JP4849892B2 - Method for manufacturing diaphragm for direct liquid fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a diaphragm for a direct liquid fuel cell.
イオン交換膜は、固体高分子型燃料電池、レドックス・フロー電池、亜鉛−臭素電池等の電池用隔膜、透析用隔膜等として汎用的に使用されている。このうち、イオン交換膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池は、燃料と酸化剤とを連続的に供給し、これらが反応した時の化学エネルギーを電力として取り出すクリーンで高効率な発電システムの一つであり、近年、低温作動や小型化の観点から自動車用途、家庭用や携帯用途としてその重要性を増している。固体高分子型燃料電池は、一般的に電解質として作用する固体高分子の隔膜の両面に触媒が坦持されたガス拡散電極を接合し、一方のガス拡散電極が存在する側の室(燃料室)に水素ガスあるいはメタノール等の液体燃料からなる燃料を、他方のガス拡散電極が存在する側の室に酸化剤である酸素や空気等の酸素含有ガスをそれぞれ供給し、両ガス拡散電極間に外部負荷回路を接続することにより、燃料電池として作用させる。中でも、メタノール等を直接燃料として用いる直接液体型燃料電池は、燃料が液体であることからその取り扱いやすさに加え、安価な燃料ということで、特に携帯機器用の比較的小出力規模の電源として期待されている。 Ion exchange membranes are widely used as membranes for batteries such as polymer electrolyte fuel cells, redox flow cells, zinc-bromine cells, and dialysis membranes. Among these, a polymer electrolyte fuel cell using an ion exchange membrane as an electrolyte is a clean and highly efficient power generation system that continuously supplies fuel and an oxidant, and extracts chemical energy as electricity when they react. In recent years, it has become increasingly important for automobile use, home use and portable use from the viewpoint of low temperature operation and miniaturization. A polymer electrolyte fuel cell generally has a gas diffusion electrode having a catalyst supported on both sides of a solid polymer diaphragm acting as an electrolyte, and a chamber (fuel chamber) on the side where one gas diffusion electrode exists. ) Is supplied with a liquid fuel such as hydrogen gas or methanol, and an oxygen-containing gas such as oxygen or air as an oxidant is supplied to the chamber on the other gas diffusion electrode side. By connecting an external load circuit, the fuel cell is operated. Above all, direct liquid fuel cells that use methanol or the like as direct fuel are not only easy to handle because the fuel is liquid, but also are inexpensive fuels, especially as a relatively small output power source for portable devices. Expected.
こうした直接液体型燃料電池の基本構造を図1に示す。図中、(1)は電池隔壁、(2)は燃料流通孔、(3)は酸化剤ガス流通孔、(4)は燃料室側拡散電極、(5)は酸化剤室側ガス放散電極、(6)は固体高分子電解質膜を示す。この直接液体型燃料電池において、燃料室(7)に供給されたアルコール等の液体燃料から燃料室側拡散電極(4)においてプロトン(水素イオン)と電子が生成し、このプロトンは固体高分子電解質(6)内を伝導し、他方の酸化剤室(8)に移動し、空気又は酸素ガス中の酸素と反応して水を生成する。この時、燃料室側拡散電極(4)で生成した電子は、外部負荷回路を通じて酸化剤室側ガス拡散電極(5)へと移動することにより電気エネルギーが得られる。 The basic structure of such a direct liquid fuel cell is shown in FIG. In the figure, (1) is a battery partition, (2) is a fuel flow hole, (3) is an oxidant gas flow hole, (4) is a fuel chamber side diffusion electrode, (5) is an oxidant chamber side gas diffusion electrode, (6) shows a solid polymer electrolyte membrane. In this direct liquid fuel cell, protons (hydrogen ions) and electrons are generated in the fuel chamber side diffusion electrode (4) from the liquid fuel such as alcohol supplied to the fuel chamber (7), and this proton is used as the solid polymer electrolyte. (6) Conducts the inside, moves to the other oxidant chamber (8), reacts with oxygen in the air or oxygen gas, and generates water. At this time, the electrons generated in the fuel chamber side diffusion electrode (4) move to the oxidant chamber side gas diffusion electrode (5) through the external load circuit to obtain electric energy.
このような構造の直接液体型燃料電池において、上記隔膜には、通常、カチオン交換膜が使用されるが、該カチオン交換膜においては、電気抵抗が小さく、物理的な強度が強いばかりでなく、燃料として使用される液体燃料の透過性が低いといった特性が要求される。例えば、液体燃料の透過性が高い場合には、イオン交換膜を燃料電池用隔膜として使用した際には、燃料室の液体燃料が酸化室側に拡散することを十分に抑えることが出来ず、大きな電池出力が得られなくなる。 In the direct liquid fuel cell having such a structure, a cation exchange membrane is usually used for the diaphragm, but the cation exchange membrane has not only low electrical resistance and high physical strength, The characteristic that the permeability | transmittance of the liquid fuel used as a fuel is low is requested | required. For example, when the permeability of the liquid fuel is high, when the ion exchange membrane is used as a diaphragm for a fuel cell, the liquid fuel in the fuel chamber cannot be sufficiently prevented from diffusing to the oxidation chamber side, Large battery output cannot be obtained.
従来、燃料電池用隔膜として使用されるカチオン交換膜としては、例えば、ポリオレフィン系やフッ素系樹脂製多孔質膜を使用して、これに、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体および架橋性重合性単量体からなる重合性組成物を充填させ重合し、該カチオン交換基を導入可能な官能基に係るイオン性基を導入する方法により得た膜が、比較的安価に製造できる他、電気抵抗が小さく、水素ガスの透過性が小さく、膨潤等による変形も少ないため好適なものとして知られている(例えば、特許文献1、2)。
Conventionally, as a cation exchange membrane used as a diaphragm for a fuel cell, for example, a polyolefin-based or fluororesin porous membrane is used, and a polymerizable unit having a functional group capable of introducing a cation-exchange group into this is used. A film obtained by a method in which a polymerizable composition comprising a monomer and a crosslinkable polymerizable monomer is filled and polymerized, and an ionic group relating to a functional group capable of introducing the cation exchange group is introduced, is relatively inexpensive. In addition, it is known as suitable because it has low electrical resistance, low hydrogen gas permeability, and little deformation due to swelling or the like (for example,
しかしながら、これらのカチオン交換膜においても、直接液体型燃料電池用隔膜として用いた場合には、アルコール等の液体燃料の透過性は十分に抑えられておらず、そのため、酸化剤室側への液体燃料の拡散が生じ、電池性能が低下するという問題があった。これを改善するためには、該カチオン交換膜を構成するカチオン交換樹脂を重合するための重合性組成物において、架橋性重合性単量体の含有量を高めて、親水性のカチオン交換基の導入量を相対的に低下させて膜の疎水性を高め、且つ膜の架橋度も高めて緻密な膜とする手法がある程度に有効であるが、この場合、一方で膜の電気抵抗が増大して電池出力が低下する問題が引き起こされ、実用上満足できる前記燃料電池用隔膜は得られなかった。 However, even in these cation exchange membranes, when used as a diaphragm for a direct liquid fuel cell, the permeability of liquid fuel such as alcohol is not sufficiently suppressed. There was a problem that fuel diffusion occurred and the battery performance deteriorated. In order to improve this, in the polymerizable composition for polymerizing the cation exchange resin constituting the cation exchange membrane, the content of the crosslinkable polymerizable monomer is increased, and the hydrophilic cation exchange group is reduced. A technique of reducing the amount of introduction to increase the hydrophobicity of the film and increasing the degree of crosslinking of the film to form a dense film is effective to some extent, but in this case, the electrical resistance of the film increases. As a result, a problem that the battery output decreases is caused, and the fuel cell membrane that is practically satisfactory cannot be obtained.
