JPWO2006051943A1 - Proton-conducting electrolyte membrane, method for producing proton-conducting electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Proton-conducting electrolyte membrane, method for producing proton-conducting electrolyte membrane, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーがハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と下記一般式(1)で表される化合物との反応生成物であることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低いプロトン伝導性電解質膜とその製造方法、及びプロトン伝導性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が提供できる。【化1】(式中、R1は炭素数4以下のアルキル基を表し、R2は任意の有機基を表し、m、nはいずれも1〜3の整数である。但し、m+n=4であり、mが2または3のときR2は異なる有機基であってもよい。)A proton conductive electrolyte membrane having a pore-containing inorganic porous membrane filled with a proton conductive polymer, wherein the proton conductive polymer is a haloalkylated and sulfonated polymer compound and the following general formula: A proton conductive electrolyte membrane which is a reaction product with the compound represented by (1). It is possible to provide a proton conductive electrolyte membrane having a sufficiently high proton conductivity and a sufficiently low methanol permeability, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the proton conductive electrolyte membrane. Wherein R 1 represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, R 2 represents an arbitrary organic group, and m and n are all integers of 1 to 3, provided that m + n = 4 , When m is 2 or 3, R2 may be a different organic group.)

Description

本発明は、プロトン伝導性電解質膜及びプロトン伝導性電解質膜の製造方法に関し、更にはそれらプロトン伝導性電解質膜を燃料電池用電解質膜として用いる固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a proton conductive electrolyte membrane and a method for producing the proton conductive electrolyte membrane, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell using the proton conductive electrolyte membrane as an electrolyte membrane for a fuel cell.

燃料電池は水素と酸素を反応させて電気を発生させる発電装置であり、発電反応で水しか生成されないという優れた性質を有しているので、温暖化やオゾン層破壊といった地球環境問題に対処する省エネルギーの技術として注目されている。   A fuel cell is a power generation device that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, and has the excellent property that only water is generated by the power generation reaction, thus addressing global environmental problems such as global warming and ozone layer destruction. It is attracting attention as an energy-saving technology.

燃料電池には固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池の4種類がある。これらの中でも、固体高分子型燃料電池は作動温度が低い、電解質が固体(高分子の薄膜)であるという利点がある。固体高分子型燃料電池は、水素を直接用いる水素燃料型、メタノールを改質器を用いて水素に変換する改質型、改質器を用いずに直接メタノールを使用する直接メタノール型(DMFC、Direct Methanol Polymer Fuel Cell)の三つに大別される。DMFCは改質器が不要であるため小型、軽量化が可能であり、来るべきユビキタス社会に向けた個人用の携帯情報端末(PDA、Personal Digital Assistance)等の電池や専用バッテリーとして、その実用化が期待されている。   There are four types of fuel cells: solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has an advantage that the operating temperature is low and the electrolyte is solid (polymer thin film). The polymer electrolyte fuel cell includes a hydrogen fuel type that uses hydrogen directly, a reformed type that converts methanol into hydrogen using a reformer, and a direct methanol type that uses methanol directly without using a reformer (DMFC, (Direct Methanol Polymer Fuel Cell). Since DMFC does not require a reformer, it can be reduced in size and weight, and its practical application as a battery or a dedicated battery for personal digital assistants (PDAs) for the future ubiquitous society. Is expected.

固体高分子型燃料電池の主な構成要素は、電極、触媒、電解質、セパレータである。電解質として高分子のプロトン伝導性電解質膜を使用する。プロトン伝導性電解質膜はイオン交換膜や湿度センサー等の用途に用いられているが、近年、固体高分子型燃料電池における電解質としての用途においても注目を集めている。例えば、デュポン社のナフィオン(登録商標)を代表とするスルホン酸基含有フッ素樹脂膜は、携帯用燃料電池における電解質としての利用が検討されている。   Main components of the polymer electrolyte fuel cell are an electrode, a catalyst, an electrolyte, and a separator. A polymer proton conductive electrolyte membrane is used as the electrolyte. Proton conductive electrolyte membranes are used for applications such as ion exchange membranes and humidity sensors, but in recent years, they are also attracting attention for applications as electrolytes in polymer electrolyte fuel cells. For example, a sulfonic acid group-containing fluororesin membrane represented by Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont has been studied for use as an electrolyte in a portable fuel cell.

従来より知られているこれらのフッ素樹脂系プロトン伝導性膜は、メタノール透過性が大きいという欠点がある。プロトン伝導性膜をDMFC等の固体高分子型燃料電池の新たな用途において実用化を図るには、プロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低い膜の開発が不可欠である。また、特にDMFCとしての性能向上を図る上では薄膜化が必須であり、膜の物理的強度も要求される。   These conventionally known fluororesin proton conductive membranes have a drawback of high methanol permeability. In order to put the proton conductive membrane into practical use in a new application of a polymer electrolyte fuel cell such as DMFC, it is indispensable to develop a membrane having high proton conductivity and low methanol permeability. In particular, in order to improve the performance as DMFC, it is essential to reduce the film thickness, and the physical strength of the film is also required.

そこで、空孔を有する多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを含浸させて、プロトン伝導性膜を得る方法が種々提案されている。   Therefore, various methods for obtaining a proton conductive membrane by impregnating a porous membrane having pores with a proton conductive polymer have been proposed.

寸法安定性、取扱適性が改良され、そして同一のポリマー及び匹敵する厚さの従来の未強化のイオン交換膜に比較して、イオン伝導性及び反応体の気体のクロスオーバーが弱体化されていないイオン交換膜を提供することを目的に、ランダムに配向した個々の繊維で形成された多孔質支持体内にイオン伝導性ポリマーが埋め込まれている複合膜が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。   Improved dimensional stability, handleability, and uncompromised ion conductivity and reactant gas crossover compared to conventional unreinforced ion exchange membranes of the same polymer and comparable thickness For the purpose of providing an ion exchange membrane, a composite membrane is disclosed in which an ion conductive polymer is embedded in a porous support formed of randomly oriented individual fibers (see, for example, Patent Document 1). .)

また、メタノールの透過(クロスオーバー)をできるだけ抑制し、且つ高温(摂氏約130度以上)環境下での使用にも耐える電解質膜を提供することを目的に、メタノール及び水に対して実質的に膨潤しない多孔性基材の細孔にプロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。多孔性基材としては、セラミック、ガラス、アルミナ等の無機材料、またはポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等の耐熱性ポリマーが用いられる。多孔性基材の空孔率は10〜95%、平均孔径は0.001〜100μm、厚みは数μmのオーダーが好ましい、と記載されている。   In addition, for the purpose of providing an electrolyte membrane that suppresses methanol permeation (crossover) as much as possible and can withstand use in a high temperature (about 130 degrees Celsius) environment, it is substantially free from methanol and water. An electrolyte membrane is disclosed in which pores of a porous base material that does not swell are filled with a polymer having proton conductivity (see, for example, Patent Document 2). As the porous substrate, an inorganic material such as ceramic, glass or alumina, or a heat resistant polymer such as polytetrafluoroethylene or polyimide is used. It is described that the porosity of the porous substrate is preferably 10 to 95%, the average pore diameter is 0.001 to 100 μm, and the thickness is preferably on the order of several μm.

また、耐久性と機械的強度を有するプロトン伝導性膜を提供することを目的に、リン酸基、ホスホン酸基またはホスフィン酸基を側鎖に有するポリマーを多孔質膜の空孔内に担持させてなるプロトン伝導性膜が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。多孔質膜としては、超高分子量ポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂が挙げられている。多孔質膜の空孔率は30〜85%、平均孔径は0.005〜10μm、厚みは5〜500μmが好ましい、と記載されている。   In addition, for the purpose of providing a proton conductive membrane having durability and mechanical strength, a polymer having a phosphoric acid group, a phosphonic acid group or a phosphinic acid group in the side chain is supported in the pores of the porous membrane. A proton conductive membrane is disclosed (for example, see Patent Document 3). Examples of the porous membrane include ultra high molecular weight polyolefin resin and fluororesin. It is described that the porosity of the porous film is preferably 30 to 85%, the average pore diameter is preferably 0.005 to 10 μm, and the thickness is preferably 5 to 500 μm.

更にメタノールの透過(クロスオーバー)をできるだけ抑制することを目的に、無機多孔性基材の規則配列した細孔に、プロトン伝導性を有するポリマーを充填した電解質膜が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。
特開平10−312815号公報 国際公開第00/54351号パンフレット 特開2002−83514号公報 Electrochemistry,70,934(2002)
Further, for the purpose of suppressing the permeation (crossover) of methanol as much as possible, an electrolyte membrane in which regularly arranged pores of an inorganic porous substrate are filled with a polymer having proton conductivity is disclosed (for example, non-porous). (See Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-312815 International Publication No. 00/54351 Pamphlet JP 2002-83514 A Electrochemistry, 70, 934 (2002)

プロトン伝導性電解質膜を固体高分子型燃料電池の電解質として実用に耐えるためには、少なくともプロトン伝導性が十分に高いこと、メタノール透過性が十分に低いことが重要な因子となる。   In order to withstand the practical use of the proton conductive electrolyte membrane as an electrolyte of a polymer electrolyte fuel cell, it is important that at least the proton conductivity is sufficiently high and the methanol permeability is sufficiently low.

従って、本発明の第1の目的はプロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低いプロトン伝導性電解質膜を提供すること、及びこのような優れた性能を持ったプロトン伝導性電解質膜の製造方法を提供することにある。   Accordingly, a first object of the present invention is to provide a proton conductive electrolyte membrane having sufficiently high proton conductivity and sufficiently low methanol permeability, and a proton conductive electrolyte membrane having such excellent performance. It is in providing the manufacturing method of.

本発明の第2の目的は、上記のような優れた性能を持ったプロトン伝導性電解質膜を電解質として有する固体高分子型燃料電池を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having a proton conductive electrolyte membrane having excellent performance as described above as an electrolyte.

本発明の上記目的は、下記構成により達成された。
1.細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーがハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と下記一般式(1)で表される化合物との反応生成物であることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
The above object of the present invention has been achieved by the following constitution.
1. A proton conductive electrolyte membrane having a pore-containing inorganic porous membrane filled with a proton conductive polymer, wherein the proton conductive polymer is a haloalkylated and sulfonated polymer compound and the following general formula: A proton conductive electrolyte membrane which is a reaction product with the compound represented by (1).

