JP4821946B2 - Electrolyte membrane and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、耐メタノール透過性及びイオン伝導性に優れた電解質膜及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electrolyte membrane excellent in methanol permeation resistance and ion conductivity and a method for producing the same.

液体電解質のかわりに高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、水電解槽や燃料電池を上げることができる。これらに用いられる高分子膜は、カチオン交換膜としてプロトン導電率とともに化学的、熱的、電気化学的および力学的に十分安定なものでなくてはならない。このため、長期にわたり使用できるものとしては、主に米デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」を代表例とするパーフルオロカーボンスルホン酸膜が使用されてきた。しかしながら、ナフィオン膜を100℃を越える条件で運転しようとすると、膜の含水率が急激に落ちるほか、膜の軟化も顕著となる。このため、将来が期待されるメタノールを燃料とする燃料電池においては、膜内のメタノール透過による性能低下がおこり、十分な性能を発揮することはできない。また、現在主に検討されている水素を燃料として80℃付近で運転する燃料電池においても、膜のコストが高すぎることが燃料電池技術の確立の障害として指摘されている。   As an example of an electrochemical device using a polymer solid electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte, a water electrolyzer and a fuel cell can be raised. The polymer membrane used for these must be sufficiently stable chemically, thermally, electrochemically and mechanically with proton conductivity as a cation exchange membrane. For this reason, perfluorocarbon sulfonic acid membranes, typically “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, have been used as long-term usable products. However, if the Nafion membrane is operated under conditions exceeding 100 ° C., the moisture content of the membrane drops rapidly and the membrane softens significantly. For this reason, in a fuel cell that uses methanol as a fuel, which is expected in the future, the performance is deteriorated due to the permeation of methanol in the membrane, so that sufficient performance cannot be exhibited. Further, even in a fuel cell that is currently studied mainly using hydrogen as a fuel and operated at around 80 ° C., it is pointed out that the cost of the membrane is too high as an obstacle to the establishment of fuel cell technology.

このような欠点を克服するため、非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入した電解質膜が種々検討されている。ポリマー骨格としては、耐熱性や化学的安定性を考慮すると、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの、芳香族ポリアリーレンエーテル化合物を有望な構造としてとらえることができ、ポリアリールエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1参照。)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1参照。)、スルホン化ポリスチレン等が報告されている。しかしながら、これらのポリマーのスルホン化反応により芳香環上に導入されたスルホン酸基は一般に熱により脱離しやすい傾向にあり、これを改善する方法として電子吸引性芳香環上にスルホン酸基を導入したモノマーを用いて重合することで、熱的に安定性の高いスルホン化ポリアリールエーテルスルホン系化合物が報告されている(例えば、特許文献2参照。)。この場合、モノマーの反応性が低いために、ポリマーを得るのに長時間の重合を必要とする問題が生じている(例えば、非特許文献2参照)。   In order to overcome such drawbacks, various types of electrolyte membranes in which a sulfonic acid group is introduced into a non-fluorinated aromatic ring-containing polymer have been studied. As a polymer skeleton, considering heat resistance and chemical stability, aromatic polyarylene ether compounds such as aromatic polyarylene ether ketones and aromatic polyarylene ether sulfones can be regarded as promising structures, A sulfonated polyarylethersulfone (for example, see Non-Patent Document 1), a sulfonated polyetheretherketone (for example, see Patent Document 1), sulfonated polystyrene, and the like have been reported. However, sulfonic acid groups introduced onto aromatic rings by sulfonation reaction of these polymers generally tend to be easily removed by heat, and as a method for improving this, sulfonic acid groups are introduced onto electron-withdrawing aromatic rings. A sulfonated polyarylether sulfone compound having high thermal stability has been reported by polymerization using a monomer (see, for example, Patent Document 2). In this case, since the reactivity of a monomer is low, the problem which requires superposition | polymerization for a long time in order to obtain a polymer has arisen (for example, refer nonpatent literature 2).