なお、前記従来技術として知られている燃料電池用隔膜用のカチオン交換膜の製造方法では、上記カチオン交換樹脂を重合するための重合性組成物を構成する単量体成分として、前記カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体や架橋性重合性単量体の他に、アクリロニトリル、アクロレイン、メチルビニルケトン等のカチオン交換基を導入可能な官能基を有しない重合性単量体を第三共重合成分として含有させることも示されている。しかし、これらの第三共重合成分として明示される重合性単量体は、いずれも親水性の強い単量体ばかりであり、これらを共重合させたのでは得られるカチオン交換膜は、結果的に親水性の高い膜しか得られず、これらは燃料電池用隔膜として前記アルコール等の液体燃料の透過性に対して大きな低減効果は認められないものでしかなかった。 In the method for producing a cation exchange membrane for a fuel cell membrane known as the prior art, the cation exchange group is used as a monomer component constituting the polymerizable composition for polymerizing the cation exchange resin. A polymerizable monomer having no functional group capable of introducing a cation exchange group such as acrylonitrile, acrolein, methyl vinyl ketone, etc. in addition to a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a monomer or a crosslinkable polymerizable monomer It has also been shown to contain the body as a third copolymer component. However, the polymerizable monomers that are clearly specified as the third copolymerization component are all monomers having strong hydrophilicity, and cation exchange membranes obtained by copolymerizing these are the result. Only membranes with high hydrophilicity were obtained, and these membranes could only be used as fuel cell membranes and had no significant effect on the permeability of liquid fuel such as alcohol.
以上の背景にあって本発明は、燃料電池の隔膜として従来用いられているカチオン交換膜において、アルコール等の液体燃料の透過性、特にメタノール透過性が低くかつ膜抵抗も低く、高い電池出力を安定して得ることができ、膨潤等の変形もし難いイオン交換膜を提供することを目的とする。 In the background described above, the present invention is a cation exchange membrane conventionally used as a membrane for fuel cells. The permeability of liquid fuel such as alcohol, particularly methanol permeability is low, membrane resistance is low, and the battery output is high. An object of the present invention is to provide an ion exchange membrane that can be stably obtained and hardly deforms such as swelling.
本発明者等は、上記課題に鑑み鋭意研究を行ってきた。その結果、隔膜内に特定量の疎水性部位を導入することによって、膜抵抗を増大させずに上記液体燃料の透過性が著しく低減可能なことを見出し、さらに、これら隔膜の簡便な製造方法を見出し、本発明を提案するに至った。 The present inventors have conducted extensive research in view of the above problems. As a result, it was found that the permeability of the liquid fuel can be remarkably reduced without increasing the membrane resistance by introducing a specific amount of hydrophobic site in the membrane, and a simple method for producing these membranes. The headline and the present invention have been proposed.
即ち、本発明は、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体30〜90モル%、該カチオン交換基を導入可能な官能基を有しない疎水性重合性単量体1〜60モル%、架橋性重合性単量体1〜40モル%からなる重合性単量体成分、および有効量の重合開始剤成分を含む重合性組成物を、材質が熱可塑性樹脂(架橋されたものは除く)である多孔質膜と接触させて、該重合性組成物を該多孔質膜の有する空隙部に充填させた後重合硬化させ、ついで、上記カチオン交換基を導入可能な官能基にカチオン交換基を導入することを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法である。
That is, the present invention relates to 30 to 90 mol% of a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group, and a hydrophobic
さらに、本発明は、カチオン交換基を有する重合性単量体30〜90モル%、疎水性重合性単量体1〜60モル%、架橋性重合性単量体1〜40モル%からなる重合性単量体成分、および有効量の重合開始剤成分を含む重合性組成物を、材質が熱可塑性樹脂(架橋されたものは除く)である多孔質膜と接触させて、該重合性組成物を該多孔質膜の有する空隙部に充填させた後重合硬化させることを特徴とする直接液体型燃料電池用隔膜の製造方法も提供する。 Furthermore, the present invention is a polymerization comprising 30 to 90 mol% of a polymerizable monomer having a cation exchange group, 1 to 60 mol% of a hydrophobic polymerizable monomer, and 1 to 40 mol% of a crosslinkable polymerizable monomer. A polymerizable composition comprising a polymerizable monomer component and an effective amount of a polymerization initiator component is contacted with a porous membrane whose material is a thermoplastic resin (excluding those crosslinked), and the polymerizable composition also provides method for producing a direct liquid fuel cell membrane, characterized in that the polymerization cured after being filled in the void portion having a said porous membrane.
本発明の方法によれば、カチオン交換樹脂を形成させる重合性組成物中に、カチオン交換基を導入するための重合性単量体や該樹脂を架橋型とするための架橋性重合性単量体とは別に、疎水性重合性単量体を1〜60モル%含有させてあるため、得られたカチオン交換膜を構成するカチオン交換樹脂には、架橋部位とは別に、この疎水性重合性単量体に起因した疎水性部位が前記量導入されたものになる。したがって、このカチオン交換膜は、一定のイオン交換容量と膜の膨潤等の変形を抑制するための適度な架橋を維持しつつ、膜の疎水性状が大きく高められたものになる。その結果、この方法により得られたカチオン交換膜は、直接液体型燃料電池用隔膜として使用した場合、膜の電気抵抗を過度に高めることなく、液体燃料、特に、メタノールの透過性を大きく低減させることが可能になる。すなわち、従来達成困難であった、高い液体燃料の非透過性と高いプロトン伝導性を両立した直接液体型燃料電池隔膜が得られる。 According to the method of the present invention, a polymerizable monomer for introducing a cation exchange group into a polymerizable composition for forming a cation exchange resin, and a crosslinkable polymerizable monomer for making the resin crosslinkable. Since the hydrophobic polymerizable monomer is contained in an amount of 1 to 60 mol% separately from the body, the hydrophobic cation exchange resin constituting the obtained cation exchange membrane has a hydrophobic polymerizable property separately from the crosslinking site. The amount of the hydrophobic portion attributed to the monomer is introduced. Therefore, this cation exchange membrane has a highly enhanced hydrophobic property while maintaining a certain ion exchange capacity and appropriate crosslinking for suppressing deformation such as membrane swelling. As a result, the cation exchange membrane obtained by this method greatly reduces the permeability of liquid fuel, particularly methanol, without excessively increasing the electrical resistance of the membrane when used directly as a diaphragm for a liquid fuel cell. It becomes possible. That is, it is possible to obtain a direct liquid fuel cell diaphragm that is difficult to achieve in the past and has both high liquid fuel impermeability and high proton conductivity.
このような本発明の方法により得られる隔膜を使用して製造した直接液体型燃料電池は、電池の内部抵抗が低く、且つメタノール等の燃料燃料のクロスオーバーが抑制されるため、高い電池出力が得られるものになり、極めて有用である。 The direct liquid fuel cell manufactured using the diaphragm obtained by the method of the present invention has a low cell internal resistance and suppresses the crossover of fuel fuel such as methanol. It is obtained and is extremely useful.
本発明の製造方法では、カチオン交換樹脂を形成するための重合性組成物として、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体30〜90モル%、該カチオン交換基を導入可能な官能基を有しない疎水性重合性単量体1〜60モル%、架橋性重合性単量体1〜40モル%からなる重合性単量体成分、および有効量の重合開始剤成分を含む重合性組成物を使用する。 In the production method of the present invention, as a polymerizable composition for forming a cation exchange resin, 30 to 90 mol% of a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group, the cation exchange group can be introduced. 1 to 60 mol% of a hydrophobic polymerizable monomer having no functional group, a polymerizable monomer component consisting of 1 to 40 mol% of a crosslinkable polymerizable monomer, and an effective amount of a polymerization initiator component A polymerizable composition is used.
