JP5245269B2 - Composite electrolyte and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、複合電解質及び固体高分子型燃料電池に関し、さらに詳しくは、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、電極材料等として好適な複合電解質、及びこれを用いた固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a composite electrolyte and a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis device, a hydrohalic acid electrolysis device, a salt electrolysis device, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity. The present invention relates to a composite electrolyte suitable as an electrolyte membrane and electrode material used in various electrochemical devices such as sensors and gas sensors, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.

固体高分子電解質は、高分子鎖中にスルホン酸基等の酸基を有する固体高分子材料である。固体高分子電解質は、特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形され、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利用されている。   The solid polymer electrolyte is a solid polymer material having an acid group such as a sulfonic acid group in a polymer chain. Since the solid polymer electrolyte has a property of binding firmly to specific ions or selectively permeating cations or anions, it is formed into particles, fibers, or membranes, electrodialysis, It is used for various applications such as diffusion dialysis and battery diaphragm.

例えば、固体高分子型燃料電池や水電解装置などの各種電気化学デバイスにおいて、固体高分子電解質は、膜状に成形され、その両面に電極を接合した膜電極接合体(MEA)の状態で使用される。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボン繊維、カーボンペーパー等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質との複合体からなる。   For example, in various electrochemical devices such as solid polymer fuel cells and water electrolysis devices, the solid polymer electrolyte is used in the form of a membrane electrode assembly (MEA) in which a membrane is formed and electrodes are bonded to both sides thereof. Is done. In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode generally has a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer. The diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and carbon fiber, carbon paper, or the like is used. The catalyst layer is a part that becomes a reaction field for electrode reaction, and generally comprises a composite of carbon carrying a catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte.

このような用途に用いられる固体高分子電解質として、従来から種々の材料が知られている。例えば、過酷な条件下で使用される電気化学デバイスに用いられる電解質膜及び触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全フッ素系電解質膜(例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成(株)製)、フレミオン(登録商標、旭硝子(株)製)等。)を用いるのが一般的である。また、電気化学デバイスの低コスト化を図るために、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホンなどの炭化水素系電解質の使用も検討されている。   Conventionally, various materials are known as solid polymer electrolytes used for such applications. For example, the electrolyte membrane used in an electrochemical device used under severe conditions and the electrolyte in the catalyst layer include a perfluorinated electrolyte membrane excellent in oxidation resistance (for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), It is common to use Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., etc.). In order to reduce the cost of electrochemical devices, use of hydrocarbon electrolytes such as sulfonated polyetheretherketone and sulfonated polyethersulfone is also being studied.

燃料電池に使用されるこれらの電解質膜の性能を上げるための改良指針として、電解質のプロトン伝導性を上げることがある。このためには、膜中のスルホン酸基量を増やすことが一般的な方法である。しかしながら、スルホン酸基の単純な増大は、親水性の増大となる。その結果、電解質膜の含水による膨潤が大きくなる、膜が水溶性になる等、電池としての耐久性を低下させる弊害を持つ。   An improvement guideline for improving the performance of these electrolyte membranes used in fuel cells is to increase the proton conductivity of the electrolyte. For this purpose, it is a general method to increase the amount of sulfonic acid groups in the membrane. However, a simple increase in sulfonic acid groups results in an increase in hydrophilicity. As a result, there is an adverse effect that the durability of the battery is lowered, such as swelling of the electrolyte membrane due to water content, and the membrane becoming water-soluble.

膨潤抑制・水溶性抑制の方策の1つとして、塩基性ポリマーとの混合が知られている。これは、電解質中のスルホン酸基などの酸基を、塩基性ポリマーにより架橋することによって、膨潤を抑制しようとするものである。例えば、非特許文献1には、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンとポリベンズイミダゾール(塩基性ポリマー)との混合物が開示されている。   As one of the measures for suppressing swelling and water solubility, mixing with a basic polymer is known. This is intended to suppress swelling by crosslinking an acid group such as a sulfonic acid group in an electrolyte with a basic polymer. For example, Non-Patent Document 1 discloses a mixture of sulfonated polyether ether ketone and polybenzimidazole (basic polymer).

K.D.kreuer, Journal of Membrane Science 185(2001)29-39K.D.kreuer, Journal of Membrane Science 185 (2001) 29-39

しかしながら、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンと、ポリベンズイミダゾールを混合することにより得られる電解質は、架橋点が親水性であるため、十分な架橋効果を得るためには、多量の塩基性ポリマーを複合化する必要がある。一方、塩基性ポリマーの含有量が多くなる程、プロトン伝導を担っているスルホン酸基が架橋に使われるため、電解質膜のプロトン伝導性が低下するという問題がある。   However, the electrolyte obtained by mixing sulfonated polyetheretherketone and polybenzimidazole has a hydrophilic cross-linking point, so in order to obtain a sufficient cross-linking effect, a large amount of basic polymer is combined. There is a need to. On the other hand, as the content of the basic polymer increases, a sulfonic acid group responsible for proton conduction is used for cross-linking, so that there is a problem that proton conductivity of the electrolyte membrane decreases.

本発明が解決しようとする課題は、高い電気伝導性と、耐水性や耐膨潤性とを両立させた複合電解質、及びこれを用いた固体高分子型燃料電池を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a composite electrolyte that achieves both high electrical conductivity, water resistance and swelling resistance, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.

上記課題を解決するために本発明に係る複合電解質の1番目は、
酸基を有する電解質ポリマーと、
4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基のうちのいずれか2つ以上の官能基を有する架橋剤分子とを備え、
前記官能基の解離により生成したカチオン基と前記酸基の解離により生成したアニオン基とが疎水性の酸/塩基架橋を形成していることを要旨とする。
また、本発明に係る複合電解質の2番目は、
分子内に酸基と、4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基の内のいずれか1以上の官能基を有する電解質ポリマーを含み、
前記電解質ポリマー分子間又は前記電解質ポリマー分子内において、前記官能基の解離により生成したカチオン基と前記酸基の解離により生成したアニオン基とが疎水性の酸/塩基架橋を形成していることを要旨とする。
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、本発明に係る複合電解質を電解質膜及び/又は触媒層内電解質に用いたことを要旨とする。
In order to solve the above problems, the first of the composite electrolyte according to the present invention is:
An electrolyte polymer having an acid group;
A crosslinking agent molecule having any two or more functional groups of a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group,
The gist is that a cationic group formed by dissociation of the functional group and an anion group formed by dissociation of the acid group form a hydrophobic acid / base bridge.
The second of the composite electrolyte according to the present invention is
An electrolyte polymer having an acid group and one or more functional groups of a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group in the molecule;
Between the electrolyte polymer molecules or within the electrolyte polymer molecule, a cationic group formed by dissociation of the functional group and an anion group formed by dissociation of the acid group form a hydrophobic acid / base bridge. The gist.
The solid polymer fuel cell according to the present invention is summarized in that the composite electrolyte according to the present invention is used for an electrolyte membrane and / or an electrolyte in a catalyst layer.

