JP6156982B2 - Method for producing solid polymer electrolyte, solid polymer electrolyte, ionic conductor, and membrane electrode assembly - Google Patents

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本開示の技術は、電池の電解質として用いられる固体高分子電解質、イオン伝導体、この固体高分子電解質を備える膜電極接合体、及び、この固体高分子電解質の製造方法に関する。   The technology of the present disclosure relates to a solid polymer electrolyte used as a battery electrolyte, an ion conductor, a membrane electrode assembly including the solid polymer electrolyte, and a method for producing the solid polymer electrolyte.

近年、環境負荷物質を含むガスの放出を削減できる動力源として、固体高分子形燃料電池の研究開発が進められている。固体高分子形燃料電池では、電解質となる固体高分子電解質膜中をプロトンが伝導されることによって、電力を生み出す化学反応が進行する。現在まで、こうした固体高分子電解質膜としては、デュポン社製のナフィオン(登録商標)を始めとするフッ素系の電解質膜が主に用いられている。しかしながら、フッ素系電解質膜は、その合成経路が複雑であるため、製造にかかるコストが高くならざるを得ない。そこで、比較的安価に製造が可能な固体高分子電解質膜として、例えば特許文献1や非特許文献1に記載のように、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーとを用いた電解質膜が提案されている。   In recent years, solid polymer fuel cells have been researched and developed as a power source that can reduce the release of gas containing environmentally hazardous substances. In a polymer electrolyte fuel cell, a chemical reaction that generates electric power proceeds by protons being conducted through a solid polymer electrolyte membrane serving as an electrolyte. Until now, as such solid polymer electrolyte membranes, fluorine-based electrolyte membranes such as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont have been mainly used. However, since the synthesis route of the fluorine-based electrolyte membrane is complicated, the manufacturing cost is inevitably increased. Therefore, as a solid polymer electrolyte membrane that can be manufactured at a relatively low cost, for example, as described in Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1, an electrolyte membrane using polyvinyl alcohol and a sulfonated polymer has been proposed.

ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーとを用いて電解質膜を製造する場合、通常は、電解質膜としての耐水性や機械的強度を高めるために、架橋剤の添加によってポリビニルアルコール同士の架橋構造が形成されている。例えば、特許文献1には、ポリビニルアルコールが有するヒドロキシ基と反応可能な2つのアルデヒド基を有するテレフタルアルデヒドやグルタルアルデヒド等が架橋剤として用いられ、これらの官能基同士の反応によってポリビニルアルコール分子間の架橋構造が形成されることが開示されている。非特許文献1には、スルホン化コハク酸が架橋剤として用いられ、スルホン化コハク酸が有する2つのカルボキシ基とポリビニルアルコールのヒドロキシ基とのエステル化反応によって、ポリビニルアルコール分子間の架橋構造が形成されることが述べられている。   When producing an electrolyte membrane using polyvinyl alcohol and a sulfonated polymer, a crosslinked structure of polyvinyl alcohol is usually formed by adding a crosslinking agent in order to increase the water resistance and mechanical strength of the electrolyte membrane. Yes. For example, Patent Document 1 uses terephthalaldehyde, glutaraldehyde, or the like having two aldehyde groups that can react with the hydroxy group of polyvinyl alcohol as a cross-linking agent. It is disclosed that a crosslinked structure is formed. In Non-Patent Document 1, sulfonated succinic acid is used as a crosslinking agent, and a crosslinked structure between polyvinyl alcohol molecules is formed by esterification reaction between two carboxy groups of sulfonated succinic acid and a hydroxy group of polyvinyl alcohol. It is stated that it will be.

このように、従来、固体高分子電解質膜におけるポリビニルアルコールの架橋構造は、ポリビニルアルコールのヒドロキシ基と反応可能な官能基を分子内に2つ以上有する架橋剤を介して形成されている。なお、非特許文献2には、ポリビニルアルコールが加熱処理により結晶化して水に対する溶解性が低下することが述べられている。   Thus, conventionally, the crosslinked structure of polyvinyl alcohol in the solid polymer electrolyte membrane is formed via a crosslinking agent having two or more functional groups capable of reacting with the hydroxyl group of polyvinyl alcohol in the molecule. Non-Patent Document 2 describes that polyvinyl alcohol is crystallized by heat treatment and its solubility in water is lowered.

特開2006−156055号公報JP 2006-156055 A

C.W.Lin, Y.F.Huanga,A.M.Kannan、Journal of Power Sources、Volume164、Issue2、2007、p449−456C. W. Lin, Y .; F. Huanga, A .; M.M. Kannan, Journal of Power Sources, Volume 164, Issue 2, 2007, p449-456. 長野浩一, 山根三郎, 豊島賢太郎、ポバール、高分子刊行会、京都、1970、p98、p149Koichi Nagano, Saburo Yamane, Kentaro Toyoshima, Poval, Kobunshi Shuppankai, Kyoto, 1970, p98, p149

しかしながら、架橋剤の添加は、電解質膜としての耐水性を高める一方で、プロトン伝導性の低下を招く。これに対し、本願の発明者らは、スルホン化ポリマーの共存下では、架橋剤を要さずに、加熱処理によってポリビニルアルコール分子同士を架橋させてポリビニルアルコールの水への不溶化を進行させることが可能であることを見出した。これにより、プロトン伝導性の低下を抑えつつ、電解質膜の耐水性を向上させることができる。   However, the addition of a crosslinking agent increases the water resistance of the electrolyte membrane, while causing a decrease in proton conductivity. On the other hand, the inventors of the present application can crosslink polyvinyl alcohol molecules by heat treatment to promote insolubilization of polyvinyl alcohol in water without the need for a crosslinking agent in the presence of a sulfonated polymer. I found it possible. Thereby, the water resistance of the electrolyte membrane can be improved while suppressing a decrease in proton conductivity.

一方、ポリビニルアルコール分子同士の架橋構造は、ポリビニルアルコールが一部脱水縮合して、剛直な共役二重結合を形成することによって形成されるため、得られた電解質膜の可撓性が低くなる傾向がある。したがって、電解質膜の機械的強度にはなお改善の余地がある。   On the other hand, the cross-linked structure between the polyvinyl alcohol molecules is formed by partially dehydrating and condensing polyvinyl alcohol to form a rigid conjugated double bond, so that the flexibility of the obtained electrolyte membrane tends to be low There is. Therefore, there is still room for improvement in the mechanical strength of the electrolyte membrane.

本開示の技術は、機械的強度を向上させることのできる固体高分子電解質の製造方法、固体高分子電解質、イオン伝導体、及び、膜電極接合体を提供することを目的とする。   An object of the technology of the present disclosure is to provide a method for producing a solid polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte, an ionic conductor, and a membrane electrode assembly capable of improving mechanical strength.

本開示の技術における固体高分子電解質の製造方法は、ポリビニルアルコールとプロトン解離性基を有する高分子と多価チオールとを溶媒に溶解して溶液を作る溶解工程と、前記溶液を用いて作成した固体高分子電解質の前駆体を加熱して固体高分子電解質を得る加熱工程と、を含む。   A method for producing a solid polymer electrolyte in the technology of the present disclosure was prepared using a dissolution step of dissolving polyvinyl alcohol, a polymer having a proton-dissociable group, and a polyvalent thiol in a solvent to form a solution, and the solution. Heating a solid polymer electrolyte precursor to obtain a solid polymer electrolyte.

上記の方法によれば、加熱処理によって、プロトン解離性基を有する高分子を酸触媒としてポリビニルアルコールの脱水反応により二重結合が形成され、その二重結合に多価チオールが付加し、同様に脱水反応により二重結合が形成されている他のポリビニルアルコール鎖に、上記多価チオール分子内の他のチオールが付加し、架橋結合が形成される。その結果、得られる固体高分子電解質の機械的強度を向上させることが可能となる。   According to the above method, a double bond is formed by dehydration reaction of polyvinyl alcohol using a polymer having a proton dissociable group as an acid catalyst by heat treatment, and a polyvalent thiol is added to the double bond. Another thiol in the polyvalent thiol molecule is added to another polyvinyl alcohol chain in which a double bond is formed by a dehydration reaction to form a cross-linked bond. As a result, it is possible to improve the mechanical strength of the obtained solid polymer electrolyte.

上記の方法では、前記多価チオールが、1,4−ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタン、1,3,5-トリス(3−メルカトブチリルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン、ペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプブチレート)、2,3−ジメルカプトプロパンスルホン酸塩から選択される少なくとも1つであることが好ましい。 In the above method, the polyvalent thiol, 1,4-bis (3-mercaptobutyryloxy) butane, 1,3,5-tris (3-Melka flop preparative butyryloxy-ethyl) 1,3,5 - triazine-2,4,6 (IH, 3H, 5H) - trione, pentaerythritol tetrakis (3-mercapto preparative butyrate), be at least one selected from 2,3-dimercapto-propanesulfonic acid salt preferable.

上記の方法によれば、容易に入手可能な多価チオールが用いられるため、固体高分子電解質の製造を容易に行うことができる。
上記の方法では、前記溶液に含まれる前記ポリビニルアルコールと前記多価チオールとの重量比率は、前記ポリビニルアルコールを100としたとき、前記多価チオールが2以上15以下であることが好ましい。
According to said method, since the polyvalent thiol which can be obtained easily is used, manufacture of a solid polymer electrolyte can be performed easily.
In the above method, the weight ratio of the polyvinyl alcohol and the polyvalent thiol contained in the solution is preferably 2 or more and 15 or less when the polyvinyl alcohol is 100.

