JP4852828B2 - Electrolyte membrane / electrode structure - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素系固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を挟んでなる電解質膜・電極構造体に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are sandwiched between both sides of a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane.
近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも固体高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有し、電気自動車や分散発電等の電源装置としての開発が進んできている。このような固体高分子電解質膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオン(商品名)に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜が知られている。 In recent years, new power generation technologies with excellent energy efficiency and environmental friendliness have attracted attention. Among them, polymer electrolyte fuel cells using solid polymer electrolyte membranes have high energy density, and have features such as easy startup and shutdown because of lower operating temperatures than other types of fuel cells. Developments as power supply devices for electric vehicles and distributed power generation are advancing. As such a solid polymer electrolyte membrane, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane into which a sulfonic acid group is introduced as represented by Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA is known.
燃料電池の基本素子である電解質膜・電極構造体は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜の両側に一対の電極、即ち負極触媒層膜および正極触媒層膜がそれぞれ接合した状態で構成されている。たとえば負極触媒層膜および正極触媒層膜は、いずれも触媒である例えば白金微粒子や白金ルテニウム微粒子を表面に分散させたカーボン粉末とプロトン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを混合させて作製した層からなる。 An electrolyte membrane / electrode structure, which is a basic element of a fuel cell, is configured with a pair of electrodes, that is, a negative electrode catalyst layer film and a positive electrode catalyst layer film, bonded to both sides of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer film. For example, the negative electrode catalyst layer film and the positive electrode catalyst layer film are layers prepared by mixing carbon powder in which platinum fine particles or platinum ruthenium fine particles, for example, platinum particles, and proton conductive perfluorocarbon sulfonic acid polymer are mixed. Consists of.
ここで一般的な電解質膜・電極構造体の作製方法としては、フィルム状の基材の上に、白金を担持させたカーボンや、白金とルテニウムの合金を担持させたカーボンとパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの均一な混合層を形成させたものを作製し、これをパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー電解質膜の上に熱転写することにより作製する。 Here, as a general method for producing an electrolyte membrane / electrode structure, carbon on which platinum is supported on a film-like base material, carbon on which an alloy of platinum and ruthenium is supported, and perfluorocarbon sulfonic acid polymer Is formed by thermal transfer onto a perfluorocarbon sulfonic acid polymer electrolyte membrane.
この際には、温度・圧力・時間をコントロールすることで、デバイス性能に悪影響のない好条件で、触媒層と固体高分子電解質膜を接合している。具体的には、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜のガラス転移温度付近、たとえばナフィオンの場合130℃〜140℃で4〜10MPaの圧力下、1〜5分間プレスすることによって良好な電解質膜・電極構造体を形成させることが可能である。 In this case, the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded under favorable conditions that do not adversely affect the device performance by controlling the temperature, pressure, and time. Specifically, a favorable electrolyte membrane / electrode structure is obtained by pressing for 1 to 5 minutes under the pressure of 4 to 10 MPa at 130 ° C. to 140 ° C. in the vicinity of the glass transition temperature of the perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane, for example, in the case of Nafion. Can be formed.
このような電解質膜・電極構造体における電解質膜、即ちパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜は、ポリマー中に含まれるスルホン酸基の酸性度が高いため、比較的少ないスルホン酸基量で良好な電池性能を引き出せることと、フッ素がもたらす化学的安定性のために最も広く用いられているが、モノマーのコストが高く、またポリマー合成にかかる制御が困難であることと設備に使用される材料が制限されることにより、非常に高価となるため、普及への障害となる。また燃料として液体燃料、たとえばメタノールを用いるダイレクトメタノール型燃料電池に応用する場合には、フッ素とメタノールの親和性が強いために、メタノール透過性が高く、性能を引き出せないという欠点を持つ。従って、より安価でメタノール透過性の低い、炭化水素系固体高分子電解質膜を作製しようと動きが活発化している。 The electrolyte membrane in such an electrolyte membrane / electrode structure, that is, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane has high acidity of the sulfonic acid group contained in the polymer, and therefore has good battery performance with a relatively small amount of sulfonic acid group. It is the most widely used because of its ability to pull out and the chemical stability that fluorine provides, but the cost of the monomer is high, the control over polymer synthesis is difficult, and the materials used in the equipment are limited As a result, it becomes very expensive and becomes an obstacle to popularization. Further, when applied to a direct methanol fuel cell using liquid fuel, such as methanol, as a fuel, since the affinity between fluorine and methanol is strong, there is a disadvantage that methanol permeability is high and performance cannot be brought out. Accordingly, there is an active movement to produce a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane that is cheaper and has low methanol permeability.
非フッ素系芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入した炭化水素系の高分子電解質膜が種々検討されている。ポリマー骨格としては、耐熱性や化学的安定性を考慮すると、芳香族ポリアリーレンエーテルケトン類や芳香族ポリアリーレンエーテルスルホン類などの、芳香族ポリアリーレンエーテル化合物を有望な構造としてとらえることができ、ポリアリールエーテルスルホンをスルホン化したもの(例えば、非特許文献1参照。)、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したもの(例えば、特許文献1参照。)、スルホン化ポリスチレン等が報告されている。また、電子吸引性芳香環上にスルホン酸基を導入したモノマーを用いて重合することで、より熱的に安定性の高いスルホン化ポリアリールエーテルスルホン系化合物が報告されている(例えば、特許文献2参照。)。 Various hydrocarbon polymer electrolyte membranes in which a sulfonic acid group is introduced into a non-fluorinated aromatic ring-containing polymer have been studied. As a polymer skeleton, considering heat resistance and chemical stability, aromatic polyarylene ether compounds such as aromatic polyarylene ether ketones and aromatic polyarylene ether sulfones can be regarded as promising structures, A sulfonated polyarylethersulfone (for example, see Non-Patent Document 1), a sulfonated polyetheretherketone (for example, see Patent Document 1), sulfonated polystyrene, and the like have been reported. Further, a sulfonated polyarylethersulfone compound having higher thermal stability has been reported by polymerization using a monomer having a sulfonic acid group introduced on an electron-withdrawing aromatic ring (for example, Patent Documents). 2).
しかしながらこうした耐熱性や化学的安定性を高めた芳香族系の炭化水素系ポリマーにおいては、前述したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜で一般的に行われているガラス転移温度付近の温度で電極と熱接着するという手法は困難となる。例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンの場合、ガラス転移温度は、導入するスルホン酸基量によりことなるが、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜よりも大幅に高い(非特許文献2参照)。このような、スルホン酸基等の酸性官能基が導入された炭化水素系ポリマーにおいては、ガラス転移温度が高いことから、耐熱性は改善される反面、電解質膜の接着性が低いために、良好な電解質膜・電極構造体を作製するのが困難である。また、より温度を上げて接合させた場合、ポリマーの劣化が促進されるため、電解質膜・電極構造体とした時の耐久性が低下する。一方、炭化水素系ポリマーに導入するスルホン酸基量を増やした場合、ガラス転移温度は低下されるが、それでも十分ではなく、さらにガラス転移温度自身の影響に加えて、ポリマーが電極と接合する際にひずみが発生しやすく変形するので、良好な電解質膜・電極構造体の作製をさらに困難化する。さらには、本質的に炭化水素ポリマーは、フッ素系ポリマーに比較して化学的安定性に劣るものであることから、電極との接合に伴う条件を厳しくすると、膜特性の劣化が進行し、燃料電池としたときの信頼性・耐久性が低下する。 However, in aromatic hydrocarbon polymers with improved heat resistance and chemical stability, thermal bonding to the electrode is performed at a temperature near the glass transition temperature generally used in the perfluorocarbon sulfonic acid polymer film described above. This technique is difficult. For example, in the case of a sulfonated polyetheretherketone, the glass transition temperature depends on the amount of sulfonic acid group to be introduced, but is significantly higher than that of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer membrane (see Non-Patent Document 2). In such hydrocarbon-based polymers introduced with acidic functional groups such as sulfonic acid groups, the glass transition temperature is high, so the heat resistance is improved, but the adhesiveness of the electrolyte membrane is low, so it is good. It is difficult to produce a simple electrolyte membrane / electrode structure. Further, when bonding is performed at a higher temperature, the deterioration of the polymer is promoted, so that the durability of the electrolyte membrane / electrode structure is lowered. On the other hand, when the amount of sulfonic acid group introduced into the hydrocarbon polymer is increased, the glass transition temperature is lowered, but this is not sufficient, and in addition to the influence of the glass transition temperature itself, the polymer is bonded to the electrode. Therefore, it becomes more difficult to produce a good electrolyte membrane / electrode structure. Furthermore, since the hydrocarbon polymer is essentially inferior in chemical stability compared to the fluorine-based polymer, if the conditions associated with the bonding with the electrode are severe, the deterioration of the membrane characteristics proceeds, and the fuel Reliability and durability when used as a battery are reduced.