電解質ポリマーの酸基と、架橋剤分子又は電解質ポリマーの4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基とを反応させ、複合電解質内に酸/塩基架橋を形成すると、相対的に高い電気伝導度を維持したまま、耐水性や耐膨潤性を向上させることができる。これは、4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基の立体障害が大きく、架橋点に水分子が接近しにくい(すなわち、架橋点が疎水性となる)ために、水による架橋点の解離が抑制されるためと考えられる。   When an acid group of an electrolyte polymer is reacted with a crosslinker molecule or a quaternary onium group or a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group of the electrolyte polymer to form an acid / base bridge in the composite electrolyte, a relatively high electrical conductivity is obtained. Water resistance and swelling resistance can be improved while maintaining the above. This is because the steric hindrance of the quaternary onium group or the nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group is large and the water molecule is difficult to approach the cross-linking point (that is, the cross-linking point becomes hydrophobic). This is considered to be suppressed.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明の第1の実施の形態に係る複合電解質は、電解質ポリマーと、架橋剤分子とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
The composite electrolyte according to the first embodiment of the present invention includes an electrolyte polymer and a crosslinking agent molecule.

[1. 電解質ポリマー]
本発明において、電解質ポリマーは、特に限定されるものではなく、炭化フッ素系電解質又は炭化水素系電解質のいずれであっても良い。
ここで、「炭化フッ素系電解質」とは、全フッ素系電解質又は部分フッ素系電解質をいう。
「全フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−F結合を含み、C−H結合を含まないものをいう。本発明において、「全フッ素系電解質」というときは、ポリマ骨格中に、C−F結合以外の構造(例えば、−O−、−S−、−C(=O)−、−N(R)−等。但し、「R」は、アルキル基。)を有するものも含まれる。
「部分フッ素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−F結合とC−H結合の双方を含むものをいう。
「炭化水素系電解質」とは、ポリマ骨格中にC−H結合を含み、C−F結合を含まないものをいう。
本発明に係る複合電解質には、これらのいずれか1種の電解質ポリマーのみが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
[1. Electrolyte polymer]
In the present invention, the electrolyte polymer is not particularly limited, and may be either a fluorocarbon electrolyte or a hydrocarbon electrolyte.
Here, the “fluorocarbon electrolyte” refers to a perfluorinated electrolyte or a partially fluorinated electrolyte.
“Fully fluorinated electrolyte” means a polymer skeleton containing a C—F bond and no C—H bond. In the present invention, the term “perfluorinated electrolyte” refers to a structure other than the C—F bond (for example, —O—, —S—, —C (═O) —, —N (R) in the polymer skeleton. -Etc., provided that "R" is an alkyl group.)
The “partial fluorine-based electrolyte” refers to a polymer skeleton containing both C—F bonds and C—H bonds.
“Hydrocarbon-based electrolyte” means a polymer skeleton containing a C—H bond and no C—F bond.
The composite electrolyte according to the present invention may contain only one of these electrolyte polymers, or may contain two or more of them.

これらの中でも、電解質ポリマーは、
(イ) 全フッ素系電解質ポリマー、
(ロ) 主鎖イミド(−[(CF2)m−(SO2NH)n−SO2]X−、m=0〜20、n=1〜20、X=2以上)、
(ハ) 芳香環及び複素環の少なくとも一方を有する重合体からなり、芳香環及び複素環のいずれか1以上ににプロトン酸基が結合しているもの、又は、
(ニ) ビニル系重合体を含み、ビニル系重合体のいずれか1以上にプロトン酸基が導入されたもの、
が好ましい。
Among these, the electrolyte polymer is
(A) perfluorinated electrolyte polymer,
(B) the main chain imide (- [(CF 2) m - (SO 2 NH) n -SO 2] X -, m = 0~20, n = 1~20, X = 2 or more),
(C) A polymer having at least one of an aromatic ring and a heterocyclic ring, wherein a protonic acid group is bonded to at least one of the aromatic ring and the heterocyclic ring, or
(D) a vinyl polymer containing a protonic acid group introduced into any one or more of the vinyl polymers;
Is preferred.

芳香環及び/又は複素環を有す得る電解質ポリマーとしては、
(1) ポリアリーレン系重合体(例えば、ポリエーテル系、ポリケトン系、ポリスルホン系、ポリエーテルスルホン系、ポリエーテルエーテルスルホン系、ポリフェニレンオキシド系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリフェニレンスルホキシド系、ポリエーテルケトンケトン系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系)を含み、重合体に含まれる芳香環及び複素環のいずれか1以上にプロトン酸基が結合しているもの、
(2) ポリアゾール系重合体(例えば、ポリベンゾイミダゾール系、ポリベンゾチアゾール系、ポリベンゾオキサゾール系)を含み、重合体に含まれる芳香環及び複素環のいずれか1以上にプロトン酸基が結合しているもの、
が挙げられる。
また、プロトン酸基としては、スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸が挙げられ、これらの中でもスルホン酸が最も好ましい。
As an electrolyte polymer that may have an aromatic ring and / or a heterocyclic ring,
(1) Polyarylene polymers (eg, polyether, polyketone, polysulfone, polyethersulfone, polyetherethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfoxide, polyether ketone ketone, A polyamide system, a polyimide system, a polyamideimide system), and a protonic acid group bonded to any one or more of an aromatic ring and a heterocyclic ring included in the polymer,
(2) Including a polyazole-based polymer (for example, polybenzimidazole-based, polybenzothiazole-based, polybenzoxazole-based), and a protonic acid group is bonded to at least one of an aromatic ring and a heterocyclic ring included in the polymer. What
Is mentioned.
Examples of the proton acid group include sulfonic acid, phosphonic acid, and carboxylic acid, and among these, sulfonic acid is most preferable.

ポリアリーレン系構造の繰り返し構成単位を含む重合体(ポリアリーレン系重合体)を含む電解質ポリマーは、具体的には、式(1)に示すものが好ましい。   Specifically, the electrolyte polymer containing a polymer (polyarylene polymer) containing a repeating structural unit having a polyarylene structure is preferably represented by the formula (1).

Figure 0005245269
Figure 0005245269

式(1)中、X1、X2、及びX3は、それぞれ、単結合、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基などからなる。これらの基の内、フェニル基、ナフチル基が好ましい。また、ポリマーユニット全体の20〜100%のユニットに含まれるX1、X2、X3の1種以上には、プロトン酸基が結合している。
A、B及びCは、2価の単結合又は有機基を示す。具体的には、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)−、−C(CF2)2−、−(CH2)−、−C(CH2)2−、−O−、−S−、−CH=CH−、−C≡C−などが挙げられる。
nは、10〜10000の整数を示す。
In the formula (1), X 1 , X 2 , and X 3 are each composed of a single bond, a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, a phenanthyl group, and the like. Of these groups, a phenyl group and a naphthyl group are preferable. In addition, a protonic acid group is bonded to one or more of X 1 , X 2 , and X 3 included in 20 to 100% of the entire polymer unit.
A, B and C each represent a divalent single bond or an organic group. Specifically, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2 ) —, —C (CF 2 ) 2 —, — (CH 2 ) —, — C (CH 2 ) 2 —, —O—, —S—, —CH═CH—, —C≡C— and the like can be mentioned.
n shows the integer of 10-10000.

ポリアゾール系構造の繰り返し構成単位を含む重合体(ポリアゾール系重合体)を含む電解質ポリマーは、具体的には、式(2)に示すものが好ましい。   Specifically, the electrolyte polymer containing a polymer containing a repeating structural unit having a polyazole structure (polyazole polymer) is preferably represented by the formula (2).