上記の方法によれば、脱水縮合によって生じたポリビニルアルコール中の二重結合と多価チオールの反応が有効に進行し、機械的強度が高い固体高分子電解質が得られる。また、架橋反応に与らない多価チオールが過剰に固体高分子電解質中に残って、機械的強度とプロトン伝導性が低下することを抑えることができる。   According to said method, the reaction of the double bond in polyhydric alcohol produced by dehydration condensation and a polyvalent thiol advances effectively, and the solid polymer electrolyte with high mechanical strength is obtained. Moreover, it can suppress that the polyvalent thiol which does not give to a crosslinking reaction remains in a solid polymer electrolyte excessively, and mechanical strength and proton conductivity fall.

上記の方法では、前記プロトン解離性基を有する高分子が、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸)のいずれかであることが好ましい。   In the above method, the polymer having a proton dissociable group is preferably polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, or poly (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid).

上記の方法によれば、イオン交換容量の高いスルホン化ポリマーがプロトン解離性基を有する高分子として用いられるため、固体高分子電解質のプロトン伝導性を高めることができる。また、これらのスルホン化ポリマーは、容易に入手可能であるため、固体高分子電解質の製造を容易に行うことができる。   According to the above method, since the sulfonated polymer having a high ion exchange capacity is used as a polymer having a proton dissociable group, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte can be increased. In addition, since these sulfonated polymers are easily available, it is possible to easily produce a solid polymer electrolyte.

上記の方法では、前記加熱工程における前記前駆体の加熱温度が、80℃以上200℃以下であることが好ましい。
上記の方法によれば、ポリビニルアルコールの脱水反応が進行しやすく、また、ポリビニルアルコールやプロトン解離性基を有する高分子におけるポリマー鎖の切断反応が起こりにくいため、加熱工程での化学反応を適切に進めることができる。
In said method, it is preferable that the heating temperature of the said precursor in the said heating process is 80 degreeC or more and 200 degrees C or less.
According to the above method, the dehydration reaction of polyvinyl alcohol is likely to proceed, and the polymer chain scission reaction in the polymer having polyvinyl alcohol or proton dissociable group is unlikely to occur. Can proceed.

本開示の技術におけるイオン伝導体は、ポリビニルアルコールと−SO M基(Mはアルカリ金属)を有する高分子とを含むイオン伝導体であって、ポリビニルアルコールが、下記一般式(1)で示される架橋骨格を有する
上記のイオン伝導体によれば、イオン伝導体は、Mイオンのイオン伝導性を有する。このため、アルカリ金属イオンが伝導媒体として機能するため、イオン伝導体の電解質としての用途をアルカリ金属イオンが用いられる範囲に広げることができる。
The ionic conductor in the technique of the present disclosure is an ionic conductor including polyvinyl alcohol and a polymer having a —SO 3 M group (M is an alkali metal), and the polyvinyl alcohol is represented by the following general formula (1). Having a crosslinked skeleton .
According to the ionic conductor, the ionic conductor has an ionic conductivity of M + ions. For this reason, since an alkali metal ion functions as a conductive medium, the use of the ion conductor as an electrolyte can be expanded to a range where the alkali metal ion is used.

本開示の技術における固体高分子電解質は、ポリビニルアルコールとプロトン解離性基を有する高分子とを含む固体高分子電解質であって、ポリビニルアルコールが、下記一般式(1)で示される架橋骨格を有する。   The solid polymer electrolyte in the technique of the present disclosure is a solid polymer electrolyte containing polyvinyl alcohol and a polymer having a proton dissociable group, and the polyvinyl alcohol has a crosslinked skeleton represented by the following general formula (1). .

Figure 0006156982
但し、一般式(1)にてRは有機基を示す。
Figure 0006156982
However, in General formula (1), R shows an organic group.

上記の固体高分子電解質によれば、固体高分子電解質中において、架橋されたポリビニルアルコール中にプロトン解離性基を有する高分子が分散しているため、固体高分子電解質の機械的強度を向上させることが可能となる。
本開示の技術における膜電極接合体は、上記固体高分子電解質を一対の電極触媒層の間に膜として備える。
上記の膜電極接合体によれば、膜電極接合体に機械的強度の高い固体高分子電解質が備えられるため、膜電極接合体の信頼性を高めることができる。
According to the solid polymer electrolyte, since the polymer having a proton dissociable group is dispersed in the crosslinked polyvinyl alcohol in the solid polymer electrolyte, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte is improved. It becomes possible.
The membrane electrode assembly in the technique of the present disclosure includes the solid polymer electrolyte as a membrane between a pair of electrode catalyst layers.
According to the membrane electrode assembly, since the membrane electrode assembly is provided with the solid polymer electrolyte having high mechanical strength, the reliability of the membrane electrode assembly can be improved.

本開示の技術によれば、固体高分子電解質における機械的強度を向上させることができる。   According to the technique of the present disclosure, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte can be improved.

ポリビニルアルコールとポリスチレンスルホン酸からなる膜の形成のための前駆体を加熱処理した場合の、加熱温度と紫外可視吸収スペクトルの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a heating temperature and an ultraviolet-visible absorption spectrum at the time of heat-processing the precursor for formation of the film | membrane which consists of polyvinyl alcohol and polystyrene sulfonic acid. 本開示の技術における固体高分子電解質を用いた膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池の斜視構造を分解して示す斜視図である。It is a perspective view which decomposes | disassembles and shows the perspective structure of the membrane electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell which used the solid polymer electrolyte in the technique of this indication.

以下、本開示の固体高分子電解質の製造方法、固体高分子電解質、イオン伝導体、及び、膜電極接合体を具体化した一実施形態について、図1および図2を参照して説明する。本実施形態では、固体高分子形燃料電池の電解質として、膜状の固体高分子電解質である固体高分子電解質膜を製造する。   Hereinafter, an embodiment embodying a method for producing a solid polymer electrolyte, a solid polymer electrolyte, an ionic conductor, and a membrane electrode assembly according to the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In this embodiment, a solid polymer electrolyte membrane, which is a membrane-like solid polymer electrolyte, is manufactured as the electrolyte of the solid polymer fuel cell.

[固体高分子電解質膜の材料]
まず、本実施形態の固体高分子電解質膜の製造方法に用いられる材料について説明する。固体高分子電解質膜の形成材料には、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーと多価チオールとが含まれる。
[Material of solid polymer electrolyte membrane]
First, the material used for the manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane of this embodiment is demonstrated. The material for forming the solid polymer electrolyte membrane includes polyvinyl alcohol, a sulfonated polymer, and a polyvalent thiol.

ポリビニルアルコールのケン化度は、高いことが好ましい。具体的には、ケン化度が70モル%以上、より望ましくは85モル%以上であるとよい。工業用のポリビニルアルコールは通常ポリ酢酸ビニルの加水分解によって得られるため、ケン化度が70%よりも低い場合には、ポリビニルアルコールにて二重結合(−CH=CH−基)の形成ならびに架橋反応の進行が限定され、水に溶解しやすくなる。それゆえに、ポリビニルアルコールが3次元的な網目構造を形成して他分子を保持する高分子マトリックスとして機能するためには、上述のケン化度が好ましい。   The degree of saponification of polyvinyl alcohol is preferably high. Specifically, the saponification degree is 70 mol% or more, and more desirably 85 mol% or more. Since industrial polyvinyl alcohol is usually obtained by hydrolysis of polyvinyl acetate, when the degree of saponification is lower than 70%, formation of double bonds (—CH═CH— groups) and crosslinking with polyvinyl alcohol The progress of the reaction is limited, and it becomes easy to dissolve in water. Therefore, in order for polyvinyl alcohol to function as a polymer matrix that forms a three-dimensional network structure and holds other molecules, the above-described saponification degree is preferable.

ポリビニルアルコールの分子量は、1000以上であることが望ましく、10000以上1000000以下であることがより好ましい。分子量が1000以上であれば、固体高分子電解質膜の膜厚が十分に得られる程度に、固体高分子電解質膜の成膜時の粘度が高められる。また、分子量が1000以上であれば、固体高分子電解質膜の機械的強度を高めることができる。一方、分子量が1000000以下であれば、固体高分子電解質膜の膜厚に十分な均一性が得られる程度に、固体高分子電解質膜の粘度を抑えられる。   The molecular weight of polyvinyl alcohol is preferably 1000 or more, and more preferably 10,000 or more and 1,000,000 or less. If the molecular weight is 1000 or more, the viscosity at the time of film formation of the solid polymer electrolyte membrane is increased to such an extent that the film thickness of the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently obtained. Moreover, if the molecular weight is 1000 or more, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane can be increased. On the other hand, if the molecular weight is 1000000 or less, the viscosity of the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed to such an extent that sufficient uniformity can be obtained in the thickness of the solid polymer electrolyte membrane.