(式中、R1は炭素数4以下のアルキル基を表し、R2は任意の有機基を表し、m、nはいずれも1〜3の整数である。但し、m+n=4であり、mが2または3のときR2は異なる有機基であってもよい。)
2.前記プロトン伝導性ポリマーが、前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と請求の範囲第1項に記載の一般式(1)で表される化合物と反応性乳化剤との反応生成物であることを特徴とする1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
3.前記無機多孔質膜が、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子及び該有機粒子を支持体上に保持させる工程、ならびに前記工程の後に該無機粒子、該有機粒子及び該支持体を焼成する工程を経て得られた無機多孔質膜であることを特徴とする1または2に記載のプロトン伝導性電解質膜。
4.前記無機粒子の一次平均粒径が10〜100nmであることを特徴とする3に記載のプロトン伝導性電解質膜。
5.前記高分子化合物がポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ポリフェンレンオキシドおよびポリイミドから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする1〜4のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
6.前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする1〜5のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
7.前記一般式(1)で表される化合物のR2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、アミノアルキル基またはビニル基のうちの少なくとも1種を有する有機基であることを特徴とする1〜6のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
8.前記無機多孔質膜の平均細孔径が10〜450nmであることを特徴とする1〜7のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
9.前記無機多孔質膜の空隙率が40〜95%であることを特徴とする1〜8のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
10.前記反応生成物が、前記細孔中で反応して生成した反応生成物であることを特徴とする1に記載のプロトン伝導性電解質膜。
11.前記反応生成物が、前記細孔中で反応して生成した反応生成物であることを特徴とする2に記載のプロトン伝導性電解質膜。
12.前記無機粒子を5〜60体積%、前記有機粒子を40〜95体積%の割合で用いることを特徴とする3〜11のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
13.前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子及び該有機粒子を支持体上に保持させる工程が、塗布工程であることを特徴とする3〜12のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。
14.カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、該電解質として1〜13のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
15.10に記載のプロトン伝導性電解質膜を製造する製造方法であって、細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と1に記載の一般式(1)で表される化合物とを充填し、反応させることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
16.11に記載のプロトン伝導性電解質膜を製造する製造方法であって、細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と1に記載の一般式(1)で表される化合物と反応性乳化剤とを充填し、反応させることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。
(Wherein R 1 represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, R 2 represents an arbitrary organic group, and m and n are each an integer of 1 to 3, provided that m + n = 4, m When R is 2 or 3, R 2 may be a different organic group.)
2. The proton conductive polymer is a reaction product of the haloalkylated and sulfonated polymer compound, the compound represented by the general formula (1) according to claim 1, and a reactive emulsifier. 2. The proton-conducting electrolyte membrane according to 1, wherein
3. A step of holding the inorganic particles and the organic particles on a support using a dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles, and the inorganic particles, the organic particles and the support after the steps; 3. The proton conductive electrolyte membrane according to 1 or 2, which is an inorganic porous membrane obtained through a step of firing the body.
4). 4. The proton conductive electrolyte membrane according to 3, wherein the inorganic particles have a primary average particle size of 10 to 100 nm.
5. The polymer compound is at least one selected from polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polyphenylene oxide, and polyimide. 5. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of 1 to 4.
6). 6. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of 1 to 5, wherein the proton conductive polymer has a crosslinked structure.
7). R 2 of the compound represented by the general formula (1) is an organic group having at least one of an epoxy group, a styryl group, a methacryloxy group, an acryloxy group, an aminoalkyl group, and a vinyl group. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of 1 to 6.
8). 8. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of 1 to 7, wherein the inorganic porous membrane has an average pore diameter of 10 to 450 nm.
9. 9. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of 1 to 8, wherein the porosity of the inorganic porous membrane is 40 to 95%.
10. 2. The proton conductive electrolyte membrane according to 1, wherein the reaction product is a reaction product produced by a reaction in the pores.
11. 3. The proton conductive electrolyte membrane according to 2, wherein the reaction product is a reaction product generated by a reaction in the pores.
12 The proton conductive electrolyte membrane according to any one of 3 to 11, wherein the inorganic particles are used in a proportion of 5 to 60% by volume and the organic particles are used in a proportion of 40 to 95% by volume.
13. 13. The method according to any one of 3 to 12, wherein the step of holding the inorganic particles and the organic particles on a support using the dispersion liquid containing the inorganic particles and the organic particles is a coating step. Proton conductive electrolyte membrane.
14 14. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode electrode, an anode electrode and an electrolyte sandwiched between the two electrodes, wherein the proton conductive electrolyte membrane according to any one of 1 to 13 is used as the electrolyte. Solid polymer fuel cell.
15. A production method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to 15.10, wherein a polymer compound haloalkylated and sulfonated in the pores of an inorganic porous membrane having pores and A method for producing a proton-conducting electrolyte membrane, wherein the compound represented by formula (1) is charged and reacted.
16. A production method for producing a proton-conducting electrolyte membrane according to 16.11, comprising a polymer compound haloalkylated and sulfonated in the pores of an inorganic porous membrane having pores and A method for producing a proton-conducting electrolyte membrane, comprising filling a compound represented by the formula (1) and a reactive emulsifier and allowing them to react.

本発明により、プロトン伝導性が十分に高く、メタノール透過性が十分に低いプロトン伝導性電解質膜とその製造方法、及びプロトン伝導性電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池を提供することができた。   According to the present invention, it is possible to provide a proton conductive electrolyte membrane having sufficiently high proton conductivity and sufficiently low methanol permeability, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the proton conductive electrolyte membrane. It was.

本発明の直接メタノール型固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows one Embodiment of the direct methanol type solid polymer fuel cell of this invention. メタノール透過性を評価するためのH型セルの概略図である。It is the schematic of the H-type cell for evaluating methanol permeability.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 アノード極(燃料極)
3 カソード極(空気極)
4 外部回路
1 Electrolyte membrane 2 Anode electrode (fuel electrode)
3 Cathode electrode (air electrode)
4 External circuit

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明のプロトン伝導性電解質膜は、細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、このプロトン伝導性ポリマーがハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と上記一般式(1)で表される化合物との反応生成物である。
本発明に係る細孔を有する無機多孔質膜としては、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いてこの無機粒子及びこの有機粒子を支持体上に保持させる工程、ならびにこの工程の後に、この無機粒子、有機粒子、支持体を焼成する工程を得て得られた無機多孔質膜を用いることが好ましい。
本発明のプロトン伝導性電解質膜は、上記細孔を有する無機多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを充填することにより得られる。
支持体としては最終的には焼失または溶けて無くなるもの、あるいは剥がし取れるものであれば任意の素材の支持体を用いることができ、例えば、濾紙などの紙、不織布などの布、ポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルム等、任意の素材で形成した支持体を用いることができる。支持体の表面は平滑であることが好ましく、平滑であれば得られるプロトン伝導性電解質膜の面も平滑となり、固体高分子型燃料電池の電解質とした場合に、電極とプロトン伝導性電解質膜との界面での接触が密となる。支持体の表面粗さは特に制限はないが、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層する面の表面粗さRzが3μm以下であることが好ましい。表面粗さRzはJISの十点平均面粗さRzのことをいう。測定には、例えば、東京精密社製の触針式の3次元粗さ計(サーフコム570A)等を用いることができる。また、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層することによる支持体の反り(カール)、たわみなどを防ぐために、分散液を積層する面とは反対側の面にバッキング層を設けることが好ましい場合もある。
The proton conductive electrolyte membrane of the present invention is a proton conductive electrolyte membrane in which an inorganic porous membrane having pores is filled with a proton conductive polymer, and the proton conductive polymer is a haloalkylated and sulfone polymer. It is a reaction product of the polymerized polymer and the compound represented by the general formula (1).
The inorganic porous membrane having pores according to the present invention includes a step of holding the inorganic particles and the organic particles on a support using a dispersion containing inorganic particles and organic particles, and after this step, It is preferable to use an inorganic porous membrane obtained by obtaining a step of firing inorganic particles, organic particles, and a support.
The proton conductive electrolyte membrane of the present invention can be obtained by filling the inorganic porous membrane having the pores with a proton conductive polymer.
As the support, a support made of any material can be used as long as it eventually burns out or melts away, or can be peeled off. For example, paper such as filter paper, cloth such as nonwoven fabric, polyethylene terephthalate, etc. A support formed of an arbitrary material such as a polymer film can be used. The surface of the support is preferably smooth, and if it is smooth, the surface of the proton conductive electrolyte membrane obtained is also smooth. When used as an electrolyte for a polymer electrolyte fuel cell, the electrode, the proton conductive electrolyte membrane, The contact at the interface becomes dense. The surface roughness of the support is not particularly limited, but the surface roughness Rz of the surface on which the dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles is laminated is preferably 3 μm or less. The surface roughness Rz refers to the JIS ten-point average surface roughness Rz. For the measurement, for example, a stylus type three-dimensional roughness meter (Surfcom 570A) manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. can be used. Further, in order to prevent warping (curl), deflection, etc. of the support due to laminating a dispersion containing inorganic particles and organic particles, it is preferable to provide a backing layer on the surface opposite to the surface on which the dispersion is laminated. In some cases.

無機粒子としては、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ホウ素(B23)、チタニア(TiO2)等や、Ti、Al、B、Zrの水酸化物が挙げられる。これらは一種類でもいくつかの種類のものを混合して用いてもよい。本発明においては、シリカ(SiO2)が好ましい。またシリカ(SiO2)の中でも非晶質シリカが好ましく、乾式法、湿式法、エアロゲル法いずれの製法によるものでもよいが、湿式法のコロイダルシリカは更に好ましい。Examples of inorganic particles include silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), boron oxide (B 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), Ti, Al, B, and Zr. The hydroxide is mentioned. These may be used alone or in combination of several kinds. In the present invention, silica (SiO 2 ) is preferable. Of the silica (SiO 2 ), amorphous silica is preferable, and any of a dry method, a wet method, and an airgel method may be used, but a wet method of colloidal silica is more preferable.