Figure 0005245269
Figure 0005245269

式(2)中、X4は、O、S、N原子のいずれかを表す。また、X5は、単結合、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、フェナンチル基を表す。また、ポリマーユニット全体の20〜100%のユニットに含まれるX5又はベンズアゾール基中の芳香環及び/又は複素環には、プロトン酸基が結合している。 In formula (2), X 4 represents any of O, S, and N atoms. X 5 represents a single bond, a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, or a phenanthyl group. Further, the aromatic ring and / or heterocyclic ring X 5 or in benzazole group contained 20 to 100% of the units of the total polymer units, protonic acid group is bonded.

また、ビニル系重合体を含む電解質ポリマーとしては、次の(3)式に示す構造を含むものが好ましい。
−(CX12−CX34)n− ・・・(3)
但し、X1、X2、X4は、それぞれ、H又はR
Rは、−(CH2)m−CH3、m=0〜20
X3は、 −(CH2)a−SO3H、
−(CH2)a−CO−(CH2)b−SO3H、
−(CH2)a−CONH−(CH2)b−SO3H、
−(CH2)a−S−(CH2)b−SO3H、
−(CH2)a−SO2−(CH2)b−SO3H、又は、
−(CH2)a−O−(CH2)b−SO3
a=0〜20、b=0〜20
Moreover, as an electrolyte polymer containing a vinyl-type polymer, what contains the structure shown to following (3) Formula is preferable.
-(CX 1 X 2 -CX 3 X 4 ) n- (3)
However, X 1 , X 2 , and X 4 are each H or R
R represents — (CH 2 ) m —CH 3 , m = 0 to 20
X3 is, - (CH 2) a -SO 3 H,
- (CH 2) a -CO- ( CH 2) b -SO 3 H,
- (CH 2) a -CONH- ( CH 2) b -SO 3 H,
- (CH 2) a -S- ( CH 2) b -SO 3 H,
- (CH 2) a -SO 2 - (CH 2) b -SO 3 H, or,
- (CH 2) a -O- ( CH 2) b -SO 3 H
a = 0-20, b = 0-20

電解質ポリマー中の酸基量は、特に限定されるものではない。一般に、酸基量が多くなる程、電気伝導度は高くなるが、水に溶解又は膨潤しやすくなる。特に、電解質ポリマー単独では、水中(室温〜100℃)で溶解又は大きく膨潤するものに対して、本発明を適用すると、高い効果が得られる。
電解質ポリマー単独のイオン交換容量は、具体的には、1.0mmol酸基当量/g以上が好ましく、さらに好ましくは、2.0mmol酸基当量/g以上である。
なお、電解質ポリマー単独の膨潤率は、30%以上となる場合が多い。ここで、「電解質ポリマー単独の膨潤率」とは、電解質ポリマー単独での乾燥時膜サイズに対する含水時(室温水中一晩放置後)の膜サイズの増加割合をいう。
電解質ポリマーの分子量は、特に限定されるものではないが、強度の観点から1万以上が好ましい。
The amount of acid groups in the electrolyte polymer is not particularly limited. In general, the greater the amount of acid groups, the higher the electrical conductivity, but it tends to dissolve or swell in water. In particular, when the electrolyte polymer alone is dissolved or greatly swollen in water (room temperature to 100 ° C.), a high effect can be obtained by applying the present invention.
Specifically, the ion exchange capacity of the electrolyte polymer alone is preferably 1.0 mmol acid group equivalent / g or more, and more preferably 2.0 mmol acid group equivalent / g or more.
In addition, the swelling ratio of the electrolyte polymer alone is often 30% or more. Here, the “swelling ratio of the electrolyte polymer alone” refers to the rate of increase in the membrane size when water is contained (after standing overnight in room temperature water) with respect to the membrane size during drying of the electrolyte polymer alone.
The molecular weight of the electrolyte polymer is not particularly limited, but is preferably 10,000 or more from the viewpoint of strength.

[2. 架橋剤分子]
架橋剤分子とは、4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基のうちのいずれか2つ以上の官能基を有する化合物をいう。4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基の解離により生成したカチオン基は、電解質ポリマーに含まれる酸基の解離により形成したアニオン基と疎水性の酸/塩基架橋を形成する。
ここで、「オニウム基」とは、基準結合数よりも1大きい結合を持つカチオンの塩からなる官能基をいう。基準結合数とは、結合数のうち幾つかの元素に基準となる価を設定したものをいう。例えば、F、Cl、Br、I、Atでは1、O、S、Se、Te、Poでは2、N、P、As、Sb、Bi、Bでは3、C、Si、Ge、Sn、Pbでは4である。4級オニウム基としては、具体的には、4級アンモニウム基、4級ホスホニウム基などがある。これらの中でも、4級アンモニウム基は、架橋点を形成するための4級オニウム基として特に好適である。
[2. Crosslinker molecule]
The crosslinking agent molecule refers to a compound having any two or more functional groups of a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group. The cation group formed by dissociation of the quaternary onium group or the nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group forms a hydrophobic acid / base bridge with the anion group formed by dissociation of the acid group contained in the electrolyte polymer.
Here, the “onium group” refers to a functional group composed of a cation salt having a bond larger than the reference number of bonds. The reference number of bonds refers to a value obtained by setting a reference value for some elements of the number of bonds. For example, 1 for F, Cl, Br, I, At, 2 for O, S, Se, Te, Po, 3 for N, P, As, Sb, Bi, B, 3 for C, Si, Ge, Sn, Pb 4. Specific examples of the quaternary onium group include a quaternary ammonium group and a quaternary phosphonium group. Among these, a quaternary ammonium group is particularly suitable as a quaternary onium group for forming a crosslinking point.

4級オニウム基としては、テトラアルキルアンモニウム基などがある。
4級ホスホニウム基としては、テトラアルキルホスホニウム基などがある。
含窒素複素環アルキルカチオン基としては、アルキルイミダゾリウム基、アルキルピリジニウム基、アルキルピリダジニウム基、アルキルピリミジニウム基、アルキルピラジニウム基、アルキルキノリウム基、含窒素複素環化合物の4級窒素化物などがある。
Examples of the quaternary onium group include a tetraalkylammonium group.
Examples of the quaternary phosphonium group include a tetraalkylphosphonium group.
Examples of nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation groups include alkylimidazolium groups, alkylpyridinium groups, alkylpyridazinium groups, alkylpyrimidinium groups, alkylpyrazinium groups, alkylquinolinium groups, and nitrogen-containing heterocyclic compounds. Grade nitrogenated products.

架橋剤分子には、上述したいずれか1種の4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。また、架橋剤分子には、1種又は2種以上の4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基を含む1種類の化合物を用いても良く、あるいは、1種又は2種以上の4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基を含む2種以上の化合物を組み合わせて用いても良い。   The crosslinking agent molecule may contain any one of the quaternary onium groups or nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation groups described above, or may contain two or more kinds. In addition, one or two or more quaternary onium groups or one compound containing a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group may be used for the cross-linking agent molecule, or one or two or more quaternary molecules may be used. Two or more compounds containing an onium group or a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group may be used in combination.

