JP5275704B2 - Proton conductive material and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、プロトン伝導性を高く維持し、且つ、熱的安定性及び耐熱水溶出性に優れたプロトン伝導性材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive material that maintains high proton conductivity and is excellent in thermal stability and hot water elution, and a method for producing the same.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.

また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside. As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.

通常用いられる固体高分子電解質型燃料電池の温度領域で作動可能な高分子電解質膜は、高分子を基本骨格又は主鎖にもつ有機高分子タイプのプロトン伝導性材料から構成されている。当該プロトン伝導性材料の課題としては、水の吸水時及び排水時に膜の伸縮を伴うこと、及び熱によりクリープ又は熱収縮が起こることといった、寸法変化が挙げられる。燃料電池の作動環境下では、水及び熱の収支が負荷や外部環境下により頻繁に変化することが知られているが、それに伴う膜の寸法変化は、電解質寿命を短命化する重要な課題であると共に、現行の有機高分子タイプのプロトン伝導性材料では、原理的に解決できない。   A polymer electrolyte membrane operable in a temperature range of a commonly used solid polymer electrolyte fuel cell is composed of an organic polymer type proton conductive material having a polymer as a basic skeleton or main chain. Problems with the proton-conducting material include dimensional changes such as expansion and contraction of the membrane during water absorption and drainage, and creep or thermal contraction due to heat. It is known that the balance of water and heat changes frequently under load and external environment under the operating environment of the fuel cell, but the accompanying dimensional change of the membrane is an important issue that shortens the life of the electrolyte. In addition, current organic polymer type proton conductive materials cannot be solved in principle.

上記課題を踏まえ、近年無機高分子タイプのプロトン伝導性材料の開発が盛んに行われている。特許文献1は、リン酸ジルコニウム等の結晶性リン酸金属塩に機械的粉砕法を用い、それを含むプロトン伝導性材料に関する技術を開示している。   Based on the above problems, development of inorganic polymer type proton conductive materials has been actively conducted in recent years. Patent Document 1 discloses a technique related to a proton conductive material using a mechanical pulverization method for a crystalline metal phosphate such as zirconium phosphate and the like.

また、特許文献2は、ホスホシリケートゲル又はシリカゲルに、リン酸金属塩を添加したプロトン伝導性材料に関する技術を開示している。   Patent Document 2 discloses a technique relating to a proton conductive material obtained by adding a metal phosphate to phosphosilicate gel or silica gel.

さらに、特許文献3は、イオン伝導性を有する高分子化合物にリン酸ジルコニウムを添加したプロトン伝導性材料に関する技術を開示している。   Further, Patent Document 3 discloses a technique related to a proton conductive material obtained by adding zirconium phosphate to a polymer compound having ion conductivity.

また、従来にない有機高分子タイプのプロトン伝導性材料の開発も試みられている。特許文献4は、炭素同素体であるフラーレンにスルホン酸基を導入し、かつビフェニル等でフラーレン誘導体同士を架橋した、プロトン伝導性を有するフラーレンポリマーに関する技術を開示している。   In addition, an unprecedented organic polymer type proton conductive material has been developed. Patent Document 4 discloses a technique related to a fullerene polymer having proton conductivity in which a sulfonic acid group is introduced into fullerene, which is a carbon allotrope, and fullerene derivatives are crosslinked with biphenyl or the like.

特開2003−281931号公報JP 2003-289311 A 特開2004−55181号公報JP 2004-55181 A 特開2006−147478号公報JP 2006-147478 A 特開2002−193861号公報JP 2002-193861 A

上記のうち特許文献1乃至3においては、無機材料であるリン酸金属塩を用いている。通常無機材料においては、プロトン伝導性基を追加することによりプロトン伝導能を向上させようとすると、水和して流動性の高い液状になるため形状保持性が極めて悪い。したがって、リン酸金属塩はプロトン伝導能向上においては限界がある。
また特許文献4においては、有限個の炭素原子のみから成るフラーレン1分子上に直接導入できるプロトン伝導性基にはおのずと限界がある。したがって、この場合もプロトン伝導能向上において限界がある。
Among the above, Patent Documents 1 to 3 use a metal phosphate that is an inorganic material. In general, in an inorganic material, when a proton conductive group is added to improve proton conductivity, the shape retention is extremely poor because it is hydrated to become a liquid with high fluidity. Therefore, metal phosphate has a limit in improving proton conductivity.
In Patent Document 4, there is a limit to the proton conductive group that can be directly introduced onto one fullerene molecule consisting of only a finite number of carbon atoms. Therefore, there is a limit in improving proton conductivity in this case as well.

本発明者らは、プロトン伝導性材料について鋭意検討した結果、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子に電解質樹脂が充填されたものを開発し、前記材料が、機械的特性や形状を損なうことなく高いプロトン伝導性を示すことを見出し、既に特許出願を行っている(特願2007−246203)。
また、上記特許出願においては、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子をスルホン酸基又はその前駆体基を有するモノマーと混合し、減圧下で前記無機微粒子内に前記モノマーを充填した後、当該モノマーを重合するプロトン伝導性材料の製造方法についても提案している。本方法によれば、無機微粒子の貫通孔から無機微粒子内部へモノマーを充填するという簡便な操作によって、続く重合反応によりポリマーを無機微粒子中に充填することで、機械的特性や形状を損なうことなく、プロトン伝導能を向上させることのできるプロトン伝導性材料を提供することができる。
As a result of intensive studies on the proton conductive material, the present inventors have developed a material in which hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are filled with an electrolyte resin, and the material impairs mechanical properties and shape. It has been found that high proton conductivity is exhibited without any patent application (Japanese Patent Application No. 2007-246203).
In the above patent application, hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are mixed with a monomer having a sulfonic acid group or a precursor group thereof, and the monomer is filled in the inorganic fine particles under reduced pressure. A method for producing a proton conductive material for polymerizing the monomer is also proposed. According to this method, the polymer is filled into the inorganic fine particles by the subsequent polymerization reaction by a simple operation of filling the inorganic fine particles into the inorganic fine particles from the through holes of the inorganic fine particles, without impairing the mechanical properties and shape. A proton conductive material capable of improving proton conductivity can be provided.

本発明者らは、さらに上記プロトン伝導性材料について研究を進め、熱的安定性及び耐熱水溶出性に優れたプロトン伝導性材料及びその製造方法を見出した。すなわち、本発明は、上記研究の経緯を経て成し遂げられたものであり、プロトン伝導性を高く維持し、且つ、熱的安定性及び耐熱水溶出性に優れたプロトン伝導性材料及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present inventors further studied the proton conductive material, and found a proton conductive material excellent in thermal stability and hot water elution and a method for producing the same. That is, the present invention has been accomplished through the above-described research, and a proton conductive material that maintains a high proton conductivity and is excellent in thermal stability and heat-resistant water elution, and a method for producing the same. The purpose is to provide.

本発明のプロトン伝導性材料は、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子にSi‐O骨格を有する電解質樹脂が充填され、当該無機微粒子と当該電解質樹脂とが、Si‐O結合により架橋されていることを特徴とする。
In the proton conductive material of the present invention, hollow inorganic fine particles having through holes on the surface are filled with an electrolyte resin having a Si-O skeleton, and the inorganic fine particles and the electrolyte resin are cross -linked by Si-O bonds. It is characterized by.

このような構成のプロトン伝導性材料は、当該プロトン伝導性材料の外殻である前記無機微粒子の空洞内に充填された前記電解質樹脂の無数のプロトン伝導性基が、前記無機微粒子表面の貫通孔から露出していることからプロトン伝導性が高く、且つ、前記電解質樹脂が粒径の定まっている前記無機微粒子に閉じ込められていることから、前記プロトン伝導性材料の膨潤及び収縮が無い。また、本発明のプロトン伝導性材料は、プロトン伝導性基を前記電解質樹脂の構造中に多量に導入するというような、通常ならば流動性が高い状態であったとしても、本発明においては前記無機微粒子の空洞内に保持されるので、前記プロトン伝導性材料において形状保持性及びプロトン伝導性の両方の向上を達成することができる。
さらに、本発明のプロトン伝導性材料は、前記無機微粒子と前記電解質樹脂とが、化学的に安定かつ剛直なSi‐O結合により架橋されているため、熱的安定性により優れ、且つ、熱水中においても前記電解質樹脂が前記無機微粒子中から溶出すること無く、より安定した形状を保つことができる。
また、本発明のプロトン伝導性材料は、前記無機微粒子に前記電解質樹脂の原料となるモノマーを充填し、重合して前記電解質樹脂を合成する際に、重合反応を簡便に起こすことができるため、作製が容易である。また本発明のプロトン伝導性材料は、前記モノマーが、前記無機微粒子との親和性が高く充填することが容易であるため、前記プロトン伝導性材料の合成を迅速に行うことができる。
In the proton conductive material having such a configuration, the infinite number of proton conductive groups of the electrolyte resin filled in the cavity of the inorganic fine particles, which are the outer shell of the proton conductive material, have through holes on the surface of the inorganic fine particles. Since the proton conductivity is high and the electrolyte resin is confined in the inorganic fine particles having a fixed particle size, the proton conductive material does not swell and contract. Further, even if the proton conductive material of the present invention is usually in a state of high fluidity such as introducing a large amount of proton conductive groups into the structure of the electrolyte resin, Since it is held in the cavities of the inorganic fine particles, it is possible to achieve both improvement in shape retention and proton conductivity in the proton conductive material.
Further, the proton conductive material of the present invention, the said inorganic particulate electrolyte and the resin, because it is cross-linked by chemically stable and rigid Si-O bond, more excellent thermal stability, and thermal Even in water, the electrolyte resin does not elute from the inorganic fine particles, and a more stable shape can be maintained.
In addition, the proton conductive material of the present invention can easily cause a polymerization reaction when the inorganic fine particles are filled with a monomer as a raw material of the electrolyte resin and polymerized to synthesize the electrolyte resin. Easy to manufacture. In the proton conductive material of the present invention, since the monomer has a high affinity with the inorganic fine particles and can be easily filled, the proton conductive material can be synthesized quickly.

