JP4217889B2 - Proton conducting fluoropolyether composition for fuel cell electrolyte membrane - Google Patents

Proton conducting fluoropolyether composition for fuel cell electrolyte membrane Download PDF

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Description

本発明は、密着性に優れ、耐熱性及び耐酸化性に優れた燃料電池電解質膜用のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物、プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜、当該膜の形成方法、当該組成物を用いた燃料電池用電解質膜・電極接合体及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a proton conductive fluoropolyether composition for a fuel cell electrolyte membrane excellent in adhesion, heat resistance and oxidation resistance, a proton conductive fluoropolyether membrane, a method for forming the membrane, and the composition The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell.

更に詳しくは、水素又はメタノールなどを燃料とする固体高分子型燃料電池における電解質膜・電極接合体の電解質膜として、過酸化水素による酸化劣化を抑え、かつ長期使用時においても燃料となるメタノールの透過がより少ない、電極層の固体触媒との密着性に優れた熱硬化性を有する材料として有効な、燃料電池電解質膜用のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物、及び当該組成物から得られるプロトン伝導性フルオロポリエーテル膜、及びそれを用いた燃料電池用電解質膜・電極接合体、及び燃料電池に関する。 More specifically, as an electrolyte membrane of an electrolyte membrane / electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen or methanol as a fuel, oxidation deterioration due to hydrogen peroxide is suppressed, and methanol used as a fuel even during long-term use is suppressed. Proton-conducting fluoropolyether composition for fuel cell electrolyte membrane , which is effective as a thermosetting material with less permeation and excellent adhesion to the solid catalyst of the electrode layer, and protons obtained from the composition The present invention relates to a conductive fluoropolyether membrane, an electrolyte membrane / electrode assembly for a fuel cell using the same, and a fuel cell.

近年、地球温暖化対策として炭酸ガスの総排出量抑制スキームが国家レベルで求められている。中でも、自動車は石油燃料のガソリンの燃焼をエネルギーとしているが、これをシステム全体で炭酸ガスの放出がより少ない燃料電池に置き換えられれば大幅な炭酸ガスの削減効果が期待できる。自動車メーカーを含め活発に燃料電池の研究開発が行われている。一方、携帯型電子機器の普及及び高性能化に伴い、新たに燃料電池が携帯型電子機器の長時間稼働を実現する携帯型電源としても期待されている。一般に、燃料電池はその作動温度、電解質の種類により分類される。自動車用途及び携帯型燃料電池用途で期待される燃料電池は、作動温度が300℃以下であり、低温型と呼ばれる。電解質の種類からは固体高分子型で分類される(PEFC)。この固体高分子型は小型かつ高出力であることが特徴となっている。このPEFC型は原理的に優れた長所を有するため、実用化に向けた研究が1980年後半より盛んに行われてきた。固体電解質膜に関してはデュポン社製ナフィオン膜(スルフォン化パーフルオロアルキルエーテル)が優れた耐酸化劣化性と高いプロトン伝導性から注目されている。電解質膜・電極接合体では、1991年に出願されたロスアラモス研究所の特許(特許文献1:米国特許第5234777号明細書参照)には、カーボン担持白金触媒と電解質を含む溶液でペーストを作成し、電極となるカーボンペーパーに印刷後、ナフィオン膜を挟み込み、ホットプレス処理することで触媒の白金の利用効率を著しく高める技術が記載されている。   In recent years, a scheme to control the total emission of carbon dioxide has been sought at the national level as a measure against global warming. Above all, automobiles use the combustion of petroleum fuel gasoline as energy, and if this is replaced with a fuel cell that emits less carbon dioxide throughout the system, a significant reduction in carbon dioxide can be expected. Research and development of fuel cells are actively conducted including automobile manufacturers. On the other hand, with the spread and high performance of portable electronic devices, new fuel cells are also expected as portable power sources that realize long-time operation of portable electronic devices. In general, fuel cells are classified according to their operating temperature and the type of electrolyte. A fuel cell expected for use in automobiles and portable fuel cells has an operating temperature of 300 ° C. or lower and is called a low temperature type. Depending on the type of electrolyte, it is classified as a solid polymer type (PEFC). This solid polymer type is characterized by small size and high output. Since this PEFC type has excellent advantages in principle, research for practical use has been actively conducted since the latter half of 1980s. Regarding solid electrolyte membranes, Nafion membranes (sulfonated perfluoroalkyl ethers) manufactured by DuPont are attracting attention because of their excellent oxidation degradation resistance and high proton conductivity. In the electrolyte membrane / electrode assembly, a patent of Los Alamos Laboratories filed in 1991 (see Patent Document 1: US Pat. No. 5,234,777) is a paste prepared with a solution containing a carbon-supported platinum catalyst and an electrolyte. In addition, a technique is described in which a Nafion film is sandwiched after printing on carbon paper to be an electrode, and hot utilization is performed to significantly increase the utilization efficiency of platinum as a catalyst.

しかし、ナフィオン膜は架橋構造を有さないこと、求められる固体電解質膜の膜厚が100μm以下と薄いこと、熱硬化性を有さないことから、ホットプレスの条件により触媒層とナフィオン膜との密着性は大きく変化することが予測される。また、固体高分子型電解質膜は出力損失となる電解質膜の内部インピーダンスを上げるため、できる限りの薄膜化が求められる。しかし、100μm以下に薄膜化した電解質膜をホットプレスで多孔質電極基材との間で密着性を確保した接合を得ることは困難である。更に、ホットプレスは連続生産に向かないこと、大面積化が困難であることから生産現場では適用が困難であるといった問題があった。ナフィオン膜以外にスルフォン酸基を導入した炭化水素系電解質膜材料が提案されているが、いずれも耐酸化劣化性に劣るため実用化には課題が残っている。   However, since the Nafion membrane does not have a cross-linked structure, the required thickness of the solid electrolyte membrane is as thin as 100 μm or less, and does not have thermosetting properties, the catalyst layer and the Nafion membrane can be separated depending on hot press conditions. Adhesion is expected to change significantly. In addition, the solid polymer electrolyte membrane is required to be as thin as possible in order to increase the internal impedance of the electrolyte membrane that causes output loss. However, it is difficult to obtain a bond that ensures adhesion between the electrolyte membrane thinned to 100 μm or less and the porous electrode substrate by hot pressing. Furthermore, the hot press is not suitable for continuous production and has a problem that it is difficult to apply at a production site because it is difficult to increase the area. Hydrocarbon electrolyte membrane materials into which sulfonic acid groups are introduced in addition to the Nafion membrane have been proposed, but all of them have poor oxidation resistance and still have problems in practical use.