本発明においては、無機粒子の粒径としては平均粒径が一次平均粒径で10nm以上のものが好ましく、より好ましくは10〜100nm、更に好ましくは10〜50nmである。なお、ここでいう無機粒子の一次平均粒径は、走査型電子顕微鏡により観察して無作為に粒子200個の長径を測定し、その長径の平均値をいう。   In the present invention, the average particle diameter of the inorganic particles is preferably 10 nm or more, more preferably 10 to 100 nm, still more preferably 10 to 50 nm. In addition, the primary average particle diameter here refers to an average value of the long diameters of 200 particles measured randomly by observation with a scanning electron microscope.

有機粒子としては、最終的には焼失または溶けて無くなるものであれば任意の素材の有機粒子を用いることができるが、分散液に用いる分散媒としての溶媒に膨潤しないものが好ましい。本発明においては、分散媒としては水系溶媒が好ましく、有機粒子としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン樹脂、スチレン/アクリル系樹脂、スチレン/ジビニルベンゼン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂等のポリマービーズを用いることができる。本発明においては、有機粒子の平均粒径は10〜450nmが好ましく、更に好ましくは100〜300nmである。   As the organic particles, organic particles of any material can be used as long as they are eventually burned out or dissolved, but those that do not swell in the solvent as a dispersion medium used in the dispersion are preferable. In the present invention, an aqueous solvent is preferable as the dispersion medium, and examples of the organic particles include polymers such as acrylic resins, styrene resins, styrene / acrylic resins, styrene / divinylbenzene resins, polyester resins, and urethane resins. Beads can be used. In the present invention, the average particle size of the organic particles is preferably 10 to 450 nm, more preferably 100 to 300 nm.

本発明における無機多孔質膜は、無機粒子と有機粒子を含む分散液を積層させた後、焼成する工程を経て形成されるので、無機粒子同志が固着、焼結して薄膜を形成するのと同時に、主には有機粒子が占有していた部分が薄膜内で細孔を形成する。本発明においては、無機多孔質膜の細孔の平均細孔径は10〜450nmが好ましく、更に好ましくは平均細孔径が100〜300nmである。平均細孔径は、例えば、島津製作所社製ポアサイザー9320等を用い、水銀圧入法により求めることができる。このようにして形成された無機多孔質膜にプロトン伝導性ポリマーを充填させて得られたプロトン伝導性電解質膜は、高いプロトン伝導性、低いメタノール透過性を有することが判明した。   The inorganic porous film in the present invention is formed through a step of firing after laminating a dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles, so that the inorganic particles are fixed and sintered to form a thin film. At the same time, the portion mainly occupied by the organic particles forms pores in the thin film. In the present invention, the average pore diameter of the pores of the inorganic porous membrane is preferably 10 to 450 nm, and more preferably the average pore diameter is 100 to 300 nm. The average pore diameter can be determined by mercury porosimetry using, for example, a pore sizer 9320 manufactured by Shimadzu Corporation. The proton conductive electrolyte membrane obtained by filling the thus formed inorganic porous membrane with a proton conductive polymer was found to have high proton conductivity and low methanol permeability.

本発明においては、多孔質膜の空隙率は40〜95%であることが好ましく、より好ましくは50〜70%である。   In the present invention, the porosity of the porous membrane is preferably 40 to 95%, more preferably 50 to 70%.

空隙率は多孔質膜の単位面積S(cm2)当たりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出することができる。The porosity can be calculated from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), average thickness t (μm), and density d (g / cm 3 ) of the porous membrane by the following formula.

空隙率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
無機粒子を5〜60体積%、有機粒子を40〜95体積%の割合で用いることにより、多孔質膜の空隙率を上記範囲に調整することができる。体積%は、無機粒子の体積と有機粒子の体積の総和に対する各々の粒子の体積の割合を百分率で表したものである。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
By using inorganic particles at 5 to 60% by volume and organic particles at 40 to 95% by volume, the porosity of the porous film can be adjusted to the above range. The volume% expresses the ratio of the volume of each particle to the sum of the volume of the inorganic particles and the volume of the organic particles as a percentage.

次に、本発明に係る無機粒子及び有機粒子を含む分散液の調製方法について説明する。   Next, a method for preparing a dispersion containing inorganic particles and organic particles according to the present invention will be described.

無機粒子と有機粒子の使用割合は上記の通りであるが、分散液の濃度としては固形分濃度として5〜80質量%、好ましくは10〜40質量%となるように調製する。   The use ratio of the inorganic particles and the organic particles is as described above, but the concentration of the dispersion is 5 to 80% by mass, preferably 10 to 40% by mass as the solid content concentration.

分散媒としては水系溶媒が好ましい。水系溶媒としては水及びアルコール類など各種既知のものが使用できるが、水または水を主成分とする混合溶媒が好ましく使用される。   As the dispersion medium, an aqueous solvent is preferable. Various known solvents such as water and alcohols can be used as the aqueous solvent, but water or a mixed solvent containing water as a main component is preferably used.

無機粒子と有機粒子を分散する分散助剤としては、例えば、高級脂肪酸塩、アルキル硫酸塩、アルキルエステル硫酸塩、アルキルスルホン酸塩、スルホコハク酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸塩、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール、グリセリンエステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、アミンオキシド等の各種の界面活性剤を用いることができる。   Dispersing aids for dispersing inorganic particles and organic particles include, for example, higher fatty acid salts, alkyl sulfates, alkyl ester sulfates, alkyl sulfonates, sulfosuccinates, naphthalene sulfonates, alkyl phosphates, polyoxy Various surfactants such as alkylene alkyl ether phosphate, polyoxyalkylene alkyl phenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, glycerin ester, sorbitan ester, polyoxyethylene fatty acid amide, and amine oxide can be used.

分散方法としては、例えば、ボールミル、サンドミル、アトライター、ロールミル、アジテータ、ヘンシェルミキサ、コロイドミル、超音波ホモジナイザー、パールミル、湿式ジェットミル、ペイントシェーカー等が挙げられ、これらは単独であるいは適宜組み合わせて用いることができる。   Examples of the dispersion method include a ball mill, a sand mill, an attritor, a roll mill, an agitator, a Henschel mixer, a colloid mill, an ultrasonic homogenizer, a pearl mill, a wet jet mill, and a paint shaker. These may be used alone or in appropriate combination. be able to.

無機粒子及び有機粒子を含む分散液を積層する工程としては、分散液を減圧吸引濾過器を用いてメンブレンフィルタでろ過を行い、メンブレンフィルタ上に無機粒子及び有機粒子を含む層を堆積させ乾燥し、メンブレンフィルタを剥ぎ取る方法、あるいは分散液を支持体に塗布して乾燥する方法などがある。本発明においては、分散液を支持体に塗布する方式が好ましい。塗布方式としては、例えば、ロールコーティング法、ロッドバーコーティング法、エアナイフコーティング法、スプレーコーティング法、カーテン塗布方法、エクストルージョン法等、従来より知られた塗布方式を採用することができる。   As a step of laminating a dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles, the dispersion liquid is filtered with a membrane filter using a vacuum suction filter, and a layer containing inorganic particles and organic particles is deposited on the membrane filter and dried. There are a method of stripping a membrane filter, a method of applying a dispersion to a support and drying. In the present invention, a method in which the dispersion is applied to a support is preferred. As a coating method, conventionally known coating methods such as a roll coating method, a rod bar coating method, an air knife coating method, a spray coating method, a curtain coating method, and an extrusion method can be employed.

無機多孔質膜を形成するには、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を層状に保持して、乾燥したものを焼成することにより得られる。層状に保持して、乾燥したものを焼成するには、支持体が焼失または溶けて無くなるものであれば支持体上に分散液を層状に保持し、乾燥して、無機粒子及び有機粒子を支持体上に保持し、これを窒素雰囲気中で電気炉で加熱処理して焼成すればよい。
無機粒子と有機粒子の支持体上で保持されている状態としては、無機粒子と有機粒子が互いに、均一に分散していることが好ましい状態である。
加熱処理は、例えば、ケイ化モリブデンといった発熱体を備えた電気炉を用いて行うことができ、1500℃以下、より好ましくは400〜1300℃で行われる。加熱のための時間は目的とする質多孔膜の大きさにより適宜設定することが可能であり、具体的には、例えば、5〜24時間程度の加熱時間を用いることができる。加熱時間が長いと焼結が進行して、平均細孔径が小さくなることがある。多孔質膜を得るための加熱処理における昇温速度及び降温速度は、適宜設定することができる。昇温速度及び降温速度の双方について、10〜300℃/時間とすることが好ましい。また仮焼成、本焼成と2回に分けて、加熱処理を行うことも好ましい。
The inorganic porous film can be formed by holding a dispersion containing inorganic particles and organic particles in a layered form and firing the dried one. In order to sinter dried and dried layers, if the support is burnt out or melts away, hold the dispersion on the support in layers and dry to support inorganic and organic particles What is necessary is just to heat-process with an electric furnace in nitrogen atmosphere, and to sinter it, hold | maintain on a body.
As a state where the inorganic particles and the organic particles are held on the support, it is preferable that the inorganic particles and the organic particles are uniformly dispersed.
The heat treatment can be performed using, for example, an electric furnace including a heating element such as molybdenum silicide, and is performed at 1500 ° C. or less, more preferably at 400 to 1300 ° C. The time for heating can be appropriately set depending on the size of the target porous membrane. Specifically, for example, a heating time of about 5 to 24 hours can be used. When the heating time is long, the sintering proceeds and the average pore diameter may become small. The temperature increase rate and the temperature decrease rate in the heat treatment for obtaining the porous film can be appropriately set. It is preferable to set it as 10-300 degreeC / hour about both the temperature increase rate and temperature decrease rate. Moreover, it is also preferable to heat-process by dividing into temporary baking and main baking twice.

本発明に係る無機多孔質膜の細孔中に充填されるプロトン伝導性ポリマーは、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と一般式(1)で表される化合物とを反応させたポリマー、またはハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物、一般式(1)で表される化合物、及び反応性乳化剤とを反応させたポリマーである。   The proton conductive polymer filled in the pores of the inorganic porous membrane according to the present invention is a polymer obtained by reacting a haloalkylated and sulfonated polymer compound with a compound represented by the general formula (1), Alternatively, it is a polymer obtained by reacting a haloalkylated and sulfonated polymer compound, a compound represented by the general formula (1), and a reactive emulsifier.