本発明のプロトン伝導性材料は、前記無機微粒子がSiOであることが好ましい。 In the proton conductive material of the present invention, the inorganic fine particles are preferably SiO 2 .

このような構成のプロトン伝導性材料は、前記プロトン伝導性材料の外殻である前記無機微粒子が、化学的に安定かつ剛直な無機材料であるSiOによって形成されているため、機械的特性に優れ、水及び熱の収支によって収縮/膨張することなく安定した形状を保つことができる。 The proton conductive material having such a structure has mechanical characteristics because the inorganic fine particles that are the outer shell of the proton conductive material are formed of SiO 2 that is a chemically stable and rigid inorganic material. Excellent, stable shape can be maintained without shrinking / expanding due to water and heat balance.

本発明のプロトン伝導性材料は、前記無機微粒子のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有することが好ましい。   The proton conductive material of the present invention preferably has an ion exchange capacity larger than that of the inorganic fine particles.

このような構成のプロトン伝導性材料は、前記電解質樹脂を前記無機微粒子中に充填することで、前記無機微粒子以上のプロトン伝導性を確保することができる。   The proton conductive material having such a configuration can ensure proton conductivity higher than that of the inorganic fine particles by filling the electrolyte resin in the inorganic fine particles.

本発明のプロトン伝導性材料は、イオン交換容量が0.5meq/g以上であることが好ましい。   The proton conductive material of the present invention preferably has an ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more.

このような構成のプロトン伝導性材料は、十分なプロトン伝導性を有することができる。   The proton conductive material having such a configuration can have sufficient proton conductivity.

本発明のプロトン伝導性材料は、平均粒径が0.05〜10μmであることが好ましい。   The proton conductive material of the present invention preferably has an average particle size of 0.05 to 10 μm.

このような構成のプロトン伝導性材料は、適切な厚さで製膜することができる。   The proton conductive material having such a configuration can be formed into an appropriate thickness.

本発明のプロトン伝導性材料は、前記無機微粒子のかさ密度が、当該無機微粒子の真密度の20%以下であることが好ましい。   In the proton conductive material of the present invention, the bulk density of the inorganic fine particles is preferably 20% or less of the true density of the inorganic fine particles.

このような構成のプロトン伝導性材料は、前記無機微粒子の中に十分量の前記電解質樹脂を充填することができる。   The proton conductive material having such a structure can fill the inorganic fine particles with a sufficient amount of the electrolyte resin.

本発明のプロトン伝導性材料の製造方法は、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子と、スルホン酸基を有するモノマーを混合し、減圧下で前記無機微粒子内に前記モノマーを充填した後、当該モノマーを重合し、重合後に結合剤を加えて再重合することによって、前記無機微粒子と、重合後の電解質樹脂とを、化学結合により架橋することを特徴とする。   In the method for producing a proton conductive material of the present invention, hollow inorganic fine particles having through-holes on the surface and a monomer having a sulfonic acid group are mixed, and the inorganic fine particles are filled in the inorganic fine particles under reduced pressure. The monomer is polymerized, and after the polymerization, a binder is added and repolymerized to crosslink the inorganic fine particles and the polymerized electrolyte resin by chemical bonding.

このような構成のプロトン伝導性材料の製造方法により、本発明に係るプロトン伝導性材料が得られる。また、本発明のプロトン伝導性材料の製造方法は、前記無機微粒子と前記モノマーとを共に減圧下に置くという簡便な操作により、前記モノマーを前記無機微粒子の貫通孔から当該無機微粒子内部へと充填することができ、さらに、続く重合反応によりポリマーを無機微粒子中で重合することができる。また、本発明のプロトン伝導性材料の製造方法は、モノマー重合後にさらに結合剤を加えて再重合することによって、本発明に係るプロトン伝導性材料の特徴の一つである、前記無機微粒子と前記電解質樹脂との化学結合の架橋を容易に形成することができる。   The proton conductive material according to the present invention can be obtained by the method for producing a proton conductive material having such a configuration. Further, the method for producing a proton conductive material of the present invention fills the monomer from the through-holes of the inorganic fine particles into the inorganic fine particles by a simple operation of placing both the inorganic fine particles and the monomer under reduced pressure. Further, the polymer can be polymerized in the inorganic fine particles by the subsequent polymerization reaction. In addition, the method for producing a proton conductive material of the present invention is characterized in that the inorganic fine particles and the above-mentioned inorganic fine particles, which are one of the characteristics of the proton conductive material according to the present invention, are obtained by further adding a binder and repolymerizing after monomer polymerization Crosslinks of chemical bonds with the electrolyte resin can be easily formed.

本発明のプロトン伝導性材料の製造方法は、前記結合剤として、ヒドロカーボンオキシシラン化合物、ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アルカン化合物、ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アリール化合物から選ばれる少なくとも一種を用いることが好ましい。   In the method for producing a proton conductive material of the present invention, at least one selected from a hydrocarbonoxysilane compound, a bis (trihydrocarbonoxysilyl) alkane compound, and a bis (trihydrocarbonoxysilyl) aryl compound is used as the binder. It is preferable to use it.

このような構成のプロトン伝導性材料の製造方法は、前記結合剤としてSi‐O結合を有する化合物を用いることによって、前記無機微粒子と前記電解質樹脂との間にSi‐O結合の架橋が形成されたプロトン伝導性材料が得られる。   In the method for producing a proton conductive material having such a structure, a Si—O bond bridge is formed between the inorganic fine particles and the electrolyte resin by using a compound having a Si—O bond as the binder. Proton conductive material is obtained.

本発明のプロトン伝導性材料の製造方法は、前記結合剤を加える量が、前記無機微粒子を加える量を100重量部としたときに、5〜40重量部であることが好ましい。   In the method for producing a proton conductive material of the present invention, the amount of the binder added is preferably 5 to 40 parts by weight when the amount of the inorganic fine particles added is 100 parts by weight.

このような構成のプロトン伝導性材料の製造方法は、Si‐O結合の架橋が適度に形成されたプロトン伝導性材料が得られる。   With the method for producing a proton conductive material having such a configuration, a proton conductive material in which cross-linking of Si—O bonds is appropriately formed can be obtained.

本発明によれば、本発明のプロトン伝導性材料の外殻である前記無機微粒子の空洞内に充填された前記電解質樹脂の無数のプロトン伝導性基が、前記無機微粒子表面の貫通孔から露出していることからプロトン伝導性が高く、且つ、前記電解質樹脂が粒径の定まっている前記無機微粒子に閉じ込められていることから、前記プロトン伝導性材料の膨潤及び収縮が無い。また、本発明によれば、プロトン伝導性基を前記電解質樹脂の構造中に多量に導入するというような、通常ならば流動性が高い状態であったとしても、本発明においては前記無機微粒子の空洞内に保持されるので、前記プロトン伝導性材料において形状保持性及びプロトン伝導性の両方の向上を達成することができる。
さらに、本発明によれば、前記無機微粒子と前記電解質樹脂とが、化学結合により架橋されているため、熱的安定性に優れ、且つ、熱水中においても前記電解質樹脂が前記無機微粒子中から溶出すること無く、安定した形状を保つことができる。
According to the present invention, innumerable proton conductive groups of the electrolyte resin filled in the cavity of the inorganic fine particles that are the outer shell of the proton conductive material of the present invention are exposed from the through holes on the surface of the inorganic fine particles. Therefore, since the proton conductivity is high and the electrolyte resin is confined in the inorganic fine particles having a fixed particle diameter, the proton conductive material does not swell and contract. Further, according to the present invention, even if the fluidity is normally high, such as introducing a large amount of proton conductive groups into the structure of the electrolyte resin, Since it is held in the cavity, it is possible to achieve both improvement in shape retention and proton conductivity in the proton conductive material.
Furthermore, according to the present invention, since the inorganic fine particles and the electrolyte resin are cross-linked by a chemical bond, they are excellent in thermal stability, and the electrolyte resin is contained in the inorganic fine particles even in hot water. A stable shape can be maintained without elution.