多価チオールは、1分子当たり2つ以上のチオール基を有し、ポリビニルアルコールならびにスルホン化ポリマーを溶解する溶媒に相溶し、ポリビニルアルコールに形成された二重結合(−CH=CH−基)に付加するものであれば、どのようなものでも使用できる。中でも実際に販売されている多価チオールである、1,4−ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタン、1,3,5-トリス(3−メルカトブチリルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン、ペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプトブチレート)、2,3−ジメルカプトプロパンスルホン酸塩から選択される少なくとも1つが、入手が容易なために好適に使用される。 The polyvalent thiol has two or more thiol groups per molecule and is compatible with a solvent that dissolves polyvinyl alcohol and a sulfonated polymer, and is a double bond (—CH═CH— group) formed in polyvinyl alcohol. Anything can be used as long as it is added to. Among them is a polyvalent thiols that are actually sold, 1,4-bis (3-mercaptobutyryloxy) butane, 1,3,5-tris (3-Melka flop preparative butyryloxy-ethyl) -1,3 , 5-triazine-2,4,6 (1H, 3H, 5H) -trione, pentaerythritol tetrakis (3-mercaptobutyrate), 2,3-dimercaptopropanesulfonate are available Is preferably used because of its ease.

スルホン化ポリマーとしては、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリビニル、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸)等のスルホン化ポリマーを用いることができる。これらの材料は、電子機器分野の機能性材料に用いられているから、容易に入手が可能であるとともに、価格も安価である。また、これらの材料は、イオン交換容量が高いためプロトン伝導性が高く、スルホン化ポリマーとしての使用に適している。この他、スルホン化ポリマーとしては、周知の合成方法によって得られるスルホン化ポリアリーレン、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリエーテルケトン等の芳香族スルホン化ポリマーやスルホン化ポリピリジン等を用いてもよい。   As the sulfonated polymer, sulfonated polymers such as sulfonated polystyrene, sulfonated polyvinyl, and poly (2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) can be used. Since these materials are used as functional materials in the field of electronic equipment, they can be easily obtained and are inexpensive. In addition, these materials have high ion exchange capacity and high proton conductivity, and are suitable for use as a sulfonated polymer. In addition, as the sulfonated polymer, aromatic sulfonated polymers such as sulfonated polyarylene, sulfonated polyphenylene, and sulfonated polyether ketone obtained by a known synthesis method, sulfonated polypyridine, and the like may be used.

[固体高分子電解質膜の製造方法]
次に、本実施形態の固体高分子電解質膜の製造方法について説明する。
まず、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーと多価チオールが溶解工程として溶媒中で溶解混合されて固体高分子電解質膜の前駆体を形成するための溶液である前駆体溶液が作成される。この溶媒としては、有機溶媒または水が用いられる。
[Method for producing solid polymer electrolyte membrane]
Next, the manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane of this embodiment is demonstrated.
First, a precursor solution, which is a solution for forming a precursor of a solid polymer electrolyte membrane, is prepared by dissolving and mixing polyvinyl alcohol, a sulfonated polymer, and a polyvalent thiol in a solvent as a dissolution step. As this solvent, an organic solvent or water is used.

前駆体溶液にて、ポリビニルアルコールに対するスルホン化ポリマーの比率は、20質量%以上150質量%以下であることが好ましく、30質量%以上100質量%以下であるとより好ましい。この比率が20質量%以上であれば、プロトン伝導に寄与するスルホン酸基(−SOH)が固体高分子電解質膜中にて十分に確保され、固体高分子電解質膜に十分なプロトン伝導性が得られる。一方、この比率が150質量%以下であれば、高分子マトリックスとなるポリビニルアルコールがスルホン化ポリマーに対して多くないため、固体高分子電解質膜の機械的強度を高めることができる。 In the precursor solution, the ratio of the sulfonated polymer to the polyvinyl alcohol is preferably 20% by mass or more and 150% by mass or less, and more preferably 30% by mass or more and 100% by mass or less. When this ratio is 20% by mass or more, sulfonic acid groups (—SO 3 H) contributing to proton conduction are sufficiently secured in the solid polymer electrolyte membrane, and sufficient proton conductivity is obtained in the solid polymer electrolyte membrane. Is obtained. On the other hand, if this ratio is 150% by mass or less, since the polyvinyl alcohol serving as the polymer matrix is not much relative to the sulfonated polymer, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane can be increased.

前駆体溶液にて、ポリビニルアルコール100に対する多価チオールの重量比率は、2以上15以下であることが好ましく、5以上10以下であるとより好ましい。この比率が2以上であれば、脱水縮合によってポリビニルアルコールに形成される二重結合(−CH=CH−基)と多価チオールの反応が有効に進行し、高分子同士が架橋して、機械的強度が高い固体高分子電解質膜が得られる。一方、この比率が15以上になれば、架橋反応に与らない多価チオールが過剰に固体高分子電解質膜中に残り、機械的強度とプロトン伝導性の低下を招来するために好ましくない。   In the precursor solution, the weight ratio of the polyvalent thiol to the polyvinyl alcohol 100 is preferably 2 or more and 15 or less, and more preferably 5 or more and 10 or less. If this ratio is 2 or more, the reaction between the double bond (—CH═CH— group) formed in the polyvinyl alcohol by dehydration condensation and the polyvalent thiol proceeds effectively, and the polymers are crosslinked with each other. A solid polymer electrolyte membrane with high mechanical strength can be obtained. On the other hand, if this ratio is 15 or more, polyvalent thiols that are not subjected to the cross-linking reaction remain excessively in the solid polymer electrolyte membrane, resulting in a decrease in mechanical strength and proton conductivity.

従来のように、多価アルデヒド類を用いてポリビニルアルコールを架橋させるためには、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーからなる高分子電解質膜前駆体を、多価アルデヒドを含む溶液に含浸する処理が必要であり、作製工程が複雑であった。これに対し、本実施形態では、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーと多価チオールとを溶解混合して前駆体溶液を作成するため、固体高分子電解質膜の作製工程が簡素化される。   As in the past, in order to crosslink polyvinyl alcohol using polyhydric aldehydes, it is necessary to impregnate a polymer electrolyte membrane precursor composed of poly (vinyl alcohol) and a sulfonated polymer into a solution containing polyhydric aldehyde. Yes, the manufacturing process was complicated. On the other hand, in this embodiment, since the precursor solution is prepared by dissolving and mixing polyvinyl alcohol, the sulfonated polymer, and the polyvalent thiol, the manufacturing process of the solid polymer electrolyte membrane is simplified.

次に、上記前躯体溶液が所定の基材に塗布されて固体高分子電解質膜の前駆体が形成され、その後、前駆体に対して溶媒の除去と加熱とが行われることによって、固体高分子電解質膜が作製される。   Next, the precursor solution is applied to a predetermined substrate to form a precursor of the solid polymer electrolyte membrane, and then the solvent is removed from the precursor and the solid polymer is heated. An electrolyte membrane is produced.

溶媒の除去で、ポリビニルアルコール同士が接触する程度に溶媒の一部が除去され、かつ、溶媒の残部によってポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーとが固化しない状態の前駆体が得られる。こうした溶媒の除去は、大気圧下で行われてもよいし、減圧下で行われてもよい。   By removing the solvent, a part of the solvent is removed to such an extent that the polyvinyl alcohols come into contact with each other, and a precursor in a state where the polyvinyl alcohol and the sulfonated polymer are not solidified by the remainder of the solvent is obtained. Such removal of the solvent may be performed under atmospheric pressure or under reduced pressure.

上記前駆体の加熱では、ポリビニルアルコールの脱水縮合によりポリビニルアルコールに二重結合(−CH=CH−基)が形成されて膜は黒色となるとともに、形成された二重結合(−CH=CH−基)の一部への多価チオールの付加反応が進行する。この溶媒の除去と加熱とを経て得られる固体高分子電解質膜によれば、架橋によりマトリックス化されたポリビニルアルコール中にスルホン化ポリマーが分散して組み込まれる。架橋構造の形成により機械的強度が向上し、かつスルホン化ポリマーが安定に保持された、耐水性に優れプロトン伝導性の高い固体高分子電解質膜が得られる。   In the heating of the precursor, a double bond (—CH═CH— group) is formed in polyvinyl alcohol by dehydration condensation of polyvinyl alcohol, the film becomes black, and the formed double bond (—CH═CH— The addition reaction of polyvalent thiol to a part of the group proceeds. According to the solid polymer electrolyte membrane obtained through the removal of the solvent and heating, the sulfonated polymer is dispersed and incorporated in the polyvinyl alcohol matrixed by crosslinking. By forming a crosslinked structure, it is possible to obtain a solid polymer electrolyte membrane having improved mechanical strength and stable retention of the sulfonated polymer, excellent water resistance and high proton conductivity.

こうした加熱における前駆体の温度は、80℃以上200℃以下であることが好ましく、90℃以上180℃以下がより好ましい。加熱温度が80℃以上であれば、ポリビニルアルコールの不溶化反応が進行しやすく、加熱温度が200℃以下であれば、ポリビニルアルコールやスルホン化ポリマーにおけるポリマー鎖の切断反応が起こりにくい。   The temperature of the precursor in such heating is preferably 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 90 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. When the heating temperature is 80 ° C. or higher, the insolubilization reaction of polyvinyl alcohol proceeds easily, and when the heating temperature is 200 ° C. or lower, the polymer chain scission reaction in the polyvinyl alcohol or the sulfonated polymer hardly occurs.

