JP4879639B2 - Electrode electrolyte for polymer fuel cell and use thereof - Google Patents

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Description

本発明は、特定の繰り返し単位からなる重合体を含む固体高分子型燃料電池用電極電解質、電極ペースト、電極、および膜−電極接合体に関する。   The present invention relates to an electrode electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, an electrode paste, an electrode, and a membrane-electrode assembly comprising a polymer composed of a specific repeating unit.

固体高分子型燃料電池は、高出力密度が得られ、低温で作動可能であることから小型軽量化が可能であり、自動車用動力源、定置用発電電源、携帯機器用発電電源などとして実用化が期待されている。   Solid polymer fuel cells have high power density and can be operated at low temperatures, so they can be reduced in size and weight, and put into practical use as power sources for automobiles, stationary power sources, and portable devices. Is expected.

固体高分子型燃料電池はプロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に一対の電極を設け、純水素あるいは改質水素を燃料ガスとして一方の電極(燃料極)へ供給し、酸素ガスあるいは空気を酸化剤としてもう一方の電極(空気極)へ供給し、発電を行うものである。   A polymer electrolyte fuel cell is provided with a pair of electrodes on both sides of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane, supplies pure hydrogen or reformed hydrogen as a fuel gas to one electrode (fuel electrode), oxygen gas or air Is supplied as an oxidant to the other electrode (air electrode) to generate electricity.

かかる燃料電池の電極は触媒成分が分散した電極電解質から構成され(このため電極は、電極触媒層ということもある)、燃料極側の電極触媒層は、燃料ガスから、プロトンと電子を発生させ、空気極側の電極触媒層で酸素とプロトンと電子とから水を生成し、固体高分子電解質膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、かかる電極触媒層を通して電力が取り出される。   The electrode of such a fuel cell is composed of an electrode electrolyte in which a catalyst component is dispersed (for this reason, the electrode is sometimes referred to as an electrode catalyst layer), and the electrode catalyst layer on the fuel electrode side generates protons and electrons from the fuel gas. Water is generated from oxygen, protons and electrons in the electrode catalyst layer on the air electrode side, and the solid polymer electrolyte membrane conducts protons in ionic conduction. And electric power is taken out through this electrode catalyst layer.

従来、固体高分子型燃料電池では、電極触媒層の電解質として、Nafion(商標)に代表されるパーフルオロアルキルスルホン酸系高分子が使用されている。この材料は優れたプロトン伝導性を有しているが、非常に高価であり、また分子内にフッ素原子を大量に有していることから、燃焼性が小さく、電極触媒に用いられる白金などの高価な貴金属の回収再利用を非常に困難にしている問題がある。
一方これにかわる材料として、種々の非パーフルオロアルキルスルホン酸系高分子の検討も行われている。特に発電効率の高い、高温条件で用いることを狙い、耐熱性の高い芳香族スルホン酸系高分子を電解質として用いることが試みられている。
Conventionally, in a polymer electrolyte fuel cell, a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer represented by Nafion (trademark) is used as an electrolyte of an electrode catalyst layer. Although this material has excellent proton conductivity, it is very expensive and has a large amount of fluorine atoms in the molecule, so that it has low combustibility and is used for the electrode catalyst such as platinum. There is a problem that makes it very difficult to recover and reuse expensive precious metals.
On the other hand, various non-perfluoroalkylsulfonic acid polymers have been studied as alternative materials. In particular, an attempt has been made to use an aromatic sulfonic acid polymer having a high heat resistance as an electrolyte with the aim of using it under high temperature conditions with high power generation efficiency.

たとえば、特開2005−50726号公報(特許文献1)には、スルホン化ポリアリーレン重合体を電極電解質として用いることが開示されており、さらに、特開2004−253267号公報(特許文献2)には、特定のスルホン化ポリアリーレンを用いることが開示されている。
特開2005−50726号公報 特開2004−253267号公報
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-50726 (Patent Document 1) discloses the use of a sulfonated polyarylene polymer as an electrode electrolyte, and further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-253267 (Patent Document 2). Discloses the use of certain sulfonated polyarylenes.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-50726 JP 2004-253267 A

しかしながらこれらの従来より電解質として知られていた材料は、氷点下では水の凍結により水素イオンの伝導性が大幅に低下するという問題があった。寒冷地を含めた広範囲への普及を考慮すると特に水が凍結する0℃以下で燃料電池を安定に起動、もしくは作動させることは、この分野の重要な課題である。   However, these conventional materials known as electrolytes have a problem that the conductivity of hydrogen ions is significantly reduced by freezing of water below freezing point. Considering the widespread use including cold regions, it is an important issue in this field to stably start or operate the fuel cell particularly at 0 ° C. or below where water freezes.

すなわち、本発明の課題は、前述のような、価格的な問題や、触媒金属の回収に関する問題を解決するとともに、低温の環境下でも十分な機能を発揮できる、固体高分子型燃料電池用電極電解質を提供し、さらに該電解質を含む、電極ペースト、電極、触媒付電解質膜を提供するものである。   That is, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problem of cost and the problem of recovery of catalytic metal, and to exhibit a sufficient function even in a low temperature environment, and an electrode for a polymer electrolyte fuel cell The present invention provides an electrolyte, and further provides an electrode paste, an electrode, and a catalyst-attached electrolyte membrane containing the electrolyte.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、パルスNMR法を用いて、低温下でのプロトン伝導膜中に含まれる凍結していない水の量と、その自己拡散係数を測定する方法を見出した。次にそれぞれの値と、低温でのプロトン伝導度との相関を検討した結果、凍結していない水の量と自己拡散係数を掛け合わせた値が特定の範囲となる重合体を設計することによって、低温発電特性に優れた電極電解質膜が得られることを見出した。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. The amount of non-frozen water contained in the proton conducting membrane at low temperature and its self-diffusion coefficient are measured using a pulsed NMR method. I found a way to measure. Next, as a result of examining the correlation between each value and proton conductivity at low temperature, by designing a polymer in which the value obtained by multiplying the amount of unfrozen water and the self-diffusion coefficient falls within a specific range. The inventors have found that an electrode electrolyte membrane having excellent low-temperature power generation characteristics can be obtained.

さらにこの重合体は、フッ素原子を含まないか、あるいは含んでもその含有量が大幅に低減されており、前述のような触媒金属の回収再利用に対する問題の解決が可能できることを見出し、本発明を完成するに至った。   Furthermore, this polymer does not contain a fluorine atom, or even if it contains it, its content has been greatly reduced, and it has been found that the above-mentioned problems relating to the recovery and reuse of catalyst metals can be solved. It came to be completed.

本発明の構成は以下の通りである。
[1]イオン伝導性ポリマーセグメント(A)および非イオン伝導性ポリマーセグメント(
B)を有する共重合体を含む電極電解質であって、
該電解質は、水中に浸漬させて90℃で30分間加温して吸水させた後、−20℃に冷却したときにおいて、吸水された水のうち凍結していない水の重量[g](共重合体1g当たり)と、−20℃において測定された自己拡散係数[×10-102/s]との乗数(掛け合わせた値)が、0.2〜1.5の範囲にある高分子型燃料電池用電極電解質。
[2]−20℃において凍結していない水の自己拡散係数が、0.40×10-102/s以
上である[1]の高分子型燃料電池用電極電解質。
[3]上記イオン伝導性ポリマーセグメント(A)が、下記一般式(A)で表される構成単
位を含み、
上記非イオン伝導性ポリマーセグメント(B)が、下記一般式(B)で表される構成単位を含む[1]〜[2]の高分子型燃料電池用電極電解質;
The configuration of the present invention is as follows.
[1] Ion conductive polymer segment (A) and non-ion conductive polymer segment (
An electrode electrolyte comprising a copolymer having B),
The electrolyte was immersed in water, heated at 90 ° C. for 30 minutes to absorb water, and then cooled to −20 ° C. When the water was absorbed, the weight of the water that was not frozen [g] (both High per 1 g of polymer) and a multiplier (multiplied value) of self-diffusion coefficient [× 10 −10 m 2 / s] measured at −20 ° C. in the range of 0.2 to 1.5. Electrode electrolyte for molecular fuel cells.
[2] The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to [1], wherein the self-diffusion coefficient of water not frozen at −20 ° C. is 0.40 × 10 −10 m 2 / s or more.
[3] The ion conductive polymer segment (A) includes a structural unit represented by the following general formula (A):
The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte of [1] to [2], wherein the non-ion conductive polymer segment (B) includes a structural unit represented by the following general formula (B):

Figure 0004879639
Figure 0004879639

(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくと
も1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表
される置換基を有する芳香族基を示す。mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示し、pは1〜12の整数を示す。)
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p An aromatic group having a substituent represented by SO 3 H. m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, k represents an integer of 1 to 4, and p represents 1 Represents an integer of ~ 12)

Figure 0004879639
Figure 0004879639

…(B)
(式中、Aは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、
−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(R’)2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基お
よびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R11は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フ
ッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。Xは−CO−または、−SO2−を示し、Ar’は芳香族基を示し、
tは0〜4の整数を示し、rは1以上の整数を示す。)
[4]上記一般式(A)で表される構成単位において、Yは−CO−であり、Arは−SO3Hで表される置換基を有する芳香環であり、mは0、nが0であるイオン伝導性ポリマーセグメント(A’)であり、
上記一般式(B)で表される構成単位において、Aは独立に直接結合または−C(R’)2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基からな
る群から選ばれる少なくとも1種の基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造であり、Bは酸素原子であり、R1〜R16は水素原子である非イオン伝導性セグメント(B’)である[1]〜[3]の高分
子型燃料電池用電極電解質。
[5][1]〜[4]の電解質と触媒粒子および溶媒を含むことを特徴とする電極ペースト。
[6][1]〜[4]の電解質と触媒粒子とを含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極

[7][6]の電極を、高分子電解質膜の少なくとも片面に備える膜−電極接合体。
... (B)
(In the formula, A is independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—,
-COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (R ') 2 - (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), at least one selected from the group consisting of a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, and —S—. Wherein B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 11 may be the same as or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated And at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group. X represents —CO— or —SO 2 —, Ar ′ represents an aromatic group,
t represents an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 1 or more. )
[4] In the structural unit represented by the general formula (A), Y is —CO—, Ar is an aromatic ring having a substituent represented by —SO 3 H, m is 0, and n is An ion conducting polymer segment (A ′) that is 0,
In the structural unit represented by the general formula (B), A is independently a direct bond or —C (R ′) 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group. And at least one group selected from the group consisting of cyclohexylidene group, fluorenylidene group, and -O-, B is an oxygen atom, R 1 to R 16 is a non-ion conductive segment of a hydrogen atom (B ') [1] ~ polymer fuel cell electrode electrolyte [3].
[5] An electrode paste comprising the electrolyte of [1] to [4], catalyst particles, and a solvent.
[6] An electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the electrolyte of [1] to [4] and catalyst particles.
[7] A membrane-electrode assembly comprising the electrode of [6] on at least one surface of a polymer electrolyte membrane.

本発明によれば、安価で、触媒金属の回収が容易であり、プロトン伝導性や寸法安定性に優れ、低温発電特性に優れた、固体高分子型燃料電池用電極電解質が提供される。さらに該電解質を含む、電極ペースト、電極、触媒付電解質膜を提供し、固体高分子型燃料電池の発電性能向上に寄与するものである。 According to the present invention, there is provided an electrode electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell that is inexpensive, easily recovers a catalytic metal, has excellent proton conductivity and dimensional stability, and has excellent low-temperature power generation characteristics. Furthermore, the present invention provides an electrode paste, an electrode, and a catalyst-attached electrolyte membrane containing the electrolyte, and contributes to improvement in power generation performance of a solid polymer fuel cell.

