JP5291349B2 - Proton conducting membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Proton conducting membrane, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive membrane capable of improving power generation performance while maintaining a high proton conductivity, high impact resistance, and achieving thermal cycle resistance, and high wet and dry cycle resistance, to provide a membrane-electrode assembly, and to provide a solid polymer fuel cell. <P>SOLUTION: The proton conductive membrane has: a silicon-oxygen bond structure (A) which includes a cross-linking structure by silicon-oxygen bonding; and an acid group-containing structure (B) which has a covalent bond with a silane compound and has a sulfide bond, a sulfoxide bond or a sulfone bond. Here, the acid group-containing structure (B) can be synthesized from a compound (&alpha;) containing silicon and a thiol group and a compound (&beta;) containing any of an acid group, its metal salt or an acid precursor group, and an unsaturated double bond. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性膜、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive membrane, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、発電効率が高くかつ環境特性に優れているため、近年、社会的に大きな課題となっている環境問題やエネルギー問題の解決に貢献できる次世代の発電装置として注目されている。   Since fuel cells have high power generation efficiency and excellent environmental characteristics, in recent years, fuel cells have attracted attention as next-generation power generation devices that can contribute to solving environmental problems and energy problems that have become major social issues.

燃料電池は、一般に電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、この中でも固体高分子形燃料電池(以下において、「PEFC」という。)は、他のいずれのタイプに比べても小型かつ高出力であり、小規模オンサイト型、例えば、車輌のパワーソースなどの移動体用、携帯用等の電源として次世代の主力とされている。   Fuel cells are generally classified into several types according to the type of electrolyte. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) is smaller and smaller than any other type. It is a high-output, small-scale on-site power source for the next generation as a power source for mobile objects such as a power source for vehicles and for portable use.

PEFCでは、燃料として通常、水素を用いる。水素は、PEFCのアノード側に設置された触媒によりプロトン(水素イオン)と電子に分解される。このうち、電子は、外部に供給され、電気として使用され、PEFCのカソード側へと循環される。一方、プロトンはプロトン伝導性膜(電解質膜)に供給され、プロトン伝導性膜を通じてカソード側へ移動する。カソード側では、プロトン、循環されてきた電子、および外部から導入される酸素が触媒により供給され、水が生じる。すなわち、PEFC単体で見れば、PEFCは、水素と酸素から水を作る際に電気を取り出す非常にクリーンなエネルギー源である。   In PEFC, hydrogen is usually used as a fuel. Hydrogen is decomposed into protons (hydrogen ions) and electrons by a catalyst installed on the anode side of the PEFC. Among these, electrons are supplied to the outside, used as electricity, and circulated to the cathode side of the PEFC. On the other hand, protons are supplied to the proton conductive membrane (electrolyte membrane) and move to the cathode side through the proton conductive membrane. On the cathode side, protons, circulating electrons, and oxygen introduced from the outside are supplied by the catalyst to generate water. In other words, when viewed as a single PEFC, PEFC is a very clean energy source that extracts electricity when making water from hydrogen and oxygen.

近年、燃料電池の燃料としてアルコール、エーテル、炭化水素類等の水素以外の燃料を用い、触媒によりこれらの燃料からプロトンと電子とを取り出す燃料電池も検討されている。このような燃料電池の代表例はメタノール(通常、水溶液として用いる)を燃料とする直接メタノール型燃料電池(以下において、「DMFC」という。)である。DMFCは外部改質器を必要とせず、燃料の取り扱いが容易なため、燃料電池の多様な種類のうちで小型、携帯用電源として最も期待されている。   In recent years, fuel cells that use fuels other than hydrogen such as alcohols, ethers, hydrocarbons, and the like as fuels for fuel cells and that extract protons and electrons from these fuels using a catalyst have been studied. A typical example of such a fuel cell is a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as “DMFC”) using methanol (usually used as an aqueous solution) as fuel. Since DMFC does not require an external reformer and fuel is easy to handle, it is most expected as a compact and portable power source among various types of fuel cells.

PEFCやDMFC等の燃料電池において、プロトン伝導性膜は、アノード側で生じたプロトンをカソード側へ伝導する役目を持つ。このプロトンの伝導は、電子の流れと協奏的に起こるものである。従って、燃料電池において高い出力、即ち高い電流密度を得るためには、プロトン伝導性膜を介したプロトンの伝導を充分かつ高速に行う必要がある。このように、プロトン伝導性膜は、燃料電池の性能を決めてしまうキーマテリアルといっても過言ではない。また、プロトン伝導性膜は、その他にもアノード側とカソード側との電気絶縁をする絶縁膜としての役割や、アノード側に供給される水素等の燃料がカソード側に漏れないようにする燃料バリア膜としての役割も併せ持つ。   In fuel cells such as PEFC and DMFC, the proton conductive membrane has a role of conducting protons generated on the anode side to the cathode side. This proton conduction occurs in concert with the flow of electrons. Therefore, in order to obtain a high output, that is, a high current density in the fuel cell, it is necessary to conduct protons through the proton conductive membrane sufficiently and at high speed. Thus, it is no exaggeration to say that the proton conductive membrane is a key material that determines the performance of the fuel cell. The proton conductive membrane also serves as an insulating film that electrically insulates the anode side and the cathode side, and a fuel barrier that prevents fuel such as hydrogen supplied to the anode side from leaking to the cathode side. It also has a role as a membrane.

現在、PEFCにおいて使用されている主なプロトン伝導性膜は、パーフルオロアルキレンを主骨格とし、一部にパーフルオロビニルエーテル側鎖の末端にスルホン酸基を有するフッ素系樹脂膜である。このようなスルホン化フッ素系樹脂膜としては、例えば、ナフィオン(Nafion(登録商標)膜(デュポン:Du Pont社、特許文献1参照。))、ダウ(Dow膜(ダウケミカル:Dow Chemical社、特許文献2参照。))、アシプレックス(Aciplex(登録商標)膜(旭化成工業(株)社、特許文献3参照。))、フレミオン(Flemion(登録商標)膜(旭硝子(株)社))等が知られている。   At present, the main proton conductive membrane used in PEFC is a fluororesin membrane having perfluoroalkylene as a main skeleton and partially having a sulfonic acid group at the end of a perfluorovinyl ether side chain. Examples of such a sulfonated fluororesin membrane include Nafion (Nafion (registered trademark) membrane (Du Pont: Du Pont, see Patent Document 1)), Dow (Dow Chemical: Dow Chemical, Patent). Reference 2)), Aciplex (Aciplex (registered trademark) membrane (Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., see Patent Document 3)), Flemion (Flemion (registered trademark) membrane (Asahi Glass Co., Ltd.)), etc. Are known.

これらフッ素樹脂系膜は、燃料電池が使用される湿潤状態下において、130℃ 近辺にガラス転移温度(Tg)を有しているといわれ、この温度近辺より、いわゆるクリープ現象が起こり、その結果、膜中のプロトン伝導構造が変化し、安定的なプロトン伝導性能が発揮できなくなる。さらには膜が膨潤形態に変成し、ゼリー状となって非常に破損しやすくなり、燃料電池の故障につながる。   These fluororesin-based membranes are said to have a glass transition temperature (Tg) near 130 ° C. in a wet state where the fuel cell is used, and so-called creep phenomenon occurs from around this temperature, and as a result, The proton conduction structure in the membrane changes, and stable proton conduction performance cannot be exhibited. Furthermore, the membrane is transformed into a swollen form, becomes jelly-like, and is very easily damaged, leading to a failure of the fuel cell.

以上のような理由により、現在使用されている安定的に長期使用可能な最高温度は通常80℃ とされている。   For the reasons described above, the maximum temperature that can be used stably for a long period of time is usually 80 ° C.

燃料電池は、その原理において化学反応を用いているため、高温で作動させる方が、エネルギー効率が高くなる。すなわち、同じ出力を考えれば、高温で作動可能な装置の方が、より小型で軽量にすることができる。また、高温で作動させると、その排熱をも利用することができるため、いわゆるコジェネレーション(熱電併給)が可能となり、トータルエネルギー効率は飛躍的に向上する。従って、燃料電池の作動温度は、使用するプロトン伝導性膜のガラス転移温度や熱分解温度以下ではより高い方が好適とされ、通常、100℃ 以上、特に120℃以上が好ましいとされている。   Since fuel cells use chemical reactions in principle, energy efficiency is higher when operated at high temperatures. That is, given the same output, a device that can operate at a high temperature can be made smaller and lighter. In addition, when operating at a high temperature, the exhaust heat can also be used, so that so-called cogeneration (cogeneration) is possible, and the total energy efficiency is dramatically improved. Accordingly, the operating temperature of the fuel cell is preferably higher when it is lower than the glass transition temperature or thermal decomposition temperature of the proton conductive membrane to be used, and usually 100 ° C. or higher, particularly 120 ° C. or higher is preferable.

また、供給される水素が十分に精製されていない場合、アノード側に使用されている触媒が、燃料の不純物(たとえば一酸化炭素)により活性を失う場合があり(いわゆる触媒被毒)、PEFCの寿命を左右する大きな課題となっている。この触媒被毒に関しても、高温で燃料電池を作動させることができれば回避できることが知られており、この点からも燃料電池は、より高温で作動させることが好ましいといえる。さらに、より高温での作動が可能となると、触媒自体も従来使用されている高価な白金などの貴金属の純品でなく、種々金属の合金で代替することが可能となり、コストの面、あるいは資源の面からも非常に有利である。   In addition, if the supplied hydrogen is not sufficiently purified, the catalyst used on the anode side may lose its activity due to fuel impurities (for example, carbon monoxide) (so-called catalyst poisoning). It is a big issue that affects the lifespan. It is known that this catalyst poisoning can also be avoided if the fuel cell can be operated at a high temperature. From this point, it can be said that the fuel cell is preferably operated at a higher temperature. Furthermore, if operation at higher temperatures becomes possible, the catalyst itself can be replaced with an alloy of various metals, instead of the pure expensive precious metal such as platinum that has been used in the past, in terms of cost or resources. This is also very advantageous.

以上のように、発電効率、コジェネレーション効率、コスト・資源の面など、種々の面でPEFCの高温作動、すなわちプロトン伝導性膜の高温耐熱性が望まれているにもかかわらず、十分なプロトン伝導性と耐熱性を併せ持つプロトン伝導性膜は存在していない。   As described above, despite the demand for high-temperature operation of the PEFC, that is, high-temperature heat resistance of the proton conductive membrane in various aspects such as power generation efficiency, cogeneration efficiency, cost and resources, sufficient protons are required. There is no proton conducting membrane that has both conductivity and heat resistance.

他方、水素に代えてメタノールを燃料として用いるDMFCでは、メタノールが直接膜に接することになる。現在用いられているNafion(登録商標)などのスルホン化フッ素樹脂系膜では、膜とメタノールの親和性が高く、膜がメタノールを吸収することにより極度に膨潤、場合によっては溶解し、燃料電池の故障の原因となる。また、メタノールが膨潤したプロトン伝導性膜を透過し、カソード側へ漏れ出す、いわゆるメタノールクロスオーバー(MCO)が発生し、燃料電池の出力が大きく低下してしまうという深刻な問題があった。さらに、DMFCにおいて、少ない燃料で長時間駆動を可能とするには、30重量%や64重量%といった高いメタノール濃度で使用可能なシステムが必要である。しかし、一般的なフッ素樹脂系膜では、メタノール濃度が上がるにつれクロスオーバーが増加するため、数%程度以下の濃度でしか運転することができなかった。   On the other hand, in a DMFC that uses methanol as a fuel instead of hydrogen, methanol directly contacts the membrane. In sulfonated fluororesin membranes such as Nafion (registered trademark) currently used, the affinity between the membrane and methanol is high, the membrane swells extremely due to absorption of methanol, and in some cases dissolves. It may cause failure. In addition, there has been a serious problem that the so-called methanol crossover (MCO) that permeates the proton-conductive membrane in which methanol swells and leaks to the cathode side is generated, and the output of the fuel cell is greatly reduced. Furthermore, a system that can be used at a high methanol concentration such as 30% by weight or 64% by weight is required for DMFC to be able to be driven for a long time with less fuel. However, a general fluororesin-based membrane can be operated only at a concentration of several percent or less because the crossover increases as the methanol concentration increases.

このように、DMFCにおいても、効率的かつ耐久性を有するプロトン伝導性膜が現在のところ存在していない。   As described above, even in DMFC, there is no proton conductive membrane that is efficient and durable at present.

このような背景のもと、PEFCの運転温度を上昇させるため、また、DMFCで高濃度メタノールを使用した高出力を実現させるため、スルホン化フッ素系樹脂以外の燃料用電池用解質膜についても、炭化水素系、無機系等、様々な種類の膜の開発が盛んに行われている。例えば、有機ケイ素化合物は、強い結合エネルギーを有するケイ素−酸素結合からなるために、化学的安定性、耐熱性及び耐酸化性が高く、その組成によって多くの特異な性質を付与できるため、電気、電子、事務機器、建築、食品、医療、繊維、プラスチック、紙、パルプ、塗料ゴムといったあらゆる産業分野で使用されている。この有機ケイ素化合物を利用し、ケイ素−酸素結合からなる架橋構造を有するプロトン伝導性膜が開示されている(例えば、特許文献4参照)。ケイ素−酸素結合からなる架橋構造は、プロトン伝導性膜のように、強い酸性(プロトン存在)条件下で、高温高湿にさらされる場合でも、比較的安定であり、燃料電池膜内部の架橋構造として好適に用いることができる。さらに、メタノールなどのアルコールを燃料として用いた場合でも、ケイ素−酸素架橋構造により膨潤が小さく抑えられ、MCOを小さくすることが期待できる。   Against this background, in order to increase the operating temperature of PEFC, and to achieve high output using high concentration methanol in DMFC, there are also membranes for fuel cells other than sulfonated fluororesins. Various types of membranes such as hydrocarbons and inorganics have been actively developed. For example, since an organosilicon compound is composed of a silicon-oxygen bond having a strong binding energy, it has high chemical stability, heat resistance and oxidation resistance, and can impart many unique properties depending on its composition. It is used in all industrial fields such as electronics, office equipment, architecture, food, medicine, textile, plastic, paper, pulp, and paint rubber. A proton conductive membrane using this organosilicon compound and having a crosslinked structure composed of a silicon-oxygen bond has been disclosed (for example, see Patent Document 4). The cross-linked structure composed of silicon-oxygen bonds is relatively stable even when exposed to high temperature and high humidity under strong acidic (proton presence) conditions like the proton conductive membrane, and the cross-linked structure inside the fuel cell membrane Can be suitably used. Furthermore, even when an alcohol such as methanol is used as a fuel, the silicon-oxygen cross-linking structure can suppress the swelling and can be expected to reduce the MCO.