一方、耐熱性、耐酸化劣化性に優れた無機・有機ポリマー骨格にイオン伝導性を付与したハイブリッド型電解質膜が提案されている。特許第3103888号公報(特許文献2)において、本間らは2官能及び3官能のアルコキシシリル基を有するオクタンを加水分解することで、架橋構造を有したアルキレンを骨格とした膜にプロトン伝導性を付与させた固体電解質膜を提案している。しかし、アルコキシシランを加水分解した場合、加水分解が完全に進まず、アルコキシル基が残留することで、燃料電池の動作環境下で発生する水と過酸化水素により加水分解による劣化が懸念される。酸化劣化においては、ナフィオンで代表されるフッ素系固体電解質膜が最も優れている。しかし、フッ素系ポリマーでは、加熱硬化性を実現する架橋性基は一般に知られておらず、フッ素系固体電解質の優れた酸化劣化性を利用したハイブリッド型電解質膜はこれまで検討されていなかった。この場合、架橋性基を導入できれば、ナフィオン膜の欠点のひとつである長期使用時のアルコール燃料の透過問題を防ぐことができる。   On the other hand, hybrid electrolyte membranes in which ion conductivity is imparted to an inorganic / organic polymer skeleton excellent in heat resistance and oxidation deterioration resistance have been proposed. In Japanese Patent No. 3103888 (Patent Document 2), Honma et al. Hydrolyze octane having bifunctional and trifunctional alkoxysilyl groups to give proton conductivity to a membrane having an alkylene skeleton having a crosslinked structure. Proposed solid electrolyte membrane. However, when alkoxysilane is hydrolyzed, the hydrolysis does not proceed completely, and the alkoxyl group remains, which may cause degradation due to hydrolysis due to water and hydrogen peroxide generated in the operating environment of the fuel cell. In terms of oxidative degradation, a fluorine-based solid electrolyte membrane represented by Nafion is most excellent. However, in a fluorine-based polymer, a crosslinkable group that achieves heat-curing properties is not generally known, and a hybrid electrolyte membrane that utilizes the excellent oxidative deterioration property of a fluorine-based solid electrolyte has not been studied so far. In this case, if a crosslinkable group can be introduced, the permeation problem of alcohol fuel during long-term use, which is one of the disadvantages of the Nafion membrane, can be prevented.

米国特許第5234777号明細書US Pat. No. 5,234,777 特許第3103888号公報Japanese Patent No. 3103888

本発明の目的は、従来の固体高分子型燃料電池における問題点を解決するために、耐酸化劣化性に優れ、しかもアルコールの透過による劣化と膨潤を抑制することができ、電極触媒との密着性に優れた燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物、プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜、当該膜の形成方法及び当該組成物を用いた燃料電池用電解質膜・電極接合体、及び燃料電池を提供することである。 An object of the present invention is to solve the problems in conventional polymer electrolyte fuel cells, and is excellent in oxidation deterioration resistance, and can suppress deterioration and swelling due to permeation of alcohol, and is in close contact with an electrode catalyst. Proton conductive fluoropolyether composition for fuel cell electrolyte membrane, proton conductive fluoropolyether membrane, method for forming the membrane, fuel cell electrolyte membrane / electrode assembly using the composition, and fuel It is to provide a battery.

本発明者らは、上記課題に鑑み、種々の電解質膜材料について鋭意研究を重ねたところ、特開平2001−354764号及び特開平2002−12769号公報に記載された加熱硬化性のパーフルオロポリエーテルゴム組成物にイオン伝導性を付与することで、アルコール透過性が低く、動作時の酸化劣化耐性に優れた電解質膜を実現し、更に、薄膜化された電解質膜を用いた電解質膜・電極接合体により、熱硬化性電解質膜が所有する弾性特性により触媒が担持されたカーボンとの密着性が優れることで、低い電解質膜の内部インピーダンス値が得られることを知見した。   In view of the above problems, the present inventors have conducted extensive research on various electrolyte membrane materials. As a result, the thermosetting perfluoropolyethers described in JP-A Nos. 2001-354768 and 2002-12769 are disclosed. By imparting ion conductivity to the rubber composition, an electrolyte membrane with low alcohol permeability and excellent resistance to oxidative degradation during operation is realized, and furthermore, an electrolyte membrane / electrode joint using a thinned electrolyte membrane It has been found that a low internal impedance value of the electrolyte membrane can be obtained by the body having excellent adhesion to the carbon on which the catalyst is supported due to the elastic properties possessed by the thermosetting electrolyte membrane.

更に具体的には、本発明者は、固体電解質膜を形成するための組成物の必須成分として、
(A)一分子中に少なくとも2個のアルケニル基を有し、かつ主鎖中にパーフルオロポリエーテル構造を有するフルオロポリエーテル化合物、
(B)一分子中に珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個有する有機珪素化合物、
(C)ヒドロシリル化反応触媒、
(D)プロトン伝導性付与剤
の(A)〜(D)を組合せることにより、耐酸化劣化性に優れ、かつ、アルコールの透過による劣化と膨潤が抑えられた、イオン伝導性を有するフルオロポリエーテルを得ることができること、更に、本発明のイオン伝導性フルオロポリエーテル膜は触媒担持カーボンとの密着性に優れていることを見出した。
More specifically, the present inventor, as an essential component of a composition for forming a solid electrolyte membrane,
(A) a fluoropolyether compound having at least two alkenyl groups in one molecule and a perfluoropolyether structure in the main chain;
(B) an organosilicon compound having at least two hydrogen atoms bonded to silicon atoms in one molecule;
(C) hydrosilylation reaction catalyst,
(D) By combining proton conductivity-imparting agents (A) to (D), fluoropolyethylene having ion conductivity excellent in oxidation deterioration resistance and suppressed in deterioration and swelling due to permeation of alcohol. It has been found that ethers can be obtained, and that the ion conductive fluoropolyether membrane of the present invention is excellent in adhesion to catalyst-supported carbon.

そして、本発明の組成物を燃料拡散電極又は酸化剤拡散電極となるカーボンペーパー表面に形成された触媒担持カーボンを含有する触媒層上に当該電解質膜を塗布した後、もう一方の触媒担持カーボンを含有する触媒層を設けた酸化剤拡散電極又は燃料拡散電極で本発明の電解質塗布膜を重ね合わせた後、加熱硬化を行うことで内部インピーダンスの低い電解質膜・電極接合体を得ることを見出し、本発明をなすに至った。   And after apply | coating the said electrolyte membrane on the catalyst layer containing the catalyst carrying | support carbon formed in the carbon paper surface used as a fuel diffusion electrode or an oxidizing agent diffusion electrode for the composition of this invention, another catalyst carrying | support carbon is used. After overlapping the electrolyte coating film of the present invention with an oxidant diffusion electrode or a fuel diffusion electrode provided with a catalyst layer containing, it is found that an electrolyte membrane / electrode assembly with low internal impedance is obtained by performing heat curing. It came to make this invention.