なお、溶媒の除去と加熱とは、前駆体に熱を加えることによって同時に行われてもよく、前駆体の溶媒が除去された後に、別工程として前駆体が加熱されてもよい。溶媒の除去における温度が上記の加熱温度の範囲であれば、溶媒の除去とポリビニルアルコールの脱水縮合反応と多価チオールの付加架橋反応を同時に進行させることもできる。   The removal of the solvent and the heating may be performed simultaneously by applying heat to the precursor, or the precursor may be heated as a separate step after the solvent of the precursor is removed. If the temperature for removing the solvent is within the range of the above heating temperature, the removal of the solvent, the dehydration condensation reaction of polyvinyl alcohol, and the addition crosslinking reaction of polyvalent thiol can also proceed simultaneously.

前駆体溶液を基材に塗布する方法としては、例えばキャストによる塗工や、ダイコーターによる塗工、アプリケーターによる塗工等、周知の塗布方法を用いることができる。
こうした方法によれば、イオン交換容量が1ミリ当量/g以上6ミリ当量/g以下となる高いプロトン伝導性を備える固体高分子電解質膜が得られる。なお、イオン交換容量が6ミリ当量/g以下であることは、固体高分子電解質膜に過剰なスルホン酸基(−SOH)が導入されておらず、固体高分子電解質膜の水による膨潤が生じ難いことを示唆し、固体高分子形燃料電池の電解質として用いた場合に、性能低下の要因となるガスリークが起こり難いことを示唆する。
As a method of applying the precursor solution to the substrate, for example, a known application method such as coating by casting, coating by a die coater, coating by an applicator, or the like can be used.
According to such a method, a solid polymer electrolyte membrane having high proton conductivity with an ion exchange capacity of 1 meq / g or more and 6 meq / g or less can be obtained. The ion exchange capacity of 6 meq / g or less means that excessive sulfonic acid groups (—SO 3 H) are not introduced into the solid polymer electrolyte membrane and the solid polymer electrolyte membrane is swollen by water. This suggests that gas leaks that cause performance degradation are less likely to occur when used as an electrolyte in a polymer electrolyte fuel cell.

すなわち従来は、ポリビニルアルコールを強酸共存下で進行する脱水縮合によって不溶化させて固体高分子電解質膜の耐水性を高めているために、固体高分子電解質膜が脆くなりがちであった。この課題を解決するために鋭意研究した結果、本発明者らは脱水縮合によりポリビニルアルコール鎖に形成した二重結合(−CH=CH−基)に付加架橋する多価チオールを添加することにより、固体高分子電解質膜の機械的強度の向上を図ることが可能な程度に、ポリビニルアルコール鎖間が架橋されることを見出した。   That is, conventionally, the solid polymer electrolyte membrane tends to be brittle because polyvinyl alcohol is insolubilized by dehydration condensation that proceeds in the presence of a strong acid to increase the water resistance of the solid polymer electrolyte membrane. As a result of diligent research to solve this problem, the present inventors added a polyvalent thiol that crosslinks to a double bond (—CH═CH— group) formed on a polyvinyl alcohol chain by dehydration condensation. It has been found that the polyvinyl alcohol chains are cross-linked to such an extent that the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane can be improved.

また、従来のように多価アルデヒド類をポリビニルアルコールのヒドロキシ基と反応させて架橋構造を形成する場合と比較して、多価チオールの添加比率が少ない場合でも、架橋による固体高分子電解質膜の機械的強度向上効果が顕著である。そのため、固体高分子電解質膜中において、スルホン化ポリマーに対するスルホン化ポリマー以外のプロトン伝導性の低い化合物の割合を極めて小量で済ませる事が可能となる結果、固体高分子電解質膜としてのプロトン伝導性を実質的に低下させることもない。   In addition, as compared with the conventional case where a polyhydric aldehyde is reacted with a hydroxy group of polyvinyl alcohol to form a crosslinked structure, even when the addition ratio of polyvalent thiol is small, the solid polymer electrolyte membrane by crosslinking is The effect of improving mechanical strength is remarkable. As a result, it is possible to reduce the ratio of the compound having low proton conductivity other than the sulfonated polymer to the sulfonated polymer in the solid polymer electrolyte membrane with a very small amount. As a result, the proton conductivity as the solid polymer electrolyte membrane is achieved. Is not substantially reduced.

[加熱処理]
次に、上述の製造方法における加熱処理によるポリビニルアルコールの不溶化ならびに架橋による固体高分子電解質膜の機械的強度向上について説明する。
[Heat treatment]
Next, the insolubilization of polyvinyl alcohol by heat treatment and the improvement of the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane by crosslinking in the above production method will be described.

無溶媒で180℃程度の高温に加熱される場合には、ポリビニルアルコールそのものの結晶化が進行して水に対して不溶化することが知られている(非特許文献2参照)。これに対し、本願の発明者らは、ポリビニルアルコールが高分子スルホン酸等の酸共存下で加熱された場合、80℃程度の比較的低い温度でも脱水縮合により二重結合が形成され、その効果で不溶化することを見出した。その反応は下記の反応式(2)で表される。   When heated to a high temperature of about 180 ° C. without solvent, it is known that the crystallization of polyvinyl alcohol itself proceeds and becomes insoluble in water (see Non-Patent Document 2). On the other hand, the inventors of the present application show that when polyvinyl alcohol is heated in the presence of an acid such as a polymer sulfonic acid, a double bond is formed by dehydration condensation even at a relatively low temperature of about 80 ° C. And found insolubilized. The reaction is represented by the following reaction formula (2).

Figure 0006156982
一般に、膜を構成する炭素間の共役系が広がるほど、膜における可視光の吸収が高まって膜が黒色をおびる。図1はポリビニルアルコールとポリスチレンスルホン酸の1:1(重量比)からなる溶液から石英基板上に約1μmの塗布膜を形成して、加熱処理を行い、その熱処理温度と吸光度の関係を示す図である。本紫外可視吸収スペクトルは島津製作所製UV−2550分光光度計を用いて得られたものである。
Figure 0006156982
Generally, as the conjugated system between carbons constituting the film spreads, the absorption of visible light in the film increases and the film becomes more black. FIG. 1 is a diagram showing the relationship between heat treatment temperature and absorbance after forming a coating film of about 1 μm on a quartz substrate from a solution consisting of 1: 1 (weight ratio) of polyvinyl alcohol and polystyrene sulfonic acid on a quartz substrate. It is. This ultraviolet-visible absorption spectrum was obtained using a Shimadzu UV-2550 spectrophotometer.

図1に示されるように、ポリビニルアルコールとポリスチレンスルホン酸とからなる塗布膜が加熱されることによって、塗布膜における紫外可視領域の吸収が増大する。それゆえに、ポリビニルアルコールの脱水縮合による共役二重結合鎖の形成は、熱処理温度が高いほど進行することが明らかである。また、ポリスチレンスルホン酸に代えて、ポリビニルスルホン酸やポリ(2−アクリルアミドー2−メチルプロパンスルホン酸)(PAMPS)を用いて得られるポリビニルアルコールとの複合体においても、ポリスチレンスルホン酸を用いた時と同様に、加熱した時に膜が黒色をおびることが分かった。このことは、ポリビニルアルコールはポリスルホン酸の共存下の加熱で脱水反応を進行させて−CH=CH−基を生成することを示している。   As shown in FIG. 1, the absorption of the ultraviolet-visible region in the coating film is increased by heating the coating film made of polyvinyl alcohol and polystyrene sulfonic acid. Therefore, it is clear that the formation of a conjugated double bond chain by dehydration condensation of polyvinyl alcohol proceeds as the heat treatment temperature increases. In addition, when polystyrene sulfonic acid is used in a composite with polyvinyl alcohol obtained by using polyvinyl sulfonic acid or poly (2-acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid) (PAMPS) instead of polystyrene sulfonic acid. As with, it was found that the film was blackish when heated. This indicates that polyvinyl alcohol generates a —CH═CH— group by causing a dehydration reaction to proceed by heating in the presence of polysulfonic acid.

こうしたことから、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーと多価チオールが共存する固体高分子電解質前駆体が加熱されると、まず、スルホン化ポリマーの酸触媒作用によって、ポリビニルアルコール鎖の一部が脱水して二重結合(−CH=CH−基)が形成される。また、この二重結合の一部は、パイ共役系を形成し、この二重結合の広がりは図1から明らかなように加熱温度が高いほど大きい。なお、多価チオールが添加されていない場合では、−CH=CH−二重結合が形成されたポリビニルアルコールにて、二重結合(−CH=CH−基)とポリビニルアルコールの−OH基との反応により一部架橋反応が進行し、水に対する溶解性が減少する。一方で、共役二重結合の形成により高分子が剛直化するために、得られる膜が脆くなる傾向が見られる。   Therefore, when a solid polymer electrolyte precursor in which polyvinyl alcohol, a sulfonated polymer and a polyvalent thiol coexist is heated, a part of the polyvinyl alcohol chain is first dehydrated by the acid catalysis of the sulfonated polymer. A double bond (—CH═CH— group) is formed. In addition, a part of the double bond forms a pi-conjugated system, and the spread of the double bond is larger as the heating temperature is higher as apparent from FIG. In the case where the polyvalent thiol is not added, in the polyvinyl alcohol in which —CH═CH—double bond is formed, the double bond (—CH═CH— group) and the —OH group of polyvinyl alcohol Due to the reaction, a partial crosslinking reaction proceeds and the solubility in water decreases. On the other hand, since the polymer becomes rigid due to the formation of a conjugated double bond, the resulting film tends to become brittle.