(電極電解質)
本発明の固体高分子型燃料電池用電極電解質は、イオン伝導性ポリマーセグメント(A)および非イオン伝導性ポリマーセグメント(B)を有する共重合体を含む電極電解質膜であって、
該電解質は、水中に浸漬させて90℃、30分間加温した後、−20℃に冷却した時、−20℃において測定した凍結していない水の重量[g](共重合体1g当たり)と、−20℃において測定された自己拡散係数[×10-102/s]との乗数(掛け合わせた値)が、0.2〜1.5の範囲にあり、好ましくは0.20〜1.00である。
(Electrode electrolyte)
An electrode electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is an electrode electrolyte membrane comprising a copolymer having an ion conductive polymer segment (A) and a non-ion conductive polymer segment (B),
The electrolyte was immersed in water, heated at 90 ° C. for 30 minutes, and then cooled to −20 ° C. When the electrolyte was cooled to −20 ° C., the weight of non-frozen water measured at −20 ° C. (per 1 g of copolymer) And a self-diffusion coefficient [× 10 −10 m 2 / s] measured at −20 ° C. (multiplied value) is in the range of 0.2 to 1.5, preferably 0.20. ~ 1.00.

前記乗算値が上記範囲内であるとその水が凍結することなく、水素イオンが膜中を拡散しており低温下でも十分なプロトン伝導度を得ることができる。
一方、上記範囲より少ないと、イオン伝導性基に吸着された水が少なく、十分なプロトン伝導性を発現できない。また、上記範囲を超えると、プロトン伝導膜の膨潤・寸法変化が大きく、燃料電池の発電中に電極層面との剥れ、電極層のひび割れなどが発生する傾向にある。
If the multiplication value is within the above range, the water does not freeze, and hydrogen ions diffuse in the membrane, so that sufficient proton conductivity can be obtained even at low temperatures.
On the other hand, if the amount is less than the above range, the amount of water adsorbed on the ion conductive group is small and sufficient proton conductivity cannot be exhibited. On the other hand, if the above range is exceeded, swelling and dimensional changes of the proton conducting membrane are large, and there is a tendency for peeling from the electrode layer surface and cracking of the electrode layer during power generation of the fuel cell.

前記自己拡散係数 [×10-102/s] が、0.40以上好ましくは0.50以上であることが望ましい。当該自己拡散係数が上記範囲内であるとその水が凍結することな
く、水素イオンが膜中を拡散しており低温でも十分なプロトン伝導度を得ることができる。
The self-diffusion coefficient [× 10 −10 m 2 / s] is 0.40 or more, preferably 0.50 or more. When the self-diffusion coefficient is within the above range, the water does not freeze and hydrogen ions are diffused in the membrane, so that sufficient proton conductivity can be obtained even at a low temperature.

一方、上記範囲より少ないと、イオン伝導性基に吸着された水が少なく、また、十分な水素イオンの拡散速度が得られず、十分なイオン伝導度を発現できない。
電極電解質中の−20℃における凍結していない水分量と水の自己拡散係数の測定は以下のようにして行われる。
On the other hand, if the amount is less than the above range, the amount of water adsorbed on the ion conductive group is small, and a sufficient diffusion rate of hydrogen ions cannot be obtained, so that sufficient ion conductivity cannot be expressed.
The measurement of the amount of unfrozen water in the electrode electrolyte at −20 ° C. and the self-diffusion coefficient of water is performed as follows.

いずれの測定も、電極電解質を、水中に浸漬させて90℃、30分間加温後、水から取り出し、膜表面の水を完全に取り除く。その後、膜を−80℃まで急冷し、−80℃のまま30分間置き、次いで5分毎に10℃ずつ温度を上げ、−20℃に達してから60分間−20℃に保ったものを試料とする。   In any measurement, the electrode electrolyte is immersed in water, heated at 90 ° C. for 30 minutes, and then taken out of the water to completely remove the water on the membrane surface. Thereafter, the membrane was rapidly cooled to −80 ° C., left at −80 ° C. for 30 minutes, then increased by 10 ° C. every 5 minutes, and after reaching −20 ° C., kept at −20 ° C. for 60 minutes. And

電極電解質中の−20℃における凍結していない水分量は、パルスNMRを用いて測定し、NMRで観測されたFID(自由減衰)信号の強度から検量線を用いて算出する。
また、電極電解質中の−20℃における水の自己拡散係数は、磁場勾配とスピンエコー法を用いた公知の磁場勾配NMR法を用いた測定を行い求める。
The amount of moisture that is not frozen at −20 ° C. in the electrode electrolyte is measured using pulsed NMR, and is calculated using a calibration curve from the intensity of the FID (free decay) signal observed by NMR.
The self-diffusion coefficient of water at −20 ° C. in the electrode electrolyte is obtained by measurement using a known magnetic field gradient NMR method using a magnetic field gradient and a spin echo method.

共重合体
本発明において、電極電解質を形成する材料は、イオン伝導性ポリマーセグメント(A)および非イオン伝導性ポリマーセグメント(B)を有する共重合体からなる。
Copolymer In the present invention, the material for forming the electrode electrolyte is a copolymer having an ion conductive polymer segment (A) and a non-ion conductive polymer segment (B).

本発明において、電極電解質を形成する共重合体としては、下記一般式(A)で表される繰り返し構成単位(セグメント(A))と、下記一般式(B)で表される繰り返し構成単位(セグメント(B))とを含むスルホン酸基を有するポリアリーレン、例えば、下記一般式(C)で表されるスルホン酸基を有するポリアリーレンであることが好ましい。   In the present invention, the copolymer forming the electrode electrolyte includes a repeating structural unit represented by the following general formula (A) (segment (A)) and a repeating structural unit represented by the following general formula (B) ( A polyarylene having a sulfonic acid group containing a segment (B)), for example, a polyarylene having a sulfonic acid group represented by the following general formula (C) is preferable.

下記一般式(C)で表される共重合体を用いると、耐水性、機械的強度が向上するため、イオン交換容量を向上でき、それに伴い、−20℃における凍結していない水の水分量、水の自己拡散係数も増加し、プロトン伝導度も向上するため、なお好ましい。   When a copolymer represented by the following general formula (C) is used, water resistance and mechanical strength are improved, so that the ion exchange capacity can be improved, and accordingly, the moisture content of unfrozen water at −20 ° C. Further, the self-diffusion coefficient of water is increased, and the proton conductivity is also improved.

(スルホン酸基を有するポリアリーレン)
本発明に好適に使用されるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、下記一般式(A)で表される繰り返し構成単位と、下記一般式(B)で表される構成単位とを含んでいる。
(Polyarylene having a sulfonic acid group)
The polyarylene having a sulfonic acid group suitably used in the present invention includes a repeating structural unit represented by the following general formula (A) and a structural unit represented by the following general formula (B).

Figure 0004879639
Figure 0004879639

式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l
−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。好ましくは、Yは−CO−である。
In the formula, Y represents —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) l.
It represents at least one structure selected from the group consisting of — (l is an integer of 1 to 10) and —C (CF 3 ) 2 —. Preferably Y is -CO-.

Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。
Arは−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表され
る置換基を有する芳香族基を示す。好ましくは、Arは−SO3Hである。
Z is a direct bond or at least one selected from the group consisting of — (CH 2 ) 1 — (wherein 1 is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 —, —O—, and —S—. The structure of the species is shown.
Ar represents an aromatic group having a substituent represented by —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H. Preferably Ar is —SO 3 H.

m、nは0〜10の整数を示す。好ましくは、m=n=1である。kは1〜4の整数を示す。pは1〜12の整数を示す。   m and n represent an integer of 0 to 10. Preferably, m = n = 1. k shows the integer of 1-4. p represents an integer of 1 to 12.

Figure 0004879639
Figure 0004879639

式中、Aは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−
COO−、−(CF2)l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2)l−(lは1〜10の整数である)、−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲ
ン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示す。好ましくは、直接結合、または−CR’2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基を
示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造である。
In the formula, A is independently a direct bond, or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —
COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —CR ′ 2 — (R ′ is An aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, -O-, and -S-. . Preferably, a direct bond, or —CR ′ 2 — (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, — It is at least one structure selected from the group consisting of S-.

Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、好ましくは酸素原子である。
1〜R11は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フッ素原子、アルキル
基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。好ましくは水素原子である。
B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, preferably an oxygen atom.
R 1 to R 11 may be the same as or different from each other, and may be a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, a halogenated alkyl group partially or wholly halogenated, an allyl group, an aryl group, a nitro group, or a nitrile group. At least one atom or group selected from the group consisting of Preferably it is a hydrogen atom.

Xは−CO−または、−SO2−を示し、好ましくは−CO−である。
Ar’は芳香族基を示し、具体的には、フェニル基、ナフチル基が挙げられる。
tは0〜4の整数を示す。
X represents —CO— or —SO 2 —, preferably —CO—.
Ar ′ represents an aromatic group, and specific examples include a phenyl group and a naphthyl group.
t shows the integer of 0-4.

rは1以上の整数を示す。
スルホン酸基を有するポリアリーレンは、具体的には下記一般式(C)で表される重合体である。
r represents an integer of 1 or more.
Specifically, the polyarylene having a sulfonic acid group is a polymer represented by the following general formula (C).

Figure 0004879639
Figure 0004879639

(式(C)中、Ar、Ar’、A、B、X、Y、Z、k、m、n、r、t、およびR1
11は、それぞれ上記一般式(A)および(B)中のAr、Ar’、A、B、X、Y、Z、k、m、n、r、t、およびR1〜R11と同義である。)
本発明で用いられるスルホン酸基を有するポリアリーレンは、上記一般式(A)で表される構成単位(xの比率)を0.5〜99.999モル%、好ましくは10〜99.999モル%の割合で、上記一般式(B)で表される構成単位(yの比率)を99.5〜0.001モル%、好ましくは90〜0.001モル%の割合で含有している。
<ポリマーの製造方法>
スルホン酸基を有するポリアリーレンの製造には、例えば下記に示すA法、B法、C法の3通りの方法を用いることができる。
(In the formula (C), Ar, Ar ′, A, B, X, Y, Z, k, m, n, r, t, and R 1 to
R 11 is synonymous with Ar, Ar ′, A, B, X, Y, Z, k, m, n, r, t, and R 1 to R 11 in the general formulas (A) and (B), respectively. It is. )
The polyarylene having a sulfonic acid group used in the present invention contains 0.5 to 99.999 mol%, preferably 10 to 99.999 mol, of the structural unit represented by the general formula (A) (ratio of x). The structural unit represented by the above general formula (B) (ratio of y) is contained in a ratio of 99.5 to 0.001 mol%, preferably 90 to 0.001 mol%.
<Method for producing polymer>
For the production of polyarylene having a sulfonic acid group, for example, the following three methods, Method A, Method B and Method C, can be used.