従って、本発明は下記の燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物、該組成物を硬化して得られるプロトン伝導性フルオロポリエーテル膜とその形成方法、及び電解質膜・電極接合体、燃料電池を提供する。
請求項1:
(A)一分子中に少なくとも2個のアルケニル基を有し、かつ主鎖中にパーフルオロポリエーテル構造を有するフルオロポリエーテル化合物、
(B)一分子中に珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個有する有機珪素化合物、
(C)ヒドロシリル化反応触媒、
(D)プロトン伝導性付与剤
を含有することを特徴とする燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物。
請求項2:
(A)成分におけるパーフルオロポリエーテル構造を構成するエーテルの構成単位がパーフルオロプロピレンオキシドであることを特徴とする請求項1記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物。
請求項3:
(A)成分におけるパーフルオロポリエーテル構造の構成単位パーフルオロプロピレンオキシドの繰り返し総数が300以下であることを特徴とする請求項2記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物。
請求項4:
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物を用いて得られる燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜。
請求項5:
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物を塗布する工程と、その後の硬化工程とを含むことを特徴とする燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜の形成方法。
請求項6:
水素及び/又は直接メタノール燃料電池用に用いられる正極及び/又は負極のガス拡散電極基材上に請求項4に記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル膜が形成されてなる電解質膜・電極接合体。
請求項7:
請求項6記載の電解質膜・電極接合体を備えた燃料電池。
Accordingly, the present invention provides a proton conductive fluoropolyether composition for a fuel cell electrolyte membrane, a proton conductive fluoropolyether membrane obtained by curing the composition, a method for forming the same, and an electrolyte membrane / electrode assembly, A fuel cell is provided.
Claim 1:
(A) a fluoropolyether compound having at least two alkenyl groups in one molecule and a perfluoropolyether structure in the main chain;
(B) an organosilicon compound having at least two hydrogen atoms bonded to silicon atoms in one molecule;
(C) hydrosilylation reaction catalyst,
(D) A proton conductive fluoropolyether composition for a fuel cell electrolyte membrane, comprising a proton conductivity imparting agent.
Claim 2:
2. The proton conductive fluoropolyether composition according to claim 1, wherein the structural unit of ether constituting the perfluoropolyether structure in component (A) is perfluoropropylene oxide.
Claim 3:
The proton conductive fluoropolyether composition according to claim 2, wherein the total number of repeating units of perfluoropropylene oxide having a perfluoropolyether structure in component (A) is 300 or less.
Claim 4:
A proton conductive fluoropolyether membrane for a fuel cell electrolyte membrane obtained using the proton conductive fluoropolyether composition according to any one of claims 1 to 3.
Claim 5:
A proton conductive fluoropolyether for a fuel cell electrolyte membrane comprising a step of applying the proton conductive fluoropolyether composition according to any one of claims 1 to 3 and a subsequent curing step. Method for forming a film.
Claim 6:
An electrolyte membrane / electrode assembly, wherein the proton conductive fluoropolyether membrane according to claim 4 is formed on a positive and / or negative gas diffusion electrode substrate used for hydrogen and / or direct methanol fuel cells.
Claim 7:
A fuel cell comprising the electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 6.

本発明のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物は、密着性に優れ、耐熱性及び耐酸化劣化性に優れた硬化膜を形成でき、燃料電池用の電解質膜・電極接合体の形成に有効である。   The proton conductive fluoropolyether composition of the present invention is excellent in adhesion, can form a cured film excellent in heat resistance and oxidation deterioration resistance, and is effective in forming an electrolyte membrane / electrode assembly for a fuel cell. .

本発明のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物は、
(A)一分子中に少なくとも2個のアルケニル基を有し、かつ主鎖中にパーフルオロポリエーテル構造を有するフルオロポリエーテル化合物、
(B)一分子中に珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個有する有機珪素化合物、
(C)ヒドロシリル化反応触媒、
(D)プロトン伝導性付与剤
を含有する。
The proton conductive fluoropolyether composition of the present invention comprises:
(A) a fluoropolyether compound having at least two alkenyl groups in one molecule and a perfluoropolyether structure in the main chain;
(B) an organosilicon compound having at least two hydrogen atoms bonded to silicon atoms in one molecule;
(C) hydrosilylation reaction catalyst,
(D) Contains a proton conductivity-imparting agent.

本発明の構成を更に詳細に説明すると、本発明の組成物の構成成分である(A)一分子中に少なくとも2個のアルケニル基を有し、かつ主鎖中にパーフルオロポリエーテル構造を有するフルオロポリエーテル化合物とは特開2002−12769号及び特開2001−354764号公報に記載された成分を表す。この場合、パーフルオロポリエーテル構造としては、
−Cd2dO−
(式中、各単位のdは独立に1〜6の整数である。)
の多数の繰り返し単位を含むもので、例えば下記一般式(1)で示されるものなどが挙げられる。
(Cd2dO)q (1)
(式中、qは1〜500、好ましくは2〜400、より好ましくは10〜200の整数である。)
The constitution of the present invention will be described in more detail. (A) which is a constituent of the composition of the present invention, has at least two alkenyl groups in one molecule, and has a perfluoropolyether structure in the main chain. The fluoropolyether compound represents a component described in JP-A Nos. 2002-12769 and 2001-354864. In this case, as the perfluoropolyether structure,
-C d F 2d O-
(In the formula, d of each unit is an integer of 1 to 6 independently.)
And a compound represented by the following general formula (1).
(C d F 2d O) q (1)
(In the formula, q is an integer of 1 to 500, preferably 2 to 400, more preferably 10 to 200.)

上記式(1)で示される繰り返し単位−Cd2dO−としては、例えば下記の単位等が挙げられる。なお、上記パーフルオロアルキルエーテル構造はこれらの繰り返し単位の1種単独で構成されていてもよいし、2種以上の組合せであってもよい。 Recurring units -C d F 2d O- The represented by the above formula (1), for example, unit of the following, and the like. The perfluoroalkyl ether structure may be composed of one of these repeating units, or may be a combination of two or more.

−CF2O−
−CF2CF2O−
−CF2CF2CF2O−
−CF(CF3)CF2O−
−CF2CF2CF2CF2O−
−CF2CF2CF2CF2CF2CF2O−
−C(CF32O−
-CF 2 O-
-CF 2 CF 2 O-
-CF 2 CF 2 CF 2 O-
-CF (CF 3 ) CF 2 O-
-CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 O-
-CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 CF 2 O-
-C (CF 3) 2 O-

これらの中では、特に下記単位が好適である。
−CF2O−
−CF2CF2O−
−CF2CF2CF2O−
−CF(CF3)CF2O−
Of these, the following units are particularly preferred.
-CF 2 O-
-CF 2 CF 2 O-
-CF 2 CF 2 CF 2 O-
-CF (CF 3 ) CF 2 O-

中でも、パーフルオロポリエーテルを構成するエーテルの構成単位は、パーフルオロプロピレンオキシドが好ましく、この場合、その繰り返し単位は300以下であることが好ましい。   Especially, the structural unit of the ether constituting the perfluoropolyether is preferably perfluoropropylene oxide. In this case, the repeating unit is preferably 300 or less.

また、(A)成分の直鎖状フルオロポリエーテル化合物中のアルケニル基としては、炭素数2〜8、特に2〜6で、かつ末端にCH2=CH−構造を有するものが好ましく、例えばビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基等が挙げられ、中でもビニル基、アリル基が好ましい。このアルケニル基は、分子中に存在していてもよいが、分子鎖の両末端に結合していることが好ましく、この場合、直鎖状フルオロポリエーテル化合物の主鎖の両端部に直接結合していてもよいし、下記に示すような2価の連結基を介して主鎖と結合していてもよい。
−CH2−,−CH2O−,−Y−NR−CO−
(但し、Yは−CH2−又は下記構造式(Z)で示される基であり、Rは水素原子、メチル基、フェニル基又はアリル基である。)
Further, the alkenyl group in the linear fluoropolyether compound (A) is preferably an alkenyl group having 2 to 8 carbon atoms, particularly 2 to 6 and having a CH 2 ═CH— structure at the terminal, such as vinyl. Group, allyl group, propenyl group, isopropenyl group, butenyl group, hexenyl group and the like. Among them, vinyl group and allyl group are preferable. The alkenyl group may be present in the molecule, but is preferably bonded to both ends of the molecular chain. In this case, the alkenyl group is directly bonded to both ends of the main chain of the linear fluoropolyether compound. It may be bonded to the main chain via a divalent linking group as shown below.
-CH 2 -, - CH 2 O -, - Y-NR-CO-
(However, Y is —CH 2 — or a group represented by the following structural formula (Z), and R is a hydrogen atom, a methyl group, a phenyl group, or an allyl group.)

