JP4979243B2 - Polymer electrolyte membrane, method for producing the same, and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は,ポリマー電解質膜とその製造方法および燃料電池に係り,さらに詳細には,熱的特性及び機械的安定性に優れるポリマー電解質膜及びこれを採用した燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a manufacturing method thereof, and a fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte membrane excellent in thermal characteristics and mechanical stability and a fuel cell employing the polymer electrolyte membrane.

燃料電池は,燃料と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを生産する装置であり,産業用,家庭用および車両駆動用電力の供給だけではなく,小型の電気/電子製品,特に,携帯用装置の電力供給にも適用可能である。   A fuel cell is a device that produces electric energy by electrochemically reacting fuel and oxygen, and not only supplies power for industrial, household, and vehicle driving, but also small electric / electronic products, It is also applicable to power supply for portable devices.

燃料電池は,用いられる電解質の種類により,ポリマー電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell:PEMFC),リン酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell:PAFC),溶融炭酸塩燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell:MCFC),固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)などに区分できる。用いられる電解質により,燃料電池の作動温度及び構成部品の材質などが変化する。   Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), or a molten carbonate fuel cell (MOFC). MCFC) and solid oxide fuel cell (SOFC). Depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell, the material of the components, and the like change.

燃料電池は,アノードに対する燃料供給方式により,燃料改質器を介して燃料を水素富化ガスに転換させた後でアノードに供給する外部改質型と,気体または液体状態の燃料を直接アノードに供給する燃料直接供給型または内部改質型とに区分できる。   The fuel cell uses an external reforming type in which fuel is converted to a hydrogen-enriched gas via a fuel reformer and then supplied to the anode through a fuel reformer, and fuel in a gas or liquid state is directly supplied to the anode. The fuel can be classified into a direct fuel supply type or an internal reforming type.

燃料直接供給型の代表的な例は,直接メタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)である。DMFCは,一般的に,燃料としてメタノール水溶液を,電解質として水素イオン伝導性ポリマー電解質膜を使用する。従って,DMFCもPEMFCに属する。   A typical example of the direct fuel supply type is a direct methanol fuel cell (DMFC). DMFC generally uses a methanol aqueous solution as a fuel and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte. Therefore, DMFC also belongs to PEMFC.

PEMFCは,小型及び軽量であっても,高い出力密度を具現できる。さらに,PEMFCを使用すれば,発電システムの構成が簡単になる。   PEMFC can realize high power density even if it is small and light. Furthermore, the use of PEMFC simplifies the configuration of the power generation system.

PEMFCの基本構造は,一般的に,アノード(燃料電極),カソード(酸化剤電極),及びアノードとカソードとの間に配置されたポリマー電解質膜を備える。PEMFCのアノードには燃料の酸化を促進させるための触媒層が備わっており,PEMFCのカソードには,酸化剤の還元を促進させるための触媒層が備わっている。   The basic structure of a PEMFC generally comprises an anode (fuel electrode), a cathode (oxidant electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and cathode. The anode of the PEMFC is equipped with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, and the cathode of the PEMFC is equipped with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant.

PEMFCのアノードに供給される燃料としては,一般的に,水素,水素含有ガス,メタノールと水との混合蒸気,メタノール水溶液などが使われる。PEMFCのカソードに供給される酸化剤は,一般的に,酸素,酸素含有ガスまたは空気である。   As the fuel supplied to the anode of the PEMFC, hydrogen, a hydrogen-containing gas, a mixed vapor of methanol and water, an aqueous methanol solution, or the like is generally used. The oxidant supplied to the PEMFC cathode is typically oxygen, oxygen-containing gas or air.

PEMFCのアノードでは,燃料が酸化されて水素イオンと電子とが生成される。水素イオンは,電解質膜を介してカソードに伝えられ,電子は,導線(または集電体)を介して外部回路(負荷)に伝えられる。PEMFCのカソードでは,電解質膜を介して伝えられた水素イオン,導線(または集電体)を介し,外部回路から伝えられた電子及び酸素が結合して水が生成される。このとき,アノード,外部回路及びカソードを経由する電子の移動がまさに電力である。   In the anode of the PEMFC, the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions are transferred to the cathode via the electrolyte membrane, and electrons are transferred to the external circuit (load) via the conductive wire (or current collector). In the cathode of the PEMFC, hydrogen ions transmitted through the electrolyte membrane and electrons and oxygen transmitted from an external circuit are combined through a conductive wire (or current collector) to generate water. At this time, the movement of electrons via the anode, the external circuit, and the cathode is just electric power.

PEMFCにおいて,ポリマー電解質膜は,アノードからカソードへの水素イオンの移動のためのイオン伝導体の役割をするだけではなく,アノードとカソードの機械的接触を遮断する隔離膜の役割も果たす。従って,ポリマー電解質膜に対して要求される特性は,優秀なイオン伝導度,電気化学的安全性,高い機械的強度,作動温度での熱安定性,薄膜化の容易性などである。   In PEMFC, the polymer electrolyte membrane serves not only as an ionic conductor for the transfer of hydrogen ions from the anode to the cathode, but also as a separator that blocks the mechanical contact between the anode and the cathode. Therefore, the characteristics required for polymer electrolyte membranes are excellent ionic conductivity, electrochemical safety, high mechanical strength, thermal stability at operating temperature, and ease of thinning.

ポリマー電解質膜の材料としては,一般的に,フッ素化アルキレンから構成された主鎖と,末端にスルホン酸基を有するフッ素化ビニルエーテルから構成された側鎖とを有するパーフルオロスルホン酸ポリマー(例:Nafion(Dupont社の商標))のようなポリマー電解質が使われている。かかるポリマー電解質膜は,適量の水を含湿することにより,優秀なイオン伝導性を発揮する。   As a material for the polymer electrolyte membrane, generally, a perfluorosulfonic acid polymer having a main chain composed of fluorinated alkylene and a side chain composed of a fluorinated vinyl ether having a sulfonic acid group at the terminal (example: Polymer electrolytes such as Nafion (a trademark of Dupont) are used. Such a polymer electrolyte membrane exhibits excellent ionic conductivity by containing a suitable amount of water.

しかし,かかる電解質膜は,100℃以上の作動温度で,蒸発による水分損失により,イオン伝導性が深刻に低下して電解質膜としての機能を喪失してしまう。従って,かかるポリマー電解質膜を使用するPEMFCを,常圧下で,かつ100℃以上の温度で作動させることは,ほぼ不可能である。よって,従来のPEMFCは,主に,100℃以下の温度,非制限的な例を挙げれば,80℃ほどで作動されてきた。   However, such an electrolyte membrane loses its function as an electrolyte membrane due to a serious decrease in ionic conductivity due to water loss due to evaporation at an operating temperature of 100 ° C. or higher. Therefore, it is almost impossible to operate a PEMFC using such a polymer electrolyte membrane under normal pressure and at a temperature of 100 ° C. or higher. Therefore, the conventional PEMFC has been mainly operated at a temperature of 100 ° C. or lower, and about 80 ° C. as a non-limiting example.