本発明は、炭化水素系固体高分子電解質膜を使用した、信頼性や耐久性を高めた、電解質膜・電極構造体を良好に提供することを目的とする。 An object of the present invention is to satisfactorily provide an electrolyte membrane / electrode structure using a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and having improved reliability and durability.
上記課題を解決するための本発明は、炭化水素系固体高分子電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体において、使用される電解質膜の乾燥状態におけるガラス転移温度が160℃以上であり、かつ電解質膜が電解質膜の重量に対して、10%から120%の範囲で水分を保持しうる電解質膜からなることを特徴とする電解質膜・電極構造体である。 The present invention for solving the above-mentioned problems is an electrolyte membrane / electrode structure comprising a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrodes, and the glass transition temperature in the dry state of the electrolyte membrane used is 160 ° C. The electrolyte membrane / electrode structure is characterized in that the electrolyte membrane is made of an electrolyte membrane capable of retaining moisture in the range of 10% to 120% with respect to the weight of the electrolyte membrane.
また、本発明は、炭化水素系固体高分子電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体の製造方法において、炭化水素系固体高分子電解質膜と一対の電極を接合する方法であり、炭化水素系固体高分子電解質膜中に含まれる水分量が、前記炭化水素系固体高分子電解質膜が含有可能な最大水分量の10〜70%の範囲にある状態において、前記電極とホットプレスにより接合することを特徴とする、炭化水素系固体高分子電解質膜と一対の電極の接合方法であって、本手法により、本質的にガラス転移温度が高い芳香族系の炭化水素系固体高分子電解質膜を、比較的温和な条件で電極と接合することが可能となり、信頼性・耐久性に優れた電解質膜・電極構造体を提供する。 The present invention also relates to a method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure in which a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, in which the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes are joined. In the state where the amount of water contained in the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane is in the range of 10 to 70% of the maximum amount of water that can be contained in the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane, A bonding method of a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes, characterized by bonding by pressing, and by this method, an aromatic hydrocarbon-based solid with a high glass transition temperature is essentially obtained. A molecular electrolyte membrane can be bonded to an electrode under relatively mild conditions, and an electrolyte membrane / electrode structure excellent in reliability and durability is provided.
この発明によると、炭化水素系固体高分子電解質膜中に含浸された水分が、ポリマーの分子運動を活発化し、膜の柔軟性を向上させるため、電極との接合性が改善され、炭化水素系固体高分子電解質に対する負荷が比較的少ない条件で、電解質膜・電極構造体を作製できるため、膜の耐久性が向上される。 According to this invention, the water impregnated in the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane activates the molecular motion of the polymer and improves the flexibility of the membrane. Since the electrolyte membrane / electrode structure can be produced under conditions where the load on the solid polymer electrolyte is relatively small, the durability of the membrane is improved.
また、前記記載の炭化水素系固体高分子電解質膜と一対の接合方法において、炭化水素系固体高分子電解質膜を、湿度および/または温度が管理された雰囲気下に保持することによって炭化水素系固体高分子電解質膜に水分を付与することを特徴とする炭化水素系固体高分子電解質膜と一対の電極の接合方法である。本発明によると、均等に水分を炭化水素系固体高分子電解質膜に導入できるため、膜全体を接合するのに適した良好な状態に加湿することが可能となり、良好に接合された電解質膜・電極構造体を再現性良く得ることが可能となる。 Further, in the above-described joining method of the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and the pair of hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes, the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane is maintained in an atmosphere in which humidity and / or temperature are controlled. A method for joining a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes, characterized in that moisture is imparted to the polymer electrolyte membrane. According to the present invention, since moisture can be evenly introduced into the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane, it becomes possible to humidify the membrane in a good state suitable for joining the entire membrane. It becomes possible to obtain an electrode structure with good reproducibility.
またさらに本発明は、前記一対の電極の周縁部が、シール部材で形成されていることを特徴とする電解質膜・電極構造体であって、電極端面から燃料がクロスオーバーするのを防止することが可能であり、本質的に安定性の低い炭化水素系固体高分子電解質膜の耐久性を高めることができる。 Furthermore, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure in which the peripheral edge portions of the pair of electrodes are formed of a sealing member, and prevents the fuel from crossing over from the electrode end surface. The durability of the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane having essentially low stability can be enhanced.
また本発明は、前記炭化水素系固体高分子電解質膜を形成する有機高分子として、一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とするポリアリーレンエーテル系化合物を用いた電解質膜・電極構造体であり、炭化水素系固体高分子電解質膜の耐久性をさらに高めることができる。
本発明の電解質膜・電極構造体により、信頼性・耐久性に優れた炭化水素系電解質膜を用いた燃料電池を提供できる。 The electrolyte membrane / electrode structure of the present invention can provide a fuel cell using a hydrocarbon electrolyte membrane excellent in reliability and durability.
以下本発明について詳細に説明する。
従来のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜よりも優れた熱的安定性を有する電解質膜の候補として、高いガラス転移温度を有する炭化水素系のポリマー電解質膜の研究が行われており、同時にそのような炭化水素系ポリマー電解質膜を使用した電解質膜・電極構造体の研究がなされている。ここでいう炭化水素系ポリマー電解質としては、耐熱性や化学的安定性を考慮すると、例えば芳香族ポリアリーレンエーテル化合物を有望と考えることができる。ここで耐熱性を向上させるという意味では、高温におけるポリマーの変形を抑止させるために、より高いガラス転移温度を有するポリマーが好ましいという観点から、ポリマーが乾燥状態において160℃以上のガラス転移温度を有していることが好ましく、より良好には200℃以上である。
The present invention will be described in detail below.
Hydrocarbon polymer electrolyte membranes with high glass transition temperatures have been studied as candidates for electrolyte membranes with better thermal stability than conventional perfluorosulfonic acid solid polymer electrolyte membranes. Research has been conducted on electrolyte membrane / electrode structures using such hydrocarbon polymer electrolyte membranes. As the hydrocarbon polymer electrolyte here, for example, an aromatic polyarylene ether compound can be considered promising in consideration of heat resistance and chemical stability. In terms of improving heat resistance, the polymer has a glass transition temperature of 160 ° C. or higher in the dry state from the viewpoint that a polymer having a higher glass transition temperature is preferable in order to suppress deformation of the polymer at high temperatures. The temperature is preferably 200 ° C. or higher.
一方、燃料電池を良好に動かすためには、電解質膜中をプロトンが移動しやすい電解質膜である方が好ましいわけであるが、プロトンは、電解質膜中に存在する酸性官能基を利用して、ホッピングや水と水和した形で移動することから、酸性官能基量を増やした電解質膜が好適に利用できる。詳細は後述するが、例えば酸性官能器がスルホン酸基である場合、電解質膜中のスルホン酸基含有量が0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、イオン伝導膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合にはイオン伝導膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。 On the other hand, in order to move the fuel cell satisfactorily, it is preferable to use an electrolyte membrane in which protons easily move in the electrolyte membrane, but protons utilize acidic functional groups present in the electrolyte membrane, Since it moves in a hydrated form with hopping or water, an electrolyte membrane with an increased amount of acidic functional groups can be suitably used. Although details will be described later, for example, when the acidic functional group is a sulfonic acid group, the sulfonic acid group content in the electrolyte membrane is preferably in the range of 0.3 to 3.5 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that sufficient ion conductivity is not exhibited when used as an ion conductive membrane, and when it is greater than 3.5 meq / g, the ion conductive membrane is not heated and humidified. When the conditions are met, membrane swelling tends to be too large to be suitable for use.