Figure 0004217889
(o,m又はp位)
Figure 0004217889
(O, m or p position)

上記フルオロポリエーテル化合物としては、下記一般式(2)又は(3)で示される直鎖状のものが好ましい。   As said fluoro polyether compound, the linear thing shown by the following general formula (2) or (3) is preferable.

CH2=CH−(X)p−Rf0−(X’)p−CH=CH2 (2)
CH2=CH−(X)p−Q−Rf0−Q−(X’)p−CH=CH2 (3)
〔式中、Xは−CH2−、−CH2O−又は−Y−NR’−CO−(但し、Yは−CH2−又は上記構造式(Z)で示される基であり、R’は水素原子、メチル基、フェニル基又はアリル基である。)であり、X’は−CH2−、−OCH2−又は−CO−NR’−Y’−(但し、Y’は−CH2−又は下記構造式(Z’)で示される基であり、R’は上記と同様の意味を示す。)であり、Rf0は2価のパーフルオロポリエーテル構造又は上記式(1)、即ち(Cd2dO)qで示されるものが好ましい。pは独立に0又は1、rは2〜6の整数、Qは炭素数1〜15のアルキレン基等の2価の炭化水素基であり、エーテル結合を含んでいてもよい。〕
CH 2 = CH- (X) p -Rf 0 - (X ') p -CH = CH 2 (2)
CH 2 = CH- (X) p -Q-Rf 0 -Q- (X ') p -CH = CH 2 (3)
Wherein, X is -CH 2 -, - CH 2 O- or -Y-NR'-CO- (where, Y is -CH 2 - group represented by or the structural formula (Z), R ' Is a hydrogen atom, a methyl group, a phenyl group or an allyl group.) And X ′ is —CH 2 —, —OCH 2 — or —CO—NR′—Y′— (where Y ′ is —CH 2). -Or a group represented by the following structural formula (Z '), R' represents the same meaning as described above), and Rf 0 represents a divalent perfluoropolyether structure or the above formula (1), is preferably one represented by (C d F 2d O) q . p is independently 0 or 1, r is an integer of 2 to 6, Q is a divalent hydrocarbon group such as an alkylene group having 1 to 15 carbon atoms, and may contain an ether bond. ]

Figure 0004217889
(o,m又はp位)
Figure 0004217889
(O, m or p position)

このような(A)成分の直鎖状フルオロポリエーテル化合物としては、特に下記一般式(4)で示されるものが好適である。   As such a linear fluoropolyether compound of component (A), those represented by the following general formula (4) are particularly suitable.

Figure 0004217889
〔式中、X、X’は上記と同様の意味を示す。pは独立に0又は1、rは2〜6の整数、uは2〜6の整数。m、nはそれぞれ0〜200の整数である。〕
Figure 0004217889
[Wherein, X and X ′ have the same meaning as described above. p is independently 0 or 1, r is an integer of 2-6, u is an integer of 2-6. m and n are each an integer of 0 to 200. ]

上記式(4)の直鎖状フルオロポリエーテル化合物は、重量平均分子量が400〜100,000、特に1,000〜50,000であることが望ましい。   The linear fluoropolyether compound of the above formula (4) preferably has a weight average molecular weight of 400 to 100,000, particularly 1,000 to 50,000.

更に、本発明では、上記式(4)の直鎖状フルオロポリエーテル化合物を目的に応じた所望の重量平均分子量に調節するため、予め上記した直鎖状フルオロポリエーテル化合物を分子内にSiH基を2個含有する有機珪素化合物と通常の方法及び条件でヒドロシリル化反応させ、鎖長延長した生成物を(A)成分として使用することも可能である。
なお、(A)成分の粘度は、25℃において3,000〜15,000mPa・sであることが好ましい。
Furthermore, in the present invention, in order to adjust the linear fluoropolyether compound of the above formula (4) to a desired weight average molecular weight according to the purpose, the above-mentioned linear fluoropolyether compound is previously incorporated in the molecule with an SiH group. It is also possible to use as a component (A) a product obtained by subjecting an organosilicon compound containing 2 to a hydrosilylation reaction by a conventional method and conditions, and extending the chain length.
In addition, it is preferable that the viscosity of (A) component is 3,000-15,000 mPa * s in 25 degreeC.

次に、(B)成分は、(A)成分の架橋剤、鎖長延長剤として作用するものである。この(B)成分は1分子中に珪素原子に結合した水素原子(H−Si構造)を少なくとも2個有する有機珪素化合物であれば特に制限されるものではない。このような有機珪素化合物としては、下記一般式(5)で示されるものが好ましい。   Next, the component (B) acts as a crosslinking agent and chain extender for the component (A). The component (B) is not particularly limited as long as it is an organosilicon compound having at least two hydrogen atoms (H—Si structure) bonded to silicon atoms in one molecule. As such an organosilicon compound, those represented by the following general formula (5) are preferable.

Figure 0004217889
〔式中、cは1,2,3又は4であり、Rは同一又は異種の炭素数1〜20、好ましくは1〜6の1価の炭化水素基である。Zは水素原子もしくは−Q−M、−Q−Rf、−Q−、−Rf’−、−Q−Rf’−Q−(但し、Qは炭素数1〜15のアルキレン基等の2価の炭化水素基であり、エーテル結合を含んでいてもよく、Rfは炭素数1〜400の1価のパーフルオロアルキル基、パーフルオロオキシアルキル基、アルキル基又はオキシアルキル基であり、Rf’は炭素数1〜400の2価のパーフルオロアルキレン基、パーフルオロオキシアルキレン基、アルキレン基、又はオキシアルキレン基である。)で表される。sは1,2又は3であり、tは0,1,2又は3である。a及びbは0又は1,かつaとbは同時に0とはならない。またQは、上述したように、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、へキシレン基等のアルキレン基や、これらアルキレン基の鎖中に−O−のエーテル結合が介在した基が挙げられる。〕
Figure 0004217889
[Wherein, c is 1, 2, 3 or 4, and R is the same or different monovalent hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 6 carbon atoms. Z is a hydrogen atom or -QM, -Q-Rf, -Q-, -Rf'-, -Q-Rf'-Q- (where Q is a divalent alkylene group having 1 to 15 carbon atoms, etc. It is a hydrocarbon group and may contain an ether bond, Rf is a monovalent perfluoroalkyl group having 1 to 400 carbon atoms, a perfluorooxyalkyl group, an alkyl group or an oxyalkyl group, and Rf ′ is carbon. And a divalent perfluoroalkylene group, a perfluorooxyalkylene group, an alkylene group, or an oxyalkylene group having a number of 1 to 400. s is 1, 2 or 3, and t is 0, 1, 2 or 3. a and b are 0 or 1, and a and b are not 0 at the same time. Examples of Q include alkylene groups such as a methylene group, an ethylene group, a propylene group, and a hexylene group, and groups in which an —O— ether bond is interposed in the chain of these alkylene groups, as described above. ]

上記有機珪素化合物としては、例えば下記のものが挙げられる。なお、下記式でMeはメチル基を示す。   As said organosilicon compound, the following are mentioned, for example. In the following formulae, Me represents a methyl group.