PEMFCの作動温度を100℃以上に上昇させるために,PEMFCに加湿装置を装着したり,またはPEMFCを加圧条件下で稼働したりする方法,加湿を要さないポリマー電解質を使用する方法などが提案されていた。   In order to raise the operating temperature of PEMFC to 100 ° C or higher, there are methods such as attaching a humidifier to PEMFC, operating PEMFC under pressure, or using polymer electrolyte that does not require humidification. It was proposed.

PEMFCを加圧条件下で稼働する場合,水の沸点が上昇するので,作動温度を上昇させることができる。例えば,PEMFCの作動圧力が2気圧ならば,その作動温度を120℃ほどまで上昇させることができる。しかし,加圧システムを適用したり,または加湿装置を装着したりすれば,PEMFCの大きさ及び質量が非常に増大するだけではなく,発電システムの全体効率も低下する。それにより,PEMFCの活用範囲を極大化させるために,「無加湿ポリマー電解質膜」,すなわち,加湿せずとも優秀なイオン伝導度を発揮するポリマー電解質膜に対する需要が増大している。   When the PEMFC is operated under pressurized conditions, the boiling point of water increases, so that the operating temperature can be increased. For example, if the operating pressure of the PEMFC is 2 atm, the operating temperature can be increased to about 120 ° C. However, if a pressurization system is applied or a humidifier is attached, not only the size and mass of the PEMFC will be greatly increased, but also the overall efficiency of the power generation system will be reduced. As a result, in order to maximize the utilization range of PEMFC, there is an increasing demand for “non-humidified polymer electrolyte membranes”, that is, polymer electrolyte membranes that exhibit excellent ionic conductivity without being humidified.

無加湿ポリマー電解質膜の例は,特許文献1に紹介されている。前記文献では,無加湿ポリマー電解質として,ポリベンゾイミダゾール,硫酸またはリン酸がドーピングされたポリベンゾイミダゾールのような材料を開示している。   An example of a non-humidified polymer electrolyte membrane is introduced in Patent Document 1. The document discloses a material such as polybenzimidazole doped with polybenzimidazole, sulfuric acid or phosphoric acid as a non-humidified polymer electrolyte.

特開平11−503262号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-503262

そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的は,高温で安定しつつも機械的強度にすぐれ,かつ無加湿状態でもイオン伝導度にすぐれるポリマー電解質膜及びその製造方法と,このポリマー電解質膜を備えた燃料電池とを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane that is stable at high temperature but has excellent mechanical strength and excellent ionic conductivity even in a non-humidified state, and its It is an object of the present invention to provide a manufacturing method and a fuel cell provided with the polymer electrolyte membrane.

上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,多孔性高分子マトリックスと,多孔性高分子マトリックスの単一ファイバの外面及び高分子マトリックスの細孔内部に形成されたイオン伝導性ポリマーコーティング膜とを備えるポリマー電解質膜が提供される。   In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, a porous polymer matrix and ions formed on the outer surface of a single fiber of the porous polymer matrix and inside the pores of the polymer matrix. A polymer electrolyte membrane comprising a conductive polymer coating membrane is provided.

上記イオン伝導性ポリマーコーティング膜のイオン伝導性ポリマーは,イオン伝導重合性化合物と架橋剤との重合生成物である。
Ion-conducting polymer of the ion conducting polymer coating membrane, Ru polymerization product der the ion conducting polymeric compound and a crosslinking agent.

前記イオン伝導重合性化合物は,ビニルスルホン酸,スチレンスルホン酸,スルホニルアクリレート,末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂,C1〜C20のアルキルアミン,末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーのうちから選択された一つ以上であり,イオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は,1000g/mol以下であってもよい。   The ion conductive polymerizable compound is selected from vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, sulfonyl acrylate, acrylic resin having an acidic functional group at the terminal, C1 to C20 alkylamine, and vinyl monomer having a basic functional group at the terminal. One or more selected, and the mass average molecular weight of the ion conductive polymerizable compound may be 1000 g / mol or less.

前記末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂は,リン系モノアクリルレートまたはリン系ジアクリレートであり,上記アルキルアミンは,アクリル酸2−(tert−ブチル−メチルアミノ)エチルエステル,N−tert−ブチルジエタノールアミンまたはN−(1−シアノシクロヘキシル)−1−N−メチルブチルアミドであり,上記末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーは,ビニルピリジン,ビニルピロリドン,ポリエチレンイミン,1−ビニルイミダゾールのうちから選択された一つ以上であってもよい。   The acrylic resin having an acidic functional group at the terminal is phosphorus monoacrylate or phosphorus diacrylate, and the alkylamine is 2- (tert-butyl-methylamino) ethyl acrylate, N-tert-butyl. Diethanolamine or N- (1-cyanocyclohexyl) -1-N-methylbutyramide, the vinyl monomer having a basic functional group at the terminal is vinylpyridine, vinylpyrrolidone, polyethyleneimine, or 1-vinylimidazole. One or more selected from may be used.

上記イオン伝導重合性化合物は,末端にスルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基,イミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基および水酸基のうちから選択された一つ以上の作用基と,ヘッド部分に不飽和結合とを有しており,上記イオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は,10000g/mole以下であってもよい。   The ion conductive polymerizable compound has at least one functional group selected from a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a hydroxyl group at the terminal, and a head portion. And the ion-conducting polymerizable compound may have a mass average molecular weight of 10,000 g / mole or less.

上記架橋剤は,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート,ポリ(エチレングリコール)メタクリレート,ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート,アリルアクリレート,ジビニルベンゼンのうちから選択された一つ以上であってもよい。   The cross-linking agent may be one or more selected from hexyl acrylate, butyl acrylate, trimethylolpropane triacrylate, poly (ethylene glycol) methacrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, allyl acrylate, and divinylbenzene. Good.

上記イオン伝導性ポリマーコーティング膜は,イオン伝導重合性化合物と架橋剤とを含む組成物を微細粒子コーティングした後,当該微細粒子コーティングされた組成物を重合して得られるものであってもよい。   The ion conductive polymer coating film may be obtained by finely coating a composition containing an ion conductive polymerizable compound and a crosslinking agent and then polymerizing the fine particle coated composition.

前記組成物に可塑剤がさらに付加されてもよい。   A plasticizer may be further added to the composition.

前記可塑剤は,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート及びポリアリルエーテルからなる群より選択された一つ以上であってもよい。   The plasticizer may be one or more selected from the group consisting of poly (ethylene glycol) methyl ether acrylate and polyallyl ether.

前記多孔性高分子マトリックスは,ポリテトラフルオロエチレン,フッ化ポリビニリデン,ポリプロピレン,ポリエチレンからなる群より選択された一つ以上からなる不織布であってもよい。   The porous polymer matrix may be a nonwoven fabric made of one or more selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polypropylene, and polyethylene.

