【0034】また、このような官能基Aを有するパーフ
ルオロ系高分子化合物としては、具体的には、テトラフ
ルオロエチレンとパーフルオロ(4−メチル−3,6−
ジオキサオクト−7−エン)スルホニルフルオライドの
共重合体、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(3
−オキサ−ペンタ−4−エン)スルホニルフルオライド
との共重合体、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ
(4−オキサヘキサ−5−エン)スルホニルフルオライ
ドとの共重合体、テトラフルオロエチレンとパーフルオ
ロ(4−オキサ−5ヘキセノイルクロライド)との共重
合体等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げら
れる。
Specific examples of the perfluoropolymer having the functional group A include tetrafluoroethylene and perfluoro (4-methyl-3,6-
Copolymer of dioxaoct-7-ene) sulfonyl fluoride, tetrafluoroethylene and perfluoro (3
-Oxa-penta-4-ene) sulfonyl fluoride, copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro (4-oxahex-5-ene) sulfonyl fluoride, tetrafluoroethylene and perfluoro (4 -Oxa-5 hexenoyl chloride), and derivatives thereof.

【0035】なお、パーフルオロ系高分子化合物に備え
られる官能基Aの濃度は、特に限定されるものではな
く、高耐熱性高分子電解質に要求される耐熱性、導電性
等に応じて、最適な濃度を有する化合物を用いればよ
い。一般的には、官能基Aの濃度が高くなるほど、架橋
密度の制御範囲が広くなるので、耐熱性及び/又は導電
性の異なる種々の高分子電解質が得られるという利点が
ある。一方、官能基Aの濃度が少なくなりすぎると、架
橋密度が低下して、耐熱性が不十分となる。具体的に
は、官能基Aの濃度としては、4×10−3mol/g
〜1×10−6mol/g、好ましくは2×10−3
ol/g〜1×10−5mol/gである。
The concentration of the functional group A provided in the perfluoropolymer compound is not particularly limited, and may be optimally selected according to the heat resistance, conductivity and the like required for the high heat resistant polymer electrolyte. Compounds having different concentrations may be used. In general, the higher the concentration of the functional group A, the wider the control range of the crosslink density. Therefore, there is an advantage that various polymer electrolytes having different heat resistance and / or conductivity can be obtained. On the other hand, if the concentration of the functional group A is too low, the crosslink density decreases, and the heat resistance becomes insufficient. Specifically, the concentration of the functional group A is 4 × 10 −3 mol / g.
11 × 10 −6 mol / g, preferably 2 × 10 −3 m
ol / g to 1 × 10 −5 mol / g.

【0036】また、架橋前のパーフルオロ系高分子化合
物には、1種類の官能基Aが含まれていても良く、ある
いは、2種以上の官能基Aが含まれていても良い。さら
に、1種又は2種以上の官能基Aを有する単一のパーフ
ルオロ系高分子化合物を架橋させてもよく、あるいは、
同一又は異なる官能基Aを備えた2種以上のパーフルオ
ロ系高分子化合物を任意の比率で混合し、これを架橋さ
せても良い。
The perfluoropolymer compound before cross-linking may contain one type of functional group A, or may contain two or more types of functional groups A. Further, a single perfluoropolymer compound having one or more functional groups A may be crosslinked, or
Two or more kinds of perfluoropolymer compounds having the same or different functional groups A may be mixed at an arbitrary ratio and crosslinked.

【0037】次に、架橋剤について説明する。架橋剤と
しては、1分子中に、パーフルオロ系高分子化合物が有
する官能基Aと反応して架橋することが可能な2以上の
官能基を備え、しかも、その内の少なくとも1つが、強
酸性架橋基となり得る官能基(以下、これを「官能基
B」という)からなるものを用いる必要がある。特に、
1つの分子中に、上述のような官能基Bを2個以上備え
ているものが、架橋剤として好適である。
Next, the crosslinking agent will be described. The cross-linking agent includes two or more functional groups capable of reacting with and cross-linking with the functional group A of the perfluoropolymer compound in one molecule, and at least one of them has a strong acidic property. It is necessary to use a functional group comprising a functional group that can be a cross-linking group (hereinafter, this is referred to as “functional group B”). In particular,
A compound having two or more functional groups B as described above in one molecule is suitable as a crosslinking agent.

【0038】架橋剤に備えられる官能基Bとしては、具
体的には、スルホンアミド基(NH −SO−)、ス
ルホニル(N−トリメチルシリル)イミドナトリウム塩
((CHSi−N(Na)−SO−)、アミド
基(NH−CO−)等、及びこれらの誘導体が好適な
一例として挙げられる。但し、スルホニル(N−トリメ
チルシリル)イミドナトリウム塩については、ナトリウ
ムでなくとも、アルカリ金属やアルカリ土類金属、水素
でも良い。
As the functional group B provided in the crosslinking agent,
Physically, a sulfonamide group (NH 2-SO2−),
Ruphonyl (N-trimethylsilyl) imide sodium salt
((CH3)3Si-N (Na) -SO2−), Amide
Group (NH2-CO-) and the like, and their derivatives are preferred.
An example is given. However, sulfonyl (N-trime
Tylsilyl) imide sodium salt
Alkali metals, alkaline earth metals, hydrogen
But it is good.

【0039】また、このような官能基Bを備えた架橋剤
としては、具体的には、パーフルオロ−1,4−ジスル
ホンアミドブタン、また、そのN−トリメチルシリル化
したナトリウム塩、パーフルオロ−1,4−ジアミドブ
タン、アンモニア、ビス(トリメチルシリル)アミドリ
チウム等、及びこれらの誘導体が好適な一例として挙げ
られる。もちろん、架橋剤中にパーフルオロアルキレン
基がある場合、その炭素数nは、n≧1であればいくつ
でも良く、途中で分岐等があってもかまわない。さらに
は、架橋剤は、官能基Bを側鎖に有した高分子化合物で
あってもよい。なお、パーフルオロ系高分子化合物が上
記に挙げた官能基Bを有し、架橋剤が官能基Aを有して
も、実質的に同じ効果を得ることができる。
Specific examples of the crosslinking agent having such a functional group B include perfluoro-1,4-disulfonamidobutane, and its N-trimethylsilylated sodium salt and perfluoro-1 , 4-diamidobutane, ammonia, lithium bis (trimethylsilyl) amide, and the like, and derivatives thereof, are mentioned as preferable examples. Of course, when a perfluoroalkylene group is present in the cross-linking agent, the number of carbons n may be any number as long as n ≧ 1, and there may be a branch or the like in the middle. Further, the crosslinking agent may be a polymer compound having a functional group B in a side chain. Note that substantially the same effect can be obtained even when the perfluoropolymer compound has the functional group B described above and the crosslinking agent has the functional group A.

【0040】なお、架橋剤には、上述のような1種類の
官能基Bが含まれていても良く、あるいは、2種以上の
官能基Bが含まれていても良い。また、1種又は2種以
上の官能基Bを備えた単一の化合物を架橋剤として用い
ても良く、あるいは、同一又は異なる官能基Bを備えた
2種以上の化合物を任意の比率で混合し、これを架橋剤
として用いても良い。
The crosslinking agent may contain one kind of functional group B as described above, or may contain two or more kinds of functional groups B. Also, a single compound having one or more functional groups B may be used as a crosslinking agent, or two or more compounds having the same or different functional groups B may be mixed at an arbitrary ratio. However, this may be used as a crosslinking agent.

【0041】上述のような官能基Aを備えたパーフルオ
ロ系高分子化合物を用い、これに官能基Bを備えた適当
な架橋剤を加え、常法を用いて架橋反応させると、官能
基A及び官能基Bの組み合わせに応じて、種々の構造を
有する強酸性架橋基で架橋された高耐熱性高分子電解質
が得られる。官能基Aを備えたパーフルオロ系高分子化
合物と、官能基Bを備えた架橋剤を架橋反応させること
により得られる強酸性架橋基の構造の一例を、次の化1
〜化4の式に示す。
The above-mentioned perfluoropolymer compound having a functional group A is used, a suitable crosslinking agent having a functional group B is added thereto, and a crosslinking reaction is carried out using a conventional method. Depending on the combination of the functional group B and the functional group B, a highly heat-resistant polymer electrolyte crosslinked with a strongly acidic crosslinking group having various structures can be obtained. An example of the structure of a strongly acidic crosslinking group obtained by performing a crosslinking reaction between a perfluoropolymer compound having a functional group A and a crosslinking agent having a functional group B is shown in the following chemical formula 1.
The formulas are shown below.