Figure 0004217889
Figure 0004217889

他にも、(B)成分として、ヒドロシリル基を有するシロキサンも挙げられる。具体的には、α,ω−ビス(ジメチルハイドロジェンシリル)ポリジメチルシロキサン、α,ω−ビス(トリメチルシリル)ポリメチルハイドロジェンシロキサン、α,ω−ビス(トリメチルシリル)ポリ(メチルハイドロジェン)(ジメチル)シロキサン共重合体などが挙げられる。より好ましい構造を下記に示す。   In addition, as the component (B), siloxane having a hydrosilyl group is also exemplified. Specifically, α, ω-bis (dimethylhydrogensilyl) polydimethylsiloxane, α, ω-bis (trimethylsilyl) polymethylhydrogensiloxane, α, ω-bis (trimethylsilyl) poly (methylhydrogen) (dimethyl) ) Siloxane copolymer. A more preferred structure is shown below.

Figure 0004217889
(式中、Meはメチル基を表し、nは2〜45の整数を表す。)
Figure 0004217889
(In the formula, Me represents a methyl group, and n represents an integer of 2 to 45.)

また、(A)成分との相溶性、分散性、硬化後の均一性を考慮して、一分子中に1個以上の1価のパーフルオロアルキル基、1価のパーフルオロオキシアルキル基、2価のパーフルオロアルキレン基又は2価のパーフルオロオキシアルキレン基を有しているものを使用することができる。   In consideration of compatibility with component (A), dispersibility, and uniformity after curing, one or more monovalent perfluoroalkyl group, monovalent perfluorooxyalkyl group, 2 Those having a valent perfluoroalkylene group or a divalent perfluorooxyalkylene group can be used.

また、これらパーフルオロ(オキシ)アルキル基、パーフルオロ(オキシ)アルキレン基は、炭素数3〜200、特に15〜60のものが好ましく、珪素原子に直接結合していてもよいが、珪素原子と2価の連結基を介して結合していてもよい。ここで2価の連結基としては、アルキレン基、アリーレン基やこれらの組合せでも、あるいはこれらにエーテル結合酸素原子やアミド結合、カルボニル結合等を介在するものであってもよく、例えば、炭素原子数2〜12のものが好ましい。   These perfluoro (oxy) alkyl groups and perfluoro (oxy) alkylene groups preferably have 3 to 200 carbon atoms, particularly 15 to 60 carbon atoms, and may be directly bonded to a silicon atom. You may couple | bond together through the bivalent coupling group. Here, the divalent linking group may be an alkylene group, an arylene group, or a combination thereof, or an ether bond oxygen atom, an amide bond, a carbonyl bond, or the like interposed therebetween. The thing of 2-12 is preferable.

また、この(B)成分の有機珪素化合物における1価又は2価の含弗素置換基、即ちパーフルオロアルキル基、パーフルオロオキシアルキル基、パーフルオロアルキレン基あるいはパーフルオロオキシアルキレン基を含有する1価の有機基以外の珪素原子に結合した1価の置換基Rとしては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、デシル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基等のアラルキル基、あるいはこれらの基の水素原子の一部が塩素原子、シアノ基等で置換された例えばクロロメチル基、クロロプロピル基、シアノエチル基等の炭素原子数1〜20の非置換又は置換炭化水素基が挙げられる。更に、この有機珪素化合物における1分子中の珪素原子数は特に制限されないが、通常2〜60、特に3〜30が好ましい。   Further, the monovalent or divalent fluorine-containing substituent in the organosilicon compound of component (B), that is, a monovalent containing a perfluoroalkyl group, a perfluorooxyalkyl group, a perfluoroalkylene group or a perfluorooxyalkylene group. Examples of the monovalent substituent R bonded to the silicon atom other than the organic group include an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, a cyclohexyl group, an octyl group, and a decyl group, a vinyl group An alkenyl group such as an allyl group, an aryl group such as a phenyl group, a tolyl group and a naphthyl group, an aralkyl group such as a benzyl group and a phenylethyl group, or a part of hydrogen atoms of these groups is a chlorine atom, a cyano group, etc. Substituted, for example, unsubstituted or substituted of 1 to 20 carbon atoms such as chloromethyl group, chloropropyl group, cyanoethyl group It includes hydrocarbon groups. Further, the number of silicon atoms in one molecule in the organosilicon compound is not particularly limited, but usually 2 to 60, particularly 3 to 30 is preferable.

(B)成分の配合量は、通常(A)成分中に含まれるビニル基、アリル基、シクロアルケニル基等のアルケニル基1モルに対して、(B)成分の中のヒドロシリル基、即ちSiH基の量が好ましくは0.5〜5モル、より好ましくは1〜2モル供給する量が好適である。(B)成分の配合量が少なすぎると架橋度合いが不十分となったり、発泡したり、耐熱性、圧縮永久歪み特性等が悪化する場合がある。   The blending amount of the component (B) is usually a hydrosilyl group in the component (B), that is, a SiH group, with respect to 1 mol of an alkenyl group such as a vinyl group, an allyl group, or a cycloalkenyl group contained in the component (A). Is preferably 0.5 to 5 mol, more preferably 1 to 2 mol. When the blending amount of the component (B) is too small, the degree of crosslinking may be insufficient, foaming, heat resistance, compression set characteristics, and the like may be deteriorated.

(C)成分のヒドロシリル化反応触媒としては、遷移金属、例えばPt、Rh、Pd等の白金族金属やこれら遷移金属の化合物などが好ましく使用される。本発明では、比較的入手し易い白金化合物が好適に用いられる。白金化合物としては、具体的に塩化白金酸又は塩化白金酸とエチレン等のオレフィンとの錯体、アルコールやビニルシロキサンとの錯体、白金/シリカ、アルミナ又はカーボン等を例示することができるが、これらに限定されるものではない。   As the hydrosilylation reaction catalyst of component (C), transition metals, for example, platinum group metals such as Pt, Rh, and Pd, and compounds of these transition metals are preferably used. In the present invention, platinum compounds that are relatively easily available are preferably used. Specific examples of the platinum compound include chloroplatinic acid or a complex of chloroplatinic acid and an olefin such as ethylene, a complex of alcohol or vinylsiloxane, platinum / silica, alumina, or carbon. It is not limited.

白金化合物以外の白金族化合物としては、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム系化合物等が知られており、例えばRhCl(PPh33、RhCl(CO)(PPh32,RhCl(C242,Ru3(CO)12,IrCl(CO)(PPh32,Pd(PPh34等が挙げられる(なおPhはフェニル基を示す)。 Rhodium, ruthenium, iridium, palladium compounds and the like are known as platinum group compounds other than platinum compounds. For example, RhCl (PPh 3 ) 3 , RhCl (CO) (PPh 3 ) 2 , RhCl (C 2 H 4). ) 2 , Ru 3 (CO) 12 , IrCl (CO) (PPh 3 ) 2 , Pd (PPh 3 ) 4 (Ph represents a phenyl group).

