JP4747647B2 - POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents

POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME Download PDF

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Description

本発明は、高分子電解質膜およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte membrane and a method for producing the same .

高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、湿度センサー、ガスサンサー、エレクトクロミック表示素子などの電気化学素子の主要な構成材料である。これら電気化学素子のなかでも、固体高分子形燃料電池は、将来の新エネルギー技術の柱として期待されている。プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を使用する固体高分子形燃料電池(PEFC)は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、および民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。とくに、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池(DMFC)は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの小型携帯機器への応用が期待されている。   The polymer electrolyte membrane is a main constituent material of electrochemical elements such as a solid polymer fuel cell, a humidity sensor, a gas sensor, and an electrochromic display element. Among these electrochemical devices, polymer electrolyte fuel cells are expected as a pillar of future new energy technologies. A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is characterized by its ability to operate at a low temperature and to be reduced in size and weight, such as a moving body such as an automobile, a home cogeneration system, and Application to consumer small portable devices is under consideration. In particular, direct methanol fuel cells (DMFC) using methanol as a fuel have a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and high energy density, and are portable as an alternative to lithium ion secondary batteries. Applications to small portable devices such as telephones and notebook computers are expected.

実用的な安定性を有する高分子電解質膜として、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が開発され、PEFCをはじめとする多くの電気化学素子への応用が提案されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導度を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れている。しかし、製造が困難で、非常に高価であるという欠点がある。さらに、小型携帯機器用燃料電池の燃料として有望視されているメタノールなどの水素含有液体などの透過(クロスオーバーともいう)が大きく、いわゆる化学ショート反応が起こる。これにより、カソード電位が低下するだけでなく、燃料効率の低下が起こり、セル特性低下の主要因となっている。従って、このようなパーフルオロカーボンスルホン酸膜を直接液体形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として用いるには課題が多い。   As a polymer electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been developed, and its application to many electrochemical devices such as PEFC has been proposed. ing. The perfluorocarbon sulfonic acid membrane has high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance. However, there are drawbacks that it is difficult to manufacture and is very expensive. Furthermore, the permeation (also referred to as crossover) of a hydrogen-containing liquid such as methanol, which is regarded as promising as a fuel for fuel cells for small portable devices, is large, so-called chemical short reaction occurs. As a result, not only the cathode potential is lowered, but also fuel efficiency is lowered, which is a main factor of cell characteristic degradation. Therefore, there are many problems in using such a perfluorocarbon sulfonic acid membrane as a polymer electrolyte membrane of a direct liquid fuel cell or a direct methanol fuel cell.

このような背景から、製造が容易で、より安価な高分子電解質膜として、芳香族系高分子化合物のスルホン化物などが種々提案されている。しかし、高いプロトン伝導度が要求されるPEFCの高分子電解質膜として使用するには、プロトン伝導度が不充分である。また、それを改善するために、スルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の導入量を増やすと、機械的特性の低下(強度低下、伸び低下)や、水溶性になったり、膜の吸水率が上昇して著しく膨潤するなどハンドリング性が著しく損なわれる。また、小型携帯機器用燃料電池の燃料として有望なメタノールに対しても、これと同様の傾向を示し、その使用が制限される恐れがある。   Against this background, various sulfonates of aromatic polymer compounds have been proposed as polymer electrolyte membranes that are easy to manufacture and cheaper. However, proton conductivity is insufficient for use as a polymer electrolyte membrane of PEFC that requires high proton conductivity. In order to improve this, increasing the amount of proton-conductive substituents such as sulfonic acid groups increases the mechanical properties (strength and elongation), water solubility, and the water absorption rate of the membrane. As a result, the handling property is significantly impaired. Moreover, the same tendency is shown with respect to methanol which is promising as a fuel for fuel cells for small portable devices, and its use may be restricted.

例えば、特許文献1には、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなどのスルホン化芳香族系高分子からなる高分子電解質膜の製造方法が開示されている。この高分子電解質膜の製造方法においては、スルホン化剤としてクロロスルホン酸、溶媒としてジクロロメタンを使用することが記載されているが、高いプロトン伝導度を得るためにスルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の導入量を増やすと、メタノールの透過が大きくなることが容易に想定される。このように、直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜には、プロトン伝導度を低下させずにメタノール透過を抑制することが要求されているが、プロトン伝導度とメタノール遮断性がトレードオフの関係にあり、これらの特性を両立させることは難しい。   For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a polymer electrolyte membrane made of a sulfonated aromatic polymer such as sulfonated polyphenylene sulfide. In this method for producing a polymer electrolyte membrane, it is described that chlorosulfonic acid is used as a sulfonating agent and dichloromethane is used as a solvent. However, in order to obtain high proton conductivity, proton conductive substitution such as a sulfonic acid group is described. Increasing the amount of introduction of the group is easily assumed to increase methanol permeation. Thus, polymer electrolyte membranes of direct methanol fuel cells are required to suppress methanol permeation without reducing proton conductivity, but there is a trade-off relationship between proton conductivity and methanol barrier properties. Therefore, it is difficult to achieve both of these characteristics.

また、特許文献2には層状/網状ケイ酸塩が含有するプロトン伝導性複合体が記載されている。しかし、ケイ酸塩ではメタノール遮断性等の効果が充分でない場合があり、前述したのと同様に、プロトン伝導度とメタノール遮断性の特性を両立させることは難しいという問題点があった。   Patent Document 2 describes a proton conductive composite containing a layered / reticulated silicate. However, silicates may not have sufficient effects such as methanol blocking properties, and there is a problem that it is difficult to achieve both proton conductivity and methanol blocking properties, as described above.

国際公開第02/062896号パンフレットInternational Publication No. 02/062896 Pamphlet 特表2003−501516号公報Special table 2003-501516 gazette

本発明の目的は、上記問題を鑑みてなされたものであり、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池に有用な高分子電解質膜を提供することである。 An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane useful for solid polymer fuel cells, direct liquid fuel cells, and direct methanol fuel cells.

本発明の高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池又は直接メタノール形燃料電池用いる高分子電解質膜であって、(A)ポリフェニレンサルファイドおよび(B)リン片状チタン酸の構成からなる高分子組成物からなる高分子フィルムにプロトン伝導性置換基を導入してなることが、化学的安定性、並びに、水素およびメタノールなどの燃料遮断性や酸化剤の遮断性、に加えて、優れたプロトン伝導性が発現可能となり好ましい。 The polymer electrolyte membrane of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte membrane to be used in liquid electrolyte fuel cells or direct methanol fuel cells directly, (A) a polyphenylene sulfide and (B) flaky titanium Proton-conducting substituents are introduced into a polymer film composed of a polymer composition composed of an acid, chemical stability, and fuel shielding properties such as hydrogen and methanol, and oxidant shielding properties, In addition, it is preferable because excellent proton conductivity can be expressed.

前記リン片状チタン酸は、層状チタン酸塩を酸または温水で処理して層状チタン酸とし、ついで層間膨潤作用を有する有機塩基性化合物を層間挿入して得られるナノシート化層状チタン酸であることが、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテルおよび変性ポリフェニレンエーテルからなる群から選択される少なくとも1種の高分子化合物に対する分散性が良好となること、燃料遮断性および酸化剤遮断性に優れることから好ましい。   The scaly titanic acid is nanosheeted layered titanic acid obtained by treating layered titanate with acid or warm water to form layered titanic acid, and then intercalating an organic basic compound having an interlayer swelling action. However, it is preferable because the dispersibility with respect to at least one polymer compound selected from the group consisting of polyphenylene sulfide, polyphenylene ether and modified polyphenylene ether is improved, and the fuel blocking property and the oxidizing agent blocking property are excellent.

前記層状チタン酸塩は、一般式AXYZTi[2-(Y+Z)]4(式中、AおよびMは互いに異なる1〜3価の金属を示し、□はTiの欠陥部位を示す。Xは0<X<1.0を満たす正の実数であり、YおよびZは0<Y+Z<1を満たす0または正の実数である)で表されるものが好ましい。 The layered titanate has the general formula A X MY Y Z Ti [2- (Y + Z)] O 4 (wherein A and M represent 1 to 3 valent metals different from each other, and X is a positive real number satisfying 0 <X <1.0, and Y and Z are preferably 0 or a positive real number satisfying 0 <Y + Z <1).