【0042】[0042]

【化1】 Embedded image

【0043】化1の式に示す架橋構造は、分子の両端に
スルホンアミド基もしくはそのトリメチルシリル化ナト
リウム塩を有するパーフルオロ系架橋剤と、分子鎖中の
いずれかにスルホニルハライド基を有するパーフルオロ
系高分子化合物とを架橋反応させることにより得られる
ものである。2つの架橋点は、それぞれ、強酸性架橋基
であるビススルホニルイミド(−SO−NH−SO
−)になっている。
The cross-linking structure represented by the chemical formula 1 is composed of a perfluoro-type cross-linking agent having a sulfonamide group or its trimethylsilylated sodium salt at both ends of a molecule, and a perfluoro-type cross-linking agent having a sulfonyl halide group in any of the molecular chains. It is obtained by a crosslinking reaction with a polymer compound. The two cross-linking points are each a bisulfonylimide (—SO 2 —NH—SO 2
-).

【0044】[0044]

【化2】 Embedded image

【0045】また、化2の式に示す架橋構造は、分子の
両端にスルホニルメチレンリチウム基を有するパーフル
オロ系架橋剤と、分子鎖中のいずれかにスルホニルハラ
イド基を有するパーフルオロ系高分子化合物とを架橋反
応させることにより得られるものである。2つの架橋点
は、それぞれ、強酸性架橋基であるビススルホニルメチ
レン(−SO−CH−SO−)になっている。
The cross-linking structure represented by the chemical formula 2 is composed of a perfluoro-type cross-linking agent having a sulfonylmethylene lithium group at both ends of the molecule and a perfluoro-type polymer compound having a sulfonyl halide group in any of the molecular chains. Are obtained by a cross-linking reaction of Each of the two crosslinking points is a bisulfonylmethylene (—SO 2 —CH 2 —SO 2 —) that is a strongly acidic crosslinking group.

【0046】[0046]

【化3】 Embedded image

【0047】また、化3の式に示す架橋構造は、分子の
両端にカルボニルアミド基を有するパーフルオロ系架橋
剤と、分子鎖中のいずれかにカルボニルハライド基を有
するパーフルオロ系高分子化合物とを架橋反応させるこ
とにより得られるものである。2つの架橋点は、それぞ
れ、強酸性架橋基であるビスカルボニルイミド(−CO
−NH−CO−)になっている。
The cross-linking structure represented by the formula (3) is composed of a perfluoro-type cross-linking agent having a carbonylamide group at both ends of the molecule and a perfluoro-type polymer compound having a carbonyl halide group at any one of the molecular chains. Is obtained by a crosslinking reaction of The two cross-linking points are, respectively, bisphenol imide (-CO
-NH-CO-).

【0048】[0048]

【化4】 Embedded image

【0049】さらに、化4の式に示す架橋構造は、分子
の両端にスルホンアミド基もしくはそのトリメチルシリ
ル化ナトリウム塩を有するパーフルオロ系架橋剤と、分
子鎖中のいずれかにカルボニルハライド基を有するパー
フルオロ系高分子化合物とを架橋反応させることにより
得られるものである。2つの架橋点は、それぞれ、強酸
性架橋基であるスルホニルカルボニルイミド(−CO−
NH−SO−)になっている。
Further, the cross-linked structure represented by the chemical formula (4) is composed of a perfluoro-based cross-linking agent having a sulfonamide group or its trimethylsilylated sodium salt at both ends of the molecule, and a perfluoro-cross-linking agent having a carbonyl halide group in any of the molecular chains. It is obtained by performing a crosslinking reaction with a fluoropolymer compound. The two cross-linking points are, respectively, sulfonylcarbonylimide (-CO-
NH-SO 2 - has become).

【0050】また、官能基Aを備えたパーフルオロ系高
分子化合物と、官能基Bを備えたパーフルオロ系高分子
化合物を架橋反応させることにより得られる強酸性架橋
基の構造の一例を、次の化5〜化8の式に示す。
Further, an example of the structure of a strongly acidic crosslinking group obtained by performing a crosslinking reaction between a perfluoropolymer compound having a functional group A and a perfluoropolymer compound having a functional group B is shown below. Are shown in the formulas of Chemical Formulas 5 to 8.

【0051】[0051]

【化5】 Embedded image

【0052】化5の式に示す架橋構造は、分子鎖中のい
ずれかにスルホニルハライド基を有するパーフルオロ系
高分子化合物と、分子鎖中のいずれかにスルホンアミド
基もしくはそのトリメチルシリル化ナトリウム塩を有す
るパーフルオロ系高分子化合物とを架橋反応させること
により得られるものである。2つの高分子化合物は、1
つの架橋点で架橋されており、架橋点は、強酸性架橋基
であるビススルホニルイミド(−SO−NH−SO
−)になっている。
The cross-linking structure represented by the formula (5) has a structure in which a perfluoropolymer compound having a sulfonyl halide group in any of the molecular chains and a sulfonamide group or its trimethylsilylated sodium salt in any of the molecular chains. It is obtained by performing a cross-linking reaction with a perfluoropolymer compound. The two polymer compounds are 1
It is cross-linked at two cross-linking points, and the cross-linking point is a strong acid cross-linking group, bissulfonylimide (—SO 2 —NH—SO 2
-).

【0053】[0053]

【化6】 Embedded image

【0054】また、化6の式に示す架橋構造は、分子鎖
中のいずれかにスルホニルハライド基を有するパーフル
オロ系高分子化合物と、分子鎖中のいずれかにスルホニ
ルメチレンリチウム基を有するパーフルオロ系高分子化
合物とを架橋反応させることにより得られるものであ
る。2つの高分子化合物は、1つの架橋点で架橋されて
おり、架橋点は、強酸性架橋基であるビススルホニルメ
チレン(−SO−CH −SO−)になっている。
The crosslinked structure represented by the chemical formula (6) has a molecular chain
Having a sulfonyl halide group in any of the above
Oro-based polymer compound and sulfonium
Perfluoropolymer with lmethylene lithium group
Obtained by a crosslinking reaction with the compound
You. Two polymer compounds are crosslinked at one crosslinking point
The cross-linking point is based on bisulfonylmeth
Tylene (-SO2-CH 2-SO2-).

【0055】[0055]

【化7】 Embedded image

【0056】また、化7の式に示す架橋構造は、分子鎖
中のいずれかにアミド基を有するパーフルオロ系高分子
化合物と、分子鎖中のいずれかにカルボニルハライド基
を有するパーフルオロ系高分子化合物とを架橋反応させ
ることにより得られるものである。2つの高分子化合物
は、1つの架橋点で架橋されており、架橋点は、強酸性
架橋基であるビスカルボニルイミド(−CO−NH−C
O−)になっている。
Further, the crosslinked structure represented by the chemical formula (1) has a perfluoropolymer compound having an amide group in one of the molecular chains and a perfluoropolymer compound having a carbonyl halide group in one of the molecular chains. It is obtained by a crosslinking reaction with a molecular compound. The two polymer compounds are cross-linked at one cross-linking point, and the cross-linking point is a strong acid cross-linking group, biscarbonylimide (—CO—NH—C
O-).