このような電解質膜においては、酸性官能基が水を保持するため、電解質膜が保水性を示す。プロトンが移動する際には水が有効に作用するため、前述の酸性官能基の存在と並べて水を保持する特性は重要な性質である。この際、本発明の電解質膜・電極構造体を作製する際の、電解質膜としては、電解質膜の重量に対して水の保持可能な量は、10%〜120%の範囲にあることが好ましい。10%よりも少ない場合は、電解質膜として使用した時に十分な水分量が保持できていないため、イオン伝導性を示さない傾向にあり、120%よりも大きい場合には、膜の膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる。 In such an electrolyte membrane, since the acidic functional group retains water, the electrolyte membrane exhibits water retention. Since water acts effectively when protons move, the property of retaining water along with the presence of the aforementioned acidic functional group is an important property. At this time, the amount of water that can be retained with respect to the weight of the electrolyte membrane is preferably in the range of 10% to 120% as the electrolyte membrane in producing the electrolyte membrane / electrode structure of the present invention. . If it is less than 10%, a sufficient amount of water cannot be maintained when it is used as an electrolyte membrane, so that it tends to show no ionic conductivity. If it is more than 120%, the membrane swells greatly. It becomes too unsuitable for use.
しかしながら、このようなガラス転移温度が160℃以上の炭化水素系電解質膜を用いて本発明の電解質膜・電極接合体を作製することを考えた場合、電解質膜の耐熱性が高い反面、従来から行われているガラス転移温度近傍でホットプレスすることにより良好な接合体を形成することは困難であり、単純に熱で接合した場合には、燃料電池とした際の耐久性が低い。その傾向は特に、電解質膜が電解質膜の重量に対して、10%から45%の範囲と70%から120%で水分を保持しうる電解質膜を使用する際に困難となる。即ち、保持可能な水の量が10%から45%の範囲にある電解質膜においては、電解質膜が硬く、電極を寄せ付けない傾向にあり、一部接合できた場合でも、時間が経つと電極が剥がれるという問題があり、無理に、より高温で接着した場合には、膜の変色や膜が脆くなるといった劣化が観察され、耐久性の低い電解質膜・電極構造体となる。一方保持可能な水の量が50%から65%の範囲にある電解質膜においては、酸性官能基が存在する影響により、若干電極との接着性が緩和される傾向にあり、温度を幾分上げる必要のあることと、耐久性が少し低下するといったデメリットはあるものの比較的良好な電解質膜・電極構造体を作製可能である。さらに、保持可能な水の量が70%から120%の範囲にある電解質膜においては、酸性官能基がより多く存在することと、水分を保持可能な空間が多いことが災いして、電解質膜の変形が発生するため、電解質膜が電極をはじき、電極を単純にホットプレスにより接合することは困難である。 However, considering the production of the electrolyte membrane / electrode assembly of the present invention using a hydrocarbon-based electrolyte membrane having a glass transition temperature of 160 ° C. or higher, the electrolyte membrane has high heat resistance, but has been conventionally used. It is difficult to form a good bonded body by hot pressing in the vicinity of the glass transition temperature being performed, and when it is simply bonded by heat, durability when used as a fuel cell is low. This tendency becomes particularly difficult when using an electrolyte membrane in which the electrolyte membrane can hold moisture in the range of 10% to 45% and 70% to 120% with respect to the weight of the electrolyte membrane. That is, in an electrolyte membrane in which the amount of water that can be held is in the range of 10% to 45%, the electrolyte membrane is hard and tends not to touch the electrode. There is a problem of peeling, and when it is forcibly adhered at a higher temperature, deterioration such as discoloration of the film or brittleness of the film is observed, resulting in an electrolyte membrane / electrode structure with low durability. On the other hand, in an electrolyte membrane in which the amount of water that can be held is in the range of 50% to 65%, the adhesion with the electrode tends to be slightly relaxed due to the presence of acidic functional groups, and the temperature is raised somewhat. A relatively good electrolyte membrane / electrode structure can be produced, although there is a demerit that it is necessary and the durability slightly decreases. Furthermore, in an electrolyte membrane in which the amount of water that can be held is in the range of 70% to 120%, the presence of more acidic functional groups and a large amount of space that can hold moisture impairs the electrolyte membrane. Therefore, the electrolyte membrane repels the electrode, and it is difficult to simply join the electrode by hot pressing.
このような事情により、本発明の信頼性と耐久性に優れる炭化水素系固体高分子電解質膜を一対の電極で挟んでなる電解質膜・電極構造体において、使用される電解質膜の乾燥状態におけるガラス転移温度が160℃以上であり、かつ電解質膜が電解質膜の重量に対して、10%から120%の範囲で水分を保持しうる電解質膜からなることを特徴とする電解質膜・電極構造体の発明に至る、炭化水素系固体高分子電解質膜と一対の電極を接合する方法も発明した。 Due to such circumstances, in the electrolyte membrane / electrode structure in which the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane excellent in reliability and durability of the present invention is sandwiched between a pair of electrodes, the glass in a dry state of the electrolyte membrane used An electrolyte membrane / electrode structure having a transition temperature of 160 ° C. or higher and an electrolyte membrane comprising an electrolyte membrane capable of retaining moisture in a range of 10% to 120% with respect to the weight of the electrolyte membrane A method for joining a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes has also been invented.
即ち、炭化水素系固体高分子電解質膜中に含まれる水分量が、前記炭化水素系固体高分子電解質膜が含有可能な最大水分量の10〜70%の範囲にある状態で、電極とホットプレスにより接合することを特徴としている。より好ましくは、10〜50%の範囲にある。前述のように芳香族炭化水素系固体高分子電解質膜においては、ガラス転移温度が高いために、膜が乾燥状態にあると、ホットプレスにより電極との接合体を形成することが困難であり、ホットプレスしても電極が接合しない場合が多く、また接合後に電極が剥がれるといった現象が現れる。そこで、この問題を解決する為に、膜中に微量の水分を添加し、ポリマーの分子運動を活発化させることによって、ホットプレス時の接合性を改善させることで、より信頼性・耐久性に優れた電解質膜・電極構造体を発明した。 That is, in the state where the amount of water contained in the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane is in the range of 10 to 70% of the maximum amount of water that the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane can contain, the electrode and hot press It is characterized by joining. More preferably, it is in the range of 10 to 50%. As described above, in the aromatic hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane, since the glass transition temperature is high, it is difficult to form a joined body with the electrode by hot pressing when the membrane is in a dry state. In many cases, the electrodes are not joined even by hot pressing, and a phenomenon that the electrodes peel off after joining appears. Therefore, in order to solve this problem, by adding a small amount of moisture to the film and activating the molecular motion of the polymer, it improves the bondability during hot pressing, making it more reliable and durable. An excellent electrolyte membrane / electrode structure was invented.
ここで電解質膜中に存在する水分量が10%未満である場合は、ポリマーの分子運動が十分に活発化されていないため、接合状態が不十分であることと、電解質膜に添加した水分の気化により電解質膜の収縮が発生する際に、電解質膜と電極の接合部に発生する応力のため歪が発生するので、ホットプレスにより電極が接合されない場合が多く、またホットプレス直後は上手く電解質膜・電極構造体を形成できているように見えても、この場合も時間が経過すると電解質膜から電極が剥離する現象が発生する。一方、電解質膜が含有可能な最大水分量の70%以上の水分を電解質膜に付与した状態からホットプレスを行うと、電解質膜が水でかなり膨潤した状態からの接合となるので、電解質膜が膨らんだ状態で電極と接合されるため、電解質膜に対する負荷が大きく、燃料電池とした時の耐久性が低下すると共に、ガスリークが発生しやすい電解質膜・電極構造体となってしまう。ここで50%から70%の範囲にある場合も特性的には良好な電解質膜・電極構造体を作製可能である。しかしながら部分的に電解質膜の変形が発生するため、幾分品位に優れない電解質膜・電極構造体となる可能性がある。なお、単純にホットプレス時の温度や圧力を上昇させることにより接合する手法で作製した電解質膜・電極構造体と比較すると、本発明による水分を含浸させたのちホットプレスする手法により作製した電解質膜・電極構造体は、性能・耐久性共に優れている。 Here, when the amount of water present in the electrolyte membrane is less than 10%, the molecular motion of the polymer is not sufficiently activated, so that the bonding state is insufficient and the amount of moisture added to the electrolyte membrane When the electrolyte membrane contracts due to vaporization, distortion occurs due to the stress generated at the joint between the electrolyte membrane and the electrode, so the electrode is often not joined by hot pressing, and the electrolyte membrane works well immediately after hot pressing. -Even if it seems that an electrode structure is formed, in this case as well, a phenomenon occurs in which the electrode peels off from the electrolyte membrane over time. On the other hand, when hot pressing is performed from a state where 70% or more of the maximum amount of water that can be contained in the electrolyte membrane is applied to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is joined from a state where it is considerably swollen with water. Since it is bonded to the electrode in a swelled state, the load on the electrolyte membrane is large, the durability of the fuel cell is lowered, and an electrolyte membrane / electrode structure that easily causes gas leakage is produced. Here, even when it is in the range of 50% to 70%, it is possible to produce an electrolyte membrane / electrode structure with good characteristics. However, since the electrolyte membrane partially deforms, there is a possibility that the electrolyte membrane / electrode structure is somewhat inferior in quality. Compared with the electrolyte membrane / electrode structure produced by simply joining by increasing the temperature and pressure during hot pressing, the electrolyte membrane produced by the hot pressing method after impregnating moisture according to the present invention -The electrode structure has excellent performance and durability.