本発明のプロトン伝導性材料は、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子に電解質樹脂が充填され、当該無機微粒子と当該電解質樹脂とが、化学結合により架橋されていることを特徴とする。   The proton conductive material of the present invention is characterized in that hollow inorganic fine particles having through holes on the surface thereof are filled with an electrolyte resin, and the inorganic fine particles and the electrolyte resin are crosslinked by chemical bonds.

以下、図面を参照しながら本発明のプロトン伝導性材料について詳しく説明する。図1は本発明のプロトン伝導性材料の典型例を示した図であり、粒子状のプロトン伝導性材料を輪切りにした図である。右下円内は断面の拡大図であり、前記無機微粒子及び前記電解質樹脂の構造式を模式的に示した図である。右下円内のケイ素原子とスルホン酸基をつなぐ折れ線はアルキル鎖を表している。プロトン伝導性材料100は電解質樹脂1と無機微粒子2とから成り、中空状の前記無機微粒子2が前記電解質樹脂1で充填されている。前記無機微粒子2は無数の貫通孔を有し、当該貫通孔を通じて前記電解質樹脂1は粒子表面に露出している。
また、前記電解質樹脂1と前記無機微粒子2とは、化学結合(図1中においては、Si−O結合)により架橋されている。
Hereinafter, the proton conductive material of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a typical example of the proton conductive material of the present invention, and is a diagram in which a particulate proton conductive material is cut into circles. The lower right circle is an enlarged view of the cross section, and is a diagram schematically showing the structural formulas of the inorganic fine particles and the electrolyte resin. The broken line connecting the silicon atom and the sulfonic acid group in the lower right circle represents an alkyl chain. The proton conductive material 100 includes an electrolyte resin 1 and inorganic fine particles 2, and the hollow inorganic fine particles 2 are filled with the electrolyte resin 1. The inorganic fine particles 2 have innumerable through holes, and the electrolyte resin 1 is exposed on the particle surface through the through holes.
Further, the electrolyte resin 1 and the inorganic fine particles 2 are cross-linked by a chemical bond (Si—O bond in FIG. 1).

図1の右下円内に模式的に示す構造式のように、前記電解質樹脂1はSi‐O骨格を有することが好ましい。前記電解質樹脂1はスルホン酸基のようなプロトン伝導性基を有している。当該スルホン酸基が、図1の右下円内に示すように、前記無機微粒子2の貫通孔を通じて前記プロトン伝導性材料100表面に露出しているのが好ましい。   As in the structural formula schematically shown in the lower right circle of FIG. 1, the electrolyte resin 1 preferably has a Si—O skeleton. The electrolyte resin 1 has a proton conductive group such as a sulfonic acid group. The sulfonic acid group is preferably exposed on the surface of the proton conductive material 100 through the through holes of the inorganic fine particles 2 as shown in the lower right circle of FIG.

Si‐O骨格を有する電解質樹脂の典型例としては、モノマーを重合することによってSi‐O骨格が形成されたポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、前記無機微粒子に前記電解質樹脂の原料となるモノマーを充填し、重合して前記電解質樹脂を合成する際に、重合反応を簡便に起こすことができる。また前記モノマーは、前記無機微粒子との親和性が高く充填することが容易であるため、前記プロトン伝導性材料の合成を迅速に行うことができる。さらに、前記電解質樹脂がSi‐O骨格という強固なポリマー鎖を有することで、プロトン伝導性基が前記プロトン伝導性材料外へ漏れ出すことがない。   A typical example of the electrolyte resin having a Si—O skeleton is a polymer in which a Si—O skeleton is formed by polymerizing a monomer. Such a polymer can easily cause a polymerization reaction when the inorganic fine particles are filled with a monomer as a raw material of the electrolyte resin and polymerized to synthesize the electrolyte resin. Further, since the monomer has a high affinity with the inorganic fine particles and can be easily filled, the proton conductive material can be synthesized quickly. Furthermore, since the electrolyte resin has a strong polymer chain called a Si—O skeleton, proton conductive groups do not leak out of the proton conductive material.

前記電解質樹脂1はその他にも、通常燃料電池において使用される高分子電解質を用いることができる。ここでいう高分子電解質とは、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入した炭化水素系高分子電解質が挙げられる。   In addition, the electrolyte resin 1 may be a polymer electrolyte usually used in a fuel cell. Polyelectrolyte here refers to polyether polymer ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, in addition to fluorine-based polymer electrolytes such as perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name). Protonic acid groups such as sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, and boronic acid groups on hydrocarbon polymers such as engineering plastics such as polyphenylene ether and polyparaphenylene, and general-purpose plastics such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene ( Hydrocarbon polymer electrolytes into which proton conductive groups) have been introduced.

前記無機微粒子2は、粒子内部に十分な充填量を確保することができ、且つ、前記電解質樹脂1の原料となるモノマーの充填時に、流動に対する内部抵抗が小さく且つ充填しやすいことが求められる。完全な中空体に限定されるわけではなく、柱上、隔壁状の内部組織を若干有していてもよい。   The inorganic fine particles 2 are required to have a sufficient filling amount inside the particles, and have a low internal resistance to flow and are easy to be filled when the monomer as the raw material of the electrolyte resin 1 is filled. It is not necessarily limited to a complete hollow body, and may have some internal structures in the form of partitions on the pillars.

また、前記無機微粒子2が表面に有する貫通孔は、前記電解質樹脂1の原料となるモノマーの充填時に流動に対する抵抗が小さくて充填しやすいこと、且つ、粒子内部でモノマーが付加重合又は重縮合されて生成した電解質樹脂が流出し難い、適切な範囲の大きさを有することが求められる。   In addition, the through-holes on the surface of the inorganic fine particles 2 have a low resistance to flow when the monomer as the raw material of the electrolyte resin 1 is filled, and the monomer is addition-polymerized or polycondensed inside the particles. It is required that the electrolyte resin produced in this way has a size in an appropriate range that does not easily flow out.

上記のような前記無機微粒子2内部及び貫通孔の性質を満たすために、当該無機微粒子2はSiOであることが好ましい。前記プロトン伝導性材料100は、SiOによる剛直な殻を有することから機械的特性に優れるという利点もある。 In order to satisfy the properties of the inside of the inorganic fine particles 2 and the through holes as described above, the inorganic fine particles 2 are preferably SiO 2 . Since the proton conductive material 100 has a rigid shell made of SiO 2, it has an advantage of excellent mechanical properties.

前記プロトン伝導性材料100は、前記無機微粒子2そのもののイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有することが好ましく、前記プロトン伝導性材料100の当該イオン交換容量は0.5meq/g以上であることが好ましい。
仮に前記プロトン伝導性材料100のイオン交換容量が前記無機微粒子2のイオン交換容量よりも小さいとすると、イオン伝導性基を追加してもイオン伝導能の向上は望めない。また、仮に前記プロトン伝導性材料100の前記イオン交換容量が0.5meq/g未満であるとすると、当該プロトン伝導性材料100を例えば燃料電池の電解質膜に用いた際、十分な発電効率が望めない。
The proton conductive material 100 preferably has an ion exchange capacity larger than the ion exchange capacity of the inorganic fine particles 2 itself, and the ion exchange capacity of the proton conductive material 100 is 0.5 meq / g or more. Is preferred.
If the ion exchange capacity of the proton conductive material 100 is smaller than the ion exchange capacity of the inorganic fine particles 2, no improvement in ion conductivity can be expected even if an ion conductive group is added. If the ion exchange capacity of the proton conductive material 100 is less than 0.5 meq / g, sufficient power generation efficiency can be expected when the proton conductive material 100 is used, for example, in an electrolyte membrane of a fuel cell. Absent.

重合後の前記プロトン伝導性材料の前記電解質樹脂の保持力は、前記無機微粒子が有する貫通孔の平均直径や数、又は重合された電解質樹脂の流動性のいずれにも依存するが、それらを直接に測定又は観測することは困難である。またそれらの値を知得することができたとしても、前記無機微粒子の空洞部に充填された前記電解質脂の充填量に比例するプロトン伝導度との関係から総合的に評価しなければならない。かかる観点から、熱水中においても流出せずに粒子空洞内に残留するプロトン伝導性材料のイオン交換容量、すなわち、熱水処理試験後の残留イオン交換容量が0.5meq/g以上であることがさらに好ましい。   The holding power of the electrolyte resin of the proton conductive material after polymerization depends on either the average diameter or the number of through-holes of the inorganic fine particles, or the fluidity of the polymerized electrolyte resin. It is difficult to measure or observe. Even if these values can be obtained, it must be comprehensively evaluated from the relationship with the proton conductivity proportional to the filling amount of the electrolyte fat filled in the cavity of the inorganic fine particles. From such a viewpoint, the ion exchange capacity of the proton conductive material remaining in the particle cavity without flowing out even in hot water, that is, the residual ion exchange capacity after the hydrothermal treatment test is 0.5 meq / g or more. Is more preferable.