【0057】[0057]

【化8】 Embedded image

【0058】さらに、化8の式に示す架橋構造は、分子
鎖中のいずれかにカルボニルハライド基を有するパーフ
ルオロ系高分子化合物と、分子鎖中のいずれかにスルホ
ンアミド基もしくはそのトリメチルシリル化ナトリウム
塩を有するパーフルオロ系高分子化合物とを架橋反応さ
せることにより得られるものである。2つの高分子化合
物は、1つの架橋点で架橋されており、架橋点は、強酸
性架橋基であるスルホニルカルボニルイミド(−CO−
NH−SO−)になっている。この場合、反応の組み
合わせにより、化7の式や化5の式に示した架橋基が生
じる場合もある。
Further, the cross-linking structure represented by the chemical formula (1) is composed of a perfluoropolymer compound having a carbonyl halide group at any point in the molecular chain and a sulfonamide group or a sodium trimethylsilyl salt thereof at any point in the molecular chain. It is obtained by performing a crosslinking reaction with a perfluoropolymer compound having a salt. The two polymer compounds are cross-linked at one cross-linking point, and the cross-linking point is a sulfonylcarbonylimide (—CO—
NH-SO 2 - has become). In this case, depending on the combination of the reactions, the cross-linking group shown in the formulas (7) and (5) may be generated.

【0059】なお、化5の式、化7の式、及び化8の式
の架橋構造は、カルボニルハライドやスルホニルハライ
ドを有するパーフルオロ系高分子化合物と、アンモニア
やビス(トリメチルシリル)アミドリチウムなどの金属
塩と反応させることによって形成させてもよい。
The cross-linked structures of the formulas (5), (7) and (8) are formed by combining a perfluoropolymer compound having a carbonyl halide or a sulfonyl halide with ammonia or bis (trimethylsilyl) amide lithium. It may be formed by reacting with a metal salt.

【0060】これらの強酸性架橋基は、いずれも、本発
明の目的である耐熱性の高い電解質を供することができ
るが、この中でも、ビススルホニルイミド基が熱安定性
の点で特に優れている。
Any of these strongly acidic cross-linking groups can provide an electrolyte having high heat resistance, which is the object of the present invention. Among them, bissulfonylimide groups are particularly excellent in terms of heat stability. .

【0061】パーフルオロ系高分子化合物の官能基Aに
対する架橋剤中の官能基Bのモル数比は、電解質に要求
される耐熱性や導電性によって選べばよい。一般的に
は、(官能基Bのモル数)/(官能基Aのモル数)は、
0.00001から1.0であり、さらに好ましくは、
0.00005から0.8、より好ましくは0.000
1から0.5である。ここで、このモル比が小さすぎる
と、架橋が不十分で耐熱性を付与できない。また、モル
比が大きすぎると、架橋が進みすぎ、含水量が低下した
り、水の移動が妨げられたりして、導電性が低下してし
まう場合がある。
The molar ratio of the functional group B in the crosslinking agent to the functional group A of the perfluoropolymer compound may be selected according to the heat resistance and conductivity required for the electrolyte. Generally, (moles of functional group B) / (moles of functional group A) is
0.00001 to 1.0, and more preferably,
0.00005 to 0.8, more preferably 0.000
1 to 0.5. Here, if the molar ratio is too small, crosslinking is insufficient and heat resistance cannot be imparted. On the other hand, if the molar ratio is too large, the crosslinking may proceed too much, and the water content may decrease, or the movement of water may be hindered, resulting in a decrease in conductivity.

【0062】次に、本発明に係る高耐熱性高分子電解質
の作用について説明する。本発明に係る高耐熱性高分子
電解質は、強酸性架橋基を介してパーフルオロ系高分子
化合物が架橋されているので、これをガラス転移温度以
上の高温で使用した場合であっても、高分子鎖の流動が
抑制される。そのため、非架橋型のパーフルオロ系高分
子電解質と比較して、耐高温クリープ性が向上する。
Next, the operation of the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention will be described. In the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention, since the perfluoropolymer compound is cross-linked through the strongly acidic cross-linking group, even when this is used at a high temperature equal to or higher than the glass transition temperature, the high heat resistance is high. The flow of molecular chains is suppressed. Therefore, the high-temperature creep resistance is improved as compared with a non-crosslinked type perfluoropolymer electrolyte.

【0063】また、非架橋型のパーフルオロ系電解質の
場合、電解質基の濃度が過大になると、水に著しく膨潤
し、電解質がゲル化、さらには水に可溶化する場合があ
るが、本発明に係る高耐熱性高分子電解質は、架橋構造
を有しているので、電解質基の濃度が増大しても電解質
がゲル化、もしくは可溶化しにくくなっている。そのた
め、非架橋型のパーフルオロ系電解質と比較して、電解
質基の濃度を高くすることができ、高い導電性を有する
電解質が得られるという利点がある。
In the case of a non-crosslinked perfluoro-based electrolyte, if the concentration of the electrolyte group is excessively large, the electrolyte may swell remarkably in water, the electrolyte may gel, and may be further solubilized in water. Since the high heat-resistant polymer electrolyte according to the above has a crosslinked structure, the electrolyte is hardly gelled or solubilized even when the concentration of the electrolyte group is increased. Therefore, there is an advantage that the concentration of the electrolyte group can be increased and an electrolyte having high conductivity can be obtained as compared with a non-crosslinked perfluoro-based electrolyte.

【0064】さらに、架橋反応に供されるパーフルオロ
系高分子化合物中の官能基Aが、同時にパーフルオロ系
高分子化合物の電解質基、もしくはその前駆体、誘導体
でもある場合には、パーフルオロ系高分子化合物中に1
個の架橋構造を形成する毎に、高分子鎖に備えられる2
個の官能基Aが消費される。そのため、米国特許第57
41408号に示されたような従来の架橋方法では、架
橋密度が増加するに伴い高分子中の電解質基の量が減少
し、得られる高分子化合物の導電性を低下させる原因と
なる。
Further, when the functional group A in the perfluoropolymer compound to be subjected to the crosslinking reaction is also an electrolyte group of the perfluoropolymer compound, or a precursor or derivative thereof, the perfluoropolymer compound may be used. 1 in polymer compound
Each time a crosslinked structure is formed, 2
Functional groups A are consumed. Therefore, US Pat.
In the conventional crosslinking method as disclosed in No. 41408, as the crosslinking density increases, the amount of electrolyte groups in the polymer decreases, which causes a decrease in the conductivity of the obtained polymer compound.

【0065】しかしながら、本発明に係る高耐熱性高分
子電解質は、架橋点が強酸性を呈する強酸性架橋基とな
るので、架橋密度を増加させても、従来の架橋方法に比
較して、導電率の低下が少ない。
However, since the highly heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention becomes a strongly acidic cross-linking group in which the cross-linking point exhibits strong acidity, even if the cross-linking density is increased, the electro-conductivity is higher than that of the conventional cross-linking method. There is little decrease in the rate.

【0066】特に、分子内に2以上の官能基Bを備えた
架橋剤を用いて架橋させた場合には、架橋により2個の
強酸性架橋基を高分子化合物内に導入することができ、
架橋反応に消費された官能基Aを強酸性架橋基で補うこ
とができる。そのため、架橋密度を増加させても、導電
率を非架橋型のパーフルオロ系高分子電解質と同等もし
くは近い値に維持することも可能となる。
In particular, when cross-linking is performed using a cross-linking agent having two or more functional groups B in the molecule, two strongly acidic cross-linking groups can be introduced into the polymer compound by the cross-linking.
The functional group A consumed in the crosslinking reaction can be supplemented with a strongly acidic crosslinking group. Therefore, even if the crosslink density is increased, the conductivity can be maintained at a value equal to or close to that of the non-crosslinkable perfluoropolymer electrolyte.

【0067】しかも、本発明に係る高耐熱性高分子電解
質の主要部分は、パーフルオロ系高分子化合物で構成さ
れるので、高温における耐酸化性が問題となることもな
い。
Moreover, since the main part of the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is composed of a perfluoropolymer compound, there is no problem in oxidation resistance at high temperatures.