(A法)
例えば、特開2004−137444号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、スルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを製造し、このスルホン酸エステル基を脱エステル化して、スルホン酸エステル基をスルホン酸基に変換することにより合成することができる。
(Method A)
For example, in the method described in JP-A No. 2004-137444, a monomer having a sulfonate group that can be a structural unit represented by the general formula (A), and a structural unit represented by the general formula (B) A polyarylene having a sulfonic acid ester group is produced by copolymerization with a monomer or oligomer that can be synthesized, and the sulfonic acid ester group is deesterified, and then the sulfonic acid ester group is converted into a sulfonic acid group. be able to.

(B法)
例えば、特開2001−342241号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される骨格を有しスルホン酸基、スルホン酸エステル基を有しないモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、この重合体を、スルホン化剤を用いて、スルホン化することにより合成することもできる。
(Method B)
For example, in the method described in JP-A No. 2001-342241, a monomer having a skeleton represented by the general formula (A) and having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group, and the general formula (B) It is also possible to synthesize this polymer by copolymerizing a monomer or oligomer that can be a structural unit represented and sulfonating the polymer using a sulfonating agent.

(C法)
一般式(A)において、Arが−O(CH2)pSO3Hまたは−O(CF2)pSO3Hで表される置換基を有する芳香族基である場合には、例えば、特開2005−60625号公報に記載の方法で、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、次にアルキルスルホン酸またはフッ素置換されたアルキルスルホン酸を導入する方法で合成することもできる。
(A法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸エステル基を有するモノマーの具体的な例として、特開2004−137444、特開2004−345997号公報、特開2004−346163号公報に記載されているスルホン酸エステル類を挙げることができる。
(B法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるスルホン酸基、またはスルホン酸エステル基を有しないモノマーの具体的な例として、特開2001−342241号公報、特開2002−293889号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。
(C法)において用いることのできる、上記一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーの具体的な例として、特開2005−36125号公報に記載されているジハロゲン化物を挙げることができる。
(Method C)
In the general formula (A), when Ar is an aromatic group having a substituent represented by —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p SO 3 H, for example, A precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A) and a monomer or oligomer that can be a structural unit represented by the general formula (B) by the method described in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-60625 Can be synthesized by a method in which an alkylsulfonic acid or a fluorine-substituted alkylsulfonic acid is introduced.
As specific examples of the monomer having a sulfonic acid ester group that can be used in (Method A) and can be the structural unit represented by the general formula (A), JP-A Nos. 2004-137444 and 2004-345997 are disclosed. Examples thereof include sulfonic acid esters described in JP-A-2004-346163.
As a specific example of a monomer having no sulfonic acid group or sulfonic acid ester group that can be a structural unit represented by the above general formula (A) that can be used in (Method B), JP-A-2001-342241 Examples thereof include dihalides described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293889.
Specific examples of precursor monomers that can be used in (Method C) and can be structural units represented by the above general formula (A) include dihalides described in JP-A-2005-36125. Can be mentioned.

また、いずれの方法においても用いられる、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマーまたはオリゴマーの具体的な例として、以下のような化合物を挙げることができる。ここで、Dは塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子を示す。   Moreover, the following compounds can be mentioned as a specific example of the monomer or oligomer which can be used in any method and can be the structural unit represented by the general formula (B). Here, D represents a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom.

Figure 0004879639
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さらに、例えば下記のような共重合体も用いることができる。   Furthermore, for example, the following copolymers can also be used.

Figure 0004879639
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スルホン酸基を有するポリアリーレンを得るためは、まず、これらの、上記一般式(A)で表される構造単位となりうるモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーとを共重合させ、前駆体のポリアリーレンを得ることが必要である。この共重合は、触媒の存在下に行われるが、この際使用される触媒は、遷移金属化合物を含む触媒系であり、この触媒系としては、(1)遷移金属塩および配位子となる化合物(以下、「配位子成分」という。)、または配位子が配位された遷移金属錯体(銅塩を含む)、ならびに(2)還元剤を必須成分とし、さらに、重合速度を上げるために、「塩」を添加してもよい。   In order to obtain a polyarylene having a sulfonic acid group, first, a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A) and a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), Alternatively, it is necessary to copolymerize with an oligomer to obtain a precursor polyarylene. This copolymerization is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst used in this case is a catalyst system containing a transition metal compound. This catalyst system is (1) a transition metal salt and a ligand. A compound (hereinafter referred to as “ligand component”) or a transition metal complex coordinated with a ligand (including a copper salt) and (2) a reducing agent as essential components, and further increase the polymerization rate. Therefore, “salt” may be added.

これらの触媒成分の具体的な例、各成分の使用割合、反応溶媒、濃度、温度、時間等の重合条件としては、特開2001−342241号公報に記載の化合物を挙げることができる。   Specific examples of these catalyst components, the use ratio of each component, the polymerization conditions such as the reaction solvent, concentration, temperature, time, etc. include the compounds described in JP-A No. 2001-342241.

スルホン酸基を有するポリアリーレンは、この前駆体のポリアリーレンをスルホン酸基を有するポリアリーレンに変換して得ることができる。この方法としては、下記の3通りの方法がある。
(A法)
前駆体のスルホン酸エステル基を有するポリアリーレンを、特開2004−137444号公報に記載の方法で脱エステル化する方法。
(B法)
前駆体のポリアリーレンを、特開2001−342241号公報に記載の方法でスルホン化する方法。
(C法)
前駆体のポリアリーレンに、特開2005−60625号公報に記載の方法で、アルキルスルホン酸基を導入する方法。
The polyarylene having a sulfonic acid group can be obtained by converting the precursor polyarylene to a polyarylene having a sulfonic acid group. As this method, there are the following three methods.
(Method A)
A method of deesterifying a polyarylene having a sulfonate group of a precursor by a method described in JP-A-2004-137444.
(Method B)
A method of sulfonating a precursor polyarylene by a method described in JP-A No. 2001-342241.
(Method C)
A method of introducing an alkylsulfonic acid group into the precursor polyarylene by the method described in JP-A-2005-60625.

上記のような方法により製造される、一般式(C)のスルホン酸基を有するポリアリーレンの、イオン交換容量は通常0.3〜5meq/g、好ましくは0.5〜3meq/g、さらに好ましくは0.8〜2.8meq/gである。0.3meq/g未満では、プロトン伝導度が低く発電性能が低い。一方、5meq/gを超えると、耐水性が大幅に低下してしまうことがあるため好ましくない。   The polyarylene having a sulfonic acid group of the general formula (C) produced by the above method has an ion exchange capacity of usually 0.3 to 5 meq / g, preferably 0.5 to 3 meq / g, more preferably Is 0.8 to 2.8 meq / g. If it is less than 0.3 meq / g, the proton conductivity is low and the power generation performance is low. On the other hand, if it exceeds 5 meq / g, the water resistance may be significantly lowered, which is not preferable.

上記のイオン交換容量は、例えば一般式(A)で表される構造単位となりうる前駆体のモノマーと、上記一般式(B)で表される構造単位となりうるモノマー、またはオリゴマーの種類、使用割合、組み合わせを変えることにより、調整することができる。具体的には、前記した組成比となるようにモノマーの割合を変えればよい。   The ion exchange capacity is, for example, a precursor monomer that can be a structural unit represented by the general formula (A), a monomer that can be a structural unit represented by the general formula (B), or the kind of oligomer, and the use ratio. It can be adjusted by changing the combination. Specifically, the monomer ratio may be changed so that the composition ratio is as described above.

このようにして得られるスルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、ゲルパーミエションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量で、1万〜100万、好ましくは2万〜80万である。   The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group thus obtained is 10,000 to 1,000,000, preferably 20,000 to 800,000 in terms of polystyrene-equivalent weight average molecular weight by gel permeation chromatography (GPC).

(電極電解質の製造)
上記共重合体から電極電解質を製造するには、例えば該共重合体と有機溶媒とからなる組成物を調製し、この組成物を用いてキャスティングにより、基体上に流延し、フィルム状に成形するキャスティング法などのより、フィルムを製造する方法がある。
(Manufacture of electrode electrolyte)
In order to produce an electrode electrolyte from the copolymer, for example, a composition comprising the copolymer and an organic solvent is prepared, cast on the substrate by casting using the composition, and formed into a film shape. There is a method for producing a film, such as a casting method.

なお、上記組成物はセグメント(A)およびセグメント(B)からなる共重合体および有機溶媒以外に、硫酸、リン酸などの無機酸、カルボン酸を含む有機酸、適量の水などが含まれても良い。   In addition, the said composition contains inorganic acid, such as a sulfuric acid and phosphoric acid, organic acid containing carboxylic acid, appropriate amount of water, etc. other than the copolymer and organic solvent which consist of segment (A) and segment (B). Also good.

組成物中のポリマー濃度は、セグメント(A)およびセグメント(B)からなる共重合体の分子量にもよるが、通常、5〜40重量%、好ましくは7〜25重量%である。5重量%未満では、厚膜化し難く、また、ピンホールが生成しやすくなることがある。一方、40重量%を超えると、溶液粘度が高すぎてフィルム化し難く、また、表面平滑性に欠けることがある。   The polymer concentration in the composition is usually 5 to 40% by weight, preferably 7 to 25% by weight, although it depends on the molecular weight of the copolymer comprising the segment (A) and the segment (B). If it is less than 5% by weight, it is difficult to increase the film thickness, and pinholes may be easily generated. On the other hand, if it exceeds 40% by weight, the solution viscosity is so high that it is difficult to form a film, and surface smoothness may be lacking.

組成物の溶液粘度は、共重合体の分子量や、ポリマー濃度にもよるが、通常、2,000〜100,000mPa・s、好ましくは3,000〜50,000mPa・sである。2,000mPa・s未満では、加工中の溶液の滞留性が悪く、基体から流れてしまうことがあり。一方、100,000mPa・sを超えると、高粘度過ぎて、ダイからの押し出しができず、流延法によるフィルム化が困難となることがある。   The solution viscosity of the composition is usually 2,000 to 100,000 mPa · s, preferably 3,000 to 50,000 mPa · s, although it depends on the molecular weight of the copolymer and the polymer concentration. If it is less than 2,000 mPa · s, the retention of the solution during processing is poor, and it may flow from the substrate. On the other hand, when it exceeds 100,000 mPa · s, the viscosity is too high to be extruded from the die, and it may be difficult to form a film by the casting method.

組成物は、例えば上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法、例えばウエーブローター、ホモジナイザー、ディスパーサー、ペイントコンディショナー、ボールミルなどの混合機を用いて混合することにより調製することができる。   The composition can be prepared, for example, by mixing the above-described components at a predetermined ratio and mixing them using a conventionally known method, for example, a mixer such as a wafer blower, homogenizer, disperser, paint conditioner, or ball mill. .