さらに、前記層状チタン酸塩は、K0.50.8Li0.27Ti1.733.854で表されることが、工業的入手の容易さや有機塩基性化合物の層間挿入のし易さから好ましい。 Furthermore, it is preferable that the layered titanate is represented by K 0.5 to 0.8 Li 0.27 Ti 1.73 O 3.85 to 4 from the viewpoint of industrial availability and ease of intercalation of organic basic compounds.

また、本発明の高分子電解質膜の製造方法は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池又は直接メタノール形燃料電池に用いる高分子電解質膜の製造方法であって、(A)ポリフェニレンサルファイドおよび(B)リン片状チタン酸の構成からなる高分子組成物からなる高分子フィルムを、溶媒存在下でスルホン化剤と接触させてスルホン酸基を導入してなることが、化学的安定性、並びに、水素およびメタノールなどの燃料遮断性や酸化剤の遮断性、に加えて、優れたプロトン伝導性が発現可能な高分子電解質膜を得ることができることから好ましい。 The method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention is a method for producing a polymer electrolyte membrane for use in a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell or a direct methanol fuel cell, which comprises (A) polyphenylene sulfide. And (B) a chemical film formed by bringing a polymer film made of a polymer composition composed of flaky titanic acid into contact with a sulfonating agent in the presence of a solvent to introduce a sulfonic acid group . Furthermore, it is preferable because a polymer electrolyte membrane capable of exhibiting excellent proton conductivity in addition to the fuel barrier properties such as hydrogen and methanol and the oxidant barrier properties can be obtained .

本発明によれば、高いプロトン伝導性と優れたメタノール遮断性を両立することが可能な高分子電解質膜を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane capable of achieving both high proton conductivity and excellent methanol blocking properties.

本発明に使用する高分子組成物について具体的に説明する。本発明の高分子化合物は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池、に用いる高分子電解質膜の材料であって、(A)ポリフェニレンサルファイドおよび(B)リン片状チタン酸の構成からなるものが好ましい。 The polymer composition used in the present invention will be specifically described. The polymer compound of the present invention is a material for a polymer electrolyte membrane used in a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell, and a direct methanol fuel cell, and comprises (A) polyphenylene sulfide and (B) phosphorous fragments. What consists of a structure of a titanic acid is preferable.

ここで、ポリフェニレンサルファイドは、リン片状チタン酸塩の分散性、高分子電解質膜を得る際に調製する高分子フィルムの機械的特性やハンドリング性などの諸物性、プロトン伝導性を付与するために導入するスルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の導入のし易さ、高分子電解質膜としてのプロトン伝導性や水素やメタノールなどの含水素液体の遮断性、などが優れるため好ましい。また、ポリフェニレンサルファイドは、得られる高分子電解質膜の耐加水分解性や耐酸化性に代表される化学的安定性などが優れるため、より好ましい。 Here, polyphenylene sulfide is used to impart dispersibility of flaky titanate, various physical properties such as mechanical properties and handling properties of a polymer film prepared when obtaining a polymer electrolyte membrane, and proton conductivity. It is preferable because it is easy to introduce a proton conductive substituent such as a sulfonic acid group to be introduced, proton conductivity as a polymer electrolyte membrane, and a blocking property of a hydrogen-containing liquid such as hydrogen or methanol. In addition, polyphenylene sulfide is more preferable because the obtained polymer electrolyte membrane is excellent in hydrolysis resistance and chemical stability typified by oxidation resistance.

本発明で使用するリン片状チタン酸は、層状チタン酸塩を酸または温水で処理して層状チタン酸とし、ついで層間膨潤作用を有する有機塩基性化合物を層間挿入して得られるナノシート化層状チタン酸であることが、前記高分子化合物に分散しやすくなり好ましい。
層状チタン酸塩は、例えば、国際公開第99/11574号公報に開示の方法に従い、炭酸カリウムと炭酸リチウムと二酸化チタンをK/Li/Ti=3/1/6.5(モル比)で混合して摩砕し、800℃で焼成することによりK0.80.27Ti1.734が得られる。
The flake titanic acid used in the present invention is a layered titanic acid obtained by treating layered titanate with acid or warm water to form layered titanic acid, and then intercalating an organic basic compound having an interlayer swelling action. An acid is preferable because it is easily dispersed in the polymer compound.
The layered titanate is prepared by mixing potassium carbonate, lithium carbonate and titanium dioxide at a ratio of K / Li / Ti = 3/1 / 6.5 (molar ratio), for example, according to the method disclosed in WO99 / 11574. K 0.8 L 0.27 Ti 1.73 O 4 is obtained by grinding and baking at 800 ° C.

さらには、特許第3062497号公報に開示の方法に従い、アルカリ金属またはアルカリ金属のハロゲン化物もしくは硫酸塩をフラックスとし、フラックス/原料の重量比が0.1〜2.0となるように混合した混合物を700〜1200℃で焼成することにより得られる一般式AXYZTi2-(Y+Z)4(式中A及びMは互いに異なる1〜3価の金属、□はTiの欠陥部位を示す。Xは0<X<1.0を満たす正の実数であり、Y及びZはそれぞれ0<Y+Z<1.0を満たす0または正の実数である。)で表される層状チタン酸塩が挙げられる。上記一般式におけるAは、価数1〜3価の金属であり、好ましくは、K、Rb、及びCsから選ばれる少なくとも一種であり、Mは、金属Aとは異なる価数1〜3価の金属であり、好ましくは、Li、Mg、Zn、Cu、Fe、Al、Ga、Mn、及びNiから選ばれる少なくとも一種である。具体的な例としては、
0.80Li0.27Ti1.734
Rb0.75Ti1.75Li0.254
Cs0.70Li0.23Ti1.774
Ce0.700.18Ti1.834
Ce0.70Mg0.35Ti1.654
0.8Mg0.4Ti1.64
0.8Ni0.4Ti1.64
0.8Zn0.4Ti1.64
0.8Cu0.4Ti1.64
0.8Fe0.8Ti1.24
0.8Mn0.8Ti1.24
0.76Li0.22Mg0.05Ti1.734
0.67Li0.2Al0.07Ti1.734等が挙げられる。
Furthermore, according to the method disclosed in Japanese Patent No. 3062497, a mixture in which an alkali metal or an alkali metal halide or sulfate is used as a flux and the weight ratio of the flux / raw material is 0.1 to 2.0 is mixed. the general formula a X M Y □ Z Ti 2- (Y + Z) O 4 ( wherein a and M are different monovalent to trivalent metals obtained by calcining at 700 to 1200 ° C., □ is the Ti X represents a positive real number satisfying 0 <X <1.0, and Y and Z are 0 or a positive real number satisfying 0 <Y + Z <1.0, respectively. Titanates are mentioned. A in the above general formula is a valence 1-3 metal, preferably at least one selected from K, Rb, and Cs, and M is a valence 1-3 valence different from the metal A. It is a metal, and preferably at least one selected from Li, Mg, Zn, Cu, Fe, Al, Ga, Mn, and Ni. As a specific example,
K 0.80 Li 0.27 Ti 1.73 O 4 ,
Rb 0.75 Ti 1.75 Li 0.25 O 4 ,
Cs 0.70 Li 0.23 Ti 1.77 O 4 ,
Ce 0.700.18 Ti 1.83 O 4 ,
Ce 0.70 Mg 0.35 Ti 1.65 O 4 ,
K 0.8 Mg 0.4 Ti 1.6 O 4 ,
K 0.8 Ni 0.4 Ti 1.6 O 4 ,
K 0.8 Zn 0.4 Ti 1.6 O 4 ,
K 0.8 Cu 0.4 Ti 1.6 O 4 ,
K 0.8 Fe 0.8 Ti 1.2 O 4 ,
K 0.8 Mn 0.8 Ti 1.2 O 4 ,
K 0.76 Li 0.22 Mg 0.05 Ti 1.73 O 4 ,
K 0.67 Li 0.2 Al 0.07 Ti 1.73 O 4 and the like.