しかしながら、膜中に含まれるケイ素−炭素結合はその周囲への分子間力が、ケイ素−酸素結合よりも若干弱く、急激な温度変化や湿度変化、急激な膨潤等の外部圧力に対する耐衝撃性が低い。そのため、燃料電池電解質膜としてある種の有機ケイ素化合物を用いた場合に、例えば、冷熱繰り返しや乾湿繰り返しにより、プロトン伝導性、燃料バリア性の性能劣化を生じさせる場合があった。
英国特許第4,330,654号公報 特開平4−366137号公報 特開平6−342665号公報 特許第3679104号公報
However, the silicon-carbon bond contained in the film is slightly weaker in intermolecular force than the silicon-oxygen bond, and has an impact resistance against external pressure such as rapid temperature change, humidity change, and rapid swelling. Low. For this reason, when a certain type of organosilicon compound is used as the fuel cell electrolyte membrane, there are cases in which, for example, performance degradation of proton conductivity and fuel barrier properties is caused by repeated cooling and drying.
British Patent No. 4,330,654 JP-A-4-366137 JP-A-6-342665 Japanese Patent No. 3679104

本発明は、高プロトン伝導性、高耐熱性を維持しつつ、高耐冷熱繰り返し性および高耐乾湿繰り返し性を実現し、発電性能を向上できるプロトン伝導性膜、膜−電極接合体および固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention provides a proton conductive membrane, a membrane-electrode assembly, and a high solids material that can achieve high cold-heat repeatability and high dry-wet repeatability while maintaining high proton conductivity and high heat resistance, and can improve power generation performance. An object is to provide a molecular fuel cell.

本願の第1の発明によれば、ケイ素−酸素結合による架橋構造を有するプロトン伝導性膜であって、該プロトン伝導性膜中に、下記の一般式で表されるケイ素−酸素結合型構造体(A)と、下記の一般式で表される酸基含有構造体(B)とを有することを特徴とする、プロトン伝導性膜が提供される。   According to the first invention of the present application, there is provided a proton conductive membrane having a crosslinked structure by silicon-oxygen bonds, and a silicon-oxygen bond type structure represented by the following general formula in the proton conductive membrane: There is provided a proton conductive membrane characterized by having (A) and an acid group-containing structure (B) represented by the following general formula.

A: (R(3−n)−Si−R−Si−X(3−n)(R
(式中、Xは−O−結合またはOH基を表し、Rは酸素原子、および炭素数1〜50のヘテロ原子を含みうる置換されていてもよい鎖状炭化水素基から選択され、Rはメチル、エチル、プロピル又はフェニル基であり、ここでn=0、1、又は2である。)
B: (R(3−m)−Si−R−Y
(式中、Xは−O−結合またはOH基を表し、Yは酸基、Rはスルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合を含む炭素数3以上の有機基を表し、ただしRの主鎖は、C−C結合またはC−S−C結合のいずれか、またはこれらの組み合わせのみからなり、Rはメチル、エチル、プロピル、又はフェニル基を表し、ここでm=0、1、又は2である。)
ここでXの酸素原子はケイ素−酸素結合の架橋形成に関与する。
A: (R 2) n X (3-n) -Si-R 1 -Si-X (3-n) (R 2) n
(Wherein X represents an —O— bond or an OH group, R 1 is selected from an oxygen atom and an optionally substituted chain hydrocarbon group that may contain a hetero atom having 1 to 50 carbon atoms; 2 is a methyl, ethyl, propyl or phenyl group, where n = 0, 1, or 2.)
B: (R 4) m X (3-m) -Si-R 3 -Y
(In the formula, X represents an —O— bond or an OH group, Y represents an acid group, R 3 represents a sulfide bond, a sulfoxide bond, or an organic group having 3 or more carbon atoms including a sulfone bond, provided that the main group of R 3 The chain consists of either a C—C bond or a C—S—C bond, or a combination thereof, and R 4 represents a methyl, ethyl, propyl, or phenyl group, where m = 0, 1, or 2)
Here, the oxygen atom of X is involved in the formation of a silicon-oxygen bond bridge.

式中のRは、(CH−S−(CH、(CH−S(=O)−(CH、(CH−SO−(CH、(CH−S−(CH、(CH−S(=O)−(CH、および(CH−SO−(CHから選択されうる。 R 3 in the formula is (CH 2 ) 3 —S— (CH 2 ) 2 , (CH 2 ) 3 —S (═O) — (CH 2 ) 2 , (CH 2 ) 3 —SO 2 — (CH 2) 2, (CH 2) 3 -S- (CH 2) 3, (CH 2) 3 -S (= O) - (CH 2) 3, and (CH 2) 3 -SO 2 - (CH 2) 3 can be selected.

式中のYは、スルホン酸基でありうる。   Y in the formula can be a sulfonic acid group.

また上記構造体Bは、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)と、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)からなる。   The structure B is composed of a compound (α) containing silicon and a thiol group, and a compound (β) containing either an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond.

式中のRは、炭素数1〜50の鎖状炭化水素基であるか、またはスルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合を含む炭素数1〜50の鎖状炭化水素基のいずれかでありうるが、ただし、Rの主鎖は、C−C結合のみまたはC−S−C結合のみのいずれか、またはC−C結合とC−S−C結合のみの組み合わせからなる。 R 1 in the formula is a chain hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms, or a chain hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms including a sulfide bond, a sulfoxide bond, or a sulfone bond. However, the main chain of R 1 consists of either a C—C bond only or a C—S—C bond alone, or a combination of a C—C bond and a C—S—C bond only.

また式中のRは、炭素数2の炭化水素基でありうる。 R 1 in the formula may be a hydrocarbon group having 2 carbon atoms.

前記プロトン伝導性膜は、前記多孔質材料により、複合強化されていてもよい。前記多孔質材料としては、ガラス繊維を用いられてよいが、これに限定されない。   The proton conductive membrane may be reinforced with the porous material. The porous material may be glass fiber, but is not limited thereto.

また上記いずれかのプロトン伝導性膜を用い、これにガス拡散電極を接合することによる、膜−電極接合体が提供される。   Further, a membrane-electrode assembly is provided by using any one of the above proton conductive membranes and bonding a gas diffusion electrode thereto.

更に前記膜−電極接合体を備える、固体高分子形燃料電池が提供される。   Furthermore, a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly is provided.

更に前記膜−電極接合体を単位セルとし、前記単位セルの外側に、燃料、酸素の通路となる一対のセパレータが設置されるとともに、隣り合う複数の前記単位セルが相互に連結されている、固体高分子形燃料電池が提供される。   Furthermore, the membrane-electrode assembly is a unit cell, a pair of separators serving as fuel and oxygen passages are installed outside the unit cell, and a plurality of adjacent unit cells are connected to each other. A polymer electrolyte fuel cell is provided.

<プロトン伝導性膜>
本発明のプロトン伝導性膜は、耐熱性の高いケイ素−酸素結合からなる架橋構造を有し、寸法安定性が高いため、燃料電池用電解質膜のように強い酸性(プロトン存在)条件下で、かつ高温時やメタノール水溶液などの極性溶媒を含んだ高湿潤時でも、高出力で耐久性に優れたプロトン伝導性膜が構成できる。また、ケイ素−酸素結合は容易に形成することができ、比較的安価であるため、燃料電池用電解質膜の組成物として好適に用いることができる。
<Proton conductive membrane>
The proton conductive membrane of the present invention has a cross-linked structure composed of a silicon-oxygen bond with high heat resistance and high dimensional stability. Therefore, under a strong acidic (proton presence) condition like an electrolyte membrane for fuel cells, In addition, a proton conductive membrane having high output and excellent durability can be formed even at high temperatures and in high humidity including a polar solvent such as an aqueous methanol solution. In addition, since the silicon-oxygen bond can be easily formed and is relatively inexpensive, it can be suitably used as a composition for an electrolyte membrane for fuel cells.

さらに、本発明のプロトン伝導性膜は、ケイ素−酸素架橋構造と、それに共有結合した酸基が、耐酸化性の高いスルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合を含む炭素数3以上の有機基により連結されているため、燃料電池内部において発生すると言われているOHラジカルによる劣化が小さく、かつ冷熱繰り返しや乾湿繰り返しによっても膜構造が破壊されにくく、耐久性の高いプロトン伝導性膜を提供できる。また、酸基含有構造体(B)を、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)と、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)により合成する方法を選択すれば、多様な材料を比較的安価に入手することができ、かつ反応も容易である。   Furthermore, the proton conductive membrane of the present invention has a silicon-oxygen cross-linking structure and an acid group covalently bonded thereto with an organic group having 3 or more carbon atoms including a sulfide, sulfoxide, or sulfone bond having high oxidation resistance. Since they are connected, deterioration due to OH radicals, which are said to occur inside the fuel cell, is small, and the membrane structure is not easily destroyed by repeated heating and cooling and drying and drying, so that a highly durable proton conductive membrane can be provided. Further, the acid group-containing structure (B) is converted into a compound (α) containing a silicon and a thiol group, a compound containing an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond ( If the method of synthesis by β) is selected, various materials can be obtained relatively inexpensively and the reaction is easy.

1.ケイ素−酸素結合型構造体(A)
本発明の実施の形態に係るプロトン伝導性膜は、架橋構造体としてケイ素−酸素結合型構造体(A)を含む。ケイ素−酸素結合型構造体(A)は、下記一般式で表される構造体である。
1. Silicon-oxygen bond structure (A)
The proton conductive membrane according to the embodiment of the present invention includes a silicon-oxygen bond type structure (A) as a crosslinked structure. The silicon-oxygen bond structure (A) is a structure represented by the following general formula.

A: (R)(3−n)−Si−R−Si−X(3−n)(R)
Xは架橋に関与する−O−結合またはOH基を表し、Rは酸素原子、および、炭素数1〜50のヘテロ原子を含みうる置換されていてもよい鎖状炭化水素基から選択され、Rはメチル、エチル、プロピルおよびフェニル基から選択され、n=0、1、又は2のいずれかである。
A: (R 2) n X (3-n) -Si-R 1 -Si-X (3-n) (R 2) n
X represents an —O— bond or an OH group involved in crosslinking, R 1 is selected from an oxygen atom and an optionally substituted chain hydrocarbon group that may contain a heteroatom having 1 to 50 carbon atoms; R 2 is selected from methyl, ethyl, propyl and phenyl groups, where n = 0, 1, or 2.

ケイ素−酸素結合型構造体(A)からなる架橋構造によって高温での軟化やメタノール水溶液による膨潤が起こりにくく、高温での運転や高濃度メタノール水溶液を燃料に用いた燃料電池を実現できる。   The cross-linked structure composed of the silicon-oxygen bond structure (A) is less likely to soften at high temperature or swell due to aqueous methanol solution, and can realize a fuel cell using high temperature operation or high concentration aqueous methanol solution as fuel.

これらの構造体を形成する架橋性前駆体は、そのまま市販されているものもあり、さらに、例えば、不飽和結合を持つ炭化水素化合物と対応するシリル化合物とのヒドロシリル化反応により、また、水酸基やアミノ基等を有する化合物とこれらの基と反応可能な官能基を有するシラン化合物との反応により合成可能である。   Some of the crosslinkable precursors forming these structures are commercially available as they are, and further, for example, by hydrosilylation reaction between a hydrocarbon compound having an unsaturated bond and the corresponding silyl compound, It can be synthesized by a reaction between a compound having an amino group or the like and a silane compound having a functional group capable of reacting with these groups.

上記の一般式で表されるように、ケイ素−酸素結合型構造体(A)は、無機物だけから構成される場合もあれば、有機化合物を複合した有機無機複合体で構成されている場合もある。有機化合物を複合する場合は、無機物のもつ耐熱性と有機物のもつ柔軟性を両方兼ね備えた燃料電池膜を形成することができる。このような化合物を有する場合には、架橋構造間の分子構造設計により柔軟性をはじめとする各膜物性の調整が可能である。燃料電池用電解質膜としての重要な特性の1つであるプロトン伝導性、燃料バリア性についても、酸基濃度、分子構造および架橋密度により制御可能となる。   As represented by the above general formula, the silicon-oxygen bond structure (A) may be composed of only an inorganic substance, or may be composed of an organic-inorganic composite in which an organic compound is combined. is there. When the organic compound is combined, a fuel cell membrane having both the heat resistance of the inorganic substance and the flexibility of the organic substance can be formed. When such a compound is contained, the physical properties of each film including flexibility can be adjusted by designing the molecular structure between the crosslinked structures. Proton conductivity and fuel barrier properties, which are important characteristics as an electrolyte membrane for fuel cells, can also be controlled by the acid group concentration, molecular structure, and crosslinking density.

ケイ素−酸素結合型構造体(A)は、原料として例えばビス(トリエトキシシリル)メタン、1,2−ビス(トリメトキシシリル)エタン、1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン、1,6−ビス(トリエトキシシリル)ヘキサン、1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン、1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタン、1,8−ビス(エチルジメトキシシリル)オクタン、1,9−ビス(トリエトキシシリル)ノナン、1,4−ビス(トリエトキシシリル)ベンゼン、1,4−ビス(トリメトキシシリルメチル)ベンゼン、ビス(トリメトキシシリルエチル)ベンゼン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシランや、n−プロピルトリメトキシシラン、i−プロピルトリメトキシシラン、n−ブチルトリメトキシシラン等のアルコキシシランを用い、これらを加水分解、重縮合させてなる架橋構造体を好ましく用いることができる。これらのうち1種類、または2種類以上を原料にして構成されて良い。また上記化合物のアルコキシ基は完全に反応していなくてもよいが、完全に反応して、O−Siを形成している方が緻密な構造となる方が、耐熱性、燃料バリア性、機械的強度の点から好ましい。また、列挙した化合物のアルコキシ基が他のアルコキシ基に置き換わったものも同様に使用できる。   For example, bis (triethoxysilyl) methane, 1,2-bis (trimethoxysilyl) ethane, 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane, 1,6 is used as a raw material for the silicon-oxygen bond structure (A). -Bis (triethoxysilyl) hexane, 1,8-bis (triethoxysilyl) octane, 1,8-bis (diethoxymethylsilyl) octane, 1,8-bis (ethyldimethoxysilyl) octane, 1,9- Bis (triethoxysilyl) nonane, 1,4-bis (triethoxysilyl) benzene, 1,4-bis (trimethoxysilylmethyl) benzene, bis (trimethoxysilylethyl) benzene, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, Tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxy Silane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, i-propyltrimethoxysilane, n-butyltri A crosslinked structure obtained by hydrolysis and polycondensation of alkoxysilane such as methoxysilane can be preferably used. Of these, one type or two or more types may be used as raw materials. In addition, the alkoxy group of the above compound may not be completely reacted, but it is more heat resistant, fuel barrier property, mechanical, more fully reacting and forming a dense structure when O-Si is formed. From the viewpoint of mechanical strength. Moreover, what substituted the alkoxy group of the enumerated compound by the other alkoxy group can be used similarly.