また、これらポリマーには電解質膜としての機能を発現するためにスルホン酸基などのイオン性基が導入されているが、イオン性基に結合するカチオン種が金属などのいわゆる塩型の場合、イオン伝導性が充分に発揮されないといった問題がある。
特開平6−93114号公報(第15−17頁) 米国特許出願公開第2002/0091225号明細書(第1−2頁) ジャーナル・オブ・メンブラン・サイエンス(Journal of Membrane Science)、(オランダ)1993年、83巻、P.211−220 エーシーエス・ポリマー・プレプリント(ACS Polymer Preprints)、(米国)、2000年、41(2)巻、P.1388−1389
In addition, ionic groups such as sulfonic acid groups have been introduced into these polymers in order to exhibit functions as electrolyte membranes, but when the cation species bound to the ionic groups are so-called salt types such as metals, There is a problem that the conductivity is not sufficiently exhibited.
JP-A-6-93114 (pages 15-17) US Patent Application Publication No. 2002/0091225 (page 1-2) Journal of Membrane Science (Netherlands) 1993, 83, p. 211-220 ACS Polymer Preprints, (USA), 2000, 41 (2), P.C. 1388-1389

本発明の目的は、溶剤の含有量とイオン性基のカチオン量をコントロールした製造法により、耐メタノール透過性及びイオン伝導性に優れた電解質膜を得ることにある。   An object of the present invention is to obtain an electrolyte membrane excellent in methanol permeation resistance and ion conductivity by a production method in which the content of a solvent and the cation amount of an ionic group are controlled.

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、残溶媒を一定以下に取り除いた後、酸を用いてイオン導電性基を酸型に変換することにより、上記目的が達成されることを見いだした。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above object can be achieved by removing the residual solvent below a certain level and then converting the ion conductive group into an acid form using an acid.

すなわち、本発明は下記(1)〜(6)により達成される。   That is, the present invention is achieved by the following (1) to (6).

(1)イオン伝導性を有する電解質膜において、残溶媒率が膜全体の0.5重量%以上20重量%以下とした後、酸によりイオン性基のカチオン種を少なくとも85モル%以上水素原子に変換したことを特徴とする電解質膜。   (1) In the electrolyte membrane having ionic conductivity, after the residual solvent ratio is 0.5% by weight or more and 20% by weight or less of the entire membrane, the cation group of the ionic group is converted to at least 85 mol% or more hydrogen atoms by acid. An electrolyte membrane characterized by conversion.

(2)上記酸が硫酸であることを特徴とする第1の発明に記載の電解質膜。   (2) The electrolyte membrane according to the first invention, wherein the acid is sulfuric acid.

(3)25℃における5mol/Lのメタノール水溶液に対するメタノール透過速度が10mmol/m2・sec以下であり、80℃、相対湿度95%でのイオン伝導率が0.02S/cm以上であることを特徴とする第1乃至は第2の発明の範囲の製造方法により作製された電解質膜。   (3) A methanol permeation rate with respect to a 5 mol / L methanol aqueous solution at 25 ° C. is 10 mmol / m 2 · sec or less, and an ionic conductivity at 80 ° C. and a relative humidity of 95% is 0.02 S / cm or more. An electrolyte membrane produced by the manufacturing method within the scope of the first or second invention.

(4)上記電解質膜が下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むイオン導電性電解質膜であることを特徴とする第1乃至は第3の発明の範囲の電解質膜。

Figure 0004821946
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、Xは水素または1価のカチオン種を示す。
Figure 0004821946
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。 (4) The electrolyte within the scope of the first to third inventions, wherein the electrolyte membrane is an ion conductive electrolyte membrane containing a constituent represented by the following general formula (1) together with the following general formula (1) film.
Figure 0004821946
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents hydrogen or a monovalent cation species.
Figure 0004821946
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

(5)第1乃至は第4の発明のいずれかの範囲の電解質膜を使用した電解質膜・電極接合体。   (5) An electrolyte membrane / electrode assembly using the electrolyte membrane according to any one of the first to fourth inventions.

(6)第5の発明の範囲の電解質膜・電極接合体を使用した燃料電池。   (6) A fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly within the scope of the fifth invention.