また、国際公開第03/037797号公報に開示された方法に従い、K0.80.27Ti1.734を酸洗後、焼成して得られるK0.50.7Li0.27Ti1.733.853.95が挙げられる。 Further, according to the method disclosed in International Publication No. 03/037797, pickled and K 0.8 L 0.27 Ti 1.73 O 4 , is K 0.5 ~ 0.7 Li 0.27 Ti 1.73 O 3.85 ~ 3.95 obtained by firing the like .

層状チタン酸は、例えば、前記層状チタン酸塩を酸処理し、交換可能な金属カチオンを水素イオンまたはヒドロニウムイオンで置換することにより得られる。酸処理に使用する酸は、特に限定されるものではなく、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、ホウ酸などの鉱酸、あるいは有機酸でも良い。   The layered titanic acid can be obtained, for example, by acid-treating the layered titanate and replacing a replaceable metal cation with a hydrogen ion or a hydronium ion. The acid used for the acid treatment is not particularly limited, and may be a mineral acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, boric acid, or an organic acid.

ナノシート化層状チタン酸は、例えば、前記層状チタン酸に層間膨潤作用を有する有機塩基性化合物を作用させることにより得られる。層間膨潤作用を有する有機塩基性化合物としては、公知のものが適用でき、例えばアミン系、アンモニウム系、リン系等が列挙できる。より具体的には、ジステアリルジメチルアンモニウム、オクタデシルアミン、オクタデシルアミントリメチルアンモニウム、アルキルメチルビスヒドロキシエチルアンモニウム、12−アミノドデカン酸、1,2−ジメチル−3−ヘキサデシルイミダゾリウム、ドデシルトリブチルフォスフォニウム、ヘキサデシルトリブチルフォスフォニウム、ドデシルトリフェニルフォスフォニウム、ジステアリルジメチルアンモニウム、アルキルメチルビス(ヒドロキシエチル)アンモニウムなどが例示できる。   Nanosheeted layered titanic acid is obtained, for example, by allowing an organic basic compound having an interlayer swelling action to act on the layered titanic acid. As the organic basic compound having an interlayer swelling action, known compounds can be applied, and examples thereof include amine-based compounds, ammonium-based compounds, and phosphorus-based compounds. More specifically, distearyldimethylammonium, octadecylamine, octadecylaminetrimethylammonium, alkylmethylbishydroxyethylammonium, 12-aminododecanoic acid, 1,2-dimethyl-3-hexadecylimidazolium, dodecyltributylphosphonium And hexadecyltributylphosphonium, dodecyltriphenylphosphonium, distearyldimethylammonium, alkylmethylbis (hydroxyethyl) ammonium and the like.

層間膨潤作用のある有機塩基性化合物を作用させるためには、酸処理または温水処理後の層状チタン酸を水系媒体に分散させた懸濁液に、撹拌下、塩基性化合物または塩基性化合物を水系媒体で希釈したものを加えれば良い。あるいは塩基性化合物の水系溶液に、撹拌下、該層状チタン酸、またはその懸濁液を加えても良い。   In order to make an organic basic compound having an interlayer swelling action act, a basic compound or a basic compound is added to an aqueous system under stirring in a suspension in which layered titanic acid after acid treatment or hot water treatment is dispersed in an aqueous medium. What is diluted with a medium may be added. Alternatively, the layered titanic acid or a suspension thereof may be added to an aqueous solution of the basic compound with stirring.

水系媒体または水系溶液とは、水、水に可溶な溶媒、または水と水に可溶な溶媒との混合溶媒、あるいはその溶液を意味する。   The aqueous medium or aqueous solution means water, a solvent soluble in water, a mixed solvent of water and a solvent soluble in water, or a solution thereof.

水に可溶な溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、アセトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、アセトニトリル等のニトリル類、酢酸エチル、プロピレンカーボネート等のエステル類を挙げることができる。   Examples of the water-soluble solvent include alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol and isopropyl alcohol, ketones such as acetone, ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, nitriles such as acetonitrile, ethyl acetate, propylene carbonate and the like. Of these esters.

塩基性化合物の添加量は、層状チタン酸塩のイオン交換容量の0.3〜10当量、好ましくは0.5〜2当量とするのがよい。ここで、イオン交換容量とは、交換可能な金属カチオン量であり、例えば層状チタン酸塩が一般式AXYZTi2-(Y+Z)4で表される場合、Aの価数をm、Mの価数をnとするときのmX+nYで表される値をいう。 The addition amount of the basic compound is 0.3 to 10 equivalents, preferably 0.5 to 2 equivalents, of the ion exchange capacity of the layered titanate. Here, the ion exchange capacity is the exchangeable metal cation amount. For example, when the layered titanate is represented by the general formula A X MYZ Ti 2− (Y + Z) O 4 , A value expressed by mX + nY where m is the valence and n is the valence of M.

本発明の高分子組成物において、ポリフェニレンサルファイドとリン片状チタン酸の混合方法は、高分子化合物やリン片状チタン酸の性状などに応じて適宜選択可能である。例えば、リン片状チタン酸を高分子化合物の原料モノマーやオリゴマーと溶媒中で混合し、重合してリン片状チタン酸の分散した高分子化合物を得る方法や、リン片状チタン酸を高分子と溶液中で混合し、リン片状チタン酸の分散した高分子化合物を得る方法や、リン片状チタン酸と高分子化合物とを溶融混練して、リン片状チタン酸の分散した高分子化合物を得る方法などが列挙できる。このとき、リン片状チタン酸が高分子化合物中に分散しやすいように溶融混練を複数回行っても良いし、事前に所望の組成比よりもリン片状チタン酸を高分子化合物に対して多く混ぜたマスターバッチを作製し、これと高分子化合物を溶融混練しても良い。またフィルム作製時にリン片状チタン酸と高分子を混合しても良い。本発明においては、溶融混練法でリン片状チタン酸と高分子化合物を混合することが、簡便かつ溶剤を使用せず環境負荷の低減の点からも好ましい。具体的には、プラストミルや二軸押出機などで前記高分子化合物の溶融状態で前記リン片状チタン酸を混合して目的の高分子組成物を得る方法などが例示できる。 In the polymer composition of the present invention, the mixing method of polyphenylene sulfide and flaky titanic acid can be appropriately selected according to the properties of the polymer compound and flaky titanic acid. For example, flaky titanic acid is mixed with a raw material monomer or oligomer of a polymer compound in a solvent and polymerized to obtain a polymer compound in which flaky titanic acid is dispersed, or flaky titanic acid is polymerized. And a method in which a scaly titanic acid-dispersed polymer compound is obtained by mixing in a solution, or a scaly titanic acid-dispersed polymer compound obtained by melt-kneading a scaly titanic acid and a polymer compound The method of obtaining can be enumerated. At this time, melt-kneading may be carried out a plurality of times so that the flaky titanic acid is easily dispersed in the polymer compound, and the flaky titanic acid is added to the polymer compound in advance of a desired composition ratio. A master batch mixed in a large amount may be prepared, and this and a polymer compound may be melt-kneaded. Moreover, you may mix scaly titanic acid and a polymer at the time of film preparation. In the present invention, it is preferable to mix the flake titanic acid and the polymer compound by a melt kneading method from the viewpoint of reducing the environmental load simply and without using a solvent. Specific examples include a method of obtaining the desired polymer composition by mixing the scaly titanic acid in a molten state of the polymer compound with a plastmill or a twin screw extruder.

使用するリン片状チタン酸は、ポリフェニレンサルファイドへの分散性、高分子電解質膜としての水素やメタノールなどの含水素液体の遮断性などに優れる、前記ナノシート化層状チタン酸であることが好ましい。 The flake titanic acid to be used is preferably the nanosheet-formed layered titanic acid which is excellent in dispersibility in polyphenylene sulfide and barrier property of hydrogen-containing liquid such as hydrogen or methanol as a polymer electrolyte membrane.