前記多孔性高分子マトリックスの厚みは,10〜150μmであり,前記多孔性高分子マトリックスの面積あたりの細孔度は,30〜90%であってもよい。   The porous polymer matrix may have a thickness of 10 to 150 μm, and the porosity per area of the porous polymer matrix may be 30 to 90%.

前記イオン伝導性ポリマーコーティング膜の厚みは,1〜10μmであってもよい。   The ion conductive polymer coating film may have a thickness of 1 to 10 μm.

上記課題を解決するために,本発明の第2の観点によれば,多孔性高分子マトリックス上にイオン伝導重合性化合物,架橋剤を含む組成物を利用し,微細粒子コーティングの真空蒸着コーティングを実施する工程と,前記組成物の重合反応を実施し,前記多孔性高分子マトリックスの単一ファイバの外面及び高分子マトリックスの細孔内部に形成されたイオン伝導性ポリマーコーティング膜を備える上記のポリマー電解質を得る工程とを含むポリマー電解質膜の製造方法が提供される。   In order to solve the above problems, according to a second aspect of the present invention, a composition containing an ion conductive polymerizable compound and a cross-linking agent is used on a porous polymer matrix to form a vacuum deposition coating of a fine particle coating. And a polymer comprising the ion conducting polymer coating film formed on the outer surface of the single fiber of the porous polymer matrix and inside the pores of the polymer matrix. A method for producing a polymer electrolyte membrane is provided which includes a step of obtaining an electrolyte.

前記微細粒子コーティングは,フラッシュ蒸発方式によってなされてもよい。   The fine particle coating may be performed by a flash evaporation method.

前記組成物に,イオン伝導重合性化合物100質量部を基準として,20〜200質量部の可塑剤がさらに含まれてもよい。   The composition may further include 20 to 200 parts by mass of a plasticizer based on 100 parts by mass of the ion conductive polymerizable compound.

前記可塑剤は,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレートおよびポリアリールエーテルからなる群より選択された一つ以上であってもよい。   The plasticizer may be one or more selected from the group consisting of poly (ethylene glycol) methyl ether acrylate and polyaryl ether.

前記重合反応は,光を照射するか,または電子ビームを用いるか,または熱を加えてなされてもよい。   The polymerization reaction may be performed by irradiating light, using an electron beam, or applying heat.

前記イオン伝導重合性化合物は,ビニルスルホン酸,スチレンスルホン酸,スルホニルアクリレート,末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂,C1〜C20のアルキルアミン,末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーのうちから選択された一つ以上であり,イオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は,1000g/mol以下であってもよい。   The ion conductive polymerizable compound is selected from vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, sulfonyl acrylate, acrylic resin having an acidic functional group at the terminal, C1 to C20 alkylamine, and vinyl monomer having a basic functional group at the terminal. One or more selected, and the mass average molecular weight of the ion conductive polymerizable compound may be 1000 g / mol or less.

前記末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂は,リン系モノアクリレートまたはリン系ジアクリレートであり,上記アルキルアミンは,アクリル酸2−(tert−ブチル−メチルアミノ)エチルエステル,N−tert−ブチルジエタノールアミンまたはN−(1−シアノシクロヘキシル)−1−N−メチルブチルアミドであり,上記末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーは,ビニルピリジン,ビニルピロリドン,ポリエチレンイミン,1−ビニルイミダゾールのうちから選択された一つ以上であってもよい。   The acrylic resin having an acidic functional group at the terminal is phosphorus monoacrylate or phosphorus diacrylate, and the alkylamine is acrylic acid 2- (tert-butyl-methylamino) ethyl ester, N-tert-butyldiethanolamine. Or N- (1-cyanocyclohexyl) -1-N-methylbutyramide, and the vinyl monomer having a basic functional group at the terminal is vinylpyridine, vinylpyrrolidone, polyethyleneimine, or 1-vinylimidazole. It may be one or more selected.

前記イオン伝導重合性化合物は,末端にスルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基,イミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基および水酸基のうちから選択された一つ以上の作用基と,ヘッド部分に不飽和結合とを有しており,上記イオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は,10000g/mole以下であってもよい。   The ion conductive polymerizable compound has at least one functional group selected from a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a hydroxyl group at the terminal, and a head portion. And the ion-conducting polymerizable compound may have a mass average molecular weight of 10,000 g / mole or less.

前記架橋剤は,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート,ポリ(エチレングリコール)メタクリレート,ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート,アリルアクリレート,ジビニルベンゼンのうちから選択された一つ以上であってもよい。   The cross-linking agent may be one or more selected from hexyl acrylate, butyl acrylate, trimethylolpropane triacrylate, poly (ethylene glycol) methacrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, allyl acrylate, and divinylbenzene. Good.

前記架橋剤は,イオン重合性化合物100質量部を基準として,25〜300質量部であってもよい。   The crosslinking agent may be 25 to 300 parts by mass based on 100 parts by mass of the ion polymerizable compound.

上記課題を解決するために,本発明の第3の観点によれば,カソードと,アノードと,上記カソードと上記アノードとの間に介在された上記のポリマー電解質膜とを備える燃料電池が提供される。   In order to solve the above problems, according to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising a cathode, an anode, and the polymer electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode. The

本発明によれば,機械的強度にすぐれつつ,100℃以上の温度でも熱による劣化がなく,無加湿状態でも優秀なイオン伝導度を示すことが可能な,ポリマー電解質膜とその製造方法および燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, a polymer electrolyte membrane, a method for producing the same, and a fuel that have excellent mechanical strength, are not deteriorated by heat even at a temperature of 100 ° C. or higher, and can exhibit excellent ionic conductivity even in a non-humidified state. A battery can be provided.

以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本発明の第1の実施形態に係るポリマー電解質膜は,機械的強度及び熱的特性にすぐれる多孔性高分子マトリックスと,この高分子マトリックスを構成する単一ファイバ(または個別ファイバ)の外面に,多種のイオン伝導性(特に,水素イオン伝導性)基を有しているイオン伝導重合性化合物をグラフトまたは架橋して得られたイオン伝導性ポリマーコーティング膜が形成された構造を有しつつ,前記高分子マトリックスの細孔内部の単一ファイバまたはスレッド(thread)にイオン伝導性ポリマーコーティング膜が形成された構造を有している。このように,本実施形態に係るポリマー電解質膜は,イオン伝導性ポリマーコーティング膜を具備しているが,イオン伝導性ポリマーのコーティング程度により,高分子マトリックス内に細孔が一部存在する構造を有している。   The polymer electrolyte membrane according to the first embodiment of the present invention includes a porous polymer matrix having excellent mechanical strength and thermal characteristics, and an outer surface of a single fiber (or individual fiber) constituting the polymer matrix. , Having a structure in which an ion conductive polymer coating film obtained by grafting or crosslinking an ion conductive polymerizable compound having various ion conductive (especially hydrogen ion conductive) groups is formed, The polymer matrix has a structure in which an ion conductive polymer coating film is formed on a single fiber or thread inside the pores of the polymer matrix. As described above, the polymer electrolyte membrane according to the present embodiment includes the ion conductive polymer coating film. However, depending on the degree of the ion conductive polymer coating, the polymer electrolyte membrane has a structure in which some pores exist in the polymer matrix. Have.