用いられる有機溶媒としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル1−プロパノール、シクロヘキサノール、ジシクロヘキサノール、1−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペ
ンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1.3―ブタンジオール、グリセロール、m−クレゾール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、エチルラクテート、n―ブチルラクテート、ジアセトンアルコール、ジオキサン、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、フラン、テトラヒドロフラン、アニソール、フェネトール、アセタール、アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノン、アセトフェノン、メシチルオキサイド、ベンズアルデヒド、酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸イソアミル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ―ブチロラクトン、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、ジメチルジエチレングリコール、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、ジエチルサルフィド、アセトニトリル、ブチロニトリル、ニトロメタン、ニトロエタン、2−ニトロプロパン、ニトロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、シクロヘキサン、シメチルアセアミド、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンなどを挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもでき、そのうち1種類以上は、−O−、−OH、−CO−、−SO2−、−SO3−、−CNおよび−CO2−からなる基を少なくとも1種類以上有する有機溶媒であることが好ましい。
As an organic solvent used, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl -1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl 1-propanol, cyclohexanol, dicyclohexanol, 1-hexanol, 2 -Methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclo Hexanol, 4-methylcyclohexanol, 1-octanol, 2-octa 2-ethyl-1-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol, 1.3-butanediol, glycerol, m-cresol, diethylene glycol, dipropylene glycol, ethyl lactate, n-butyl lactate, diacetone alcohol, dioxane, Butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzylethyl ether, furan, tetrahydrofuran, anisole, phenetole, acetal, Acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2- Butanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone, acetophenone, mesityl oxide, benzaldehyde, ethyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, isoamyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, γ-butyrolactone, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2-propanol, dimethyldiethylene glycol, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, diethyl sulfide, acetonitrile, butyronitrile, nitromethane, nitroethane, -Nitropropane, nitrobenzene, benzene, toluene, xylene, hexane, cyclohexane, dimethylaceamide, dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, tetramethylurea, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone and the like can be illustrated, it can also be used in combination of one or more, of which one or more, -O -, - OH, -CO -, - SO 2 -, - SO 3 -, - CN and An organic solvent having at least one group composed of —CO 2 — is preferable.

上記基体としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどが挙げられるが、これに限定されるものではなく、通常の溶液キャスティング法に用いられる基体であれば、如何なる素材でもよく、例えばプラスチック製でも、金属製でも特に制限されるものではない。   Examples of the substrate include a polyethylene terephthalate (PET) film, but are not limited to this, and any material may be used as long as it is a substrate used in a normal solution casting method. Even if it is manufactured, it is not particularly limited.

上記キャスティング法による製膜後、30〜160℃、好ましくは50〜150℃で3〜180分、好ましくは5〜120分乾燥することにより、フィルム(電極電解質)を得ることができる。その乾燥膜厚は、通常、10〜100μm、好ましくは20〜80μmである。乾燥後、膜中に溶媒が残存する場合は、必要に応じて、水抽出により脱溶媒することもできる。   After film formation by the above casting method, a film (electrode electrolyte) can be obtained by drying at 30 to 160 ° C., preferably 50 to 150 ° C. for 3 to 180 minutes, preferably 5 to 120 minutes. The dry film thickness is usually 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm. If the solvent remains in the membrane after drying, the solvent may be removed by water extraction as necessary.

なお本発明に係る電極電解質には、セグメント(A)およびセグメント(B)からなるポリマーのみから構成されるものであっても、さらに他の電解質を含んでいてもよい。他の電解質としては、従来より用いられていたNafion、Flemion、Aciplexも代表されるパーフルオロカーボン重合体、ポリスチレンスルホン酸などのビニル系ポリマーのスルホン化物、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトンなどの耐熱性高分子に、スルホン酸基またはリン酸基を導入したポリマーなどの有機系ポリマーが挙げられる。他の電解質を含む場合、その使用割合は、全電極電解質中に50重量%以下、好適には30重量%であることが望ましい。   The electrode electrolyte according to the present invention may be composed of only the polymer composed of the segment (A) and the segment (B), or may further contain another electrolyte. Other electrolytes include perfluorocarbon polymers such as Nafion, Flemion, and Aciplex that have been used in the past, sulfonated products of vinyl polymers such as polystyrene sulfonic acid, polybenzimidazole, polyether ether ketone, and other heat resistance Examples of the polymer include organic polymers such as a polymer in which a sulfonic acid group or a phosphoric acid group is introduced. When other electrolytes are included, the ratio of use is desirably 50% by weight or less, preferably 30% by weight in the total electrode electrolyte.

本発明の電極電解質は、例えば一次電池用電解質、二次電池用電解質、表示素子、各種センサー、信号伝達媒体、固体コンデンサー、イオン交換膜などに利用可能なプロトン伝導性の伝導膜に利用可能である。
(電極ペースト)
本発明の電極ペーストは、上記の電極電解質、触媒粒子、および溶媒からなり、必要に応じて分散剤、炭素繊維などの他の成分を含んでいてもよい。
触媒粒子
触媒粒子は、触媒が、カーボン、金属酸化物の担体に担持されたもの、または、触媒の単体からなる。
The electrode electrolyte of the present invention can be used for proton conductive conductive membranes that can be used for, for example, primary battery electrolytes, secondary battery electrolytes, display elements, various sensors, signal transmission media, solid capacitors, ion exchange membranes, and the like. is there.
(Electrode paste)
The electrode paste of the present invention comprises the above electrode electrolyte, catalyst particles, and a solvent, and may contain other components such as a dispersant and carbon fiber as necessary.
Catalyst particles The catalyst particles are composed of a catalyst supported on carbon or a metal oxide support, or a single catalyst.

触媒としては、白金または白金合金が用いられる。白金合金を使用すると、電極触媒としての安定性や活性をさらに付与させることもできる。このような白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、コバルト、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズから選ばれる1種以上と白金との合金が好ましく、該白金合金には白金と合金化される金属との金属間化合物が含有されていてもよい。   Platinum or a platinum alloy is used as the catalyst. When a platinum alloy is used, stability and activity as an electrode catalyst can be further imparted. Such platinum alloys include platinum group metals other than platinum (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium), iron, cobalt, titanium, gold, silver, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, rhenium. An alloy of platinum and one or more selected from zinc and tin is preferable, and the platinum alloy may contain an intermetallic compound of a metal alloyed with platinum.

触媒は、単体でも、担体に担持された状態でも、触媒粒子を形成している。
上記触媒を担持する担体としては、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。また、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などを用いてもよい。
The catalyst forms catalyst particles, either alone or supported on a carrier.
As the carrier for supporting the catalyst, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black and acetylene black is preferably used in view of the electron conductivity and the specific surface area. Further, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin, and the like may be used.

上記オイルファーネスブラックとしては、キャボット社製「バルカンXC−72」、「バルカンP」、「ブラックパールズ880」、「ブラックパールズ1100」、「ブラックパールズ1300」、「ブラックパールズ2000」、「リーガル400」、ライオン社製「ケッチェンブラックEC」、三菱化学社製「#3150、#3250」などが挙げられる。また、上記アセチレンブラックとしては電気化学工業社製「デンカブラック」などが挙げられる。   Examples of the oil furnace black include “Vulcan XC-72”, “Vulcan P”, “Black Pearls 880”, “Black Pearls 1100”, “Black Pearls 1300”, “Black Pearls 2000”, and “Regal 400” manufactured by Cabot Corporation. “Ketjen Black EC” manufactured by Lion Corporation, “# 3150, # 3250” manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and the like. Examples of the acetylene black include “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo.

これらのカーボンの形態としては、粒子状のほか、繊維状も用いることができる。また、カーボンに担持される触媒の量としては、有効に触媒活性が発揮できる量であれば特に制限されるものではないが、担持量がカーボン重量に対して、0.1〜9.0g-metal/g-carbon、好ましくは0.25〜2.4g-metal/g-carbonの範囲である。   As the form of these carbons, in addition to particles, fibers can also be used. Further, the amount of the catalyst supported on the carbon is not particularly limited as long as the catalyst activity can be effectively exhibited, but the supported amount is 0.1 to 9.0 g- with respect to the carbon weight. Metal / g-carbon, preferably in the range of 0.25 to 2.4 g-metal / g-carbon.

また、担体としては、カーボンの他に、金属酸化物、たとえば、チタニア、酸化亜鉛、シリカ、セリア、アルミナ、アルミナスピネル、マグネシア、ジルコニアなどであってもよい。   In addition to carbon, the carrier may be a metal oxide such as titania, zinc oxide, silica, ceria, alumina, alumina spinel, magnesia, zirconia, and the like.

溶媒
本発明の電極ペーストの溶媒としては、前記電解質を溶解または分散しうる溶媒であればよく、特に限定されるものではない。また1種類のみでなく、2種以上の溶媒を用いることもできる。
Solvent The solvent of the electrode paste of the present invention is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the electrolyte. Further, not only one type but also two or more types of solvents can be used.

具体的には、水、
メタノール、エタノール、n−プロピルアルコール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、2−ブタノール、n−ブチルアルコール、2−メチル−1−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、2−メチル−1−ブタノール、3−メチル−1−ブタノール、2−メチル−2−ブタノール、3−メチル−2−ブタノール、2,2−ジメチル1−プロパノール、シクロヘキサノール、1−ヘキサノー
ル、2−メチル−1−ペンタノール、2−メチル−2−ペンタノール、4−メチル−2−ペンタノール、2−エチル−1−ブタノール、1−メチルシクロヘキサノール、2−メチ
ルシクロヘキサノール、3−メチルシクロヘキサノール、4−メチルシクロヘキサノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−(メトキシメトキシ)エタノール、2−イソプロポキシエタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、などのアルコール類、
エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロールなどの多価アルコール類、
ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジ−n−プロピルエーテル、ブチルエーテル、フェニルエーテル、イソペンチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ビス(2−メトキシエチル)エーテル、ビス(2−エトキシエチル)エーテル、シネオール、ベンジルエチルエーテル、アニソール、フェネトール、アセタールなどのエーテル類、
アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、2,4−ジメチル−3−ペンタノン、2−オクタノンなどのケトン類、
γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル
、酢酸sec-ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3−メトキシブチルアセタート、酪酸メチル、酪酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどのエステル類、
ジメチルスルホキシド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリド
ン、テトラメチル尿素などの非プロトン性極性溶媒、
トルエン、キシレン、ヘプタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの炭化水素系溶媒、を挙げることができ、これらは1種類以上を組み合わせて用いることもできる。
Specifically, water,
Methanol, ethanol, n-propyl alcohol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 2-butanol, n-butyl alcohol, 2-methyl-1-propanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3- Pentanol, 2-methyl-1-butanol, 3-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol, 3-methyl-2-butanol, 2,2-dimethyl 1-propanol, cyclohexanol, 1-hexanol 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-ethyl-1-butanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3- Methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol, 1-octanol, 2-octa Nord, 2-ethyl-1-hexanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2- (methoxymethoxy) ethanol, 2-isopropoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, 1-ethoxy-2-propanol, Alcohols such as
Polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol and glycerol,
Dioxane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, diethyl ether, diisopropyl ether, di-n-propyl ether, butyl ether, phenyl ether, isopentyl ether, 1,2-dimethoxyethane, diethoxyethane, bis (2-methoxyethyl) ether, bis Ethers such as (2-ethoxyethyl) ether, cineol, benzyl ethyl ether, anisole, phenetole, acetal,
Ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, cyclopentanone, cyclohexanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 2,4-dimethyl-3-pentanone, 2-octanone Kind,
γ-butyrolactone, ethyl acetate, propyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, sec-butyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methyl butyrate, ethyl butyrate, methyl lactate, ethyl lactate, lactic acid Esters such as butyl,
Aprotic polar solvents such as dimethyl sulfoxide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, tetramethylurea,
Examples thereof include hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, heptane, hexane, heptane, and octane, and these can be used in combination of one or more.