本発明の高分子フィルムは、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池、に用いる高分子電解質膜の材料であって、上述した方法などで得られる高分子組成物を使用することが、リン片状チタン酸塩の分散性、高分子フィルムの機械的特性やハンドリング性などの諸物性、スルホン酸基などのプロトン伝導性置換基の導入のし易さ、高分子電解質膜としてのプロトン伝導性や水素やメタノールなどの含水素液体などの燃料遮断性、得られる高分子電解質膜の耐加水分解性や耐酸化性に代表される化学的安定性などが優れるため好ましい。本発明の高分子フィルムの製造方法としては、公知の方法が適用できる。例えば、インフレーション法、Tダイ法、カレンダー法、キャスト法、切削法、エマルション法、ホットプレス法、などが適用可能なものとして列挙できる。また、分子配向などを制御するため二軸延伸などの後処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施しても構わない。この中でもインフレーション法、Tダイ法、カレンダー法に代表される溶融押出法は生産性が高く好ましい。   The polymer film of the present invention is a polymer electrolyte membrane material used for a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell, and a direct methanol fuel cell, and is a polymer composition obtained by the method described above. Can be used for dispersibility of flaky titanate, various physical properties such as mechanical properties and handling properties of polymer films, ease of introduction of proton conductive substituents such as sulfonic acid groups, polymers Preferred because of excellent proton conductivity as an electrolyte membrane, fuel barrier properties such as hydrogen-containing liquids such as hydrogen and methanol, and chemical stability typified by hydrolysis resistance and oxidation resistance of the resulting polymer electrolyte membrane . As a method for producing the polymer film of the present invention, a known method can be applied. For example, an inflation method, a T-die method, a calendar method, a casting method, a cutting method, an emulsion method, a hot press method, and the like can be listed as applicable. Further, post-treatment such as biaxial stretching may be performed to control molecular orientation and the like, or heat treatment may be performed to control crystallinity. Among these, the melt extrusion method represented by the inflation method, the T-die method, and the calendar method is preferable because of high productivity.

本発明の高分子フィルムの厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することが可能である。フィルム内部まで均一にプロトン伝導性基、特にスルホン酸基を導入することや、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、原料フィルム厚みは薄い程良い。一方、燃料遮断性、酸化剤遮断性、およびハンドリング性などを考慮すると、フィルム厚みは薄すぎると好ましくない。これらを考慮すると、高分子フィルムの厚みは、1.2〜350μmであるのが好ましい。前記フィルムの厚さが1.2μmより薄いと、製造が困難であるとともに、加工時にシワになったり、破損が生じるなどハンドリング性がわるくなる傾向があり、350μmをこえると、フィルム内部まで均一にスルホン化するのが困難になるとともに、得られた高分子電解質膜の内部抵抗も大きくなり、プロトン伝導度が低下する恐れがある。   As the thickness of the polymer film of the present invention, any thickness can be selected depending on the application. In consideration of uniformly introducing proton conductive groups, particularly sulfonic acid groups, into the film and reducing the internal resistance of the resulting polymer electrolyte membrane, the thinner the raw material film, the better. On the other hand, considering the fuel barrier property, the oxidant barrier property, the handling property, etc., it is not preferable that the film thickness is too thin. Considering these, the thickness of the polymer film is preferably 1.2 to 350 μm. If the thickness of the film is less than 1.2 μm, it is difficult to manufacture, and the handling property tends to be wrinkled or broken at the time of processing. Sulfonation is difficult, and the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane is increased, which may reduce proton conductivity.

本発明の高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池、に用いるものであって、前述の高分子組成物に、プロトン伝導性置換基を有するものである。本発明に使用可能なプロトン伝導性置換基としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フェノール性水酸基などが挙げられる。これらの中でも、置換基の導入の容易さや得られた高分子電解質膜のプロトン伝導度に代表される特性を考慮すると、スルホン酸基および/またはスルホン酸基を含む置換基であることが好ましい。
The polymer electrolyte membrane of the present invention is used for a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell, and a direct methanol fuel cell, and has a proton conductive substituent in the polymer composition described above. Is. Examples of proton conductive substituents that can be used in the present invention include sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, carboxylic acid groups, and phenolic hydroxyl groups. Among these, considering the ease of introduction of substituents and the characteristics typified by proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane, a sulfonic acid group and / or a substituent containing a sulfonic acid group is preferable.

本発明においてスルホン酸基とは、下記式(1)で表わされるスルホン酸基や下記一般式(2)で表わされるスルホン酸基を含む置換基をいう。   In the present invention, the sulfonic acid group means a substituent containing a sulfonic acid group represented by the following formula (1) or a sulfonic acid group represented by the following general formula (2).

Figure 0004747647
[式中、Rはアルキレン、ハロゲン化アルキレン、アリーレン、ハロゲン化アリーレンからなる群から選択される少なくとも1種の結合単位からなる2価の有機基、またはエーテル結合を含んでいてもよい]
Figure 0004747647
[In the formula, R may contain a divalent organic group composed of at least one bond unit selected from the group consisting of alkylene, halogenated alkylene, arylene, and halogenated arylene, or an ether bond.]

以下プロトン伝導性基の好ましい例としてのスルホン酸基の導入を例にして説明するが本発明はこれに限定されるものではない。   Hereinafter, the introduction of a sulfonic acid group as a preferable example of a proton conductive group will be described as an example, but the present invention is not limited thereto.

スルホン化剤としては、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄−トリエチルフォスフェート、濃硫酸、トリメチルシリルクロロサルフェート、トリメチルベンゼンスルホン酸などの公知のスルホン化剤などが使用できる。工業的入手の容易さ、スルホン酸基の導入の容易さや得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、クロロスルホン酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、濃硫酸からなる群から選択させる少なくとも1種であることことが好ましい。とくに本発明においては、スルホン酸基の導入の容易さや得られた膜の特性、工業的入手の容易さなどから、クロロスルホン酸を使用するのがより好ましい。   As the sulfonating agent, known sulfonating agents such as chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, sulfur trioxide-triethyl phosphate, concentrated sulfuric acid, trimethylsilylchlorosulfate, and trimethylbenzenesulfonic acid can be used. Considering the ease of industrial availability, the ease of introduction of sulfonic acid groups and the properties of the resulting polymer electrolyte membrane, at least one selected from the group consisting of chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide and concentrated sulfuric acid Preferably it is. In particular, in the present invention, it is more preferable to use chlorosulfonic acid from the viewpoint of easy introduction of a sulfonic acid group, characteristics of the obtained membrane, industrial availability, and the like.

また、反応系を適正化することによって、フリーデル−クラフツ反応にしたがって、塩化アルミニウムなどの触媒存在下で、プロパンサルトンや1,4−ブタンサルトンなどの環状含硫黄化合物と炭化水素系高分子化合物中の芳香族単位を接触させて、スルホプロピル基やスルホブチル基などのスルホン酸基を含む置換基を導入する方法なども使用することができる。   In addition, by optimizing the reaction system, cyclic sulfur-containing compounds such as propane sultone and 1,4-butane sultone and hydrocarbon polymer compounds in the presence of a catalyst such as aluminum chloride according to the Friedel-Crafts reaction A method of introducing a substituent containing a sulfonic acid group such as a sulfopropyl group or a sulfobutyl group by bringing the aromatic unit inside into contact with each other can also be used.