は酸素原子、および、炭素数1〜50のヘテロ原子を含みうる置換されていてもよい鎖状炭化水素基から選択され、柔軟性等、膜物性を制御する分子鎖であって、酸素原子の場合には緻密な架橋構造を形成し、炭素原子含有分子鎖基の場合には柔軟性、可撓性を付与できる。しかし、炭素数が50より多くなると架橋不十分であり、耐熱性や耐膨潤性が見込めなくなる。 R 1 is a molecular chain that is selected from an oxygen atom and an optionally substituted chain hydrocarbon group that can contain a hetero atom having 1 to 50 carbon atoms, and that controls film properties such as flexibility, In the case of atoms, a dense cross-linked structure is formed, and in the case of a carbon atom-containing molecular chain group, flexibility and flexibility can be imparted. However, when the number of carbon atoms exceeds 50, crosslinking is insufficient and heat resistance and swelling resistance cannot be expected.

特に好ましくは、炭化水素基が、耐酸化性が高く、好適に使用できる。炭化水素基としては、アルキレン基、含芳香族炭化水素基などが挙げられる。これらの中でも、特に好ましいのは、分岐等を有さないポリメチレン鎖からなる直鎖状分子鎖である。   Particularly preferably, a hydrocarbon group has high oxidation resistance and can be suitably used. Examples of the hydrocarbon group include an alkylene group and an aromatic hydrocarbon group. Among these, a linear molecular chain composed of a polymethylene chain having no branching is particularly preferable.

が何らかのヘテロ原子を有していてもよいが、その場合、好ましくは、Rがスルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合を含む有機基である。ただし、Rの主鎖はC−C結合のみまたはC−S−C結合のみのいずれか、またはC−C結合とC−S−C結合のみの組み合わせからなる。Rの結合は、酸や熱に対して安定である。なお、スルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合とは、それぞれ−R−S−R’−、−R”−S(=O)−R”’−、−R””−SO−R””’−で表される結合基である。ただし、R、R’、R”、R”’、R””、又はR””’は各々、アルキレン基、アリーレン基、およびアラルキレン基等から選択されたいずれかの基であり、同一であっても異なっていてもよい。スルフィド結合、及びスルホキシド結合は条件により酸化などを受けスルホン結合となる場合があるが、一旦スルホン結合となるとそれ以上の酸化を受けず、熱、酸に対しても非常に安定となる。即ち、スルフィド結合、又はスルホキシド結合であっても、そのままで十分に安定であり、酸化等のストレスによっても切断されることなく安定なスルホン結合を形成する。結果としてこれらの結合は燃料電池動作時に受ける強酸条件、酸化条件、高温条件いずれに対しても極めて安定な結合といえる。 R 1 may have any heteroatom, but in this case, R 1 is preferably an organic group containing a sulfide bond, a sulfoxide bond, or a sulfone bond. However, the main chain of R 1 is composed of either a C—C bond alone or a C—S—C bond alone, or a combination of a C—C bond and a C—S—C bond alone. The bond of R 1 is stable against acid and heat. In addition, a sulfide bond, a sulfoxide bond, or a sulfone bond refers to —R—S—R′—, —R ″ —S (═O) —R ″ ′ —, —R ″ ″ — SO 2 —R ″ ″, respectively. It is a bonding group represented by '-. Provided that R, R ′, R ″, R ″ ′, R ″ ″, or R ″ ″ ′ are any groups selected from an alkylene group, an arylene group, an aralkylene group, and the like, and are the same. Or different. The sulfide bond and the sulfoxide bond may be oxidized to form a sulfone bond depending on conditions. However, once the sulfone bond is converted to a sulfone bond, it is not further oxidized and is very stable against heat and acid. That is, even a sulfide bond or a sulfoxide bond is sufficiently stable as it is, and forms a stable sulfone bond without being cleaved by stress such as oxidation. As a result, it can be said that these bonds are extremely stable with respect to any of strong acid conditions, oxidation conditions, and high temperature conditions that are experienced during fuel cell operation.

このようなスルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合は、例えば炭素−炭素不飽和結合に対するチオール基の付加反応により容易に得ることが出来る。即ち、不飽和結合を有する材料とチオール基を有する材料を混合し、加熱するか、光などの活性光線を照射することにより容易に結合を形成することが出来る。   Such a sulfide bond, sulfoxide bond, or sulfone bond can be easily obtained by, for example, an addition reaction of a thiol group to a carbon-carbon unsaturated bond. That is, a bond can be easily formed by mixing a material having an unsaturated bond and a material having a thiol group and heating or irradiating an actinic ray such as light.

また、ケイ素−酸素結合型構造体(A)として、例えば、Gelest社等から入手可能な両末端シラノールポリジメチルシロキサン、両末端シラノールポリジフェニルシロキサン、両末端シラノールポリジメチルシロキサン−ポリジフェニルシロキサン共重合体、両末端クロルポリジメチルシロキサン、ジアセトキシメチル末端ポリジメチルシロキサン、メトキシ末端ポリジメチルシロキサン、ジメトキシメチルシリル末端ポリジメチルシロキサン、トリメトキシシリル末端ポリジメチルシロキサン、メトキシメチルシロキサン−ジメチルシロキサン共重合体等も使用できるが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Further, as the silicon-oxygen bond structure (A), for example, both-end silanol polydimethylsiloxane, both-end silanol polydiphenylsiloxane, both-end silanol polydimethylsiloxane-polydiphenylsiloxane copolymer available from Gelest Co., Ltd. , Both ends chloropolydimethylsiloxane, diacetoxymethyl-terminated polydimethylsiloxane, methoxy-terminated polydimethylsiloxane, dimethoxymethylsilyl-terminated polydimethylsiloxane, trimethoxysilyl-terminated polydimethylsiloxane, methoxymethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer, etc. However, the present invention is not limited to these.

2.酸基含有構造体(B)
プロトン伝導性膜は、膜中に酸基が高濃度に存在すること、および/または、酸基が、効率的なプロトン伝導にとって効率的に配置していることが重要となる。
2. Acid group-containing structure (B)
In the proton conductive membrane, it is important that acid groups are present in a high concentration in the membrane and / or that acid groups are efficiently arranged for efficient proton conduction.

燃料電池動作時には、アノードで生じたプロトンが膜に供給され、一方、カソードでは膜中のプロトンが消費される。プロトン伝導性膜中には、あらかじめある程度のプロトンが存在する。アノードではプロトン供給によりプロトン濃度が高まり、カソードではプロトン消費によりプロトン濃度が低くなる。このようにして膜中に生じるプロトン濃度勾配が、アノードからカソードへのプロトン拡散の駆動力である。膜中にプロトンが十分に存在しない場合は、カソード側のプロトンが不足し、安定した燃料電池作動が望めない。また、高温で軟化したり、メタノールにより膨潤したりする膜では、効率的なプロトン伝導が妨げられる場合がある。従って、安定に動作するプロトン伝導性膜を提供するためには、酸基が高濃度に存在し、かつ酸基の効率的配置が環境によって変化しにくいことが重要となる。   During fuel cell operation, protons generated at the anode are supplied to the membrane, while protons in the membrane are consumed at the cathode. Some protons are present in advance in the proton conducting membrane. At the anode, the proton concentration increases due to proton supply, and at the cathode, the proton concentration decreases due to proton consumption. The proton concentration gradient generated in the membrane in this way is the driving force for proton diffusion from the anode to the cathode. If there are not enough protons in the membrane, there will be insufficient protons on the cathode side, and stable fuel cell operation cannot be expected. In addition, in a membrane that is softened at a high temperature or swelled with methanol, efficient proton conduction may be hindered. Therefore, in order to provide a proton-conducting membrane that operates stably, it is important that the acid groups are present in a high concentration and that the efficient arrangement of the acid groups is difficult to change depending on the environment.

本発明では、ケイ素−酸素結合を有しかつ酸基を有する酸基含有構造体(B)を含むことにより、膜中に酸基が高濃度に存在しても、溶解、軟化、膨潤といった問題が生じず、膜中のプロトン濃度を上昇せしめることが可能となり、高いプロトン伝導性を安定的に発現する燃料電池を実現できる。   In the present invention, by including the acid group-containing structure (B) having a silicon-oxygen bond and having an acid group, there is a problem of dissolution, softening, and swelling even if the acid group is present in a high concentration in the film. The proton concentration in the membrane can be increased, and a fuel cell that stably exhibits high proton conductivity can be realized.

本発明における酸基含有構造体(B)は、下記一般式で表される構造体である。   The acid group-containing structure (B) in the present invention is a structure represented by the following general formula.

B: (R)(3−m)−Si−R−Y
Xは架橋に関与する−O−結合またはOH基を表し、Yは酸基、Rはスルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合を含む炭素数4以上の有機基、Rはメチル、エチル、プロピル、又はフェニル基、m=0、1、又は2のいずれか。ただし、Rの主鎖はC−C結合とC−S−C結合のみからなる。
B: (R 4) m X (3-m) -Si-R 3 -Y
X represents an —O— bond or OH group involved in crosslinking, Y represents an acid group, R 3 represents a sulfide bond, a sulfoxide bond, or an organic group having 4 or more carbon atoms including a sulfone bond, R 4 represents methyl, ethyl, Propyl or phenyl group, m = 0, 1, or 2. However, the backbone of R 3 consists only of C-C bonds and C-S-C bond.

ここで酸基Yとしては、スルホン酸、カルボン酸、リン酸、ホスホン酸、ホスフィン酸等が挙げられるが、スルホン酸基はpKa値が極めて低くプロトン伝導性付与基として特に好ましく用いることが出来る。スルホン酸基は、あらかじめスルホン酸基を有する化合物を膜中に導入することも可能であるが、例えばチオール基や、ジスルフィド基、テトラスルフィド基などのポリスルフィド基、チオアセトキシ基などの酸化によっても得ることも出来るため、分子中にチオール基、ポリスルフィド基、チオアセトキシ基等の硫化物を導入し、後に酸化することによっても形成することが出来る。このように、スルホン酸基は導入も容易であり、かつ、高い酸性度、熱安定性、耐酸化性に優れ、プロトン伝導性膜のプロトン伝導性付与基として好ましく用いることが出来る。   Examples of the acid group Y include sulfonic acid, carboxylic acid, phosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, and the like. The sulfonic acid group has a very low pKa value and can be particularly preferably used as a proton conductivity-imparting group. The sulfonic acid group can be obtained by previously introducing a compound having a sulfonic acid group into the membrane, for example, by oxidation of a thiol group, a polysulfide group such as a disulfide group or a tetrasulfide group, or a thioacetoxy group. Therefore, it can also be formed by introducing a sulfide such as a thiol group, a polysulfide group or a thioacetoxy group into the molecule and then oxidizing it. As described above, the sulfonic acid group can be easily introduced and has high acidity, thermal stability and oxidation resistance, and can be preferably used as a proton conductivity-imparting group of the proton conductive membrane.

また、Rとしては、(CH−S−(CH、(CH−S(=O)−(CH、又は(CH−SO−(CH、(CH−S−(CH、(CH−S(=O)−(CH、又は(CH−SO−(CHが好適に使用される。 As R 3 , (CH 2 ) 3 —S— (CH 2 ) 2 , (CH 2 ) 3 —S (═O) — (CH 2 ) 2 , or (CH 2 ) 3 —SO 2 — ( CH 2) 2, (CH 2 ) 3 -S- (CH 2) 3, (CH 2) 3 -S (= O) - (CH 2) 3, or (CH 2) 3 -SO 2 - (CH 2 3 is preferably used.

このようなスルフィド結合は、例えばケイ素およびチオール基を含む化合物(α)と、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)との混合物を加熱するか、光などの活性光線を照射することにより容易に結合を形成することができる。同様に不飽和二重結合を有するシラン化合物(γ)と、チオール基及び酸基を有する酸基含有化合物(δ)との混合物からも合成できる。このようにして形成されたC−S−C結合(スルフィド結合)は、酸や熱に対して安定である。また、前述のように、スルフィド結合は、条件により酸化などを受けスルホキシド結合、さらにスルホン結合となる場合があるが、一旦スルホン結合となるとそれ以上の酸化を受けず、エーテル結合やエステル結合に比べ、熱、酸に対しても非常に安定となる。   Such a sulfide bond is, for example, a compound (α) containing a silicon and a thiol group and a compound (β) containing either an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond. Bonds can be easily formed by heating the mixture or irradiating with actinic rays such as light. Similarly, it can be synthesized from a mixture of a silane compound (γ) having an unsaturated double bond and an acid group-containing compound (δ) having a thiol group and an acid group. The C—S—C bond (sulfide bond) thus formed is stable against acid and heat. In addition, as described above, sulfide bonds may undergo oxidation or the like depending on conditions to become sulfoxide bonds and further sulfone bonds. However, once a sulfone bond is formed, it does not undergo further oxidation, compared to ether bonds or ester bonds. It is very stable against heat and acid.

ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)としては、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリプロポキシシラン、3−メルカプトプロピルトリブトキシシラン、2−メルカプトエチルトリメトキシシラン、2−メルカプトエチルトリエキトキシシラン、2−メルカプトエチルトリプロポキシシラン、2−メルカプトエチルトリブトキシシラン、メルカプトメチルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジプロポキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジブトキシシラン、3−メルカプトプロピルエチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルブチルジエトキシシラン、3−メルカプトプロピルフェニルジメトキシシラン、メルカプトメチルメチルジエトキシシラン等が例示されるが、本発明はこれに限定されるものではない。   Examples of the compound (α) containing silicon and thiol group include 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltripropoxysilane, 3-mercaptopropyltributoxysilane, 2-mercaptoethyltri Methoxysilane, 2-mercaptoethyltriethoxysilane, 2-mercaptoethyltripropoxysilane, 2-mercaptoethyltributoxysilane, mercaptomethyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldiethoxysilane 3-mercaptopropylmethyldipropoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldibutoxysilane, 3-mercaptopropylethyldimethoxysilane, 3-mercaptopro Examples include pyrbutyldiethoxysilane, 3-mercaptopropylphenyldimethoxysilane, mercaptomethylmethyldiethoxysilane, and the like, but the present invention is not limited thereto.

この中でも3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)社製)が大量且つ安価に入手することができ、好ましく用いることができる。   Among these, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) can be obtained in large quantities and at low cost, and can be preferably used.

酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)としては、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、アクリル酸、メタクリル酸、ビニルリン酸、アリルリン等及びその金属塩が挙げられる。また、上記スルホン酸化合物のスルホン酸基をチオール基に置き換えた化合物も好適に使用できる。   As the compound (β) containing either an acid group, its metal salt, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond, vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, acrylic acid, methacrylic acid, vinyl phosphoric acid, allyl phosphorus, etc. And metal salts thereof. Moreover, the compound which substituted the sulfonic acid group of the said sulfonic acid compound by the thiol group can also be used conveniently.

不飽和二重結合を有するシラン化合物(γ)としては、トリメトキビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、トリメトキシアリルシラン、トリエトキシアリルシラン、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、p−スチリルトリエトキシシラン等が挙げられる。   Examples of the silane compound (γ) having an unsaturated double bond include trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, trimethoxyallylsilane, triethoxyallylsilane, trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane, p-styryltrimethoxysilane, p-styryltri. An ethoxysilane etc. are mentioned.

チオール基及び酸基を有する酸基含有化合物(δ)としては、メルカプトメタンスルホン酸、メルカプトエタンスルホン酸、メルカプトプロパンスルホン酸、メルカプトブタンスルホン酸等が挙げられる。   Examples of the acid group-containing compound (δ) having a thiol group and an acid group include mercaptomethanesulfonic acid, mercaptoethanesulfonic acid, mercaptopropanesulfonic acid, mercaptobutanesulfonic acid, and the like.

さらに、不飽和二重結合を有するシラン化合物(γ)と酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)の不飽和二重結合を下記一般式で表される化合物で連結させても本発明における酸基含有構造体(B)を得られる。   Further, an unsaturated double bond of a compound (β) having an unsaturated double bond and a silane compound (γ) having an unsaturated double bond and either an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond. Even if it connects with the compound represented by the following general formula, the acid group containing structure (B) in this invention is obtained.

HS−(CH−SH
(式中、nは1〜20の整数を表す)
ここで、上式において、2つのチオール基の間は分岐のないメチレン鎖であることが好ましい。分岐があると、燃料電池動作時の酸化条件下において、分岐部分がより酸化されやすくなり、好ましくない。また、芳香環や不飽和結合も分子鎖内に含まない方が安定性は高くなる。
HS- (CH 2) n -SH
(In the formula, n represents an integer of 1 to 20)
Here, in the above formula, a methylene chain having no branch between two thiol groups is preferable. If there is a branch, the branch portion is more likely to be oxidized under oxidizing conditions during fuel cell operation, which is not preferable. In addition, the stability is higher when neither the aromatic ring nor the unsaturated bond is contained in the molecular chain.

同様に、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)とチオール基及び酸基を有する酸基含有化合物(δ)のチオール基を下記一般式で表される化合物で連絡させてもよい。   Similarly, the thiol group of the compound (α) containing silicon and a thiol group and the thiol group of the acid group-containing compound (δ) having a thiol group and an acid group may be communicated by a compound represented by the following general formula.

CH=CH−(CH−CH=CH
(式中、nは0〜20の整数を表す)
この化合物は直鎖メチレン鎖からなり、極性基や分岐構造を有していないため、耐酸化性、耐酸性、耐熱性が良好である。具体的な化合物としては、ブタジエン、1,5−へキサジエン、1,6−ヘプタジエン、1,7−オクタジエン、1,9−デカジエン、1,13−テトラデカジエンなどが容易に入手可能である。
CH 2 = CH- (CH 2) n -CH = CH 2
(In the formula, n represents an integer of 0 to 20)
Since this compound consists of a linear methylene chain and does not have a polar group or a branched structure, it has good oxidation resistance, acid resistance, and heat resistance. As specific compounds, butadiene, 1,5-hexadiene, 1,6-heptadiene, 1,7-octadiene, 1,9-decadiene, 1,13-tetradecadiene and the like are easily available.

図1に、プロトン伝導性膜の構造の例の模式図を示す。ここでは架橋基本構造体(骨格)となるケイ素−酸素結合型構造体(A)と、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)に、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基および不飽和二重結合を含む化合物(β)を共有結合した酸基含有構造体(B)とを、少なくとも含む。   FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of the structure of a proton conductive membrane. Here, a silicon-oxygen bond type structure (A) that is a crosslinked basic structure (skeleton) and a compound (α) containing silicon and a thiol group are combined with an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an inert group. And an acid group-containing structure (B) covalently bonded to a compound (β) containing a saturated double bond.

図2(a)に、AとBの前駆体の構造例を、図2(b)にAとBがケイ素−酸素結合により連結された構造例を示す。   FIG. 2A shows a structural example of precursors of A and B, and FIG. 2B shows a structural example in which A and B are connected by a silicon-oxygen bond.

ここで、AとBとがケイ素−酸素結合により連結されていることが好ましく、このときプロトン伝導を担う酸基がより安定に存在することができる。   Here, it is preferable that A and B are connected by a silicon-oxygen bond, and at this time, an acid group responsible for proton conduction can exist more stably.

一般に、ケイ素−酸素架橋構造体は構造が剛直なため、酸基等の極性の高い部分が大量に存在すると急激な温度変動や急激な溶媒浸入などによる応力集中が起こり、構造破壊や分子鎖切断によるプロトン伝導性膜のプロトン伝導性、燃料バリア性等の性能劣化を生じさせる場合がある。   In general, silicon-oxygen crosslinked structures have a rigid structure, so if there are a large number of highly polar parts such as acid groups, stress concentration occurs due to rapid temperature fluctuations or rapid solvent intrusion, resulting in structural breakdown or molecular chain breakage. In some cases, performance degradation such as proton conductivity and fuel barrier property of the proton conductive membrane may occur due to.

本発明では、酸基とケイ素−酸素架橋構造を形成するケイ素原子との距離をRによって一定以上離すことができるため高燃料バリア性、強度等の膜の特性を保ったまま、冷熱繰り返しや乾湿繰り返しによっても膜構造が破壊されにくく、耐久性の高いプロトン伝導性膜を提供できる。 In the present invention, the distance between the acid group and the silicon atom forming the silicon-oxygen cross-linked structure can be separated by a certain amount or more by R 3 , so that while maintaining the characteristics of the film such as high fuel barrier property and strength, The membrane structure is not easily destroyed by repeated drying and drying, and a highly durable proton conductive membrane can be provided.

更に、酸基含有構造体(B)中に、有機部位を多く有することにより、プロトン伝導性膜に柔軟性が付与され、耐衝撃性が強くなる。   Furthermore, since the acid group-containing structure (B) has many organic sites, flexibility is imparted to the proton conductive membrane, and impact resistance is enhanced.

本発明に係るプロトン伝導性膜においては、酸基含有構造体(B)中の酸基の原子団は、少なくとも4つ以上の炭素結合以上の距離を介してシロキサン結合を有するケイ素と結合していることが好ましい。これにより、酸基−ケイ素結合の距離が近い場合に起こる場合がある極性溶媒の急激な侵入による膜の破壊、特性劣化を抑制することが可能となる。   In the proton conductive membrane according to the present invention, the atomic group of the acid group in the acid group-containing structure (B) is bonded to silicon having a siloxane bond via a distance of at least four or more carbon bonds. Preferably it is. Thereby, it becomes possible to suppress the destruction of the film and the deterioration of the characteristics due to the rapid penetration of the polar solvent which may occur when the acid group-silicon bond distance is short.

3.多孔質材料
プロトン伝導性膜の強度を高め、かつ含水による膨潤を抑えるために多孔性材料に含浸させて膜を形成してもよい。多孔質材料としては、ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンに代表されるフッ素樹脂、ポリイミド、ポリアリレート系液晶ポリマーなどの高分子材料が挙げられる。これらの多孔質材料で、膜厚が20〜100μm、孔径が0.05〜10μm、空孔率が60%以上である多孔質材料が用いられる。多孔質材料は、親水化処理が施されていることが好ましい。中でもポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレンからなる多孔質膜は、耐酸化性に優れ、非常に柔軟であり、比較的低コストで入手が容易であるため好適に使用できる。
3. Porous material In order to increase the strength of the proton conductive membrane and suppress swelling due to water content, the porous material may be impregnated to form a membrane. Examples of the porous material include polymer materials such as polyethylene, ultrahigh molecular weight polyethylene, polypropylene, a fluororesin typified by polytetrafluoroethylene, polyimide, and a polyarylate liquid crystal polymer. Among these porous materials, a porous material having a film thickness of 20 to 100 μm, a pore diameter of 0.05 to 10 μm, and a porosity of 60% or more is used. The porous material is preferably subjected to a hydrophilic treatment. Among them, a porous film made of polyethylene, ultrahigh molecular weight polyethylene, and polypropylene is excellent in oxidation resistance, very flexible, and can be suitably used because it is relatively easy to obtain at a low cost.

さらに好適には、ガラス繊維不織布、ガラス繊維クロスなどの無機材料は耐熱性が高く、入手が容易であるため、好適に使用できる。   More preferably, inorganic materials such as glass fiber nonwoven fabric and glass fiber cloth have high heat resistance and are easily available, and thus can be used preferably.

ガラス織布としては、平織物、あや織物、トルコ朱子織物、摸写織物、からみ織物等の織り方があるが、本発明では特に伸びの防止のために平織が好ましい。また、平織物についてプロトン伝導膜の伝導性の阻害が少なくなるためには、過度に密な織物を使用することは好ましくない。これは、密な織り目によりイオン伝導する経路を閉塞する可能性があるためである。そこで、一本おきに糸を抜いたようなより粗な織り方が好ましい。本発明では、このような織り方を目抜平織と称する。   As the glass woven fabric, there are weaves such as a plain woven fabric, a twill woven fabric, a Turkish satin woven fabric, a copying woven fabric, a leash fabric, etc. In the present invention, a plain woven fabric is particularly preferable for preventing elongation. In addition, it is not preferable to use an excessively dense woven fabric in order to reduce the inhibition of the conductivity of the proton conductive membrane with respect to the plain woven fabric. This is because the ion conduction path may be blocked by the dense texture. Therefore, a coarser weaving method in which every other yarn is pulled out is preferable. In the present invention, such a weaving method is referred to as a plain weave.

上記平織物の構造を規定するために単糸の番手、織密度( ピッチ) 等があるが、本発明のプロトン伝導膜においては、以下の範囲のものが好適である。単糸とは、ガラス繊維を50〜1000本程度集束して撚りをかけたものであり、単糸の番手をTexという。Texの単位はg/1000mであり、1000m当りの質量である。好適な番手は3〜50Texである。細いほど好ましいが、細すぎると工程上で切れやすくなるし、また、50Texを超えてもプロトン伝導膜に適した薄膜状の基材を作製しにくくなる。   In order to define the structure of the plain woven fabric, there are a single yarn count, a woven density (pitch), and the like. In the proton conductive membrane of the present invention, those in the following ranges are suitable. The single yarn is obtained by bundling about 50 to 1000 glass fibers and twisting them, and the count of the single yarn is called Tex. The unit of Tex is g / 1000 m, which is the mass per 1000 m. A suitable count is 3 to 50 Tex. Although it is preferable that it is thin, if it is too thin, it will be easy to cut in the process, and even if it exceeds 50 Tex, it becomes difficult to produce a thin film-like substrate suitable for a proton conductive membrane.

織密度は、打ち込み密度またはピッチともいわれるが、25mm幅当りの単糸の数のことをいう。織密度が粗いと補強効果が失われ、逆に密なものを作製するのは上記した単糸の細さにより限界がある。好適な織密度は40〜200本/25mm幅の範囲で選ばれる。   The weaving density is also called the driving density or pitch, and means the number of single yarns per 25 mm width. When the woven density is coarse, the reinforcing effect is lost, and on the contrary, the production of a dense one is limited by the fineness of the single yarn described above. A suitable weave density is selected in the range of 40 to 200/25 mm width.

平織物の厚みは、上記した仕様によってほぼ決定され、上記仕様での厚みは20〜100μmとなる。目付量(m2あたりの質量)は上記厚みに関係するが、通常10〜50g/m2、好ましくは15〜25g/m2の範囲で選ばれる。 The thickness of the plain woven fabric is substantially determined by the above specifications, and the thickness in the above specifications is 20 to 100 μm. The basis weight (mass per m 2 ) is related to the above thickness, but is usually 10 to 50 g / m 2 , preferably 15 to 25 g / m 2 .

ガラス繊維不織布からなるシートの場合、膜厚は10μm以上100μm以下が好ましい。特に好ましくは20μmから60μmである。空隙率は高い方が電解質を多く充填できるため好ましいが、シートの強度が低くなるので、それとの兼ね合いであり、空隙率30%以上、99%以下、より好ましくは、50%以上、95%以下である。ガラス材料は耐酸ガラスまたは耐アルカリガラスであることが好ましい。   In the case of a sheet made of a glass fiber nonwoven fabric, the film thickness is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. Particularly preferably, the thickness is 20 μm to 60 μm. A higher porosity is preferable because a larger amount of electrolyte can be filled. However, the strength of the sheet is lowered, and this is a balance with that, and the porosity is 30% or more and 99% or less, more preferably 50% or more and 95% or less. It is. The glass material is preferably acid resistant glass or alkali resistant glass.