分散剤
必要に応じて含まれてよい分散剤としては、オレイン酸・N−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、αーオレフィンスルホン酸塩、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛等のアニオン界面活性剤、ベンジルジメチル{2−[2−(P−1,1,3,3−テトラメチルブチルフェノオキ
シ)エトオキシ]エチル}アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラ
デシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、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、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、1−ヒドロキシエチル-2-牛脂イミダゾリン4級塩、2−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、
ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第4級アンモニウムヨウ化物等のカチオン界面活性剤、
および
ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、3−[ω-フルオロアクカノイルーN−エチルアミノ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウ
ム、N−[3-(パーフルオロオクタンスルホンアミド)プロピル]-N,N−ジメチル-N-カルボキシメチレンアンモニウムベタイン等の両性界面活性剤、およびヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:2型)、牛脂肪酸ジエタノールアミド(1:1型)、オレイン酸ジエタノールアミド(1:1型)、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステル、等の非イオン界面活性剤、およびラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン等の両性界面活性剤などを挙げることができる。これらは1種単独で使用しても、2種類以上を組み合わせて用いることもできる。これらのなかでも、好ましくは、塩基性基を有する界面活性剤であり、より好ましくはアニオン性もしくは、カチオン性の界面活性剤であり、さらに好ましくは、分子量5千〜3万の界面活性剤である。
Dispersants Dispersants that may be included as necessary include oleic acid / N-methyltaurine, potassium oleate / diethanolamine salt, alkyl ether sulfate / triethanolamine salt, polyoxyethylene alkyl ether sulfate / triethanolamine salt , Amine salt of special modified polyether ester acid, amine salt of higher fatty acid derivative, amine salt of special modified polyester acid, amine salt of high molecular weight polyether ester acid, amine salt of special modified phosphoric acid ester, high molecular weight polyester acid amidoamine salt , Amidoamine salts of special fatty acid derivatives, alkylamine salts of higher fatty acids, amidoamine salts of high molecular weight polycarboxylic acids, sodium laurate, sodium stearate, sodium oleate sodium lauryl sulfate, Chyl sulfate sodium salt, stearyl sulfate sodium salt, oleyl sulfate sodium salt, lauryl ether sulfate ester salt, sodium alkylbenzene sulfonate, oil-soluble alkylbenzene sulfonate, α-olefin sulfonate, higher alcohol phosphate monoester di Anionic surfactants such as sodium salt, higher alcohol phosphate diester disodium salt, zinc dialkyldithiophosphate, benzyldimethyl {2- [2- (P-1,1,3,3-tetramethylbutylphenoxy) ethoxy] Ethyl} ammonium chloride, octadecylamine acetate, tetradecylamine acetate, octadecyltrimethylammonium chloride, tallow trimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium Chloride, palm trimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride, behenyltrimethylammonium chloride, palm dimethylbenzylammonium chloride, tetradecyldimethylbenzylammonium chloride, octadecyldimethylbenzylammonium chloride, dioleyldimethylammonium chloride, 1-hydroxyethyl-2- Beef tallow imidazoline quaternary salt, 2-heptadecenyl-hydroxyethyl imidazoline,
Stearamide ethyl diethylamine acetate, stearamide ethyl diethylamine hydrochloride, triethanolamine monostearate formate, alkyl pyridium salt, higher alkyl amine ethylene oxide adduct, polyacrylamide amine salt, modified polyacrylamide amine salt, perfluoroalkyl Cationic surfactants such as quaternary ammonium iodides,
And dimethyl coconut betaine, dimethyl lauryl betaine, sodium laurylaminoethylglycine, sodium laurylaminopropionate, stearyl dimethyl betaine, lauryl dihydroxyethyl betaine, amide betaine, imidazolinium betaine, lecithin, 3- [ω-fluoroaccanoyl N -Amphoteric surfactants such as sodium ethylamino] -1-propanesulfonate, N- [3- (perfluorooctanesulfonamido) propyl] -N, N-dimethyl-N-carboxymethyleneammonium betaine, and coconut fatty acid diethanolamine (1: 2 type), coconut fatty acid diethanolamide (1: 1 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 2 type), bovine fatty acid diethanolamide (1: 1 type), oleic acid diethanolamide (1: 1 type) ) Hydroxyethyl lauryl amine, polyethylene glycol lauryl amine, polyethylene glycol coconut amine, polyethylene glycol stearyl amine, polyethylene glycol beef tallow amine, polyethylene glycol beef tallow propylene diamine, polyethylene glycol dioleyl amine, dimethyl lauryl amine oxide, dimethyl stearyl amine oxide, dihydroxyethyl lauryl amine Oxide, perfluoroalkylamine oxide, polyvinylpyrrolidone, higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, fatty acid ester of glycerin, fatty acid ester of pentaerythlit Nonionic surfactants such as sorbite fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, sugar fatty acid ester, and amphoteric surfactants such as sodium laurylaminopropionate, stearyldimethylbetaine, lauryldihydroxyethylbetaine, etc. it can. These can be used alone or in combination of two or more. Among these, a surfactant having a basic group is preferable, an anionic or cationic surfactant is more preferable, and a surfactant having a molecular weight of 5,000 to 30,000 is more preferable. is there.

電極ペーストに上記の分散剤を添加すると、保存安定性および流動性に優れ、塗工時の生産性が向上する。
炭素繊維
本発明に係る電極ペーストでは、必要に応じてさらに触媒が担持されていない炭素繊維を添加することができる。
When the above dispersant is added to the electrode paste, the storage stability and fluidity are excellent, and the productivity during coating is improved.
Carbon fiber In the electrode paste according to the present invention, a carbon fiber on which a catalyst is not supported can be added as necessary.

本発明で必要に応じて用いられる炭素繊維しては、レーヨン系炭素繊維、PAN系炭素繊
維、リグニンポバー系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等を用いることができ、好ましくは、気相成長炭素繊維である。
As carbon fibers used as necessary in the present invention, rayon-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, lignin pover-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, and the like can be used, preferably Vapor grown carbon fiber.

電極ペーストに炭素繊維を添加すると、電極中の細孔容積が増加することにより、燃料ガスや酸素ガスの拡散性が向上し、また、生成する水によるフラッディング等を改善でき、発電性能が向上する。   When carbon fiber is added to the electrode paste, the pore volume in the electrode increases, thereby improving the diffusibility of fuel gas and oxygen gas, and improving the flooding caused by the generated water, thereby improving the power generation performance. .

その他の添加物
本発明に係る電極ペーストでは、必要に応じてさらに他の成分を添加することができる。例えば、フッ素系ポリマーやシリコン系ポリマーなどの撥水剤を添加してもよい。撥水剤は生成する水を効率よく排出する効果をもち、発電性能の向上に寄与する。
Other Additives In the electrode paste according to the present invention, other components can be added as necessary. For example, a water repellent such as a fluorine polymer or a silicon polymer may be added. The water repellent has an effect of efficiently discharging generated water and contributes to improvement of power generation performance.

組成
本発明に係るペースト中の触媒粒子の使用割合は、重量比で1重量%〜20重量%、好ましくは3重量%〜15重量%であることが望ましい。また、電極電解質の使用割合は、重量比で0.5重量%〜30重量%、好ましくは1重量%〜15重量%であることが望ましい。さらに、溶剤の使用割合は、重量比で5重量%〜95重量%、好ましくは15重量
%〜90重量%であることが望ましい。
Composition The usage ratio of the catalyst particles in the paste according to the present invention is 1 to 20% by weight, preferably 3 to 15% by weight. Further, the usage ratio of the electrode electrolyte is 0.5 to 30% by weight, and preferably 1 to 15% by weight. Further, the ratio of the solvent used is 5 to 95% by weight, preferably 15 to 90% by weight.

必要に応じて用いられる分散剤の使用割合は、重量比で0重量%〜10重量%、好ましくは0重量%〜2重量%であり、必要に応じて用いられる炭素繊維の使用割合は、重量比で0重量%〜20重量%、好ましくは1重量%〜10重量%である。(なお、合計で100重量%を超えることはない)
触媒粒子の使用割合が、上記範囲未満であると、電極反応率が低下することがある。また、上記範囲より大きいと、電極ペーストの粘度が増加し、塗工時に塗りむらが発生することがある。
The use ratio of the dispersant used as necessary is 0% by weight to 10% by weight, preferably 0% by weight to 2% by weight, and the use ratio of the carbon fiber used as necessary is The ratio is 0 to 20% by weight, preferably 1 to 10% by weight. (The total amount does not exceed 100% by weight)
When the use ratio of the catalyst particles is less than the above range, the electrode reaction rate may be lowered. On the other hand, if it is larger than the above range, the viscosity of the electrode paste increases and uneven coating may occur during coating.

電解質の使用割合が、上記範囲未満であると、プロトン伝導度が低下する。さらに、バインダーとしての役割を果たせなくなり、電極を形成できない。また、上記範囲より大きいと、電極中の細孔容積が減少する。   When the use ratio of the electrolyte is less than the above range, the proton conductivity decreases. Furthermore, it cannot play the role of a binder, and an electrode cannot be formed. Moreover, when larger than the said range, the pore volume in an electrode will reduce.

溶剤の使用割合が、上記範囲内にあると、発電に必要な電極中の細孔容積が十分確保できる。また上記範囲にあれば、ペーストとしてのハンドリングに好適である。
分散剤の使用割合が、上記範囲内にあると保存安定性に優れた電極ペーストが得られる。炭素繊維の使用割合が、上記範囲未満であると、電極中の細孔容積の増加効果が低い。また、上記範囲より大きいと、電極反応率が低下することがある。
When the use ratio of the solvent is within the above range, a sufficient pore volume in the electrode necessary for power generation can be secured. Moreover, if it exists in the said range, it is suitable for the handling as a paste.
When the use ratio of the dispersant is within the above range, an electrode paste having excellent storage stability can be obtained. When the use ratio of the carbon fiber is less than the above range, the effect of increasing the pore volume in the electrode is low. Moreover, when larger than the said range, an electrode reaction rate may fall.

ペーストの調製
本発明に係る電極ペーストは、例えば上記各成分を所定の割合で混合し、従来公知の方法で混練することにより調製することができる。
Preparation of Paste The electrode paste according to the present invention can be prepared , for example, by mixing the above-mentioned components at a predetermined ratio and kneading by a conventionally known method.

各成分の混合順序は特に限定されないが、例えば全ての成分を混合して一定時間攪拌を行うか、分散剤以外の成分を混合して一定時間攪拌を行った後、必要に応じて分散剤を添加して一定時間攪拌を行うことが好ましい。また、必要に応じて、溶媒の量を調整して、ペーストの粘度を調整してもよい。
(電極および触媒付電解質膜)
以上のような本発明に係る電極ペーストを、転写基材上に塗布し、溶媒を除去すると本発明の電極が得られる。
The order of mixing each component is not particularly limited. For example, all components are mixed and stirred for a certain period of time, or components other than the dispersant are mixed and stirred for a certain period of time, and then a dispersant is added as necessary. It is preferable to add and stir for a certain time. Moreover, you may adjust the quantity of a solvent as needed and may adjust the viscosity of a paste.
(Electrode membrane with electrode and catalyst)
When the electrode paste according to the present invention as described above is applied onto a transfer substrate and the solvent is removed, the electrode of the present invention is obtained.

転写基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系ポリマーからなるシート、または表面を離型剤処理したガラス板や金属板、ポリエチレンテレフタレート(PET)のシートなども用いることができる。   As the transfer substrate, a sheet made of a fluoropolymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), a glass plate or a metal plate whose surface is treated with a release agent, a polyethylene terephthalate (PET) sheet, or the like can be used.