さらに、本発明の高分子電解質膜は、前記高分子組成物からなる高分子フィルムと、スルホン化剤とを溶媒存在下で接触させて製造することが好ましい。前記溶媒としては例えば、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、クロロホルム、1−クロロプロパン、1−ブロモプロパン、1−ヨードプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−ブロモブタン、2−ブロモブタン、1−ブロモ−2−メチルプロパン、1−ヨードブタン、2−ヨードブタン、1−ヨード−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−ブロモペンタン、1−ヨードペンタン、1−クロロヘキサン、1−ブロモヘキサン、1−ヨードヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン、ヨードシクロヘキサンなどが列挙できる。本発明においては、炭素数2以下のハロゲン化物を使用するのと比較して、沸点が高く、揮発しにくいため、溶媒の揮発防止や揮発した溶媒の回収のためなどの付帯設備が必要とならず、付帯設備に係る製造コストを低減することが可能となることから、炭素数3以上のハロゲン化物を使用するのが好ましく、1−クロロプロパン、1−ブロモプロパン、1−ヨードプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−ブロモブタン、2−ブロモブタン、1−ブロモ−2−メチルプロパン、1−ヨードブタン、2−ヨードブタン、1−ヨード−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−ブロモペンタン、1−ヨードペンタン、1−クロロヘキサン、1−ブロモヘキサン、1−ヨードヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン、ヨードシクロヘキサンなどが例示できる。特に使用する溶媒の扱いやすさ、得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、1−クロロプロパン、1−ブロモプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−ブロモブタン、2−ブロモブタン、1−ブロモ−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−ブロモペンタン、1−クロロヘキサン、1−ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサンおよびブロモシクロヘキサンからなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。更に工業的な入手のし易さから1−クロロプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−クロロヘキサン、クロロシクロヘキサンから選択される少なくとも1種であることが好ましい。前記溶媒のなかでも、工業的入手の容易さや得られる高分子電解質膜の特性などの点から、1−クロロブタンが好ましい。   Furthermore, the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably produced by bringing a polymer film comprising the polymer composition into contact with a sulfonating agent in the presence of a solvent. Examples of the solvent include dichloromethane, 1,2-dichloroethane, chloroform, 1-chloropropane, 1-bromopropane, 1-iodopropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-bromobutane. 2-bromobutane, 1-bromo-2-methylpropane, 1-iodobutane, 2-iodobutane, 1-iodo-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-bromopentane, 1-iodopentane, 1-chlorohexane 1-bromohexane, 1-iodohexane, chlorocyclohexane, bromocyclohexane, iodocyclohexane and the like. In the present invention, as compared with the use of a halide having 2 or less carbon atoms, the boiling point is higher and it is difficult to volatilize. Therefore, ancillary equipment for preventing the volatilization of the solvent and recovering the volatilized solvent is necessary. Therefore, it is preferable to use a halide having 3 or more carbon atoms, because 1-chloropropane, 1-bromopropane, 1-iodopropane, 1-chlorobutane is preferable. 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-bromobutane, 2-bromobutane, 1-bromo-2-methylpropane, 1-iodobutane, 2-iodobutane, 1-iodo-2-methylpropane, 1- Chloropentane, 1-bromopentane, 1-iodopentane, 1-chlorohexane, 1-bromohexane, 1-iodohexane, black Cyclohexane, bromo cyclohexane, iodocyclohexane can be exemplified. Considering especially the ease of handling of the solvent used and the characteristics of the polymer electrolyte membrane obtained, 1-chloropropane, 1-bromopropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-bromobutane , 2-bromobutane, 1-bromo-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-bromopentane, 1-chlorohexane, 1-bromohexane, chlorocyclohexane and bromocyclohexane Preferably there is. Furthermore, at least one selected from 1-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-chlorohexane and chlorocyclohexane because of industrial availability. It is preferable that Among the solvents, 1-chlorobutane is preferable from the viewpoints of industrial availability and characteristics of the obtained polymer electrolyte membrane.

スルホン化剤の使用量としては、前記高分子化合物中の芳香族単位に対して、0.5〜30当量、さらには0.5〜15当量であるのが好ましい。スルホン化剤の使用量が、0.5当量よりも少ない場合には、スルホン酸基の導入量が少なくなったり、導入に要する時間が長くなるなどの傾向がある。一方、30当量を超える場合には、高分子フィルムが化学的に劣化し、得られる高分子電解質膜の機械的強度が低下し、ハンドリングが困難となったり、スルホン酸基の導入量が多くなりすぎて、メタノール遮断性が低下するなど、かえって高分子電解質膜の実用的な特性が損なわれる傾向がある。   As a usage-amount of a sulfonating agent, it is preferable that it is 0.5-30 equivalent with respect to the aromatic unit in the said high molecular compound, Furthermore, it is preferable that it is 0.5-15 equivalent. When the amount of the sulfonating agent used is less than 0.5 equivalent, the amount of sulfonic acid group introduced tends to decrease, or the time required for introduction tends to increase. On the other hand, when it exceeds 30 equivalents, the polymer film is chemically deteriorated, the mechanical strength of the resulting polymer electrolyte membrane is lowered, handling becomes difficult, and the amount of sulfonic acid groups introduced increases. However, the practical properties of the polymer electrolyte membrane tend to be impaired, for example, the methanol barrier property is lowered.

溶媒中のスルホン化剤の濃度は、スルホン酸基の目標とする導入量や反応条件(温度・時間)を勘案して適宜設定すればよい。具体的には、0.1〜10重量%であることが好ましく、より好ましい範囲は、0.2〜5重量%である。0.1重量%より低いとスルホン化剤と高分子化合物中の芳香族単位とが接触しにくくなり、所望のスルホン酸基が導入できなかったり、導入するのに時間がかかりすぎたりする傾向がある。一方、10重量%をこえるとスルホン酸基の導入が不均一となったり、得られた高分子電解質膜の機械的特性が損なわれる傾向がある。   The concentration of the sulfonating agent in the solvent may be appropriately set in consideration of the target introduction amount of sulfonic acid groups and reaction conditions (temperature / time). Specifically, it is preferably 0.1 to 10% by weight, and a more preferable range is 0.2 to 5% by weight. If it is lower than 0.1% by weight, the sulfonating agent and the aromatic unit in the polymer compound are difficult to contact, and the desired sulfonic acid group cannot be introduced or it takes a long time to introduce. is there. On the other hand, when the content exceeds 10% by weight, the introduction of sulfonic acid groups tends to be uneven, and the mechanical properties of the obtained polymer electrolyte membrane tend to be impaired.

また、接触させる際の反応温度、反応時間についてはとくに限定はないが、0〜100℃、さらには10〜30℃、0.5時間以上、さらには2〜100時間の範囲で設定するのが好ましい。反応温度が、0℃より低い場合は、設備上冷却等の措置が必要になるとともに、反応に必要以上の時間がかかる傾向があり、100℃をこえると反応が過度に進行したり、副反応を生じたりして、膜の特性を低下させる傾向がある。また、反応時間が、0.5時間より短い場合は、スルホン化剤と高分子化合物中の芳香族単位との接触が不充分となり、所望のスルホン酸基が導入しにくくなる傾向があり、反応時間が100時間をこえる場合は、生産性が著しく低下する傾向を示すとともに、膜特性の大きな向上は期待できなくなる傾向がある。実際には、使用するスルホン化剤や溶媒などの反応系、目標とする生産量などを考慮して、所望の特性を有する高分子電解質膜を効率的に製造することができるように設定すればよい。   The reaction temperature and reaction time for contacting are not particularly limited, but are set within the range of 0 to 100 ° C., further 10 to 30 ° C., 0.5 hour or more, and further 2 to 100 hours. preferable. When the reaction temperature is lower than 0 ° C, measures such as cooling on the equipment are necessary, and the reaction tends to take more time than necessary. When the reaction temperature exceeds 100 ° C, the reaction proceeds excessively or side reactions occur. Or the like, and the film characteristics tend to deteriorate. In addition, when the reaction time is shorter than 0.5 hours, the contact between the sulfonating agent and the aromatic unit in the polymer compound becomes insufficient, and the desired sulfonic acid group tends to be difficult to be introduced. When the time exceeds 100 hours, the productivity tends to be remarkably lowered, and a great improvement in film properties tends not to be expected. In actuality, if the setting is made so that a polymer electrolyte membrane having desired characteristics can be efficiently produced in consideration of a reaction system such as a sulfonating agent and a solvent to be used and a target production amount. Good.