本発明の製造方法による電解質膜により、耐メタノール透過性及びイオン伝導性に優れたダイレクトメタノール型燃料電池用の電解質膜として際立った性能を示す材料を提供することができる。   The electrolyte membrane produced by the production method of the present invention can provide a material exhibiting outstanding performance as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell having excellent methanol permeation resistance and ion conductivity.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、イオン伝導性を有するポリマーより得られた膜の残溶媒量を特定の範囲内にした後、酸によりイオン性基のカチオン種を85モル%以上水素原子とした電解質膜の製造方法により、耐メタノール透過性とイオン伝導性に優れた電解質膜を提供するものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane in which the amount of solvent remaining in a membrane obtained from a polymer having ion conductivity is within a specific range, and then the cation species of the ionic group is 85 mol% or more by hydrogen with an acid. Thus, an electrolyte membrane excellent in methanol permeation resistance and ion conductivity is provided.

本発明のイオン伝導性を有するポリマーとしては、ポリスチレンスルホン酸、ポリ(トリフルオロスチレン)スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸成分の少なくとも1種を含むアイオノマーが挙げられる。さらに、芳香族系のポリマーとして、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、およびそれらの誘導体の少なくとも1種が導入されているポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造に限定するものではない。   Examples of the ion conductive polymer of the present invention include ionomers containing at least one of polystyrene sulfonic acid, poly (trifluorostyrene) sulfonic acid, polyvinyl phosphonic acid, polyvinyl carboxylic acid, and polyvinyl sulfonic acid components. Furthermore, as aromatic polymers, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene polymer, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polybenzoxazole, Examples thereof include polymers in which at least one of sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, carboxyl groups, and derivatives thereof is introduced into a polymer containing at least one component such as polybenzthiazole and polyimide. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, and the like referred to here are generic names for polymers having a sulfone bond, an ether bond, and a ketone bond in their molecular chains. Polyetherketoneketone, polyetheretherketone, It includes polyether ether ketone ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone sulfone and the like, and is not limited to a specific polymer structure.

本発明におけるイオン性基含有ポリマーは、スルホン酸基含有ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン系ポリマーなどのポリアリーレンエーテル系化合物であることが好ましい。   The ionic group-containing polymer in the present invention is preferably a polyarylene ether compound such as sulfonic acid group-containing polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, or polyether ketone polymer.

さらに、これらのポリアリーレンエーテル系化合物のうち、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。   Furthermore, among these polyarylene ether compounds, those containing the structural component represented by the general formula (2) together with the following general formula (1) are particularly preferable.

Figure 0004821946
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、Xは水素または1価のカチオン種を示す。
Figure 0004821946
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents hydrogen or a monovalent cation species.

Figure 0004821946
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。
Figure 0004821946
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

上記一般式(2)で示される構成成分は、下記一般式(3)で示される構成成分であることが好ましい。   The component represented by the general formula (2) is preferably a component represented by the following general formula (3).

Figure 0004821946
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。
Figure 0004821946
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物としては、下記一般式(4)とともに一般式(5)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。ビフェニレン構造を有していることにより高温高湿条件での寸法安定性に優れるとともに、フィルムの強靱性も高いものとなる。   As the sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound in the present invention, those containing a constituent represented by the following general formula (5) together with the following general formula (4) are particularly preferable. By having a biphenylene structure, the film has excellent dimensional stability under high-temperature and high-humidity conditions, and also has high film toughness.

Figure 0004821946
Figure 0004821946
ただし、Xは水素または1価のカチオン種を示す。
Figure 0004821946
Figure 0004821946
X represents hydrogen or a monovalent cation species.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物としては、スルホン酸基含有量が0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、電解質膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合には電解質膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。なお、スルホン酸基含有量はポリマー組成より計算することができる。より好ましくは1.0〜3.0meq/gである。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 3.5 meq / g. When the amount is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that sufficient ion conductivity is not exhibited when used as an electrolyte membrane, and when the amount is more than 3.5 meq / g, the electrolyte membrane is subjected to high temperature and high humidity conditions. In this case, the film swells so much that it is not suitable for use. The sulfonic acid group content can be calculated from the polymer composition. More preferably, it is 1.0-3.0 meq / g.