本発明における電解質膜・電極構造体の作製方法において、固体高分子電解質膜に特定量の水分を含ませる手法は特に限定されるものではなく、スプレー等を用いて水分を吹き付ける手法や湿度や温度を制御した雰囲気に固体高分子電解質膜を保持して湿らせる方法などが良好に用いられる。中でも湿度と温度を制御した雰囲気に固体高分子電解質膜を保持する方法は、均質かつ定量的に水分を付与することが可能であるため特に好ましい方法であり、この手法によると、たとえばスプレーで水分を付与する場合に問題となる再現性の少なさや、面方向や厚み方向での水分の分布を極めて低減でき、電極との接合状態が一様である優れた電解質膜・電極構造体を再現性良く作製することが可能となる。膜を加湿するための雰囲気としては特に制限されるものではなく、膜の種類や特性に応じて任意に選出できる。 In the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure according to the present invention, a method for adding a specific amount of moisture to the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and a method for spraying moisture using a spray or the like, humidity or temperature. For example, a method of holding and moistening the solid polymer electrolyte membrane in an atmosphere in which the above is controlled is preferably used. Among them, the method of holding the solid polymer electrolyte membrane in an atmosphere in which humidity and temperature are controlled is a particularly preferable method because it is possible to impart moisture uniformly and quantitatively. The reproducibility of an excellent electrolyte membrane / electrode structure that can reduce the reproducibility that becomes a problem when applying a high degree of water and the distribution of moisture in the surface direction and the thickness direction is uniform and the bonding state with the electrode is uniform. It can be manufactured well. The atmosphere for humidifying the film is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the type and characteristics of the film.
また燃料電池では、フィルム状の基板上に、白金微粒子または白金―ルテニウム微粒子を担持した炭素粒子とイオン交換ポリマーからなる触媒層を均一な膜厚で形成した触媒層シートを、電解質膜と重ね合わせた後、熱転写するため、触媒層を多少の取り扱いでも剥がれないようにある程度の付着力を持たせつつ、一方、電解質膜へは触媒層のみを移動させなければならない。この際には、触媒層とフィルム状基板材とのバランスを制御することが困難である。特に単純に温度を上昇させて電解質膜・電極構造体を作製すると、触媒層シートのフィルムと触媒層の接着力が強くなる為、フィルムをはがす際に、フィルム面に一部の触媒層が残った状態ではがされるという問題も発生し、均質な電解質膜・電極構造体を作製できない。熱転写時の温度としては150℃以下が好ましく、より好ましくは140℃以下である。 In addition, in a fuel cell, a catalyst layer sheet in which a catalyst layer composed of carbon particles supporting platinum fine particles or platinum-ruthenium fine particles and an ion exchange polymer is formed on a film-like substrate with a uniform film thickness is superimposed on the electrolyte membrane. After that, in order to perform thermal transfer, it is necessary to move only the catalyst layer to the electrolyte membrane while giving a certain degree of adhesion so that the catalyst layer does not peel off even if handled somewhat. At this time, it is difficult to control the balance between the catalyst layer and the film-like substrate material. In particular, when an electrolyte membrane / electrode structure is produced simply by raising the temperature, the adhesive force between the catalyst layer sheet and the catalyst layer becomes stronger, so when the film is peeled off, a part of the catalyst layer remains on the film surface. The problem of being peeled off also occurs, and a homogeneous electrolyte membrane / electrode structure cannot be produced. The temperature at the time of thermal transfer is preferably 150 ° C. or lower, more preferably 140 ° C. or lower.
本発明における電極の形態は特に制限されるものではない。例えば電極中に含まれる触媒の種類やイオン交換ポリマーの種類や量は限定されない。例えばイオン交換ポリマーは、パーフルオロスルホン酸ポリマーでも炭化水素系ポリマーでも、部分的にフッ素化された炭化水素系ポリマーであっても良い。 The form of the electrode in the present invention is not particularly limited. For example, the type of catalyst and the type and amount of ion exchange polymer contained in the electrode are not limited. For example, the ion exchange polymer may be a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon polymer, or a partially fluorinated hydrocarbon polymer.
また本発明は、前記電解質膜・電極構造体の一対の電極の周縁部が、シール部材で形成された電解質膜・電極構造体であり、本質的に安定性の低い炭化水素系固体高分子電解質膜の耐久性を高めることができる。即ち、電極の周辺部においては、電解質膜が露出されていることから、電解質膜を通したガスまたは液透過による燃料のクロスオーバーが発生しやすく、例えば水素/空気型の燃料電池において、カソード反応ガスである酸素ガスが電極周辺部に存在する炭化水素系固体高分子電解質膜を通ってアノードに流れ込むと、過酸化水素が発生し、電解質膜の劣化を促進する。このような燃料電池における副反応に対する耐性は、炭化水素系ポリマーの場合、フッ素系ポリマーに比して低いため、シール部材で電極周辺部を被覆することにより、燃料電池の信頼性・耐久性をより向上できる。 Further, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure in which peripheral portions of a pair of electrodes of the electrolyte membrane / electrode structure are formed of a sealing member, and a hydrocarbon solid polymer electrolyte having essentially low stability. The durability of the membrane can be increased. That is, since the electrolyte membrane is exposed at the periphery of the electrode, fuel crossover due to gas or liquid permeation through the electrolyte membrane is likely to occur. For example, in a hydrogen / air type fuel cell, the cathode reaction When oxygen gas, which is a gas, flows into the anode through the hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane present in the periphery of the electrode, hydrogen peroxide is generated, which promotes deterioration of the electrolyte membrane. Since resistance to side reactions in such fuel cells is lower than that of fluoropolymers in the case of hydrocarbon polymers, the reliability and durability of the fuel cell can be improved by covering the periphery of the electrode with a seal member. It can be improved.
シール剤の材質としては特に限定されるものでは無く、接着剤のように、電解質膜・電極構造体に塗布後、硬化させて効果を発揮するものは好適に使用可能であり、また固体状態のシール剤であり、反応ガスが電極の周辺部に到達しにくくなるようガス流路を妨げるようにシール可能なものであっても良い。 The material of the sealant is not particularly limited, and those that exhibit an effect by being cured after being applied to the electrolyte membrane / electrode structure, such as an adhesive, can be suitably used. It may be a sealing agent that can be sealed so as to prevent the gas flow path so that the reaction gas does not easily reach the periphery of the electrode.
また本発明の電解質膜・電極構造体は、炭化水素系電解質膜を使用することを特徴としているが、特に、芳香環上にスルホン酸を導入したポリアリーレンエーテル系化合物により、耐熱性、加工性、イオン伝導性にすぐれたイオン伝導膜として有用な、炭化水素系固体高分子電解質膜を用いた電解質膜・電極構造体を提供できる。以下に本発明によるところのポリアリーレンエーテル系化合物に関して詳細に述べる。 In addition, the electrolyte membrane / electrode structure of the present invention is characterized by using a hydrocarbon-based electrolyte membrane. In particular, the polyarylene ether-based compound in which a sulfonic acid is introduced onto an aromatic ring, heat resistance, workability Thus, it is possible to provide an electrolyte membrane / electrode structure using a hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membrane, which is useful as an ion conductive membrane excellent in ion conductivity. The polyarylene ether compound according to the present invention will be described in detail below.
すなわち、電子吸引性の芳香環上にスルホン酸基を導入したモノマーとして、3,3’−ジスルホ−4,4‘−ジクロロジフェニルスルホン誘導体を用いてポリアリーレンエーテルを合成することにより、高温でもスルホン酸基が脱離しにくいポリマーであるとともに、3,3’−ジスルホ−4,4‘−ジクロロジフェニルスルホン誘導体とともに2,6−ジクロロベンゾニトリルを併用していることにより、重合性の低い3,3’−ジスルホ−4,4‘−ジクロロジフェニルスルホン誘導体を使用していても高重合度のポリアリーレンエーテル化合物が得られる特徴も有しているポリアリーレンエーテルである。 That is, by synthesizing a polyarylene ether using a 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone derivative as a monomer having a sulfonic acid group introduced on an electron-withdrawing aromatic ring, sulfone can be obtained even at high temperatures. It is a polymer in which the acid group is not easily released, and by using 2,6-dichlorobenzonitrile together with the 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone derivative, the polymerizability is low. It is a polyarylene ether having a feature that a polyarylene ether compound having a high degree of polymerization can be obtained even when a '-disulfo-4,4'-dichlorodiphenylsulfone derivative is used.