ここで,「ポリマー電解質膜」の用語定義を行えば,イオン媒質が含浸されているポリマー電解質マトリックスを含むイオン伝導体を意味し,前記イオン媒質は,DMFCでは,コーティングされるモノマーであり,スルホン酸基を含むモノマー(ナフィオン)をいい,PAFCでは,イオン媒質は,リン酸自体であり,二次電池システムでは,イオン媒質がLi,NaまたはKのようなアルカリ金属のイオンである。   Here, if the term “polymer electrolyte membrane” is defined, it means an ionic conductor including a polymer electrolyte matrix impregnated with an ionic medium. In DMFC, the ionic medium is a monomer to be coated, and is a sulfone. This refers to a monomer (Nafion) containing an acid group. In PAFC, the ion medium is phosphoric acid itself, and in the secondary battery system, the ion medium is an ion of an alkali metal such as Li, Na, or K.

本発明で使われる用語である「単一ファイバ」は,多孔性高分子マトリックスで細孔内部及び三次元構造を有するウェブ形態を有する単一ファイバまたはスレッドをいい,さらに説明すれば,高分子マトリックスを構成するそれぞれのファイバまたはスレッドを指す。   The term “single fiber” as used in the present invention refers to a single fiber or thread having a porous polymer matrix and a web morphology having a pore interior and a three-dimensional structure. Refers to each fiber or thread that comprises

前述のポリマー電解質膜は,特に,無加湿ポリマー電解質膜として有用であり,200℃以上の熱的安全性が確保された多孔性高分子マトリックスにイオン伝導性ポリマーをコーティングし,優秀な機械的安全性及び高い熱的特性を有している。ここで,「無加湿ポリマー電解質膜」とは,水分を含湿せずとも優秀なイオン伝導度を発揮するポリマー電解質膜であり,大気圧下の100℃以上の温度でも,適正なイオン伝導度(10−2S/cm以上)を維持するポリマー電解質膜を意味する。 The polymer electrolyte membrane described above is particularly useful as a non-humidified polymer electrolyte membrane, and it has excellent mechanical safety by coating a porous polymer matrix with a thermal safety of 200 ° C or higher with an ion conductive polymer. And high thermal properties. Here, the “non-humidified polymer electrolyte membrane” is a polymer electrolyte membrane that exhibits excellent ionic conductivity without moisture, and has an appropriate ionic conductivity even at temperatures of 100 ° C. or higher under atmospheric pressure. It means a polymer electrolyte membrane that maintains (10 −2 S / cm or more).

前記イオン伝導性ポリマーは,イオン伝導重合性化合物と,架橋剤を含む組成物との重合によって形成される。   The ion conductive polymer is formed by polymerization of an ion conductive polymerizable compound and a composition containing a crosslinking agent.

前記イオン伝導重合性化合物は,末端に,スルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基のような酸性基,ピリジン,ピロリドン,イミン,イミダゾールのような塩基性基,またはイミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基及び水酸基のようなイオン伝導性作用基を有しており,ヘッド部分は,重合性結合,例えば,二重結合のような不飽和結合,エポキシのような作用基を有する化合物などをいう。かかるイオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は,約10000g/mole以下,望ましくは,100〜10000g/mole,さらに望ましくは,50〜2000g/moleである。もし質量平均分子量が10000g/moleを超えれば,伝導度側面で望ましくない。   The ion conductive polymerizable compound has, at the end, an acidic group such as a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or a carboxylic acid group, a basic group such as pyridine, pyrrolidone, imine or imidazole, or an imide group, a sulfonimide group, It has an ion conductive functional group such as a sulfonamide group and a hydroxyl group, and the head portion is composed of a polymerizable bond, for example, an unsaturated bond such as a double bond, a compound having a functional group such as an epoxy. Say. The mass average molecular weight of the ion conductive polymerizable compound is about 10,000 g / mole or less, preferably 100 to 10000 g / mole, more preferably 50 to 2000 g / mole. If the mass average molecular weight exceeds 10,000 g / mole, it is not desirable in terms of conductivity.

前記イオン伝導重合性化合物の例としては,ビニルスルホン酸,スチレンスルホン酸,スルホニルアクリレート,末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂,C1〜C20のアルキルアミン,末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーなどがある。   Examples of the ion conductive polymerizable compound include vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, sulfonyl acrylate, an acrylic resin having an acidic functional group at the terminal, a C1 to C20 alkylamine, and a vinyl monomer having a basic functional group at the terminal. and so on.

前記末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂の例としては,例えば,リン系モノアクリレートまたはリン系ジアクリレートがあり,前記末端に塩基性基を有する化合物の具体的な例としては,例えば,ビニルピリジン,ビニルピロリドン,ポリ(エチレンイミン),1−ビニルイミダゾールなどがある。   Examples of the acrylic resin having an acidic functional group at the terminal include, for example, phosphorus monoacrylate or phosphorus diacrylate, and specific examples of the compound having a basic group at the terminal include, for example, vinyl pyridine. , Vinylpyrrolidone, poly (ethyleneimine), 1-vinylimidazole and the like.

前記アルキルアミンとしては,例えば,アクリル酸2−(tert−ブチル−メチルアミノ)エチルエステル,N−tert−ブチルジエタノールアミン,またはN−(1−シアノシクロヘキシル)−1−N−メチルブチルアミドがある。   Examples of the alkylamine include acrylic acid 2- (tert-butyl-methylamino) ethyl ester, N-tert-butyldiethanolamine, or N- (1-cyanocyclohexyl) -1-N-methylbutyramide.

前述の化合物のうち,ビニルピリジン,ビニルピロリドン,ポリ(エチレンイミン)のような塩基性化合物は,親水性が上昇して高分子マトリックスを構成する高分子と結合し,リン酸との相溶性を高め,リン酸保液能が向上する。   Among the compounds mentioned above, basic compounds such as vinylpyridine, vinylpyrrolidone, and poly (ethyleneimine) have increased hydrophilicity and bind to the polymer that constitutes the polymer matrix, resulting in compatibility with phosphoric acid. Increases the phosphate retention capacity.

前記のような塩基性化合物が,リン酸保液能の面で,スルホン酸基,カルボン酸基のような酸性基を含有した化合物に比べて優秀である。   The basic compound as described above is superior to a compound containing an acidic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in terms of phosphate retention capacity.