多価チオールは二重結合に付加しやすい性質を有している。それゆえに、上記のように添加しておくことにより、形成された二重結合に多価チオールが付加し、さらに、多価チオールの分子内における他のチオール基が他のポリビニルアルコールに生じた二重結合と付加して、ポリビニルアルコール鎖が架橋される。この結果、固体高分子電解質膜の機械的強度が向上する。   Multivalent thiols have the property of being easily added to double bonds. Therefore, by adding as described above, polyvalent thiol is added to the formed double bond, and other thiol groups in the polyvalent thiol molecule are generated in other polyvinyl alcohol. In addition to the heavy bond, the polyvinyl alcohol chain is crosslinked. As a result, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane is improved.

上記架橋反応の反応式の一例は、下記の反応式(3)で表される。また、ポリビニルアルコール鎖の共役二重結合においては、1,4−ブタジエン骨格に対する付加反応も進行すると考えられる。   An example of the reaction formula of the crosslinking reaction is represented by the following reaction formula (3). In addition, in the conjugated double bond of the polyvinyl alcohol chain, it is considered that the addition reaction to the 1,4-butadiene skeleton also proceeds.

Figure 0006156982
上記前駆体の加熱により得られた複合体中にはポリスチレンスルホン酸等の−SOHを有する高分子が含まれるので、この複合体はプロトン伝導性を有する。また、この複合体中の−SOH基はアルカリ金属の化合物(LiOH,LiH,NaH等)により−SOM基(Mはアルカリ金属)に容易に変換される。このように変換された複合体はMイオンのイオン伝導性を有するイオン伝導体である。このため、例えばMをリチウムにすることにより、上記イオン伝導体をリチウムイオン二次電池の固体電解質として使用することが可能である。こうした場合には、膜状でない形状に固体高分子電解質を製造してもよい。
[膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池の構成]
次に、本実施形態の製造方法によって製造される固体高分子電解質膜を備える膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池について、図2を参照して説明する。
Figure 0006156982
Since the composite obtained by heating the precursor contains a polymer having —SO 3 H such as polystyrene sulfonic acid, the composite has proton conductivity. Further, the -SO 3 H group of the compound of the alkali metal in the complex (LiOH, LiH, NaH, etc.) -SO 3 M group with (M is alkali metal) is readily converted to. The complex thus converted is an ionic conductor having an ionic conductivity of M + ions. For this reason, it is possible to use the said ion conductor as a solid electrolyte of a lithium ion secondary battery, for example by making M into lithium. In such a case, you may manufacture a solid polymer electrolyte in the shape which is not a film | membrane form.
[Configuration of membrane electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell]
Next, a membrane electrode assembly and a solid polymer fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane produced by the production method of the present embodiment will be described with reference to FIG.

図2に示されるように、固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜1を中心とする積層体として構成される。固体高分子電解質膜1には、該固体高分子電解質膜1を挟んで互いに向い合う一対の電極触媒層2a,2bが敷設されている。この電極触媒層2a,2bは、例えば白金が担持されたカーボン粒子とナフィオン(登録商標、デュポン社製)から形成される。また、この電極触媒層2a,2bは、固体高分子電解質膜1に直接塗工されるか、もしくはホットプレス法を用いて固体高分子電解質膜1に敷設される。   As shown in FIG. 2, the solid polymer fuel cell is configured as a laminate having a solid polymer electrolyte membrane 1 as a center. The solid polymer electrolyte membrane 1 is provided with a pair of electrode catalyst layers 2a and 2b facing each other with the solid polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. The electrode catalyst layers 2a and 2b are made of, for example, carbon particles carrying platinum and Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont). The electrode catalyst layers 2a and 2b are directly applied to the solid polymer electrolyte membrane 1 or are laid on the solid polymer electrolyte membrane 1 using a hot press method.

電極触媒層2a,2bには、固体高分子電解質膜1及びこれら電極触媒層2a,2bを挟んで互いに向い合う一対のガス拡散層3a,3bが覆設されている。このうち、固体高分子電解質膜1の一方側の電極触媒層2aとガス拡散層3aとが空気極(カソード)となり、空気極には集電のためのカソード電極4aが積層される。他方側の電極触媒層2bとガス拡散層3bとが燃料極(アノード)となり、燃料極には集電のためのアノード電極4bが積層される。そして、これら固体高分子電解質膜1、電極触媒層2a,2b、ガス拡散層3a,3bから膜電極接合体5が構成される。   The electrode catalyst layers 2a and 2b are covered with a solid polymer electrolyte membrane 1 and a pair of gas diffusion layers 3a and 3b facing each other with the electrode catalyst layers 2a and 2b interposed therebetween. Among these, the electrode catalyst layer 2a and the gas diffusion layer 3a on one side of the solid polymer electrolyte membrane 1 serve as an air electrode (cathode), and a cathode electrode 4a for current collection is laminated on the air electrode. The other electrode catalyst layer 2b and the gas diffusion layer 3b serve as a fuel electrode (anode), and an anode electrode 4b for current collection is laminated on the fuel electrode. A membrane / electrode assembly 5 is composed of the solid polymer electrolyte membrane 1, the electrode catalyst layers 2a and 2b, and the gas diffusion layers 3a and 3b.

さらに、膜電極接合体5と、カソード電極4a及びアノード電極4bとは、互いに向い合う一対のセパレータ6a,6bによって挟持されている。セパレータ6a,6bの各々にて、膜電極接合体5と互いに向かい合う側面には、ガス流路7a、7bが凹設され、また膜電極接合体5とは反対側の側面には、冷却水流路8a、8bが凹設されている。   Further, the membrane electrode assembly 5, the cathode electrode 4a and the anode electrode 4b are sandwiched by a pair of separators 6a and 6b facing each other. In each of the separators 6 a and 6 b, gas flow paths 7 a and 7 b are recessed in the side surfaces facing the membrane electrode assembly 5, and the cooling water flow paths are provided on the side surface opposite to the membrane electrode assembly 5. 8a and 8b are recessed.

このように構成される固体高分子形燃料電池では、カソード電極4aに対面するセパレータ6aのガス流路7aに例えば酸素ガスが流され、アノード電極4bに対面するセパレータ6bのガス流路7bに例えば水素ガスが流される。また、セパレータ6a,6bの冷却水流路の8a、8bの各々には、冷却水が流される。そして、空気極と燃料極とに上記ガス流路7a、7bからガスが供給されることによって、固体高分子電解質膜1中でのプロトン伝導を伴う電極反応が進行することにより、カソード電極4aとアノード電極4bとの間に起電力が生じる。   In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, for example, oxygen gas is caused to flow through the gas flow path 7a of the separator 6a facing the cathode electrode 4a, and for example, to the gas flow path 7b of the separator 6b facing the anode electrode 4b. Hydrogen gas is flowed. In addition, cooling water flows through each of the cooling water flow paths 8a and 8b of the separators 6a and 6b. Then, by supplying gas from the gas flow paths 7a and 7b to the air electrode and the fuel electrode, an electrode reaction accompanied by proton conduction in the solid polymer electrolyte membrane 1 proceeds, so that the cathode electrode 4a and An electromotive force is generated between the anode electrode 4b.

上述のように、本実施形態の製造方法による固体高分子電解質膜は、高い機械的強度、耐水性ならびにプロトン伝導性を有するために、プロトンの伝導に寄与するスルホン化ポリマーが水に溶出することが抑えられて高いプロトン伝導性と優れた膜の物性を維持することが可能である。したがって、このような固体高分子電解質膜を用いることによって、信頼性の高い膜電極接合体を得ることができるとともに、発電効率が高く安定した固体高分子形燃料電池を得ることができる。   As described above, since the solid polymer electrolyte membrane according to the production method of the present embodiment has high mechanical strength, water resistance and proton conductivity, the sulfonated polymer contributing to proton conduction elutes in water. Therefore, high proton conductivity and excellent physical properties of the membrane can be maintained. Therefore, by using such a solid polymer electrolyte membrane, a highly reliable membrane electrode assembly can be obtained, and a solid polymer fuel cell with high power generation efficiency and stability can be obtained.