【0068】[0068]

【実施例】(実施例1)初めに、以下の手順に従い、架
橋剤を合成した。まず、架橋剤の原料として、両端末に
スルホニルフルオライド基を有するパーフルオロ−1,
4−ジスルホニルフルオライドブタンを用いた。パーフ
ルオロ−1,4−ジスルホニルフルオライドブタンの化
学式を、次の化9の式(nは4)に示す。
EXAMPLES (Example 1) First, a crosslinking agent was synthesized according to the following procedure. First, as a raw material of a crosslinking agent, perfluoro-1, which has a sulfonyl fluoride group at both terminals,
4-Disulfonyl fluoride butane was used. The chemical formula of perfluoro-1,4-disulfonyl fluoride butane is shown in the following formula (n is 4).

【0069】[0069]

【化9】 Embedded image

【0070】次に、化9の式に示すパーフルオロ−1,
4−ジスルホニルフルオライドブタンを、−78度にて
過剰量の液体アンモニア中に加えてスルホンアミド化し
た。次いで、室温に戻してアンモニアを除去した後、塩
化水素ガスを作用させ、両端末にスルホンアミド基を有
するパーフルオロ−1,4−ジスルホンアミドブタンを
合成した。得られたパーフルオロ−1,4−ジスルホン
アミドブタンの化学式を、次の化10の式に示す。
Next, perfluoro-1,
4-Disulfonyl fluoride butane was sulfonamidated at -78 degrees in excess liquid ammonia. Next, after returning to room temperature and removing ammonia, hydrogen chloride gas was allowed to act to synthesize perfluoro-1,4-disulfonamidobutane having a sulfonamide group at both terminals. The chemical formula of the obtained perfluoro-1,4-disulfonamidobutane is shown in the following chemical formula 10.

【0071】[0071]

【化10】 Embedded image

【0072】次に、化10の式に示すスルホンアミド化
合物をメタノールに溶解し、等量のナトリウムメトキサ
イドを作用させ、スルホンアミドナトリウム塩を合成し
た。得られたスルホンアミドナトリウム塩の化学式を、
次の化11の式に示す。
Next, a sulfonamide compound represented by the formula (10) was dissolved in methanol, and an equivalent amount of sodium methoxide was allowed to act on the solution to synthesize a sulfonamide sodium salt. The chemical formula of the obtained sulfonamide sodium salt is
It is shown in the following formula.

【0073】[0073]

【化11】 Embedded image

【0074】さらに、化11の式に示すスルホンアミド
ナトリウム塩に対し、アセトニトリル中で1.2倍量の
ヘキサメチルジシラザンを還流温度にて作用させ、目的
の架橋剤を合成した。得られた架橋剤の化学式を、次の
化12の式に示す。
Further, a 1.2-fold amount of hexamethyldisilazane in acetonitrile was allowed to act on sodium sulfonamide represented by the formula (11) at the reflux temperature to synthesize a desired crosslinking agent. The chemical formula of the obtained crosslinking agent is shown in the following chemical formula 12.

【0075】[0075]

【化12】 Embedded image

【0076】次に、以下の手順に従い、架橋反応を行っ
た。高耐熱性高分子電解質の原料となるパーフルオロ系
高分子化合物には、加水分解前の電解質前駆体であるパ
ーフルオロ系スルホニルフルオライド膜(以下、これを
「PFSF膜」という)を用いた。このPFSF膜のス
ルホニルフルオライド基の濃度(ポリマ1g中のmol
数)は9.07×10−4mol/g、膜厚は50μm
である。架橋反応に用いたPFSF膜の化学式を、次の
化13の式に示す。
Next, a crosslinking reaction was carried out according to the following procedure. A perfluoro-based sulfonyl fluoride film (hereinafter, referred to as a “PFSF film”), which is an electrolyte precursor before hydrolysis, was used as a perfluoro-based polymer compound as a raw material of the high heat-resistant polymer electrolyte. The concentration of sulfonyl fluoride groups in this PFSF membrane (mol / g of polymer)
Number) is 9.07 × 10 −4 mol / g, and the film thickness is 50 μm.
It is. The chemical formula of the PFSF film used for the crosslinking reaction is shown in the following formula.

【0077】[0077]

【化13】 Embedded image

【0078】まず、化13の式に示すPFSF膜中に含
まれるスルホニルフルオライド基に対して10mol%
(架橋剤中の官能基ベースで20mol%)に相当する
架橋剤をアセトニトリル中に溶解させた。次いで、架橋
剤を溶解させたアセトニトリル中にPFSF膜を浸漬
し、そのまま20時間加熱して、架橋膜とした。
First, 10 mol% based on the sulfonyl fluoride group contained in the PFSF film represented by the formula (13)
(20 mol% based on the functional group in the crosslinking agent) was dissolved in acetonitrile. Next, the PFSF film was immersed in acetonitrile in which a cross-linking agent was dissolved, and heated as it was for 20 hours to form a cross-linked film.

【0079】次に、得られた架橋膜を25%水酸化ナト
リウム水溶液で90℃に加熱処理して加水分解し、残留
するスルホニルフルオライド基をスルホン酸ナトリウム
基に変換した。さらに、1N硫酸水溶液で1時間の還流
処理を2回繰り返し、プロトン型に変換することによ
り、強酸性架橋基で架橋された高分子電解質膜(以下、
これを「強酸性架橋電解質膜」という)を得た。得られ
た強酸性架橋電解質膜の化学式を、次の化14の式に示
す。
Next, the obtained crosslinked film was hydrolyzed by heating at 90 ° C. with a 25% aqueous sodium hydroxide solution to convert the remaining sulfonyl fluoride groups into sodium sulfonate groups. Further, a 1-hour aqueous sulfuric acid solution is refluxed twice for 1 hour to convert it into a proton type, whereby a polymer electrolyte membrane cross-linked by a strongly acidic cross-linking group (hereinafter, referred to as a polymer electrolyte membrane)
This is referred to as a “strongly acidic crosslinked electrolyte membrane”). The chemical formula of the obtained strongly acidic crosslinked electrolyte membrane is shown in the following chemical formula 14.

【0080】[0080]

【化14】 Embedded image

【0081】なお、化14式は、テトラフルオロエチレ
ンからなる主鎖に重合しているn個の側鎖の内、p個が
架橋に消費された状態を模式的に示したものである。ま
た、化14式中、波線で示した部分は、化13の式と同
様の構造を有するパーフルオロ系高分子鎖を略示したも
のである。
Formula 14 schematically shows a state in which p of n side chains polymerized on the main chain of tetrafluoroethylene are consumed for crosslinking. In the chemical formula (14), the parts shown by wavy lines schematically indicate perfluoropolymer chains having the same structure as that of the chemical formula (13).

【0082】(実施例2)スルホニルフルオライド基に
対して、1mol%の架橋剤(官能基ベースで2mol
%)を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い、強
酸性架橋電解質膜を作製した。
Example 2 1 mol% of a crosslinking agent (2 mol% based on a functional group) based on a sulfonyl fluoride group
%), And a strongly acidic crosslinked electrolyte membrane was prepared according to the same procedure as in Example 1.

【0083】(実施例3)スルホニルフルオライド基に
対して20mol%の架橋剤(官能基ベースで40mo
l%)を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い、
強酸性架橋電解質膜を作製した。
Example 3 20 mol% of a crosslinking agent based on a sulfonyl fluoride group (40 mol% based on a functional group)
1%), but following the same procedure as in Example 1,
A strongly acidic crosslinked electrolyte membrane was prepared.

【0084】(実施例4)スルホニルフルオライド基の
濃度が1.25×10−3mol/gであるPFSF膜
を用いた以外は、実施例1と同様の手順に従い、強酸性
架橋電解質膜を作製した。
Example 4 A strongly acidic crosslinked electrolyte membrane was prepared according to the same procedure as in Example 1 except that a PFSF membrane having a sulfonyl fluoride group concentration of 1.25 × 10 −3 mol / g was used. Produced.

【0085】(実施例5)架橋剤として、(CH
Si−N(Na)−Si(CHをスルホニルフル
オライド基に対して10mol%用いた以外は、実施例
3と同様の手順に従い、強酸性架橋電解質膜を作製し
た。
Example 5 (CH 3 ) 3 was used as a crosslinking agent.
Except for using 10mol% Si-N (Na) -Si a (CH 3) 3 with respect to the sulfonyl fluoride group in accordance with the procedure as in Example 3, to prepare a strongly acidic crosslinking electrolyte membrane.