架橋剤分子の4級オニウム基等の官能基以外の部分の分子構造や4級オニウム基等の官能基の結合部位は、特に限定されるものではない。例えば、炭化水素構造又はフルオロカーボン構造を有する主鎖の末端に4級オニウム基等の官能基が結合していても良く、あるいは、炭化水素構造又はフルオロカーボン構造を有する主鎖の中間に4級オニウム基等の官能基が結合していても良い。さらに、炭化水素構造又はフルオロカーボン構造を有する側鎖の中間又は末端に4級オニウム基等の官能基が結合していても良い。   The molecular structure of the portion other than the functional group such as the quaternary onium group of the crosslinking agent molecule and the binding site of the functional group such as the quaternary onium group are not particularly limited. For example, a functional group such as a quaternary onium group may be bonded to the terminal of the main chain having a hydrocarbon structure or a fluorocarbon structure, or a quaternary onium group is provided in the middle of the main chain having a hydrocarbon structure or a fluorocarbon structure. Or a functional group such as Furthermore, a functional group such as a quaternary onium group may be bonded to the middle or terminal of the side chain having a hydrocarbon structure or a fluorocarbon structure.

架橋剤分子としては、具体的には、
(1) ポリ(アルキレン)−トリアルキルアンモニウムクロリド末端((a)式)、
(2) ポリ(N,N−ジアルキル−ベンズイミダゾリウム)((b)式)、
(3) ポリビニル(1−アルキル−ピリジニウム)((c)式)、
(4) ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド((d)式)、
などがある。
Specifically, as the crosslinking agent molecule,
(1) Poly (alkylene) -trialkylammonium chloride terminal (formula (a)),
(2) poly (N, N-dialkyl-benzimidazolium) (formula (b)),
(3) polyvinyl (1-alkyl-pyridinium) (formula (c)),
(4) polydiallyldimethylammonium chloride (form (d)),
and so on.

Figure 0005245269
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[3. 架橋剤分子の添加量]
架橋剤分子の添加量は、電解質ポリマー及び架橋剤分子の種類、要求される特性等に応じて最適な添加量を選択する。一般に、架橋剤分子の添加量が多くなる程、架橋点の数が多くなり、耐水性及び耐膨潤性が向上する。相対的に高い耐水性及び耐膨潤性を得るためには、架橋剤分子の添加量は、4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基の量が酸基量の0.01%に相当する量以上が好ましい。
一方、架橋剤分子の添加量が過剰になると、電解質ポリマーの酸基が架橋反応に消費され、電気伝導度が低下する。高い電気伝導度を得るためには、架橋剤分子の添加量は、4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基の量が酸基量の80%に相当する量以下が好ましい。
[3. Addition amount of crosslinking agent molecule]
The addition amount of the cross-linking agent molecule is selected in accordance with the type of electrolyte polymer and cross-linking agent molecule, the required characteristics, and the like. In general, the greater the amount of crosslinker molecule added, the greater the number of crosslinking points and the better the water resistance and swelling resistance. In order to obtain relatively high water resistance and swelling resistance, the addition amount of the crosslinking agent molecule corresponds to 0.01% of the acid group amount of the quaternary onium group or the nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group. More than the amount is preferred.
On the other hand, when the addition amount of the crosslinking agent molecule becomes excessive, the acid group of the electrolyte polymer is consumed for the crosslinking reaction, and the electrical conductivity is lowered. In order to obtain high electric conductivity, the amount of the crosslinking agent molecule added is preferably not more than the amount corresponding to 80% of the acid group amount of the quaternary onium group or the nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group.

次に、本発明の第2の実施の形態に係る複合電解質について説明する。
本実施の形態に係る複合電解質は、
分子内に酸基と、4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基の内のいずれか1以上の官能基を有する電解質ポリマーを含み、
前記電解質ポリマー分子間又は前記電解質ポリマー分子内において、前記官能基の解離により生成したカチオン基と前記酸基の解離により生成したアニオン基とが疎水性の酸/塩基架橋を形成していることを特徴とする。
すなわち、架橋剤分子を介することなく、高分子鎖間又は同一の高分子鎖内において、カチオン基とアニオン基とが酸/塩基架橋を形成している。この点が、第1の実施の形態とは異なる。
分子内への4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基の導入量は、第1の実施の形態における架橋剤分子の添加量に準ずる。電解質ポリマー、4級オニウム基、含窒素複素環アルキルカチオン基、及び、酸/塩基架橋に関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
Next, the composite electrolyte according to the second embodiment of the present invention will be described.
The composite electrolyte according to the present embodiment is
An electrolyte polymer having an acid group and one or more functional groups of a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group in the molecule;
Between the electrolyte polymer molecules or within the electrolyte polymer molecule, a cationic group formed by dissociation of the functional group and an anion group formed by dissociation of the acid group form a hydrophobic acid / base bridge. Features.
That is, the cation group and the anion group form an acid / base bridge between polymer chains or within the same polymer chain without using a crosslinking agent molecule. This point is different from the first embodiment.
The amount of quaternary onium group and nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group introduced into the molecule is in accordance with the amount of crosslinking agent molecule added in the first embodiment. The other points regarding the electrolyte polymer, quaternary onium group, nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group, and acid / base crosslinking are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池について説明する。
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体(MEA)を備えている。また、固体高分子型燃料電池は、通常、このようなMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを複数個積層したものからなる。
Next, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane. In addition, the polymer electrolyte fuel cell is usually formed by sandwiching both sides of such an MEA with a separator having a gas flow path and laminating a plurality of them.

MEAを構成する電極は、通常、触媒層と拡散層の二層構造を取るが、触媒層のみによって構成される場合もある。電極が触媒層と拡散層の二層構造を取る場合、電極は、触媒層を介して電解質膜に接合される。   The electrode constituting the MEA usually has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, but may be constituted only by the catalyst layer. When the electrode has a two-layer structure of a catalyst layer and a diffusion layer, the electrode is joined to the electrolyte membrane via the catalyst layer.

触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、電極触媒又は電極触媒を担持した担体と、その周囲を被覆する触媒層内電解質とを備えている。一般に、電極触媒には、MEAの使用目的、使用条件等に応じて最適なものが用いられる。固体高分子型燃料電池の場合、電極触媒には、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等若しくはこれらの1種若しくは2種以上を含む合金、又は、白金等の白金族元素と、コバルト、鉄、ニッケル等の遷移金属元素との合金が用いられる。触媒層に含まれる電極触媒の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The catalyst layer is a part serving as a reaction field for the electrode reaction, and includes an electrode catalyst or a carrier carrying the electrode catalyst, and an electrolyte in the catalyst layer covering the periphery thereof. In general, an optimum electrode catalyst is used depending on the purpose of use of MEA, use conditions, and the like. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, the electrode catalyst includes platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium or the like, or an alloy containing one or more of these, or a platinum group element such as platinum, cobalt, iron An alloy with a transition metal element such as nickel is used. As the amount of the electrode catalyst contained in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

触媒担体は、微粒の電極触媒を担持すると同時に、触媒層における電子の授受を行うためのものである。触媒担体には、一般に、カーボン、活性炭、フラーレン、カーボンナノフォーン、カーボンナノチューブ等が用いられる。触媒担体表面への電極触媒の担持量は、電極触媒及び触媒担体の材質、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な担持量が選択される。   The catalyst carrier is for carrying a fine electrode catalyst and simultaneously transferring electrons in the catalyst layer. Generally, carbon, activated carbon, fullerene, carbon nanophone, carbon nanotube or the like is used as the catalyst carrier. As the amount of the electrode catalyst supported on the surface of the catalyst carrier, an optimum amount is selected according to the material of the electrode catalyst and the catalyst carrier, the use of the MEA, the use conditions, and the like.