前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物としては、分子内に芳香族環を有する重合体をハロアルキル化及びスルホン化したものが好ましい。また、エンジニアリングプラスチックとして知られている高分子化合物を、ハロアルキル化及びスルホン化したものを用いることが耐久性向上のために好ましい。エンジニアリングプラスチックは一般的な定義はなく、金属のように構造材として使用可能な高弾性、高強度のプラスチックをいう。おおよその概念としては、弾性率が2.45×109Pa以上、熱変形温度が100℃以上といわれている(例えば、小林力夫、牧廣著『エンジニアリングプラスチック』参照)。但し、ポリカーボネート、ポリアリレート等のナチュラル樹脂は弾性率が1.96×109〜2.45×109Paであるが、エンジニアリアングプラスチックとして扱う(鈴木技術士事務所編『エンジニアリングプラスチック便覧』参照)。The haloalkylated and sulfonated polymer compound is preferably a haloalkylated and sulfonated polymer having an aromatic ring in the molecule. In addition, it is preferable to use a haloalkylated and sulfonated polymer compound known as an engineering plastic for improving durability. Engineering plastic has no general definition, and refers to a high-elasticity, high-strength plastic that can be used as a structural material, such as metal. As an approximate concept, it is said that the elastic modulus is 2.45 × 10 9 Pa or more and the thermal deformation temperature is 100 ° C. or more (see, for example, “Engineering Plastic” by Kazuo Kobayashi and Makio). However, natural resins such as polycarbonate and polyarylate have an elastic modulus of 1.96 × 10 9 to 2.45 × 10 9 Pa, but they are treated as engineering plastic (“Engineering Plastics Handbook” edited by Suzuki Technical Office). reference).

好ましい高分子化合物としては、例えば、ポリベンザゾール(PBZ)、ポリアラミド(PARまたはケブラー(Kevlar)(登録商標))、ポリベンズオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリパラフェニレンテレフタルイミド(PPTA)、ポリスルホン(PSU)、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルホキシド(PPSO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン(PPS/SO2)、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリフェニルキノキサリン(PPQ)、ポリアリールケトン(PK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルエーテルスルホン(PEES)、ポリアリールスルホン、ポリアリールエーテルスルホン(PAS)、ポリフェニルスルホン(PPSU)、ポリフェニレンスルホン(PPSO2)、ポリエーテルイミド、フッ素化ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトン−ケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルケトン−ケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトン−ケトン(PEKEKK)、及びポリスチレン(PS)が挙げられる。これらの高分子化合物は単独でもよいし、2種以上を併用してもよい。特に好ましくはポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリイミドから選ばれる少なくとも1種である。   Preferred examples of the polymer compound include polybenzazole (PBZ), polyaramid (PAR or Kevlar (registered trademark)), polybenzoxazole (PBO), polybenzothiazole (PBT), and polybenzimidazole (PBI). , Polyparaphenylene terephthalimide (PPTA), polysulfone (PSU), polyimide (PI), polyphenylene oxide (PPO), polyphenylene sulfoxide (PPSO), polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfide sulfone (PPS / SO2), polyparaphenylene (PPP), polyphenylquinoxaline (PPQ), polyarylketone (PK), polyetherketone (PEK), polyethersulfone (PES), polyetherethersulfur (PEES), polyarylsulfone, polyarylethersulfone (PAS), polyphenylsulfone (PPSU), polyphenylenesulfone (PPSO2), polyetherimide, fluorinated polyimide, polyetheretherketone (PEEK), polyetherketone Ketone (PEKK), polyetheretherketone-ketone (PEEKK), polyetherketoneetherketone-ketone (PEKEKK), and polystyrene (PS). These polymer compounds may be used alone or in combination of two or more. Particularly preferred is at least one selected from polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polyphenylene oxide, and polyimide.

上記高分子化合物は、分子量が10000〜100000で従来公知のものであれば何ら制限なく用いられる。   The polymer compound is used without any limitation as long as it has a molecular weight of 10,000 to 100,000 and is conventionally known.

高分子化合物のハロアルキル化及びスルホン化の方法は、例えば、先ず高分子化合物を90%以上、好ましくは95%以上の硫酸に攪拌下に溶解し、次いでこれにハロアルキル化試剤を添加してスルホン化及びハロアルキル化を実施する。高分子化合物にスルホン酸基の導入を制御するために、一般に0〜100℃の範囲で均一に溶解することが好ましい。温度が高い場合はスルホン酸基の導入比率が高く、ハロアルキル基の導入比率は低くなり、逆に温度を低くすればスルホン酸基の導入が制限され、ハロアルキル基の導入比率が多くなる。   The method of haloalkylation and sulfonation of a polymer compound is, for example, by first dissolving the polymer compound in 90% or more, preferably 95% or more of sulfuric acid with stirring, and then adding a haloalkylation reagent thereto to sulfonate the polymer compound. And haloalkylation. In order to control the introduction of the sulfonic acid group into the polymer compound, it is generally preferable to dissolve it uniformly in the range of 0 to 100 ° C. When the temperature is high, the introduction ratio of the sulfonic acid group is high and the introduction ratio of the haloalkyl group is low. Conversely, when the temperature is low, the introduction of the sulfonic acid group is limited and the introduction ratio of the haloalkyl group is increased.

用いられるハロアルキル化試薬としては、例えば、クロルメチルメチルエーテル、ブロムメチルメチルエーテル、ヨードメチルメチルエーテル、クロルエチルエチルエーテル、クロルエチルメチルエーテル等が挙げられる。なお、この方法は溶媒である硫酸が溶媒として大過剰に存在する状態での反応であり、極めて反応速度が早いため、充分に高分子化合物の硫酸溶液を均一に攪拌しながら、ハロアルキル化試薬を添加する必要がある。また、ハロアルキル基の高分子化合物への導入量は、添加するハロアルキル化試薬のモル数と高分子化合物のハロアルキル基が導入されるユニットのモル数との比で制御することもできる。反応は非常に早く進行するが、反応時間は10分〜16時間の間で選定される。反応後は残余のハロアルキル化試薬を窒素気流によって除去し、除外した後、大量の水中に投入し、沈澱析出させ、次いで充分に水洗することによって、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物を得ることができる。なお、ハロアルキル基、スルホン酸基の存在はNMR分析、元素分析等によって確認できる。   Examples of the haloalkylating reagent used include chloromethyl methyl ether, bromomethyl methyl ether, iodomethyl methyl ether, chloroethyl ethyl ether, chloroethyl methyl ether, and the like. This method is a reaction in a state where sulfuric acid as a solvent is present in a large excess as a solvent, and since the reaction rate is extremely fast, the haloalkylating reagent is sufficiently stirred while sufficiently stirring the sulfuric acid solution of the polymer compound sufficiently. It is necessary to add. The amount of haloalkyl group introduced into the polymer compound can also be controlled by the ratio between the number of moles of haloalkylating reagent to be added and the number of moles of units into which the haloalkyl group of the polymer compound is introduced. The reaction proceeds very quickly, but the reaction time is selected between 10 minutes and 16 hours. After the reaction, the remaining haloalkylating reagent is removed and removed by a nitrogen stream, and then poured into a large amount of water, precipitated, and washed thoroughly with water to obtain a haloalkylated and sulfonated polymer compound. be able to. The presence of haloalkyl groups and sulfonic acid groups can be confirmed by NMR analysis, elemental analysis, and the like.

反応活性なハロアルキル基は、後述する前記一般式(1)で表される化合物と反応することができ、また同一種のハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物同士で架橋構造を形成することができ、2種以上のハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物が架橋構造を形成することもできる。このようなポリマーによりプロトン伝導性ポリマーの性能を向上させることができる。   The reactive haloalkyl group can react with the compound represented by the general formula (1) described later, and can form a crosslinked structure with the same kind of haloalkylated and sulfonated polymer compounds. In addition, two or more haloalkylated and sulfonated polymer compounds can form a crosslinked structure. Such a polymer can improve the performance of the proton conducting polymer.

前記一般式(1)で表される化合物のR1は、炭素数4以下のアルキル基を表し、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられる。一般式(1)で表される化合物のR2は、任意の有機基を表すが、共重合可能な基が好ましく、さらにハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物あるいは反応性乳化剤と反応可能な有機基であることが好ましく、特にエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、アミノアルキル基またはビニル基のうちの少なくとも1種を含有する有機基であることが好ましい。R 1 of the compound represented by the general formula (1) represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, and examples thereof include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, and a butyl group. R 2 of the compound represented by the general formula (1) represents an arbitrary organic group, but is preferably a copolymerizable group, and further capable of reacting with a haloalkylated and sulfonated polymer compound or a reactive emulsifier. An organic group is preferable, and an organic group containing at least one of an epoxy group, a styryl group, a methacryloxy group, an acryloxy group, an aminoalkyl group, and a vinyl group is particularly preferable.

一般式(1)で表される化合物の具体例としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。   Specific examples of the compound represented by the general formula (1) include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane. 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacrylic Loxypropylmethyldiethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopro Rutrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane and the like. .

一般式(1)で表される化合物はシリル基が反応して架橋構造を形成することもできる。更には一般式(1)で表される化合物のシリル基が、無機多孔質の表面シラノール基と反応して結合することも好ましい態様の1つである。   In the compound represented by the general formula (1), a silyl group can react to form a crosslinked structure. Furthermore, it is also one of preferable embodiments that the silyl group of the compound represented by the general formula (1) reacts with and binds to the inorganic porous surface silanol group.