前記架橋剤は,ポリマー電解質膜の機械的物性などを改善し,具体的な例として,例えば,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート(TMPTA),ポリ(エチレングリコール)メタクリレート(PEGMA,HC=C(CH)−C(=O)−(OCHCH−OH,nは,1〜25の整数),ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート(PEGDMA,HC=C(CH)−C(=O)−(OCHCH−OC(=O)−C(CH)=CH,nは,1〜25の整数),アリルアクリレート(allyl acrylate),ジビニルベンゼンなどがある。前記架橋剤の含有量は,イオン伝導重合性化合物100質量部を基準とし,25〜300質量部であることが望ましい。もし架橋剤の含有量が25質量部未満ならば,架橋剤の量が少なくて架橋の効果が不十分であり,300質量部を超えれば,高分子が過度に架橋され,プロトンの移動に妨害になって伝導度が低くなるので望ましくない。 The cross-linking agent improves the mechanical properties of the polymer electrolyte membrane. As specific examples, for example, hexyl acrylate, butyl acrylate, trimethylolpropane triacrylate (TMPTA), poly (ethylene glycol) methacrylate (PEGMA, H 2 C = C (CH 3) -C (= O) - (OCH 2 CH 2) n -OH, n is an integer of 1 to 25), poly (ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA, H 2 C = C (CH 3 ) —C (═O) — (OCH 2 CH 2 ) n —OC (═O) —C (CH 3 ) ═CH 2 , n is an integer of 1 to 25), allyl acrylate And divinylbenzene. The content of the crosslinking agent is preferably 25 to 300 parts by mass based on 100 parts by mass of the ion conductive polymerizable compound. If the content of the cross-linking agent is less than 25 parts by mass, the amount of the cross-linking agent is small and the effect of cross-linking is insufficient. If the content exceeds 300 parts by mass, the polymer is excessively cross-linked and hinders proton movement. This is undesirable because the conductivity is low.

前述のイオン伝導重合性化合物と,架橋剤を含む組成物とには,ポリマー電解質膜の柔軟性(flexibility)を高めるために,可塑剤をさらに付加することもできる。かかる可塑剤の具体的な例として,例えば,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(CH=CH−C(=O)O−(CHCHO)−CH,mは,1〜25の整数),ポリアリルエーテル(CH=CH−(CHCHO)−CH,mは,1〜25の整数)などを挙げることができる。 In order to increase the flexibility of the polymer electrolyte membrane, a plasticizer may be further added to the above-described ion conductive polymerizable compound and the composition containing the crosslinking agent. As a specific example of such a plasticizer, for example, poly (ethylene glycol) methyl ether acrylate (CH 2 ═CH—C (═O) O— (CH 2 CH 2 O) m —CH 3 , m is 1 to integer of 25), polyallyl ether (CH 2 = CH- (CH 2 CH 2 O) m -CH 3, m may be mentioned 1 to 25 integer) and the like.

前記可塑剤の含有量は,イオン伝導重合性化合物100質量部を基準とし,20〜200質量部であることが望ましい。もし可塑剤の含有量が20質量部未満ならば,可塑剤としての効果が微小であり,200質量部を超えれば,機械的特性が落ちるので望ましくない。   The content of the plasticizer is preferably 20 to 200 parts by mass based on 100 parts by mass of the ion conductive polymerizable compound. If the content of the plasticizer is less than 20 parts by mass, the effect as a plasticizer is negligible, and if it exceeds 200 parts by mass, the mechanical properties deteriorate, which is not desirable.

本実施形態に係るポリマー電解質膜を構成する多孔性高分子マトリックスは,例えば,ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),フッ化ポリビニリデン(PVDF),ポリプロピレン(PP),ポリエチレン(PE)からなる群から選択された一つ以上からなる不織布であり,この膜厚は,10〜150μmであり,面積あたりの細孔度が30〜90%,望ましくは,40〜80%である。もし細孔度が30%未満である場合,イオノマー(ionomer)のコーティング量が少なくなり,直接的に伝導度が低くなるという特性があり,細孔が90%を超える場合には,伝導度は向上するが,相対的に機械的特性が低くなるという特性がある。   The porous polymer matrix constituting the polymer electrolyte membrane according to the present embodiment is selected from the group consisting of, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polypropylene (PP), and polyethylene (PE). The film has a thickness of 10 to 150 μm and a porosity per area of 30 to 90%, preferably 40 to 80%. If the porosity is less than 30%, the ionomer coating amount is reduced and the conductivity is directly reduced. If the pore is more than 90%, the conductivity is Although improved, there is a characteristic that mechanical properties are relatively lowered.

本実施形態に係る多孔性高分子マトリックスとして,特に,PTFEからなる多孔性高分子マトリックスを使用する場合には,高温用ポリマー電解質型燃料電池に有用であり,PVDF,PPのように疏水性多孔性高分子マトリックスを使用する場合には,メタノールのクロスオーバーが減少したDMFCに有用である。   In particular, when a porous polymer matrix made of PTFE is used as the porous polymer matrix according to the present embodiment, it is useful for high-temperature polymer electrolyte fuel cells, and is a porous porous matrix such as PVDF and PP. When using a conductive polymer matrix, it is useful for DMFC with reduced methanol crossover.

本実施形態に係るポリマー電解質膜において,単一ファイバの外面に形成されたイオン伝導性ポリマーコーティング膜の厚みは,1〜10μm,特に,1〜3μmであることが望ましい。もし前記コーティング膜の厚さが1μm未満ならば,イオノマーコーティング量が不足してイオン伝導度が低下し,10μmを超えれば,電解質膜が細孔(pore)を遮断して伝導度特性が低下してしまって望ましくない。   In the polymer electrolyte membrane according to the present embodiment, the thickness of the ion conductive polymer coating film formed on the outer surface of the single fiber is preferably 1 to 10 μm, particularly 1 to 3 μm. If the thickness of the coating film is less than 1 μm, the ionomer coating amount is insufficient and the ionic conductivity decreases. If the thickness exceeds 10 μm, the electrolyte film blocks the pores and the conductivity characteristics decrease. This is undesirable.

以下,本実施形態に係るポリマー電解質膜の製造方法について述べれば,次の通りである。   Hereinafter, it will be as follows if the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane concerning this embodiment is described.

多孔性高分子マトリックス上にイオン伝導重合性化合物,架橋剤を含む組成物を利用して微細粒子コーティングを実施する。かかる微細粒子コーティング方法は,特別に制限されるものではなく,具体的な例として,フラッシュ蒸発法を利用し,多孔性高分子マトリックスの一面だけに前記組成物をコーティングすることも可能であり,両面に二回コーティングすることも可能である。   Fine particle coating is performed using a composition containing an ion conductive polymerizable compound and a crosslinking agent on a porous polymer matrix. Such a fine particle coating method is not particularly limited. As a specific example, the flash evaporation method may be used to coat the composition on only one surface of the porous polymer matrix. It is also possible to coat twice on both sides.

フラッシュ蒸発法を利用したコーティング法をさらに詳細に説明すれば,次の通りである。   The coating method using the flash evaporation method will be described in more detail as follows.