前記プロトン伝導性材料100の平均粒径が0.05〜10μmであることが好ましい。
仮に前記プロトン伝導性材料100の平均粒径が0.05μm未満では、十分量充填された電解質樹脂を保持するだけの十分な大きさではない。逆に前記プロトン伝導性材料100の平均粒径が10μmを超えると、例えば、適切な厚さの電解質膜に用いることが不可能になってしまう。
The proton conductive material 100 preferably has an average particle size of 0.05 to 10 μm.
If the average particle size of the proton conductive material 100 is less than 0.05 μm, it is not large enough to hold a sufficiently filled electrolyte resin. On the other hand, when the average particle diameter of the proton conductive material 100 exceeds 10 μm, it becomes impossible to use it for an electrolyte membrane having an appropriate thickness, for example.

前記無機微粒子2のかさ密度が、当該無機微粒子2の真密度の20%以下であることが好ましい。仮に前記無機微粒子2のかさ密度が、当該無機微粒子2の真密度の20%を超えると、十分量の電解質樹脂の充填が期待できない。
さらに好ましくは、粒子の破壊を回避する観点から、前記無機微粒子2のかさ密度が、当該無機微粒子2の真密度の5%以上であればよい。
The bulk density of the inorganic fine particles 2 is preferably 20% or less of the true density of the inorganic fine particles 2. If the bulk density of the inorganic fine particles 2 exceeds 20% of the true density of the inorganic fine particles 2, a sufficient amount of electrolyte resin cannot be filled.
More preferably, from the viewpoint of avoiding particle destruction, the bulk density of the inorganic fine particles 2 may be 5% or more of the true density of the inorganic fine particles 2.

本発明でいう化学結合とは、原子同士の結びつきをいい、原子間で電子を共有し合う共有結合、原子間で電子を共有しないイオン結合の両方を含む。細かく分類すれば、一方の原子からのみ電子が提供される配位結合、主に価電子によって結合が維持される金属結合も含み、さらに、分子間の静電相互作用による結合、ファンデルワールス相互作用による結合、水素結合、電荷移動相互作用による結合も含む。
この内、本発明においては、無機微粒子と電解質樹脂とが、共有結合によって架橋されているのが好ましい。
The chemical bond referred to in the present invention refers to a connection between atoms, and includes both a covalent bond that shares electrons between atoms and an ionic bond that does not share electrons between atoms. In detail, it includes coordination bonds in which electrons are provided from only one atom, metal bonds that are mainly maintained by valence electrons, and bonds by intermolecular electrostatic interactions, van der Waals mutuals. It includes bonds by action, hydrogen bonds, and bonds by charge transfer interactions.
Among these, in the present invention, the inorganic fine particles and the electrolyte resin are preferably crosslinked by a covalent bond.

前記化学結合が、Si‐O結合であることが好ましい。これは、前記無機微粒子と前記電解質樹脂とが、化学的に安定かつ剛直なSi‐O結合により架橋されているため、より熱的安定性及び耐熱水溶出性に優れるからである。
なお、前記電解質樹脂1と前記無機微粒子2とは、各々の有するケイ素原子と酸素原子とが結合し、直接Si‐O結合によって架橋されていてもよいし、結合剤を介して間接的にSi‐O結合によって架橋されていてもよい
The chemical bond is preferably a Si—O bond. This is because the inorganic fine particles and the electrolyte resin are cross-linked by a chemically stable and rigid Si—O bond, and thus are more excellent in thermal stability and hot water elution.
The electrolyte resin 1 and the inorganic fine particles 2 may be bonded to each other by a silicon atom and an oxygen atom, and directly crosslinked by a Si—O bond, or indirectly through a binder. May be cross-linked by -O bond

本発明によれば、無機微粒子の空洞内に充填された電解質樹脂の無数のプロトン伝導性基が、無機微粒子表面の貫通孔から露出していることからプロトン伝導性が高く、且つ、電解質樹脂が粒径の定まっている無機微粒子に閉じ込められていることから、プロトン伝導性材料の膨潤及び収縮が無い。また、本発明によれば、プロトン伝導性基を電解質樹脂の構造中に多量に導入するというような、通常ならば流動性が高い状態であったとしても、本発明においては無機微粒子の空洞内に保持されるので、前記プロトン伝導性材料において形状保持性及びプロトン伝導性の両方の向上を達成することができる。
さらに、本発明によれば、無機微粒子と電解質樹脂とが、化学結合により架橋されているため、熱的安定性に優れ、且つ、熱水中においても電解質樹脂が無機微粒子中から溶出すること無く、安定した形状を保つことができる。
According to the present invention, the countless proton conductive groups of the electrolyte resin filled in the cavities of the inorganic fine particles are exposed from the through holes on the surface of the inorganic fine particles, so that the proton conductivity is high, and the electrolyte resin is Since it is confined to inorganic fine particles with a fixed particle size, there is no swelling or shrinkage of the proton conductive material. Further, according to the present invention, even if the fluidity is normally high, such as introducing a large amount of proton conductive groups into the structure of the electrolyte resin, Therefore, it is possible to achieve both improvement in shape retention and proton conductivity in the proton conductive material.
Furthermore, according to the present invention, since the inorganic fine particles and the electrolyte resin are cross-linked by chemical bonding, the thermal stability is excellent, and the electrolyte resin does not elute from the inorganic fine particles even in hot water. , Can keep a stable shape.

本発明のプロトン伝導性材料の製造方法は、表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子と、スルホン酸基を有するモノマーを混合し、減圧下で前記無機微粒子内に前記モノマーを充填した後、当該モノマーを重合し、重合後に結合剤を加えて再重合することによって、前記無機微粒子と、重合後の電解質樹脂とを、化学結合により架橋することを特徴とする。   In the method for producing a proton conductive material of the present invention, hollow inorganic fine particles having through-holes on the surface and a monomer having a sulfonic acid group are mixed, and the inorganic fine particles are filled in the inorganic fine particles under reduced pressure. The monomer is polymerized, and after the polymerization, a binder is added and repolymerized to crosslink the inorganic fine particles and the polymerized electrolyte resin by chemical bonding.

無機微粒子としては主成分がSiOであるマイクロカプセル(商品名:ワシンマイクロカプセル)を用いるのが好ましいが、他の無機微粒子多孔質中空体を用いてもよい。具体的には、上記SiOの他にはシルセスオキサンやゼオライト等が挙げられる。ただし、メソポーラスシリカは、粒子内部から電解質樹脂が簡単に流出してしまい、当該電解質樹脂を保持しにくいことから、本発明で用いられる中空状無機微粒子には該当しない。
無機微粒子の製造方法としては、カチオン界面活性基を有するビニルモノマー共存下で、スチレンモノマーを重合させて、表面にイオン性基を有するポリスチレン微粒子を得る。そのポリスチレン微粒子にテトラエトキシシランを加水分解縮合反応させ、ポリスチレン微粒子表面にシリカを形成する。次にポリスチレンを溶媒で溶解除去することによって、中空のシリカマイクロカプセルを得る。
なお、マイクロカプセルは前記プロトン伝導性材料製造前に塩酸等の酸による処理を行い、不純物を予め除くことが必要である。
As the inorganic fine particles, it is preferable to use microcapsules (trade name: Washin microcapsules) whose main component is SiO 2 , but other inorganic fine particle porous hollow bodies may be used. Specifically, in addition to the above SiO 2 , silsesoxane, zeolite, and the like can be given. However, mesoporous silica does not correspond to the hollow inorganic fine particles used in the present invention because the electrolyte resin easily flows out from the inside of the particles and it is difficult to hold the electrolyte resin.
As a method for producing inorganic fine particles, styrene monomer is polymerized in the presence of a vinyl monomer having a cationic surfactant group to obtain polystyrene fine particles having an ionic group on the surface. The polystyrene fine particles are subjected to a hydrolytic condensation reaction of tetraethoxysilane to form silica on the surfaces of the polystyrene fine particles. Next, hollow silica microcapsules are obtained by dissolving and removing polystyrene with a solvent.
The microcapsules must be treated with an acid such as hydrochloric acid prior to the production of the proton conductive material to remove impurities in advance.

ここでいうモノマーの重合は、付加重合及び重縮合を含む。また、初めから大分子量のポリマーである樹脂は、減圧時に充填しづらいという理由から用いることはできない。したがって、充填にはモノマーを用いることができる。   The polymerization of the monomer here includes addition polymerization and polycondensation. In addition, a resin that is a polymer having a large molecular weight from the beginning cannot be used because it is difficult to fill at the time of decompression. Therefore, a monomer can be used for filling.