本発明におけるスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせと言える、これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、組成物の加工性がより好ましいものとなる。これら樹脂組成物として使用する場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物の含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満の場合には、この樹脂組成物を含む電解質膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、などの各種添加剤を含んでいても良い。   The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound in the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Heat curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferable combination for improving the polymer dimensionality, and when a sulfonic acid group is further introduced into these basic polymers, The processability of the composition becomes more preferable. When used as these resin compositions, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is less than 50% by weight of the entire resin composition, the sulfonic acid group concentration of the electrolyte membrane containing the resin composition is lowered and good ion conduction is achieved. Tend to be not obtained, and the unit containing a sulfonic acid group becomes a discontinuous phase and tends to lower the mobility of ions to be conducted. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, Various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

本発明における樹脂組成物は、押し出し、紡糸、圧延またはキャストなど任意の方法で繊維やフィルムなどの成形体とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1重量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50重量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。たとえば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で繊維状、フィルム状、ペレット状、プレート状、ロッド状、パイプ状、ボール状、ブロック状などの様々な形状に成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。   The resin composition in the present invention can be formed into a molded body such as a fiber or a film by any method such as extrusion, spinning, rolling or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If the concentration of the compound in the solution is less than 0.1% by weight, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by weight, the workability tends to deteriorate. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, it can be formed into various shapes such as a fiber shape, a film shape, a pellet shape, a plate shape, a rod shape, a pipe shape, a ball shape, and a block shape in a composite form with other compounds as necessary. . When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved.

本発明における電解質膜を以下のように作製することもできる。電解質膜を成形する手法として最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去して電解質膜を得ることができる。当該溶液としてはN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を用いた溶液や、場合によってはアルコール系溶媒等も挙げることができる。溶媒の除去は、乾燥によることが電解質膜の均一性からは好ましい。また、溶媒と混和することができる化合物非溶媒に浸漬することで溶媒を除去することも可能であり、乾燥と併用しても良い。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いと電解質膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、1000μmよりも厚いと不均一な電解質膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。本発明の電解質膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜200μmであることが好ましく、5〜50μmであることがさらに好ましく、5〜20μmであることが最も好ましい。電解質膜の厚みが5μmより薄いと電解質膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いと電解質膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。   The electrolyte membrane in the present invention can also be produced as follows. The most preferable method for forming the electrolyte membrane is casting from a solution, and the electrolyte membrane can be obtained by removing the solvent from the cast solution as described above. Examples of the solution include a solution using an organic solvent such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, and in some cases, an alcohol solvent. The removal of the solvent is preferably by drying from the viewpoint of the uniformity of the electrolyte membrane. Moreover, it is also possible to remove a solvent by immersing in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent, and it may be used in combination with drying. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm. More preferably, it is 50-500 micrometers. If the thickness of the solution is thinner than 10 μm, the shape as an electrolyte membrane tends to be lost, and if it is thicker than 1000 μm, a non-uniform electrolyte membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The electrolyte membrane of the present invention can have any thickness depending on the purpose, but is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 5 to 200 μm, more preferably 5 to 50 μm, and most preferably 5 to 20 μm. If the thickness of the electrolyte membrane is less than 5 μm, the handling of the electrolyte membrane becomes difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is produced. Tend to decrease.

このようにして得られた電解質膜は残存する溶媒が膜全体の0.5重量%以上20重量%以下にすることが好ましい。20重量%より多いと、メタノール透過性が高くなり、また、0.5重量%より少ないと次工程における酸型への変換が遅くなりイオン導電性が低下する傾向がある。いづれの場合もその電解質膜をダイレクトメタノール型燃料電池に用いた場合、性能に悪影響を及ぼす傾向にある。、   In the electrolyte membrane thus obtained, the remaining solvent is preferably 0.5% by weight or more and 20% by weight or less of the entire membrane. When the amount is more than 20% by weight, the methanol permeability becomes high. When the amount is less than 0.5% by weight, the conversion to the acid form in the next step is delayed and the ionic conductivity tends to be lowered. In any case, when the electrolyte membrane is used in a direct methanol fuel cell, the performance tends to be adversely affected. ,

このようにして残存する溶媒量を減らして得られた電解質膜中のスルホン酸基はカチオン種との塩の形のものを一部含んでいても良いが、85モル%以上が水素原子であるフリーのスルホン酸基にすることが好ましい。フリーのスルホン酸基が85モル%より少ないと電気抵抗値が高くなり、燃料電池の発電性能が低下する。   The sulfonic acid group in the electrolyte membrane obtained by reducing the amount of the remaining solvent in this way may partially include a salt form with a cationic species, but 85 mol% or more is a hydrogen atom. It is preferable to use a free sulfonic acid group. If the number of free sulfonic acid groups is less than 85 mol%, the electric resistance value increases, and the power generation performance of the fuel cell decreases.