ここで、本発明においてカチオン交換基とは、従来公知のものが特に制限されず、具体的には、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等が挙げられ、中でも、得られる隔膜の電気抵抗が低く出来る点で強酸性基であるスルホン酸基が特に好ましい。 Here, in the present invention, conventionally known cation exchange groups are not particularly limited, and specific examples include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, and the like. A sulfonic acid group which is a strongly acidic group is particularly preferable in that the resistance can be lowered.
こうしたカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体としては、特に制限されること無く該機能を有する公知のものが使用できるが、カチオン交換基を導入可能な官能基として、前記した好適なカチオン交換基であるスルホン酸基を導入容易な基であることから、スチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、α−メチルスチレン、アセナフチレン、ビニルナフタリン、α−ハロゲン化スチレン、α,β,β’−トリハロゲン化スチレン等のなどの芳香族炭化水素基を有するラジカル重合性単量体が好ましい。また、スチレン等の該芳香族炭化水素基にビニル基が直結している構造のものが、(メタ)アクリル基が結合する構造のものよりも、加水分解を受け難い等の理由により好ましい。 As the polymerizable monomer having a functional group capable of introducing such a cation exchange group, known monomers having such a function can be used without particular limitation, but as the functional group capable of introducing a cation exchange group, The sulfonic acid group, which is a suitable cation exchange group, is a group that can be easily introduced, so that styrene, vinyl toluene, vinyl xylene, α-methyl styrene, acenaphthylene, vinyl naphthalene, α-halogenated styrene, α, β, β A radical polymerizable monomer having an aromatic hydrocarbon group such as' -trihalogenated styrene is preferred. In addition, a structure in which a vinyl group is directly bonded to the aromatic hydrocarbon group such as styrene is preferable because it is less susceptible to hydrolysis than a structure in which a (meth) acryl group is bonded.
こうしたカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体の含有量は、得られるカチオン交換膜を燃料電池用隔膜として充分なプロトン導電性を有するものにする理由から、重合性単量体成分中において30〜90モル%、好ましくは40〜85モル%である。このカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体の含有量が30モル%より少なくなると充分なプロトン導電性を備えた膜が得られなくなり、他方、この含有量が90モル%を超えた場合、他の重合性単量体成分である、後述する疎水性重合性単量体や架橋性重合性単量体の含有量を充分に確保できなくなり、液体燃料の非透過性や膨潤等を防止するだけの疎水性や架橋を膜に付与できなくなる。 The content of the polymerizable monomer having a functional group capable of introducing such a cation exchange group is such that the obtained cation exchange membrane has sufficient proton conductivity as a diaphragm for a fuel cell. It is 30-90 mol% in a body component, Preferably it is 40-85 mol%. When the content of the polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group is less than 30 mol%, a membrane having sufficient proton conductivity cannot be obtained, while the content is 90 mol%. Exceeds the above, it becomes impossible to sufficiently secure the content of the other polymerizable monomer component, which will be described later, that is, the hydrophobic polymerizable monomer and the crosslinkable polymerizable monomer. It becomes impossible to impart hydrophobicity or crosslinking sufficient to prevent swelling or the like to the film.
本発明において架橋性重合性単量体は、従来公知であるイオン交換膜の製造において用いられる単量体が特に制限されずに使用される。このように架橋性重合性単量体を使用することによりカチオン交換膜は架橋型になる。架橋型のイオン交換樹脂は本質的に溶媒不溶性であるため、カチオン交換基を多量に導入しても、水やアルコールに対する溶解性や膨潤性などの樹脂の安定性を低減させることがない。従って、導入可能なイオン交換基の量が極めて多くでき、これにより膜抵抗もまた極めて小さくできる。 In the present invention, as the crosslinkable polymerizable monomer, a conventionally known monomer used in the production of an ion exchange membrane is used without particular limitation. By using the crosslinkable polymerizable monomer in this way, the cation exchange membrane becomes a crosslinked type. Since the cross-linked ion exchange resin is essentially solvent-insoluble, even if a large amount of cation exchange groups are introduced, the stability of the resin, such as solubility in water and alcohol and swelling, is not reduced. Therefore, the amount of ion-exchange groups that can be introduced can be extremely large, and the membrane resistance can also be extremely small.
こうした架橋性重合性単量体としては、具体的には、例えばm−、p−、o−ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプレン、イソプレン、トリビニルベンゼン類、ジビニルナフタリン、ジアリルアミン、トリアリルアミン、ジビニルピリジン類などのジビニル化合物等が挙げられる。 Specific examples of such crosslinkable polymerizable monomers include m-, p-, o-divinylbenzene, divinylsulfone, butadiene, chloroprene, isoprene, trivinylbenzenes, divinylnaphthalene, diallylamine, triallylamine, And divinyl compounds such as divinylpyridines.
これらの架橋性重合性単量体の含有量は、得られるカチオン交換膜に、液体燃料の非透過性や膨潤等を充分に防止するだけの架橋性状を膜に付与する理由から、重合性単量体成分中において1〜40モル%、好ましくは2〜30モル%である。この架橋性重合性単量体の含有量が1モル%より少なくなると充分な架橋が形成困難になり、膜抵抗は低いもののアルコールの非透過性が低下する。他方、この含有量が40モル%を超えた場合、他の重合性単量体成分である、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体や後述する疎水性重合性単量体の含有量を充分に確保できなくなり、プロトン導電性において満足できない膜になる。 The content of these crosslinkable polymerizable monomers is such that the resulting cation exchange membrane is provided with a crosslinkable property sufficient to sufficiently prevent liquid fuel impermeability and swelling, etc. It is 1-40 mol% in a monomer component, Preferably it is 2-30 mol%. When the content of the crosslinkable polymerizable monomer is less than 1 mol%, it is difficult to form a sufficient crosslink, and although the membrane resistance is low, the alcohol impermeability is lowered. On the other hand, when this content exceeds 40 mol%, other polymerizable monomer components, such as a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group, and a hydrophobic polymerizable monomer described later The body content cannot be sufficiently secured, and the membrane becomes unsatisfactory in terms of proton conductivity.
本発明の最大の特徴は、こうしたカチオン交換樹脂を形成するための重合性組成物の重合性単量体成分として、上記したカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体や架橋性重合性単量体とは別に、カチオン交換基を導入可能な官能基を有しない疎水性重合性単量体を一定量含有させた点にある。この構成により、本発明の方法により製造されるカチオン交換膜は、カチオン交換樹脂部分が、架橋部位とは別に、該疎水性重合性単量体に起因する疎水性部位を前記量有するものになる。その結果、このカチオン交換膜は、一定のイオン交換容量と膜の膨潤等の変形を抑制するための適度な架橋を維持しつつ、膜の疎水性状が大きく高められたものになり、液体燃料の非透過性が大きく向上したものになる。 The greatest feature of the present invention is that the polymerizable monomer component of the polymerizable composition for forming such a cation exchange resin is a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing the cation exchange group described above or a cross-linking. Apart from the polymerizable monomer, a certain amount of a hydrophobic polymerizable monomer having no functional group capable of introducing a cation exchange group is contained. With this configuration, in the cation exchange membrane produced by the method of the present invention, the cation exchange resin portion has the above-described amount of the hydrophobic portion due to the hydrophobic polymerizable monomer separately from the crosslinking portion. . As a result, this cation exchange membrane has a substantially improved hydrophobic property of the liquid fuel while maintaining a certain ion exchange capacity and appropriate crosslinking for suppressing deformation such as membrane swelling. Impermeability is greatly improved.