高温,超低圧状態でモノマーを昇華させ,一時に基板に噴射して細孔及び表面にコーティングさせる方法であり,コーティング膜の厚みの調節は,混合モノマーの量を調節し,コーティング膜の厚さを調節する。このコーティング法は,本特許出願に参照として統合された米国特許US.6,468,595号明細書に開示されており,本発明では,このコーティング法を使用する。   This is a method in which monomer is sublimated at high temperature and ultra-low pressure and sprayed onto the substrate at a time to coat the pores and surface. The thickness of the coating film is adjusted by adjusting the amount of the mixed monomer. Adjust. This coating method is described in U.S. Pat. No. 6,468,595, and this coating method is used in the present invention.

前述のように微細粒子コーティングを実施した後,前記組成物の重合反応を実施し,多孔性高分子マトリックスの単一ファイバの外面にイオン伝導性ポリマーからなるコーティング膜の形成されたポリマー電解質膜を得る。前記微細粒子コーティング方法としては,特別に制限されるものではないが,真空蒸着コーティングを実施する。   After the fine particle coating is performed as described above, a polymerization reaction of the composition is performed, and a polymer electrolyte membrane having a coating film made of an ion conductive polymer is formed on the outer surface of a single fiber of a porous polymer matrix. obtain. The fine particle coating method is not particularly limited, but vacuum deposition coating is performed.

前記重合反応は,光,熱または電子ビームによってなされうる。光としては,紫外線(UV)などを利用し,熱による場合には,温度が70〜350℃に維持する。かかる重合反応を介し,イオン伝導重合性化合物と架橋剤との架橋反応,グラフト反応のような重合反応が起き,これに対応するイオン伝導性ポリマーが形成される。前述のように,前記組成物には可塑剤がさらに付加されることもある。   The polymerization reaction can be performed by light, heat, or electron beam. As the light, ultraviolet (UV) is used, and when it is heated, the temperature is maintained at 70 to 350 ° C. Through such a polymerization reaction, a polymerization reaction such as a cross-linking reaction or graft reaction between the ion conductive polymerizable compound and the cross-linking agent occurs, and an ion conductive polymer corresponding to this occurs. As described above, a plasticizer may be further added to the composition.

カソード,アノード及び前記カソード及びアノード間に位置した前述のポリマー電解質膜を具備し,本実施形態に係る燃料電池を得ることができる。   The fuel cell according to the present embodiment can be obtained by including the cathode, the anode, and the polymer electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode.

以下,本発明を下記実施例を挙げて説明するが,本発明が下記実施例だけに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1〜4)
下記表1の組成として,ビニルピリジン(CH=CH−CN),ジアクリレート(HC=C(CH)−C(=O)−(OCHCH−OC(=O)−C(CH)=CH,nは,1〜25の整数),アクリレート二次アミン(アクリル酸2−(tert−ブチル−メチル−アミノ)−エチルエステル(CH=CH−COO−CN(CH)n−(CH)のうちから選択されたイオン伝導重合性化合物及びTMPTAが混合された組成物を準備した。その後,この組成物を,それぞれPVDFマトリックス,PTFEマトリックス,またはセルガード(Celgard)マトリックス(PEマトリックス)上にフラッシュ蒸発させた後,これにUVを10分間照射し,10kV,100mAの電子ビームでインシチュ(in−situ)重合反応を行った。その結果,PVDFマトリックスの単一ファイバ上にプロトン伝導性ポリマーのビニルピリジン及びジアクリレートの重合体が,5μm厚さにコーティングされたポリマー電解質膜を得た。このポリマー電解質膜の全体厚は,23μmであった。ここで,前記ポリマー電解質膜は,80℃で2時間,85%のリン酸水溶液に含浸して燃料電池の製作時に使用した。
(Examples 1-4)
As the composition of the following Table 1, vinyl pyridine (CH 2 = CH-C 5 H 4 N), diacrylate (H 2 C = C (CH 3) -C (= O) - (OCH 2 CH 2) n -OC (═O) —C (CH 3 ) ═CH 2 , n is an integer of 1 to 25), acrylate secondary amine (acrylic acid 2- (tert-butyl-methyl-amino) -ethyl ester (CH 2 ═CH was prepared -COO-C 2 H 4 N ( CH 3) n- (CH 3) 3 ion conducting polymeric compound selected from the group consisting of) and compositions TMPTA are mixed. Thereafter, the composition, After flash evaporation on PVDF matrix, PTFE matrix, or Celgard matrix (PE matrix), respectively, this was irradiated with UV for 10 minutes, 10 kV, 1 An in-situ polymerization reaction was performed with an electron beam of 0 mA, and as a result, a polymer of proton conductive polymer vinylpyridine and diacrylate was coated to a thickness of 5 μm on a single fiber of a PVDF matrix. A polymer electrolyte membrane was obtained, and the total thickness of this polymer electrolyte membrane was 23 μm, where the polymer electrolyte membrane was impregnated with 85% phosphoric acid aqueous solution at 80 ° C. for 2 hours to produce a fuel cell. Used at times.

一方,電極としては,E−TEK社のEFCG−S型の電極,すなわち,東レカーボンペーパーTGPH900上に10質量%のPtを担持したローディング量0.6mg/cmの電極を使用した。電極へのリン酸含浸のためには,電極上にリン酸を湿した後,120℃で1時間,真空下で保管した。 On the other hand, an EFCG-S type electrode manufactured by E-TEK, that is, an electrode having a loading amount of 0.6 mg / cm 2 in which 10% by mass of Pt is supported on Toray Carbon Paper TGPH900 was used. In order to impregnate the electrode with phosphoric acid, phosphoric acid was moistened on the electrode and then stored at 120 ° C. for 1 hour under vacuum.

前記電極と前述のポリマー電解質膜とを具備して燃料電池を完成した。   A fuel cell was completed comprising the electrode and the polymer electrolyte membrane.

前記実施例1〜実施例4によって製造された燃料電池のセル性能を調べ,その結果を図1に表した。図1で,PBIはポリマー電解質膜としてポリビニルベンズイミダゾール膜を使用した場合を表す。ここで,セル性能評価条件について述べれば,水素ガスの流量を,100ml/min,空気(air)の流量を,300ml/min,無加湿条件で電流密度によるセル電位変化を調べた。   The cell performances of the fuel cells manufactured according to Examples 1 to 4 were examined, and the results are shown in FIG. In FIG. 1, PBI represents the case where a polyvinylbenzimidazole membrane is used as the polymer electrolyte membrane. Here, the cell performance evaluation condition was described. The change in cell potential due to the current density was examined under the non-humidifying condition with the flow rate of hydrogen gas being 100 ml / min and the flow rate of air being 300 ml / min.

図1を参照し,実施例1〜実施例4の燃料電池は,PBI膜を採用した燃料電池の場合と比較し,同等であるか,またはさらに優秀な性能を示すと分かった。   Referring to FIG. 1, the fuel cells of Examples 1 to 4 were found to be equivalent to or better than the fuel cells employing the PBI membrane.