前記反応性乳化剤は、ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物または上記一般式(1)で表される化合物と反応し得る基を有する界面活性剤であり、反応性乳化剤としては、分子内に不飽和二重結合を少なくとも1種以上有するアニオン性及び/またはノニオン性の乳化剤が好ましく用いられる。反応性乳化剤は、分子内に疎水性基、親水性基及び反応性基を各々少なくとも1個有する化合物が好ましく、上記疎水性基は脂肪族または芳香族炭化水素基からなり、上記親水性基はポリオキシアルキレンエーテル基に代表されるノニオン性基、スルホン酸塩、カルボン酸塩、燐酸塩に代表されるアニオン性基を含有し、上記反応性基はビニルエーテル基、アリルエーテル基、ビニルフェニル基、アリルフェニル基、アクリル酸またはメタクリル酸のエステルまたはアミド基、マレイン酸等の不飽和二塩基酸のエステルまたはアミド基を含有するものが好ましい。   The reactive emulsifier is a surfactant having a group capable of reacting with a haloalkylated and sulfonated polymer compound or the compound represented by the general formula (1). An anionic and / or nonionic emulsifier having at least one unsaturated double bond is preferably used. The reactive emulsifier is preferably a compound having at least one hydrophobic group, hydrophilic group and reactive group in the molecule, and the hydrophobic group is composed of an aliphatic or aromatic hydrocarbon group, and the hydrophilic group is Contains a nonionic group typified by a polyoxyalkylene ether group, an anionic group typified by a sulfonate, a carboxylate, and a phosphate, and the reactive group includes a vinyl ether group, an allyl ether group, a vinyl phenyl group, Those containing an allylphenyl group, an ester or amide group of acrylic acid or methacrylic acid, or an ester or amide group of an unsaturated dibasic acid such as maleic acid are preferred.

上記反応性乳化剤としては、例えば、特開昭62−22803号公報、同62−104802号公報、同62−104803号公報、同62−221431号公報、同62−221432号公報、同62−225237号公報、同62−244430号公報、同62−286528号公報、同62−289228号公報、同62−289229号公報、同63−12334号公報、同63−54930号公報、同63−77530号公報、同63−77531号公報、同63−77532号公報、同63−84624号公報、同63−84625号公報、同63−126535号公報、同63−126536号公報、同63−147530号公報、同63−319035号公報、特開平1−11630号公報、同1−22338号公報、同1−22627号公報、同1−22628号公報、同1−30632号公報、同1−34430号公報、同1−34431号公報、同1−34432号公報、同1−99638号公報、同1−99639号公報、同4−50204号公報、同4−53802号公報、同4−55401号公報に記載されたものが挙げられる。   Examples of the reactive emulsifier include, for example, JP-A-62-22803, JP-A-62-2104802, JP-A-62-2104803, JP-A-62-221431, JP-A-62-221432, and JP-A-62-2225237. Nos. 62-244430, 62-286528, 62-289228, 62-289229, 63-12334, 63-54930, 63-77530 Gazette, 63-77531, 63-77532, 63-84624, 63-84625, 63-126535, 63-126536, 63-147530 63-139035, JP-A-1-11630, 1-222338, 1 No. 22627, No. 1-2628, No. 1-33062, No. 1-334430, No. 1-33441, No. 1-34342, No. 1-99638, No. 1-99639 No. 4-50204, No. 4-53802, and No. 4-55401.

また、上記反応性乳化剤の具体例としては、例えば、1−(メタ)アリロキシ−2−ヒドロキシプロパン、(メタ)アクリロイルオキシ−2−ヒドロキシプロパン、(メタ)アリロキシカルボニルメチル−3−アルコキシ(ポリオキシアルキレノキシ)−2−ヒドロキシプロパン、アルキルフェノキシ(ポリオキシアルキレノキシ)−2−ヒドロキシプロパンまたはアシロキシ(ポリオキシアルキレノキシ)−2−ヒドロキシプロパンまたはそのアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸または燐酸エステルまたはその塩、ビスフェノール化合物またはグリコール化合物のアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸または燐酸エステルまたはその塩、ビニルまたはアリルフェノール化合物のアルキレンオキシド付加物あるいはこれらの硫酸または燐酸エステルまたはその塩、スルホコハク酸のモノアリル−モノアルキルエステルまたはその塩、スルホコハク酸のモノ(3−アリロキシ−2−ヒドロキシプロピル)−モノアルキルエステルまたはその塩等が挙げられる。   Specific examples of the reactive emulsifier include, for example, 1- (meth) allyloxy-2-hydroxypropane, (meth) acryloyloxy-2-hydroxypropane, (meth) allyloxycarbonylmethyl-3-alkoxy (poly Oxyalkylenoxy) -2-hydroxypropane, alkylphenoxy (polyoxyalkylenoxy) -2-hydroxypropane, or acyloxy (polyoxyalkylenoxy) -2-hydroxypropane or an alkylene oxide adduct thereof, or a sulfuric acid thereof. An alkylene oxide adduct of a phosphoric acid ester or salt thereof, a bisphenol compound or a glycol compound, or a sulfuric acid or phosphoric acid ester or salt thereof, an alkylene oxide adduct of a vinyl or allyl phenol compound or Et sulfuric or phosphoric acid ester, or a salt thereof, monoallyl of sulfosuccinic acid - mono alkyl ester or a salt thereof, the sulfosuccinic acid mono (3-allyloxy-2-hydroxypropyl) - monoalkyl esters or salts thereof.

具体的には、「アデカリアソープNE」、「アデカリアソープSE」、「アデカリアソープER」、「アデカリアソープSR」、「アデカリアソープPP」、「アデカリアソープPPE」(商品名、旭電化(株)製)、「アクアロンKH」、「アクアロンHS」、「アクアロンBC」、「アクアロンRN」、「ニューフロンティア」(商品名、第一工業製薬(株)製)、「エレミノールES」、「エレミノールJS」、「エレミノールRS」、「エレミノールMON」、「エレミノールHA」(商品名、三洋化成工業(株)製)、「ラテムル」(商品名、花王(株)製)等が挙げられるが、これらに限られるものではない。これらの反応性乳化剤は一種または二種以上を組み合わせて使用してもよい。   Specifically, “Adekaria soap NE”, “Adekaria soap SE”, “Adekaria soap ER”, “Adekaria soap SR”, “Adekaria soap PP”, “Adekaria soap PPE” (trade name, Asahi Denka Co., Ltd.), “Aqualon KH”, “Aquaron HS”, “Aquaron BC”, “Aquaron RN”, “New Frontier” (trade name, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.), “Eleminol ES” , “Eleminol JS”, “Eleminol RS”, “Eleminol MON”, “Eleminol HA” (trade name, manufactured by Sanyo Chemical Industries), “Latemuru” (trade name, manufactured by Kao Corp.), etc. However, it is not limited to these. These reactive emulsifiers may be used alone or in combination of two or more.

無機多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填する方法は特に限定されるものでなく、例えば、多孔質膜に前記プロトン伝導性ポリマー溶液を塗布する方法、多孔質膜を前記プロトン伝導性ポリマー溶液に浸漬する方法などにより、多孔質膜の細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填することができる。その際、超音波を使用したり、減圧にすることによりプロトン伝導性ポリマーを細孔中に充填し易くすることができる。   The method of filling the proton conductive polymer into the pores of the inorganic porous membrane is not particularly limited. For example, the method of applying the proton conductive polymer solution to the porous membrane, The proton conductive polymer can be filled into the pores of the porous membrane by a method of immersing in a conductive polymer solution. At that time, it is possible to easily fill the pores with the proton conductive polymer by using ultrasonic waves or reducing the pressure.

好ましくはプロトン伝導性ポリマーの前駆体(前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物、前記一般式(1)で表される化合物、前記反応性乳化剤等)及び触媒、重合開始剤等を含有する溶液を多孔質膜の細孔中に充填し、熱反応や光反応等、従来より知られている適宜の方法により、In−situ反応させ、プロトン伝導性ポリマーとする方法である。その際、超音波を使用したり、減圧にすることにより前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体等を含有する溶液を細孔中に充填し易くすることができる。無機多孔質膜の細孔表面を親水化処理した後に、前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体等を含有する溶液を多孔質膜の細孔中に充填させ、In−situ反応する方法も好ましい。また、前記プロトン伝導性ポリマーの前駆体及び触媒等を含有する溶液の粘度を適宜に調整して、細孔中に充填し易くすることも好ましい。   Preferably, it contains a precursor of a proton conductive polymer (the haloalkylated and sulfonated polymer compound, the compound represented by the general formula (1), the reactive emulsifier, etc.), a catalyst, a polymerization initiator, and the like. In this method, the solution is filled in the pores of the porous membrane and subjected to an in-situ reaction by an appropriate method known in the art such as thermal reaction or photoreaction to form a proton conductive polymer. At that time, it is possible to easily fill the pores with a solution containing the precursor of the proton conductive polymer or the like by using ultrasonic waves or reducing the pressure. A method is also preferred in which after the surface of the pores of the inorganic porous membrane is hydrophilized, a solution containing the proton conductive polymer precursor or the like is filled in the pores of the porous membrane and subjected to in-situ reaction. It is also preferable to adjust the viscosity of the solution containing the proton conductive polymer precursor, the catalyst, and the like as appropriate so that the pores can be easily filled.

前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物、前記一般式(1)で表される化合物、前記反応性乳化剤等を反応させる方法としては、ハロアルキルを開裂させ反応させる方法、重合開始剤を用いて不飽和結合を反応させる方法、シリル基を反応させる方法等が好ましく用いられる。ハロアルキル基を開裂させ反応させる方法としては、ルイス酸やHF、H2SO4、H3PO4などのプロトン酸によりイオン的に開裂させる方法、あるいは紫外線、電子線などの光、あるいは熱によりラジカル的に開裂させる方法などが用いられるが、光あるいは熱を用いる方法が好適である。As a method of reacting the haloalkylated and sulfonated polymer compound, the compound represented by the general formula (1), the reactive emulsifier, etc., a method of cleaving haloalkyl to react, a polymerization initiator is used. A method of reacting an unsaturated bond, a method of reacting a silyl group, and the like are preferably used. As a method of cleaving and reacting a haloalkyl group, a method of ionically cleaving with a protonic acid such as Lewis acid, HF, H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , or a radical by light such as ultraviolet rays or electron beams, or heat. A method of cleaving is used, but a method using light or heat is preferred.