モノマーとしては、中空状無機微粒子の空洞内に充填すべき電解質樹脂の繰り返し単位となる化合物が用いられる。
例えば、従来から固体高分子型燃料電池の分野で用いられているパーフルオロカーボンスルホン酸を無機微粒子に充填したい場合には、フルオロエチレン等のフルオロカーボン骨格を形成するモノマーを用いることができる。
Si‐O骨格を有する電解質樹脂を無機微粒子に充填したい場合には、スルホン酸基又はその前駆体基を有するヒドロカーボンオキシシラン化合物及び/又はシラノール化合物を用いることができる。ここで用い得るヒドロカーボンオキシシラン化合物とは、スルホン酸基又はその前駆体基がケイ素原子に直接又は間接的に結合すると共に、異種原子を含んでいてもよいヒドロカーボンオキシ基が同じケイ素原子に結合した構造を有する化合物である。ヒドロカーボンオキシ基とは、例えばアルコキシ基又はアリールオキシ基のように、脂肪族又は芳香族の炭化水素基に酸素原子が結合した構造を有し、当該酸素原子がケイ素原子に対し結合する基である。ヒドロカーボンオキシ基は異種原子を含んでいてもよい。スルホン酸基又はその前駆体基がケイ素原子に間接的に結合する場合には、例えば、脂肪族又は芳香族の炭化水素基を介して結合していてもよく、この炭化水素基は異種原子を含んでいてもよい。また、ここで用い得るシラノール化合物とは、スルホン酸基又はその前駆体基がケイ素原子に直接又は間接的に結合すると共に、水酸基が同じケイ素原子に結合した構造を有する化合物である。
上記ヒドロカーボンオキシシラン化合物及び/又は上記シラノール化合物としては、例えば、Si原子に、スルホン酸炭化水素基(異種原子を含んでいてもよい)と、水酸基(−OH)及び/又はアルコキシ基若しくはアリールオキシ基(異種原子を含んでいてもよい)とが結合したケイ素化合物が好ましく用いられる。より具体的には、下記式(1)、式(2)及び式(3)で表わされる構造を有するものが挙げられる。
As the monomer, a compound that is a repeating unit of the electrolyte resin to be filled in the cavity of the hollow inorganic fine particles is used.
For example, when it is desired to fill inorganic fine particles with perfluorocarbon sulfonic acid conventionally used in the field of polymer electrolyte fuel cells, a monomer that forms a fluorocarbon skeleton such as fluoroethylene can be used.
When it is desired to fill the inorganic fine particles with an electrolyte resin having a Si—O skeleton, a hydrocarbonoxysilane compound and / or a silanol compound having a sulfonic acid group or a precursor group thereof can be used. The hydrocarbonoxysilane compound that can be used here is a sulfonic acid group or a precursor group thereof bonded directly or indirectly to a silicon atom, and a hydrocarbonoxy group that may contain a different atom is bonded to the same silicon atom. A compound having a bonded structure. The hydrocarbonoxy group is a group in which an oxygen atom is bonded to an aliphatic or aromatic hydrocarbon group such as an alkoxy group or an aryloxy group, and the oxygen atom is bonded to a silicon atom. is there. The hydrocarbonoxy group may contain a hetero atom. When the sulfonic acid group or its precursor group is indirectly bonded to the silicon atom, it may be bonded via, for example, an aliphatic or aromatic hydrocarbon group, and the hydrocarbon group is bonded to a hetero atom. May be included. The silanol compound that can be used here is a compound having a structure in which a sulfonic acid group or a precursor group thereof is bonded directly or indirectly to a silicon atom and a hydroxyl group is bonded to the same silicon atom.
Examples of the hydrocarbonoxysilane compound and / or the silanol compound include, for example, a Si atom, a sulfonic acid hydrocarbon group (which may contain a different atom), a hydroxyl group (—OH) and / or an alkoxy group or an aryl group. A silicon compound bonded to an oxy group (which may contain a different atom) is preferably used. More specifically, those having a structure represented by the following formula (1), formula (2) and formula (3) can be mentioned.

Figure 0005275704
(式中、Rは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基又は炭素数6〜10の芳香族炭化水素基であり、且つ、n=1〜4である。)
Figure 0005275704
(In the formula, R 1 is an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms or an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, and n = 1 to 4).

スルホン酸基の前駆体基を有するモノマーとしては、上述したスルホン酸基を有するモノマーに誘導可能な化合物を用いることができ、例えば、上記式(1)、式(2)及び式(3)に対応するモノマーとしては、下記式(4)、式(5)及び式(6)で表わされる構造を有するものが挙げられる。   As the monomer having a sulfonic acid group precursor group, a compound that can be derived from the above-described monomer having a sulfonic acid group can be used. For example, in the above formulas (1), (2), and (3) Examples of the corresponding monomer include those having a structure represented by the following formula (4), formula (5), and formula (6).

Figure 0005275704
(式中、R〜Rは互いに独立であり、水素原子、異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基、及び異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数6〜10の芳香族炭化水素基からなる群から選択される官能基である。また、n=1〜4である。X〜Xは互いに独立であり、チオール基、スルフィニル基、スルホン酸フルオリド、スルホン酸クロリド、スルホン酸ブロミド、スルホン酸ヨージド、スルホン酸リチウム、スルホン酸カリウム又はスルホン酸ナトリウム等のスルホン酸基の前駆体基のうちのいずれかから選択される官能基である。)
Figure 0005275704
(In the formula, R 2 to R 9 are independent of each other, and may contain a hydrogen atom, a heteroatom, or preferably an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms and a heteroatom. Is a functional group selected from the group consisting of aromatic hydrocarbon groups having 6 to 10 carbon atoms, and n = 1 to 4. X 1 to X 4 are independent of each other, and are a thiol group or a sulfinyl group. , Sulfonic acid fluoride, sulfonic acid chloride, sulfonic acid bromide, sulfonic acid iodide, lithium sulfonic acid, potassium sulfonate, sodium sulfonate, and other functional groups selected from precursor groups of sulfonic acid groups .)

なお、前記電解質樹脂の合成に際し、モノマーは2種類以上用いてもよい。   In synthesizing the electrolyte resin, two or more monomers may be used.

スルホン酸基の前駆体基をスルホン酸基に変換する方法としては、例えば当該前駆体基がチオール基、スルフィニル基の場合には過酸化水素水等の酸化剤を加えることによりスルホン酸基に変換することができ、あるいは前記前駆体基がスルホン酸フルオリド、スルホン酸クロリド、スルホン酸ブロミド、スルホン酸ヨージド、スルホン酸リチウム、スルホン酸カリウム又はスルホン酸ナトリウム等の場合には塩酸若しくは硫酸等の酸又は水酸化ナトリウム水溶液などの塩基を加えることによりスルホン酸基に変換することができる。
また、スルホン酸基の前駆体基は上記に示すものに限らず、例えば、上記式(4)乃至(6)中のX〜Xが末端オレフィンである場合も含む。この場合には、三酸化硫黄を作用させた後塩基処理することによって、末端にスルホン酸基を有するアルキル基へと変換することができる。
As a method for converting a precursor group of a sulfonic acid group into a sulfonic acid group, for example, when the precursor group is a thiol group or a sulfinyl group, it is converted into a sulfonic acid group by adding an oxidizing agent such as hydrogen peroxide. Or when the precursor group is sulfonic acid fluoride, sulfonic acid chloride, sulfonic acid bromide, sulfonic acid iodide, lithium sulfonic acid, potassium sulfonic acid, sodium sulfonic acid or the like, an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid, or It can be converted to a sulfonic acid group by adding a base such as an aqueous sodium hydroxide solution.
Further, the precursor group of the sulfonic acid group is not limited to the above, and includes, for example, the case where X 1 to X 4 in the above formulas (4) to (6) are terminal olefins. In this case, it can be converted into an alkyl group having a sulfonic acid group at the terminal by treating with sulfur trioxide and then treating with a base.

モノマーの無機微粒子への充填条件としては、減圧度として1〜200mmHg、20〜100℃、1〜6時間行うのが好ましい。また、モノマーの無機微粒子内における重合条件としては、減圧下で80〜150℃、2〜24時間加熱処理を行うのが好ましい。
なお、この充填及び重合の際に、既に電解質樹脂と無機微粒子との間に化学結合が形成されている可能性も考えられる。しかし、後の実施例におけるTGA測定及び耐熱水性試験によっても示されているように、結合剤による再重合を経た実施例のプロトン伝導性材料と、結合剤による再重合を経ていない比較例のプロトン伝導性材料とでは、熱安定性及び耐熱水性に差が生じたことから、上述した充填及び重合の際においては、プロトン伝導性材料自体の物理的特性に影響を生じる程の数の化学結合は形成されていないと考えるのが妥当である。
The filling conditions of the monomer into the inorganic fine particles are preferably 1 to 200 mmHg as a degree of vacuum, 20 to 100 ° C., and 1 to 6 hours. Moreover, as polymerization conditions in the inorganic fine particles of the monomer, it is preferable to perform heat treatment at 80 to 150 ° C. for 2 to 24 hours under reduced pressure.
In addition, the chemical bond may be already formed between the electrolyte resin and the inorganic fine particles during the filling and polymerization. However, as shown by the TGA measurement and hot water resistance test in the later examples, the proton conductive material of the example that had undergone repolymerization with the binder and the proton of the comparative example that had not undergone repolymerization with the binder Due to the difference in thermal stability and hot water resistance with conductive materials, the number of chemical bonds that affect the physical properties of the proton conductive material itself during the filling and polymerization described above are It is reasonable to think that it is not formed.

前記結合剤としては、ヒドロカーボンオキシシラン化合物、ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アルカン化合物、ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アリール化合物から選ばれる少なくとも一種を用いることが好ましい。   As the binder, it is preferable to use at least one selected from a hydrocarbonoxysilane compound, a bis (trihydrocarbonoxysilyl) alkane compound, and a bis (trihydrocarbonoxysilyl) aryl compound.