触媒層内電解質は、固体高分子電解質膜と電極との間でプロトンの授受を行うためのものである。触媒層内電解質には、通常、固体高分子電解質膜を構成する材料と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。触媒層内電解質の量は、MEAの用途、使用条件等に応じて最適な量が選択される。   The electrolyte in the catalyst layer is for exchanging protons between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode. For the electrolyte in the catalyst layer, the same material as that constituting the solid polymer electrolyte membrane is usually used, but a different material may be used. As the amount of the electrolyte in the catalyst layer, an optimal amount is selected according to the use of MEA, use conditions, and the like.

拡散層は、触媒層との間で電子の授受を行うと同時に、反応ガスを触媒層に供給するためのものである。拡散層には、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等が用いられる。また、撥水性を高めるために、カーボンペーパ等の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性高分子の粉末とカーボンの粉末との混合物(撥水層)をコーティングしたものを拡散層として用いても良い。   The diffusion layer is for supplying and receiving a reaction gas to the catalyst layer at the same time as transferring electrons to and from the catalyst layer. Generally, carbon paper, carbon cloth, or the like is used for the diffusion layer. In order to increase water repellency, a surface of carbon paper or the like coated with a mixture of water repellent polymer powder such as polytetrafluoroethylene and carbon powder (water repellent layer) is used as a diffusion layer. Also good.

本発明に係る固体高分子型燃料電池は、上述したMEAを構成する電解質膜及び/又は触媒層内電解質として、本発明に係る複合電解質を用いたことを特徴とする。
電解質膜に本発明に係る複合電解質を用いる場合、電解質膜は、複合電解質のみからなるものでも良く、あるいは、複合電解質と、多孔質材料、長繊維材料、短繊維材料等からなる補強材との複合体であっても良い。
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is characterized in that the composite electrolyte according to the present invention is used as the electrolyte membrane and / or the catalyst layer electrolyte constituting the MEA described above.
When the composite electrolyte according to the present invention is used for the electrolyte membrane, the electrolyte membrane may be composed only of the composite electrolyte, or a composite electrolyte and a reinforcing material composed of a porous material, a long fiber material, a short fiber material, or the like. It may be a composite.

次に、本発明に係る複合電解質の製造方法について説明する。
まず、酸基を有する電解質ポリマーの酸基を不活性化させる。酸基を不活性化させる方法としては、酸基を有するポリマーを適当な溶媒に溶解させ、これにアンモニア水を加えて酸基とアンモニアとを反応させる方法などがある。
Next, a method for producing a composite electrolyte according to the present invention will be described.
First, the acid group of the electrolyte polymer having an acid group is inactivated. As a method for inactivating the acid group, there is a method in which a polymer having an acid group is dissolved in a suitable solvent, and aqueous ammonia is added thereto to react the acid group with ammonia.

次に、酸基が不活性化された電解質ポリマーを溶解させた溶液に、架橋剤分子を添加する。この時点では、酸基が不活性化されているので、酸基と4級オニウム基等の官能基とが反応することがない。そのため、電解質ポリマーと架橋剤分子とを均一に混合することができる。
電解質ポリマーと架橋剤分子の均一溶液を作製した後、これを適当な基板(例えば、ポリテトラフルオロエチレンシート)に塗布し、溶媒を揮発させると、電解質膜が得られる。また、均一溶液にさらに電極触媒を添加した後、これを適当な基板に塗布し、溶媒を揮発させると、触媒シートが得られる。
Next, a crosslinking agent molecule is added to the solution in which the electrolyte polymer in which the acid groups have been deactivated is dissolved. At this point, since the acid group is inactivated, the acid group does not react with a functional group such as a quaternary onium group. Therefore, the electrolyte polymer and the crosslinking agent molecule can be mixed uniformly.
After preparing a uniform solution of the electrolyte polymer and the crosslinking agent molecule, this is applied to a suitable substrate (for example, a polytetrafluoroethylene sheet) and the solvent is volatilized to obtain an electrolyte membrane. Moreover, after adding an electrode catalyst further to a uniform solution, this is apply | coated to a suitable board | substrate and a solvent is volatilized, A catalyst sheet will be obtained.

次に、電解質ポリマー及び架橋剤分子の混合物を膜化若しくは触媒シート化した後、又は、これらを接合してMEAにした後、膜、触媒シート又はMEAを酸溶液(例えば、塩酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液など)に浸漬する。これにより、不活性化された酸基が元の酸基に戻ると同時に、酸基が解離したアニオンと架橋剤が解離したカチオンとが反応し、電解質内に疎水性の酸/塩基架橋が形成される。
架橋形成後、水洗浄により余分な酸を除去すれば、本発明に係る複合電解質を含む電解質膜、触媒シート又はMEAが得られる。さらに、得られたMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを所定個数積層すれば、本発明に係る固体高分子型燃料電池が得られる。
Next, after the mixture of the electrolyte polymer and the cross-linking agent molecule is formed into a film or a catalyst sheet, or these are joined to form an MEA, the film, the catalyst sheet, or the MEA is converted into an acid solution (for example, an aqueous hydrochloric acid solution or an aqueous sulfuric acid solution). Soak in an aqueous nitric acid solution). As a result, the deactivated acid group returns to the original acid group, and at the same time, the anion having the acid group dissociated reacts with the cation having the dissociated cross-linking agent to form a hydrophobic acid / base bridge in the electrolyte. Is done.
If excess acid is removed by washing with water after the formation of the crosslink, an electrolyte membrane, a catalyst sheet or MEA containing the composite electrolyte according to the present invention is obtained. Furthermore, if both sides of the obtained MEA are sandwiched between separators having gas flow paths and a predetermined number of them are stacked, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be obtained.

分子内に酸基に加えて、4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基の内のいずれか1以上の官能基を有する電解質ポリマーは、例えば、ビニルホスホン酸とビニル(1−エチル)ピリジンとの共重合により製造することができる。また、このような電解質ポリマーの酸基の不活性化は、上述と同様に、アンモニア水により行うことができる。
酸基を不活性化した後、架橋剤分子を添加しない点以外は、上述と同様の手順に従い、電解質膜又は触媒シートを作製する。さらに、得られた膜、触媒シート、又はMEAを酸溶液(例えば、塩酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液など)に浸漬すれば、電解質内に疎水性の酸/塩基架橋が形成される。
架橋形成後、水洗浄により余分な酸を除去すれば、本発明に係る複合電解質を含む電解質膜、触媒シート又はMEAが得られる。さらに、得られたMEAの両面を、ガス流路を備えたセパレータで挟持し、これを所定個数積層すれば、本発明に係る固体高分子型燃料電池が得られる。
In addition to acid groups in the molecule, an electrolyte polymer having one or more functional groups of a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group includes, for example, vinylphosphonic acid and vinyl (1-ethyl) pyridine. And can be produced by copolymerization. Moreover, inactivation of the acid group of such an electrolyte polymer can be performed with aqueous ammonia as described above.
After deactivating the acid group, an electrolyte membrane or a catalyst sheet is prepared according to the same procedure as described above, except that no crosslinking agent molecule is added. Further, when the obtained membrane, catalyst sheet, or MEA is immersed in an acid solution (for example, an aqueous hydrochloric acid solution, an aqueous sulfuric acid solution, an aqueous nitric acid solution, etc.), a hydrophobic acid / base bridge is formed in the electrolyte.
If excess acid is removed by washing with water after the formation of the crosslink, an electrolyte membrane, a catalyst sheet or MEA containing the composite electrolyte according to the present invention is obtained. Furthermore, if both sides of the obtained MEA are sandwiched between separators having gas flow paths and a predetermined number of them are stacked, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be obtained.