以上、プロトン伝導膜の構成成分を挙げたが、本発明の目的を損なわない範囲内で、補強材、柔軟化剤、安定剤、着色剤、酸化防止剤、無機又は有機充填材、プロトン伝導補助剤などの他の任意成分を添加することができる。これらの添加量は、膜としての性能を低下させない限り制限はなく、また、膜材料の構造によっても、性能を低下させない添加量は大きく異なるため一概にいえないが、膜全重量のうち、添加剤の重量合計が50重量%以下であることが好ましい。   As mentioned above, the constituent components of the proton conducting membrane have been mentioned. However, the reinforcing material, the softening agent, the stabilizer, the colorant, the antioxidant, the inorganic or organic filler, the proton conduction auxiliary, within the range not impairing the object of the present invention. Other optional ingredients such as agents can be added. These addition amounts are not limited as long as the performance as a film is not deteriorated, and depending on the structure of the film material, the addition amount that does not deteriorate the performance is largely different, so it cannot be generally stated. The total weight of the agent is preferably 50% by weight or less.

<プロトン伝導性膜の製造方法>
ケイ素−酸素結合による架橋構造を含むケイ素−酸素結合型構造体(A)と、ケイ素−酸素結合と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)とを含む架橋性プロトン伝導性膜は、例えば以下に示す工程を用いることにより製造できる。以下に示す二つの製造方法は一例であり、他にも種々の製造方法により製造できることは勿論である。
<Method for producing proton conductive membrane>
Crosslinkable proton conduction comprising a silicon-oxygen bond type structure (A) containing a cross-linked structure by a silicon-oxygen bond and an acid group-containing structure (B) covalently bonded to the silicon-oxygen bond and having an acid group The conductive film can be produced, for example, by using the following steps. The following two manufacturing methods are examples, and it is needless to say that they can be manufactured by various other manufacturing methods.

a)第一の製造方法
ケイ素−酸素結合と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)の前駆体であるケイ素およびチオール基を含む化合物(α)及びスルホン酸基と不飽和二重結合を含む化合物(β)を混合し、加熱又は紫外線照射によりスルフィド結合を有する酸基含有構造体(B)および/またはその前駆体を形成する工程。酸基含有構造体(B)および/またはその前駆体と、ケイ素−酸素結合型構造体(A)および/またはその前駆体を混合する工程。前記混合液を製膜する工程。前記膜を加熱硬化する工程。
a) First production method A compound (α) containing silicon and a thiol group which is covalently bonded to a silicon-oxygen bond and which is a precursor of an acid group-containing structure (B) having an acid group, and a sulfonic acid group A step of mixing a compound (β) containing a saturated double bond and forming an acid group-containing structure (B) having a sulfide bond and / or a precursor thereof by heating or ultraviolet irradiation. A step of mixing the acid group-containing structure (B) and / or its precursor with the silicon-oxygen bond-type structure (A) and / or its precursor. Forming a film of the mixed solution; Heat curing the film.

b)第二の製造方法
ケイ素−酸素結合と共有結合し、且つ酸基を有する酸基含有構造体(B)の前駆体であるケイ素およびチオール基を含む化合物(α)及びチオール基と不飽和二重結合を含む化合物(β)を混合し、加熱又は紫外線照射によりスルフィド結合を有するチオール基含有構造体および/またはその前駆体を形成する工程。チオール基含有構造体および/またはその前駆体と、ケイ素−酸素結合型構造体(A)および/またはその前駆体を混合する工程。前記混合液を製膜する工程。前記膜を加熱硬化する工程。前記膜に含まれるチオール基を酸化する工程。
b) Second production method Compound (α) containing silicon and thiol group which is covalent bond with silicon-oxygen bond and precursor of acid group-containing structure (B) having acid group, and thiol group and unsaturated A step of mixing a compound (β) containing a double bond and forming a thiol group-containing structure having a sulfide bond and / or a precursor thereof by heating or ultraviolet irradiation. A step of mixing the thiol group-containing structure and / or its precursor with the silicon-oxygen bond type structure (A) and / or its precursor. Forming a film of the mixed solution; Heat curing the film. Oxidizing the thiol group contained in the film.

次に製造方法のうち特に重要な工程についての好適な方法例を挙げる。   Next, examples of suitable methods for particularly important steps in the production method will be given.

1.混合方法
上記混合物を調製する場合には、溶媒(C)を用いてもよい。用いる溶媒は、それぞれの材料が均一に混合可能であれば良く、特に制限はない。一般的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、t−プタノールなどのアルコール系溶媒、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサンなどのエーテル系溶媒などを好適に用いることができる。
1. Mixing method When preparing the said mixture, you may use a solvent (C). The solvent to be used is not particularly limited as long as the respective materials can be uniformly mixed. In general, water, methanol, ethanol, alcohol solvents such as 1-propanol, 2-propanol, and t-ptanol, ether solvents such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane, and the like can be preferably used.

溶媒の比率については特に制限はないが、通常、固形分濃度が90〜10重量%程度の濃度が好ましく用いることができる。   Although there is no restriction | limiting in particular about the ratio of a solvent, Usually, the density | concentration whose solid content concentration is about 90 to 10 weight% can be used preferably.

更に、後述するが、触媒(D)を混合してもよい。   Further, as described later, a catalyst (D) may be mixed.

又、溶媒として水を加える以外に、加水分解に必要な水を投入してもよい。水は、通常、加水分解性シリル基に対して等mol量加えるが、反応を加速するために多く加えても良く、又、反応を抑制するために少量加えてもよい。   In addition to adding water as a solvent, water necessary for hydrolysis may be added. Water is usually added in an equimolar amount with respect to the hydrolyzable silyl group, but may be added in a large amount to accelerate the reaction, or may be added in a small amount to suppress the reaction.

混合には、撹拌、振動など公知の方法を用いて良く、十分な混合が可能であれば特に限定されない。又、必要に応じて加熱や加圧、脱泡、脱気等を行ってもよい。   For mixing, a known method such as stirring and vibration may be used, and there is no particular limitation as long as sufficient mixing is possible. Moreover, you may perform a heating, pressurization, defoaming, deaeration, etc. as needed.

2.スルフィド結合の形成方法
スルフィド結合は、例えば炭素−炭素不飽和結合に対するチオール基の付加反応により容易に得ることが出来る。即ち、不飽和二重結合を有する材料とチオール基を有する材料を混合し、加熱または光などの活性光線の照射によって得られる。本発明では、スルフィド結合の形成とアルコキシシランの架橋反応は同時に起こってもよい。例えば、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)と、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)との混合液を、ゲル化しない条件で加熱する方法、後述の製膜後、加熱硬化時にスルフィド結合を形成させる方法等が挙げられる。また、アルコキシシランが反応しにくい条件で、アルコキシシランの加水分解・重縮合に先立ってスルフィド結合を形成させる方法が、好適に使用できる。この場合、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)と、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)との混合液に、室温以下の温度で攪拌しながら紫外線を照射する方法が、好適に使用できる。特に(β)として酸基の金属塩、または酸基前駆体基と不飽和二重結合を含む化合物が好適に使用できる。
2. Method for Forming Sulfide Bond A sulfide bond can be easily obtained by, for example, an addition reaction of a thiol group to a carbon-carbon unsaturated bond. That is, it is obtained by mixing a material having an unsaturated double bond and a material having a thiol group, and heating or irradiation with actinic rays such as light. In the present invention, the formation of a sulfide bond and the crosslinking reaction of alkoxysilane may occur simultaneously. For example, a mixture of a compound (α) containing silicon and a thiol group and a compound (β) containing either an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond is gelled. The method of heating on the conditions which do not carry out, the method of forming a sulfide bond at the time of heat-hardening after film formation mentioned later, etc. are mentioned. Further, a method of forming a sulfide bond prior to hydrolysis / polycondensation of alkoxysilane under conditions where alkoxysilane does not easily react can be suitably used. In this case, a mixture of a compound (α) containing silicon and a thiol group and an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and a compound (β) containing an unsaturated double bond at room temperature A method of irradiating ultraviolet rays while stirring at the following temperature can be preferably used. In particular, (β) is preferably a metal salt of an acid group or a compound containing an acid group precursor group and an unsaturated double bond.

紫外線照射を行う場合、紫外線の照射量、紫外線の照射時間については、紫外線の強度や架橋性化合物の種類等により適宜決定される。上記紫外線の光源としては、特に限定されず、例えば、蛍光ランプ、高圧水銀灯等の紫外線照射源として一般的なものを用いることができる。また、光源として、例えば、低圧水銀灯、キセノンランプ、メタルハライドランプ、殺菌灯、レーザー光等を使用してもよい。   In the case of performing the ultraviolet irradiation, the ultraviolet irradiation amount and the ultraviolet irradiation time are appropriately determined depending on the intensity of the ultraviolet light, the type of the crosslinkable compound, and the like. The ultraviolet light source is not particularly limited, and for example, a general ultraviolet light source such as a fluorescent lamp or a high-pressure mercury lamp can be used. Moreover, as a light source, you may use a low pressure mercury lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, a germicidal lamp, a laser beam etc., for example.

前述の通り化合物(α)と(β)の代わりに化合物(γ)と(δ)を使用した場合も、同様にスルフィド結合を形成することができる。   As described above, when compounds (γ) and (δ) are used instead of compounds (α) and (β), sulfide bonds can be formed in the same manner.

3.製膜方法
上記で作成した混合液を膜状に成形するためには、キャスト、コート、注型など、公知の方法を用いることができる。膜状に成形する方法としては、均一な膜を得ることができる方法であれば特に制限はない。膜の厚みは特に制限されないが、10μmから1mmの間の任意の厚みとなるように形成することができる。燃料電池用のプロトン伝導性膜は、プロトン伝導性、燃料バリア性、膜の機械的強度から膜厚は適宜決定され、通常、膜厚が20〜300μmのものが好ましく用いることができるため、本発明のプロトン伝導性膜の膜厚もこれに準じて製造する。
3. Film Forming Method In order to form the mixed solution prepared above into a film shape, a known method such as casting, coating, casting, or the like can be used. The method for forming the film is not particularly limited as long as a uniform film can be obtained. The thickness of the film is not particularly limited, but can be formed to have an arbitrary thickness between 10 μm and 1 mm. The proton conductive membrane for a fuel cell is appropriately determined from the proton conductivity, fuel barrier properties, and mechanical strength of the membrane, and usually a membrane having a thickness of 20 to 300 μm can be preferably used. The thickness of the proton conductive membrane of the invention is also produced according to this.

又、この成膜工程を行う際に、前述の多孔質材料、繊維、マット、フィプリルなどの支持体、補強材を添加してもよいし、又、これら支持体に含浸させてもよい。   Moreover, when performing this film-forming process, the above-mentioned porous materials, fibers, mats, fibrils and other supports and reinforcing materials may be added, or these supports may be impregnated.

含浸する方法としては、ディップ法、ポッティング法、ロールプレス法、真空プレス法など、限定されることなく、公知の方法を用いることができ、又、加熱、加圧等を行ってもよい。   The impregnation method is not limited to a dipping method, a potting method, a roll press method, a vacuum press method, or the like, and a known method may be used, and heating, pressurization, or the like may be performed.

4.加熱硬化方法
上記で成膜した膜状物に含まれる加水分解性シリル基を加水分解及び縮合、及び/又はシラノール基を縮合させることにより、ケイ素−酸素架橋構造からなる構造体を形成する。
4). Heat-curing method A hydrolyzable silyl group contained in the film-formed material formed above is hydrolyzed and condensed, and / or a silanol group is condensed to form a structure composed of a silicon-oxygen crosslinked structure.

本発明におけるプロトン伝導性膜は、アルコキシシリル基等の加水分解、縮合により、架橋構造を形成し、高温においても安定的にプロトン伝導性を発揮し、形状変化等も少ないことを特徴とする。このようなアルコキシシリル基等の加水分解、縮合によるSi−O−Si結合の生成はゾルゲル反応としてよく知られている。   The proton conductive membrane in the present invention is characterized in that a crosslinked structure is formed by hydrolysis and condensation of an alkoxysilyl group or the like, stably exhibits proton conductivity even at high temperatures, and has little shape change. Such generation of Si—O—Si bonds by hydrolysis or condensation of alkoxysilyl groups or the like is well known as a sol-gel reaction.

ゾルゲル反応においては、反応加速及び制御のために、触媒(D)が用いられるのが普通である。触媒は、通常、酸又は塩基が用いられる。   In the sol-gel reaction, the catalyst (D) is usually used for reaction acceleration and control. As the catalyst, an acid or a base is usually used.

本発明のプロトン伝導性膜の製造方法において用いる触媒(D)は、酸であっても塩基であってもよい。   The catalyst (D) used in the method for producing a proton conductive membrane of the present invention may be an acid or a base.

酸触媒を用いる場合には、塩酸、硫酸、リン酸、酢酸などのプレンステッド酸を用いる。酸の種類、濃度等は特に限定されず、入手可能な範囲のものであればよい。この中でも塩酸は反応後、酸の残留等が比較的少なく、好適に用いることができる。塩酸を用いた場合、特に濃度等には制限はないが、通常0.01〜12Nのものが用いられる。   When an acid catalyst is used, a Prinsted acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid or acetic acid is used. The type, concentration, etc. of the acid are not particularly limited as long as it is within the available range. Of these, hydrochloric acid has a relatively low acid residue after the reaction and can be suitably used. When hydrochloric acid is used, the concentration and the like are not particularly limited, but those of 0.01 to 12N are usually used.

一般的に、酸を用いた場合には加水分解と縮合が競争することにより、Si分子間で均等に反応が進行し、分岐の少ない直鎖状の架橋構造となることが知られている。   In general, it is known that when an acid is used, hydrolysis and condensation compete with each other, so that the reaction proceeds evenly between Si molecules, resulting in a linear cross-linked structure with few branches.