すなわち、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、下記一般式(1)とともに一般式(2)で示される構成成分を含むことを特徴とする。 That is, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound of the present invention is characterized in that it contains a structural component represented by the general formula (2) together with the following general formula (1).
また、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合部においては上記一般式(1)および一般式(2)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記一般式(2)または一般式(3)で示される以外の構造単位は本発明のスルホン酸を導入したポリアリーレンエーテルの50重量%以下であることが好ましい。 In addition, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound part of the present invention may contain structural units other than those represented by the above general formula (1) and general formula (2). At this time, the structural units other than those represented by the general formula (2) or the general formula (3) are preferably 50% by weight or less of the polyarylene ether introduced with the sulfonic acid of the present invention.
本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物としては、スルホン酸基含有量が0.3〜3.5meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、イオン伝導膜として使用したときに十分なイオン伝導性を示さない傾向があり、3.5meq/gよりも大きい場合にはイオン伝導膜を高温高湿条件においた場合に膜膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 3.5 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that sufficient ion conductivity is not exhibited when used as an ion conductive membrane, and when it is greater than 3.5 meq / g, the ion conductive membrane is not heated and humidified. When the conditions are met, membrane swelling tends to be too large to be suitable for use.
本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物としては、下記一般式(3)とともに一般式(4)で示される構成成分を含むものが特に好ましい。ビフェニレン構造を有していることにより高温高湿条件での寸法安定性に優れるとともに、フィルムの強靱性も高いものとなる。 As the sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound of the present invention, a compound containing the structural component represented by the general formula (4) together with the following general formula (3) is particularly preferable. By having a biphenylene structure, the film has excellent dimensional stability under high-temperature and high-humidity conditions, and also has high film toughness.
本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、下記一般式(5)および一般式(6)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(5)で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったものが挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。一般式(6)で表される化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリルを挙げることができる。 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing compounds represented by the following general formulas (5) and (6) as monomers. Specific examples of the compound represented by the general formula (5) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 3, 3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those in which their sulfonic acid group is converted to a salt with a monovalent cationic species. It is done. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the general formula (6) include 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,6-difluorobenzonitrile.
上述の芳香族求核置換反応において、上記一般式(5)、(6)で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。 In the above aromatic nucleophilic substitution reaction, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the general formulas (5) and (6) as monomers. Examples of these compounds include, but are not limited to, 4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorodiphenylsulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, and the like. Without limitation, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.
また、上述の一般式(1)で表される構成成分中のArおよび上述の一般式(2)で表される構成成分中のAr’は、一般には芳香族求核置換重合において上述の一般式(5)、(6)で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーよりより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。 In addition, Ar in the structural component represented by the general formula (1) and Ar ′ in the structural component represented by the general formula (2) are generally the same as those described above in the aromatic nucleophilic substitution polymerization. It is a structure introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compounds represented by formulas (5) and (6). Examples of such aromatic diol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, 2,2-bis (4-hydroxy-3) , 5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis ( 4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, 9,9- (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, and the like. In addition, polyarylene by aromatic nucleophilic substitution reaction Various aromatic diols that can be used for the polymerization of ether compounds can also be used. These aromatic diols can be used alone, but a plurality of aromatic diols can be used in combination.
本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を芳香族求核置換反応により重合する場合、上記一般式(5)および一般式(6)で表せる化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物及び/またはジクロロ芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、得られるポリマー濃度として5〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。5重量%よりも少ない場合は、重合度が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。重合反応終了後は、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄することによって、所望のポリマーが得られる。また、反応溶液を、ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。 When the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound containing the compounds represented by the general formula (5) and the general formula (6) and / or A polymer can be obtained by reacting a dichloroaromatic compound and an aromatic diol in the presence of a basic compound. The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used. When the aromatic nucleophilic substitution reaction is carried out in a solvent, it is preferable to charge the monomer so that the resulting polymer concentration is 5 to 50% by weight. When the amount is less than 5% by weight, the degree of polymerization tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. After completion of the polymerization reaction, the solvent is removed from the reaction solution by evaporation, and the residue is washed as necessary to obtain the desired polymer. In addition, the polymer can be obtained by precipitating the polymer as a solid by adding the reaction solution in a solvent having low polymer solubility, and collecting the precipitate by filtration.
また、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物のポリマー対数粘度は、0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて測定した時に0.1以上であることが好ましい。対数粘度が0.1よりも小さいと、イオン伝導膜として成形したときに、膜が脆くなりやすくなる。還元比粘度は、0.3以上であることがさらに好ましい。一方、還元比粘度が5を超えると、ポリマーの溶解が困難になるなど、加工性での問題が出てくるので好ましくない。なお、対数粘度を測定する溶媒としては、一般にN−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミドなどの極性有機溶媒を使用することができるが、これらに溶解性が低い場合には濃硫酸を用いて測定することもできる。 Moreover, the polymer logarithmic viscosity of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, and is measured using an Ubbelohde viscometer in a constant temperature bath at 30 ° C. It is preferably 0.1 or more when measured. When the logarithmic viscosity is less than 0.1, the membrane is likely to be brittle when formed as an ion conductive membrane. The reduced specific viscosity is more preferably 0.3 or more. On the other hand, if the reduced specific viscosity exceeds 5, problems in processability such as difficulty in dissolving the polymer occur, which is not preferable. As a solvent for measuring the logarithmic viscosity, polar organic solvents such as N-methylpyrrolidone and N, N-dimethylacetamide can be generally used. When the solubility in these is low, concentrated sulfuric acid is used. It can also be measured.
本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、単体として使用することができるが、他のポリマーとの組み合わせによる樹脂組成物として使用することもできる。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、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ケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系ポリマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などの熱硬化性樹脂等、特に制限はない。ポリベンズイミダゾールやポリビニルピリジンなどの塩基性ポリマーとの樹脂組成物は、ポリマー寸法性の向上のために好ましい組み合わせと言える。これらの塩基性ポリマー中に、さらにスルホン酸基を導入しておくと、より好ましいものとなる。これら樹脂組成物を電解質膜として使用する場合には、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、樹脂組成物全体の50質量%以上100質量%未満含まれていることが好ましい。より好ましくは70質量%以上100質量%未満である。本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物の含有量が樹脂組成物全体の50重量%未満の場合には、この樹脂組成物を含むイオン伝導膜のスルホン酸基濃度が低くなり良好なイオン伝導性が得られない傾向にあり、また、スルホン酸基を含有するユニットが非連続相となり伝導するイオンの移動度が低下する傾向にある。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤、ラジカル防止剤などの各種添加剤や、電解質膜の特性をコントロールするための無機化合物や無機―有機のハイブリッド化合物、などを含んでいても良く、さらには電解質膜内に触媒粒子などを含んでいても良い。 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention can be used as a simple substance, but can also be used as a resin composition in combination with other polymers. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Heat curing of aromatic polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, epoxy resin, phenol resin, novolac resin, benzoxazine resin There are no particular restrictions on the conductive resin. A resin composition with a basic polymer such as polybenzimidazole or polyvinylpyridine can be said to be a preferred combination for improving polymer dimensionality. It is more preferable to introduce a sulfonic acid group into these basic polymers. When these resin compositions are used as an electrolyte membrane, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether-based compound of the present invention is preferably contained in an amount of 50% by mass or more and less than 100% by mass of the entire resin composition. More preferably, it is 70 mass% or more and less than 100 mass%. When the content of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention is less than 50% by weight of the entire resin composition, the sulfonic acid group concentration of the ion conductive membrane containing this resin composition is lowered and good ions are obtained. There is a tendency that the conductivity cannot be obtained, and the unit containing the sulfonic acid group becomes a discontinuous phase and the mobility of ions to be conducted tends to be lowered. In addition, the composition of the present invention, if necessary, for example, an antioxidant, a heat stabilizer, a lubricant, a tackifier, a plasticizer, a crosslinking agent, a viscosity modifier, an antistatic agent, an antibacterial agent, an antifoaming agent, It may contain various additives such as dispersants, polymerization inhibitors, radical inhibitors, inorganic compounds and inorganic-organic hybrid compounds for controlling the characteristics of the electrolyte membrane, and further in the electrolyte membrane. It may contain catalyst particles and the like.