前記重合開始剤としては、従来より知られているものを適宜に用いればよい。例えば、熱重合開始剤として、2,2′−アゾビスイソブチロニトリル、2,2′−アゾビスプロピオニトリル等のアゾビスニトリル系化合物、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、過酸化アセチル、過安息香酸t−ブチル、α−クミルヒドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、t−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、過酸類、アルキルパーオキシカルバメート類、ニトロソアリールアシルアミン類等の有機過酸化物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過塩素酸カリウム等の無機過酸化物、ジアゾアミノベンゼン、p−ニトロベンゼンジアゾニウム、アゾビス置換アルカン類、ジアゾチオエーテル類、アリールアゾスルフォン類等のアゾまたはジアゾ系化合物、ニトロソフェニル尿素、テトラメチルチウラムジスルフィド、ジアリールジスルフィド類、ジベンゾイルジスルフィド、テトラアルキルチウラムジスルフィド類、ジアルキルキサントゲン酸ジスルフィド類、アリールスルフィン酸類、アリールアルキルスルフォン類、1−アルカンスルフィン酸類等を挙げることができる。   What is necessary is just to use what is conventionally known as said polymerization initiator suitably. For example, as a thermal polymerization initiator, azobisnitrile compounds such as 2,2′-azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobispropionitrile, benzoyl peroxide, lauroyl peroxide, acetyl peroxide, T-Butyl perbenzoate, α-cumyl hydroperoxide, di-t-butyl peroxide, diisopropyl peroxydicarbonate, t-butyl peroxyisopropyl carbonate, peracids, alkyl peroxycarbamates, nitrosoaryl acylamines Such as organic peroxides, inorganic peroxides such as potassium persulfate, ammonium persulfate, potassium perchlorate, diazoaminobenzene, p-nitrobenzenediazonium, azobis-substituted alkanes, diazothioethers, arylazosulfones, etc. Azo or diazo compounds, Torosofeniru urea, tetramethyl thiuram disulfide, diaryl disulfides, dibenzoyl disulfide, tetraalkyl thiuram disulfides, dialkyl xanthate disulfides, aryl sulfinic acids, arylalkyl sulfonic acids, may be mentioned 1-alkanoic sulfinic acids and the like.

これらの中で特に好ましいものは常温での安定性に優れ、加熱時の分解速度が速い化合物であり、開始剤は全重合性の組成物中、通常0.1〜30質量%が好ましく、0.5〜20質量%の範囲がより好ましい。   Among these, particularly preferred are compounds that are excellent in stability at normal temperature and have a fast decomposition rate during heating, and the initiator is preferably 0.1 to 30% by mass in the total polymerizable composition. The range of 0.5-20 mass% is more preferable.

光重合開始剤としては、R−(CO)x−R′(R、R′=水素原子または炭化水素基、x=2〜3)により表される隣接ポリケトン化合物類(例えば、ジアセチル、ジベンジル等)、R−CO−CHOH−R′(R、R′=水素または炭化水素基)により表されるカルボニルアルコール類(例えば、ベンゾイン等)、R−CH(OR″)−CO−R′(R、R′、R″=炭化水素基)により表されるアシロイン・エーテル類(例えば、ベンゾインメチルエーテル等)、Ar−CR(OH)−CO−Ar(Ar=アリール基、R=炭化水素基)により表される置換アシロイン類(例えば、α−アルキルベンゾイン等)、及び多核キノン類(例えば、9,10−アンスラキノン等)等を挙げることができる。As photopolymerization initiators, adjacent polyketone compounds represented by R— (CO) x —R ′ (R, R ′ = hydrogen atom or hydrocarbon group, x = 2 to 3) (for example, diacetyl, dibenzyl, etc.) ), Carbonyl alcohols represented by R—CO—CHOH—R ′ (R, R ′ = hydrogen or hydrocarbon group) (for example, benzoin, etc.), R—CH (OR ″) — CO—R ′ (R , R ′, R ″ = hydrocarbon group), acyloin ethers (eg, benzoin methyl ether), Ar—CR (OH) —CO—Ar (Ar = aryl group, R = hydrocarbon group) And substituted acyloins represented by the formula (for example, α-alkylbenzoin and the like) and polynuclear quinones (for example, 9,10-anthraquinone and the like).

光重合開始剤の使用量は、不飽和化合物の合計質量に対して0.5〜5質量%の範囲が好ましく、より好ましくは1〜3質量%の範囲である。触媒、重合開始剤はそれぞれ単独でまたは併用して使用することができる。   The amount of the photopolymerization initiator used is preferably in the range of 0.5 to 5% by mass, more preferably in the range of 1 to 3% by mass with respect to the total mass of the unsaturated compounds. The catalyst and the polymerization initiator can be used alone or in combination.

前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と一般式(1)で表される化合物との質量比は、100:0.1〜1:1の範囲が好ましく、前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と反応性乳化剤との質量比は、100:0.1〜1:1の範囲が好ましい。   The mass ratio between the haloalkylated and sulfonated polymer compound and the compound represented by the general formula (1) is preferably in the range of 100: 0.1 to 1: 1. The mass ratio between the polymer compound and the reactive emulsifier is preferably in the range of 100: 0.1 to 1: 1.

なお、前記プロトン伝導性ポリマーのイオン交換容量としては、0.5〜5.0ミリ当量/g乾燥樹脂、好ましくは1.0〜4.5ミリ当量/g乾燥樹脂である。イオン交換容量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂より小さい場合はイオン伝導抵抗が大きくなり、4.5ミリ当量/g乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる。   The ion exchange capacity of the proton conductive polymer is 0.5 to 5.0 meq / g dry resin, preferably 1.0 to 4.5 meq / g dry resin. When the ion exchange capacity is smaller than 0.5 meq / g dry resin, the ion conduction resistance is increased, and when the ion exchange capacity is greater than 4.5 meq / g dry resin, it is easily dissolved in water.

前記イオン交換容量は次の測定方法により求めることができる。まず、前記プロトン伝導性ポリマーを2mol/Lの塩化ナトリウム水溶液に5分間程度浸漬し、酸性基のプロトンをナトリウムに置換する。ナトリウム置換により溶液中に遊離してきたプロトンに対し、濃度既知の水酸化ナトリウムによる中和滴定を行う。そして、前記プロトン伝導性ポリマーの乾燥質量(W)と中和滴定に要した水酸化ナトリウムの容量(V)からプロトンの量(H+)を算出し、次式によりイオン交換容量(meq/g)を求める。なお次式は、0.05mol/LのNaOH水溶液で中和滴定を行った場合の例を示している。The ion exchange capacity can be determined by the following measurement method. First, the proton conductive polymer is immersed in a 2 mol / L sodium chloride aqueous solution for about 5 minutes to replace the proton of the acidic group with sodium. Neutralization titration with sodium hydroxide of known concentration is performed on protons liberated in the solution by sodium substitution. Then, to calculate the amount of protons from the dry weight of the proton conductive polymer (W) and volume of sodium hydroxide required for neutralization titration (V) (H +), ion-exchange capacity by the following equation (meq / g ) The following formula shows an example when neutralization titration is performed with a 0.05 mol / L NaOH aqueous solution.

イオン交換容量(meq/g)=H+/W=(0.05V×10-3/W)×103
本発明のプロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は特に制限はないが、通常は500μm以下であり、好ましくは300μm以下、より好ましくは50〜200μmである。膜厚は1/10000シックネスゲージで測定できる。平均膜厚は任意の箇所を5点を測定し、その平均を算出することにより求めることができる。
Ion exchange capacity (meq / g) = H + /W=(0.05 V × 10 −3 / W) × 10 3
The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but is usually 500 μm or less, preferably 300 μm or less, more preferably 50 to 200 μm. The film thickness can be measured with a 1/10000 thickness gauge. The average film thickness can be obtained by measuring five points at arbitrary locations and calculating the average.

本発明のプロトン伝導性電解質膜は燃料電池に用いることができる。燃料電池の中でもメタノール燃料電池が好ましく、特に直接メタノール型固体高分子燃料電池が好ましい。   The proton conductive electrolyte membrane of the present invention can be used for a fuel cell. Among the fuel cells, a methanol fuel cell is preferable, and a direct methanol solid polymer fuel cell is particularly preferable.

次に、直接メタノール型固体高分子燃料電池について、図1を参照して説明する。図1は、本発明のプロトン伝導性電解質膜を電解質膜して用いた直接メタノール型固体高分子燃料電池の一実施形態を示す概略図である。   Next, a direct methanol solid polymer fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a direct methanol type solid polymer fuel cell using the proton conductive electrolyte membrane of the present invention as an electrolyte membrane.

図1において、それぞれ符号1は電解質膜、符号2はアノード極(燃料極)、符号3はカソード極(空気極)、符号4は外部回路を表す。燃料としてはメタノール水溶液Aを用いる。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an electrolyte membrane, reference numeral 2 denotes an anode electrode (fuel electrode), reference numeral 3 denotes a cathode electrode (air electrode), and reference numeral 4 denotes an external circuit. A methanol aqueous solution A is used as the fuel.

アノード極2では、メタノールは水と反応して二酸化炭素と水素イオン(H+)を生成して電子(e-)を放出する。水素イオン(H+)は、電解質1を通ってカソード極3に向い、電子(e-)は外部回路4に流れる。一方、二酸化炭素を含むメタノール成分が減少した水溶液A′は系外に排出される。アノード極2での反応は下記式で表される。In the anode 2, methanol electrons to generate by reacting with water the carbon dioxide and hydrogen ions (H +) - releasing (e). Hydrogen ions (H + ) pass through the electrolyte 1 to the cathode electrode 3, and electrons (e ) flow to the external circuit 4. On the other hand, the aqueous solution A ′ in which the methanol component containing carbon dioxide is reduced is discharged out of the system. The reaction at the anode 2 is represented by the following formula.

CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
カソード極3では、空気B中の酸素と電解膜1を通ってきた水素イオン(H+)と外部回路4からきた電子(e-)とが反応して水を生成する。一方、水を含む酸素が減少した空気B′は系外に排出される。カソード極3での反応は下記式で表される。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e
At the cathode 3, oxygen in the air B reacts with hydrogen ions (H + ) that have passed through the electrolytic membrane 1 and electrons (e ) that have come from the external circuit 4 to generate water. On the other hand, the air B ′ in which oxygen containing water is reduced is discharged out of the system. The reaction at the cathode electrode 3 is represented by the following formula.

3/2O2+6H++6e-→3H2
燃料電池の全体の反応としては次式のようになる。
3 / 2O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O
The overall reaction of the fuel cell is as follows:

CH3OH+3/2O2→CO2+2H2
アノード極2の構造は従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。また、カソード極3の構造も従来から知られている構造とすることができる。例えば、電解質1側から触媒層及び触媒層を支持する支持体から構成される。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
The structure of the anode 2 can be a conventionally known structure. For example, it is comprised from the support body which supports a catalyst layer and a catalyst layer from the electrolyte 1 side. The structure of the cathode electrode 3 can also be a conventionally known structure. For example, it is comprised from the support body which supports a catalyst layer and a catalyst layer from the electrolyte 1 side.