一方、塩基を触媒とした場合には、加水分解が一気に起こり、いったん1つのSi分子が加水分解するとその分子において集中的に反応が進行するために、分岐の多い樹状構造となることが知られている。本発明においては、膜物性を勘案していずれの方法もとることが可能である。粒子、及びその連続体の形成という特徴を際だたせるためには、塩基触媒が好ましく用いることができ、この場合には酸基含有分子(βまたはδ)を塩にしておくことが好ましい。   On the other hand, when a base is used as a catalyst, hydrolysis occurs all at once, and once a single Si molecule is hydrolyzed, the reaction proceeds intensively in that molecule, so that a dendritic structure with many branches is obtained. It has been. In the present invention, any method can be used in consideration of film physical properties. In order to highlight the characteristics of the formation of particles and their continuum, a base catalyst can be preferably used. In this case, it is preferable to salt the acid group-containing molecule (β or δ).

塩基触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができる。この中でも、残留塩が生じないアンモニアは好適に用いることができる。更に、チオール基含有化合物との相溶性等を勘案して、有機アミン類も好ましく用いることができる。   As the base catalyst, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia or the like can be used. Among these, ammonia that does not produce a residual salt can be preferably used. Furthermore, organic amines can also be preferably used in consideration of compatibility with the thiol group-containing compound.

有機アミン類は、特に制限無く用いることができるが、通常、沸点が50℃以上のものが好ましく用いられ、この範囲の入手容易な有機アミン類の具体例としては、トリエチルアミン、ジプロピルアミン、イソブチルアミン、ジエチルアミン、ジエチルエタノールアミン、トリエタノールアミン、ピリジン、ピペラジン又はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド等が挙げられ、いずれも好適に用いることができる。   Organic amines can be used without any particular limitation, but usually those having a boiling point of 50 ° C. or higher are preferably used. Specific examples of organic amines within this range that are readily available include triethylamine, dipropylamine, and isobutyl. Examples thereof include amine, diethylamine, diethylethanolamine, triethanolamine, pyridine, piperazine, and tetramethylammonium hydroxide, and any of them can be suitably used.

又、縮合触媒としてフッ化カリウム、フッ化アンモニウム、テトラメチルアンモニウムフロリド、テトラエチルアンモニウムフロリドなどフッ化物を用いても良い。   Further, fluorides such as potassium fluoride, ammonium fluoride, tetramethylammonium fluoride, and tetraethylammonium fluoride may be used as the condensation catalyst.

触媒の添加量は、任意に設定することが可能で、反応速度、膜原料との相溶性などを懸案して適宜決定する。   The addition amount of the catalyst can be arbitrarily set, and is appropriately determined taking into consideration the reaction rate, compatibility with the film material, and the like.

触媒を導入する工程は、いずれのタイミングでもよい。最も簡便なのは混合物を調製する際に導入する方法であるが、この場合には成膜におけるポットライフやセット時間を勘案する必要がある。   The timing of introducing the catalyst may be any timing. The simplest method is a method introduced when preparing the mixture. In this case, it is necessary to consider the pot life and the set time in the film formation.

縮合反応は室温でも可能であるが、反応時間を短縮し、より効率的な硬化を行うためには加熱を行う方がよい。加熱は公知の方法で良く、オーブンによる加熱やオートクレープによる加圧加熱、遠赤外線加熱、電磁誘導加熱、マイクロ波加熱などが使用できる。加熱は室温から300℃までの任意の温度で行うことができ、100〜250℃で行うことが好ましい。この際、減圧下、窒素下、あるいはアルゴン下等、不活性ガス等の元で加熱しても良い。   Although the condensation reaction can be performed at room temperature, it is preferable to perform heating in order to shorten the reaction time and perform more efficient curing. Heating may be performed by a known method, and heating by an oven, pressure heating by an autoclave, far infrared heating, electromagnetic induction heating, microwave heating, or the like can be used. Heating can be performed at any temperature from room temperature to 300 ° C., preferably 100 to 250 ° C. At this time, heating may be performed under an inert gas or the like under reduced pressure, nitrogen, or argon.

又、加熱は室温である程度時間をかけて硬化させてから、高温に徐々に昇温するなど、急激な環境変化を避ける方法を採用してもよい。   In addition, a method of avoiding a sudden environmental change, such as heating after curing for some time at room temperature and then gradually raising the temperature to a high temperature, may be employed.

又、加水分解で必要な水を補給するために水蒸気下で行っても良く、又、急激な膜の乾燥を防ぐため、溶媒蒸気下で行ってもよい。   Further, it may be carried out under steam in order to replenish water necessary for hydrolysis, and may be carried out under solvent vapor in order to prevent rapid membrane drying.

加熱硬化を経た膜は、必要に応じて水洗により未反応物や効果触媒を取り除き、更に硫酸などでイオン交換を行ってもよい。   The film that has been heat-cured may be subjected to ion exchange with sulfuric acid or the like after removing unreacted substances and effect catalysts by washing as necessary.

上記、加熱硬化工程において形成されるケイ素−酸素架橋構造からなる構造体は、粒子の連続対から構成されることが好ましい。ここでは、極性制御剤(E)を使用することで、より好適な粒子構造が形成される方法を示す。   The structure composed of a silicon-oxygen crosslinked structure formed in the heat curing step is preferably composed of a continuous pair of particles. Here, a method in which a more suitable particle structure is formed by using the polarity control agent (E) is shown.

本発明のプロトン伝導性膜においては、物質(水素イオンあるいはその水和体)が拡散、移動できることが必須であるため、膜の内部にイオンを輸送するプロトン伝導経路を形成することが好ましく、粒子の間隙がその役割を担う。   In the proton conductive membrane of the present invention, it is essential that a substance (hydrogen ion or its hydrate) can diffuse and move. Therefore, it is preferable to form a proton conduction path for transporting ions inside the membrane. The gap between them plays that role.

本発明のプロトン伝導性膜においては、この粒子及び粒子の間隙の効率的な形成のため、極性制御剤(E)を用いても良い。   In the proton conductive membrane of the present invention, a polarity control agent (E) may be used for the efficient formation of the particles and the gaps between the particles.

通常、テトラエトキシシランのような無機材料などを加水分解・縮合し、十分な加熱(例えば800℃)を行えば、ガラス状の緻密な架橋体が得られ、イオンチャネルに相当する微細孔は形成されない。このようなアルコキシシランの加水分解、縮合、ゲル化過程(sol−gel反応)は詳細に検討されており、例えばブリンカー(Brinker)らのゾルゲルサイエンス(SOL−GEL SCIENCE)(Academic press,Inc.1990)、作花の「ゾル−ゲル法の化学」(アグネ承風社、1988)等にまとめられている。sol−gel反応では粒子成長、粒子結合、緻密化が順に起こる。典型的なアルコキシシラン材料についてはそれらの詳細な解析がなされ、反応条件等も明らかになっている。   Usually, if an inorganic material such as tetraethoxysilane is hydrolyzed / condensed and heated sufficiently (for example, at 800 ° C.), a dense glassy cross-linked product is obtained, and micropores corresponding to ion channels are formed. Not. Such hydrolysis, condensation, and gelation processes (sol-gel reaction) of alkoxysilanes have been studied in detail. For example, Blinker et al. (SOL-GEL SCIENCE) (Academic Press, Inc. 1990). ), “Chemistry of Sol-Gel Method” (Agune Jofusha, 1988). In the sol-gel reaction, particle growth, particle bonding, and densification occur in this order. Detailed analysis of typical alkoxysilane materials has been made, and reaction conditions have been clarified.

本発明のプロトン伝導性膜においては、置換基を有するアルコキシシラン材料を原料とし、更に、粒子の粒径制御、粒子間の結合制御、それに伴う粒子の間隙の制御が重要であり、これを達成するために種々の検討を行った結果、極性制御剤(E)を加えることにより、粒子の連続体形成とそれに伴う粒子の間隙制御が可能であることを見いだした。   In the proton conductive membrane of the present invention, the alkoxysilane material having a substituent is used as a raw material, and further, particle size control, particle bond control, and accompanying particle gap control are important, and this is achieved. As a result of various investigations, the inventors have found that the addition of the polarity control agent (E) enables the formation of particle continuum and the accompanying particle gap control.

極性制御剤(E)は有機液体であって、水溶性であることが望ましい。水溶性であると、前述の溶媒を用いる場合、チオール基含有化合物の溶媒への溶解性を調整することが可能であり、適度な粒子の粒径、及び粒子の間隙制御が可能となる。又更に、作製後の膜から水洗にて容易に抽出できるという利点もある。   The polarity control agent (E) is an organic liquid and desirably water-soluble. When the above-mentioned solvent is used, it is possible to adjust the solubility of the thiol group-containing compound in the solvent, so that it is possible to appropriately control the particle diameter of the particles and the gap between the particles. Furthermore, there is an advantage that the membrane can be easily extracted by washing with water.

又、極性制御剤(E)は、沸点100℃以上であり、融点が25℃以上であることが好ましい。極性制御剤(E)の沸点が低すぎると、膜を形成する際に行う縮合反応時(主として加熱条件にて行う)に揮発してしまい、粒子の粒径制御、及び粒子の間隙制御が不十分になって十分な伝導度が確保できない。従って、極性制御剤(E)の沸点としては、溶媒が用いられる場合には溶媒の沸点以上であることが好ましく、特に沸点100℃以上が好ましく、より好ましくは150℃以上、更に好ましくは200℃以上である。   Moreover, it is preferable that the polarity control agent (E) has a boiling point of 100 ° C. or higher and a melting point of 25 ° C. or higher. If the boiling point of the polarity control agent (E) is too low, it will volatilize during the condensation reaction (mainly performed under heating conditions) when forming the film, and particle size control and particle gap control will not be possible. Sufficient conductivity cannot be ensured. Accordingly, the boiling point of the polarity control agent (E) is preferably not less than the boiling point of the solvent when a solvent is used, particularly preferably not less than 100 ° C., more preferably not less than 150 ° C., still more preferably 200 ° C. That's it.

又、極性制御剤(E)の分子間相互作用が大きすぎる場合には極性制御剤(E)が固化して粒子の間隙以外に大きなドメインを形成する可能性があり、この場合膜の強度が低下したり、膜の燃料ガスバリア性が低下する可能性がある。極性制御剤(E)の分子間相互作用の大きさは、融点とほぼ相関があり、融点を指標とすることができる。本発明で用いる極性制御剤(E)の融点は、25℃以下であることが好ましい。融点25℃以下であると適度な分子間相互作用が期待でき、好ましく用いることができ、より好ましくは15℃以下である。   In addition, when the intermolecular interaction of the polarity control agent (E) is too large, the polarity control agent (E) may solidify and form a large domain other than the gap between the particles. The fuel gas barrier property of the membrane may be lowered. The magnitude of the intermolecular interaction of the polarity control agent (E) is substantially correlated with the melting point, and the melting point can be used as an index. The melting point of the polarity control agent (E) used in the present invention is preferably 25 ° C. or less. When the melting point is 25 ° C. or lower, an appropriate intermolecular interaction can be expected and preferably used, and more preferably 15 ° C. or lower.

このような有機物としては、水酸基、エーテル基、アミド基、エステル基などの極性置換基を有しているもの、カルボン酸基、スルホン酸基等の酸基又はその塩を有しているもの、アミン等の塩基基又はその塩を有しているものなどが挙げられる。このうち、酸、塩基及びその塩類は、加水分解・縮合の際に触媒を用いる場合には、これら触媒との相互作用に気を付ける必要があるため、より好ましくは非イオン性のものが好ましく用いることができる。   Examples of such organic substances include those having a polar substituent such as a hydroxyl group, an ether group, an amide group, and an ester group, those having an acid group such as a carboxylic acid group and a sulfonic acid group, or salts thereof. Examples thereof include those having a base group such as amine or a salt thereof. Of these, acids, bases and salts thereof are more preferably nonionic since it is necessary to pay attention to the interaction with these catalysts when using catalysts during hydrolysis and condensation. Can be used.

具体的には、グリセリン及びその誘導体、エチレングリコール及びその誘導体、エチレングリコール重合体(ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、各種分子量のポリエチレングリコールなど)、グルコース、フルクトース、マンニット、ソルビット、スクロースなどの糖類、ペンタエリスリトールなどの多価水酸基化合物、ポリオキシアルキレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、アクリル酸などの水溶性樹脂、炭酸エチレン、炭酸プロピレン等の炭酸エステル類、ジメチルスルホキシド等のアルキル硫黄酸化物、ジメチルホルムアミド等のアミド類、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのポリオキシエチレンアルキルエーテル類、等があげられるが本発明はこれに限定されるものではない。   Specifically, glycerin and its derivatives, ethylene glycol and its derivatives, ethylene glycol polymers (diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycols of various molecular weights, etc.), glucose, fructose, mannitol, sorbit, sucrose, etc. Sugars, polyhydric hydroxyl compounds such as pentaerythritol, water-soluble resins such as polyoxyalkylene, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone and acrylic acid, carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, alkyl sulfur oxides such as dimethyl sulfoxide, Examples include amides such as dimethylformamide, and polyoxyethylene alkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, but the present invention is not limited thereto. Not.

又、これらのエチレングリコール類の末端OHの一部又は全部が、アルキルエーテルとなったエチレングリコール(モノ/ジ)アルキルエーテル類も好ましく用いることができる。この例としては、エチレングリコール類のモノメチルエーテル、ジメチルエーテル、モノエチルエーテル、ジエチルエーテル、モノプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、モノブチルエーテル、ジプチルエーテル、モノペンチルエーテル、ジペンチルエーテル、モノジシクロペンテニルエーテル、モノグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、モノフェニルエーテル、ジフェニルエーテル、モノビニルエーテルジビニルエーテルがあげられる。又、エチレングリコール類の末端OHの一部又は全部がエステルとなっていても良い。この例としては、エチレングリコール類のモノアセテート、ジアセテートがあげられる。   In addition, ethylene glycol (mono / di) alkyl ethers in which part or all of the terminal OHs of these ethylene glycols are alkyl ethers can also be preferably used. Examples of this include ethylene glycol monomethyl ether, dimethyl ether, monoethyl ether, diethyl ether, monopropyl ether, dipropyl ether, monobutyl ether, diptyl ether, monopentyl ether, dipentyl ether, monodicyclopentenyl ether, monoglycidyl. Examples include ether, diglycidyl ether, monophenyl ether, diphenyl ether, and monovinyl ether divinyl ether. Further, part or all of the terminal OH of ethylene glycol may be an ester. Examples thereof include ethylene glycol monoacetates and diacetates.