前記実施例1〜実施例4によって製造されたポリマー電解質膜のイオン伝導度を測定して図2に表した。ここで,イオン伝導度は,ACインピーダンス法によって評価した。   The ionic conductivity of the polymer electrolyte membranes manufactured according to Examples 1 to 4 was measured and represented in FIG. Here, the ionic conductivity was evaluated by the AC impedance method.

図2を参照し,実施例1によって製造されたポリマー電解質膜が最も優秀な伝導度を表し,二次アミンとビニルピリジンとを共に使用する実施例3の場合が,二次アミンとビニルピリジンをそれぞれ使用する場合(実施例2及び実施例4)の場合と比較し,さらに低い伝導度特性を表すと分かった。   Referring to FIG. 2, the polymer electrolyte membrane prepared according to Example 1 exhibits the best conductivity, and in Example 3 where both a secondary amine and vinyl pyridine are used, the secondary amine and vinyl pyridine are It was found that the conductivity characteristics are lower than those in the case of using each (Example 2 and Example 4).

(実施例5)
イオン伝導重合性化合物として,スルホン酸基を含有するモノマーであるビニルスルホン酸10〜50質量部を使用したことを除いては,実施例1と同じ方法によって実施し,ポリマー電解質膜(イオン伝導性コーティング膜のコーティング厚さは,5μm,ポリマー電解質膜厚は,23μm)及び燃料電池を製造した。
(Example 5)
The polymer electrolyte membrane (ion conductivity) was obtained by the same method as in Example 1 except that 10 to 50 parts by mass of vinyl sulfonic acid, which is a monomer containing a sulfonic acid group, was used as the ion conductive polymerizable compound. The coating thickness of the coating film was 5 μm, the polymer electrolyte film thickness was 23 μm), and a fuel cell was manufactured.

前記実施例2,実施例4及び実施例5によって製造されたポリマー電解質膜において,リン酸保液能を評価して下記表2に表した。ここで,リン酸保液能は,含浸前の重さと含浸後の重さ変化を対比する方法によって評価した。   The polymer electrolyte membranes produced according to Example 2, Example 4 and Example 5 were evaluated for their ability to retain phosphoric acid and are shown in Table 2 below. Here, the phosphate retention capacity was evaluated by a method of comparing the weight before impregnation with the change in weight after impregnation.

前記表2から,ビニルピリジン及びアミンを使用して得たポリマー電解質膜のリン酸保液能がスルホン酸基のような酸性基を含有した化合物を利用して得たポリマー電解質膜に比べ,さらに優秀であるということが容易に分かった。   From Table 2, the polymer electrolyte membrane obtained using vinylpyridine and amine has a phosphate retention capacity compared to the polymer electrolyte membrane obtained using a compound containing an acidic group such as a sulfonic acid group. I easily found out that it was excellent.

前記実施例2,実施例4及び実施例5によって製造されたポリマー電解質膜において,伝導度特性を評価して図3に表した。   The conductivity characteristics of the polymer electrolyte membranes manufactured according to Examples 2, 4 and 5 were evaluated and shown in FIG.

図3を参照すれば,アミン基を含んでいるモノマーを利用して製造されたポリマー電解質膜が,スルホン酸基を含んだ化合物を利用して製造されたポリマー電解質膜に比べ,さらに高いイオン伝導度値を表しており,結果的に,リン酸は,アミン基含んだ膜に対して含浸量が多く,かつイオン伝導度も高いということが分かった。   Referring to FIG. 3, a polymer electrolyte membrane manufactured using a monomer containing an amine group has a higher ionic conductivity than a polymer electrolyte membrane manufactured using a compound containing a sulfonic acid group. As a result, it was found that phosphoric acid had a larger amount of impregnation and higher ionic conductivity than the membrane containing amine groups.

前記実施例3及び実施例5によって得たポリマー電解質膜をリン酸にスウェリング(膨潤)させた後,表面のリン酸を拭いた後の状態を電子走査顕微鏡(SEM)を利用して観察し,それぞれ図4及び図5にそれぞれ表した。   After the polymer electrolyte membrane obtained in Example 3 and Example 5 was swollen (swelled) in phosphoric acid, the state after wiping the surface phosphoric acid was observed using an electron scanning microscope (SEM). 4 and FIG. 5 respectively.

図4及び図5は,SEMの10000倍拡大写真であり,これを参照すれば,PTFEマトリックスを構成する単一ファイバの外面にイオン伝導性ポリマー含有コーティング膜が形成されているということが分かった。そして,多孔性高分子マトリックスに高分子をコーティングし,高分子のそれぞれのファイバにコーティングされるということを確認することができれば,コーティング後にも細孔が存在するということであり,これはまさしく,高分子コーティングが単純に表面でなくして,三次元的に高分子膜の内部にもコーティングされ,コーティングされたイオノマーがスウェリングされ,プロトンの移動時にプロトンの経路を確保する役割を果たすことができる媒質を提供する一方,ガスを遮断する効果を確認できる。そして,図4及び図5を相互比較してみるとき,実施例3のポリマー電解質膜が実施例5の場合に比べ,はるかにスウェリングされているということが分かり,かかる事実から,リン酸保液能にさらにすぐれていることが分かった。   4 and 5 are SEM magnified photographs of 10,000 times, and it was found that an ion conductive polymer-containing coating film was formed on the outer surface of a single fiber constituting the PTFE matrix. . And if the polymer is coated on the porous polymer matrix and it can be confirmed that each fiber of the polymer is coated, it means that there are pores after coating. The polymer coating is not simply a surface, it is also three-dimensionally coated inside the polymer membrane, the coated ionomer is swelled, and can play the role of securing the proton path during proton transfer While providing a medium, the effect of blocking gas can be confirmed. 4 and FIG. 5 are compared with each other, it can be seen that the polymer electrolyte membrane of Example 3 is far more swollen than that of Example 5. It turns out that it is further superior in liquidity.

上記のように,本実施形態に係るポリマー電解質膜は,機械的強度にすぐれつつ,100℃以上の温度でも熱による劣化がなく,無加湿状態でも優秀なイオン伝導度を示すことができるポリマーであり,高温用燃料電池に適している。そして,前記ポリマー電解質膜を構成する多孔性高分子マトリックスの単一ファイバの外面及び高分子マトリックスの細孔内部に形成されたイオン伝導性ポリマーコーティング膜がピリジン,アミンのような塩基性官能基を含有する化合物を利用して形成された場合には,コーティング後にリン酸との相溶性がさらに向上し,これによって高温でのイオン伝導度及びセル特性が向上する。前記ポリマー電解質膜を構成する高分子マトリックスが疏水性材質からなる場合には,これをDMFCに適用する場合,メタノールのクロスオーバーを効果的に防止できる。   As described above, the polymer electrolyte membrane according to this embodiment is a polymer that has excellent mechanical strength, is not deteriorated by heat even at a temperature of 100 ° C. or higher, and can exhibit excellent ionic conductivity even in a non-humidified state. Yes, suitable for high-temperature fuel cells. The ion conductive polymer coating film formed on the outer surface of the single fiber of the porous polymer matrix constituting the polymer electrolyte membrane and the pores of the polymer matrix has basic functional groups such as pyridine and amine. When formed by using the compound contained, the compatibility with phosphoric acid is further improved after coating, thereby improving the ionic conductivity and cell characteristics at high temperatures. When the polymer matrix constituting the polymer electrolyte membrane is made of a hydrophobic material, when this is applied to DMFC, methanol crossover can be effectively prevented.