次に、本発明に係る複合電解質及び固体高分子型燃料電池の作用について説明する。
例えば、ポリベンズイミダゾールのようなイミダゾール基を有する塩基性ポリマーと、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンのような電解質ポリマーとを混合し、これらを反応させると、ポリベンズイミダゾールで架橋された電解質ポリマーが得られる。しかしながら、この方法により得られる電解質ポリマーにおいて、相対的に高い耐水性及び耐膨潤性を得るためには、相対的に多量の塩基性ポリマーを必要とする。これは、架橋点の立体障害が少なく、架橋点に水分子が接近しやすい(すなわち、架橋点の親水性が高い)ために、加湿水や生成水によって架橋点が解離しやすいためと考えられる。
Next, the operation of the composite electrolyte and the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described.
For example, a basic polymer having an imidazole group such as polybenzimidazole and an electrolyte polymer such as sulfonated polyetheretherketone are mixed and reacted to obtain an electrolyte polymer crosslinked with polybenzimidazole. It is done. However, the electrolyte polymer obtained by this method requires a relatively large amount of basic polymer in order to obtain relatively high water resistance and swelling resistance. This is considered to be because the steric hindrance at the crosslinking point is small and water molecules are easy to approach the crosslinking point (that is, the hydrophilicity of the crosslinking point is high), so that the crosslinking point is easily dissociated by humidified water or generated water. .

これに対し、4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基を有する架橋剤分子を用いて、電解質ポリマーの酸基が解離したアニオンと架橋剤分子が解離したカチオンとから複合電解質内に酸/塩基架橋を形成すると、相対的に高い電気伝導度を維持したまま、耐水性や耐膨潤性を向上させることができる。これは、カチオン基周辺の立体障害が大きく、架橋点に水分子が接近しにくい(すなわち、架橋点が疎水性となる)ために、水による架橋点の解離が抑制されるためと考えられる。この点は、同一分子内に酸基と4級オニウム基及び/又は含窒素複素環アルキルカチオン基を有する電解質ポリマーのみを用いて複合電解質とする場合も同様である。
そのため、従来の方法に比べて、相対的に少量の架橋剤添加量で、イオン交換容量の大きい電解質ポリマーに対して、不溶性及び膨潤抑制効果を付与することができる。また、高い耐水性、耐膨潤性を得るために消費される酸基量を相対的に少なくすることができるので、従来の方法に比べて、高い電気伝導度が得られる。
On the other hand, by using a cross-linking agent molecule having a quaternary onium group or a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group, an acid / ion in the composite electrolyte is formed from an anion in which the acid group of the electrolyte polymer is dissociated and a cation in which the cross-linking agent molecule is dissociated. By forming a base bridge, water resistance and swelling resistance can be improved while maintaining a relatively high electrical conductivity. This is presumably because the steric hindrance around the cation group is large, and water molecules are difficult to approach the cross-linking point (that is, the cross-linking point becomes hydrophobic), so that dissociation of the cross-linking point by water is suppressed. This is the same when a composite electrolyte is formed using only an electrolyte polymer having an acid group and a quaternary onium group and / or a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group in the same molecule.
Therefore, compared with the conventional method, insoluble and swelling suppression effects can be imparted to an electrolyte polymer having a large ion exchange capacity with a relatively small amount of addition of a crosslinking agent. In addition, since the amount of acid groups consumed for obtaining high water resistance and swelling resistance can be relatively reduced, a higher electrical conductivity can be obtained as compared with conventional methods.