前記したように従来知られている燃料電池隔膜用カチオン交換膜の製造方法において、重合性組成物中に、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体や架橋性重合性単量体の他に、第三共重合成分を含有させることを開示したものは存在しているが、これらの第三共重合成分としての重合性単量体はいずれも親水性の強い単量体しか知られておらず、このように疎水性重合性単量体を含有させることを具体的に提案するのは、本発明が初めてである。 As described above, in a conventionally known method for producing a cation exchange membrane for a fuel cell membrane, a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group or a crosslinkable polymerizable monomer in a polymerizable composition. Although there are those disclosed to contain a third copolymer component in addition to the monomer, the polymerizable monomers as these third copolymer components are all highly hydrophilic monomers. However, the present invention is the first to specifically propose the inclusion of the hydrophobic polymerizable monomer.
本発明において、上記カチオン交換基を導入可能な官能基を有しない疎水性重合性単量体における疎水性とは、水/オクタノール分配係数の対数値(logPow)が2.0以上であるものをいう。本発明の効果をより充分に発揮させるためには、この水/オクタノール分配係数の対数値(logPow)は、3.0以上であるのがより好ましい。ここで、logPow値とは、ケミカルレヴュース(Chemical Reviews) vol.71(6), 525 (1971)などで定義されている水とオクタノールへの物質の分配のしやすさにより、極性をあらわす係数であり、日本工業規格Z7260-107(2000)の測定法により測定可能である。この水/オクタノール分配係数の対数値(logPow)が2.0より小さい重合性単量体では、得られるカチオン交換膜は、アルコールの透過性を充分に低減させるだけの疎水性状を呈さないものになる。 In the present invention, the hydrophobicity in the hydrophobic polymerizable monomer having no functional group capable of introducing a cation exchange group means that the logarithmic value (logPow) of water / octanol partition coefficient is 2.0 or more. Say. In order to fully exhibit the effects of the present invention, the logarithmic value (logPow) of the water / octanol partition coefficient is more preferably 3.0 or more. Here, the logPow value is a coefficient that expresses the polarity depending on the ease of distribution of substances into water and octanol as defined in Chemical Reviews vol.71 (6), 525 (1971), etc. It can be measured by the measuring method of Japanese Industrial Standard Z7260-107 (2000). With a polymerizable monomer having a logarithmic value (logPow) of the water / octanol partition coefficient of less than 2.0, the resulting cation exchange membrane should not exhibit a hydrophobic property that sufficiently reduces the alcohol permeability. Become.
このような疎水性を有するカチオン交換基を導入可能な官能基を有しない重合性単量体としては、公知の単量体の中から適宜に選定して用いればよい。具体的には、ビニルシクロペンタン、ビニルシクロヘキサン、オクタクロロスチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ビニルトリメチルシラン、ビニルトリクロロシラン等が挙げられる。特に、スルホン化の際や燃料電池としての使用時に加水分解等の望ましくない化学反応を起こしにくい点でビニルシクロアルカンが好ましく、シクロアルカンの炭素数が5〜8であるビニルシクロアルカンが最も好ましい。 As such a polymerizable monomer having no functional group capable of introducing a hydrophobic cation exchange group, it may be appropriately selected from known monomers. Specific examples include vinylcyclopentane, vinylcyclohexane, octachlorostyrene, hexafluoropropylene, vinyltrimethylsilane, and vinyltrichlorosilane. In particular, vinylcycloalkane is preferable in that it is difficult to cause an undesirable chemical reaction such as hydrolysis during sulfonation or use as a fuel cell, and vinylcycloalkane having 5 to 8 carbon atoms of cycloalkane is most preferable.
これらのカチオン交換基を導入可能な官能基を有しない疎水性重合性単量体の含有量は、得られるカチオン交換膜に、液体燃料の非透過性を充分に防止するだけの疎水性状を膜に付与する理由から、重合性単量体成分中において1〜60モル%、好ましくは5〜40モル%である。この疎水性重合性単量体の含有量が1モル%より少なくなると充分な疎水性の付与が困難になり、他方、この含有量が40モル%を超えた場合、他の重合性単量体成分である、前記カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体や架橋性重合性単量体の含有量を充分に確保できなくなり、プロトン導電性やアルコールの非透過性において満足できない膜になる。 The content of the hydrophobic polymerizable monomer that does not have a functional group capable of introducing these cation exchange groups is such that the obtained cation exchange membrane has a hydrophobic property that sufficiently prevents liquid fuel non-permeability. In the polymerizable monomer component, it is 1 to 60 mol%, preferably 5 to 40 mol%. When the content of the hydrophobic polymerizable monomer is less than 1 mol%, it becomes difficult to impart sufficient hydrophobicity. On the other hand, when the content exceeds 40 mol%, other polymerizable monomers The content of the polymerizable monomer having a functional group capable of introducing the cation exchange group or the crosslinkable polymerizable monomer cannot be sufficiently ensured, and the proton conductivity and alcohol impermeability are satisfied. It becomes impossible film.
なお、これら本発明で重合性組成物に使用する各重合性単量体は、製造コストと後述するポリオレフィン樹脂製多孔質膜への含浸性の面から、炭素と水素を主とする構造の炭化水素系の重合性単量体であるのが好ましい。なお、もちろん、こうした炭化水素系の重合性単量体は、フッ素、塩素、臭素、酸素、窒素、珪素、硫黄、ホウ素、リン等の他の原子も少量であれば存在しても良いが、その量は、単量体を構成する原子の総数(後述するカチオン交換基を有する重合性単量体にあっては、該カチオン交換基を構成する原子は除く)に対して40モル%以下、特に10モル%以下であるのが好ましい。 In addition, each polymerizable monomer used in the polymerizable composition in the present invention is carbonized with a structure mainly composed of carbon and hydrogen from the viewpoint of production cost and impregnation into a polyolefin resin porous film described later. It is preferably a hydrogen-based polymerizable monomer. Of course, such a hydrocarbon-based polymerizable monomer may be present in a small amount of other atoms such as fluorine, chlorine, bromine, oxygen, nitrogen, silicon, sulfur, boron, and phosphorus, The amount is 40 mol% or less based on the total number of atoms constituting the monomer (excluding atoms constituting the cation exchange group in the polymerizable monomer having a cation exchange group described later), In particular, it is preferably 10 mol% or less.
上記重合性単量体成分を含有する重合性組成物には、有効量の重合開始剤が含有される。この重合開始剤としては、上記重合性単量体を重合させることが可能な化合物であれば特に限定されるものではないが、有機過酸化物であることが好ましく、例えば、オクタノイルパーオキシド、ラウロイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、ベンゾイルパーオキシド、t−ブチルパーオキシイソブチレート、t−ブチルパーオキシラウレート、t−ヘキシルパーオキシベンゾエート、ジ−t−ブチルパーオキシド等のラジカル重合開始剤が挙げられる。 The polymerizable composition containing the polymerizable monomer component contains an effective amount of a polymerization initiator. The polymerization initiator is not particularly limited as long as it is a compound capable of polymerizing the polymerizable monomer, but is preferably an organic peroxide, such as octanoyl peroxide, Lauroyl peroxide, t-butylperoxy-2-ethylhexanoate, benzoyl peroxide, t-butylperoxyisobutyrate, t-butylperoxylaurate, t-hexylperoxybenzoate, di-t-butyl Examples thereof include radical polymerization initiators such as peroxides.