又、酸及びその塩を用いても良い場合には、酢酸、プロビオン酸、ドデシル硫酸、ドデシルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸等の酸及びその塩類があげられ、塩基及びその塩を用いても良い場合には塩化トリメチルベンジルアンモニウムなどのアンモニウム塩類、N,N−ジメチルベンジルアミン等のアミン類及びその塩類があげられる。更に、グルタミン酸ナトリウムなどのアミノ酸類などの両性イオン化合物も使用することができる。   In the case where an acid and a salt thereof may be used, an acid such as acetic acid, propionic acid, dodecyl sulfuric acid, dodecyl sulfonic acid, benzene sulfonic acid, dodecyl benzene sulfonic acid, toluene sulfonic acid, and salts thereof may be used. In addition, when salts thereof may be used, ammonium salts such as trimethylbenzylammonium chloride, amines such as N, N-dimethylbenzylamine, and salts thereof are exemplified. Furthermore, zwitterionic compounds such as amino acids such as sodium glutamate can also be used.

又、極性制御剤(E)として無機塩等も用いることは可能ではあるが、一般的に無機塩は凝集力が強く(融点が高く)、チオール基含有化合物を含む混合物に添加しても分子レベルの微細分散は困難で、大きな結晶やアモルファス固体となり、膜物物理性やガスバリア性に不利な大きな凝集体を形成する可能性が高い。   In addition, although it is possible to use an inorganic salt or the like as the polarity control agent (E), in general, an inorganic salt has a strong cohesive force (high melting point), and even if added to a mixture containing a thiol group-containing compound, Fine dispersion at a level is difficult, resulting in large crystals and amorphous solids, and there is a high possibility of forming large aggregates that are disadvantageous to film physical properties and gas barrier properties.

又、本発明においは、その他のイオン界面活性剤も好適に用いることができ、更に触媒との相互作用を勘案してアニオン、カチオン、両性の各界面活性剤なども用いることができる。   In the present invention, other ionic surfactants can be suitably used, and anionic, cationic, and amphoteric surfactants can also be used in consideration of the interaction with the catalyst.

この中でも、液状の水溶性有機物であり、チオール基含有化合物に対して適度な相溶性(あるいは適当な非相溶性)を有するポリオキシアルキレンが好ましく、その中でも特にエチレングリコールの重合体が好ましく用いることができる。   Among these, polyoxyalkylene which is a liquid water-soluble organic substance and has an appropriate compatibility (or appropriate incompatibility) with a thiol group-containing compound is preferable, and an ethylene glycol polymer is particularly preferable among them. Can do.

エチレングリコールの重合体としては、2量体(ジエチレングリコール)から各種分子量のポリエチレングリコールまで幅広く市販されており、相溶性、粘度、分子サイズなど、適宜選択可能であり、好ましく用いることができる。特に本発明においては、分子量が約100のジエチレングリコールから平均分子量600のポリエチレングリコールがより好ましく用いることができ、更に、分子量が200前後のテトラエチレングリコールあるいはポリエチレングリコールが特に好ましく用いることができる。   As the polymer of ethylene glycol, dimer (diethylene glycol) to polyethylene glycol having various molecular weights are commercially available, and compatibility, viscosity, molecular size and the like can be appropriately selected and can be preferably used. In particular, in the present invention, diethylene glycol having a molecular weight of about 100 to polyethylene glycol having an average molecular weight of 600 can be more preferably used, and tetraethylene glycol or polyethylene glycol having a molecular weight of about 200 can be particularly preferably used.

粒子、及び粒子の間隙のサイズは、チオール基含有化合物との相溶性と、溶媒や添加剤を含めた膜形成原料系全体との相溶性バランス、及び、極性制御剤(E)の分子量、及び配合量により決定される。本発明の場合、極性制御剤(F)の平均分子量と粒子の間隙の径に相関が見られ、分子量600を超えるポリエチレングリコールを用いた場合には大きな径となってガスバリア性や物性が低下したり、膜が脆くなったりし、一方、分子量100未満であると、小さな径となって、緻密な膜となりすぎて、十分な粒子の間隙が形成されない傾向がある。   The size of the particles and the gaps between the particles are the compatibility with the thiol group-containing compound, the compatibility balance with the entire film-forming raw material system including the solvent and additives, the molecular weight of the polarity control agent (E), and Determined by blending amount. In the case of the present invention, there is a correlation between the average molecular weight of the polarity control agent (F) and the diameter of the particle gap, and when polyethylene glycol having a molecular weight of more than 600 is used, the diameter becomes large and gas barrier properties and physical properties are reduced. On the other hand, if the molecular weight is less than 100, the film has a small diameter and becomes too dense, and there is a tendency that sufficient particle gaps are not formed.

なお、極性制御剤(E)の添加量は用いる極性制御剤(E)の種類や分子量、あるいは膜の構造に依存するために一概に言うことは難しいが、一般的にはチオール基含有化合物100重量部に対して3〜150重量部添加する。3重量部未満では、粒子径、及び粒子の間隙制御の効果がほとんど認められず、150重量部を超えると粒子の間隙が大きくなりすぎ、膜が脆くなったり、ガス透過が顕著になったりする可能性が高い。   The amount of the polarity control agent (E) added depends on the type and molecular weight of the polarity control agent (E) used, or the structure of the film. Add 3 to 150 parts by weight with respect to parts by weight. If the amount is less than 3 parts by weight, the effect of controlling the particle diameter and the particle gap is hardly observed. If the amount exceeds 150 parts by weight, the particle gap becomes too large, the film becomes brittle, and gas permeation becomes remarkable. Probability is high.

以上のように、本発明のプロトン伝導性膜は、極性制御剤(E)を用いることにより、粒子の間隙、即ちプロトン伝導経路の構造をオーダーメイドで設計、形成することができるため、燃料ガス透過性や膜強度などの各種膜物性とバランスの良い膜を形成することができる。これが従来のスルホン酸化フッ素樹脂膜のように、分子構造により一義的にプロトン伝導経路が決定されるものとは大きく異なる点である。   As described above, the proton conductive membrane of the present invention can be designed and formed with a custom-made structure of the gap between particles, that is, the proton conduction path, by using the polarity control agent (E). A film having a good balance with various film properties such as permeability and film strength can be formed. This is a point that is different from a conventional sulfonated fluororesin membrane in which the proton conduction path is uniquely determined by the molecular structure.

又、このように制御されたプロトン伝導経路は、高温・高湿環境下においても変形しないため、燃料電池を高温で作動させても安定した運転が可能となる。   In addition, since the proton conduction path controlled in this way does not deform even in a high temperature / high humidity environment, stable operation is possible even when the fuel cell is operated at a high temperature.

5.チオール基の酸化方法
前述したように、酸化に先立ち、膜を水洗してもよく、又更に、触媒として有機アミン類を用いた場合には、酸化に先立って、塩酸、硫酸等の酸に膜を接触させ、触媒を取り除いてもよい。
5. Oxidation method of thiol group As described above, the membrane may be washed with water prior to oxidation. Further, when an organic amine is used as a catalyst, the membrane is coated with an acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid prior to oxidation. May be contacted to remove the catalyst.

洗浄する際に用いる水は、蒸留水、イオン交換水など、金属イオンを含まないものが好ましい。水洗においては、加熱しても良く、加圧や振動を与えてより水洗を効率化してもよい。更に、膜中への浸透を促進するために、水にメタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン等を加えた混合溶剤を用いてもよい。   The water used for washing is preferably water containing no metal ions, such as distilled water or ion exchange water. In washing with water, heating may be performed, and washing with water may be made more efficient by applying pressure or vibration. Furthermore, in order to promote the penetration into the membrane, a mixed solvent in which methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, acetone, tetrahydrofuran or the like is added to water may be used.

本発明で用いるチオール基酸化方法としては、特に制限されないが、一般的な酸化剤を用いることができる。具体的には、例えば、新実験化学講座(丸善、第3版、第15巻、1976)において述べられているように、硝酸、過酸化水素、酸素、有機過酸(過カルボン酸)、臭素水、次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、過マンガン酸カリウム、クロム酸などの酸化剤を用いることができる。   The thiol group oxidation method used in the present invention is not particularly limited, but a general oxidizing agent can be used. Specifically, for example, as described in a new experimental chemistry course (Maruzen, 3rd edition, Vol. 15, 1976), nitric acid, hydrogen peroxide, oxygen, organic peracid (percarboxylic acid), bromine Oxidizing agents such as water, hypochlorite, hypobromite, potassium permanganate, and chromic acid can be used.

この中でも過酸化水素及び有機過酸(過酢酸、過安息香酸類)が比較的取り扱いが容易で酸化収率も良好であることから好適に用いることができる。   Among these, hydrogen peroxide and organic peracids (peracetic acid and perbenzoic acids) can be suitably used because they are relatively easy to handle and have a good oxidation yield.

更に、酸化により得られた膜中スルホン酸基のプロトン化のため、塩酸、硫酸等の強酸と接触させてもよい。この場合の酸濃度、浸せき時間、浸せき温度等のプロトン化条件は、膜中のスルホン酸基含有濃度、膜の多孔質度、酸との親和性などにより適宜決定される。代表例としては、1N硫酸中50℃1時間、膜を浸せきする方法などが挙げられる。   Furthermore, in order to protonate the sulfonic acid group in the membrane obtained by oxidation, it may be contacted with a strong acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid. In this case, protonation conditions such as acid concentration, immersion time, and immersion temperature are appropriately determined depending on the sulfonic acid group-containing concentration in the membrane, the porosity of the membrane, the affinity with the acid, and the like. A typical example is a method of immersing the film in 1N sulfuric acid at 50 ° C. for 1 hour.

又、酸化後の膜は水洗して、膜中の酸化剤を取り除くことが好ましい。   The oxidized film is preferably washed with water to remove the oxidizing agent in the film.

更に、酸化後の膜を塩酸、硫酸等による酸処理を行ってもよい。酸処理により、膜中の不純物や不要な金属イオンが洗い流されることが期待できる。酸処理の後、更に水洗を行うことが好ましい。   Furthermore, the oxidized film may be subjected to acid treatment with hydrochloric acid, sulfuric acid or the like. It can be expected that impurities and unnecessary metal ions in the film are washed away by the acid treatment. It is preferable to perform water washing after the acid treatment.

<評価方法>
(1)プロトン伝導性評価
本発明の製造方法により得られたプロトン伝導性膜を通例の電気化学セル(例えば特開2002−184427号公報中、図3に記載されたものと同一のもの)にセットし、プロトン伝導性膜と白金板とを密着させた。この白金板に、電気化学インピーダンス測定装置(ソーラトロン社製、1260型)を接続し、周波数0.1Hz〜100kHzの領域でインピーダンス測定し、イオン伝導性膜のプロトン伝導度を評価した。
<Evaluation method>
(1) Evaluation of proton conductivity In a conventional electrochemical cell obtained by the production method of the present invention (for example, the same as that described in FIG. 3 in JP-A-2002-184427) The proton conductive membrane and the platinum plate were brought into close contact with each other. The platinum plate was connected to an electrochemical impedance measuring device (1260 type, manufactured by Solartron), and impedance measurement was performed in a frequency range of 0.1 Hz to 100 kHz to evaluate the proton conductivity of the ion conductive membrane.

なお、上記測定では、サンプルは、電気的に絶縁された密閉容器中に支持され、水蒸気雰囲気(95〜100%RH)で、温度コントローラーによりセル温度を室温から160℃まで変化させ、140℃でのプロトン伝導度で比較評価を行った。   In the above measurement, the sample is supported in an electrically insulated sealed container, and the cell temperature is changed from room temperature to 160 ° C. with a temperature controller in a water vapor atmosphere (95 to 100% RH). Comparative evaluation was carried out by proton conductivity.

(2)形状安定性試験
本実施例で得られたプロトン伝導性膜を1辺が5cmの正方形に切断し、プレッシャークッカーにて120℃95%RHで6時間保持した後、常温にもどし、寸法変化率を測定した。
(2) Shape stability test The proton conductive membrane obtained in this example was cut into a square having a side of 5 cm, held in a pressure cooker at 120 ° C. and 95% RH for 6 hours, and then returned to room temperature. The rate of change was measured.

(3)耐衝撃性試験
本実施例で得られたプロトン伝導性膜を1辺が5cmの正方形に切断し、真空オーブンを用いて50℃にて3時間乾燥し、次に80℃熱水に浸漬し、3時間放置した。その膜を充分に水洗した後、ガス拡散電極(米国E−TEK社製、面積が2.5×2.5cm、白金担持量が0.5mg/cm2)で挟み込み、これをエレクトロケム(Electrochem)社製単セル(膜面積5.25cm2)に導入して単セル燃料電池を作製した。アノード側に水素、カソード側に酸素を導入し、出力に電子負荷を接続して、0〜120℃で、電圧−電流曲線を測定した。
(3) Impact resistance test The proton conductive membrane obtained in this example was cut into a square having a side of 5 cm, dried at 50 ° C. for 3 hours using a vacuum oven, and then heated to 80 ° C. hot water. Immersion and let stand for 3 hours. The membrane was sufficiently washed with water, and sandwiched between gas diffusion electrodes (E-TEK, USA, area 2.5 × 2.5 cm, platinum loading 0.5 mg / cm 2 ), and this was electrochem (Electrochem). ) Was introduced into a single cell (membrane area: 5.25 cm 2 ) manufactured by the company to produce a single cell fuel cell. Hydrogen was introduced into the anode side, oxygen was introduced into the cathode side, an electronic load was connected to the output, and a voltage-current curve was measured at 0 to 120 ° C.

なお、測定時にはバブラーを用いて水素を加湿し、湿度は95%RHとした。バブラー温度を変化させて湿度を調整し、低湿度の測定としては60%RHを採用した。60%RHでの発電時のOCVから耐衝撃性を評価した。120℃の測定においては加圧を行った。なお、いずれの膜でも耐衝撃性試験前の発電時OCVは0.9V以上であった。   During measurement, hydrogen was humidified using a bubbler, and the humidity was 95% RH. The humidity was adjusted by changing the bubbler temperature, and 60% RH was adopted as the low humidity measurement. The impact resistance was evaluated from the OCV during power generation at 60% RH. In the measurement at 120 ° C., pressurization was performed. In any film, the OCV during power generation before the impact resistance test was 0.9 V or more.