なお、燃料電池としては、固体高分子形燃料電池を単一で用いてもよく、また、固体高分子形燃料電池を複数積層して直列接続することによって1つの燃料電池として用いるようにしてもよい。
[実施例]
上述した固体高分子電解質膜の製造方法について、以下に具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において、プロトン伝導度の測定は、ソーラトロン社製のインピーダンスアナライザ(SI−1260)を用い、4端子法で行った。
(実施例1)
<高ケン化ポリビニルアルコールとペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプトブチレート)(カレンズMT(登録商標)PE1:昭和電工株式会社製)からなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製―その1>
市販のポリスチレンスルホン酸水溶液(アグゾノーベル社製、Versa−TL(登録商標)72平均分子量75000、濃度18%:以下PSSと略)を110℃で減圧乾燥して、PSSの粉末を得た。PSSの粉末0.5gを10gのジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させた。
As a fuel cell, a single polymer electrolyte fuel cell may be used alone, or a plurality of polymer electrolyte fuel cells may be stacked and connected in series to be used as one fuel cell. Good.
[Example]
The manufacturing method of the above-mentioned solid polymer electrolyte membrane will be described below with reference to specific examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to a following example. In the following Examples and Comparative Examples, proton conductivity was measured by a 4-terminal method using an impedance analyzer (SI-1260) manufactured by Solartron.
Example 1
<Solid comprising a composite in which a sulfonated polymer is dispersed in a cross-linked matrix comprising highly saponified polyvinyl alcohol and pentaerythritol tetrakis (3-mercaptobutyrate) (Karenz MT (registered trademark) PE1: manufactured by Showa Denko KK) Preparation of polymer electrolyte membrane-1>
A commercially available polystyrene sulfonic acid aqueous solution (manufactured by Azo Nobel, Versa-TL (registered trademark) 72 average molecular weight 75000, concentration 18%: hereinafter abbreviated as PSS) was dried under reduced pressure at 110 ° C. to obtain PSS powder. 0.5 g of PSS powder was dissolved in 10 g of dimethyl sulfoxide (DMSO).

次いで、このDMSO溶液に(株)クラレ製のポリビニルアルコール(番号124、ケン化率98〜99%、重合度2400:以下PVA−124と略)0.5gを加えた。さらに、カレンズMT(登録商標)PE1の10%ジメチルスルホキシド溶液0.25gを加えて60℃で撹拌した。   Subsequently, 0.5 g of polyvinyl alcohol (No. 124, saponification rate 98 to 99%, polymerization degree 2400: hereinafter abbreviated as PVA-124) manufactured by Kuraray Co., Ltd. was added to this DMSO solution. Further, 0.25 g of a 10% dimethyl sulfoxide solution of Karenz MT (registered trademark) PE1 was added and stirred at 60 ° C.

このようにして得たDMSO溶液をポリエチレンテレフタレート(以下PETと略)の容器に注ぎ、90℃で減圧乾燥してほぼDMSOを除いた後にPET容器から剥離し、減圧下130℃で2時間乾燥してフィルムを得た。これにはPVA−124、PSSならびにカレンズMT(登録商標)PE1が100:100:5の比率(重量比)で含まれる。   The DMSO solution thus obtained was poured into a container of polyethylene terephthalate (hereinafter abbreviated as PET), dried under reduced pressure at 90 ° C. to remove almost DMSO, then peeled off from the PET container, and dried at 130 ° C. under reduced pressure for 2 hours. To obtain a film. This includes PVA-124, PSS and Karenz MT® PE1 in a ratio (weight ratio) of 100: 100: 5.

得られたフィルムは80℃、95%の環境下で0.32Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
このフィルムを38mm×6mmに切り出し、島津製作所AG−2000Bで引っ張り試験(引っ張り速度5mm/min)を行ったところ、破断応力は25.5 MPaであった(2片の平均値)。
(実施例2)
<高ケン化ポリビニルアルコールとペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプトブチレート)(カレンズMT(登録商標)PE1)からなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製―その2>
カレンズMT(登録商標)PE1の添加比率を増加させ、PVA−124、PSSならびにカレンズMT(登録商標)PE1が100:100:10の比率(重量比)で含まれるようにした以外は実施例1と同様にしてフィルムを得た。
The obtained film exhibited a proton conductivity of 0.32 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.
When this film was cut into 38 mm × 6 mm and subjected to a tensile test (pulling speed 5 mm / min) with Shimadzu AG-2000B, the breaking stress was 25.5 MPa (average value of two pieces).
(Example 2)
<Preparation of Solid Polymer Electrolyte Membrane Consisting of Suspended Polymer Dispersed in Crosslinked Matrix of High Saponified Polyvinyl Alcohol and Pentaerythritol Tetrakis (3-mercaptobutyrate) (Karenz MT (registered trademark) PE1) ―Part 2 >
Example 1 except that the addition ratio of Karenz MT (registered trademark) PE1 was increased so that PVA-124, PSS and Karenz MT (registered trademark) PE1 were included in a ratio (weight ratio) of 100: 100: 10. In the same manner, a film was obtained.

このフィルムは80℃、95%の環境下で0.37Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
このフィルムを実施例1と同様にして、引っ張り試験を行ったところ、破断応力は25.5 MPaであった(2片の平均値)。
(比較例1)
カレンズMT(登録商標)PE1を添加しない以外は実施例1と同様にしてフィルムを作製した。このフィルムを実施例1と同条件で引っ張り試験を行ったところ、破断応力は12.5MPaであった(2片の平均値)。このフィルムは80℃、95%の環境下で0.25Scm−1のプロトン伝導度を示した。
This film exhibited a proton conductivity of 0.37 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.
When this film was subjected to a tensile test in the same manner as in Example 1, the breaking stress was 25.5 MPa (average value of two pieces).
(Comparative Example 1)
A film was produced in the same manner as in Example 1 except that Karenz MT (registered trademark) PE1 was not added. When this film was subjected to a tensile test under the same conditions as in Example 1, the breaking stress was 12.5 MPa (average value of two pieces). This film exhibited a proton conductivity of 0.25 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment.

実施例1及び実施例2と比較例1の比較から、カレンズMT(登録商標)PE1を添加することによりフィルムの引張強度が向上していることが明らかである。比較例1では、PVAを強酸のPSS共存下で加熱することにより、黒く着色することからも推察されるように、PVAが脱水縮合して部分的に剛直な分子構造の共役二重結合が形成されるため、得られたフィルムが脆くなると推定される。実施例1及び実施例2では、カレンズMT(登録商標)PE1を添加することにより、カレンズMT(登録商標)PE1がこの二重結合部分に付加し、PVA分子鎖間が架橋されてフィルムの機械的強度が向上する。
(実施例3)
<高ケン化ポリビニルアルコールと2,3―ジメルカプトプロパンスルホン酸ナトリウムからなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製―その1>
カレンズMT(登録商標)PE1に代えて2,3―ジメルカプトプロパンスルホン酸ナトリウム(以下DMPSと略)を用い、さらに溶媒を水に代えた以外は実施例1と同様にして、PVA―124、PSSならびにDMPSを重量比で100:100:5の割合で含むフィルムを作製した。
From a comparison between Example 1 and Example 2 and Comparative Example 1, it is clear that the tensile strength of the film is improved by adding Karenz MT (registered trademark) PE1. In Comparative Example 1, PVA is dehydrated and condensed to form a conjugated double bond with a partially rigid molecular structure, as can be inferred from the fact that PVA is colored in black by heating in the presence of PSS of a strong acid. Therefore, it is estimated that the obtained film becomes brittle. In Examples 1 and 2, Karenz MT (registered trademark) PE1 was added to add Karenz MT (registered trademark) PE1 to the double bond portion, and the PVA molecular chains were cross-linked to form a mechanical film. The mechanical strength is improved.
(Example 3)
<Preparation of Solid Polymer Electrolyte Membrane Composed of Composite Dispersed with Sulfonated Polymer in Crosslinked Matrix Made of Highly Saponified Polyvinyl Alcohol and Sodium 2,3-Dimercaptopropanesulfonate-Part 1>
PVA-124 in the same manner as in Example 1 except that sodium 2,3-dimercaptopropanesulfonate (hereinafter abbreviated as DMPS) was used instead of Karenz MT (registered trademark) PE1, and the solvent was replaced with water. A film containing PSS and DMPS at a weight ratio of 100: 100: 5 was prepared.

得られたこのフィルムは80℃、95%の環境下で0.15Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
このフィルムを実施例1と同条件で引っ張り試験を行ったところ、破断応力は45MPaであった(2片の平均値)。またこのフィルムを2規定の希塩酸に浸漬後乾燥して、80℃、95%の環境下でプロトン伝導度を測定したところ、0.18Scm−1を示した。これはDMPS中の−SONaが希塩酸処理することにより、−SOHに変換され、このプロトンもプロトン伝導に関与するための効果である。
(実施例4)
<高ケン化ポリビニルアルコールと2,3―ジメルカプトプロパンスルホン酸ナトリウムからなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製―その2>
PVA―124、PSSならびにDMPSを重量比で100:100:10の割合で含むようにした以外は実施例3と同様にしてフィルムを作製した。
The resulting film exhibited a proton conductivity of 0.15 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.
When this film was subjected to a tensile test under the same conditions as in Example 1, the breaking stress was 45 MPa (average value of two pieces). The film was immersed in 2N dilute hydrochloric acid and dried, and the proton conductivity was measured in an environment of 80 ° C. and 95%. As a result, it was 0.18 Scm −1 . This by -SO 3 Na in DMPS is acid-treated, is converted to a -SO 3 H, proton is also effective for participating in proton conductivity.
Example 4
<Preparation of Solid Polymer Electrolyte Membrane Composed of Composite Dispersed with Sulfonated Polymer in Crosslinked Matrix Made of Highly Saponified Polyvinyl Alcohol and Sodium 2,3-Dimercaptopropanesulfonate-Part 2>
A film was produced in the same manner as in Example 3 except that PVA-124, PSS and DMPS were contained at a weight ratio of 100: 100: 10.