この重合開始剤の含有量は、同目的での有効な使用量として実施されている範囲から、使用する重合性単量体の組成や該重合開始剤の種類に応じて適宜に採択すれば良いが、通常は、前記した重合性単量体成分(後述するその他の重合性単量体を使用する場合は、その含有量も含む)100質量部に対して、0.1〜20質量部、より好適には0.5〜10質量部であるのが好ましい。 The content of the polymerization initiator may be appropriately selected according to the composition of the polymerizable monomer to be used and the type of the polymerization initiator, from the range that is implemented as an effective usage for the same purpose. However, usually 0.1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the above-described polymerizable monomer component (including the content of other polymerizable monomer described later). More preferably, it is 0.5 to 10 parts by mass.
なお、重合性組成物には、上記各必須成分の他、機械的強度や重合性等の物性を調節するために、効果に大きな影響を与えない範囲で、必要に応じて他の成分を少量配合してもよい。このような任意の成分としては、例えば、アクリロニトリル、アクロレイン、メチルビニルケトン等の他の重合性単量体や、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、ジメチルイソフタレート、ジブチルアジペート、トリエチルシトレート、アセチルトリブチルシトレート、ジブチルセバケート等の可塑剤類が挙げられる。このうち他の重合性単量体を重合性単量体成分中に含有させる場合、その含有量は、該重合性単量体成分中において50モル%以下、特に、20モル%以下とするのが好ましく、可塑剤類の使用量は上記重合性単量体成分100質量部に対して50質量部以下とするのが好ましい。 In addition to the above-mentioned essential components, the polymerizable composition contains a small amount of other components as necessary in order to adjust the physical properties such as mechanical strength and polymerizability, as long as the effect is not greatly affected. You may mix | blend. Examples of such optional components include other polymerizable monomers such as acrylonitrile, acrolein, and methyl vinyl ketone, dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, dimethyl isophthalate, dibutyl adipate, triethyl citrate, and acetyl tributyl citrate. And plasticizers such as dibutyl sebacate. Among these, when other polymerizable monomer is contained in the polymerizable monomer component, the content thereof is 50 mol% or less, particularly 20 mol% or less in the polymerizable monomer component. The amount of plasticizer used is preferably 50 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the polymerizable monomer component.
本発明の方法では、上記組成の重合性組成物は、多孔質膜と接触させて、該重合性組成物を多孔質膜の有する空隙部に充填させた後重合硬化される。このように多孔質膜を基材とするカチオン交換膜からなる燃料電池用隔膜は、該多孔質膜が補強部分として働くため電気抵抗などを犠牲にすることなく燃料電池隔膜の物理的強度を高めることができ好ましい。 In the method of the present invention, the polymerizable composition having the above composition is brought into contact with the porous film, and the polymerizable composition is filled in the voids of the porous film, followed by polymerization and curing. Thus, the fuel cell membrane comprising a cation exchange membrane based on a porous membrane increases the physical strength of the fuel cell membrane without sacrificing electrical resistance or the like because the porous membrane functions as a reinforcing part. Can be preferable.
こうした基材として用いる多孔質膜としては、多孔質膜を基材とした燃料電池隔膜が形成可能なように、当該細孔の少なくとも一部が表裏を連通しているものであれば公知のものが制限なく使用可能である。細孔があまりに小さいとカチオン交換樹脂の充填性が低下し、他方で細孔が大きすぎるとアルコールの非透過性が低下する虞があるため、平均孔径が0.01〜2μm、特に好適には0.015〜0.4μmの細孔を有するものが好ましい。 As such a porous membrane used as a base material, any known porous membrane can be used as long as at least a part of the pores communicate with each other so that a fuel cell membrane based on the porous membrane can be formed. Can be used without limitation. If the pores are too small, the filling property of the cation exchange resin is lowered. On the other hand, if the pores are too large, the impermeability of the alcohol may be lowered. Therefore, the average pore diameter is preferably 0.01 to 2 μm, particularly preferably. Those having pores of 0.015 to 0.4 μm are preferable.
空隙率(気孔率とも呼ばれる)は、燃料電池隔膜の電気抵抗を低くすることができ、しかも高い物理的強度を保てることから20〜95%、特に30〜90%であるのが好ましい。透気度(JIS P−8117)は1500秒以下、特に1000秒以下であるのが好ましい。また、その厚みは5〜150μmが好ましく、10〜120μmがより好ましく、10〜70μmであるのが特に好ましい。さらに、高いアルコール非透過性を得るために、表面平滑性が粗さ指数で表して10μm以下、さらには5μm以下であることが好ましい。 The porosity (also referred to as porosity) is preferably 20 to 95%, particularly preferably 30 to 90% because the electrical resistance of the fuel cell diaphragm can be lowered and high physical strength can be maintained. The air permeability (JIS P-8117) is preferably 1500 seconds or less, particularly preferably 1000 seconds or less. The thickness is preferably 5 to 150 μm, more preferably 10 to 120 μm, and particularly preferably 10 to 70 μm. Furthermore, in order to obtain high alcohol impermeability, the surface smoothness is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less in terms of roughness index.
当該多孔質膜の形態は特に限定されず、多孔質フィルム、織布、不織布、紙、無機膜等が制限なく使用できる。多孔質膜の材質としては、その製造が容易であるばかりでなく前述のカチオン交換樹脂との密着強度が高いという観点から、熱可塑性樹脂(架橋されたものは除く)である。
Form of the porous film is not particularly limited, the porous film, woven fabric, nonwoven fabric, paper, an inorganic film or the like you can use without limitation. The material of the porous membrane, from the viewpoint of adhesion strength between the above-described cation exchange resin not only easy to manufacture of its high, the thermoplastic resin (those crosslinked excluded) Ru der.
当該熱可塑性樹脂としては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテン等のα−オレフィンの単独重合体または共重合体等のポリオレフィン樹脂;ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−オレフィン共重合体等の塩化ビニル系樹脂;ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフロオロエチレン−ペルフロオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等のフッ素系樹脂;ナイロン6、ナイロン66等のポリアミド樹脂等が例示される。これらのなかでも特に、機械的強度、化学的安定性、耐薬品性に優れ、炭化水素系イオン交換樹脂との馴染みがよいことからポリオレフィン樹脂を用いるのが好ましい。ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン又はポリプロピレン樹脂が特に好ましく、ポリエチレン樹脂が最も好ましい。 Examples of the thermoplastic resin include α- such as ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, and 5-methyl-1-heptene. Polyolefin resins such as olefin homopolymers or copolymers; vinyl chloride resins such as polyvinyl chloride, vinyl chloride-vinyl acetate copolymers, vinyl chloride-vinylidene chloride copolymers, vinyl chloride-olefin copolymers; Such as polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, etc. Fluorine resin; Polyamide such as nylon 6 and nylon 66 Resins. Among these, it is particularly preferable to use a polyolefin resin because it is excellent in mechanical strength, chemical stability, and chemical resistance, and is familiar with a hydrocarbon ion exchange resin. As the polyolefin resin, polyethylene or polypropylene resin is particularly preferable, and polyethylene resin is most preferable.
このような多孔質フィルムは、例えば特開平9−216964号公報、特開2002−338721号公報等に記載の方法によって得ることもできるし、あるいは、市販品(例えば、旭化成「ハイポア」、宇部興産「ユーポア」、東燃タピルス「セテラ」、日東電工「エクセポール」、三井化学「ハイレット」等)として入手することも可能である。 Such a porous film can be obtained, for example, by a method described in JP-A-9-216964, JP-A-2002-338721, or the like, or a commercially available product (for example, Asahi Kasei “Hypore”, Ube Industries, Ltd.). "Eupor", Tonen Tapils "Setera", Nitto Denko "Exepor", Mitsui Chemicals "Hillette", etc.) are also available.