(実施例1〜9、比較例1〜9)
[1. 電解質膜の作製]
[1.1. 架橋剤としてポリ(N,N−ジエチルベンズイミダゾリウム)クロライドを用いた場合(実施例1〜3)]
水溶性のスルホン化ポリエーテルエーテルケトン(以下、「S−PEEK」という。EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液に10%アンモニア水を、上記溶液中のスルホン酸基量と等モルとなるように入れ、2時間攪拌した。
次に、10wt%のポリ(N,N−ジエチル−ベンズイミダゾリウム)クロライドのDMAc溶液を、イミダゾリウム基量がS−PEEK中スルホン酸基に対して10%(実施例1)、5%(実施例2)、又は1%(実施例3)となるように入れ、一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているアンモニア及びDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
(Examples 1-9, Comparative Examples 1-9)
[1. Preparation of electrolyte membrane]
[1.1. When poly (N, N-diethylbenzimidazolium) chloride is used as a crosslinking agent (Examples 1 to 3)]
0.588 g of water-soluble sulfonated polyetheretherketone (hereinafter referred to as “S-PEEK”; EW = 370) was weighed, dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. To this solution, 10% aqueous ammonia was added so as to be equimolar with the amount of the sulfonic acid group in the above solution, followed by stirring for 2 hours.
Next, a DMAc solution of 10 wt% poly (N, N-diethyl-benzimidazolium) chloride was prepared by adding 10% (Example 1), 5% Example 2) or 1% (Example 3) was added, stirred overnight, and then cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove ammonia and DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[1.2. 架橋剤としてポリビニル(N−エチル−ピリジニウム)クロライドを用いた場合(実施例4〜6)]
水溶性のS−PEEK(EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液に10%アンモニア水を、上記溶液中のスルホン酸基量と等モルとなるように入れ、2時間攪拌した。
次に、10wt%のポリビニル(N−エチル−ピリジニウム)クロライドのDMAc溶液を、ピリジニウム基量がS−PEEK中スルホン酸基に対して10%(実施例4)、5%(実施例5)、又は1%(実施例6)となるように入れ、一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているアンモニア及びDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
[1.2. When polyvinyl (N-ethyl-pyridinium) chloride is used as a crosslinking agent (Examples 4 to 6)]
0.588 g of water-soluble S-PEEK (EW = 370) was weighed and dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. To this solution, 10% aqueous ammonia was added so as to be equimolar with the amount of the sulfonic acid group in the above solution, followed by stirring for 2 hours.
Next, a DMAc solution of 10 wt% polyvinyl (N-ethyl-pyridinium) chloride was used with a pyridinium group amount of 10% (Example 4) and 5% (Example 5) based on sulfonic acid groups in S-PEEK. Alternatively, the mixture was added to 1% (Example 6), stirred overnight, and then cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove ammonia and DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[1.3. 架橋剤としてポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドを用いた場合(実施例7〜9)]
水溶性のS−PEEK(EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液に10%アンモニア水を、上記溶液中のスルホン酸基量と等モルとなるように入れ、2時間攪拌した。
次に、10wt%のポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドのDMAc溶液を、アンモニウム基量がS−PEEK中スルホン酸基に対して10%(実施例7)、5%(実施例8)、又は1%(実施例9)となるように入れ、一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているアンモニア及びDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
[1.3. When polydiallyldimethylammonium chloride is used as a crosslinking agent (Examples 7 to 9)]
0.588 g of water-soluble S-PEEK (EW = 370) was weighed and dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. To this solution, 10% aqueous ammonia was added so as to be equimolar with the amount of the sulfonic acid group in the above solution, followed by stirring for 2 hours.
Next, a 10 wt% polydiallyldimethylammonium chloride DMAc solution was prepared with an ammonium group content of 10% (Example 7), 5% (Example 8), or 1% based on sulfonic acid groups in S-PEEK ( Example 9) was put, and after stirring overnight, it was cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove ammonia and DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[1.4. 架橋剤なしの場合(比較例1)]
水溶性のS−PEEK(EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液を一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
[1.4. When no crosslinking agent (Comparative Example 1)]
0.588 g of water-soluble S-PEEK (EW = 370) was weighed and dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. This solution was stirred overnight and then cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[1.5. 架橋剤としてポリベンズイミダゾールを用いた場合(比較例2〜4)]
水溶性のS−PEEK(EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液に10%アンモニア水を、上記溶液中のスルホン酸基量と等モルとなるように入れ、2時間攪拌した。
次に、10wt%のポリベンズイミダゾールのDMAc溶液を、イミダゾール基量がS−PEEK中スルホン酸基に対して10%(比較例2)、5%(比較例3)、又は1%(比較例4)となるように入れ、一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているアンモニア及びDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
[1.5. When polybenzimidazole is used as a crosslinking agent (Comparative Examples 2 to 4)]
0.588 g of water-soluble S-PEEK (EW = 370) was weighed and dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. To this solution, 10% aqueous ammonia was added so as to be equimolar with the amount of the sulfonic acid group in the above solution, followed by stirring for 2 hours.
Next, a 10 wt% polybenzimidazole DMAc solution was prepared with an imidazole group content of 10% (Comparative Example 2), 5% (Comparative Example 3), or 1% (Comparative Example) with respect to the sulfonic acid group in S-PEEK. 4) After stirring overnight, the mixture was cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove ammonia and DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[1.6. 架橋剤としてポリビニルピリジンを用いた場合(比較例5〜7)]
水溶性のS−PEEK(EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液に10%アンモニア水を、上記溶液中のスルホン酸基量と等モルとなるように入れ、2時間攪拌した。
次に、10wt%のポリビニルピリジンのDMAc溶液を、ピリジン基量がS−PEEK中スルホン酸基に対して10%(比較例5)、5%(比較例6)、又は1%(比較例7)となるように入れ、一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているアンモニア及びDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
[1.6. When polyvinyl pyridine is used as a crosslinking agent (Comparative Examples 5 to 7)]
0.588 g of water-soluble S-PEEK (EW = 370) was weighed and dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. To this solution, 10% aqueous ammonia was added so as to be equimolar with the amount of the sulfonic acid group in the above solution, followed by stirring for 2 hours.
Next, a DMAc solution of 10 wt% polyvinyl pyridine was used in which the amount of pyridine groups was 10% (Comparative Example 5), 5% (Comparative Example 6), or 1% (Comparative Example 7) with respect to the sulfonic acid group in S-PEEK. ) And stirred overnight, then cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove ammonia and DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[1.7. 架橋剤としてポリジアリルアミンを用いた場合(比較例8〜10)]
水溶性のS−PEEK(EW=370)0.588gを秤量し、ジメチルアセトアミド10mL中に溶解・攪拌した。この溶液に10%アンモニア水を、上記溶液中のスルホン酸基量と等モルとなるように入れ、2時間攪拌した。
次に、10wt%のポリビニルピリジンのDMAc溶液を、アミノ基量がS−PEEK中スルホン酸基に対して10%(比較例8)、5%(比較例9)、又は1%(比較例10)となるように入れ、一晩攪拌した後、フラットシャーレにキャストした。ドラフト中で1週間放置後、140℃で2時間真空乾燥し、フィルムをシャーレから剥がした。
このフィルムを1N塩酸中で洗浄(2時間×5回)し、フィルム中に残っているアンモニア及びDMAcを除去した。この後、フィルムを水洗浄(2時間×5回)し、残っていた塩酸を除去した。このフィルムを60℃で一晩乾燥し、目的のフィルムを得た。
[1.7. When polydiallylamine is used as a crosslinking agent (Comparative Examples 8 to 10)]
0.588 g of water-soluble S-PEEK (EW = 370) was weighed and dissolved and stirred in 10 mL of dimethylacetamide. To this solution, 10% aqueous ammonia was added so as to be equimolar with the amount of the sulfonic acid group in the above solution, followed by stirring for 2 hours.
Next, a DMAc solution of 10 wt% polyvinyl pyridine was used with an amino group content of 10% (Comparative Example 8), 5% (Comparative Example 9), or 1% (Comparative Example 10) with respect to the sulfonic acid group in S-PEEK. ) And stirred overnight, then cast into a flat petri dish. After leaving in a draft for 1 week, it was vacuum dried at 140 ° C. for 2 hours, and the film was peeled off from the petri dish.
This film was washed in 1N hydrochloric acid (2 hours × 5 times) to remove ammonia and DMAc remaining in the film. Thereafter, the film was washed with water (2 hours × 5 times) to remove the remaining hydrochloric acid. This film was dried at 60 ° C. overnight to obtain the desired film.

[2. 試験方法]
得られたフィルムの耐熱水性、水膨潤率、及び電気伝導度を測定した。耐熱水試験は、フィルムを沸騰水中に1時間浸漬することにより行い、溶解したか否かを目視により確認した。また、水膨潤率は、絶乾状態の膜と室温の水に一晩浸漬した後の膜の長さの変化率として求めた。さらに、電気伝導度は、交流4端子法(水中、25℃)により測定した。
[2. Test method]
The obtained film was measured for hot water resistance, water swelling ratio, and electrical conductivity. The hot water test was performed by immersing the film in boiling water for 1 hour, and it was visually confirmed whether or not the film was dissolved. Moreover, the water swelling rate was calculated | required as a rate of change of the length of the film | membrane after being immersed in the film of an absolutely dry state and room temperature water overnight. Furthermore, the electrical conductivity was measured by the AC four-terminal method (in water, 25 ° C.).

[3. 結果]
表1に、その結果を示す。S−PEEKのみからなるフィルム(比較例1)は、イオン交換容量が大きい(EWが小さい)ために、電気伝導度は高い。しかしながら、水膨潤率が大きく、耐熱水試験では完全に溶解した。
一方、架橋剤としてポリベンズイミダゾールを用いた場合(比較例2〜4)、ポリビニルピリジンを用いた場合(比較例5〜7)、及びポリジアリルアミンを用いた場合(比較例8〜10)を用いた場合のいずれも、添加量が5%以上であるときは、フィルムは熱水に対して不溶となった。また、架橋剤の添加量が多くなる程、電気伝導度は低くなるが、水膨潤率は小さくなった。しかしながら、添加量が1%の時には、いずれも溶解した。
[3. result]
Table 1 shows the results. Since the film (Comparative Example 1) consisting only of S-PEEK has a large ion exchange capacity (small EW), the electrical conductivity is high. However, the water swelling rate was large, and it was completely dissolved in the hot water test.
On the other hand, the case where polybenzimidazole is used as a crosslinking agent (Comparative Examples 2 to 4), the case where polyvinylpyridine is used (Comparative Examples 5 to 7), and the case where polydiallylamine is used (Comparative Examples 8 to 10) are used. In all cases, when the addition amount was 5% or more, the film became insoluble in hot water. Moreover, the electrical conductivity decreased as the amount of the crosslinking agent added increased, but the water swelling rate decreased. However, when the addition amount was 1%, all dissolved.