上述した電解質膜をフリーのスルホン酸基に変換する方法としては酸により行うことができる。使用する酸は硫酸、発煙硫酸、塩酸などを使用することができるが、より好ましくは硫酸を用いたほうが良い。変換する条件は気相でも液相でも良く、室温でも加熱下でも良い。   As a method for converting the above-described electrolyte membrane into a free sulfonic acid group, an acid can be used. As the acid to be used, sulfuric acid, fuming sulfuric acid, hydrochloric acid and the like can be used, but it is more preferable to use sulfuric acid. The conditions for conversion may be gas phase or liquid phase, and may be room temperature or under heating.

本発明における電解質膜の80℃、相対湿度95%におけるイオン伝導率は0.01S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が0.01S/cm以上である場合には、その電解質膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、0.01S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。   The ionic conductivity of the electrolyte membrane in the present invention at 80 ° C. and 95% relative humidity is preferably 0.01 S / cm or more. When the ionic conductivity is 0.01 S / cm or more, a good output tends to be obtained in the fuel cell using the electrolyte membrane, and when it is less than 0.01 S / cm, the output of the fuel cell is obtained. A decline tends to occur.

本発明における電解質膜の25℃、5mol/Lのメタノールによる透過性は10mmol/(m2・sec)以下であることが好ましい。メタノール透過性が10mmol/(m2・sec)より多い場合は、その電解質膜をダイレクトメタノール型燃料電池に用いた場合、耐久性に劣る傾向がある。   The permeability of the electrolyte membrane in the present invention at 25 ° C. and 5 mol / L of methanol is preferably 10 mmol / (m 2 · sec) or less. When the methanol permeability is higher than 10 mmol / (m 2 · sec), when the electrolyte membrane is used for a direct methanol fuel cell, the durability tends to be inferior.

上述した本発明における電解質膜に電極を設置することによって、本発明の電解質膜と電極との接合体を得ることができる。この接合体の作製方法としては、従来から公知の方法を用いて行うことができ、例えば、電極表面に接着剤を塗布し電解質膜と電極とを接着する方法または電解質膜と電極とを加熱加圧する方法等がある。この中でも本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物およびその樹脂組成物を主成分とした接着剤を電極表面に塗布して接着する方法が好ましい。電解質膜と電極との接着性が向上し、また、電解質膜のイオン伝導性を損なうことが少なくなると考えられるためである。   By installing an electrode on the electrolyte membrane of the present invention described above, a joined body of the electrolyte membrane and the electrode of the present invention can be obtained. As a method for producing this joined body, a conventionally known method can be used. For example, an adhesive is applied to the electrode surface and the electrolyte membrane and the electrode are bonded, or the electrolyte membrane and the electrode are heated. There is a method to press. Among these, a method of applying and bonding an adhesive mainly composed of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound and the resin composition of the present invention to the electrode surface is preferable. This is because the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode is improved, and it is considered that the ion conductivity of the electrolyte membrane is less impaired.

上述した電解質膜と電極との接合体を用いて、燃料電池を作製することもできる。本発明の電解質膜は、耐メタノール透過性、イオン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性に優れているため、高温での運転にも耐えることができ、作製が容易で、良好な出力を有する燃料電池を提供することができる。また、メタノールを直接燃料とする燃料電池として使用することも好ましい。   A fuel cell can also be produced using the above-described assembly of the electrolyte membrane and the electrode. The electrolyte membrane of the present invention is excellent in methanol permeation resistance, ion conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability, so it can withstand operation at high temperatures, is easy to produce, and has good output. Can be provided. It is also preferable to use it as a fuel cell using methanol as a direct fuel.

以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.

スルホン酸基含有量:窒素雰囲気下で一晩乾燥した試料の重量をはかり、水酸化ナトリウム水溶液と撹拌処理した後、塩酸水溶液による逆滴定でイオン交換容量(IEC)を求め、理論値との比較よりフリーのスルホン酸基の量を求めた。 Sulfonic acid group content: Weigh the sample dried overnight under a nitrogen atmosphere, and after stirring with aqueous sodium hydroxide, determine the ion exchange capacity (IEC) by back titration with aqueous hydrochloric acid, and compare it with the theoretical value. The amount of more free sulfonic acid groups was determined.