これらの触媒の使用量は、特に制限されるものではなく、通常の触媒量で所望とする硬化速度を得ることができるが、経済的見地又は良好な硬化物を得るためには、硬化性組成物全量に対して、0.1〜1,000ppm(白金族金属換算)、より好ましくは0.1〜500ppm(白金族金属換算)程度の範囲とするのがよい。   The amount of these catalysts used is not particularly limited, and a desired curing rate can be obtained with a normal amount of catalyst. However, in order to obtain an economical viewpoint or a good cured product, a curable composition is used. It is good to set it as the range of about 0.1-1,000 ppm (platinum group metal conversion) with respect to the total amount of things, More preferably, 0.1-500 ppm (platinum group metal conversion) grade.

本発明の硬化性組成物には、(A)成分の架橋剤、鎖長延長剤として、(B)成分に加えて、作業性、ゴム物性等の調整のためH−Si−OSi構造や式(5)以外の構造で、1分子中にSiH構造を少なくとも2個有する有機珪素化合物を任意の割合で配合することもできる。このような式(5)に該当しないSiH基含有有機珪素化合物は、SiH基を1分子中に2個以上有するものであれば、特に限定されず、鎖状、環状、網目状などの構造をとっていてもよい。   In the curable composition of the present invention, in addition to the component (B), in addition to the component (B), the H-Si-OSi structure or formula is used for adjusting workability, rubber physical properties, etc. An organosilicon compound having a structure other than (5) and having at least two SiH structures in one molecule can be blended at an arbitrary ratio. The SiH group-containing organosilicon compound not corresponding to the formula (5) is not particularly limited as long as it has two or more SiH groups in one molecule, and has a chain shape, a ring shape, a network shape, or the like. It may be taken.

(A)成分の架橋剤、鎖長延長剤として、式(5)以外の構造でヒドロシリル基、即ちSiH基を有する有機珪素化合物を添加する場合、通常(A)成分中に含まれるビニル基、アリル基、シクロアルケニル基中のアルケニル基1モルに対して、SiH基の合計量が好ましくは0.5〜5モル、より好ましくは1〜2モル供給する量が好適である。SiH基の量が少なすぎると架橋度合いが不十分になる場合があり、多すぎると鎖長延長が優先し、硬化が不十分となったり、発泡したり、耐熱性、圧縮永久歪み特性等が悪化する場合がある。   In the case where an organosilicon compound having a hydrosilyl group, that is, a SiH group having a structure other than the formula (5) is added as a crosslinking agent or chain extender of the component (A), a vinyl group usually contained in the component (A), The total amount of SiH groups is preferably 0.5 to 5 moles, more preferably 1 to 2 moles per mole of alkenyl groups in the allyl group and cycloalkenyl group. If the amount of SiH group is too small, the degree of cross-linking may be insufficient, and if it is too large, chain length extension takes precedence, curing becomes insufficient, foaming, heat resistance, compression set characteristics, etc. It may get worse.

(B)成分に対して式(5)以外のSiH構造を有する有機珪素化合物の配合量は、特に限定されるものではなく、用途に応じて任意に設定できる。   The compounding quantity of the organosilicon compound which has SiH structure other than Formula (5) with respect to (B) component is not specifically limited, It can set arbitrarily according to a use.

次に、(D)成分は、プロトンを放出する所謂酸化合物が用いられる。ここで、プロトン伝導性付与剤としての酸化合物の種類は、燐酸、硫酸、スルフォン酸、カルボン酸、ホウ酸、ヘテロポリ酸、及びこれらの誘導体が挙げられる。本発明においては、これらの酸又はその誘導体を2種以上併用してもよい。これらの中でも、ヘテロポリ酸を用いることが好ましい。ヘテロポリ酸とは、無機オキソ酸を指し、その中でも、タングストリン酸、モリブドリン酸、タングスト珪酸等のケギン構造、ドーソン構造を有するものが好ましく用いられる。これらのヘテロポリ酸はパーフルオロエーテルの骨格、ウレタン結合の極性により組成物内に保持される。このプロトン伝導性付与剤を(D)成分として組成物に添加する場合は、(A)成分のパーフルオロポリエーテル100質量部に対して、5質量部〜150質量部の量が望ましい。通常結晶水を有しているため、敢えて、水を加えずに添加することもできるが、必要に応じて水を加えることができる。また、プロトン伝導性付与剤の組成物中での保持力を増大させるために、あるいはプロトン伝導性を増大させるためにイオン性液体を添加してもよい。イオン性液体として、ピリジン系イオン性液体、脂環式アミン系、脂肪族アミン系などが挙げられるが、これらに限定するものではない。   Next, as the component (D), a so-called acid compound that releases protons is used. Here, examples of the acid compound as the proton conductivity-imparting agent include phosphoric acid, sulfuric acid, sulfonic acid, carboxylic acid, boric acid, heteropolyacid, and derivatives thereof. In the present invention, two or more of these acids or derivatives thereof may be used in combination. Among these, it is preferable to use heteropolyacid. The heteropolyacid refers to an inorganic oxo acid, and among them, those having a Keggin structure or a Dawson structure such as tungstophosphoric acid, molybdophosphoric acid, tungstosilicic acid and the like are preferably used. These heteropolyacids are retained in the composition by the perfluoroether skeleton and the polarity of the urethane bond. When this proton conductivity-imparting agent is added to the composition as the component (D), the amount is preferably 5 to 150 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the (A) component perfluoropolyether. Usually, since it has crystal water, it can be added without adding water, but water can be added if necessary. An ionic liquid may be added to increase the retention of the proton conductivity-imparting agent in the composition or to increase proton conductivity. Examples of the ionic liquid include, but are not limited to, a pyridine-based ionic liquid, an alicyclic amine system, and an aliphatic amine system.

(D)成分のプロトン伝導性付与剤を組成物に混合せずに独立して用いる場合には、本発明の(A)成分〜(C)成分を含む組成物を用いて得られた塗布膜を、プロトン伝導性付与剤あるいはプロトン伝導性付与剤を含む溶液に浸漬させるか、あるいはこれらの蒸気に晒すなどこれらに類似したプロトン伝導性付与化工程処理することによって得られる。   When the component (D), the proton conductivity-imparting agent, is used independently without being mixed with the composition, a coating film obtained using the composition containing the components (A) to (C) of the present invention Can be obtained by immersing them in a proton conductivity-imparting agent or a solution containing a proton conductivity-imparting agent, or by subjecting them to a proton conductivity-imparting process similar to these, such as exposure to vapor.

加熱硬化工程はプロトン伝導性付与化工程の前であっても、後であってもよい。加熱硬化時の温度条件はヒドロシリル化触媒反応による常法に従い、100〜200℃の範囲で選択される。   The heat curing step may be before or after the proton conductivity imparting step. The temperature condition at the time of heat curing is selected in the range of 100 to 200 ° C. according to a conventional method using a hydrosilylation catalytic reaction.

更に本発明では、プロトン伝導性付与剤を保持する目的で、あるいは燃料電池の水素、又はアルコール、水、酸素の透過を防ぐ目的で酸化物、窒化物、炭化物等の無機化合物を充填剤として添加することができる。充填剤の具体例として、窒化硼素、炭化珪素、シリカなどが挙げられる。   Further, in the present invention, an inorganic compound such as oxide, nitride, carbide or the like is added as a filler for the purpose of retaining a proton conductivity-imparting agent or for preventing the permeation of hydrogen or alcohol, water, or oxygen of the fuel cell. can do. Specific examples of the filler include boron nitride, silicon carbide, and silica.