(実施例1)
3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン0.6g、アリルスルホン酸ナトリウム0.40gとイソプロパノール1.5g、水1.32gとを混合した液を調整した。この液を攪拌しながら約25℃で波長が254μm、610μW/cmの紫外線を液表面に1時間照射した。この液と、1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタン(Gelest社製)0.90g、イソプロパノール1.5g、1N塩酸0.30gの混合液を数分間撹拌した液とを混合し、さらに数分間攪拌した。
Example 1
A liquid prepared by mixing 0.6 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 0.40 g of sodium allylsulfonate, 1.5 g of isopropanol, and 1.32 g of water was prepared. While stirring this liquid, the surface of the liquid was irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 254 μm and 610 μW / cm 2 at about 25 ° C. for 1 hour. This liquid was mixed with 0.98 g of 1,8-bis (diethoxymethylsilyl) octane (manufactured by Gelest), 1.5 g of isopropanol, and a liquid obtained by stirring 0.30 g of 1N hydrochloric acid for several minutes. Stir for several minutes.

その後、内径8.4cmのポリスチレンシャーレ(山本製作所製)にそそぎ込み、室温(20℃)にて15時間、80℃飽和水蒸気下にて10時間加熱し、更に100℃ オーブンにて加熱して、透明で可撓性のある膜を得た。評価、測定前に、10%硫酸に浸漬し、さらに精製水により数回洗浄した。膜の評価結果等を表1に示す。   Then, it was poured into a polystyrene petri dish (manufactured by Yamamoto Seisakusho) with an inner diameter of 8.4 cm, heated at room temperature (20 ° C.) for 15 hours, under 80 ° C. saturated steam for 10 hours, and further heated in a 100 ° C. oven, A transparent and flexible film was obtained. Before evaluation and measurement, the sample was immersed in 10% sulfuric acid and further washed several times with purified water. The evaluation results of the film are shown in Table 1.

(実施例2)
厚さ50μmのガラス繊維目抜平織「WEA05E(日東紡績社製)」をあらかじめシランカップリング剤であるトリヒドロキシシリルプロパンスルホン酸(Gelest社製)の水溶液に1時間浸し、水溶液を含んだ状態のまま80℃のオーブンで12時間加熱した。得られた乾燥ガラス繊維を2時間水洗し、余剰のシランカップリング剤を除去した。
(Example 2)
A 50 μm-thick glass fiber mesh plain weave “WEA05E” (manufactured by Nitto Boseki Co., Ltd.) is immersed in an aqueous solution of trihydroxysilylpropane sulfonic acid (manufactured by Gelest), which is a silane coupling agent, for 1 hour in advance. The mixture was heated in an oven at 80 ° C. for 12 hours. The obtained dry glass fiber was washed with water for 2 hours to remove excess silane coupling agent.

次に、実施例1で作製した混合液を攪拌後、テフロン(登録商標)シート上においた上記の表面処理ガラス繊維目抜平織にロールを用いて含浸した。含浸量は50g/m2 に調整し、ロール含浸は2回行った。その上に別のテフロン(登録商標)シートをかぶせ、二枚のガラス板で挟んだ状態で、室温(20℃)にて15時間養生した。その後の処理は実施例1と同様にして膜を得た。膜は引っ張りや強度の繰り返し曲げによっても破断がなかった。膜の評価結果等を表1に示す。 Next, after stirring the mixed solution prepared in Example 1, the surface-treated glass fiber mesh plain weave placed on a Teflon (registered trademark) sheet was impregnated using a roll. The impregnation amount was adjusted to 50 g / m 2 and roll impregnation was performed twice. Another Teflon (registered trademark) sheet was placed thereon, and the sheet was cured at room temperature (20 ° C.) for 15 hours while being sandwiched between two glass plates. Subsequent treatment was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a film. The film did not break even when pulled or repeatedly bent. The evaluation results of the film are shown in Table 1.

(実施例3)
実施例2において1,8−ビス(ジエトキシメチルシリル)オクタンの代わりに1,2−ビス(トリエトキシシリル)エタン(Gelest社製)0.9gを使用した以外は同様に膜を作製した。膜の評価結果等を表1に示す。
(Example 3)
A membrane was prepared in the same manner as in Example 2, except that 0.9 g of 1,2-bis (triethoxysilyl) ethane (manufactured by Gelest) was used instead of 1,8-bis (diethoxymethylsilyl) octane. The evaluation results of the film are shown in Table 1.

(比較例1)
1,8−ビス(トリエトキシシリル)オクタン(Gelest社製)0.50g、テトラエトキシラン0.50g をイソプロパノール1.5gに溶解した。3−(トリヒドロキシシリル)プロパンスルホン酸33%水溶液1.8gにイソプロパノール1.5gを加えた。この両者を併せ、数分間撹拌した。
(Comparative Example 1)
0.50 g of 1,8-bis (triethoxysilyl) octane (manufactured by Gelest) and 0.50 g of tetraethoxylane were dissolved in 1.5 g of isopropanol. To 1.8 g of 33% aqueous solution of 3- (trihydroxysilyl) propanesulfonic acid, 1.5 g of isopropanol was added. Both were combined and stirred for several minutes.

その後、実施例1と同じ方法にて透明で硬質な膜を得た。   Thereafter, a transparent and hard film was obtained in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
市販のPEFC用電解質膜であるNafion117膜をそのまま使用した。
(Comparative Example 2)
A commercially available Nafion 117 membrane, which is an electrolyte membrane for PEFC, was used as it was.

以下に、得られた実施例及び比較例の配合概略を示す。   Below, the outline | summary of a mixing | blending of the obtained Example and a comparative example is shown.

(実施例1):本願発明の基本的なプロトン伝導性膜
(実施例2):実施例1の膜を、ガラス繊維により複合強化したもの
(実施例3):構造体(A)のRがCHCHの場合のガラス繊維複合強化膜
(比較例1):構造体(B)としてケイ素とスルホン酸基の硫黄とが炭素数3以下の炭化水素基で連結された構造体からなる多孔質膜強化膜
(比較例2):従来の代表的なフッ素系スルホン酸(ここではNafion117)膜
得られた結果を以下の表1に示す。

Figure 0005291349
(Example 1): Basic proton conductive membrane of the present invention (Example 2): Composite membrane reinforced with the membrane of Example 1 (Example 3): R 1 of the structure (A) Glass fiber composite reinforced membrane when CH is CH 2 CH 2 (Comparative Example 1): As a structure (B), it is composed of a structure in which silicon and sulfur of a sulfonic acid group are linked by a hydrocarbon group having 3 or less carbon atoms. Porous membrane reinforced membrane (Comparative Example 2): Conventional typical fluorinated sulfonic acid (here, Nafion 117) membrane The results obtained are shown in Table 1 below.
Figure 0005291349

前記実施例1、2、3と比較例1、2との比較から、本発明によれば、高温下でも高いプロトン伝導性と寸法安定性を持ち、さらに乾湿繰り返しや冷熱繰り返しのような環境変化を受けてもOCVが低下しないことがわかった。これにより膜にクラックの発生や、酸成分の脱落が起こらず、安定した発電性能を発現することが示された。   From the comparison between Examples 1, 2, and 3 and Comparative Examples 1 and 2, according to the present invention, it has high proton conductivity and dimensional stability even at high temperatures, and further changes in the environment such as repeated wet and dry cycles and repeated cold and hot cycles. It was found that the OCV did not decrease even when receiving. As a result, it was shown that the generation of cracks in the film and the removal of the acid component did not occur, and stable power generation performance was exhibited.

また、前記実施の形態では、水素と酸素による発電の場合について説明したが、酸素の代わりに空気を用いた場合や、燃料としてメタノール水溶液を用いた場合にも適用可能である。   In the above-described embodiment, the case of power generation using hydrogen and oxygen has been described. However, the present invention can also be applied to the case where air is used instead of oxygen or a methanol aqueous solution is used as fuel.

本実施形態に係るプロトン伝導性膜のイメージ構造例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the image structural example of the proton conductive film | membrane which concerns on this embodiment. 図2(a)は、本実施形態に係るプロトン伝導性膜作製前の各成分の構造図、図2(b)は、プロトン伝導性膜作成後の結合状態の一例(実施例1)を示す構造図である。FIG. 2A is a structural diagram of each component before producing the proton conductive membrane according to the present embodiment, and FIG. 2B shows an example of a bonded state after producing the proton conductive membrane (Example 1). FIG.

Claims (10)

ケイ素−酸素結合による架橋構造を有するプロトン伝導性膜であって、該プロトン伝導性膜中に、下記の一般式で表されるケイ素−酸素結合型構造体(A)と、下記の一般式で表される酸基含有構造体(B)とを、有し、
該ケイ素−酸素結合による架橋構造は、該ケイ素−酸素結合型構造体(A)の置換基Xと、酸基含有構造体(B)の置換基Xとが、加水分解及び縮合、又は縮合することにより形成された構造であることを特徴とするプロトン伝導性膜。
A: (R2)(3−n)−Si−R−Si−X(3−n)(R)
(式中、Xは−O−結合またはOH基を表し、Rは酸素原子、および、炭素数1〜50のヘテロ原子を含みうる置換されていてもよい鎖状炭化水素基から選択され、Rはメチル、エチル、プロピルおよびフェニル基から選択され、n=0、1、又は2のいずれかである。)
B: (R)m(3−m)−Si−R−Y
(式中、Xは−O−結合またはOH基を表し、Yは酸基であり、Rはスルフィド結合、スルホキシド結合、およびスルホン結合を含む炭素数3以上の有機基から選択され、ただしRの主鎖は、C−C結合またはC−S−C結合のいずれか、またはこれらの組み合わせのみからなり、Rはメチル、エチル、プロピル、およびフェニル基から選択され、m=0、1、又は2のいずれかである。)
A proton conductive membrane having a crosslinked structure by a silicon-oxygen bond, wherein the proton conductive membrane includes a silicon-oxygen bond type structure (A) represented by the following general formula, and the following general formula: acid group-containing structure represented and (B), possess,
In the crosslinked structure by the silicon-oxygen bond, the substituent X of the silicon-oxygen bond structure (A) and the substituent X of the acid group-containing structure (B) are hydrolyzed and condensed or condensed. proton conducting membrane, wherein the structure der Rukoto formed by.
A: (R 2) n X (3-n) -Si-R 1 -Si-X (3-n) (R 2) n
(Wherein X represents an —O— bond or an OH group, R 1 is selected from an oxygen atom and an optionally substituted chain hydrocarbon group which may contain a hetero atom having 1 to 50 carbon atoms; R 2 is selected from methyl, ethyl, propyl and phenyl groups, where n = 0, 1, or 2.)
B: (R 4) m X (3-m) -Si-R 3 -Y
(In the formula, X represents an —O— bond or an OH group, Y represents an acid group, R 3 is selected from a sulfide bond, a sulfoxide bond, and an organic group having 3 or more carbon atoms including a sulfone bond, provided that R The main chain of 3 consists of either a C—C bond or a C—S—C bond, or a combination thereof, R 4 is selected from methyl, ethyl, propyl, and phenyl groups, and m = 0, Or 2)
は、(CH−S−(CH、(CH−S(=O)−(CH、(CH−SO−(CH、(CH−S−(CH、(CH−S(=O)−(CH、および(CH−SO−(CHから選択される、請求項1に記載のプロトン伝導性膜。 R 3 is (CH 2 ) 3 —S— (CH 2 ) 2 , (CH 2 ) 3 —S (═O) — (CH 2 ) 2 , (CH 2 ) 3 —SO 2 — (CH 2 ) 2. , (CH 2 ) 3 —S— (CH 2 ) 3 , (CH 2 ) 3 —S (═O) — (CH 2 ) 3 , and (CH 2 ) 3 —SO 2 — (CH 2 ) 3 The proton conductive membrane according to claim 1, wherein Yがスルホン酸基である、請求項1または2に記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to claim 1 or 2, wherein Y is a sulfonic acid group. 構造体(B)は、ケイ素およびチオール基を含む化合物(α)と、酸基、その金属塩、または酸基前駆体基のいずれかおよび不飽和二重結合を含む化合物(β)から合成される、請求項1〜3のいずれかに記載のプロトン伝導性膜。   The structure (B) is synthesized from a compound (α) containing a silicon and thiol group and a compound (β) containing either an acid group, a metal salt thereof, or an acid group precursor group and an unsaturated double bond. The proton conductive membrane according to claim 1. は、炭素数1〜50の鎖状炭化水素基であるか、または、スルフィド結合、スルホキシド結合、又はスルホン結合を含む炭素数1〜50の鎖状炭化水素基であり、ただし、Rの主鎖は、C−C結合のみまたはC−S−C結合のみのいずれか、またはC−C結合とC−S−C結合のみの組み合わせからなる、請求項1〜4のいずれかに記載のプロトン伝導性膜。 R 1 is a chain hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms, or a chain hydrocarbon group having 1 to 50 carbon atoms including a sulfide bond, a sulfoxide bond, or a sulfone bond, provided that R 1 The main chain consists of either a C—C bond alone or a C—S—C bond alone, or a combination of a C—C bond and a C—S—C bond alone. Proton conducting membrane. は炭素数2の炭化水素基である、請求項5に記載のプロトン伝導性膜。 The proton conductive membrane according to claim 5, wherein R 1 is a hydrocarbon group having 2 carbon atoms. 多孔質材料により複合強化されている、請求項1〜6のいずれかに記載のプロトン伝導性膜。   The proton conductive membrane according to any one of claims 1 to 6, which is composite-reinforced with a porous material. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性膜に、ガス拡散電極が接合されていることを特徴とする膜−電極接合体。   A membrane-electrode assembly, wherein a gas diffusion electrode is joined to the proton conducting membrane according to any one of claims 1 to 7. 請求項8に記載の膜−電極接合体を備えることを特徴とする、固体高分子形燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 8. 請求項8に記載の膜−電極接合体を単位セルとして、前記単位セルの外側に、燃料、酸素の通路となる一対のセパレータが設置されるとともに、隣り合う複数の前記単位セルが相互に連結されていることを特徴とする、固体高分子形燃料電池。   The membrane-electrode assembly according to claim 8 is used as a unit cell, and a pair of separators serving as fuel and oxygen passages are installed outside the unit cell, and a plurality of adjacent unit cells are connected to each other. A solid polymer fuel cell, characterized in that:
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