本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物およびその樹脂組成物は、押し出し、圧延またはキャストなど任意の方法で電解質膜へと加工とすることができる。中でも適当な溶媒に溶解した溶液から成形することが好ましい。この溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホンアミドなどの非プロトン性極性溶媒や、メタノール、エタノール等のアルコール類から適切なものを選ぶことができるがこれらに限定されるものではない。これらの溶媒は、可能な範囲で複数を混合して使用してもよい。溶液中の化合物濃度は0.1〜50重量%の範囲であることが好ましい。溶液中の化合物濃度が0.1重量%未満であると良好な成形物を得るのが困難となる傾向にあり、50重量%を超えると加工性が悪化する傾向にある。溶液から成形体を得る方法は従来から公知の方法を用いて行うことができる。たとえば、加熱、減圧乾燥、化合物を溶解する溶媒と混和することができる化合物非溶媒への浸漬等によって、溶媒を除去し成形体を得ることができる。溶媒が、有機溶媒の場合には、加熱又は減圧乾燥によって溶媒を留去させることが好ましい。この際、必要に応じて他の化合物と複合された形で成形することもできる。溶解挙動が類似する化合物と組み合わせた場合には、良好な成形ができる点で好ましい。このようにして得られた成形体中のスルホン酸基はカチオン種との塩の形のものを含んでいても良いが、必要に応じて酸処理することによりフリーのスルホン酸基に変換することもできる。 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound and the resin composition thereof of the present invention can be processed into an electrolyte membrane by any method such as extrusion, rolling, or casting. Among these, it is preferable to mold from a solution dissolved in an appropriate solvent. Examples of the solvent include aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone and hexamethylphosphonamide, and alcohols such as methanol and ethanol. An appropriate one can be selected, but is not limited thereto. A plurality of these solvents may be used as a mixture within a possible range. The compound concentration in the solution is preferably in the range of 0.1 to 50% by weight. If the concentration of the compound in the solution is less than 0.1% by weight, it tends to be difficult to obtain a good molded product, and if it exceeds 50% by weight, the workability tends to deteriorate. A method of obtaining a molded body from a solution can be performed using a conventionally known method. For example, the molded product can be obtained by removing the solvent by heating, drying under reduced pressure, immersion in a compound non-solvent that can be mixed with a solvent that dissolves the compound, or the like. When the solvent is an organic solvent, the solvent is preferably distilled off by heating or drying under reduced pressure. At this time, if necessary, it can be molded in a form combined with other compounds. When combined with a compound having a similar dissolution behavior, it is preferable in that good molding can be achieved. The sulfonic acid group in the molded article thus obtained may contain a salt form with a cationic species, but it can be converted to a free sulfonic acid group by acid treatment as necessary. You can also.
また、本発明のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物およびその樹脂組成物から電解質膜を作製する場合、最も好ましいのは、溶液からのキャストであり、キャストした溶液から上記のように溶媒を除去してイオン伝導膜を得ることができる。溶媒の除去は、乾燥によることがイオン伝導膜の均一性からは好ましい。また、化合物や溶媒の分解や変質を避けるため、減圧下でできるだけ低い温度で乾燥することもできる。また、溶液の粘度が高い場合には、基板や溶液を加熱して高温でキャストすると溶液の粘度が低下して容易にキャストすることができる。キャストする際の溶液の厚みは特に制限されないが、10〜1000μmであることが好ましい。より好ましくは50〜500μmである。溶液の厚みが10μmよりも薄いとイオン伝導膜としての形態を保てなくなる傾向にあり、1000μmよりも厚いと不均一な高分子電解質膜ができやすくなる傾向にある。溶液のキャスト厚を制御する方法は公知の方法を用いることができる。例えば、アプリケーター、ドクターブレードなどを用いて一定の厚みにしたり、ガラスシャーレなどを用いてキャスト面積を一定にして溶液の量や濃度で厚みを制御することができる。キャストした溶液は、溶媒の除去速度を調整することでより均一な膜を得ることができる。例えば、加熱する場合には最初の段階では低温にして蒸発速度を下げたりすることができる。また、水などの非溶媒に浸漬する場合には、溶液を空気中や不活性ガス中に適当な時間放置しておくなどして化合物の凝固速度を調整することができる。本発明のイオン伝導膜は目的に応じて任意の膜厚にすることができるが、イオン伝導性の面からはできるだけ薄いことが好ましい。具体的には5〜200μmであることが好ましく、5〜50μmであることがさらに好ましく、5〜20μmであることが最も好ましい。イオン伝導膜の厚みが5μmより薄いとイオン伝導膜の取扱が困難となり燃料電池を作製した場合に短絡等が起こる傾向にあり、200μmよりも厚いとイオン伝導膜の電気抵抗値が高くなり燃料電池の発電性能が低下する傾向にある。イオン伝導膜として使用する場合、膜中のスルホン酸基は金属塩になっているものを含んでいても良いが、適当な酸処理によりフリーのスルホン酸に変換することもできる。この場合、硫酸、塩酸、等の水溶液中に加熱下あるいは加熱せずに得られた膜を浸漬処理することで行うことも効果的である。また、イオン伝導膜のイオン伝導率は1.0x10-3S/cm以上であることが好ましい。イオン伝導率が1.0x10-3S/cm以上である場合には、そのイオン伝導膜を用いた燃料電池において良好な出力が得られる傾向にあり、1.0x10-3S/cm未満である場合には燃料電池の出力低下が起こる傾向にある。 Moreover, when producing an electrolyte membrane from the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound of the present invention and its resin composition, the most preferable is casting from a solution, and the solvent is removed from the cast solution as described above. Thus, an ion conductive membrane can be obtained. The removal of the solvent is preferably by drying from the uniformity of the ion conductive membrane. Moreover, in order to avoid decomposition | disassembly and alteration of a compound or a solvent, it can also dry at the lowest temperature possible under reduced pressure. Further, when the viscosity of the solution is high, when the substrate or the solution is heated and cast at a high temperature, the viscosity of the solution is lowered and the casting can be easily performed. The thickness of the solution at the time of casting is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 μm. More preferably, it is 50-500 micrometers. If the thickness of the solution is less than 10 μm, it tends to be unable to maintain the form as an ion conductive membrane, and if it is thicker than 1000 μm, a non-uniform polymer electrolyte membrane tends to be easily formed. As a method for controlling the cast thickness of the solution, a known method can be used. For example, the thickness can be controlled with the amount and concentration of the solution with a constant thickness using an applicator, a doctor blade, or the like, and with a cast area constant using a glass petri dish or the like. The cast solution can obtain a more uniform film by adjusting the solvent removal rate. For example, in the case of heating, the evaporation rate can be reduced by lowering the temperature in the first stage. In addition, when immersed in a non-solvent such as water, the coagulation rate of the compound can be adjusted by leaving the solution in air or an inert gas for an appropriate time. The ion conductive film of the present invention can have any film thickness depending on the purpose, but it is preferably as thin as possible from the viewpoint of ion conductivity. Specifically, it is preferably 5 to 200 μm, more preferably 5 to 50 μm, and most preferably 5 to 20 μm. If the thickness of the ion conductive membrane is less than 5 μm, handling of the ion conductive membrane is difficult and a short circuit or the like tends to occur when a fuel cell is manufactured. The power generation performance tends to decrease. When used as an ion conductive membrane, the sulfonic acid group in the membrane may contain a metal salt, but it can be converted to free sulfonic acid by an appropriate acid treatment. In this case, it is also effective to immerse the membrane obtained in an aqueous solution of sulfuric acid, hydrochloric acid, etc. with or without heating. The ion conductivity of the ion conductive film is preferably 1.0 × 10 −3 S / cm or more. When the ionic conductivity is 1.0 × 10 −3 S / cm or more, a good output tends to be obtained in a fuel cell using the ion conductive membrane, and is less than 1.0 × 10 −3 S / cm. In some cases, the output of the fuel cell tends to decrease.
上述したイオン伝導膜からなる電解質膜に関して、電解質膜・電極構造体を作製することにより、特に信頼性・耐久性の改善された炭化水素系固体高分子燃料電池を提供することができる。 By producing an electrolyte membrane / electrode structure with respect to the above-described electrolyte membrane composed of an ion conductive membrane, a hydrocarbon-based solid polymer fuel cell with particularly improved reliability and durability can be provided.