この場合、上記プロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物は、液状として調製されることが好ましく、これを適宜な基材に塗布し、これを硬化することにより、プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜を形成することができる。なお、硬化条件は上述した通りである。この硬化膜の厚さは適宜選定されるが、通常10〜200μm、特に30〜100μmである。   In this case, the proton conductive fluoropolyether composition is preferably prepared as a liquid, and this is applied to a suitable substrate and cured to form a proton conductive fluoropolyether film. be able to. The curing conditions are as described above. The thickness of the cured film is appropriately selected, but is usually 10 to 200 μm, particularly 30 to 100 μm.

本発明のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物乃至膜は、特に水素又はメタノールなどを燃料とする固体高分子型燃料電池における電解質膜・電極接合体の電解質膜として、過酸化水素による酸化劣化を抑え、且つ長期使用時においても燃料となるメタノールの透過がより少ない、電極層の固体触媒との密着性に優れた熱硬化性を有する材料として好適に用いられ、従って本発明は、水素及び/又は直接メタノール燃料電池用に用いられる正極及び/又は負極のガス拡散電極基材上に上記のプロトン伝導性フルオロポリエーテル膜を形成する方法を含む工程から得られる電解質膜・電極接合体及びこの接合体を備えた燃料電池を提供する。この場合、正極、負極のガス拡散電極としては公知の構成とすることができ、このガス拡散電極材質としても公知のものでよい。更に、このガス拡散電極以外の燃料電池の構成を公知の構成とすることができる。なお、ここでの燃料電池は、水素又はメタノールを燃料とするタイプのものであり、メタノールは水で所望の濃度で希釈されてもよいものである。   The proton conductive fluoropolyether composition or membrane of the present invention suppresses oxidative degradation due to hydrogen peroxide, particularly as an electrolyte membrane / electrode assembly in a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen or methanol as a fuel. In addition, it can be suitably used as a material having a thermosetting property with less adhesion of methanol as a fuel even during long-term use and excellent adhesion to the solid catalyst of the electrode layer. Electrolyte membrane / electrode assembly obtained from a process including a method of forming the above proton conductive fluoropolyether membrane on a positive and / or negative gas diffusion electrode substrate used for direct methanol fuel cell, and this assembly A fuel cell comprising: In this case, the gas diffusion electrodes for the positive electrode and the negative electrode can have a known configuration, and the gas diffusion electrode material may be a known material. Further, the configuration of the fuel cell other than the gas diffusion electrode can be a known configuration. The fuel cell here is of a type that uses hydrogen or methanol as fuel, and methanol may be diluted with water at a desired concentration.

以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、下記例で粘度は25℃の値である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example. In the following examples, the viscosity is a value of 25 ° C.

[実施例1]
下記一般式(i)で表されるポリマー(粘度8,500mPa・s、重量平均分子量22,000、ビニル基量0.009モル/100g)100質量部に下記式(ii)で表される含フッ素有機珪素化合物2.64質量部、塩化白金酸をCH2=CHSi(Me)2OSi(Me)2CH=CH2で変性した触媒のトルエン溶液(白金濃度1.0質量部)0.2質量部及びエチニルシクロヘキサノールの50%トルエン溶液0.4質量部、更にケイタングステン酸(SiW1240、和光純薬社製)50質量部を加え、混練した。得られた組成物を減圧下で脱泡後、5cm角の枠上でドクターブレード法により、およそ200μm厚の膜を形成し、1kg/cm2、150℃のプレス条件で10分間プレス硬化した。得られた試験片の厚みは150μmであった。試験片はイオン伝導度、アルコールの透過量、フェントン試薬による溶出量それぞれの測定に供した。
[Example 1]
The polymer represented by the following general formula (i) (viscosity 8,500 mPa · s, weight average molecular weight 22,000, vinyl group content 0.009 mol / 100 g) is contained in 100 parts by mass, and is represented by the following formula (ii). 2.64 parts by mass of a fluorine organosilicon compound, a toluene solution of a catalyst obtained by modifying chloroplatinic acid with CH 2 ═CHSi (Me) 2 OSi (Me) 2 CH═CH 2 (platinum concentration: 1.0 part by mass) 0.2 0.4 parts by weight of a 50% toluene solution of ethynylcyclohexanol and 50 parts by weight of silicotungstic acid (SiW 12 O 40 , manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added and kneaded. The obtained composition was defoamed under reduced pressure, a film having a thickness of about 200 μm was formed on a 5 cm square frame by a doctor blade method, and press cured at a press condition of 1 kg / cm 2 and 150 ° C. for 10 minutes. The thickness of the obtained test piece was 150 μm. The test piece was used for measurement of ionic conductivity, alcohol permeation amount, and elution amount by Fenton reagent.

Figure 0004217889
Figure 0004217889

[実施例2]
上記一般式(i)で表されるポリマー(粘度8,500mPa・s、重量平均分子量22,000、ビニル基量0.009モル/100g)100質量部に上記式(ii)で表される含フッ素有機珪素化合物2.64質量部、塩化白金酸をCH2=CHSi(Me)2OSi(Me)2CH=CH2で変性した触媒のトルエン溶液(白金濃度1.0質量部)0.2質量部及びエチニルシクロヘキサノールの50%トルエン溶液0.4質量部、更に燐タングステン酸・n水和物(和光純薬社製)50質量部を加え、混練した。得られた組成物を減圧下で脱泡後、5cm角の枠上でドクターブレード法によりおよそ200μm厚の膜を形成し、1kg/cm2、150℃のプレス条件で10分間プレス硬化した。得られた試験片の厚みは150μmであった。試験片はイオン伝導度、アルコールの透過量、フェントン試薬による溶出量それぞれの測定に供した。
[Example 2]
The polymer represented by the above general formula (i) (viscosity 8,500 mPa · s, weight average molecular weight 22,000, vinyl group amount 0.009 mol / 100 g) is contained in 100 parts by mass of the above formula (ii). 2.64 parts by mass of a fluorine organosilicon compound, a toluene solution of a catalyst obtained by modifying chloroplatinic acid with CH 2 ═CHSi (Me) 2 OSi (Me) 2 CH═CH 2 (platinum concentration: 1.0 part by mass) 0.2 0.4 parts by mass of a 50% toluene solution of ethynylcyclohexanol and 50 parts by mass of phosphotungstic acid / n hydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added and kneaded. The obtained composition was defoamed under reduced pressure, a film having a thickness of about 200 μm was formed on a 5 cm square frame by a doctor blade method, and press cured at a press condition of 1 kg / cm 2 and 150 ° C. for 10 minutes. The thickness of the obtained test piece was 150 μm. The test piece was used for measurement of ionic conductivity, alcohol permeation amount, and elution amount by Fenton reagent.