アノード極2及びカソード極3の触媒としては、公知の触媒を用いることができる。例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、金などの貴金属触媒、また白金−ルテニウム、鉄−ニッケル−コバルト−モリブデン−白金などの合金が用いられる。   As the catalyst for the anode electrode 2 and the cathode electrode 3, known catalysts can be used. For example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, iridium, gold, or an alloy such as platinum-ruthenium, iron-nickel-cobalt-molybdenum-platinum, or the like is used.

触媒層は導電性を改善する目的で電子伝導体(導電材)材料を含むことが好ましい。電子伝導体(導電材)としては特に限定されるものではないが、電子伝導性と耐触性の点から無機導電性物質が好ましく用いられる。中でもカーボンブラック、黒鉛質や炭素質の炭素材、あるいは金属や半金属が挙げられる。ここで炭素材としては、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが、電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。特に、白金担持カーボンなどのように触媒を担持した電子伝導体(導電材)が好ましく用いられる。   The catalyst layer preferably contains an electron conductor (conductive material) material for the purpose of improving conductivity. The electron conductor (conductive material) is not particularly limited, but an inorganic conductive material is preferably used from the viewpoints of electron conductivity and touch resistance. Among these, carbon black, graphite and carbonaceous carbon materials, metals and metalloids are mentioned. Here, as the carbon material, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used in view of electron conductivity and specific surface area. In particular, an electron conductor (conductive material) that supports a catalyst such as platinum-supported carbon is preferably used.

固体高分子電解質膜と電極とを接合して膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を製造する方法としては、例えば、カーボン粒子に担持させた白金触媒粉をポリテトラフロロエチレン懸濁液と混合し、カーボンペーパーに塗布し、熱処理して触媒層を形成後、電解質膜と同一の電解質溶液を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスして一体化する方法がある。この他、電解質膜と同一の電解質溶液を予め白金触媒粉にコーティングする方法、触媒ペーストを電解質膜へ塗布する方法、電解質膜に電極を無電解メッキする方法、電解質膜に白金属の金属錯イオンを吸着させた後、還元する方法等がある。   As a method for producing a membrane-electrode assembly (MEA) by joining a solid polymer electrolyte membrane and an electrode, for example, a polytetrafluoroethylene suspension of platinum catalyst powder supported on carbon particles is used. There is a method in which a catalyst layer is formed by mixing with a carbon paper, heat-treating to form a catalyst layer, applying the same electrolyte solution as the electrolyte membrane to the catalyst layer, and hot-pressing with the electrolyte membrane for integration. In addition, a method in which the same electrolyte solution as the electrolyte membrane is coated on platinum catalyst powder in advance, a method in which a catalyst paste is applied to the electrolyte membrane, a method in which an electrode is electrolessly plated on the electrolyte membrane, and a metal complex ion of white metal on the electrolyte membrane There is a method of reducing after adsorbing.

以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された集電体としての燃料配流板(セパレータ)と、酸化剤配流板(セパレータ)とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。   A fuel distribution plate (separator) as a current collector in which grooves for forming a fuel flow path and an oxidant flow path are formed outside the joined body of the electrolyte membrane and the electrode produced as described above, and an oxidant A fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells via a cooling plate or the like, with a single cell provided with a flow distribution plate (separator).

本発明を実施例に基づき更に詳しく説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the examples.

実施例1
〈多孔質膜の作製〉
〈多孔質膜No.1の作製〉
ポリスチレン微粒子(モリテックス社製5008B、平均粒径80nm)とコロイダルシリカ(日産化学社製スノーテックス50、一次平均粒径20nm)の混合物(ポリスチレン微粒子70体積%、コロイダルシリカ30体積%)を、希薄界面活性剤水溶液中に高速ホモジナイザーを用いて撹拌、分散させた。分散液の濃度は20質量%となるようにした。それぞれの分散液をポリエチレンテレフタレート支持体上に、バーコーターを用いて乾燥後の膜厚が150μmとなるように塗布、乾燥し、乾燥後、ポリエチレンテレフタレート支持体を剥離し、昇温スピード60℃/時間で600℃まで昇温させ、600℃で3時間仮焼成後、昇温スピード120℃/時間で1000℃まで昇温させ、1000℃で3時間焼成し、多孔質膜No.1を作製した。
Example 1
<Preparation of porous membrane>
<Porous membrane no. 1 production>
A mixture of polystyrene fine particles (Molytex 5008B, average particle size 80 nm) and colloidal silica (Nissan Chemical Snowtex 50, primary average particle size 20 nm) (polystyrene fine particles 70% by volume, colloidal silica 30% by volume) is diluted with The mixture was stirred and dispersed in the aqueous activator solution using a high-speed homogenizer. The concentration of the dispersion was set to 20% by mass. Each dispersion was applied onto a polyethylene terephthalate support using a bar coater so that the film thickness after drying was 150 μm, dried, and after drying, the polyethylene terephthalate support was peeled off, and the temperature increase rate was 60 ° C. / The temperature was raised to 600 ° C. for 3 hours, and after preliminary firing at 600 ° C. for 3 hours, the temperature was raised to 1000 ° C. at a heating rate of 120 ° C./hour and fired at 1000 ° C. for 3 hours. 1 was produced.

〈多孔質膜No.2〜4の作製〉
多孔質膜No.1において、ポリスチレン微粒子とコロイダルシリカを表1のように代えた以外は、多孔質膜No.1と同様にして多孔質膜No.2〜4を作製した。
<Porous membrane no. Preparation of 2 to 4>
Porous membrane no. 1 except that the polystyrene fine particles and colloidal silica were replaced as shown in Table 1. As in the case of porous membrane No. 1 2 to 4 were produced.

但し、ポリスチレン微粒子の平均粒径が220nm、430nmのものは、それぞれモリテックス社製5022B、5043Bを使用した。また、コロイダルシリカの一次平均粒径が50nm、100nmのものは、それぞれ日産化学社製スノーテックスYL、スノーテックスMPを使用した。   However, when the average particle size of polystyrene fine particles was 220 nm and 430 nm, 5022B and 5043B manufactured by Moritex Corporation were used, respectively. Moreover, when the primary average particle diameters of colloidal silica were 50 nm and 100 nm, Snowtex YL and Snowtex MP manufactured by Nissan Chemical Co., respectively were used.

多孔質膜No.1〜4の細孔径及び空隙率を表1に記した。空隙率は単位面積当S(cm2)あたりの質量W(g)、平均厚みt(μm)及び密度d(g/cm3)から次式により算出した。Porous membrane no. The pore diameters and porosity of 1-4 are shown in Table 1. The porosity was calculated by the following formula from the mass W (g) per unit area S (cm 2 ), the average thickness t (μm), and the density d (g / cm 3 ).

空隙率(%)=(1−(104・W/(S・t・d)))×100
平均細孔径の測定は、例えば、島津製作所社製ポアサイザー9320を用い、水銀圧入法により測定した。
Porosity (%) = (1- (10 4 · W / (S · t · d))) × 100
The average pore diameter was measured, for example, by a mercury intrusion method using a pore sizer 9320 manufactured by Shimadzu Corporation.

〔プロトン伝導性電解質膜の製造〕
〔プロトン伝導性電解質膜No.1の製造〕
上記で作製した多孔質膜No.1に下記の方法でプロトン伝導性ポリマーを充填し、プロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1)を製造した。
[Production of proton conducting electrolyte membrane]
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 1]
Porous membrane No. produced above. 1 was filled with a proton conductive polymer by the following method to produce a proton conductive electrolyte membrane (electrolyte membrane No. 1).

N,N−ジメチルアセトアミド中に、クロロメチル化及びスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランを質量比で100:15となるよう混合し、減圧下で混合液の中に多孔質膜を浸漬させた。このように処理した多孔質膜をポリエチレンテレフタレート製フィルムに挟んで加熱し、100℃で5時間乾燥することにより、プロトン伝導性電解質膜を作製した。プロトン伝導性電解質膜の平均膜厚は150μmであった。平均膜厚はシックネスゲージで任意の箇所を5点測定し、その平均を算出して求めた。   In N, N-dimethylacetamide, chloromethylated and sulfonated polyetheretherketone and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane are mixed at a mass ratio of 100: 15, and the mixture is mixed under reduced pressure. The porous membrane was immersed. The porous membrane thus treated was sandwiched between polyethylene terephthalate films, heated, and dried at 100 ° C. for 5 hours to produce a proton conductive electrolyte membrane. The average film thickness of the proton conductive electrolyte membrane was 150 μm. The average film thickness was obtained by measuring five arbitrary points with a thickness gauge and calculating the average.

〔プロトン伝導性電解質膜No.2〜12の製造〕
プロトン伝導性電解質膜No.1において、クロロメチル化及びスルホン化された高分子化合物、一般式(1)で表される化合物及び反応性乳化剤を表2のように代えた以外は、プロトン伝導性電解質膜No.1と同様にしてプロトン伝導性電解膜No.2〜12を作製した。
[Proton conducting electrolyte membrane No. Production of 2-12]
Proton conductive electrolyte membrane No. 1 except that the chloromethylated and sulfonated polymer compound, the compound represented by the general formula (1) and the reactive emulsifier were changed as shown in Table 2. In the same manner as in No. 1, proton conductive electrolyte membrane No. 1 2 to 12 were produced.

〔プロトン伝導性電解質膜の評価〕
比較としてナフィオン117(デュポン社製)も用意した。
[Evaluation of proton conducting electrolyte membrane]
For comparison, Nafion 117 (manufactured by DuPont) was also prepared.

(プロトン伝導度)
プロトン伝導性電解質膜を水中(25℃)で膨潤させ、その後2枚の白金電極に挟んで、ヒューレットパッカード社製LCRメーターHP4284Aを用いて、インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を算出した。
(Proton conductivity)
The proton-conducting electrolyte membrane was swollen in water (25 ° C.), and then sandwiched between two platinum electrodes. Impedance was measured using an LCR meter HP4284A manufactured by Hewlett-Packard Co., and proton conductivity was calculated.