本発明の高分子電解質膜の製造方法は、上記のスルホン酸基の導入工程の後、未反応のスルホン化剤や溶媒の除去を行うため、水洗することが好ましい。このとき、スルホン酸基の導入工程後の高分子電解質膜を回収することなく、連続的に水洗を行い、適切な条件で乾燥を実施し、高分子電解質膜を得ることが好ましい。また、水洗の代わりに、水酸化ナトリウム水溶液などで中和洗浄した後、酸処理を行って、高分子電解質膜を得ても良い。   The method for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably washed with water in order to remove the unreacted sulfonating agent and solvent after the sulfonic acid group introduction step. At this time, it is preferable that the polymer electrolyte membrane is obtained by continuously washing with water and drying under appropriate conditions without recovering the polymer electrolyte membrane after the sulfonic acid group introduction step. Further, instead of washing with water, the polymer electrolyte membrane may be obtained by performing neutralization washing with a sodium hydroxide aqueous solution or the like and then performing acid treatment.

また、本発明の製造方法により製造される高分子電解質膜を製造する際に、その高分子膜に、可塑剤、酸化防止剤、帯電防止剤、抗菌剤、滑剤、表面活性剤、各種有機フィラーなどの添加剤を適量含有させてもよい。   Further, when the polymer electrolyte membrane produced by the production method of the present invention is produced, the polymer membrane is provided with a plasticizer, an antioxidant, an antistatic agent, an antibacterial agent, a lubricant, a surfactant, and various organic fillers. An appropriate amount of additives such as may be contained.

本発明の高分子電解質膜のイオン交換容量は、好ましくは0.3ミリ当量/g以上であり、より好ましくは0.5ミリ当量/g以上であり、さらに好ましくは1.0ミリ当量/g以上である。イオン交換容量が、0.3ミリ当量/gよりも低い場合には、所望のプロトン伝導度を発現しない恐れがあり、好ましくない。   The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 0.3 meq / g or more, more preferably 0.5 meq / g or more, and further preferably 1.0 meq / g. That's it. If the ion exchange capacity is lower than 0.3 meq / g, the desired proton conductivity may not be exhibited, which is not preferable.

本発明の高分子電解質膜の、室温におけるプロトン伝導度は、好ましくは1.0×10-3S/cm以上であり、より好ましくは1.0×10-2S/cm以上である。プロトン伝導度が1.0×10-3S/cmよりも低い場合には、本発明の高分子電解質膜を固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として使用した場合に、充分な発電特性を示さない恐れがある。 The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane of the present invention at room temperature is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more, more preferably 1.0 × 10 −2 S / cm or more. When the proton conductivity is lower than 1.0 × 10 −3 S / cm, when the polymer electrolyte membrane of the present invention is used as an electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell or a direct methanol fuel cell, There is a risk of not showing sufficient power generation characteristics.

本発明の高分子電解質膜の厚みは、用途に応じて任意の厚みが選択可能である。膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、実用的な機械的強度を有する範囲で、固体高分子形燃料電池の電解質膜に使用する場合には、燃料および酸化剤の遮断性を有する範囲で、それぞれ薄いほどよい。電解質膜としての特性は、イオン交換容量やプロトン伝導度が同等であれば、厚みが薄くなるほど、膜としての抵抗値が低くなる。したがって、膜の厚みは、好ましくは5〜200μmであり、より好ましくは20〜150μmである。この厚みが、5μmより薄い場合は、使用時にピンホールの発生や膜割れが生じやすくなる傾向がある。また、固体高分子形燃料電池の電解質膜として使用した場合に、燃料や酸化剤の遮断性が不充分となり、性能低下の要因となる傾向がある。さらに直接メタノール形燃料電池の電解質膜として使用した場合には、メタノール遮断性が不充分となり、メタノール透過による性能低下の要因となる傾向がある。一方、200μmを超える場合は、高分子電解質膜の抵抗が大きくなり、性能低下の要因となる傾向がある。   As the thickness of the polymer electrolyte membrane of the present invention, any thickness can be selected depending on the application. When considering reducing the internal resistance of the membrane, the range has practical mechanical strength, and when used for an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the range has a blocking property of fuel and oxidant. And the thinner each, the better. As the characteristics of the electrolyte membrane, as the ion exchange capacity and proton conductivity are equal, the resistance value as the membrane decreases as the thickness decreases. Therefore, the thickness of the film is preferably 5 to 200 μm, more preferably 20 to 150 μm. When this thickness is less than 5 μm, pinholes and film cracking tend to occur during use. Further, when used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, the barrier property of the fuel and the oxidant is insufficient, which tends to cause performance deterioration. Further, when used as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell, the methanol barrier property is insufficient, and there is a tendency that performance is deteriorated due to methanol permeation. On the other hand, when it exceeds 200 μm, the resistance of the polymer electrolyte membrane is increased, which tends to cause a performance deterioration.

本発明の製造方法で得られるスルホン化高分子膜は、プロトン伝導性、化学的・熱的安定性、機械的特性を備えており、固体高分子形燃料電池やメタノールなどのアルコール類を使用する直接アルコール形燃料電池に使用可能な燃料電池用膜として好ましい。実際に、燃料電池用膜として使用する場合には、ナフィオンに代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜で適用されている公知の方法で、触媒や電極を膜上に接合し、これらと燃料および酸化剤の供給路、集電体から燃料電池セルが構成することができる。また、必要な出力を得るため、セルを複数枚配置して、スタックを構成し、使用することもできる。燃料としては、純水素、メタノール・天然ガス・ガソリンなどの改質水素ガス、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどが使用可能である。   The sulfonated polymer membrane obtained by the production method of the present invention has proton conductivity, chemical / thermal stability, and mechanical properties, and uses alcohols such as solid polymer fuel cells and methanol. It is preferable as a membrane for a fuel cell that can be used for a direct alcohol fuel cell. Actually, when used as a membrane for a fuel cell, a catalyst or an electrode is joined on the membrane by a known method applied to a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion, and these are combined with a fuel and an oxidant. A fuel cell can be constructed from the supply path and current collector. In order to obtain a required output, a plurality of cells can be arranged to form a stack and used. As the fuel, pure hydrogen, reformed hydrogen gas such as methanol, natural gas, and gasoline, alcohols such as methanol, dimethyl ether, and the like can be used.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

(実施例1)
(ナノシート化層状チタン酸Aの調製)
炭酸カリウム27.64g、炭酸リチウム4.91g、二酸化チタン69.23g及び塩化カリウム74.56gを乾式で粉砕混合した原料を1100℃にて4時間焼成した。焼成後の試料を10kgの純水に浸して20時間撹拌後に分離、水洗したものを110℃で乾燥した。得られた白色粉末は、層状チタン酸塩K0.8Li0.27Ti1.734であり、平均長径44μmであった。
Example 1
(Preparation of nanosheet layered titanic acid A)
A raw material in which 27.64 g of potassium carbonate, 4.91 g of lithium carbonate, 69.23 g of titanium dioxide and 74.56 g of potassium chloride were pulverized and mixed in a dry process was calcined at 1100 ° C. for 4 hours. The fired sample was immersed in 10 kg of pure water, stirred for 20 hours, separated, washed and dried at 110 ° C. The obtained white powder was layered titanate K 0.8 Li 0.27 Ti 1.73 O 4 and had an average major axis of 44 μm.

この層状チタン酸塩65gを脱イオン水1kgに分散し、35%塩酸28gを添加した。1.5時間攪拌した後、分離、水洗して、KイオンとLiイオンを水素イオンまたはヒドロニウムイオンに交換した層状チタン酸とした。Kイオンの交換率72当量%、Liイオンの交換率99当量%以上であった。XRD分析により、層間距離は9.2Åであった。   65 g of this layered titanate was dispersed in 1 kg of deionized water, and 28 g of 35% hydrochloric acid was added. After stirring for 1.5 hours, separation and washing were performed to obtain layered titanic acid in which K ions and Li ions were exchanged with hydrogen ions or hydronium ions. The exchange rate of K ions was 72 equivalent% and the exchange rate of Li ions was 99 equivalent% or more. According to XRD analysis, the interlayer distance was 9.2 mm.