重合性組成物と多孔質膜の接触は、重合性組成物が多孔質膜の有する空隙部に浸入できる方法であれば特に限定されず、例えば、重合性組成物を多孔質膜に塗布やスプレーしたり、あるいは、多孔質膜を重合性組成物中に浸漬する方法などが例示される。浸漬による場合に、その浸漬時間は多孔質膜の種類や懸濁液の組成にもよるが、一般的には0.1秒〜20分である。 The contact between the polymerizable composition and the porous film is not particularly limited as long as the polymerizable composition can enter the voids of the porous film. For example, the polymerizable composition can be applied to or sprayed on the porous film. Or a method of immersing the porous membrane in the polymerizable composition. In the case of immersion, the immersion time is generally 0.1 second to 20 minutes, although it depends on the type of the porous membrane and the composition of the suspension.
このようにして多孔質膜の空隙部に充填させた重合性組成物の重合方法も特に限定されず、用いた重合性単量体の組成及び重合開始剤の種類に応じて適宜公知の方法を採用すればよい。重合開始剤として前記したような有機過酸化物を用いた場合には加熱による方法(熱重合)が一般的である。この方法は、その操作が容易で、また比較的均一に重合させることができ、他の方法よりも好ましい。重合に際しては、酸素による重合阻害を防止し、また表面の平滑性を得るため、ポリエステル等のフィルムにより覆った後に重合させることがより好ましい。さらにフィルムで覆うことにより、過剰の重合性組成物が取り除かれ、薄く均一な燃料電池隔膜とすることができる。また、熱重合により重合させる場合の重合温度は特に制限されず、公知の条件を適宜選択して適用すればよいが、一般的には50〜150℃程度、好ましくは60〜120℃程度である。また重合時間としては10分〜10時間程度である。 The polymerization method of the polymerizable composition filled in the voids of the porous membrane in this way is not particularly limited, and a known method can be appropriately used depending on the composition of the polymerizable monomer used and the type of the polymerization initiator. Adopt it. When an organic peroxide as described above is used as a polymerization initiator, a heating method (thermal polymerization) is generally used. This method is preferable to other methods because it is easy to operate and can be relatively uniformly polymerized. In polymerization, in order to prevent polymerization inhibition by oxygen and to obtain surface smoothness, it is more preferable to perform polymerization after covering with a film of polyester or the like. Further, by covering with a film, excess polymerizable composition is removed, and a thin and uniform fuel cell membrane can be obtained. In addition, the polymerization temperature in the case of polymerization by thermal polymerization is not particularly limited, and may be appropriately selected and applied from known conditions, but is generally about 50 to 150 ° C, preferably about 60 to 120 ° C. . The polymerization time is about 10 minutes to 10 hours.
以上の重合により得られる膜状高分子体をカチオン交換膜とするには、含有されるカチオン交換基を導入可能な基に、カチオン交換基を導入しなければならない。この処理は、使用したカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体における該官能基の種類に応じて、適切な処理を施せばよい。前記したように燃料電池用のカチオン交換基としては、スルホン酸基が好ましく、この場合、該カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体としては、芳香族炭化水素基を有するものが使用される。該芳香族炭化水素基にスルホン酸基を導入する方法を具体的に示せば、例えば、濃硫酸、発煙硫酸、二酸化硫黄、クロロスルホン酸などのスルホン化剤を反応させる方法が挙げられる。 In order to make the membrane polymer obtained by the above polymerization into a cation exchange membrane, a cation exchange group must be introduced into a group into which the cation exchange group can be introduced. This treatment may be performed appropriately depending on the type of the functional group in the polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group. As described above, the cation exchange group for the fuel cell is preferably a sulfonic acid group. In this case, the polymerizable monomer having a functional group capable of introducing the cation exchange group has an aromatic hydrocarbon group. Things are used. Specific examples of the method for introducing a sulfonic acid group into the aromatic hydrocarbon group include a method of reacting a sulfonating agent such as concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur dioxide, and chlorosulfonic acid.
このようにして得られたカチオン交換膜は、必要に応じて洗浄、裁断などを行い定法に従って直接液体型燃料電池用の隔膜として用いればよい。 The cation exchange membrane thus obtained may be used as a diaphragm for a direct liquid fuel cell according to a conventional method after washing and cutting as necessary.
以上により、本発明のカチオン交換膜からなる直接液体型燃料電池用隔膜が製造される。この方法は、カチオン交換基を備えたものにするための重合性単量体として、重合性組成物に、カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体を用い、膜状高分子に重合後、該カチオン交換基を導入可能な官能基に、対応するイオン性基を導入する製造方法であるが、本発明では、別の方法として、該カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体に代えて、カチオン交換基を有する重合性単量体を使用し、膜状高分子に重合した段階で、目的とするカチオン交換膜を製造してしまう方法として実施しても良い。すなわち、この方法の場合、重合性組成物として、カチオン交換基を有する重合性単量体40〜90モル%、疎水性重合性単量体1〜60モル%、架橋性重合性単量体1〜40モル%からなる重合性単量体成分、および有効量の重合開始剤成分を含む重合性組成物が使用され、これを多孔質膜と接触させて、該重合性組成物を多孔質膜の有する空隙部に充填させた後重合硬化させる方法になる。
As described above, the diaphragm for a direct liquid fuel cell comprising the cation exchange membrane of the present invention is produced. This method uses a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group in a polymerizable composition as a polymerizable monomer for providing a cation exchange group. This is a production method of introducing a corresponding ionic group into a functional group capable of introducing the cation exchange group after polymerization into a molecule. In the present invention, as another method, a functional group capable of introducing the cation exchange group. In place of the polymerizable monomer having a cation exchange group, a polymerizable monomer having a cation exchange group is used, and this is carried out as a method for producing a target cation exchange membrane at the stage of polymerization into a membrane polymer. May be. That is, in the case of this method, the polymerizable composition has a polymerizable monomer having a cation exchange group of 40 to 90 mol%, a hydrophobic polymerizable monomer of 1 to 60 mol%, and a crosslinkable
この方法は、膜状高分子を重合後のカチオン交換基の導入処理が省略できるため操作的には効率的であるが、一般には、スルホン酸基等のカチオン交換基を有する重合性単量体は固体であるため、これを用いた重合性組成物を多孔質基材中に浸透させるためにはアルコール等の溶媒が必要になり、多孔質基材の空隙部におけるカチオン交換樹脂の充填密度が高くできなかったり、或いは、イオン交換基の導入密度を高くし難かったりする虞があり、これらの観点からは、前述のカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体を用いる方法の方が有利なことが多い。 This method is efficient in terms of operation because the introduction of a cation exchange group after polymerization of the membranous polymer can be omitted, but in general, a polymerizable monomer having a cation exchange group such as a sulfonic acid group. Is a solid, a solvent such as alcohol is required to permeate the polymerizable composition using this into the porous substrate, and the packing density of the cation exchange resin in the voids of the porous substrate is low. There is a possibility that the introduction density of ion exchange groups may not be increased or the introduction density of ion exchange groups may be difficult to increase. From these viewpoints, a method using a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing the cation exchange group described above Is often more advantageous.
ここで、カチオン交換基を有する重合性単量体としては、スチレンスルホン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、3−スルホプロピル(メタ)アクリル酸エステル、ビニルスルホン酸、ビニルホスホン酸、アクリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸、;さらには、α−ハロゲン化ビニルスルホン酸、α,β,β’−ハロゲン化ビニルスルホン酸、マレイン酸、イタコン酸、スチレンホスホニル酸、ビニルリン酸などのエステル類及びこれらに対応する塩類等の酸性基含有ラジカル重合性単量体が挙げられる。 Here, as the polymerizable monomer having a cation exchange group, styrene sulfonic acid, 2- (meth) acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid, 3-sulfopropyl (meth) acrylic ester, vinyl sulfonic acid, vinyl Phosphonic acid, acrylic acid, methacrylic acid, maleic anhydride; further, α-halogenated vinyl sulfonic acid, α, β, β′-halogenated vinyl sulfonic acid, maleic acid, itaconic acid, styrenephosphonic acid, vinyl phosphorus Acid group-containing radical polymerizable monomers such as esters such as acids and salts corresponding to these may be mentioned.