[実施例]
以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<電解質膜の乾燥重量の測定法>5×5cmの大きさの電解質膜を50℃の真空乾燥機中で6時間真空乾燥した後、デシケータ中で室温にまで冷却し、その後直ちに測定した重量を、膜の乾燥重量(Wd)とした。 <Method for Measuring Dry Weight of Electrolyte Membrane> An electrolyte membrane having a size of 5 × 5 cm was vacuum-dried in a vacuum dryer at 50 ° C. for 6 hours, then cooled to room temperature in a desiccator, and then immediately measured. The dry weight (Wd) of the film.
<電解質膜の含水率>特定の水分状態にある電解質膜の含水率(Ws)は、電解質膜の表面を軽くキムパイプでふき取ることで、膜表面に付着している水を取り除いた後、直ちに測定した重量をWiとするとき、下記式から算出した。
Ws=(Wi−Wd)/Wd×100(%)
<Moisture content of electrolyte membrane> The moisture content (Ws) of the electrolyte membrane in a specific moisture state is measured immediately after removing the water adhering to the membrane surface by lightly wiping the surface of the electrolyte membrane with a Kim pipe. When the weight obtained was set to Wi, it was calculated from the following formula.
Ws = (Wi−Wd) / Wd × 100 (%)
<電解質膜の最大含水率>まず乾燥重量(Wd)測定後のサンプルを、25℃の超純水中に8時間、時々攪拌しながら浸漬させた後取り出し、膜表面に付着する水滴をキムワイプでふき取った。その後すぐに測定した重量(Ww)から、膜の最大含水率(Wm)は、下記式より算出した。
Wm =(Ww−Wd)/Wd×100(%)
<Maximum Moisture Content of Electrolyte Membrane> First, a sample after dry weight (Wd) measurement was taken out after being immersed in ultrapure water at 25 ° C. for 8 hours with occasional stirring, and water droplets adhering to the membrane surface were removed with Kimwipe. Wiped off. From the weight (Ww) measured immediately thereafter, the maximum water content (Wm) of the membrane was calculated from the following formula.
Wm = (Ww−Wd) / Wd × 100 (%)
<ガラス転移温度>イオン交換膜のガラス転移温度は次のようにして測定した。幅5mmの短冊状の試料をユービーエム社製動的粘弾性測定装置(型式名:Rheogel−E4000)にチャック間距離14mmとなるようにセットし、乾燥窒素気流下で試料を4時間乾燥させた後、引っ張りモードで周波数10Hz、歪み0.7%、窒素気流中、測定温度範囲25℃〜200℃、昇温速度2℃/分、2℃毎の測定ステップで測定した際に得られたターンデルタのピーク温度とした。 <Glass Transition Temperature> The glass transition temperature of the ion exchange membrane was measured as follows. A strip-shaped sample with a width of 5 mm was set on a dynamic viscoelasticity measuring apparatus (model name: Rheogel-E4000) manufactured by UBM Co., Ltd. so that the distance between chucks was 14 mm, and the sample was dried for 4 hours under a dry nitrogen stream. After that, the turn obtained when measuring in the measurement step at a frequency of 10 Hz, a strain of 0.7%, a nitrogen stream, a measurement temperature range of 25 ° C. to 200 ° C., a temperature increase rate of 2 ° C./min, and 2 ° C. in tension mode. Delta peak temperature.
<プロトン導電率>自作測定用プローブ(テフロン(R)製)上で短冊状膜試料の表面に白金線(直径:0.2mm)を押しあて、80℃95%RHの恒温・恒湿オーブン(株式会社ナガノ科学機械製作所、LH−20−01)中に試料を保持し、白金線間のインピーダンスをSOLARTRON社1250FREQUENCY RESPONSE ANALYSERにより測定した。極間距離を変化させて測定し、極間距離とC−Cプロットから見積もられる抵抗測定値をプロットした勾配から以下の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルした導電率を算出した。
導電率[S/cm]=1/膜幅[cm]x膜厚[cm]x抵抗極間勾配[Ω/cm]
<Proton conductivity> A platinum wire (diameter: 0.2 mm) is pressed against the surface of a strip-shaped membrane sample on a probe for self-made measurement (manufactured by Teflon (R)), and a constant temperature / humidity oven at 80 ° C. and 95% RH ( The sample was held in Nagano Scientific Machinery Co., Ltd., LH-20-01), and the impedance between the platinum wires was measured by SOLARTRON 1250 FREQUENCY RESPONSE ANALYSER. The measurement was performed while changing the distance between the electrodes, and the conductivity obtained by canceling the contact resistance between the film and the platinum wire was calculated from the gradient obtained by plotting the distance measured between the electrodes and the resistance measurement value estimated from the CC plot.
Conductivity [S / cm] = 1 / film width [cm] × film thickness [cm] × resistance interelectrode gradient [Ω / cm]
<発電試験>電解質膜・電極構造体をElectrochem社製評価用燃料電池セルFC25−02SPに組み込んでセル温度80℃で、アノードおよびカソードにそれぞれ75℃の超純水で加湿した水素と空気を供給し、電流密度0.5A/cm2の放電試験を行った。測定は8時間連続運転後の電圧を読み取った。 <Power generation test> The electrolyte membrane / electrode structure is incorporated into an evaluation fuel cell FC25-02SP manufactured by Electrochem, and supplied with hydrogen and air humidified with ultrapure water at 75 ° C. to the anode and cathode at a cell temperature of 80 ° C. Then, a discharge test with a current density of 0.5 A / cm 2 was performed. The measurement was performed by reading the voltage after continuous operation for 8 hours.
<耐久性評価>電解質膜・電極構造体の耐久性試験は、前述の発電試験後、そのまま発電試験を継続し、性能が低下(ガスリークによる電圧低下など)した時の時間から求めた。 <Durability Evaluation> The durability test of the electrolyte membrane / electrode structure was determined from the time when the power generation test was continued as it was after the power generation test described above, and the performance deteriorated (voltage drop due to gas leak, etc.).
実施例1
実施例1の電解質膜・電極構造体における電解質膜は次の方法により作製した。即ち、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)5.2335g(0.0106mole)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)2.3323g(0.013559mole)、4,4‘−ビフェノール4.5086g(0.02421mole)、炭酸カリウム3.8484g(0.02784mole)とモリキュラーシーブ2.61gを100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。35mlのNMPを入れて、148℃で一時間撹拌した後、反応温度を195−200℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた(約5時間)。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰させた超純水中で1時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度はせ1.25を示した。ポリマー1gをNMP5mlに溶解し、ホットプレート上ガラス板に約200μm厚にキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩以上浸漬した。得られたフィルムは、2リットルの1mol/l硫酸水溶液中で1時間沸騰水処理して塩をはずした後、超純水でさらに3回、1時間煮沸することで酸成分を除去した。その後、フィルムを固定した状態で、室温にて乾燥させた。一方、実施例1の電解質膜・電極構造体に使用した電極は次の方法により作製した。まず、デュポン社製20%ナフィオン(商品名)溶液(品番:SE−20192)に、触媒担持カーボン(カーボン:Cabot社製ValcanXC−72、白金触媒担持量:40重量%)を、触媒担持カーボンとナフィオンの重量比が2.7:1になるように加え、撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、撥水加工を施した東レ製カーボンペーパーTGPH−060に白金の付着量が0.4mg/cm2になるように塗布、乾燥して、電極(触媒層付きガス拡散層)を作製した。上記のように作製した電解質膜と電極の接着方法としては、電解質膜にエアーブラシを用いて超純水を均一に軽く吹き付けることで水分を付与した後、触媒層を電解質膜側に向けた電極に挟み込み、130℃、8MPaで3分間ホットプレスを施すことにより作製した。
Example 1
The electrolyte membrane in the electrolyte membrane / electrode structure of Example 1 was produced by the following method. That is, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS) 5.2335 g (0.0106 mole), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN) 2. 3323 g (0.035559 mole), 4,4′-biphenol 4.5086 g (0.02421 mole), potassium carbonate 3.8484 g (0.02784 mole) and molecular sieve 2.61 g were weighed into a 100 ml four-necked flask and nitrogen was added. Shed. After adding 35 ml of NMP and stirring at 148 ° C. for 1 hour, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 195-200 ° C. and sufficiently increasing the viscosity of the system (about 5 hours). After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The obtained polymer was washed in boiling ultrapure water for 1 hour and then dried. The logarithmic viscosity of the polymer was 1.25. 1 g of the polymer was dissolved in 5 ml of NMP, cast on a glass plate on a hot plate to a thickness of about 200 μm, NMP was distilled off until it became a film, and then immersed in water overnight. The obtained film was treated with boiling water in 2 liters of a 1 mol / l sulfuric acid aqueous solution for 1 hour to remove the salt, and then boiled with ultrapure water 3 times for 1 hour to remove the acid component. Then, it dried at room temperature in the state which fixed the film. On the other hand, the electrode used for the electrolyte membrane / electrode structure of Example 1 was produced by the following method. First, in a 20% Nafion (trade name) solution (product number: SE-20192) manufactured by DuPont, catalyst-supported carbon (carbon: Valcan XC-72 manufactured by Cabot, platinum catalyst-supported amount: 40% by weight) A Nafion weight ratio of 2.7: 1 was added and stirred to prepare a catalyst paste. This catalyst paste was applied to Toray carbon paper TGPH-060 that had been subjected to water-repellent finishing so that the amount of platinum deposited was 0.4 mg / cm 2 , and dried to provide an electrode (gas diffusion layer with catalyst layer). Produced. As an adhesion method of the electrolyte membrane and the electrode produced as described above, after applying moisture to the electrolyte membrane by spraying ultrapure water uniformly and lightly using an air brush, the electrode with the catalyst layer facing the electrolyte membrane side And was hot-pressed at 130 ° C. and 8 MPa for 3 minutes.