上記ヒドロカーボンオキシシラン化合物としては、例えば、Si原子に、アルコキシ基又はアリールオキシ基(異種原子を含んでいてもよい)とが結合した化合物が好ましく用いられる。より具体的には、下記式(7)で表わされる構造を有するものが挙げられる。   As the hydrocarbonoxysilane compound, for example, a compound in which an alkoxy group or an aryloxy group (which may contain a different atom) is bonded to a Si atom is preferably used. More specifically, those having a structure represented by the following formula (7) can be mentioned.

Figure 0005275704
(式中、R10〜R13は互いに独立であり、異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基、及び異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数6〜10の芳香族炭化水素基からなる群から選択される官能基である。)
Figure 0005275704
(In the formula, R 10 to R 13 are independent of each other and may contain a heteroatom, preferably an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, and may contain a heteroatom, preferably a carbon number. It is a functional group selected from the group consisting of 6 to 10 aromatic hydrocarbon groups.)

上記ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アルカン化合物とは、脂肪族炭化水素基に、ケイ素原子が2つ結合し、且つ、当該ケイ素原子に、ヒドロカーボンオキシ基が3つずつ結合した化合物のことである。ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アルカン化合物としては、例えば、Si原子に、アルコキシ基又はアリールオキシ基(異種原子を含んでいてもよい)とが結合した化合物が好ましく用いられる。より具体的には、下記式(8)で表わされる構造を有するものが挙げられる。   The bis (trihydrocarbonoxysilyl) alkane compound is a compound in which two silicon atoms are bonded to an aliphatic hydrocarbon group, and three hydrocarbonoxy groups are bonded to the silicon atom. is there. As the bis (trihydrocarbonoxysilyl) alkane compound, for example, a compound in which an alkoxy group or an aryloxy group (which may contain a different atom) is bonded to an Si atom is preferably used. More specifically, those having a structure represented by the following formula (8) can be mentioned.

Figure 0005275704
(式中、R14〜R19は互いに独立であり、異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基、及び異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数6〜10の芳香族炭化水素基からなる群から選択される官能基である。また、R20は脂肪族炭化水素基であり、好ましくは、炭素数1〜9の脂肪族炭化水素基である。)
Figure 0005275704
(In the formula, R 14 to R 19 are independent of each other and may contain a heteroatom, preferably an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, and may contain a heteroatom, preferably a carbon number. A functional group selected from the group consisting of 6 to 10 aromatic hydrocarbon groups, and R 20 is an aliphatic hydrocarbon group, preferably an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 9 carbon atoms. .)

上記ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アリール化合物とは、芳香族炭化水素基に、ケイ素原子が2つ結合し、且つ、当該ケイ素原子に、ヒドロカーボンオキシ基が3つずつ結合した化合物のことである。ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アリール化合物としては、例えば、Si原子に、アルコキシ基又はアリールオキシ基(異種原子を含んでいてもよい)とが結合した化合物が好ましく用いられる。より具体的には、下記式(9)で表わされる構造を有するものが挙げられる。   The bis (trihydrocarbonoxysilyl) aryl compound is a compound in which two silicon atoms are bonded to an aromatic hydrocarbon group, and three hydrocarbonoxy groups are bonded to the silicon atom. is there. As the bis (trihydrocarbonoxysilyl) aryl compound, for example, a compound in which an alkoxy group or an aryloxy group (which may contain a different atom) is bonded to a Si atom is preferably used. More specifically, those having a structure represented by the following formula (9) can be mentioned.

Figure 0005275704
(式中、R21〜R26は互いに独立であり、異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基、及び異種原子を含んでいてもよく好ましくは炭素数6〜10の芳香族炭化水素基からなる群から選択される官能基である。また、R27は芳香族炭化水素基であり、好ましくは、炭素数6〜10の芳香族炭化水素基である。)
Figure 0005275704
(In the formula, R 21 to R 26 are independent of each other and may contain a heteroatom, preferably an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, and may contain a heteroatom, preferably a carbon number. A functional group selected from the group consisting of 6 to 10 aromatic hydrocarbon groups, and R 27 is an aromatic hydrocarbon group, preferably an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms. .)

このような構成のプロトン伝導性材料の製造方法は、前記結合剤としてSi‐O結合を有する化合物を用いることによって、前記無機微粒子と前記電解質樹脂との間にSi‐O結合の架橋が形成されたプロトン伝導性材料が得られる。   In the method for producing a proton conductive material having such a structure, a Si—O bond bridge is formed between the inorganic fine particles and the electrolyte resin by using a compound having a Si—O bond as the binder. Proton conductive material is obtained.

前記結合剤を加える量が、前記無機微粒子を加える量を100重量部としたときに、5〜40重量部であることが好ましい。これは、仮に前記結合剤を加える量が5重量部未満である場合、無機微粒子と電解質樹脂とのSi‐O結合の架橋が十分に形成されないからであり、また、仮に前記結合剤を加える量が40重量部を超える場合、前記無機微粒子表面に、前記結合剤由来の非プロトン伝導層が厚く形成され、プロトン伝導度が低下するからである。   The amount of the binder added is preferably 5 to 40 parts by weight when the amount of the inorganic fine particles added is 100 parts by weight. This is because if the amount of the binder added is less than 5 parts by weight, sufficient crosslinking of the Si—O bond between the inorganic fine particles and the electrolyte resin is not formed, and the amount of the binder added temporarily. When the amount exceeds 40 parts by weight, the binder-derived non-proton conductive layer is formed thick on the surface of the inorganic fine particles, and the proton conductivity decreases.

再重合を行う準備段階として、上述した充填・重合反応を行ったのとは別の容器に、予め結合剤を加え、さらにメタノール、エタノール等のアルコール類及び塩酸、硫酸、硝酸等の酸水溶液の混合溶媒をゆっくり滴下し、20〜60℃で3〜24時間攪拌するのが好ましい。この手順によって、結合剤を、後の再重合時に加える無機微粒子の内部及び表面に均一に分布させることができる。   As a preparatory stage for performing repolymerization, a binder is added in advance to a container different from that in which the above-described filling / polymerization reaction has been performed, and further an alcohol such as methanol and ethanol, and an aqueous acid solution such as hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid. It is preferable to slowly drop the mixed solvent and stir at 20 to 60 ° C. for 3 to 24 hours. By this procedure, the binder can be uniformly distributed inside and on the surface of the inorganic fine particles added during the subsequent repolymerization.

再重合の手順としては、上述した準備段階後の容器に、上述したポリマーが充填した無機微粒子を加え、20〜60℃、2〜24時間で攪拌した後、溶媒を減圧留去し、減圧下で80〜150℃、2〜24時間加熱処理を行う。加熱処理後、乳鉢などで均一化した後、適切な溶媒で数回洗浄を行い、減圧乾燥を60〜120℃、2〜6時間の条件で行うことで、上述した本発明のプロトン伝導性材料が得られる。   As a procedure for repolymerization, the inorganic fine particles filled with the polymer described above are added to the container after the preparation step described above, and after stirring at 20 to 60 ° C. for 2 to 24 hours, the solvent is distilled off under reduced pressure. The heat treatment is performed at 80 to 150 ° C. for 2 to 24 hours. After heat treatment, homogenized with a mortar, etc., washed several times with an appropriate solvent, and dried under reduced pressure at 60 to 120 ° C. for 2 to 6 hours, whereby the proton conductive material of the present invention described above Is obtained.

本発明によって、上述したプロトン伝導性材料が得られる。また、本発明によれば、無機微粒子とモノマーとを共に減圧下に置くという簡便な操作により、モノマーを無機微粒子の貫通孔から当該無機微粒子内部へと充填することができ、さらに、続く重合反応によりポリマーを無機微粒子中で重合することができる。また、本発明によれば、モノマー重合後にさらに結合剤を加えて再重合することによって、本発明に係るプロトン伝導性材料の特徴の一つである、無機微粒子と電解質樹脂との化学結合の架橋を容易に形成することができる。   According to the present invention, the above-described proton conductive material is obtained. In addition, according to the present invention, the monomer can be filled from the through-holes of the inorganic fine particles into the inorganic fine particles by a simple operation of placing both the inorganic fine particles and the monomer under reduced pressure, and the subsequent polymerization reaction Thus, the polymer can be polymerized in the inorganic fine particles. In addition, according to the present invention, a chemical bond cross-linking between the inorganic fine particles and the electrolyte resin, which is one of the features of the proton conductive material according to the present invention, is performed by adding a binder and repolymerizing after the monomer polymerization. Can be easily formed.