塗布方法としては、刷毛塗り、筆塗り、バーコーター塗布、ナイフコーター塗布、ドクターブレード法、スクリーン印刷、スプレー塗布などがある。
転写基材上に塗布された電極を、乾燥して溶媒を除去したのち、固体高分子電解質膜の両面に転写させると、本発明の触媒付電解質膜が得られる。
Examples of the coating method include brush coating, brush coating, bar coater coating, knife coater coating, doctor blade method, screen printing, and spray coating.
When the electrode applied on the transfer substrate is dried to remove the solvent and then transferred to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, the electrolyte membrane with catalyst of the present invention is obtained.

本発明の触媒付電解質膜に用いられる、固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性の固体高分子膜であれば、特に限定されない。
たとえば、Nafion(DuPont社製)、Flemion(旭硝子製)、Aciplex(旭化成製)などのパーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーからなる電解質膜、
パーフルオロアルキルスルホン酸ポリマーに、ポリテトラフルオロエチレンの繊維や多孔質膜と複合化した補強型電解質膜、
ポリテトラフルオロエチレングラフトスルホン化ポリスチレンなどの部分フッ素化スルホン化ポリマーからなる電解質膜、
スルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリエーテルケト
ン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルニトリル、スルホン化ポリフェニレンエーテル、スルホン化ポリフェニレンスルフィド、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリベンズオキサゾール、スルホン化ポリベンズチアゾールなどの芳香族スルホン化ポリマーからなる電解質膜、
スルホン化ポリスチレン、スルホン酸含有アクリル系ポリマーなどの脂肪族スルホン化ポリマーからなる電解質膜、
これらを多孔質膜と複合化した細孔フィリング型電解質膜、
ポリベンズオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズチアゾールなどのポリマーにリン酸、硫酸などを含浸させた酸含浸型ポリマーからなる電解質膜、などがあげられる。これらのうち、芳香族スルホン化ポリマーからなる電解質膜が好ましい。
The solid polymer electrolyte membrane used for the catalyst-attached electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it is a proton conductive solid polymer membrane.
For example, an electrolyte membrane made of a perfluoroalkyl sulfonic acid polymer such as Nafion (DuPont), Flemion (Asahi Glass), Aciplex (Asahi Kasei),
Reinforced electrolyte membrane combined with polytetrafluoroethylene fiber and porous membrane to perfluoroalkylsulfonic acid polymer,
An electrolyte membrane comprising a partially fluorinated sulfonated polymer such as polytetrafluoroethylene graft sulfonated polystyrene,
Sulfonated polyarylene, sulfonated polyphenylene, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether nitrile, sulfonated polyphenylene ether, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polybenzoxazole, sulfone Electrolyte membranes made of aromatic sulfonated polymers such as modified polybenzthiazole,
Electrolyte membranes composed of aliphatic sulfonated polymers such as sulfonated polystyrene and sulfonic acid-containing acrylic polymers,
A pore filling type electrolyte membrane in which these are combined with a porous membrane,
Examples thereof include an electrolyte membrane made of an acid-impregnated polymer in which a polymer such as polybenzoxazole, polybenzimidazole, or polybenzthiazole is impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid. Among these, an electrolyte membrane made of an aromatic sulfonated polymer is preferable.

また、上記電極用電解質を構成する重合体を固体高分子電解質として使用することもできる。
電極を固体高分子電解質膜に転写するには、ホットプレス法を用いることができる。ホットプレス法では、カーボンペーパーまたは離型シートに前記電極ペーストを塗布したもものの、電極ペースト塗布面と電解質膜とを圧着する方法である。ホットプレスは、通常、50〜250℃の温度範囲で、1分〜180分の時間、10〜500kg/cm2の圧
力をかけて行う。
Moreover, the polymer which comprises the said electrolyte for electrodes can also be used as a solid polymer electrolyte.
In order to transfer the electrode to the solid polymer electrolyte membrane, a hot press method can be used. In the hot press method, the electrode paste is applied to carbon paper or a release sheet, but the electrode paste application surface and the electrolyte membrane are pressure-bonded. Hot pressing is usually performed in a temperature range of 50 to 250 ° C. and a pressure of 10 to 500 kg / cm 2 for a period of 1 minute to 180 minutes.

本発明の触媒付電解質膜を得るための別の方法として、触媒層と電解質膜とを段階的に塗布、乾燥を繰り返す方法がある。塗布や乾燥の順序に特に制限はない。
例えば、PETフィルム等の基材上に、電解質膜の溶液を塗布し乾燥して、電解質膜を作
成した後、この上に本発明の電極ペーストを塗布する。次に基材をはがして、もう一方の面に電極ペーストを塗布する。最後に溶媒を除去すると触媒付電解質膜が得られる。塗布方法は上記と同様の方法をあげることができる。
As another method for obtaining the catalyst-attached electrolyte membrane of the present invention, there is a method of repeatedly applying and drying the catalyst layer and the electrolyte membrane stepwise. There is no restriction | limiting in particular in the order of application | coating and drying.
For example, an electrolyte membrane solution is applied on a substrate such as a PET film and dried to form an electrolyte membrane, and then the electrode paste of the present invention is applied thereon. Next, the substrate is peeled off, and the electrode paste is applied to the other surface. Finally, when the solvent is removed, an electrolyte membrane with catalyst is obtained. Examples of the application method include the same methods as described above.

溶媒の除去は、乾燥温度20℃〜180℃、好ましくは50℃〜160℃、乾燥時間5分〜600分、好ましくは30分〜400分で行う。
必要に応じて、電解質膜を水に浸漬させて、溶媒を除去してもよい。水温は5℃〜120℃、好ましくは15℃〜95℃、水浸漬時間は1分〜72時間、好ましくは5分〜48時間である。
The solvent is removed at a drying temperature of 20 ° C. to 180 ° C., preferably 50 ° C. to 160 ° C., and a drying time of 5 minutes to 600 minutes, preferably 30 minutes to 400 minutes.
If necessary, the electrolyte membrane may be immersed in water to remove the solvent. The water temperature is 5 ° C to 120 ° C, preferably 15 ° C to 95 ° C, and the water immersion time is 1 minute to 72 hours, preferably 5 minutes to 48 hours.

また上記の方法とは逆に、先に電極ペーストを塗布し、電極層を形成したあとに、電解質膜の溶液を塗布して、電解質膜を作成し、次にもう一方の触媒層を塗布し、乾燥して触媒付電解質膜としてもよい。   Contrary to the above method, the electrode paste is first applied and the electrode layer is formed, and then the electrolyte membrane solution is applied to create the electrolyte membrane, and then the other catalyst layer is applied. It is good also as an electrolyte membrane with a catalyst by drying.

電極層の厚さは、特に制限されるものではないものの、触媒として担持された金属が、単位面積あたり、0.05〜4.0mg/cm2、好ましくは0.1〜2.0mg/cm2の範囲にあることが望ましい。この範囲にあれば、十分に高い触媒活性が発揮され、また効率的にプロトンを伝導することができる。 The thickness of the electrode layer is not particularly limited, but the metal supported as a catalyst is 0.05 to 4.0 mg / cm 2 , preferably 0.1 to 2.0 mg / cm 2 per unit area. It is desirable to be in the range of 2 . Within this range, sufficiently high catalytic activity is exhibited and protons can be efficiently conducted.

電極層の細孔容積は、0.05〜3.0ml/g、好ましくは0.1〜2.0ml/gの範囲にあることが望ましい。なお電極層の細孔容積は、水銀圧入法、ガス吸着法などの方法により測定される。   The pore volume of the electrode layer is 0.05 to 3.0 ml / g, preferably 0.1 to 2.0 ml / g. The pore volume of the electrode layer is measured by a method such as a mercury intrusion method or a gas adsorption method.

電解質膜の厚さとしては、特に制限されるものではないが、厚くなると発電効率が低下したり軽量化が困難となったりするので、10〜200μm程度の厚さであればよいが、この限りではない。
[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に
限定されるものではない。なお実施例における各種の測定項目は、下記のようにして求めた。
The thickness of the electrolyte membrane is not particularly limited, but if the thickness is increased, the power generation efficiency is reduced or it is difficult to reduce the weight, so that the thickness may be about 10 to 200 μm. is not.
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurement items in the examples were determined as follows.

実施例において、スルホン酸当量、分子量、凍結していない水の共重合体1g当たりの重量[g]、水の自己拡散係数およびプロトン伝導度は以下のようにして求めた。
1.スルホン酸当量
得られたスルホン酸基を有する重合体の水洗水が中性になるまで洗浄し、フリーに残存している酸を除いて充分に水洗し、乾燥後、所定量を秤量し、THF/水の混合溶剤に溶解したフェノールフタレインを指示薬とし、NaOHの標準液を用いて滴定を行い、中和点から、スルホン酸当量を求めた。
2.分子量の測定
スルホン酸基を有しないポリアリーレン重量平均分子量は、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)を用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。スルホン酸基を有するポリアリーレンの分子量は、溶剤として臭化リチウムと燐酸を添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶離液として用い、GPCによって、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
3.プロトン伝導膜中の凍結していない水の共重合体1g当たりの重量[g]と水の自己拡散係数の測定
測定するプロトン伝導膜は充分に洗浄したものを用いた。専用のパルスNMR専用ガラス試料管中にプロトン伝導膜を数〜数十枚重ねて入れ、吸水後、90℃で30分間加温した。加温後に余分な水を取り除き、パルスNMRを用いて測定を行った。
In Examples, sulfonic acid equivalent weight, molecular weight, weight per gram of unfrozen water copolymer [g], water self-diffusion coefficient and proton conductivity were determined as follows.
1. Sulfonic acid equivalent The polymer having the sulfonic acid group was washed with water until the water was neutral, thoroughly washed with water except for free remaining acid, dried, weighed a predetermined amount, THF / Phenolphthalein dissolved in a mixed solvent of water was used as an indicator, titration was performed using a standard solution of NaOH, and the sulfonic acid equivalent was determined from the neutralization point.
2. Measurement of molecular weight The polyarylene weight average molecular weight having no sulfonic acid group was determined by GPC using tetrahydrofuran (THF) as a solvent, and the molecular weight in terms of polystyrene was obtained. The molecular weight of the polyarylene having a sulfonic acid group was determined by GPC using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to which lithium bromide and phosphoric acid were added as a solvent as an eluent.
3. Measurement of weight [g] per 1 g of unfrozen water copolymer and self-diffusion coefficient of water in the proton conducting membrane The proton conducting membrane to be measured was thoroughly washed. Several to several tens of proton conducting membranes were put in a dedicated glass sample tube for pulsed NMR, and after water absorption, heated at 90 ° C. for 30 minutes. Excess water was removed after heating, and measurement was performed using pulsed NMR.

測定に際し、試料はまず−80℃まで急冷して30分間置き、5分毎に10℃ずつ温度を上げ、−20℃に達してから60分間置いてから測定を開始した。
信号強度の測定は、信号の観測開始から70μ秒以降の固体成分の信号が減衰して溶液成分の信号のみが観測される領域で行った。
In the measurement, the sample was first rapidly cooled to −80 ° C. and placed for 30 minutes. The temperature was increased by 10 ° C. every 5 minutes, and after reaching −20 ° C., the sample was placed for 60 minutes before starting the measurement.
The signal intensity was measured in a region where the signal of the solid component attenuates after 70 μs from the start of signal observation and only the signal of the solution component is observed.