また、前記カチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体を用いる方法であれば、それ自体は疎水性の強い重合性単量体であっても、最後のカチオン交換基の導入処理でカチオン交換基が導入されてしまう単量体は、重合されるカチオン交換樹脂に疎水性部位を付与するための単量体として使用することができないが、このカチオン交換基を有する重合性単量体の用いる方法では、該単量体も疎水性重合性単量体として使用可能になる。その結果、この方法で使用される疎水性重合性単量体としては、前記したカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体を用いる方法で使用可能な各疎水性重合性単量体の他、スチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、α−メチルスチレン、アセトナフチレン、ビニルナフタリン、α−ハロゲン化スチレン、α,β,β’−トリハロゲン化スチレン等も好適に使用可能になる。 In addition, if the method uses a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing the cation exchange group, even if it is a polymerizable monomer having a strong hydrophobicity, the introduction of the last cation exchange group A monomer in which a cation exchange group is introduced by the treatment cannot be used as a monomer for imparting a hydrophobic site to the polymerized cation exchange resin. In the method using a monomer, the monomer can also be used as a hydrophobic polymerizable monomer. As a result, as the hydrophobic polymerizable monomer used in this method, each hydrophobic polymerizable monomer that can be used in the method using a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group is used. In addition to the monomer, styrene, vinyltoluene, vinylxylene, α-methylstyrene, acetonaphthylene, vinylnaphthalene, α-halogenated styrene, α, β, β′-trihalogenated styrene, and the like can be suitably used.
その他、本製造方法においても、細かい条件は、前記したカチオン交換基を導入可能な官能基を有する重合性単量体を用いる方法の場合と全く同様である。 In addition, in this production method, the fine conditions are exactly the same as those in the method using a polymerizable monomer having a functional group capable of introducing a cation exchange group.
こうした本発明の方法により製造される直接液体型燃料電池用隔膜は、カチオン交換容量が、定法による測定で、通常0.1〜3mmol/g、特に0.1〜2mmol/gの高い値を有している。そのため、高い電池出力を有し、燃料液体透過性、膜抵抗も充分に低いものになっている。また、本発明の隔膜は、前記組成の重合性組成物を使用する結果、含水率が、通常5〜90%、より好適には10〜80%であり、乾燥によるプロトンの伝導性の低下が生じ難いものになっている。さらに、燃料液体に対して不溶性であり、膜抵抗値が0.40Ω・cm2以下、更には0.20Ω・cm2以下と非常に小さいものになっている。しかも、燃料液体の透過性が極めて小さく、例えば、25℃における100%メタノール溶液に対するメタノールの透過率は通常1000g/m2・hr以下、特に10〜700g/m2・hrの範囲である。
Such a direct liquid fuel cell membrane produced by the method of the present invention has a cation exchange capacity of usually 0.1 to 3 mmol / g, particularly 0.1 to 2 mmol / g, as measured by a conventional method. is doing. Therefore, it has high battery output, fuel liquid permeability and membrane resistance are sufficiently low. In addition, as a result of using the polymerizable composition having the above composition, the diaphragm of the present invention has a moisture content of usually 5 to 90%, more preferably 10 to 80%, and a decrease in proton conductivity due to drying. It is difficult to occur. Furthermore, it is insoluble in the fuel liquid, and the membrane resistance value is very small, 0.40 Ω · cm 2 or less, and further 0.20 Ω · cm 2 or less. Moreover, permeability of the fuel liquid is extremely small, for example, the transmittance of methanol to 100% methanol solution at 25 ° C. Usually
本発明の方法により得られる燃料電池用隔膜は、このように電気抵抗が低く、かつ燃料液体の透過率も小さいため、直接液体型燃料電池用隔膜として使用した場合に、燃料室に供給した液体が該隔膜を透過して反対の室に拡散することを防止でき、高い出力の電池が得られる。この本発明の方法により得られた隔膜が採用される直接液体型燃料電池としては、前記した図1の基本構造を有したものが一般的であるが、その他の公知の構造を有する直接液体型燃料電池にも勿論適用することができる。燃料の液体としては、メタノールが最も一般的であり、本発明の効果も最も顕著に発揮されるものであるが、その他、エタノール、エチレングリコール、ジメチルエーテル、ヒドラジン等においても同様の優れた効果が発揮される。 Since the diaphragm for a fuel cell obtained by the method of the present invention has such a low electrical resistance and a low fuel liquid permeability, the liquid supplied to the fuel chamber when used directly as a diaphragm for a liquid fuel cell. Can be prevented from permeating through the diaphragm and diffusing into the opposite chamber, and a high output battery can be obtained. As the direct liquid fuel cell employing the diaphragm obtained by the method of the present invention, the direct liquid fuel cell having the basic structure shown in FIG. 1 is generally used, but the direct liquid type fuel cell having another known structure is used. Of course, the present invention can also be applied to a fuel cell. As the fuel liquid, methanol is the most common, and the effect of the present invention is most prominent. In addition, ethanol, ethylene glycol, dimethyl ether, hydrazine and the like have the same excellent effect. Is done.
以下、本発明を更に詳細に説明するため実施例を挙げるが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples will be given to describe the present invention in more detail, but the present invention is not limited to these examples.
なお、実施例、比較例において燃料電池隔膜の特性評価に用いたカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、メタノール透過率、燃料電池出力電圧の測定方法を以下に説明する。 In addition, the measurement method of the cation exchange capacity | capacitance used for the characteristic evaluation of the fuel cell diaphragm in the Example and the comparative example, the water content, membrane resistance, methanol permeability, and a fuel cell output voltage is demonstrated below.
1)カチオン交換容量および含水率
イオン交換膜を1mol/L−HCl水溶液に10時間以上浸漬し、水素イオン型とした後、1mol/L−NaCl水溶液でナトリウムイオン型に置換させ、遊離した水素イオンを水酸化ナトリウム水溶液を用いて電位差滴定装置(COMTITE−900、平沼産業株式会社製)で定量した(Amol)。次に、同じイオン交換膜を1mol/L−HCl水溶液に4時間以上浸漬し、イオン交換水で十分水洗した後膜を取り出しティッシュペーパー等で表面の水分を拭き取り湿潤時の重さ(Wg)を測定した。さらに膜を60℃で5時間減圧乾燥させその重量を測定した(Dg)。上記測定値に基づいて、イオン交換容量および含水率を次式により求めた。
1) Cation exchange capacity and water content The ion exchange membrane was immersed in a 1 mol / L-HCl aqueous solution for 10 hours or more to form a hydrogen ion type, and then replaced with a sodium ion type with a 1 mol / L-NaCl aqueous solution to liberate hydrogen ions. Was quantified with a potentiometric titrator (COMITE-900, manufactured by Hiranuma Sangyo Co., Ltd.) using an aqueous sodium hydroxide solution (Amol). Next, the same ion exchange membrane is immersed in a 1 mol / L-HCl aqueous solution for 4 hours or more, washed thoroughly with ion exchange water, and then the membrane is taken out. The surface moisture is wiped off with tissue paper and the weight (Wg) when wet It was measured. Further, the membrane was dried under reduced pressure at 60 ° C. for 5 hours and its weight was measured (Dg). Based on the measured values, the ion exchange capacity and water content were determined by the following equations.