参考例1
電解質膜に含ませる水分量のみを替えたことを除いて、実施例1と同様の手法を用いて電解質膜・電極構造体を作製した。
Reference example 1
An electrolyte membrane / electrode structure was produced using the same method as in Example 1 except that only the amount of water contained in the electrolyte membrane was changed.
実施例3
実施例1においてS−DCDPSとDCBNの比率が23対77で合成した電解質膜を用いて実施例1と同様の手法を用いて電解質膜・電極構造体を作製した。
Example 3
An electrolyte membrane / electrode structure was produced using the same procedure as in Example 1 using the electrolyte membrane synthesized in Example 1 with a ratio of S-DCDPS and DCBN of 23:77.
実施例4
実施例1においてS−DCDPSとDCBNの比率が62対38で合成した電解質膜を用いて実施例1と同様の手法を用いて電解質膜・電極構造体を作製した。
Example 4
An electrolyte membrane / electrode structure was produced using the same method as in Example 1 using the electrolyte membrane synthesized in Example 1 with a ratio of S-DCDPS and DCBN of 62:38.
実施例5
実施例1と同様の手法で電解質膜・電極構造体を作製した後、電極の周辺部分をシール剤(株式会社スリーボンド TB1152)を用いてシールした。
Example 5
After an electrolyte membrane / electrode structure was produced in the same manner as in Example 1, the periphery of the electrode was sealed using a sealant (Threebond TB1152).
実施例6
実施例において電解質膜を加湿する際、エアスプレーで水分を直接塗布する替わりに、20℃90RH%の環境下に20時間電解質膜をさらすことにより、均一に電解質膜を加湿したことを除いて、実施例1と同様の手法を用いて電解質膜・電極構造体を作製した。電解質膜・電極接合体を8組作製し比較した所、再現性良く水分量を制御できることを確認した。実施例1〜5で行ったエアスプレーによる加湿では、再現性良く水分量を制御することはできていない。また本実施例によると、エアスプレーで水分を付与した電解質膜・電極構造体に比較して、良好な耐久性を示した。電解質膜が均質に加湿されているため、接合状態も均質となったことが原因と考えられる。
Example 6
When humidifying the electrolyte membrane in the examples, instead of directly applying moisture by air spray, by exposing the electrolyte membrane to an environment of 20 ° C. and 90 RH% for 20 hours, except that the electrolyte membrane was uniformly humidified, An electrolyte membrane / electrode structure was produced using the same method as in Example 1. When eight sets of electrolyte membrane / electrode assemblies were prepared and compared, it was confirmed that the water content could be controlled with good reproducibility. In the humidification by the air spray performed in Examples 1 to 5, the amount of water cannot be controlled with good reproducibility. Moreover, according to the present Example, it showed favorable durability compared with the electrolyte membrane / electrode structure to which moisture was given by air spray. This is probably because the electrolyte membrane is uniformly humidified, so that the bonding state is also uniform.
比較例1
エアーブラシを用いて電解質膜に水分を含ませないことを除いて、実施例1と同様の手法を用いて電解質膜・電極構造体を作製しようと試みたが、電解質膜と電極の接着性が悪く、電解質膜・電極構造体を作製することはできなかった。
Comparative Example 1
An attempt was made to produce an electrolyte membrane / electrode structure using the same method as in Example 1 except that no moisture was included in the electrolyte membrane using an air brush. Unfortunately, an electrolyte membrane / electrode structure could not be produced.
比較例2
185℃、8MPaで3分間ホットプレスしたことを除いて比較例1の手法で電解質膜・電極構造体を作製した。電解質膜・電極構造体を作製することはできたが、膜の変色が確認された。発電試験の性能は、実施例1・参考例1・実施例5のものに比べて低く、かつ耐久性も悪いものであった。なお、170℃でホットプレスする手法も試したが、その場合、電解質膜・電極構造体を作製することはできなかった。
Comparative Example 2
An electrolyte membrane / electrode structure was prepared by the method of Comparative Example 1 except that hot pressing was performed at 185 ° C. and 8 MPa for 3 minutes. Although the electrolyte membrane / electrode structure could be produced, discoloration of the membrane was confirmed. The performance of the power generation test was lower than those of Example 1, Reference Example 1 and Example 5 , and the durability was poor. A method of hot pressing at 170 ° C. was also tried, but in that case, an electrolyte membrane / electrode structure could not be produced.
比較例3
電解質膜を超純水に浸漬した事を除いて、実施例4の手法で電解質膜・電極構造体を作製した。電解質膜の変形が大きかった。発電試験を実施したところ、1時間経過した時点でガスリークが発生し評価できなかった。
Comparative Example 3
An electrolyte membrane / electrode structure was produced by the method of Example 4 except that the electrolyte membrane was immersed in ultrapure water. The deformation of the electrolyte membrane was large. When the power generation test was carried out, gas leak occurred at the time when 1 hour passed, and the evaluation was not possible.
実施例1、3〜6、参考例1および比較例1〜3における、電解質膜の組成・電解質膜の特性・電極との接合条件および電解質膜・電極構造体としたときの特性を表1に示す。
Table 1 shows the composition of the electrolyte membrane, the characteristics of the electrolyte membrane, the bonding conditions with the electrodes, and the characteristics of the electrolyte membrane / electrode structure in Examples 1, 3 to 6, Reference Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Show.
本発明の電解質膜・電極構造体により、信頼性・耐久性に優れた炭化水素系電解質膜を用いた燃料電池を提供できる。 The electrolyte membrane / electrode structure of the present invention can provide a fuel cell using a hydrocarbon electrolyte membrane excellent in reliability and durability.
本発明の電解質膜・電極構造体により、信頼性・耐久性に優れた炭化水素系電解質膜・電極構造体を提供でき、燃料電池の信頼性・耐久性を向上可能となる。 The electrolyte membrane / electrode structure of the present invention can provide a hydrocarbon-based electrolyte membrane / electrode structure excellent in reliability and durability, and the reliability and durability of the fuel cell can be improved.
Claims (2)
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはケトン基、XはHまたは1価のカチオン種を示す。
ただし、Ar’は2価の芳香族基を示す。 A hydrocarbon using a polyarylene ether compound characterized by containing a constituent represented by the general formula (2) as well as the general formula (1) as the organic polymer forming the hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane In an electrolyte membrane / electrode structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, the glass transition temperature in the dry state of the hydrocarbon solid polymer electrolyte membrane is 160 ° C. or higher, and the hydrocarbon type In the solid polymer electrolyte membrane, the maximum moisture content with respect to the weight of the electrolyte membrane is in the range of 10% to 120%, the lower limit value of the moisture content is 10% , and the upper limit value is less than 70% with respect to the maximum moisture content. Alternatively , an electrolyte membrane / electrode structure characterized by being joined to the electrode by hot pressing in a water-containing state, which is a larger value of 10% .
Here, Ar represents a divalent aromatic group, Y represents a sulfone group or a ketone group, and X represents H or a monovalent cation species.
However, Ar ′ represents a divalent aromatic group.
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