イオン伝導性測定:自作測定用プローブ(テフロン(R)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]x膜厚[cm]x抵抗極間勾配[Ω/cm]
Ion conductivity measurement: A platinum wire (diameter: 0.2 mm) was pressed against the surface of the strip-shaped membrane sample on a self-made measurement probe (manufactured by Teflon (R)), and a constant temperature and humidity oven at 80 ° C. and 95% RH ( The sample was held in Nagano Scientific Machinery Co., Ltd., LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]

メタノール透過速度:イオン交換膜の液体燃料透過速度はメタノールの透過速度として、以下の方法で測定した。25℃に調整した5M(モル/リットル)のメタノール水溶液に24時間浸漬したイオン交換膜をH型セルに挟み込み、セルの片側に100mlの5Mメタノール水溶液を、他方のセルに100mlの超純水(18MΩ・cm)を注入し、25℃で両側のセルを撹拌しながら、イオン交換膜を通って超純水中に拡散してくるメタノール量をガスクロマトグラフを用いて測定することで算出した(イオン交換膜の面積は、2.0cm2)。 Methanol permeation rate: The liquid fuel permeation rate of the ion exchange membrane was measured as the permeation rate of methanol by the following method. An ion exchange membrane immersed in a 5 M (mol / liter) aqueous methanol solution adjusted to 25 ° C. for 24 hours is sandwiched in an H-type cell, 100 ml of 5 M aqueous methanol solution is placed on one side of the cell, and 100 ml of ultrapure water ( 18 MΩ · cm) was injected, and the amount of methanol diffusing into the ultrapure water through the ion exchange membrane was measured using a gas chromatograph while stirring the cells on both sides at 25 ° C. (ion) The area of the exchange membrane is 2.0 cm 2 ).

発電特性:デュポン社製20%ナフィオン(商品名)溶液に、市販の40%Pt触媒担持カーボン(田中貴金属工業株式会社 燃料電池用触媒 TEC10V40E)と、少量の超純水及びイソプロパノールを加えた後、均一になるまで撹拌し、触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が0.5mg/cm2になるように均一に塗布・乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作製した。上記の電極触媒層付きガス拡散層の間に、電解質膜を、電極触媒層が膜に接するように挟み、ホットプレス法により130℃、2MPaにて3分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をElectrochem社製の評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んで発電特性を評価した。発電は、セル温度40℃で、アノード及びカソードにそれぞれ40℃に調整した高純度酸素ガス(80ml/min)と、5又は10mol/Lのメタノール水溶液(1.5ml/min)とを供給しながら行った。電流密度が0.01A/cm2における出力電圧を用いて、メタノール水溶液の濃度を変えたときの出力低下を評価した。 Power generation characteristics: After adding a commercially available 40% Pt catalyst-supported carbon (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. fuel cell catalyst TEC10V40E), a small amount of ultrapure water and isopropanol to a 20% Nafion (trade name) solution manufactured by DuPont, Stir until homogeneous to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was uniformly applied to Toray carbon paper TGPH-060 so that the amount of platinum deposited was 0.5 mg / cm 2 and dried to prepare a gas diffusion layer with an electrode catalyst layer. By sandwiching the electrolyte membrane between the gas diffusion layers with the electrode catalyst layer so that the electrode catalyst layer is in contact with the membrane, and pressurizing and heating at 130 ° C. and 2 MPa for 3 minutes by a hot press method, An electrode assembly was obtained. This joined body was incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and power generation characteristics were evaluated. Power generation is performed while supplying high purity oxygen gas (80 ml / min) adjusted to 40 ° C. and 5 or 10 mol / L aqueous methanol solution (1.5 ml / min) to the anode and cathode at a cell temperature of 40 ° C. went. Using the output voltage at a current density of 0.01 A / cm 2 , the output decrease when the concentration of the aqueous methanol solution was changed was evaluated.