イオン交換容量=A×1000/D[mmol/g−乾燥重量]
含水率=100×(W−D)/D[%]
2)膜抵抗
0.5cm間隔に線幅0.3mmの白金線を設置した基板に純水に湿潤した2.0cm幅の短冊状サンプル膜を押し当てる。40℃、90%RHの恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間の交流1kHzの交流インピーダンスを測定する。白金線は0.5cm間隔に5本配置しており、極間距離を0.5〜2.0cmに変化させてそれぞれの交流抵抗を測定する。白金線と膜との間には接触による抵抗が生じるが、極間距離と抵抗の勾配から膜の比抵抗を算出することでこの影響を除外した。極間距離と抵抗測定値との間には良い直線関係が得られ、勾配と膜厚から下式により膜抵抗を算出した。
Ion exchange capacity = A × 1000 / D [mmol / g-dry weight]
Moisture content = 100 × (WD) / D [%]
2) Membrane resistance A strip-like sample membrane having a width of 2.0 cm wetted with pure water is pressed against a substrate on which platinum wires having a line width of 0.3 mm are placed at intervals of 0.5 cm. A sample is held in a constant temperature and humidity chamber at 40 ° C. and 90% RH, and an alternating current impedance of 1 kHz between the platinum wires is measured. Five platinum wires are arranged at intervals of 0.5 cm, and the AC resistance is measured by changing the distance between the electrodes to 0.5 to 2.0 cm. Although resistance due to contact occurs between the platinum wire and the film, this effect was excluded by calculating the specific resistance of the film from the interelectrode distance and the resistance gradient. A good linear relationship was obtained between the distance between the electrodes and the measured resistance value, and the film resistance was calculated from the slope and film thickness according to the following equation.
R=2.0×L2×S
R :膜抵抗[Ω・cm2]
L :膜厚[cm]
S :抵抗極間勾配[Ω/cm]
3)メタノール透過率
燃料電池セル(電解質膜面積5cm2)に膜を挟み、メタノール濃度30重量%水溶液を液体クロマトグラフィー用供給ポンプで供給し、膜の反対側にアルゴンガスを300ml/minで供給する。測定は恒温槽内25℃で実施した。電解質膜を透過したメタノール量は、ガス捕集容器で捕集したアルゴンガス中のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し求めた。
R = 2.0 × L 2 × S
R: membrane resistance [Ω · cm 2 ]
L: Film thickness [cm]
S: resistance-to-resistance gradient [Ω / cm]
3) Methanol permeability The membrane is sandwiched between fuel cells (
4)燃料電池出力電圧
ポリテトラフルオロエチレンで撥水化処理した厚さ100μm、空孔率80%のカーボンペーパー上に、白金とルテニウム合金触媒(ルテニウム50mol%)50重量%担持のカーボンブラックと、パーフルオロカーボンスルホン酸のアルコールと水の5%溶液(デュポン社製、商品名ナフィオン)を混合したものを触媒が2mg/cm2となるように塗布し、80℃で4時間減圧乾燥しガス拡散電極とした。
4) Fuel cell output voltage Carbon black carrying 50% by weight of platinum and a ruthenium alloy catalyst (ruthenium 50 mol%) on a carbon paper having a thickness of 100 μm and a porosity of 80% which has been subjected to water repellent treatment with polytetrafluoroethylene, A mixture of alcohol of perfluorocarbon sulfonic acid and 5% water solution (manufactured by DuPont, trade name Nafion) was applied so that the catalyst was 2 mg / cm 2 and dried under reduced pressure at 80 ° C. for 4 hours to form a gas diffusion electrode It was.
次に、測定する燃料電池隔膜の両面に上記のガス拡散電極をセットし、100℃、圧力5MPaの加圧下で100秒間熱プレスした後、室温で2分間放置した。これを図1に示す構造の燃料電池セルに組み込んで燃料電池セル温度25℃に設定し、燃料極側に20重量%メタノール水溶液を、酸化極側に大気圧の酸素を200ml/min.で供給して発電試験を行ない、電流密度0A/cm2、0.1A/cm2におけるセルの端子電圧を測定した。 Next, the above gas diffusion electrodes were set on both surfaces of the fuel cell diaphragm to be measured, and hot pressed for 100 seconds under a pressure of 100 ° C. and a pressure of 5 MPa, and then allowed to stand at room temperature for 2 minutes. This was incorporated into a fuel cell having the structure shown in FIG. A power generation test was carried out and cell terminal voltages at current densities of 0 A / cm 2 and 0.1 A / cm 2 were measured.
5)水/オクタノール分配係数の対数値(logPow)
水/オクタノール分配係数の対数値(logPow) は日本工業規格7260-107(2000)の「分配係数(1‐オクタノール/水)の測定−フラスコ振とう法」に従い測定を行った。
5) Logarithm of water / octanol partition coefficient (logPow)
The logarithmic value (logPow) of the water / octanol partition coefficient was measured in accordance with “Measurement of partition coefficient (1-octanol / water) —flask shaking method” of Japanese Industrial Standard 7260-107 (2000).
実施例1〜4
表1に示した組成表に従って、各種の重合性単量体等を混合して重合性組成物を得た。得られた重合性組成物400gを500mlのガラス容器に入れ、表1に示した多孔質膜(A、B各20cm×20cm)を浸漬した。
Examples 1-4
According to the composition table shown in Table 1, various polymerizable monomers were mixed to obtain a polymerizable composition. 400 g of the resulting polymerizable composition was placed in a 500 ml glass container, and the porous membranes (A and B, 20 cm × 20 cm) shown in Table 1 were immersed therein.
続いて、これらの多孔質膜を重合性組成物中から取り出し、100μmのポリエステルフィルムを剥離材として多孔質膜の両側を被覆した後、3kg/cm2の窒素加圧下、80℃で5時間加熱重合した。 Subsequently, these porous membranes were taken out from the polymerizable composition, coated on both sides of the porous membrane using a 100 μm polyester film as a release material, and then heated at 80 ° C. for 5 hours under nitrogen pressure of 3 kg / cm 2. Polymerized.
得られた膜状物を98%濃硫酸と純度90%以上のクロロスルホン酸の1:1の混合物中に40℃で60分間浸漬し、直接液体型燃料電池隔膜を得た。 The obtained film-like material was immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more at 40 ° C. for 60 minutes to obtain a direct liquid fuel cell membrane.
これらの燃料電池隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、メタノール透過率、燃料電池出力電圧を測定した。結果を表2に示した。 The cation exchange capacity, water content, membrane resistance, film thickness, methanol permeability, and fuel cell output voltage of these fuel cell membranes were measured. The results are shown in Table 2.
比較例1、2
表1に示した重合性組成物と多孔質膜を用いた以外は実施例1と同じ操作を行い、直接液体型燃料電池隔膜を得た。
Comparative Examples 1 and 2
The same operation as in Example 1 was carried out except that the polymerizable composition shown in Table 1 and the porous membrane were used to obtain a direct liquid fuel cell membrane.
この燃料電池隔膜のカチオン交換容量、含水率、膜抵抗、膜厚、メタノール透過率、燃料電池出力電圧を測定した。結果を表2に示した。 The cation exchange capacity, water content, membrane resistance, film thickness, methanol permeability, and fuel cell output voltage of this fuel cell membrane were measured. The results are shown in Table 2.
1;電池隔壁
2;燃料ガス流通孔
3;酸化剤ガス流通孔
4;燃料室側ガス拡散電極
5;酸化剤室側ガス拡散電極
6;固体高分子電解質(陽イオン交換膜)
7;燃料室
8;酸化剤室
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7; Fuel chamber 8; Oxidant chamber
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