1.無機微粒子の前処理
表面上に貫通孔を有する中空状の無機微粒子としてマイクロカプセル(商品名:ワシンマイクロカプセル)10.0gを、0.1Nの塩酸200mL中に加え、1日攪拌した。その後静置してマイクロカプセルを沈殿させ、上澄み液を取り除いた。蒸留水を200mL加えてよく攪拌した後、同様に静置・上澄み液の除去を行った。このように、蒸留水の追加・攪拌・上澄み液の除去を、pH=7程度になるまで繰り返した。
最後に、残った沈殿物を、120℃、真空下の条件で6時間減圧乾燥した。
1. Pretreatment of inorganic fine particles 10.0 g of microcapsules (trade name: Washin Microcapsule) as hollow inorganic fine particles having through-holes on the surface were added to 200 mL of 0.1N hydrochloric acid and stirred for one day. Thereafter, the mixture was allowed to stand to precipitate microcapsules, and the supernatant was removed. After adding 200 mL of distilled water and stirring well, it was allowed to stand and the supernatant was removed in the same manner. Thus, addition of distilled water, stirring, and removal of the supernatant were repeated until pH = 7.
Finally, the remaining precipitate was dried under reduced pressure at 120 ° C. under vacuum for 6 hours.

2.プロトン伝導性材料の製造
[実施例1]
上述した前処理後の無機微粒子0.10g(100重量部)を、スルホン酸基を有するモノマーとして濃度30wt%の3‐(トリヒドロキシシリル)‐1‐プロパンスルホン酸溶液(Gelest製)1.54gに加えた。その後、無機微粒子に前記モノマーを充填するために減圧(100mmHg、25℃、2時間)を行った。さらに3時間減圧して、水分を除去し、減圧下で80℃、1日加熱処理を行ってモノマーの重合を行った。
次に、別のフラスコに、結合剤としてテトラエトキシシラン0.034g(34重量部)を加え、さらにエタノールと0.01Nの塩酸の1:1混合溶媒をゆっくり滴下した。室温で24時間攪拌させた後、重合後のポリマーを加え、さらに60℃で24時間攪拌した。その後溶媒を減圧留去し、減圧下で80℃、12時間加熱処理を行って再重合を行った。
その後、乳鉢を用いて均一化した後、イオン交換水で3回洗浄を行い、減圧乾燥(120℃、6時間)を行った。その結果、0.23gの白色固体である、プロトン伝導性材料を得た。
2. Production of proton conductive material [Example 1]
0.10 g (100 parts by weight) of the inorganic fine particles after the pretreatment described above are used as a monomer having a sulfonic acid group, a 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid solution (manufactured by Gelest) 1.54 g having a concentration of 30 wt%. Added to. Then, pressure reduction (100 mmHg, 25 degreeC, 2 hours) was performed in order to fill the inorganic fine particles with the monomer. The pressure was further reduced for 3 hours to remove moisture, and the monomer was polymerized by performing heat treatment at 80 ° C. for 1 day under reduced pressure.
Next, 0.034 g (34 parts by weight) of tetraethoxysilane as a binder was added to another flask, and a 1: 1 mixed solvent of ethanol and 0.01 N hydrochloric acid was slowly added dropwise. After stirring at room temperature for 24 hours, the polymerized polymer was added, and the mixture was further stirred at 60 ° C. for 24 hours. Thereafter, the solvent was distilled off under reduced pressure, and repolymerization was carried out by heating at 80 ° C. for 12 hours under reduced pressure.
Then, after homogenizing using a mortar, it wash | cleaned 3 times with ion-exchange water, and dried under reduced pressure (120 degreeC, 6 hours). As a result, 0.23 g of a proton conductive material which was a white solid was obtained.

[比較例1]
上述した前処理後の無機微粒子0.10gを、スルホン酸基を有するモノマーとして濃度30wt%の3‐(トリヒドロキシシリル)‐1‐プロパンスルホン酸溶液(Gelest製)1.54gに加えた。その後、無機微粒子に前記モノマーを充填するために減圧(100mmHg、25℃、2時間)を行った。さらに3時間減圧して、水分を除去した。続いて減圧下で80℃、12時間加熱処理を行ってモノマーの重合を行った。その後、乳鉢を用いて均一化した後、イオン交換水で3回洗浄を行い、減圧乾燥(120℃、6時間)を行った。その結果、0.36gの白色固体である、プロトン伝導性材料を得た。
[Comparative Example 1]
0.10 g of the inorganic fine particles after the pretreatment described above were added to 1.54 g of a 3- (trihydroxysilyl) -1-propanesulfonic acid solution (manufactured by Gelest) having a concentration of 30 wt% as a monomer having a sulfonic acid group. Then, pressure reduction (100 mmHg, 25 degreeC, 2 hours) was performed in order to fill the inorganic fine particles with the monomer. The pressure was further reduced for 3 hours to remove moisture. Subsequently, the monomer was polymerized by heat treatment at 80 ° C. for 12 hours under reduced pressure. Then, after homogenizing using a mortar, it wash | cleaned 3 times with ion-exchange water, and dried under reduced pressure (120 degreeC, 6 hours). As a result, 0.36 g of a proton conductive material which was a white solid was obtained.

3.プロトン伝導性材料のTGA測定とその評価
上記実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料、及び前処理後の無機微粒子(すなわち、電解質樹脂を充填する直前の粒子)に対して、TGA(Thermogravimetric analysis)測定を行った。図2は、上記実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料、並びに前処理後の無機微粒子のTGA曲線を示したグラフである。
実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料は、前処理後の無機微粒子と比較して、0〜150℃間における重量減少が少ない。この温度区間における重量減少は、水分の脱離によるものと考えられることから、実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料は、電解質樹脂を有しない無機微粒子と比較して、0〜150℃間においては水分を適度に保持していると考えられる。
また、250〜400℃間における重量減少は、スルホン酸基の脱離によるものと考えられ、さらに、400℃以上における重量減少は、有機部分の分解によるものと考えられる。したがって、実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料は、200℃まで熱的安定性を維持することができ、また、実施例1のプロトン伝導性材料は、比較例1のものと比較して、スルホン酸基の脱離及び有機部分の分解を抑制する効果が大きいことが分かった。
3. TGA measurement and evaluation of proton conductive material TGA (Thermogravimetric) with respect to the proton conductive material of Example 1 and Comparative Example 1 and the pre-treated inorganic fine particles (that is, the particles immediately before filling the electrolyte resin). analysis). FIG. 2 is a graph showing TGA curves of the proton conductive materials of Example 1 and Comparative Example 1 and inorganic fine particles after pretreatment.
The proton conductive materials of Example 1 and Comparative Example 1 have less weight loss between 0 ° C. and 150 ° C. compared to the inorganic fine particles after the pretreatment. Since it is considered that the weight loss in this temperature section is due to the desorption of moisture, the proton conductive materials of Example 1 and Comparative Example 1 have a temperature of 0 to 150 ° C. compared to inorganic fine particles not having an electrolyte resin. It is considered that moisture is moderately retained in the meantime.
Moreover, the weight reduction between 250-400 degreeC is considered to be based on detachment | desorption of a sulfonic acid group, Furthermore, the weight reduction above 400 degreeC is considered to be based on decomposition | disassembly of an organic part. Therefore, the proton conductive materials of Example 1 and Comparative Example 1 can maintain thermal stability up to 200 ° C., and the proton conductive material of Example 1 is compared with that of Comparative Example 1. Thus, it was found that the effect of suppressing the elimination of the sulfonic acid group and the decomposition of the organic portion was great.

4.プロトン伝導性材料の耐熱水性試験とその評価
上記実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料に対して、80℃の熱水に30分浸漬した後、重量を測定し、浸漬前の重量に対する重量減少率を算出した。表1は、実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料の重量減少率を示した表である。
4). Hot water resistance test of proton conductive material and its evaluation The proton conductive material of Example 1 and Comparative Example 1 was immersed in hot water at 80 ° C. for 30 minutes, and then the weight was measured. The weight loss rate was calculated. Table 1 is a table showing the weight reduction rate of the proton conductive materials of Example 1 and Comparative Example 1.

Figure 0005275704
Figure 0005275704

表1より、比較例1のプロトン伝導性材料の重量減少率が34%であったのに対して、実施例1のプロトン伝導性材料の重量減少率は26%に留まった。したがって、実施例1のプロトン伝導性材料は、比較例1のものに比べて、耐熱水性がさらに改善されたことが分かった。   From Table 1, the weight reduction rate of the proton conductive material of Comparative Example 1 was 34%, whereas the weight reduction rate of the proton conductive material of Example 1 was only 26%. Therefore, it was found that the proton conductive material of Example 1 was further improved in hot water resistance as compared with that of Comparative Example 1.