この層状チタン酸50gをさらに脱イオン水4kgに分散し、80℃に加熱撹拌しながら、ドデシルトリフェニルホスホニウム・ブロマイド130gを脱イオン水500gに溶解させたものを添加した。一時間加熱撹拌を続けた後、濾過して取り出した。80℃の脱イオン水で十分洗浄した後、空気中40℃で乾燥した。さらに、減圧下に160℃で12時間乾燥し、平均長径42μmのナノシート化層状チタン酸を得た。XRD分析により層間距離は23.7Åであり、ドデシルトリフェニルホスホニウムが層間挿入されていることを確認した。TG/DTAでの熱分解減量により、有機分は34.7wt%であった。   50 g of this layered titanic acid was further dispersed in 4 kg of deionized water, and a solution prepared by dissolving 130 g of dodecyltriphenylphosphonium bromide in 500 g of deionized water was added while stirring at 80 ° C. After continuing heating and stirring for 1 hour, it was filtered out. After thoroughly washing with deionized water at 80 ° C., it was dried at 40 ° C. in air. Furthermore, it dried at 160 degreeC under pressure reduction for 12 hours, and obtained nanosheet-formation layered titanic acid with an average major axis of 42 micrometers. The interlayer distance was 23.7 mm by XRD analysis, and it was confirmed that dodecyltriphenylphosphonium was inserted between the layers. The organic content was 34.7 wt% due to thermal decomposition loss with TG / DTA.

(高分子組成物の調製)
ポリフェニレンサルファイド樹脂(大日本インキ化学工業社製:ML320p)97重量部と上記方法で得られたナノシート化層状チタン酸A 3重量部を混合し、二軸押出機にて290℃で溶融押出し、高分子組成物のペレット(灰分1.5重量%)を得た。
(Preparation of polymer composition)
97 parts by weight of polyphenylene sulfide resin (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc .: ML320p) and 3 parts by weight of nanosheet-layered layered titanic acid A obtained by the above method were mixed and melt extruded at 290 ° C. with a twin screw extruder. Pellets of molecular composition (ash content 1.5% by weight) were obtained.

(高分子フィルムの作製)
上記方法で得られた高分子組成物のペレットを、Tダイ法によって290℃で溶融押出成形し、高分子フィルムを作製した。
(Production of polymer film)
The polymer composition pellets obtained by the above method were melt-extruded at 290 ° C. by a T-die method to prepare a polymer film.

(高分子電解質膜の調製)
ガラス容器に、1−クロロブタン147g、クロロスルホン酸1.47gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。この溶液に上記方法で作製した高分子フィルム0.34gを浸漬し、室温で20時間、放置した(クロロスルホン酸添加量は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して4当量)。室温で20時間放置後に、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
(Preparation of polymer electrolyte membrane)
In a glass container, 147 g of 1-chlorobutane and 1.47 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. In this solution, 0.34 g of the polymer film prepared by the above method was immersed and allowed to stand at room temperature for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 4 equivalents with respect to the aromatic unit of polyphenylene sulfide). After standing at room temperature for 20 hours, the polymer film was recovered and washed with ion-exchanged water until neutral.

洗浄後の高分子フィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置してフィルムを乾燥し、高分子電解質膜(厚み:90μm)を調製した。   The polymer film after washing was dried in a constant temperature and humidity chamber adjusted to 23 ° C. for 30 minutes under humidity control of relative humidity 98%, 80%, 60% and 50%, A polymer electrolyte membrane (thickness: 90 μm) was prepared.

この高分子電解質膜の各種特性を下記方法で測定した。結果を表1に示す。   Various characteristics of this polymer electrolyte membrane were measured by the following methods. The results are shown in Table 1.

Figure 0004747647
Figure 0004747647

(イオン交換容量の測定方法)
高分子電解質膜(約10mm×40mm、厚み:任意)を塩化ナトリウム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で60℃、3時間反応させる。室温まで冷却した後、サンプルをイオン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレイン溶液を指示薬として、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、イオン交換容量を算出した。
(Measurement method of ion exchange capacity)
A polymer electrolyte membrane (about 10 mm × 40 mm, thickness: arbitrary) is immersed in a saturated aqueous solution of sodium chloride and reacted in a water bath at 60 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, the sample was thoroughly washed with ion-exchanged water, titrated with 0.01N aqueous sodium hydroxide solution using a phenolphthalein solution as an indicator, and the ion-exchange capacity was calculated.

(プロトン伝導度)
イオン交換水中に保管した高分子電解質膜(10mm×40mm)を取り出し、試験体表面の水をろ紙で拭き取った。電極間距離30mmとなるよう、試験体表面に電極を設置し、2極非密閉系のテフロン(登録商標)製に装着した。25℃で電圧0.2Vの条件で、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜5MHz)により、膜表面の電極間の抵抗を測定し、プロトン伝導度を算出した。
(Proton conductivity)
A polymer electrolyte membrane (10 mm × 40 mm) stored in ion-exchanged water was taken out, and water on the surface of the test specimen was wiped off with a filter paper. An electrode was placed on the surface of the test body so that the distance between the electrodes was 30 mm, and the electrode was attached to a two-pole non-sealed Teflon (registered trademark). The resistance between the electrodes on the membrane surface was measured by the AC impedance method (frequency: 42 Hz to 5 MHz) under the condition of a voltage of 0.2 V at 25 ° C., and the proton conductivity was calculated.

(メタノール透過係数)
ビードレックス社製膜透過実験装置を使用して、イオン交換水と64重量%メタノール水溶液を高分子電解質膜で隔離して設置した。所定時間経過後にイオン交換水側に透過したメタノール量をガスクロマトグラフで定量した。これからメタノール透過速度を下記式(3)で算出し膜のメタノール透過係数を求めた。
(Methanol permeability coefficient)
Using a membrane test apparatus manufactured by Beadrex, ion-exchanged water and a 64 wt% aqueous methanol solution were separated from each other by a polymer electrolyte membrane. The amount of methanol permeated to the ion-exchanged water after a predetermined time was quantified with a gas chromatograph. From this, the methanol permeation rate was calculated by the following formula (3) to obtain the methanol permeation coefficient of the membrane.

Figure 0004747647
Figure 0004747647

(実施例2)
(ナノシート化層状チタン酸Bの調製)
炭酸カリウム27.64g、炭酸リチウム4.91g、二酸化チタン69.23gを乾式で粉砕混合した原料を1050℃にて4時間焼成した。焼成後の試料を10kgの純水に浸して20時間撹拌後に分離、水洗したものを110℃で乾燥した。得られた層状チタン酸塩の10.9%水スラリー79.2Lを調整し、10%硫酸水溶液4.7kgを加えて2時間攪拌し、スラリーのpHを7.0に調整した。分離、水洗したものを110℃で乾燥した後、600℃で12時間焼成した。得られた白色粉末は、層状チタン酸塩K0.6Li0.27Ti1.733.9であり、平均長径28μmであった。
(Example 2)
(Preparation of nanosheeted layered titanate B)
A raw material in which 27.64 g of potassium carbonate, 4.91 g of lithium carbonate, and 69.23 g of titanium dioxide were pulverized and mixed in a dry process was calcined at 1050 ° C. for 4 hours. The fired sample was immersed in 10 kg of pure water, stirred for 20 hours, separated, washed and dried at 110 ° C. 79.2 L of 10.9% aqueous slurry of the obtained layered titanate was adjusted, 4.7 kg of 10% aqueous sulfuric acid solution was added and stirred for 2 hours, and the pH of the slurry was adjusted to 7.0. What was separated and washed with water was dried at 110 ° C. and then calcined at 600 ° C. for 12 hours. The obtained white powder was a layered titanate K 0.6 Li 0.27 Ti 1.73 O 3.9 and had an average major axis of 28 μm.

この層状チタン酸塩を用いて、有機塩基性化合物をオクタデシルジメチルベンジルアンモニウム・クロライドに変更する以外は実施例1と同様の方法で処理を行い、平均長径27μmのナノシート化層状チタン酸を得た。XRD分析により層間距離は24.7Åであり、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムが層間挿入されていることを確認した。TG/DTAでの熱分解減量により、有機分は41.5wt%であった。   Using this layered titanate, treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the organic basic compound was changed to octadecyldimethylbenzylammonium chloride to obtain nanosheeted layered titanic acid having an average major axis of 27 μm. The distance between layers was 24.7 mm by XRD analysis, and it was confirmed that octadecyldimethylbenzylammonium was inserted between layers. The organic content was 41.5 wt% due to thermal decomposition loss with TG / DTA.