含水量の算出は、含水量がわかっている液体試料を用いて、あらかじめ作成しておいた検量線を用いて行った。なお、測定温度による装置検出感度の変化は、同一試料の検量線作成温度と試料測定温度で観測されたそれぞれの信号強度の比を用いて補正した。   The water content was calculated using a calibration curve prepared in advance using a liquid sample with a known water content. The change in the device detection sensitivity due to the measurement temperature was corrected using the ratio of the respective signal intensities observed at the calibration curve creation temperature and the sample measurement temperature of the same sample.

算出した含水量(g)は、測定後の膜を110℃で1時間真空乾燥した後の乾燥膜重量(g)で割ることで、乾燥膜重量1g当たりに含まれる水の重量として比較した。
水の自己拡散係数の測定はスピンエコー法を用いた公知の磁場勾配NMR法を用いて行った。測定は3T/m、256回で測定した。
4.プロトン伝導度の測定
交流抵抗は、5mm幅の短冊状のプロトン伝導膜試料の表面に、白金線(f=0.5mm)を押し当て、恒温恒湿装置中に試料を保持し、白金線間の交流インピーダンス測定から求めた。すなわち、25℃、0℃、−10℃、−20℃、−30℃、相対湿度50%の環境下で交流10kHzにおけるインピーダンスを測定した。抵抗測定装置として、(株)NF回路設計ブロック製のケミカルインピーダンス測定システムを用い、恒温恒湿装置には、(株)ヤマト科学製のJW241を使用した。白金線は、5mm間隔に5本押し当てて、線間距離を5〜20mmに変化させ、交流抵抗を測定した。線間距離と抵抗の勾配から、膜の比抵抗を算出し、比抵抗の逆数から交流インピーダンスを算出し、このインピーダンスから、プロトン伝導度を算出した。
The calculated water content (g) was compared as the weight of water contained in 1 g of dry membrane weight by dividing the measured membrane by the dry membrane weight (g) after vacuum drying at 110 ° C. for 1 hour.
The self-diffusion coefficient of water was measured using a known magnetic field gradient NMR method using a spin echo method. The measurement was performed at 3 T / m and 256 times.
4). Measurement of proton conductivity AC resistance was measured by pressing a platinum wire (f = 0.5 mm) against the surface of a 5 mm wide strip-shaped proton conducting membrane sample, holding the sample in a constant temperature and humidity device, and between the platinum wires It was obtained from AC impedance measurement. That is, the impedance at an alternating current of 10 kHz was measured in an environment of 25 ° C., 0 ° C., −10 ° C., −20 ° C., −30 ° C., and relative humidity 50%. A chemical impedance measurement system manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. was used as the resistance measurement device, and JW241 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. was used as the constant temperature and humidity device. Five platinum wires were pressed at intervals of 5 mm, the distance between the wires was changed to 5 to 20 mm, and the AC resistance was measured. The specific resistance of the membrane was calculated from the distance between the lines and the resistance gradient, the alternating current impedance was calculated from the reciprocal of the specific resistance, and the proton conductivity was calculated from this impedance.

比抵抗R(Ω・cm)=0.5(cm)×膜厚(cm)×抵抗線間勾配(Ω/cm)
5.熱水耐性
上記の膜を、120℃の熱水中に24時間浸漬し、取り出した直後の膜の重量と寸法を、浸漬前の膜と比較し、含水率と寸法変化率を求めた。
6.発電評価
触媒付電解質膜をカーボンペーパーに挟んで、圧力100kg/cm2下で、160℃
×15minの条件でホットプレス成形して、膜電極接合体(MEA)を作成した。このMEAを2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の燃料電池を組み立てた。
Specific resistance R (Ω · cm) = 0.5 (cm) × film thickness (cm) × resistance-to-resistance gradient (Ω / cm)
5. Hot Water Resistance The above membrane was immersed in hot water at 120 ° C. for 24 hours, and the weight and size of the membrane immediately after taking out were compared with the membrane before immersion to determine the moisture content and the dimensional change rate.
6). Power generation evaluation A catalyst-attached electrolyte membrane is sandwiched between carbon papers at 160 ° C under a pressure of 100 kg / cm 2.
A membrane electrode assembly (MEA) was formed by hot press molding under conditions of × 15 min. The MEA was sandwiched between two titanium current collectors, and a heater was placed outside the MEA to assemble a fuel cell having an effective area of 25 cm 2 .

燃料電池の温度を85℃に保ち、湿度35%RHおよび100%RHで、水素および酸素を2気圧で供給した。それぞれの条件で、電流密度0.5A/cm2と1.0A/cm2のときの端子間電圧を測定した。 The temperature of the fuel cell was maintained at 85 ° C., and hydrogen and oxygen were supplied at 2 atm at a humidity of 35% RH and 100% RH. Under each condition, the voltage between terminals at current densities of 0.5 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 was measured.

また、燃料電池の温度を85℃に保ち、湿度35%RHで水素および酸素を2気圧で供給し、電流密度0.5A/cm2のときの端子間電圧を150時間測定した。
<実施例1>
攪拌機、温度計、窒素導入管をとりつけた1Lの三口フラスコに、3−(2,5−ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.2g(337mmol)、下記式(I)で表される、Mn9,500のオリゴマー48.7g(5.1mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(137mmol)、亜鉛53.7g(821mmol)をはかりとり、乾燥窒素置換した。ここにN,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)430mLを加え、反応温度を80℃に保持しながら3時間攪拌を続けた後、DMAc730mLを加えて希釈し、不溶物を濾過した。
Further, the temperature of the fuel cell was kept at 85 ° C., hydrogen and oxygen were supplied at 2 atm at a humidity of 35% RH, and the voltage between terminals at a current density of 0.5 A / cm 2 was measured for 150 hours.
<Example 1>
In a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube, 135.2 g (337 mmol) of neopentyl 3- (2,5-dichlorobenzoyl) benzenesulfonate, represented by the following formula (I), Mn9, 500 oligomers 48.7 g (5.1 mmol), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 6.71 g (10.3 mmol), sodium iodide 1.54 g (10.3 mmol), triphenylphosphine 35.9 g (137 mmol) Then, 53.7 g (821 mmol) of zinc was weighed and replaced with dry nitrogen. 430 mL of N, N-dimethylacetamide (DMAc) was added thereto, and stirring was continued for 3 hours while maintaining the reaction temperature at 80 ° C. Then, 730 mL of DMAc was added for dilution, and insoluble matters were filtered off.

得られた溶液を攪拌機、温度計、窒素導入管を取り付けた2Lの三口フラスコに入れた。115℃に加熱攪拌し、臭化リチウム44g(506mmol)を加えた。7時間攪拌後、アセトン5Lに注いで生成物を沈殿させた。ついで、1N塩酸、純水の順で洗浄後、乾燥して目的の重合体122gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は135,000であった。得られた重合体は式(II)で表されるスルホン化ポリマーと推定される。このポリマーのイオン交換容量は2.3meq/gであった。   The obtained solution was put into a 2 L three-necked flask equipped with a stirrer, a thermometer, and a nitrogen introduction tube. The mixture was heated and stirred at 115 ° C., and 44 g (506 mmol) of lithium bromide was added. After stirring for 7 hours, the product was precipitated by pouring into 5 L of acetone. Subsequently, it was washed with 1N hydrochloric acid and pure water in this order, and then dried to obtain 122 g of the target polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 135,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polymer represented by the formula (II). The ion exchange capacity of this polymer was 2.3 meq / g.

Figure 0004879639
Figure 0004879639

(I)
(II)
<合成例2>
合成例1において、式(I)で表されるオリゴマーの代わりに、式(III)で表されるオリゴマーを用いたほかは、同様の操作を行い、目的の重合体128gを得た。得られ
た重合体の重量平均分子量(Mw)は140,000であった。得られた重合体は式(IV)で表されるスルホン化ポリマーと推定される。このポリマーのイオン交換容量は2.3meq/gであった。
(I)
(II)
<Synthesis Example 2>
The same operation as in Synthesis Example 1 was performed except that the oligomer represented by the formula (III) was used instead of the oligomer represented by the formula (I) to obtain 128 g of the target polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 140,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polymer represented by the formula (IV). The ion exchange capacity of this polymer was 2.3 meq / g.

Figure 0004879639
Figure 0004879639

[比較合成例1]
合成例1において、式(I)で表されるオリゴマーの代わりに、式(V)で表されるオ
リゴマーを用いたほかは、同様の操作を行い、目的の重合体123gを得た。得られた重合体の重量平均分子量(Mw)は137,000であった。得られた重合体は式(VI)で表されるスルホン化ポリマーと推定される。このポリマーのイオン交換容量は2.2meq/gであった。
[Comparative Synthesis Example 1]
The same operation as in Synthesis Example 1 was performed except that the oligomer represented by the formula (V) was used instead of the oligomer represented by the formula (I) to obtain 123 g of a target polymer. The weight average molecular weight (Mw) of the obtained polymer was 137,000. The obtained polymer is presumed to be a sulfonated polymer represented by the formula (VI). The ion exchange capacity of this polymer was 2.2 meq / g.

Figure 0004879639
Figure 0004879639

[実施例1〜2、比較例1]
合成例1〜2、比較合成例1で得られた共重合体(それぞれ、実施例1〜2、比較例1に対応する)を、メタノール/NMP=50/50の混合溶媒に15重量%になるよう溶解して、電極電解質のワニスを調製した。このワニスからキャスト法により、膜厚40μmのフィルムを作製した。得られたフィルム中の−20℃において凍結していない水の共重合体1g当たりの重量[g]と、−20℃において測定される水の自己拡散係数 [×10-102/s] を掛け合わせた値、−20℃において測定される水の自己拡散係数 [×10-102/s]の値を表1に示す。またプロトン伝導度測定の結果を表2に示す。
[Examples 1 and 2, Comparative Example 1]
Copolymers obtained in Synthesis Examples 1 and 2 and Comparative Synthesis Example 1 (corresponding to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, respectively) in a mixed solvent of methanol / NMP = 50/50 to 15% by weight It melt | dissolved so that the varnish of an electrode electrolyte might be prepared. A film having a thickness of 40 μm was produced from this varnish by a casting method. Weight [g] per 1 g of water copolymer not frozen at −20 ° C. in the obtained film, and self-diffusion coefficient of water measured at −20 ° C. [× 10 −10 m 2 / s] Table 1 shows the value of the self-diffusion coefficient [× 10 −10 m 2 / s] measured at −20 ° C. The results of proton conductivity measurement are shown in Table 2.

Figure 0004879639
Figure 0004879639

Figure 0004879639
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[実施例3]
[ペーストAの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持、(田中貴金属工業株式会社製:TEC10E50E)1.51g、蒸留水0.88g、合成例1の重合
体の15%水−1,2ジメトキシエタン溶液(重量比10:90)3.23g、1,2−ジメトキシエタン13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度50cp(25℃)のペーストAを得た。
[Example 3]
[Preparation of paste A]
Put 50 g of zirconia balls (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.) 25 g in a 50 ml glass bottle, and carry platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt%, (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd .: TEC10E50E) 1.51 g. 0.88 g of distilled water, 3.23 g of 15% water-1,2 dimethoxyethane solution (weight ratio 10:90) of the polymer of Synthesis Example 1, 13.97 g of 1,2-dimethoxyethane, vapor grown carbon fiber (Product name: VGCF, manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) 0.1 g and a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) 0.028 g were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a wave blower, and the viscosity was 50 cp (25 ° C.). Paste A was obtained.