(メタノール透過性)
図2のH型セルにプロトン伝導性電解質膜を挟み、Aセルに入れた2mol/Lメタノール水溶液からBセルの純水中に透過してくるメタノール量を、島津製作所社製ガスクロマトグラフィー(GC−14B)で測定した。結果を表3に示す。
(Methanol permeability)
A proton-conducting electrolyte membrane is sandwiched between the H-type cell of FIG. 2, and the amount of methanol permeating from the 2 mol / L aqueous methanol solution in the A cell into the pure water of the B cell is measured by gas chromatography (GC -14B). The results are shown in Table 3.

表3の結果から、本発明のプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜10)はプロトン伝導性が高く、メタノール透過性が低いことがわかる。比較のプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.11、12)はナフィオン117と同様にプロトン伝導性は高いが、メタノール透過性が高いという欠点があることがわかる。   From the results of Table 3, it can be seen that the proton conductive electrolyte membranes (electrolyte membranes No. 1 to 10) of the present invention have high proton conductivity and low methanol permeability. It can be seen that the comparative proton conductive electrolyte membranes (electrolyte membranes No. 11 and 12) have high proton conductivity as well as Nafion 117, but have the disadvantage of high methanol permeability.

〔燃料電池の作製と評価〕
作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜12)及び比較試料としてナフィオン117を用いて膜−電極接合体(MEA)を下記の方法で作製し、評価した。
[Fabrication and evaluation of fuel cells]
A membrane-electrode assembly (MEA) was produced and evaluated by the following method using the produced proton conductive electrolyte membrane (electrolyte membrane Nos. 1 to 12) and Nafion 117 as a comparative sample.

〈電極の作製〉
炭素繊維クロス基材にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で撥水処理を行った後、PTFEを20質量%含むカーボンブラック分散液を塗工、焼成して電極基材を作製した。この電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるアノード電極触媒塗液を塗工、乾燥してアノード電極を、またPt担持カーボンとナフィオン(デュポン社製)溶液からなるカソード電極触媒塗液を塗工、乾燥してカソード電極を作製した。
<Production of electrode>
The carbon fiber cloth substrate was subjected to water repellent treatment with polytetrafluoroethylene (PTFE), and then a carbon black dispersion containing 20% by mass of PTFE was applied and baked to prepare an electrode substrate. On this electrode base material, an anode electrode catalyst coating solution composed of Pt-Ru-supported carbon and Nafion (DuPont) solution is applied and dried to form an anode electrode, and Pt-supported carbon and Nafion (DuPont) solution. A cathode electrode catalyst coating liquid consisting of was applied and dried to produce a cathode electrode.

〈膜−電極接合体(MEA)の作製〉
作製したプロトン伝導性電解質膜(電解質膜No.1〜12)及びナフィオン117を、それぞれアノード電極とカソード電極で夾持し、加熱プレスすることで膜−電極複合体(MEA)(MEA−No.1〜12)及びMEA−ナフィオン117を作製した。この膜−電極接合体(MEA)をセパレータに挟み、アノード側に3%メタノール水溶液、カソード側に空気を流して燃料電池を作動し、電流電圧特性の評価を行った。電圧0.4Vでの電流密度を表4に示す。
<Production of membrane-electrode assembly (MEA)>
The produced proton conductive electrolyte membranes (electrolyte membranes No. 1 to 12) and Nafion 117 were each held between an anode electrode and a cathode electrode, and heated and pressed to thereby form a membrane-electrode assembly (MEA) (MEA-No. 1-12) and MEA-Nafion 117 were prepared. This membrane-electrode assembly (MEA) was sandwiched between separators, and a fuel cell was operated by flowing a 3% aqueous methanol solution on the anode side and air on the cathode side, and the current-voltage characteristics were evaluated. Table 4 shows the current density at a voltage of 0.4V.

表4の結果から、本発明に係る膜−電極接合体(MEA)(MEA−No.1〜10)は、比較の膜−電極接合体(MEA)(MEA−No.11、12)及びMEA−ナフィオン117に比べて、電流密度が大きいことがわかる。   From the results of Table 4, the membrane-electrode assembly (MEA) (MEA-No. 1 to 10) according to the present invention is a comparative membrane-electrode assembly (MEA) (MEA-No. 11, 12) and MEA. -It can be seen that the current density is higher than that of Nafion 117.

Claims (16)

細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にプロトン伝導性ポリマーを充填したプロトン伝導性電解質膜であって、該プロトン伝導性ポリマーがハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と下記一般式(1)で表される化合物との反応生成物であることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜。
(式中、R1は炭素数4以下のアルキル基を表し、R2は任意の有機基を表し、m、nはいずれも1〜3の整数である。但し、m+n=4であり、mが2または3のときR2は異なる有機基であってもよい。)
A proton conductive electrolyte membrane having a pore-containing inorganic porous membrane filled with a proton conductive polymer, wherein the proton conductive polymer is a haloalkylated and sulfonated polymer compound and the following general formula: A proton conductive electrolyte membrane which is a reaction product with the compound represented by (1).
(Wherein R 1 represents an alkyl group having 4 or less carbon atoms, R 2 represents an arbitrary organic group, and m and n are each an integer of 1 to 3, provided that m + n = 4, m When R is 2 or 3, R 2 may be a different organic group.)
前記プロトン伝導性ポリマーが、前記ハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と請求の範囲第1項に記載の一般式(1)で表される化合物と反応性乳化剤との反応生成物であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive polymer is a reaction product of the haloalkylated and sulfonated polymer compound, the compound represented by the general formula (1) according to claim 1, and a reactive emulsifier. The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein: 前記無機多孔質膜が、無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子及び該有機粒子を支持体上に保持させる工程、ならびに前記工程の後に該無機粒子、該有機粒子及び該支持体を焼成する工程を経て得られた無機多孔質膜であることを特徴とする請求の範囲第1または第2項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 A step of holding the inorganic particles and the organic particles on a support using a dispersion liquid containing inorganic particles and organic particles, and the inorganic particles, the organic particles and the support after the steps; The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1 or 2, which is an inorganic porous membrane obtained through a step of firing the body. 前記無機粒子の一次平均粒径が10〜100nmであることを特徴とする請求の範囲第3項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 4. The proton conductive electrolyte membrane according to claim 3, wherein the inorganic particles have a primary average particle size of 10 to 100 nm. 前記高分子化合物がポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラフェニレン、ポリフェンレンオキシドおよびポリイミドから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求の範囲第1〜4項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The polymer compound is at least one selected from polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyparaphenylene, polyphenylene oxide, and polyimide. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4. 前記プロトン伝導性ポリマーが架橋構造を有することを特徴とする請求の範囲第1〜5項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the proton conductive polymer has a crosslinked structure. 前記一般式(1)で表される化合物のR2がエポキシ基、スチリル基、メタクリロキシ基、アクリロキシ基、アミノアルキル基またはビニル基のうちの少なくとも1種を有する有機基であることを特徴とする請求の範囲第1〜6項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。R 2 of the compound represented by the general formula (1) is an organic group having at least one of an epoxy group, a styryl group, a methacryloxy group, an acryloxy group, an aminoalkyl group, and a vinyl group. The proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6. 前記無機多孔質膜の平均細孔径が10〜450nmであることを特徴とする請求の範囲第1〜7項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the inorganic porous membrane has an average pore diameter of 10 to 450 nm. 前記無機多孔質膜の空隙率が40〜95%であることを特徴とする請求の範囲第1〜8項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8, wherein the porosity of the inorganic porous membrane is 40 to 95%. 前記反応生成物が、前記細孔中で反応して生成した反応生成物であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to claim 1, wherein the reaction product is a reaction product generated by a reaction in the pores. 前記反応生成物が、前記細孔中で反応して生成した反応生成物であることを特徴とする請求の範囲第2項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 3. The proton conductive electrolyte membrane according to claim 2, wherein the reaction product is a reaction product generated by a reaction in the pores. 前記無機粒子を5〜60体積%、前記有機粒子を40〜95体積%の割合で用いることを特徴とする請求の範囲第3〜11項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 3 to 11, wherein the inorganic particles are used in a proportion of 5 to 60% by volume and the organic particles are used in a proportion of 40 to 95% by volume. 前記無機粒子及び有機粒子を含む分散液を用いて該無機粒子及び該有機粒子を支持体上に保持させる工程が、塗布工程であることを特徴とする請求の範囲第3〜12項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜。 The step of holding the inorganic particles and the organic particles on a support using the dispersion liquid containing the inorganic particles and the organic particles is a coating step, and any one of claims 3 to 12 2. The proton conductive electrolyte membrane according to item 1. カソード極、アノード極及び該両極に挟まれた電解質を有してなる固体高分子型燃料電池において、該電解質として請求の範囲第1〜13項のいずれか1項に記載のプロトン伝導性電解質膜を用いることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 14. A polymer electrolyte fuel cell comprising a cathode electrode, an anode electrode, and an electrolyte sandwiched between the two electrodes, wherein the proton conductive electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 13 is used as the electrolyte. A polymer electrolyte fuel cell using 請求の範囲第10項に記載のプロトン伝導性電解質膜を製造する製造方法であって、細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と請求の範囲第1項に記載の一般式(1)で表される化合物とを充填し、反応させることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。 A method for producing the proton-conducting electrolyte membrane according to claim 10, comprising: a polymer compound haloalkylated and sulfonated in the pores of the inorganic porous membrane having pores; A method for producing a proton-conducting electrolyte membrane, comprising filling and reacting the compound represented by the general formula (1) described in the first item of the range. 請求の範囲第11項に記載のプロトン伝導性電解質膜を製造する製造方法であって、細孔を有する無機多孔質膜の該細孔中にハロアルキル化及びスルホン化された高分子化合物と請求の範囲第1項に記載の一般式(1)で表される化合物と反応性乳化剤とを充填し、反応させることを特徴とするプロトン伝導性電解質膜の製造方法。 A method for producing a proton conducting electrolyte membrane according to claim 11, comprising a polymer compound haloalkylated and sulfonated in the pores of an inorganic porous membrane having pores. A method for producing a proton-conducting electrolyte membrane, comprising filling and reacting a compound represented by the general formula (1) according to the first aspect of the range and a reactive emulsifier.
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