【0086】(比較例1)PFSF膜(但し、スルホニ
ルフルオライド基の濃度:9.07×10−4mol/
g、膜厚:50μm)を、架橋させることなく、そのま
ま25%水酸化ナトリウム水溶液で90℃に加熱処理し
て加水分解し、スルホニルフルオライド基をスルホン酸
ナトリウム基に変換した。さらに、1N硫酸水溶液で1
時間の還流処理を2回繰り返し、プロトン型に変換する
ことにより、非架橋型の電解質膜(以下、これを「非架
橋電解質膜」という)を得た。
Comparative Example 1 PFSF film (provided that the concentration of sulfonyl fluoride group: 9.07 × 10 −4 mol /
g, film thickness: 50 μm) were hydrolyzed by heating at 90 ° C. with a 25% aqueous sodium hydroxide solution without cross-linking to convert the sulfonyl fluoride group to a sodium sulfonate group. In addition, 1N aqueous sulfuric acid
The non-crosslinked electrolyte membrane (hereinafter, referred to as “non-crosslinked electrolyte membrane”) was obtained by repeating the refluxing treatment twice for two hours to convert to proton type.

【0087】(比較例2)米国特許第57414087
号で開示された架橋方法と類似の方法を用いて、パーフ
ルオロ系架橋膜を作製した。すなわち、PFSF膜(但
し、スルホニルフルオライド基の濃度:9.07×10
−4mol/g、膜厚:50μm)に対して、p−アミ
ノシンナミックエステル(スルホニルフルオライド基に
対して20mol%)を反応させた。
Comparative Example 2 US Pat. No. 5,741,087
A perfluoro-based crosslinked membrane was prepared using a method similar to the crosslinking method disclosed in the above-mentioned publication. That is, a PFSF film (provided that the concentration of sulfonyl fluoride group: 9.07 × 10
-4 mol / g, film thickness: 50 μm) was reacted with p-aminocinamic ester (20 mol% based on the sulfonyl fluoride group).

【0088】その後、得られた膜に対してUV照射し、
p−アミノシンナミックエステルを架橋させ、架橋膜と
した。次いで、得られた架橋膜を25%水酸化ナトリウ
ム水溶液で90℃に加熱処理して加水分解し、スルホニ
ルフルオライド基をスルホン酸ナトリウム基に変換し
た。さらに、1N硫酸水溶液で1時間の還流処理を2回
繰り返し、プロトン型に変換することにより、非強酸性
架橋基で架橋された高分子電解質膜(以下、これを「非
強酸性架橋電解質膜」という)を得た。
Thereafter, the obtained film is irradiated with UV,
The p-aminocinamic ester was crosslinked to form a crosslinked film. Next, the obtained crosslinked film was hydrolyzed by heating at 90 ° C. with a 25% aqueous sodium hydroxide solution to convert a sulfonyl fluoride group into a sodium sulfonate group. Further, a 1-hour aqueous sulfuric acid solution is refluxed twice for 1 hour to convert it into a proton type polymer, whereby a polymer electrolyte membrane cross-linked with a non-strongly acidic cross-linking group (hereinafter referred to as a “non-strongly acid cross-linked electrolyte membrane”) ).

【0089】(比較例3)スルホニルフルオライド基に
対して、2mol%のp−アミノシンナミックエステル
を用いた以外は、比較例2と同様の手順に従い、非強酸
性架橋電解質膜を作製した。
Comparative Example 3 A non-strongly acidic crosslinked electrolyte membrane was prepared according to the same procedure as in Comparative Example 2, except that 2 mol% of p-aminocinnamic ester was used based on the sulfonyl fluoride group.

【0090】(比較例4)スルホニルフルオライド基に
対して、40mol%のp−アミノシンナミックエステ
ルを用いた以外は、比較例2と同様の手順に従い、非強
酸性架橋電解質膜を作製した。
Comparative Example 4 A non-strongly acidic crosslinked electrolyte membrane was prepared in the same manner as in Comparative Example 2, except that 40 mol% of p-aminocinnamic ester was used based on the sulfonyl fluoride group.

【0091】(比較例5)スルホニルフルオライド基の
濃度が1.25×10−3mol/gであるPFSF膜
を用いた以外は、比較例1と同様の手順に従い、非架橋
電解質膜を作製した。
Comparative Example 5 A non-crosslinked electrolyte membrane was prepared according to the same procedure as in Comparative Example 1, except that a PFSF membrane having a sulfonyl fluoride group concentration of 1.25 × 10 −3 mol / g was used. did.

【0092】(比較例6)特開平9−263637号公
報の実施例1に従って、(−SOCFCONLi
−)ユニットを有する重合体を合成し、さらに1M硫酸
でイオン交換して、(−SOCFCONH−)型の
重合体を得、水に対する溶解性を調べた。
Comparative Example 6 According to Example 1 in JP-A-9-263637, (-SO 2 CF 2 CONLi
-) synthesizing a polymer having a unit, further ion-exchanged with 1M sulfuric acid, (- SO 2 CF 2 CONH- ) type to obtain a polymer, was investigated solubility in water.

【0093】実施例1〜5で得られた強酸性架橋電解質
膜、比較例1及び5で得られた非架橋電解質膜、並びに
比較例2〜4で得られた非強酸性架橋電解質膜につい
て、酸1当量当たりのポリマーの重量を表す当量重量、
膜の導電率、及び200℃における耐クリープ性を評価
した。また、比較例6については、その水に対する溶解
性を調べた。なお、当量重量及び導電率の測定方法、並
びにクリープ試験方法は、以下のとおりである。
The strongly acidic crosslinked electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 5, the non-crosslinked electrolyte membranes obtained in Comparative Examples 1 and 5, and the non-strongly acidic crosslinked electrolyte membranes obtained in Comparative Examples 2 to 4 An equivalent weight representing the weight of the polymer per equivalent of acid,
The conductivity of the film and the creep resistance at 200 ° C. were evaluated. Further, with respect to Comparative Example 6, its solubility in water was examined. In addition, the measuring method of equivalent weight and electric conductivity, and the creep test method are as follows.

【0094】当量重量の測定:まず、得られた膜を10
0℃で1晩真空乾燥し、膜の乾燥重量(Wdry)を測
定した。次いで、乾燥させた膜を1N HCl水溶液中
に50℃で約10分間浸漬し、イオン交換水で洗浄した
後、2N NaCl水溶液中に50℃で約10分間浸漬
した。さらに、NaCl水溶液中に放出された水素イオ
ン量を、1NNaOH水溶液を用いて中和滴定し、次の
数1の式により、膜の当量重量を求めた。なお、中和滴
定には、MCl自動滴定装置GT−05を用いた。
Measurement of equivalent weight: First, the obtained membrane was
The film was vacuum-dried at 0 ° C. overnight, and the dry weight (W dry ) of the film was measured. Next, the dried film was immersed in a 1N HCl aqueous solution at 50 ° C. for about 10 minutes, washed with ion-exchanged water, and then immersed in a 2N NaCl aqueous solution at 50 ° C. for about 10 minutes. Further, the amount of hydrogen ions released into the NaCl aqueous solution was subjected to neutralization titration using a 1N NaOH aqueous solution, and the equivalent weight of the membrane was determined by the following equation (1). The neutralization titration was performed using an automatic MTCl titrator GT-05.

【0095】[0095]

【数1】(当量重量)=Wdry/f×N×V 但し、Wdry :膜の乾燥重量(g) f :NaOH水溶液のファクター N :NaOH水溶液の規定度(N) V :中和に要したNaOH水溶液の体積(l)( Equivalent weight) = W dry / f × N × V where W dry : dry weight of membrane (g) f: factor of NaOH aqueous solution N: normality of NaOH aqueous solution (N) V: neutralization Required volume of NaOH aqueous solution (l)

【0096】導電率の測定:得られた膜を、前処理とし
て純水中に浸漬し、膨潤状態で幅1cm×長さ1.2c
mで切り出して、2端子の導電率測定セルに装着した。
なお、セルの電流・電圧端子には、膜との接触向上のた
め白金黒メッキした白金箔を用いた。
Measurement of electric conductivity: The obtained film was immersed in pure water as a pretreatment, and was swelled to a width of 1 cm × length of 1.2 c.
m and cut into a two-terminal conductivity measurement cell.
Note that platinum black plated platinum foil was used for the current / voltage terminals of the cell to improve the contact with the film.