[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストAを白金塗布量が0.5mg/cm2になるようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
On the PET film treated with a release agent, paste A was applied using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.

[触媒付電解質膜の作成]
下記一般式で表される構造の重量平均分子量(Mw)170,000の重合体からなる
膜厚50μmの電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2
で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解質膜を作成した。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane having a film thickness of 50 μm made of a polymer having a weight average molecular weight (Mw) of 170,000 having a structure represented by the following general formula is prepared, sandwiched between two electrode layers, and under a pressure of 100 kg / cm 2 . The catalyst-attached electrolyte membrane was prepared by hot press molding under the conditions of 160 ° C. × 15 min.

Figure 0004879639
Figure 0004879639

[実施例4]
[ペーストBの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、実施例3と同じ白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持)1.51g、蒸留水0.88g、合成例2のスルホン化ポリアリーレンの15%水−N−メチル−2−ピロリドン溶液(重量比10:90)3.23g、N−メチル−2−ピロリドン(bp.202、δ11.17 )13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度65cp(25℃)のペーストBを得た。
[Example 4]
[Preparation of paste B]
In a 50 ml glass bottle, 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported) as in Example 3 and distilled water of 0. 88 g, 3.23 g of a 15% water-N-methyl-2-pyrrolidone solution of the sulfonated polyarylene of Synthesis Example 2 (weight ratio 10:90), N-methyl-2-pyrrolidone (bp. 202, δ 11.17) 13.97 g, 0.1 g of vapor grown carbon fiber (trade name: VGCF, Showa Denko KK) and 0.028 g of dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) are added, and the mixture is stirred for 60 minutes with a wafer blaster. As a result, a paste B having a viscosity of 65 cp (25 ° C.) was obtained.

[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストBを白金塗布量が0.5mg/cm2になる
ようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
Paste B was applied on a PET film treated with a release agent using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.

[触媒付電解質膜の作成]
実施例3で用いたものと同様の電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解
質膜を作成した。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane similar to that used in Example 3 was prepared, sandwiched between two electrode layers, and hot press molded under a pressure of 100 kg / cm 2 under the conditions of 160 ° C. × 15 min, and the electrolyte with catalyst A membrane was created.

[比較例2]
[ペーストBの調製]
50mlのガラス瓶に直径10mmのジルコニアボール(商品名:YTZボール、株式会社ニッカトー製)25gを入れ、実施例3と同じ白金担持カーボン粒子(Pt:46重量%担持)1.51g、蒸留水0.88g、比較合成例1のスルホン化ポリアリーレンの15%水−N−メチル−2−ピロリドン溶液(重量比10:90)3.23g、N−メチル−2−ピロリドン(bp.202、δ11.17 )13.97g、気相法炭素繊維(商品名:VGCF、昭和電工社製)0.1gおよび分散剤(商品名:DA234、楠本化成株式会社製)0.028gを加え、ウエーブローターで60分間攪拌し、粘度65cp(25℃)のペーストCを得た。
[Comparative Example 2]
[Preparation of paste B]
In a 50 ml glass bottle, 25 g of zirconia balls having a diameter of 10 mm (trade name: YTZ ball, manufactured by Nikkato Co., Ltd.), 1.51 g of platinum-supported carbon particles (Pt: 46 wt% supported) as in Example 3 and distilled water of 0. 88 g, 3.23 g of a 15% water-N-methyl-2-pyrrolidone solution of the sulfonated polyarylene of Comparative Synthesis Example 1 (weight ratio 10:90), N-methyl-2-pyrrolidone (bp 202, δ 11.17) 13.97 g, 0.1 g of vapor grown carbon fiber (trade name: VGCF, manufactured by Showa Denko KK) and 0.028 g of a dispersant (trade name: DA234, manufactured by Enomoto Kasei Co., Ltd.) are added, and a wafer blower is used for 60 minutes. The mixture was stirred to obtain paste C having a viscosity of 65 cp (25 ° C.).

[電極の作成]
離型剤処理したPETフィルム上に、ペーストCを白金塗布量が0.5mg/cm2になる
ようにドクターブレードを用いて塗布した。これを95℃で10分間加熱乾燥し、電極層を形成させた。
[Create electrode]
Paste C was applied onto a PET film treated with a release agent using a doctor blade so that the platinum coating amount was 0.5 mg / cm 2 . This was heated and dried at 95 ° C. for 10 minutes to form an electrode layer.

[触媒付電解質膜の作成]
実施例3で用いたものと同様の電解質膜を1枚用意し、2枚の電極層で挟み、圧力100kg/cm2下で、160℃×15minの条件でホットプレス成形して、触媒付電解
質膜を作成した。
[Creating electrolyte membrane with catalyst]
One electrolyte membrane similar to that used in Example 3 was prepared, sandwiched between two electrode layers, and hot press molded under a pressure of 100 kg / cm 2 under the conditions of 160 ° C. × 15 min, and the electrolyte with catalyst A membrane was created.

結果を併せて表3に示す。   The results are also shown in Table 3.

Figure 0004879639
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Claims (7)

イオン伝導性ポリマーセグメント(A)および非イオン伝導性ポリマーセグメント(B)を有する共重合体を含む電極電解質であって、
該電解質は、水中に浸漬させて90℃で30分間加温して吸水させた後、−20℃に冷却したときにおいて、吸水された水のうち凍結していない水の重量[g](共重合体1g当たり)と、−20℃において測定された自己拡散係数[×10-102/s]との乗数(掛け合わせた値)が、0.2〜1.5の範囲にあることを特徴とする高分子型燃料電池用電極電解質。
An electrode electrolyte comprising a copolymer having an ion conductive polymer segment (A) and a non-ion conductive polymer segment (B),
The electrolyte was immersed in water, heated at 90 ° C. for 30 minutes to absorb water, and then cooled to −20 ° C. When the water was absorbed, the weight of the water that was not frozen [g] (both The multiplier (multiplied value) of the self-diffusion coefficient [× 10 −10 m 2 / s] measured at −20 ° C. is in the range of 0.2 to 1.5. A polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte.
前記−20℃において凍結していない水の自己拡散係数が、0.40×10-102/s以上であることを特徴とする請求項1に記載の高分子型燃料電池用電極電解質。 2. The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to claim 1, wherein the self-diffusion coefficient of water not frozen at −20 ° C. is 0.40 × 10 −10 m 2 / s or more. 上記イオン伝導性ポリマーセグメント(A)が、下記一般式(A)で表される構成単位を含み、
上記非イオン伝導性ポリマーセグメント(B)が、下記一般式(B)で表される構成単位を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の高分子型燃料電池用電極電解質;
Figure 0004879639
(式中、Yは−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CF32−からなる群より選ばれた少なくと
も1種の構造を示し、Zは直接結合または、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(CH32−、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Arは−SO3Hまたは−O(CH2pSO3Hまたは−O(CF2pSO3Hで表
される置換基を有する芳香族基を示す。mは0〜10の整数を示し、nは0〜10の整数を示し、kは1〜4の整数を示し、pは1〜12の整数を示す。)
Figure 0004879639
(式中、Aは独立に直接結合または、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、
−COO−、−(CF2l−(lは1〜10の整数である)、−(CH2l−(lは1〜10の整数である)、−C(R’)2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基お
よびハロゲン化炭化水素基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−、−S−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造を示し、Bは独立に酸素原子または硫黄原子であり、R1〜R11は、互いに同一でも異なっていてもよく、水素原子、フ
ッ素原子、アルキル基、一部またはすべてがハロゲン化されたハロゲン化アルキル基、アリル基、アリール基、ニトロ基、ニトリル基からなる群より選ばれた少なくとも1種の原子または基を示す。Xは−CO−または、−SO2−を示し、Ar’は芳香族基を示し、
tは0〜4の整数を示し、rは1以上の整数を示す。)
The ion conductive polymer segment (A) includes a structural unit represented by the following general formula (A),
The polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to claim 1 or 2, wherein the non-ion conductive polymer segment (B) includes a structural unit represented by the following general formula (B):
Figure 0004879639
Wherein Y is —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CF 3 ) represents at least one structure selected from the group consisting of 2 —, Z is a direct bond, or — (CH 2 ) 1 — (l is an integer of 1 to 10), —C (CH 3 ) 2 represents at least one structure selected from the group consisting of —, —O—, and —S—, and Ar represents —SO 3 H or —O (CH 2 ) p SO 3 H or —O (CF 2 ) p An aromatic group having a substituent represented by SO 3 H. m represents an integer of 0 to 10, n represents an integer of 0 to 10, k represents an integer of 1 to 4, and p represents 1 Represents an integer of ~ 12)
Figure 0004879639
(In the formula, A is independently a direct bond or —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—,
-COO -, - (CF 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - (CH 2) l - (l is an integer of 1 to 10), - C (R ') 2 - (R ′ represents an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group and a halogenated hydrocarbon group), at least one selected from the group consisting of a cyclohexylidene group, a fluorenylidene group, —O—, and —S—. Wherein B is independently an oxygen atom or a sulfur atom, R 1 to R 11 may be the same as or different from each other, and a hydrogen atom, a fluorine atom, an alkyl group, part or all of which are halogenated And at least one atom or group selected from the group consisting of a halogenated alkyl group, an allyl group, an aryl group, a nitro group, and a nitrile group. X represents —CO— or —SO 2 —, Ar ′ represents an aromatic group,
t represents an integer of 0 to 4, and r represents an integer of 1 or more. )
上記一般式(A)で表される構成単位において、Yは−CO−であり、Arは−SO3
Hで表される置換基を有する芳香環であり、mは0、nが0であるイオン伝導性ポリマー
セグメント(A’)であり、
上記一般式(B)で表される構成単位において、Aは独立に直接結合または−C(R’)2−(R’は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基およびハロゲン化炭化水素基からな
る群から選ばれる少なくとも1種の基を示す)、シクロヘキシリデン基、フルオレニリデン基、−O−からなる群より選ばれた少なくとも1種の構造であり、Bは酸素原子であり、R1〜R16は水素原子である非イオン伝導性セグメント(B’)である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の高分子型燃料電池用電極電解質。
In the structural unit represented by the general formula (A), Y is —CO—, and Ar is —SO 3.
An aromatic ring having a substituent represented by H, m is an ion-conductive polymer segment (A ′) in which n is 0 and n is 0;
In the structural unit represented by the general formula (B), A is independently a direct bond or —C (R ′) 2 — (R ′ is an aliphatic hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, or a halogenated hydrocarbon group. And at least one group selected from the group consisting of cyclohexylidene group, fluorenylidene group, and -O-, B is an oxygen atom, R 1 to R 16 is a polymer electrolyte fuel cell electrode electrolyte according to claim 1, characterized in that a non-ion conductive segment of a hydrogen atom (B ').
請求項1〜4のいずれかに記載の電解質と触媒粒子および溶媒を含むことを特徴とする電極ペースト。   An electrode paste comprising the electrolyte according to claim 1, catalyst particles, and a solvent. 請求項1〜4のいずれかに記載の電解質と触媒粒子とを含むことを特徴とする固体高分子型燃料電池用電極。   A solid polymer fuel cell electrode comprising the electrolyte according to claim 1 and catalyst particles. 請求項6に記載の電極を、高分子電解質膜の少なくとも片面に備える膜−電極接合体。


A membrane-electrode assembly comprising the electrode according to claim 6 on at least one surface of a polymer electrolyte membrane.


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