(高分子組成物の調製)
ポリフェニレンサルファイド樹脂(大日本インキ化学工業社製:ML320p)93重量部と上記方法で得られたナノシート化層状チタン酸B 7重量部を混合し、二軸押出機にて290℃で溶融押出し、高分子組成物のペレット(灰分3.0重量%)を得た。
(Preparation of polymer composition)
93 parts by weight of polyphenylene sulfide resin (manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc .: ML320p) and 7 parts by weight of nanosheet-layered layered titanic acid B obtained by the above method were mixed and melt extruded at 290 ° C. with a twin screw extruder. Pellets of molecular composition (ash content 3.0% by weight) were obtained.

(高分子フィルムの作製)
上記方法で得られた高分子組成物のペレットを、Tダイ法によって290℃で溶融押出成形し、高分子フィルムを作製した。
(Production of polymer film)
The polymer composition pellets obtained by the above method were melt-extruded at 290 ° C. by a T-die method to prepare a polymer film.

(高分子電解質膜の調製)
ガラス容器に、1−クロロブタン129g、クロロスルホン酸1.29gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。この溶液に上記方法で作製した高分子フィルム0.30gを浸漬し、室温で20時間、放置した(クロロスルホン酸添加量は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して4当量)。室温で20時間放置後に、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
(Preparation of polymer electrolyte membrane)
In a glass container, 129 g of 1-chlorobutane and 1.29 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. In this solution, 0.30 g of the polymer film produced by the above method was immersed and allowed to stand at room temperature for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 4 equivalents relative to the aromatic unit of polyphenylene sulfide). After standing at room temperature for 20 hours, the polymer film was recovered and washed with ion-exchanged water until neutral.

洗浄後の高分子フィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置してフィルムを乾燥し、高分子電解質膜(厚み:89μm)を調製した。   The polymer film after washing was dried in a constant temperature and humidity chamber adjusted to 23 ° C. for 30 minutes under humidity control of relative humidity 98%, 80%, 60% and 50%, A polymer electrolyte membrane (thickness: 89 μm) was prepared.

この高分子電解質膜の各種特性を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。   Various characteristics of this polymer electrolyte membrane were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
高分子電解質膜として、デュポン社のナフィオン115(登録商標)を使用した。
(Comparative Example 1)
Nafion 115 (registered trademark) manufactured by DuPont was used as the polymer electrolyte membrane.

この高分子電解質膜の各種特性を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。   Various characteristics of this polymer electrolyte membrane were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(比較例2)
(高分子フィルムの作製)
ナノシート化層状チタン酸を使用せずに、ポリフェニレンサルファイド樹脂(大日本インキ化学工業社製:ML320p)のみを使用した以外は、実施例1と同様にして高分子フィルムを作製した。
(Comparative Example 2)
(Production of polymer film)
A polymer film was produced in the same manner as in Example 1 except that only the polyphenylene sulfide resin (Dainippon Ink & Chemicals, Inc .: ML320p) was used without using the nanosheeted layered titanic acid.

(高分子電解質膜の調製)
ガラス容器に、1−クロロブタン133g、クロロスルホン酸1.66gを秤量し、クロロスルホン酸溶液を調製した。この溶液に上記方法で作製した高分子フィルム0.31gを浸漬し、室温で20時間、放置した(クロロスルホン酸添加量は、ポリフェニレンサルファイドの芳香族単位に対して5当量)。室温で20時間放置後に、高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
(Preparation of polymer electrolyte membrane)
In a glass container, 133 g of 1-chlorobutane and 1.66 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a chlorosulfonic acid solution. In this solution, 0.31 g of the polymer film prepared by the above method was immersed and allowed to stand at room temperature for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 5 equivalents with respect to the aromatic unit of polyphenylene sulfide). After standing at room temperature for 20 hours, the polymer film was recovered and washed with ion-exchanged water until neutral.

洗浄後の高分子フィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%および50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置してフィルムを乾燥し、高分子電解質膜(厚み:101μm)を調製した。   The polymer film after washing was dried in a constant temperature and humidity chamber adjusted to 23 ° C. for 30 minutes under humidity control of relative humidity 98%, 80%, 60% and 50%, A polymer electrolyte membrane (thickness: 101 μm) was prepared.

この高分子電解質膜の各種特性を実施例1と同様にして測定した。結果を表1に示す。   Various characteristics of this polymer electrolyte membrane were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

実施例1、2と比較例1の比較から、本発明の高分子電解質膜は燃料電池用の高分子電解質膜として公知であるデュポン社製ナフィオン(登録商標)と同等以上のプロトン伝導度を有し、燃料電池用の高分子電解質膜として有用であることが示された。   From comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the polymer electrolyte membrane of the present invention has a proton conductivity equal to or higher than that of Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, which is known as a polymer electrolyte membrane for fuel cells. It has been shown that it is useful as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

また、実施例1、2と比較例1、2の比較から、本発明の高分子電解質膜はメタノール透過係数が低く、メタノール遮断性に優れることが明らかとなり、直接液体形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の高分子電解質膜として有用であることが示された。

Further, from the comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, it is clear that the polymer electrolyte membrane of the present invention has a low methanol permeability coefficient and excellent methanol barrier properties. It was shown to be useful as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

Claims (5)

固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池又は直接メタノール形燃料電池用いる高分子電解質膜であって、(A)ポリフェニレンサルファイドおよび(B)リン片状チタン酸の構成からなる高分子組成物からなる高分子フィルムにプロトン伝導性置換基を導入してなる高分子電解質膜A polymer electrolyte membrane for use in a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell or a direct methanol fuel cell , the polymer composition comprising (A) polyphenylene sulfide and (B) flaky titanic acid A polymer electrolyte membrane obtained by introducing a proton-conductive substituent into a polymer film comprising: 前記リン片状チタン酸が、層状チタン酸塩を酸または温水で処理し、ついで層間膨潤作用を有する有機塩基性化合物を層間挿入して得られるナノシート化層状チタン酸であることを特徴とする請求項1記載の高分子電解質膜The flaky titanic acid is nanosheeted layered titanic acid obtained by treating a layered titanate with an acid or warm water and then intercalating an organic basic compound having an interlayer swelling action. Item 12. The polymer electrolyte membrane according to Item 1. 前記層状チタン酸塩が、一般式AXYZTi[2-(Y+Z)]4(式中、AおよびMは互いに異なる1〜3価の金属を示し、□はTiの欠陥部位を示す。Xは0<X<1.0を満たす正の実数であり、YおよびZは0<Y+Z<1を満たす0または正の実数である)で表されることを特徴とする請求項に記載の高分子電解質膜The layered titanate has a general formula A X MYZ Ti [2- (Y + Z)] O 4 (wherein A and M represent 1 to 3 valent metals different from each other; X is a positive real number satisfying 0 <X <1.0, and Y and Z are 0 or a positive real number satisfying 0 <Y + Z <1). The polymer electrolyte membrane according to claim 2 . 前記層状チタン酸塩が、K0.50.8Li0.27Ti1.733.854で表される請求項に記載の高分子電解質膜The polymer electrolyte membrane according to claim 2 , wherein the layered titanate is represented by K 0.5 to 0.8 Li 0.27 Ti 1.73 O 3.85 to 4 . 固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池又は直接メタノール形燃料電池に用いる高分子電解質膜の製造方法であって、(A)ポリフェニレンサルファイドおよび(B)リン片状チタン酸の構成からなる高分子組成物からなる高分子フィルムを、溶媒存在下でスルホン化剤と接触させてスルホン酸基を導入してなる高分子電解質膜の製造方法 A method for producing a polymer electrolyte membrane for use in a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell or a direct methanol fuel cell, comprising: (A) polyphenylene sulfide and (B) scaly titanic acid A method for producing a polymer electrolyte membrane, wherein a polymer film comprising a molecular composition is brought into contact with a sulfonating agent in the presence of a solvent to introduce a sulfonic acid group .
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