【0097】次いで、このセルを25℃の純水中に沈
め、LCRメータ(YHP製 4262A LCR M
ETER)を用いて、交流法(測定周波数10kHz)
により膜抵抗を求め、次の数2の式により導電率(σ)
を求めた。なお、膜厚は、導電率測定後にマイクロメー
タで測った値を用いた。
Next, this cell was immersed in pure water at 25 ° C., and an LCR meter (4262A LCR M made by YHP) was used.
ETER), AC method (measuring frequency 10kHz)
The film resistance is obtained by the following equation, and the conductivity (σ) is obtained by the following equation (2).
I asked. In addition, the value measured with the micrometer after the conductivity measurement was used for the film thickness.

【0098】[0098]

【数2】σ=l/R・A=l/R・w・t 但し、σ:導電率(S/cm) R:抵抗(Ω) l:電圧端子間の距離(=1) A:膜の断面積(cm) t:膜厚(cm) w:膜幅(cm)## EQU2 ## where σ: electric conductivity (S / cm) R: resistance (Ω) l: distance between voltage terminals (= 1) A: film Cross section (cm 2 ) t: Film thickness (cm) w: Film width (cm)

【0099】200℃における耐クリープ試験:荷重 が100ton/mになるように、膜に錘をぶら
下げ、200℃の雰囲気にさらし、膜が伸びて長さが2
倍になる時間を測定した。
Creep resistance test at 200 ° C .: A weight was hung on the film so that the load became 100 ton / m 2 , and the film was exposed to an atmosphere at 200 ° C., and the film was stretched to a length of 2 tons.
The doubling time was measured.

【0100】実施例1〜5で得られた強酸性架橋電解質
膜、比較例1及び5で得られた非架橋電解質膜、並びに
比較例2〜4で得られた非強酸性架橋電解質膜について
測定された、当量重量及び導電率、並びに200℃での
耐クリープ試験結果を表1に示す。
Measurements were made on the strongly acidic crosslinked electrolyte membrane obtained in Examples 1 to 5, the non-crosslinked electrolyte membrane obtained in Comparative Examples 1 and 5, and the non-strongly acidic crosslinked electrolyte membrane obtained in Comparative Examples 2 to 4. Table 1 shows the obtained equivalent weight and conductivity, and the results of the creep resistance test at 200 ° C.

【0101】[0101]

【表1】 [Table 1]

【0102】PFSF膜を単に加水分解することにより
得られる比較例1の非架橋電解質膜は、当量重量が11
00(g/eq)であるため、導電率は、0.078S
/cmの高い値を示した。しかしながら、非架橋である
ために、耐高温クリープ性に劣り、10分以内で簡単に
クリープした。
The non-crosslinked electrolyte membrane of Comparative Example 1 obtained by simply hydrolyzing the PFSF membrane has an equivalent weight of 11
00 (g / eq), the conductivity is 0.078 S
/ Cm. However, since it was not cross-linked, it was inferior in high-temperature creep resistance and creeped easily within 10 minutes.

【0103】一方、比較例2〜4で得られた非強酸性架
橋電解質膜は、パーフルオロ系高分子鎖が非強酸性架橋
基を介して架橋されているので、比較例1で得られた非
架橋電解質膜に比較して、耐高温クリープ性を大幅に改
善できた。特に、架橋基導入量をスルホニルハライド基
当たり20mol%以上とした場合には、200℃で膜
長が2倍となる時間は、24時間を超えた。
On the other hand, the non-strongly acidic crosslinked electrolyte membranes obtained in Comparative Examples 2 to 4 were obtained in Comparative Example 1 because the perfluoropolymer chains were crosslinked via the non-strongly acidic crosslinking groups. The high temperature creep resistance was significantly improved as compared with the non-crosslinked electrolyte membrane. In particular, when the amount of the cross-linking group introduced was 20 mol% or more per sulfonyl halide group, the time required for the film length to double at 200 ° C. exceeded 24 hours.

【0104】しかしながら、架橋基が強酸性でないた
め、架橋基導入量の増加に伴い、当量重量は顕著に増加
した。また、これに伴い、導電率も大きく低下し、架橋
基導入量がスルホニルハライド基当たり20mol%を
越えると、導電率は、比較例1で得られた非架橋電解質
膜の半分以下となった。
However, since the crosslinking group was not strongly acidic, the equivalent weight increased remarkably with an increase in the amount of the crosslinking group introduced. In addition, the conductivity was also greatly reduced, and when the amount of the cross-linking group introduced exceeded 20 mol% per sulfonyl halide group, the conductivity was less than half that of the non-cross-linked electrolyte membrane obtained in Comparative Example 1.

【0105】これに対し、実施例1〜3で得られた強酸
性架橋電解質膜は、架橋点が強酸性架橋基となっている
ため、架橋を導入しても当量重量は、比較例1で得られ
た非架橋電解質膜に比べて変化せず、導電率も0.06
9〜0.077S/cmの高い値を維持した。
On the other hand, in the strongly acidic crosslinked electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 3, since the crosslinking point was a strongly acidic crosslinking group, the equivalent weight of Comparative Example 1 was maintained even when crosslinking was introduced. There is no change compared to the obtained non-crosslinked electrolyte membrane, and the conductivity is 0.06.
High values of 9-0.077 S / cm were maintained.

【0106】また、高分子鎖が強酸性架橋基を介して架
橋されているために、高温耐クリープ性は、非架橋電解
質膜に比較して、大幅に改善された。特に、架橋基導入
量をスルホニルハライド基当たり20mol%以上とし
た場合には、200℃で膜長が2倍となる時間は、24
時間を超えた。
Further, since the polymer chains are cross-linked via the strongly acidic cross-linking group, the high-temperature creep resistance was greatly improved as compared with the non-cross-linked electrolyte membrane. In particular, when the amount of the cross-linking group introduced is 20 mol% or more per sulfonyl halide group, the time required for the film length to double at 200 ° C. is 24 hours.
Time exceeded.

【0107】また、架橋剤として(CHSi−N
(Na)−Si(CHを用いた実施例5の強酸性
架橋電解質膜は、1つの架橋点で高分子鎖が架橋されて
いるために、当量重量は、実施例3に比べて若干増加
し、1220(g/eq)となった。しかし、架橋点が
強酸性を呈するために導電率の低下は僅かであり、しか
も、良好な耐高温クリープ性を示した。
Further, (CH 3 ) 3 Si—N is used as a crosslinking agent.
In the strongly acidic crosslinked electrolyte membrane of Example 5 using (Na) —Si (CH 3 ) 3 , the equivalent weight is lower than that of Example 3 because the polymer chains are crosslinked at one crosslinking point. It increased slightly to reach 1220 (g / eq). However, since the crosslinking point exhibited a strong acidity, the decrease in conductivity was slight, and good high-temperature creep resistance was exhibited.

【0108】さらに、スルホニルフルオライド基の濃度
が1.25×10−3mol/gであるPFSF膜を用
いた比較例5の非架橋電解質膜は、当量重量が小さく、
水への溶解性が顕著に増したため、加水分解の際に膜が
激しく膨潤し、ゲル状となった。そのため、膜としての
基本的強度を保てず、導電率及び耐高温クリープ性の評
価を行うことができなかった。同様に、比較例6のポリ
マーは、水に溶解してしまい、これ以上評価できなかっ
た。
Further, the non-crosslinked electrolyte membrane of Comparative Example 5 using a PFSF membrane having a sulfonyl fluoride group concentration of 1.25 × 10 −3 mol / g has a small equivalent weight,
Since the solubility in water was remarkably increased, the film swelled violently during the hydrolysis and became a gel. Therefore, the basic strength of the film could not be maintained, and the electrical conductivity and high-temperature creep resistance could not be evaluated. Similarly, the polymer of Comparative Example 6 was dissolved in water and could not be evaluated any more.