以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

本発明のポリマー電解質膜及びこれを採用した燃料電池は,例えば,電力供給関連の技術分野に効果的に適用可能である。   The polymer electrolyte membrane of the present invention and the fuel cell employing the polymer electrolyte membrane can be effectively applied to, for example, a technical field related to power supply.

本発明の実施例1〜実施例4によって製造された燃料電池のセル性能の分析結果を表したグラフ図である。It is the graph showing the analysis result of the cell performance of the fuel cell manufactured by Example 1- Example 4 of this invention. 本発明の実施例1〜実施例4によって製造されたポリマー電解質膜のイオン伝導度を測定して表したグラフ図である。It is the graph which measured and represented the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane manufactured by Example 1- Example 4 of this invention. 本発明の実施例2,実施例4及び実施例5によって製造されたポリマー電解質膜において,伝導度特性に対する分析結果を表したグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing analysis results for conductivity characteristics in the polymer electrolyte membranes manufactured according to Example 2, Example 4 and Example 5 of the present invention. 本発明の実施例3によって得たポリマー電解質膜をリン酸にスウェリングさせた後,表面のリン酸を拭いた後の状態を表したSEM写真である。It is the SEM photograph showing the state after wiping the surface phosphoric acid after swollen the polymer electrolyte membrane obtained by Example 3 of this invention to phosphoric acid. 本発明の実施例5によって得たポリマー電解質膜をリン酸にスウェリングさせ後,表面のリン酸を拭いた後の状態を表したSEM写真である。It is the SEM photograph showing the state after swollen the phosphoric acid of the surface, after swollen the polymer electrolyte membrane obtained by Example 5 of this invention to phosphoric acid.

Claims (10)

多孔性高分子マトリックス上にイオン伝導重合性化合物、架橋剤を含む組成物を利用し、微細粒子コーティングの真空蒸着コーティングを実施する工程と、
前記組成物の重合反応を実施し、前記多孔性高分子マトリックスの単一ファイバの外面及び高分子マトリックスの細孔内部に形成されたイオン伝導性ポリマーコーティング膜を備えるポリマー電解質を得る工程と、を含むことを特徴とする、ポリマー電解質膜の製造方法。
Using a composition containing an ion conductive polymerizable compound and a crosslinking agent on a porous polymer matrix, and performing vacuum deposition coating of fine particle coating;
To carry out the polymerization reaction of the composition, obtaining a reportage Rimmer electrolyte comprising an ion conducting polymer coating membrane outer surface and formed within the pores of the polymer matrix of a single fiber of the porous polymer matrix A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising:
前記微細粒子コーティングは,フラッシュ蒸発方式によってなされることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。 The method according to claim 1 , wherein the fine particle coating is performed by a flash evaporation method. 前記組成物に,イオン伝導重合性化合物100質量部を基準として,20〜200質量部の可塑剤がさらに含まれることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the composition further includes 20 to 200 parts by mass of a plasticizer based on 100 parts by mass of the ion conductive polymerizable compound. 前記可塑剤は,ポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレートおよびポリアリルエーテルからなる群より選択された一つ以上であることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法 The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 3 , wherein the plasticizer is at least one selected from the group consisting of poly (ethylene glycol) methyl ether acrylate and polyallyl ether. 前記重合反応は,光を照射するか,または電子ビームを用いるか,または熱を加えてなされることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the polymerization reaction is performed by irradiating light, using an electron beam, or applying heat. 前記イオン伝導重合性化合物は、ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂、C1〜C20のアルキルアミン、末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーのうちから選択された一つ以上であり、
前記イオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は、1000g/mol以下であることを特徴とする、請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
The ion conductive polymerizable compound was selected from vinyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, an acrylic resin having an acidic functional group at the terminal, a C1 to C20 alkylamine, and a vinyl monomer having a basic functional group at the terminal. One or more,
2. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the ion conductive polymerizable compound has a mass average molecular weight of 1000 g / mol or less.
前記末端に酸性官能基を有するアクリル樹脂は,リン系モノアクリレートまたはリン系ジアクリレートであり,
前記アルキルアミンは,アクリル酸2−(tert−ブチル−メチルアミノ)エチルエステル,N−tert−ブチルジエタノールアミンまたはN−(1−シアノシクロヘキシル)−1−N−メチルブチルアミドであり,
前記末端に塩基性官能基を有するビニル系モノマーは,ビニルピリジン,ビニルピロリドン,ポリエチレンイミン,1−ビニルイミダゾールのうちから選択された一つ以上であることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
The acrylic resin having an acidic functional group at the terminal is a phosphorus monoacrylate or a phosphorus diacrylate,
The alkylamine is acrylic acid 2- (tert-butyl-methylamino) ethyl ester, N-tert-butyldiethanolamine or N- (1-cyanocyclohexyl) -1-N-methylbutyramide;
Vinyl monomer having a basic functional group to the terminal vinyl pyridine, vinyl pyrrolidone, polyethylene imine, and wherein the at least one selected from among 1-vinylimidazole, according to claim 6 A method for producing a polymer electrolyte membrane.
前記イオン伝導重合性化合物は,末端にスルホン酸基,リン酸基,カルボン酸基,イミド基,スルホンイミド基,スルホンアミド基および水酸基のうちから選択された一つ以上の作用基と,ヘッド部分に不飽和結合とを有しており,
前記イオン伝導重合性化合物の質量平均分子量は,10000g/mole以下であることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
The ion conductive polymerizable compound has at least one functional group selected from a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, a carboxylic acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a hydroxyl group at the terminal, and a head portion. Have an unsaturated bond,
2. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the ion conductive polymerizable compound has a mass average molecular weight of 10,000 g / mole or less.
前記架橋剤は,ヘキシルアクリレート,ブチルアクリレート,トリメチロールプロパントリアクリレート,ポリ(エチレングリコール)メタクリレート,ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート,アリルアクリレート,ジビニルベンゼンのうちから選択された一つ以上であることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。 The cross-linking agent is at least one selected from hexyl acrylate, butyl acrylate, trimethylolpropane triacrylate, poly (ethylene glycol) methacrylate, poly (ethylene glycol) dimethacrylate, allyl acrylate, and divinylbenzene. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the method is characterized in that: 前記架橋剤は,イオン重合性化合物100質量部を基準として,25〜300質量部であることを特徴とする,請求項に記載のポリマー電解質膜の製造方法。
The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the crosslinking agent is 25 to 300 parts by mass based on 100 parts by mass of the ion polymerizable compound.
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