得られたこのフィルムは80℃、95%の環境下で0.22Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
このフィルムを実施例1と同条件で引っ張り試験を行ったところ、破断応力は45MPaであった(2片の平均値)。
(比較例2)
DMPSを添加しない以外は実施例3と同様にしてフィルムを作製した。得られたこのフィルムは80℃、95%の環境下で0.15Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
The resulting film exhibited a proton conductivity of 0.22 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.
When this film was subjected to a tensile test under the same conditions as in Example 1, the breaking stress was 45 MPa (average value of two pieces).
(Comparative Example 2)
A film was produced in the same manner as in Example 3 except that DMPS was not added. The resulting film exhibited a proton conductivity of 0.15 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.

このフィルムを実施例1と同条件で引っ張り試験を行ったところ、破断応力は13.5MPaであった(2片の平均値)。
実施例3及び実施例4と比較例2の比較から、DMPSを添加することによりフィルムの強度が向上していることが明らかである。溶媒がDMSOの場合と同様に水の場合である比較例2でも、ポリビニルアルコールがポリスチレンスルホン酸共存下で加熱されることにより、黒く着色することからも推察されるように、脱水縮合して部分的に剛直な共役二重結合が形成されるため、得られたフィルムが脆くなる。実施例3及び実施例4では、DMPSを添加することにより、DMPSがこの二重結合部分に付加し、カレンズMT(登録商標)PE1の場合と同様にPVA鎖同士が架橋されてフィルムの機械的強度が向上する。
(実施例5)
<高ケン化ポリビニルアルコールと1,4−ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタン(カレンズMT(登録商標)BD1)からなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製>
実施例1のカレンズMT(登録商標)PE1に代えてカレンズMT(登録商標)BD1を用いた以外は、実施例1と同様にしてPVA―124、PSSならびにカレンズMT(登録商標)BD1を重量比で100:100:5の割合で含むフィルムを作製した。得られたこのフィルムは80℃、95%の環境下で0.14Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
When this film was subjected to a tensile test under the same conditions as in Example 1, the breaking stress was 13.5 MPa (average value of two pieces).
From the comparison between Example 3 and Example 4 and Comparative Example 2, it is clear that the strength of the film is improved by adding DMPS. As in the case of Comparative Example 2 where the solvent is water as in the case of DMSO, the polyvinyl alcohol is heated in the presence of polystyrene sulfonic acid so that it is colored black, as can be inferred from the dehydration condensation. Since a rigid conjugated double bond is formed, the obtained film becomes brittle. In Examples 3 and 4, DMPS is added to the double bond portion by adding DMPS, and PVA chains are cross-linked in the same manner as in Karenz MT (registered trademark) PE1, so that the mechanical properties of the film are increased. Strength is improved.
(Example 5)
<Solid polymer comprising a composite in which a sulfonated polymer is dispersed in a crosslinked matrix comprising highly saponified polyvinyl alcohol and 1,4-bis (3-mercaptobutyryloxy) butane (Karenz MT (registered trademark) BD1) Production of electrolyte membrane>
PVA-124, PSS, and Karenz MT (registered trademark) BD1 were used in the same manner as in Example 1 except that Karenz MT (registered trademark) BD1 was used instead of Karenz MT (registered trademark) PE1 of Example 1. A film containing 100: 100: 5 was prepared. The obtained film exhibited a proton conductivity of 0.14 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.

このフィルムでは引っ張り強度試験を行なわなかったが、カレンズMT(登録商標)BD1無添加の場合と比較して、折り曲げ操作への耐久性において明らかに強度が向上していることが観測された。カレンズMT(登録商標)BD1の場合においても、カレンズMT(登録商標)BD1がPVA−124主鎖に生じた二重結合に付加し、さらに他の二重結合を有するPVA主鎖との間で架橋反応が進行していることが示唆される。
(実施例6)
<高ケン化ポリビニルアルコールと1,3,5-トリス(3−メルカトブチリルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン(カレンズMT(登録商標)NR1)からなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製―その1>
実施例1のカレンズMT(登録商標)PE1に代えてカレンズMT(登録商標)NR1を用いた以外は、実施例1と同様にしてPVA―124、PSSならびにカレンズMT(登録商標)NR1を重量比で1:1:0.05の割合で含むフィルムを作製した。得られたこのフィルムは80℃、95%の環境下で0.28Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、2.5ミリ当量/gであった。
Although this film was not subjected to a tensile strength test, it was observed that the strength was clearly improved in durability to the bending operation as compared with the case where Karenz MT (registered trademark) BD1 was not added. In the case of Karenz MT (registered trademark) BD1, Karenz MT (registered trademark) BD1 is added to the double bond formed in the PVA-124 main chain, and further between the PVA main chain having another double bond. It is suggested that the crosslinking reaction is in progress.
(Example 6)
<High saponified polyvinyl alcohol and 1,3,5-tris (3-Melka flop preparative butyryloxy-ethyl) -1,3,5-triazine -2,4,6 (1H, 3H, 5H) - trione (Karenz Production of Solid Polymer Electrolyte Membrane Composed of Composite Dispersed with Sulfonated Polymer in Crosslinked Matrix Made of MT (Registered Trademark) NR1—Part 1>
PVA-124, PSS, and Karenz MT (registered trademark) NR1 were used in the same weight ratio as in Example 1, except that Karenz MT (registered trademark) NR1 was used instead of Karenz MT (registered trademark) PE1 of Example 1. A film containing 1: 1: 0.05 was prepared. The resulting film exhibited a proton conductivity of 0.28 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 2.5 meq / g.

このフィルムでは引張試験を行なわなかったが、カレンズMT(登録商標)NR1無添加の場合と比較して、折り曲げ操作への耐久性において明らかに強度が向上していることが観測された。カレンズMT(登録商標)NR1の場合においても、カレンズMT(登録
商標)NR1がPVA−124主鎖に生じた二重結合に付加し、さらに他の二重結合を有するPVA主鎖との間で架橋反応が進行していることが示唆される。
(実施例7)
<高ケン化ポリビニルアルコールと1,3,5-トリス(3−メルカトブチルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン(カレンズMT(登録商標)NR1)からなる架橋したマトリックスにスルホン化高分子を分散した複合体からなる固体高分子電解質膜の作製―その2>
実施例6のPSSに代えてポリビニルスルホン酸水溶液(旭化成ファインケム製:平均分子量118000、濃度10%:以下PVS)から実施例1と同様にして得た粉末をPVA−124に対して0.8重量部添加した以外、実施例6と同様にしてフィルムを作製した。このフィルムはPVA―124、PVSならびにカレンズMT(登録商標)NR1を100:80:5の重量比で含む。得られたこのフィルムは80℃、95%の環境下で0.14Scm−1のプロトン伝導度を示した。この時、イオン交換容量(酸価)は、4.1ミリ当量/gであった。
Although this film was not subjected to a tensile test, it was observed that the strength was clearly improved in durability to the bending operation as compared to the case where Karenz MT (registered trademark) NR1 was not added. In the case of Karenz MT (registered trademark) NR1, Karenz MT (registered trademark) NR1 is added to the double bond generated in the PVA-124 main chain, and further between the PVA main chain having another double bond. It is suggested that the crosslinking reaction is in progress.
(Example 7)
<High saponified polyvinyl alcohol and 1,3,5-tris (3-Melka flop preparative butyl oxy) -1,3,5-triazine -2,4,6 (1H, 3H, 5H) - trione (Karenz MT Production of Solid Polymer Electrolyte Membrane Containing Composite Dispersed with Sulfonated Polymer in Crosslinked Matrix Made of (Registered Trademark) NR1-2
Instead of PSS in Example 6, a powder obtained in the same manner as in Example 1 from an aqueous polyvinyl sulfonic acid solution (Asahi Kasei Finechem: average molecular weight 118000, concentration 10%: hereinafter PVS) is 0.8 weight relative to PVA-124. A film was produced in the same manner as in Example 6 except that a part thereof was added. This film contains PVA-124, PVS and Karenz MT® NR1 in a weight ratio of 100: 80: 5. The obtained film exhibited a proton conductivity of 0.14 Scm −1 at 80 ° C. and 95% environment. At this time, the ion exchange capacity (acid value) was 4.1 meq / g.

このフィルムでは引張試験を行なわなかったが、カレンズMT(登録商標)NR1無添加の場合と比較して、折り曲げ操作への耐久性において明らかに強度が向上していることが観測された。PVSにおいてもPSSの場合と同様、PVA−124主鎖に二重結合が生成し、その二重結合にカレンズMT(登録商標)NR1が付加架橋する反応が進行していることが示唆される。   Although this film was not subjected to a tensile test, it was observed that the strength was clearly improved in durability to the bending operation as compared to the case where Karenz MT (registered trademark) NR1 was not added. In PVS, as in the case of PSS, a double bond is generated in the PVA-124 main chain, and it is suggested that the reaction of adding Karenz MT (registered trademark) NR1 to the double bond proceeds.