5.プロトン伝導性材料を有する電解質膜の製造
[実施例2]
ナスフラスコの中で窒素下、製膜性を向上させるための高分子の一種であるポリビニリデンフルオリド・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF‐HFP)0.10g(50重量部)をジメチルアセトアミド(DMA)1.5mLに溶解させ、実施例1で合成したプロトン伝導性材料0.10g(50重量部、平均粒径3〜5μm)を加え、窒素下室温で1日攪拌した。攪拌終了後、攪拌子を取り出し、超音波ホモジナイザーを用いて30分攪拌し、PVDF‐HFP及び実施例1のプロトン伝導性材料を溶液中で単分散させた。
単分散後の溶液をテフロン(登録商標)シャーレ上にキャストし、窒素気流下で60℃、24時間放置したところ、湿潤ゲル膜を得た。当該湿潤ゲル膜中の残留溶媒を除去するために、120℃、真空下の条件で12時間減圧乾燥したところ、半透明で柔軟性のある電解質膜0.2gを得た。
5. Production of electrolyte membrane having proton conductive material [Example 2]
Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP) 0.10 g (50 parts by weight), which is a type of polymer for improving film-forming properties, is added to dimethylacetamide (50 parts by weight) in an eggplant flask under nitrogen. (DMA) In a volume of 1.5 mL, 0.10 g (50 parts by weight, average particle size of 3 to 5 μm) of the proton conductive material synthesized in Example 1 was added and stirred at room temperature for one day under nitrogen. After completion of the stirring, the stirring bar was taken out and stirred for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer, and PVDF-HFP and the proton conductive material of Example 1 were monodispersed in the solution.
The monodispersed solution was cast on a Teflon (registered trademark) petri dish and allowed to stand under a nitrogen stream at 60 ° C. for 24 hours to obtain a wet gel film. In order to remove the residual solvent in the wet gel film, it was dried under reduced pressure for 12 hours under the condition of 120 ° C. under vacuum, and 0.2 g of a translucent and flexible electrolyte film was obtained.

[比較例2]
ナスフラスコの中で窒素下、製膜性を向上させるための高分子の一種であるPVDF‐HFP0.10g(50重量部)をジメチルアセトアミド(DMA)1.5mLに溶解させ、比較例1で合成したプロトン伝導性材料0.10g(50重量部、平均粒径3〜5μm)を加え、窒素下室温で1日攪拌した。攪拌終了後、攪拌子を取り出し、超音波ホモジナイザーを用いて30分攪拌し、PVDF‐HFP及び比較例1のプロトン伝導性材料を溶液中で単分散させた。
単分散後の溶液の処理は、上述した実施例2と同様であり、当該処理後に、半透明で柔軟性のある電解質膜0.2gを得た。
[Comparative Example 2]
In an eggplant flask under nitrogen, 0.10 g (50 parts by weight) of PVDF-HFP, which is a kind of polymer for improving the film forming property, was dissolved in 1.5 mL of dimethylacetamide (DMA) and synthesized in Comparative Example 1. 0.10 g (50 parts by weight, average particle size 3 to 5 μm) of the proton conductive material was added and stirred at room temperature for 1 day under nitrogen. After completion of the stirring, the stirring bar was taken out and stirred for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer, and PVDF-HFP and the proton conductive material of Comparative Example 1 were monodispersed in the solution.
The treatment of the monodispersed solution was the same as in Example 2 described above, and 0.2 g of a translucent and flexible electrolyte membrane was obtained after the treatment.

6.プロトン伝導性材料を有する電解質膜のプロトン伝導度測定
上記実施例2及び比較例2の電解質膜に対して、80℃の熱水に30分浸漬する熱水処理の前、及び当該熱水処理後のプロトン伝導度を測定した。表1は、実施例2及び比較例2の電解質膜のプロトン伝導度を、熱水処理前後で比較した表である。
6). Measurement of proton conductivity of electrolyte membrane having proton conductive material Before and after hydrothermal treatment, the electrolyte membranes of Example 2 and Comparative Example 2 were immersed in hot water at 80 ° C. for 30 minutes. The proton conductivity of was measured. Table 1 is a table comparing the proton conductivity of the electrolyte membranes of Example 2 and Comparative Example 2 before and after the hydrothermal treatment.

Figure 0005275704
Figure 0005275704

表2より、比較例2の電解質膜のプロトン伝導度は、熱水処理前後で大幅に変化し、したがって、比較例2の電解質膜は、耐熱水性が低いことが分かる。これに対して、実施例2の電解質膜のプロトン伝導度は、熱水処理前後でほとんど変化せず、したがって、実施例2の電解質膜は、耐熱水性が高いことが分かる。これらの結果から、実施例2の電解質膜は、比較例2のものに比べて、耐熱水性がさらに改善され、熱水処理後においても高いプロトン伝導性を保持し続けることが分かった。   From Table 2, it can be seen that the proton conductivity of the electrolyte membrane of Comparative Example 2 changes significantly before and after the hydrothermal treatment, and therefore the electrolyte membrane of Comparative Example 2 has low hot water resistance. On the other hand, the proton conductivity of the electrolyte membrane of Example 2 hardly changes before and after the hot water treatment, and thus it can be seen that the electrolyte membrane of Example 2 has high hot water resistance. From these results, it was found that the electrolyte membrane of Example 2 was further improved in hot water resistance as compared with that of Comparative Example 2, and maintained high proton conductivity even after the hydrothermal treatment.

6.まとめ
上記TGA測定及び耐熱水性試験結果より、実施例1のプロトン伝導性材料は、比較例1のプロトン伝導性材料と比べて、熱的安定性及び耐熱水性が改良されていることが分かった。また、上記プロトン伝導度測定結果より、実施例2の電解質膜は、比較例2の電解質膜と比べて、熱水処理後も高いプロトン伝導性を保持し続けることが分かった。
6). Summary From the above TGA measurement and hot water resistance test results, it was found that the proton conductive material of Example 1 had improved thermal stability and hot water resistance compared to the proton conductive material of Comparative Example 1. From the proton conductivity measurement results, it was found that the electrolyte membrane of Example 2 kept high proton conductivity even after the hot water treatment as compared with the electrolyte membrane of Comparative Example 2.

本発明の燃料電池用電解質膜に含有されるプロトン伝導性材料の典型例を示した図であり、粒子状のプロトン伝導性材料を輪切りにした図である。It is the figure which showed the typical example of the proton-conductive material contained in the electrolyte membrane for fuel cells of this invention, and is the figure which cut the particulate proton-conductive material into pieces. 実施例1及び比較例1のプロトン伝導性材料、並びに前処理後の無機微粒子のTGA曲線を示したグラフである。It is the graph which showed the TGA curve of the proton-conductive material of Example 1 and Comparative Example 1, and the inorganic fine particle after a pretreatment.

符号の説明Explanation of symbols

1…第一の電解質樹脂
2…無機微粒子
100…プロトン伝導性材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st electrolyte resin 2 ... Inorganic fine particle 100 ... Proton conductive material

Claims (9)

表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子にSi‐O骨格を有する電解質樹脂が充填され、当該無機微粒子と当該電解質樹脂とが、Si‐O結合により架橋されていることを特徴とする、プロトン伝導性材料。 Protons characterized in that hollow inorganic fine particles having through-holes on the surface are filled with an electrolyte resin having a Si-O skeleton, and the inorganic fine particles and the electrolyte resin are crosslinked by Si-O bonds. Conductive material. 前記無機微粒子がSiOである、請求項1に記載のプロトン伝導性材料。 The proton conductive material according to claim 1 , wherein the inorganic fine particles are SiO 2 . 前記無機微粒子のイオン交換容量よりも大きいイオン交換容量を有する、請求項1又は2に記載のプロトン伝導性材料。 The proton conductive material according to claim 1 or 2 , which has an ion exchange capacity larger than that of the inorganic fine particles. イオン交換容量が0.5meq/g以上である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のプロトン伝導性材料。 The proton conductive material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the ion exchange capacity is 0.5 meq / g or more. 平均粒径が0.05〜10μmである、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のプロトン伝導性材料。 The proton conductive material according to any one of claims 1 to 4 , wherein the average particle size is 0.05 to 10 µm. 前記無機微粒子のかさ密度が、当該無機微粒子の真密度の20%以下である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のプロトン伝導性材料。 The proton conductive material according to any one of claims 1 to 5 , wherein a bulk density of the inorganic fine particles is 20% or less of a true density of the inorganic fine particles. 表面に貫通孔を有する中空状の無機微粒子と、スルホン酸基を有するモノマーを混合し、減圧下で前記無機微粒子内に前記モノマーを充填した後、当該モノマーを重合し、重合後に結合剤を加えて再重合することによって、前記無機微粒子と、重合後の電解質樹脂とを、化学結合により架橋することを特徴とする、プロトン伝導性材料の製造方法。   After mixing hollow inorganic fine particles having through holes on the surface and a monomer having a sulfonic acid group, filling the monomer in the inorganic fine particles under reduced pressure, polymerizing the monomer, and adding a binder after the polymerization A method for producing a proton conductive material, wherein the inorganic fine particles and the polymerized electrolyte resin are cross-linked by chemical bonding by repolymerization. 前記結合剤として、ヒドロカーボンオキシシラン化合物、ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アルカン化合物、ビス(トリヒドロカーボンオキシシリル)アリール化合物から選ばれる少なくとも一種を用いる、請求項7に記載のプロトン伝導性材料の製造方法。 The proton conductive material according to claim 7 , wherein at least one selected from a hydrocarbonoxysilane compound, a bis (trihydrocarbonoxysilyl) alkane compound, and a bis (trihydrocarbonoxysilyl) aryl compound is used as the binder. Manufacturing method. 前記結合剤を加える量が、前記無機微粒子を加える量を100重量部としたときに、5〜40重量部である、請求項7又は8に記載のプロトン伝導性材料の製造方法。 The method for producing a proton conductive material according to claim 7 or 8 , wherein the amount of the binder added is 5 to 40 parts by weight when the amount of the inorganic fine particles added is 100 parts by weight.
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