実施例1
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)を3.683g(0.0075モル)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)を3.010g(0.0175モル)、4,4’−ビフェノールを4.650g(0.025モル)、炭酸カリウムを3.968g(0.0288モル)、モレキュラーシーブ2.61gを100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。35mlのNMPを入れて、150℃で一時間撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約5時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は1.68を示した。濃度を調整したポリマーNMP溶液を、ホットプレート上ガラス板に厚みを調節してキャストし、残存NMP量が膜全体に対し4%になるまで乾燥し、厚さ平均200μmのフィルムを調製した。得られたフィルムを2mol/lに調製した硫酸に室温で1時間浸漬し、純水で洗浄して、余分な硫酸を除いた後、乾燥し、電解質膜を得た。この電解質膜のIECは1.55で、スルホン酸基の水素原子は該カチオン種に対し95モル%であった。本電解質膜のイオン伝導性は0.16S/cmで良好なイオン伝導性を示した。また、メタノール透過性を評価したところ、メタノール透過速度は0.67mmol/(m2・sec)で耐メタノール透過性に優れていることがわかった。
Example 1
3.683 g (0.0075 mol) of 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) and 3,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) of 3 100 ml four-neck flask containing 0.010 g (0.0175 mol), 4.650 g (0.025 mol) of 4,4′-biphenol, 3.968 g (0.0288 mol) of potassium carbonate, and 2.61 g of molecular sieve And then flushed with nitrogen. After adding 35 ml of NMP and stirring at 150 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 5 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.68. The polymer NMP solution with the adjusted concentration was cast on a glass plate on a hot plate while adjusting the thickness, and dried until the remaining NMP amount was 4% with respect to the entire film to prepare a film having an average thickness of 200 μm. The obtained film was immersed in sulfuric acid prepared at 2 mol / l for 1 hour at room temperature, washed with pure water to remove excess sulfuric acid, and then dried to obtain an electrolyte membrane. The IEC of this electrolyte membrane was 1.55, and the hydrogen atom of the sulfonic acid group was 95 mol% with respect to the cationic species. The ionic conductivity of this electrolyte membrane was 0.16 S / cm, indicating good ionic conductivity. Moreover, when methanol permeability was evaluated, it was found that the methanol permeation rate was 0.67 mmol / (m 2 · sec) and the methanol permeation resistance was excellent.

実施例2
実施例1で得られた電解質膜を用いて膜−電極接合体を作製し、発電評価を行ったところ、5mol/lのメタノール水溶液を用いたときの出力電圧は0.462Vであり、10mol/lのメタノール水溶液を用いたときの出力電圧は0.445Vであった。その結果からメタノール濃度上昇による出力低下は0.017Vであり、出力電圧が高く、高濃度のメタノールの透過も少ない電解質膜であるといえる。
Example 2
A membrane-electrode assembly was prepared using the electrolyte membrane obtained in Example 1 and evaluated for power generation. As a result, when 5 mol / l aqueous methanol solution was used, the output voltage was 0.462 V, 10 mol / l. The output voltage when using 1 methanol aqueous solution was 0.445V. From the results, it can be said that the output decrease due to the increase in methanol concentration is 0.017 V, the output voltage is high, and the electrolyte membrane has little permeation of high concentration methanol.

比較例1
実施例1において製膜時の残存NMP量を膜全体の22重量%とし、その他は同様にして電解質膜を得た。この電解質膜のIECは1.39で、スルホン酸基の水素原子は該カチオン種に対し85モル%であった。本電解質膜のイオン伝導性は0.10S/cmであったが、メタノール透過速度は12mmol/(m2・sec)でメタノール透過量が多く、ダイレクトメタノール型燃料電池用電解質膜として到底使用できるものではなかった。
Comparative Example 1
In Example 1, the amount of residual NMP at the time of film formation was set to 22% by weight of the entire film, and the others were obtained in the same manner. The IEC of the electrolyte membrane was 1.39, and the hydrogen atom of the sulfonic acid group was 85 mol% with respect to the cationic species. The ionic conductivity of this electrolyte membrane was 0.10 S / cm, but the methanol permeation rate was 12 mmol / (m 2 · sec), and the methanol permeation amount was large, so that it could be used as an electrolyte membrane for direct methanol fuel cells. There wasn't.