【0109】これに対し、スルホニルフルオライド基の
濃度が1.25×10−3mol/gであるPFSF膜
を用い、スルホニルフルオライド基当たり20mol%
の強酸性架橋基を導入した実施例4の強酸性架橋電解質
膜では、当量重量が小さいにもかかわらず、架橋効果に
より膜形状を維持することができ、しかも、高い導電率
と高い耐高温クリープ性を維持した。
On the other hand, a PFSF membrane having a sulfonyl fluoride group concentration of 1.25 × 10 −3 mol / g was used, and 20 mol% per sulfonyl fluoride group was used.
In the strongly acidic crosslinked electrolyte membrane of Example 4 in which the strong acidic crosslinking group was introduced, despite the small equivalent weight, the membrane shape could be maintained by the crosslinking effect, and high conductivity and high temperature creep resistance were high. Sex was maintained.

【0110】以上の結果から、ビススルホニルイミド等
の強酸性架橋基を介してパーフルオロ系高分子化合物を
架橋させると、導電率を低下させることなく、耐熱性、
耐酸化性に優れた高分子電解質が得られることがわかっ
た。
From the above results, when the perfluoropolymer compound is cross-linked via a strongly acidic cross-linking group such as bissulfonylimide, the heat resistance,
It was found that a polymer electrolyte having excellent oxidation resistance was obtained.

【0111】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. is there.

【0112】例えば、上記実施の形態では、高分子電解
質の主要部分を構成する高分子化合物として、パーフル
オロ系高分子化合物を用いているが、分子鎖の一部に炭
化水素部を有する高分子化合物、例えばエチレンテトラ
フルオロエチレンを主鎖とするグラフト共重合体等を高
分子化合物として用い、強酸性架橋基を介してこれを架
橋させてもよい。
For example, in the above embodiment, a perfluoropolymer compound is used as the polymer compound constituting the main part of the polymer electrolyte, but a polymer having a hydrocarbon part in a part of the molecular chain is used. A compound such as a graft copolymer having ethylene tetrafluoroethylene as a main chain may be used as a polymer compound, and the polymer may be crosslinked via a strongly acidic crosslinking group.

【0113】上記実施例においては、分子の両端にスル
ホンアミド基を有し、中央部がパーフルオロ系骨格から
なる直鎖状の架橋剤を用いて、パーフルオロ系高分子化
合物を架橋させているが、分子の中央部に、さらに1又
は2以上のビススルホニルイミド等からなる強酸性を呈
する分子構造を備えた架橋剤を用いても良い。
In the above embodiment, the perfluoropolymer compound is crosslinked using a linear crosslinker having a sulfonamide group at both ends of the molecule and having a perfluoroskeleton at the center. However, a cross-linking agent having a molecular structure exhibiting a strong acidity, such as one or more bissulfonylimides, may be used in the center of the molecule.

【0114】また、本発明の実施の形態では、導電性を
向上させるために電解質基の濃度を極端に増加させて
も、架橋構造により水に対してゲル化や可溶化すること
なく膜形状を維持することができ、設計自由度を大幅に
向上させることができた。
Further, in the embodiment of the present invention, even if the concentration of the electrolyte group is extremely increased in order to improve the conductivity, the film shape is not gelled or solubilized in water due to the crosslinked structure. As a result, the degree of freedom in design was greatly improved.

【0115】以上のことから、本発明に係る高耐熱性高
分子電解質の用途は、燃料電池あるいはSPE電解装置
に限定されるものではなく、ハロゲン化水素酸電解装
置、食塩電解装置、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセン
サ等の各種の電気化学デバイスに用いられる電解質とし
ても用いることができ、これにより上記実施の形態と同
様の効果を得ることができる。
As described above, applications of the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention are not limited to fuel cells or SPE electrolyzers, but include hydrohalic acid electrolyzers, salt electrolyzers, and oxygen concentrators. It can also be used as an electrolyte used in various electrochemical devices such as a humidity sensor, a gas sensor, etc., whereby the same effect as in the above embodiment can be obtained.

【0116】[0116]

【発明の効果】本発明に係る高耐熱性固体高分子電解質
は、強酸性架橋基を介して、パーフルオロ系高分子化合
物が架橋されているので、高温における高分子鎖の流動
が抑制され、耐高温クリープ性が向上するという効果が
ある。
According to the high heat-resistant solid polymer electrolyte of the present invention, the perfluoropolymer compound is cross-linked through the strongly acidic cross-linking group, so that the flow of the polymer chain at high temperatures is suppressed, This has the effect of improving high temperature creep resistance.

【0117】また、架橋点そのものが強酸性であるた
め、架橋密度を増加させても、電解質の導電性を低下さ
せることがないという効果がある。特に、強酸性架橋基
としてビススルホニルイミド等を用いた場合には、パー
フルオロ骨格と組み合わせることにより、高い導電性と
耐高温クリープ性を備えた電解質が得られるという効果
がある。
Further, since the crosslinking point itself is strongly acidic, there is an effect that even if the crosslinking density is increased, the conductivity of the electrolyte is not reduced. In particular, when bissulfonylimide or the like is used as the strongly acidic crosslinking group, there is an effect that an electrolyte having high conductivity and high-temperature creep resistance can be obtained by combining it with a perfluoro skeleton.

【0118】さらに、高分子鎖がパーフルオロ系で構成
されているため、高温における耐酸化性に優れた高耐熱
性高分子電解質が得られるという効果がある。
Furthermore, since the polymer chain is composed of a perfluoro-based polymer, there is an effect that a high heat-resistant polymer electrolyte having excellent oxidation resistance at high temperatures can be obtained.

【0119】以上のように、本発明に係る高耐熱性高分
子電解質は、耐熱性、耐酸化性、導電性に優れているの
で、これを例えば車載用燃料電池やSPE電解装置に応
用した場合には、燃費の向上や高効率化等に寄与するも
のであり、産業上その効果の極めて大きい発明である。
As described above, the high heat-resistant polymer electrolyte according to the present invention is excellent in heat resistance, oxidation resistance, and conductivity. Therefore, when the polymer electrolyte is applied to, for example, an in-vehicle fuel cell or an SPE electrolyzer, The present invention contributes to improvement of fuel efficiency and efficiency, and is an invention having an extremely large industrial effect.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−64495(JP,A) 特開 昭50−108182(JP,A) 特開 平7−213848(JP,A) 特開 平8−296075(JP,A) 特開 平10−40737(JP,A) 特開2000−48834(JP,A) 特表 平8−512358(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 1/06 H01B 1/12 C25B 13/08 304 G01N 27/58 H01M 8/02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-51-64495 (JP, A) JP-A-50-108182 (JP, A) JP-A-7-213848 (JP, A) JP-A 8- 296075 (JP, A) JP-A-10-40737 (JP, A) JP-A-2000-48834 (JP, A) JP-A-8-512358 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7) H01B 1/06 H01B 1/12 C25B 13/08 304 G01N 27/58 H01M 8/02