[実施例3]
ナフィオンの5%イソプロピルアルコール溶液(アルドリッチ社製)で白金触媒(ValcanXC72(E−Tek Inc)Pt=20wt%、Pt:0.34mg/cm2)を担持したカーボン)を混練してペースト状とした。この触媒ペーストをカーボンペーパー(TGPH090(東レ(株)製)上に塗布した後、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥させた。これに実施例1で得られた組成物をドクターブレード法によりおよそ70μm厚の膜を塗布した。これをアノード側電極とした。同様にナフィオン膜の5%イソプロピルアルコール溶液(アルドリッチ社製)で白金触媒(ValcanXC72(E−Tek Inc)Pt=20wt%、Pt:0.34mg/cm2)を担持したカーボンを混練し、ペースト状とした触媒ペーストをカーボンペーパー(TGPH090、東レ(株)製)上に塗布した後、ホットプレート上で120℃、5分間乾燥させた。これに実施例1で得られた組成物をドクターブレード法によりおよそ70μm厚の膜を塗布することができた。
[Example 3]
A platinum catalyst (carbon carrying ValcanXC72 (E-Tek Inc) Pt = 20 wt%, Pt: 0.34 mg / cm 2 ) was kneaded with a 5% isopropyl alcohol solution (manufactured by Aldrich) of Nafion to form a paste. . This catalyst paste was coated on carbon paper (TGPH090 (manufactured by Toray Industries, Inc.), and then dried on a hot plate at 120 ° C. for 5 minutes, and the composition obtained in Example 1 was added by a doctor blade method. A film having a thickness of about 70 μm was applied, which was used as an anode side electrode, and a platinum catalyst (Valcan XC72 (E-Tek Inc) Pt = 20 wt%, Pt: similarly) with a 5% isopropyl alcohol solution (manufactured by Aldrich) of a Nafion film. 0.34 mg / cm 2 ) is kneaded and a paste-form catalyst paste is applied onto carbon paper (TGPH090, manufactured by Toray Industries, Inc.) and then dried on a hot plate at 120 ° C. for 5 minutes. A film having a thickness of about 70 μm was applied to the composition obtained in Example 1 by the doctor blade method. Theft could be.

[比較例1]
ナフィオン117(デュポン社製:175μm厚)膜を5cm角の枠上で切断した。得られた試験片の厚みは185μmであった。試験片はイオン伝導度、アルコールの透過量、フェントン試薬による溶出量それぞれの測定に供した。
[Comparative Example 1]
A Nafion 117 (manufactured by DuPont: 175 μm thick) membrane was cut on a 5 cm square frame. The thickness of the obtained test piece was 185 μm. The test piece was used for measurement of ionic conductivity, alcohol permeation amount, and elution amount by Fenton reagent.

以上の結果を表1に示す。

Figure 0004217889
The results are shown in Table 1.
Figure 0004217889

測定方法:
※1 メタノール透過量 ディフュージョンセル法に従い、測定した。構造はJ. Won et al. / Journal of Membrane Science 214(2003) 245−257に従った。測定条件は室温(25℃)とした。
※2 フェントン試薬は過酸化水素濃度3%、Fe2+200ppm水溶液を密封容器に移し、試料を浸漬後40℃の恒温槽に静置した。所定時間経過後、試料を水洗した後、60℃の恒温槽中で乾燥後、秤量により当試験による質量減少率を求めた。
※3 プロトン伝導率は、いずれのプロトン伝導膜も、純水中に一晩浸漬後測定に供した。Schulumberger Technologies製インピーダンス ゲイン フェイズ アナライザー1260を用いた。電極には白金板を使い、測定面積は1cm2であった。
Measuring method:
* 1 Methanol permeation amount Measured according to the diffusion cell method. The structure is described in J.H. Won et al. / According to Journal of Membrane Science 214 (2003) 245-257. The measurement conditions were room temperature (25 ° C.).
* 2 Fenton's reagent was a hydrogen peroxide concentration of 3%, Fe 2+ 200ppm aqueous solution was transferred to a sealed container, and the sample was immersed and left in a constant temperature bath at 40 ° C. After elapse of a predetermined time, the sample was washed with water, dried in a constant temperature bath at 60 ° C., and the mass reduction rate by this test was determined by weighing.
* 3 Proton conductivity was measured after immersion of all proton conducting membranes in pure water overnight. An impedance gain phase analyzer 1260 made by Schulberger Technologies was used. A platinum plate was used as the electrode, and the measurement area was 1 cm 2 .

実施例及び比較例で得られた電解質膜及び電解質膜・電極接合体の特性を示す表1の結果から、本発明によるプロトン伝導性フルオロポリエーテル電解質膜は、優れた耐アルコール膨潤性と耐酸化劣化特性、イオン伝導率、及びこれを用いた燃料電池用電解質膜・電極接合体では、低い内部インピーダンスを実現した。この電解質膜、あるいは電解質膜・電極接合体を用いることで信頼性に優れた燃料電池を提供することができる。
From the results of Table 1 showing the characteristics of the electrolyte membranes and the electrolyte membrane / electrode assemblies obtained in Examples and Comparative Examples, the proton conductive fluoropolyether electrolyte membrane according to the present invention has excellent alcohol swelling resistance and oxidation resistance. The deterioration characteristics, ionic conductivity, and the electrolyte membrane / electrode assembly for a fuel cell using the same realized low internal impedance. By using this electrolyte membrane or the electrolyte membrane / electrode assembly, a fuel cell having excellent reliability can be provided.

Claims (7)

(A)一分子中に少なくとも2個のアルケニル基を有し、かつ主鎖中にパーフルオロポリエーテル構造を有するフルオロポリエーテル化合物、
(B)一分子中に珪素原子に結合した水素原子を少なくとも2個有する有機珪素化合物、
(C)ヒドロシリル化反応触媒、
(D)プロトン伝導性付与剤
を含有することを特徴とする燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物。
(A) a fluoropolyether compound having at least two alkenyl groups in one molecule and a perfluoropolyether structure in the main chain;
(B) an organosilicon compound having at least two hydrogen atoms bonded to silicon atoms in one molecule;
(C) hydrosilylation reaction catalyst,
(D) A proton conductive fluoropolyether composition for a fuel cell electrolyte membrane, comprising a proton conductivity imparting agent.
(A)成分におけるパーフルオロポリエーテル構造を構成するエーテルの構成単位がパーフルオロプロピレンオキシドであることを特徴とする請求項1記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物。   2. The proton conductive fluoropolyether composition according to claim 1, wherein the structural unit of ether constituting the perfluoropolyether structure in component (A) is perfluoropropylene oxide. (A)成分におけるパーフルオロポリエーテル構造の構成単位パーフルオロプロピレンオキシドの繰り返し総数が300以下であることを特徴とする請求項2記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物。   The proton conductive fluoropolyether composition according to claim 2, wherein the total number of repeating units of perfluoropropylene oxide having a perfluoropolyether structure in component (A) is 300 or less. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物を用いて得られる燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜。 A proton conductive fluoropolyether membrane for a fuel cell electrolyte membrane obtained using the proton conductive fluoropolyether composition according to any one of claims 1 to 3. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル組成物を塗布する工程と、その後の硬化工程とを含むことを特徴とする燃料電池電解質膜用プロトン伝導性フルオロポリエーテル膜の形成方法。 A proton conductive fluoropolyether for a fuel cell electrolyte membrane comprising a step of applying the proton conductive fluoropolyether composition according to any one of claims 1 to 3 and a subsequent curing step. Method for forming a film. 水素及び/又は直接メタノール燃料電池用に用いられる正極及び/又は負極のガス拡散電極基材上に請求項4に記載のプロトン伝導性フルオロポリエーテル膜が形成されてなる電解質膜・電極接合体。   An electrolyte membrane / electrode assembly, wherein the proton conductive fluoropolyether membrane according to claim 4 is formed on a positive and / or negative gas diffusion electrode substrate used for hydrogen and / or direct methanol fuel cells. 請求項6記載の電解質膜・電極接合体を備えた燃料電池。   A fuel cell comprising the electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 6.
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