比較例2
実施例1において製膜時の残存NMP量を膜全体の0.3重量%とし、その他は同様にして電解質膜を得た。この電解質膜のIECは1.28で、スルホン酸基の水素原子は該カチオン種に対し79モル%であった。本電解質膜のイオン伝導性は0.008S/cmと低く、電解質膜として不十分な性能であった。
Comparative Example 2
In Example 1, the amount of NMP remaining at the time of film formation was set to 0.3% by weight of the whole film, and the others were obtained in the same manner. The IEC of the electrolyte membrane was 1.28, and the hydrogen atom of the sulfonic acid group was 79 mol% with respect to the cationic species. The ionic conductivity of this electrolyte membrane was as low as 0.008 S / cm, which was insufficient performance as an electrolyte membrane.

上記例からわかるようにスルホン酸基を塩型から酸型に変換する前に膜の残存溶媒量を特定の範囲内にすることで、良好な耐メタノール透過性とイオン伝導性を有する電解質膜を得ることができる。   As can be seen from the above example, by changing the residual solvent amount of the membrane within a specific range before converting the sulfonic acid group from the salt type to the acid type, an electrolyte membrane having good methanol permeability resistance and ion conductivity can be obtained. Obtainable.

本発明の製造方法により作製された電解質膜により、耐メタノール透過性とイオン導電性に優れた電解質膜を提供することができる。この電解質膜は水素やメタノールを原料として使用する燃料電池や水電解槽に使うことができるが、各種電池用電解質、表示素子、センサー、バインダー類、添加剤などとしても利用することが期待される。   With the electrolyte membrane produced by the production method of the present invention, an electrolyte membrane excellent in methanol permeability resistance and ionic conductivity can be provided. This electrolyte membrane can be used in fuel cells and water electrolyzers that use hydrogen or methanol as raw materials, but it is also expected to be used as various battery electrolytes, display elements, sensors, binders, additives, etc. .

Claims (6)

カチオン種と塩を形成したスルホン酸基が導入されたポリマーを有機溶媒に溶解した溶液をキャストし、溶媒を除去して、残溶媒率が膜全体の0.5重量%以上20重量%以下とした後、酸によりスルホン酸基とカチオン種が形成した塩のカチオン種を少なくとも85モル%以上水素原子に変換することを特徴とする電解質膜の製造方法 A solution in which a polymer having a sulfonic acid group that forms a salt with a cationic species was dissolved in an organic solvent was cast, the solvent was removed, and the residual solvent ratio was 0.5 wt% to 20 wt% of the entire membrane. after manufacturing method of the electrolyte membrane and converting the cationic species of the salt sulfonic acid groups and cationic species is formed by acid to at least 85 mol% hydrogen. 上記酸が硫酸であることを特徴とする請求項1記載の電解質膜の製造方法2. The method for producing an electrolyte membrane according to claim 1, wherein the acid is sulfuric acid. 請求項1または2に記載の方法で製造され、25℃における5mol/Lのメタノール水溶液に対するメタノール透過速度が10mmol/(m2・sec)以下であり、80℃、相対湿度95%でのイオン伝導率が0.01S/cm以上であることを特徴とする電解質膜。 It is manufactured by the method according to claim 1, and has a methanol permeation rate of 10 mmol / (m 2 · sec) or less with respect to a 5 mol / L methanol aqueous solution at 25 ° C., and an ionic conductivity at 80 ° C. and a relative humidity of 95%. Is an electrolyte membrane characterized by being 0.01 S / cm or more. 上記電解質膜が下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むイオン導電性電解質膜であることを特徴とする請求項記載の電解質膜。
Figure 0004821946
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、Xは水素または1価のカチオン種を示す。
Figure 0004821946
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。
4. The electrolyte membrane according to claim 3 , wherein the electrolyte membrane is an ion conductive electrolyte membrane containing a constituent represented by the following general formula (1) and the general formula (2).
Figure 0004821946
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents hydrogen or a monovalent cation species.
Figure 0004821946
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
請求項3または4の電解質膜を使用した電解質膜・電極接合体。 An electrolyte membrane / electrode assembly using the electrolyte membrane according to claim 3 or 4 . 請求項の範囲の電解質膜・電極接合体を使用した燃料電池。 A fuel cell using the electrolyte membrane / electrode assembly according to claim 5 .
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