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ビススルホニルイミド、スルホニルカル
ボニルイミド、ビスカルボニルイミド、ビススルホニル
メチレンから選ばれた少なくとも1つの架橋基を介し
て、パーフルオロ系高分子化合物が架橋されていること
を特徴とする高耐熱性高分子電解質。
(1) bissulfonylimide, sulfonylcar
Bonylimide, biscarbonylimide, bissulfonyl
A highly heat-resistant polymer electrolyte, wherein a perfluoropolymer compound is crosslinked via at least one crosslinking group selected from methylene .
【請求項2】 スルホニルハライド基、カルボニルハラ2. A sulfonyl halide group, a carbonylhala
イド基、及びカルボン酸エステル基、並びにこれらの誘And carboxylic acid ester groups and their derivatives
導体から選ばれる少なくとも1つの官能基Aを有する前Before having at least one functional group A selected from conductors
記パーフルオロ系高分子化合物に対して、スルホンアミSulfonamido for the perfluoropolymer compound
ド基、スルホニル(N−トリメチルシリル)イミドアルカGroup, sulfonyl (N-trimethylsilyl) imido alka
リ金属塩、スルホニル(N−トリメチルシリル)イミドアLimetal salt, sulfonyl (N-trimethylsilyl) imidoa
ルカリ土類金属塩、スルホニル(N−トリメチルシリAlkaline earth metal salts, sulfonyl (N-trimethylsilyl)
ル)イミド基、及びアミド基、並びにこれらの誘導体かI) imide group, amide group, and derivatives thereof
ら選ばれる少なくとも1つの官能基Bを有する架橋剤Crosslinking agent having at least one functional group B selected from
を、(官能基Bのモル数)/(官能基Aのモル数)比が0.The ratio of (the number of moles of the functional group B) / (the number of moles of the functional group A) is 0.
00001以上1.0以下となるように導入し、Introduced so that it becomes 00001 or more and 1.0 or less, 前記官能基Aと前記官能基Bとを反応させることによりBy reacting the functional group A with the functional group B
得られる請求項1に記載の高耐熱性高分子電解質。The highly heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1, which is obtained.
【請求項3】 前記架橋剤は、パーフルオロアルキレン3. The cross-linking agent is a perfluoroalkylene.
基(炭素数nは、n≧1)のいずれかに前記官能基BがThe functional group B is any of the groups (the number of carbons n is n ≧ 1)
結合しているものである請求項2に記載の高耐熱性高分3. The high heat-resistant component according to claim 2, which is bonded.
子電解質。Child electrolyte.
【請求項4】 スルホニルハライド基、カルボニルハラ4. A sulfonyl halide group, carbonylhala
イド基、及びカルボン酸エステル基、並びにこれらの誘And carboxylic acid ester groups and their derivatives
導体から選ばれる少なくとも1つの官能基Aを有する前Before having at least one functional group A selected from conductors
記パーフルオロ系高分子化合物に対して、官能基Bを有A functional group B for the perfluoropolymer compound
する架橋剤であって、パーフルオロ−1,4−ジスルホA perfluoro-1,4-disulfo
ンアミドブタン、パーフルオロ−1,4−ジスルホンアAmidobutane, perfluoro-1,4-disulfone
ミドブタンのN−トリメチルシリル化したナトリウムN-trimethylsilylated sodium of midbutane
塩、パーフルオロ−1,4−ジアミドブタン、アンモニSalt, perfluoro-1,4-diamidobutane, ammonium
ア、及びビス(トリメチルシリル)アミドリチウム、並A and lithium bis (trimethylsilyl) amide
びにこれらの誘導体から選ばれる少なくとも1種類の架And at least one type of frame selected from these derivatives
橋剤を、(官能基Bのモル数)/(官能基Aのモル数)比がWhen the ratio of the number of moles of the functional group B to the number of moles of the functional group A is
0.00001以上1.0以下となるように導入し、Introduced to be 0.00001 or more and 1.0 or less, 前記官能基Aと前記官能基Bとを反応させることによりBy reacting the functional group A with the functional group B
得られる請求項1に記載の高耐熱性高分子電解質。The highly heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1, which is obtained.
【請求項5】 スルホンアミド基、スルホニル(N−ト5. A sulfonamide group, sulfonyl (N-to
リメチルシリル)イミドアルカリ金属塩、スルホニル(NLimethylsilyl) imide alkali metal salt, sulfonyl (N
−トリメチルシリル)イミドアルカリ土類金属塩、スル-Trimethylsilyl) imide alkaline earth metal salts, sulf
ホニル(N−トリメチルシリル)イミド基、及びアミドHonyl (N-trimethylsilyl) imide group and amide
基、並びにこれらの誘導体から選ばれる少なくとも1つGroup and at least one selected from these derivatives
の官能基Aを有する前記パーフルオロ系高分子化合物にTo the perfluoropolymer compound having a functional group A of
対して、スルホニルハライド基、カルボニルハライドOn the other hand, sulfonyl halide group, carbonyl halide
基、及びカルボン酸エステル基、並びにこれらの誘導体Group, and carboxylic acid ester group, and derivatives thereof
から選ばれる少なくとも1つの官能基Bを有する架橋剤Crosslinking agent having at least one functional group B selected from
を、(官能基Bのモル数)/(官能基Aのモル数)比が0.The ratio of (the number of moles of the functional group B) / (the number of moles of the functional group A) is 0.
00001以上1.0以下となるように導入し、Introduced so that it becomes 00001 or more and 1.0 or less, 前記官能基Aと前記官能基Bとを反応させることによりBy reacting the functional group A with the functional group B
得られる請求項1に記載の高耐熱性高分子電解質。The highly heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1, which is obtained.
【請求項6】 前記(官能基Bのモル数)/(官能基Aの6. The (moles of the functional group B) / (the number of the functional groups A)
モル数)比は、0.00005以上0.8以下である請(Molar number) ratio is 0.00005 or more and 0.8 or less.
求項2から5までのいずれかに記載の高耐熱性高分子電6. The high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 2 to 5.
解質。Decomposition.
【請求項7】 前記(官能基Bのモル数)/(官能基Aの7. The (mol number of functional group B) / (molar number of functional group A)
モル数)比は、0.0001以上0.5以下である請求Mole) ratio is 0.0001 or more and 0.5 or less
項2から5までのいずれかに記載の高耐熱性高分子電解Item 6. High heat-resistant polymer electrolyte according to any one of Items 2 to 5
質。quality.
【請求項8】 前記パーフルオロ系高分子化合物中の前8. In the perfluoropolymer compound,
記官能基Aの濃度は、1×10The concentration of the functional group A is 1 × 10 −6-6 mol/g以上4×mol / g or more 4 ×
1010 −3-3 mol/g以下である請求項2から7までのい8. The method according to claim 2, wherein the amount is not more than mol / g.
ずれかに記載の高耐熱性高分子電解質。Highly heat-resistant polymer electrolyte as described in any of the above.
【請求項9】 前記パーフルオロ系高分子化合物中の前9. A method according to claim 1, wherein said perfluoropolymer compound is
記官能基Aの濃度は、1×10The concentration of the functional group A is 1 × 10 −5-5 mol/g以上2×2 x over mol / g
1010 −3-3 mol/g以下である請求項2から7までのい8. The method according to claim 2, wherein the amount is not more than mol / g.
ずれかに記載の高耐熱性高分子電解質。Highly heat-resistant polymer electrolyte as described in any of the above.
【請求項10】 その導電率が、0.062S/cm以10. The electric conductivity is 0.062 S / cm or less.
上である請求項1から9までのいずれかに記載の高耐熱10. High heat resistance according to any one of claims 1 to 9 above.
性高分子電解質。Polymer electrolyte.
【請求項11】 200℃において100ton/m11. 100 ton / m at 200 ° C. 2
の荷重をかけたときに、膜長が2倍になる時間が、20When the load is applied, the time for doubling the film length is 20
時間以上である請求項1から10までのいずれかに記載The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the time is longer than an hour.
の高耐熱性高分子電解質。High heat-resistant polymer electrolyte.
【請求項12】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いた電気化学デバイス。
12. An electrochemical device using the high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 .
【請求項13】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いた燃料電池。
13. A fuel cell using the high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 .
【請求項14】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いた水電解装置。
14. A water electrolysis device using the high heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1.
【請求項15】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いたハロゲン化水素酸電
解装置。
15. A hydrohalic acid electrolysis apparatus using the high heat-resistant polymer electrolyte according to claim 1 .
【請求項16】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いた食塩電解装置。
16. A salt electrolysis apparatus using the high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 .
【請求項17】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いた酸素濃縮器
17. An oxygen concentrator using the high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 .
【請求項18】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いた湿度センサ。
18. A humidity sensor using the high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 .
【請求項19】 請求項1から11までのいずれかに記
載の高耐熱性高分子電解質を用いたガスセンサ。
19. A gas sensor using the high heat-resistant polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 11 .
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