発明者らは、スルホン化ポリマーとしてアルドリッチシグマ社の試薬ポリ(2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸)(以下PAMPSと略)(平均分子量2000000)を使用した場合にも、PVA主鎖の脱水縮合に伴う共役二重結合生成によると考えられる、同様のフィルムの黒化現象を観察している。   The inventors of the present invention also use the PVA main component when the reagent poly (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (hereinafter abbreviated as PAMPS) (average molecular weight 2000000) from Aldrich Sigma is used as the sulfonated polymer. A similar film blackening phenomenon, which is thought to be due to the formation of conjugated double bonds accompanying the dehydration condensation of chains, is observed.

したがってPSSならびにPVSの場合と同様、PVA−124とPAMPSから加熱して得られるフィルムにおいても、多価チオールを添加することにより架橋反応が生じ、フィルムの機械的強度が向上することは自明の理といえる。さらに、PVAの脱水縮合を誘発するような酸性の高い他のスルホン化ポリマーとPVAを用いた場合でも、多価チオールを添加することによりフィルムの機械的強度を向上させることができる。
[変形例]
上記実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
Therefore, as in the case of PSS and PVS, in the film obtained by heating from PVA-124 and PAMPS, it is obvious that the addition of polyvalent thiol causes a crosslinking reaction and the mechanical strength of the film is improved. It can be said. Furthermore, even when other highly sulfonated polymers and PVA that induce dehydration condensation of PVA are used, the mechanical strength of the film can be improved by adding a polyvalent thiol.
[Modification]
The above embodiment can be implemented with the following modifications.

・固体高分子電解質膜の前躯体溶液には、ポリビニルアルコールとスルホン化ポリマーと多価チオールに加えて、可塑剤として水溶性高分子が添加されてもよい。これによれば、固体高分子電解質膜の機械的な強度をさらに向上させることが可能となる。水溶性高分子としては、例えばポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリN―ビニルアセトアミド等を用いることができる。   -In addition to polyvinyl alcohol, a sulfonated polymer, and a polyvalent thiol, a water-soluble polymer as a plasticizer may be added to the precursor solution of the solid polymer electrolyte membrane. According to this, it is possible to further improve the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane. As the water-soluble polymer, for example, polyvinylpyrrolidone, polyethylene oxide, poly N-vinylacetamide and the like can be used.

・上記実施形態及び実施例で示した多価チオール以外の多価チオールでも、ポリビニルアルコールならびにスルホン化ポリマーに相溶し、二重結合と付加反応するものであれば、同様に用いることができる。そのような多価チオールとして、例えば2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、メソ−2,2−ジメルカプトコハク酸、ビス(2−メルカプトエチル)エーテル等が挙げられる。   -Polyvalent thiols other than the polyvalent thiols shown in the above embodiments and examples can be used in the same manner as long as they are compatible with polyvinyl alcohol and a sulfonated polymer and undergo an addition reaction with a double bond. Examples of such polyvalent thiols include 2,3-dimercapto-1-propanol, meso-2,2-dimercaptosuccinic acid, bis (2-mercaptoethyl) ether, and the like.

・固体高分子電解質膜には、ポリマー短繊維もしくは不織布等が含まれてもよい。これによれば、固体高分子電解質膜の機械的強度及び吸湿時の寸法安定性を高めることが可能となる。複合化材としては、水に実質的に不溶のものを用いればよく、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリアリレート、ビニロン、アラミド等を用いることができる。   -The polymer electrolyte membrane may contain polymer short fibers or non-woven fabrics. According to this, it becomes possible to improve the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane and the dimensional stability during moisture absorption. As the composite material, a material substantially insoluble in water may be used. For example, polyethylene terephthalate, polyarylate, vinylon, aramid, or the like can be used.

・上記実施形態では、スルホン化ポリマーとして1種類の物質を用いたが、2種類以上の物質を混合して用いてもよい。
・ポリビニルアルコールの不溶化反応を進行させることができるものであれば、スルホン酸以外の他の酸を含むポリマーを複合化して、固体高分子電解質膜を作製してもよい。要は、プロトン解離性基を有する高分子であれば、ポリビニルアルコール及び多価チオールとともに固体高分子電解質膜の形成材料として用いることができる。
In the above embodiment, one kind of substance is used as the sulfonated polymer, but two or more kinds of substances may be mixed and used.
As long as the insolubilization reaction of polyvinyl alcohol can be advanced, a polymer containing an acid other than sulfonic acid may be combined to produce a solid polymer electrolyte membrane. In short, any polymer having a proton dissociable group can be used as a material for forming a solid polymer electrolyte membrane together with polyvinyl alcohol and polyvalent thiol.

・固体高分子電解質膜の前躯体溶液に対する加熱処理は、単一の温度で処理してもよく、また、2段階以上に温度を変化させて処理を行ってもよい。   The heat treatment for the precursor solution of the solid polymer electrolyte membrane may be performed at a single temperature, or may be performed by changing the temperature in two or more stages.

1…固体高分子電解質膜、2a,2b…電極触媒層、3a,3b…ガス拡散層、4a…カソード電極、4b…アノード電極、5…膜電極接合体、6a,6b…セパレータ、7a,7b…ガス流路、8a,9b…冷却水流路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer electrolyte membrane, 2a, 2b ... Electrode catalyst layer, 3a, 3b ... Gas diffusion layer, 4a ... Cathode electrode, 4b ... Anode electrode, 5 ... Membrane electrode assembly, 6a, 6b ... Separator, 7a, 7b ... gas flow path, 8a, 9b ... cooling water flow path.

Claims (8)

ポリビニルアルコールとプロトン解離性基を有する高分子と多価チオールとを溶媒に溶解して溶液を作る溶解工程と、
前記溶液を用いて作成した固体高分子電解質の前駆体を加熱して固体高分子電解質を得る加熱工程と、
を含む固体高分子電解質の製造方法。
A dissolution step of dissolving polyvinyl alcohol, a polymer having a proton-dissociable group and a polyvalent thiol in a solvent to form a solution;
A heating step of obtaining a solid polymer electrolyte by heating a precursor of the solid polymer electrolyte prepared using the solution;
A method for producing a solid polymer electrolyte comprising:
前記多価チオールが、1,4−ビス(3-メルカプトブチリルオキシ)ブタン、1,3,5-トリス(3−メルカトブチリルオキシエチル)−1,3,5−トリアジン−2,4,6(1H,3H,5H)−トリオン、ペンタエリスリトール テトラキス(3−メルカプブチレート)、2,3−ジメルカプトプロパンスルホン酸塩から選択される少なくとも1つである
請求項1に記載の固体高分子電解質の製造方法。
The polyvalent thiol, 1,4-bis (3-mercaptobutyryloxy) butane, 1,3,5-tris (3-Melka flop preparative butyryloxy-ethyl) -1,3,5-triazine -2, 4,6 (1H, 3H, 5H) - trione, pentaerythritol tetrakis (3-mercapto preparative butyrate), 2,3-solid of claim 1 at least one selected from di-mercapto propanesulfonic acid salt A method for producing a polymer electrolyte.
前記溶液に含まれる前記ポリビニルアルコールと前記多価チオールとの重量比率は、前記ポリビニルアルコールを100としたとき、前記多価チオールが2以上15以下である
請求項1または2に記載の固体高分子電解質の製造方法。
The solid polymer according to claim 1 or 2, wherein a weight ratio of the polyvinyl alcohol and the polyvalent thiol contained in the solution is 2 or more and 15 or less when the polyvinyl alcohol is 100. Manufacturing method of electrolyte.
前記プロトン解離性基を有する高分子が、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリ(2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸)のいずれかである
請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体高分子電解質の製造方法。
The polymer having the proton dissociable group is any one of polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, and poly (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid). A method for producing a solid polymer electrolyte according to 1.
前記加熱工程における前記前駆体の加熱温度が、80℃以上200℃以下である
請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体高分子電解質の製造方法。
The method for producing a solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 4, wherein a heating temperature of the precursor in the heating step is 80 ° C or higher and 200 ° C or lower.
ポリビニルアルコールとプロトン解離性基を有する高分子とを含む固体高分子電解質で
あって、
ポリビニルアルコールが、下記一般式(1)で示される架橋骨格を有する固体高分子電解質。
Figure 0006156982
但し、一般式(1)にてRは有機基を示す。
A solid polymer electrolyte comprising polyvinyl alcohol and a polymer having a proton dissociable group,
A solid polymer electrolyte in which polyvinyl alcohol has a crosslinked skeleton represented by the following general formula (1).
Figure 0006156982
However, in General formula (1), R shows an organic group.
請求項6に記載の固体高分子電解質を一対の電極触媒層の間に膜として備える膜電極接合体。 A membrane electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte according to claim 6 as a membrane between a pair of electrode catalyst layers. ポリビニルアルコールと−SO M基(Mはアルカリ金属)を有する高分子とを含むイオン伝導体であって、
ポリビニルアルコールが、下記一般式(1)で示される架橋骨格を有するイオン伝導体
Figure 0006156982
但し、一般式(1)にてRは有機基を示す。
Polyvinyl alcohol and -SO 3 M group (M is an alkali metal) an ion conductor comprising a polymer having,
An ionic conductor in which polyvinyl alcohol has a crosslinked skeleton represented by the following general formula (1).
Figure 0006156982
However, in General formula (1), R shows an organic group.
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