これに対し、架橋剤としてポリ(N,N−ジエチル−ベンズイミダゾリウム)クロライドを用いた場合(実施例1〜3)、ポリビニル(N−エチル−ピリジニウム)クロライドを用いた場合(実施例4〜6)、及びポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドを用いた場合(実施例7〜8)のいずれも、フィルムは熱水に対して不溶となった。また、スルホン酸基量に対して10%相当の架橋剤の添加により、比較例2、5、8と同等以上の電気伝導度と、約1/2の水膨潤率が得られた。さらに、架橋剤添加量が1%であっても、膜は、熱水に対して不溶であった。
表1より、4級オニウム基又は含窒素複素環アルキルカチオン基を2つ以上有する架橋剤分子を用いると、高い電気伝導度を維持したまた、耐熱水性・耐膨潤性を向上させることができることがわかる。
On the other hand, when poly (N, N-diethyl-benzimidazolium) chloride is used as a crosslinking agent (Examples 1 to 3), when polyvinyl (N-ethyl-pyridinium) chloride is used (Examples 4 to 4). In both cases of 6) and polydiallyldimethylammonium chloride (Examples 7 to 8), the film became insoluble in hot water. Further, by adding a cross-linking agent equivalent to 10% with respect to the amount of sulfonic acid group, an electric conductivity equal to or higher than that of Comparative Examples 2, 5, and 8 and a water swelling ratio of about 1/2 were obtained. Furthermore, even if the amount of the crosslinking agent added was 1%, the film was insoluble in hot water.
From Table 1, when a crosslinker molecule having two or more quaternary onium groups or nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation groups is used, it is possible to maintain high electrical conductivity and to improve hot water resistance and swelling resistance. Recognize.

Figure 0005245269
Figure 0005245269

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る複合電解質は、固体高分子型燃料電池、水電解装置、ハロゲン化水素酸電解装置、食塩電解装置、酸素及び/又は水素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等の各種電気化学デバイスに用いられる電解質膜、電極材料等として用いることができる。
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、車載用動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステム等に用いることができる。
The composite electrolyte according to the present invention is used in various electrochemical devices such as a polymer electrolyte fuel cell, a water electrolysis apparatus, a hydrohalic acid electrolysis apparatus, a salt electrolysis apparatus, an oxygen and / or hydrogen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor. It can be used as an electrolyte membrane, an electrode material, and the like.
Moreover, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be used for an in-vehicle power source, a stationary small power generator, a cogeneration system, and the like.

Claims (7)

酸基を有する電解質ポリマーと、
4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基のうちのいずれか2つ以上の官能基を有する架橋剤分子とを備え、
前記官能基の解離により生成したカチオン基と前記酸基の解離により生成したアニオン基とが疎水性の酸/塩基架橋を形成している複合電解質。
An electrolyte polymer having an acid group;
A crosslinking agent molecule having any two or more functional groups of a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group,
A composite electrolyte in which a cationic group generated by dissociation of the functional group and an anion group generated by dissociation of the acid group form a hydrophobic acid / base bridge.
分子内に酸基と、4級オニウム基及び含窒素複素環アルキルカチオン基のうちのいずれか1以上の官能基を有する電解質ポリマーを含み、
前記電解質ポリマー分子間又は前記電解質ポリマー分子内において、前記官能基の解離により生成したカチオン基と前記酸基の解離により生成したアニオン基とが疎水性の酸/塩基架橋を形成している複合電解質。
An electrolyte polymer having one or more functional groups of an acid group, a quaternary onium group and a nitrogen-containing heterocyclic alkyl cation group in the molecule;
A composite electrolyte in which a cationic group formed by dissociation of the functional group and an anion group formed by dissociation of the acid group form a hydrophobic acid / base bridge between the electrolyte polymer molecules or in the electrolyte polymer molecule .
前記電解質ポリマーは、
(イ) 全フッ素系電解質ポリマー、
(ロ) 主鎖イミド、
(ハ) ポリアリーレン系若しくはポリアゾール系の重合体を含み、前記重合体に含まれる芳香環及び複素環のいずれか1以上にプロトン酸基が導入されたもの、又は、
(ニ) ビニル系重合体を含み、前記ビニル系重合体のいずれか1以上にプロトン酸基が導入されたもの、
を含む請求項1又は2に記載の複合電解質。
The electrolyte polymer is
(A) perfluorinated electrolyte polymer,
(B) Main chain imide,
(C) a polyarylene-based or polyazole-based polymer, wherein a protonic acid group is introduced into any one or more of an aromatic ring and a heterocyclic ring included in the polymer, or
(D) a vinyl polymer, wherein one or more of the vinyl polymers have protonic acid groups introduced;
The composite electrolyte according to claim 1, comprising:
前記4級オニウム基は、4級アンモニウム基、及び4級ホスホニウム基からなる群から選ばれるいずれか1以上である
請求項1から3までのいずれかに記載の複合電解質。
The composite electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the quaternary onium group is at least one selected from the group consisting of a quaternary ammonium group and a quaternary phosphonium group.
前記官能基は、
(イ) テトラアルキルアンモニウム基、
(ロ) テトラアルキルホスホニウム基、並びに、
(ハ) アルキルイミダゾリウム基、アルキルピリジニウム基、アルキルピリダジニウム基、アルキルピリミジニウム基、アルキルピラジニウム基、アルキルキノリウム基、及び、含窒素複素環化合物の4級窒素化物
からなる群から選ばれるいずれか1以上である請求項1から4までのいずれかに記載の複合電解質。
The functional group is
(A) tetraalkylammonium group,
(B) a tetraalkylphosphonium group, and
(C) Consisting of an alkylimidazolium group, an alkylpyridinium group, an alkylpyridazinium group, an alkylpyrimidinium group, an alkylpyrazinium group, an alkylquinolium group, and a quaternary nitrogenated product of a nitrogen-containing heterocyclic compound. The composite electrolyte according to any one of claims 1 to 4, which is any one or more selected from the group.
前記架橋剤分子は、ポリ(アルキレン)−トリアルキルアンモニウムクロリド末端、ポリ(N,N−ジアルキル−ベンズイミダゾリウム)、ポリビニル(1−アルキル−ピリジニウム)、及び、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリドからなる群から選ばれるいずれか1以上である請求項1に記載の複合電解質。   The crosslinker molecule is from the group consisting of poly (alkylene) -trialkylammonium chloride ends, poly (N, N-dialkyl-benzimidazolium), polyvinyl (1-alkyl-pyridinium), and polydiallyldimethylammonium chloride. The composite electrolyte according to claim 1, which is any one or more selected. 請求項1から6までのいずれかに記載の複合電解質を電解質膜及び/又は触媒層内電解質に用いた固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell using the composite electrolyte according to any one of claims 1 to 6 for an electrolyte membrane and / or an electrolyte in a catalyst layer.
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