JP4904667B2 - Method for producing solid polymer electrolyte - Google Patents
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Description
本発明は、イオン伝導性に優れた固体高分子電解質に関し、更に詳しくは、燃料電池、水電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサ、ガスセンサ等に用いられる固体高分子電解質、及びその製造方法に関するものである。又、イオン伝導性に優れた固体高分子電解質膜に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte excellent in ion conductivity, and more specifically, a solid polymer electrolyte used for a fuel cell, water electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor, and the like, and a method for producing the same. It is about. The present invention also relates to a solid polymer electrolyte membrane having excellent ion conductivity.
従来、プロトン伝導性電解質として固体高分子電解質が知られている。この固体高分子電解質は、固体高分子材料の結合鎖中に電解質基を有しており、この電解質基が特定のイオンと強固に結合したり、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維、あるいは膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜等、各種の用途に利用されているものである。 Conventionally, solid polymer electrolytes are known as proton conductive electrolytes. This solid polymer electrolyte has an electrolyte group in the bond chain of the solid polymer material, and this electrolyte group is firmly bonded to a specific ion or selectively transmits a cation or an anion. Therefore, it is formed into particles, fibers, or membranes, and is used for various applications such as electrodialysis, diffusion dialysis, and battery membranes.
例えば、固体高分子電解質を膜状に成形した固体高分子電解質膜は、食塩電解や固体高分子型燃料電池等に用いられる。中でも、固体高分子型燃料電池は、エネルギー変換効率が高く、有害物質をほとんど出さないことから、クリーンかつ高効率な動力源として注目されており、近年盛んに研究が行われているものである。
固体高分子電解質膜としては、炭化水素系電解質膜や含フッ素系電解質膜等がある。
For example, a solid polymer electrolyte membrane obtained by forming a solid polymer electrolyte into a film shape is used for salt electrolysis, a solid polymer fuel cell, or the like. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is attracting attention as a clean and highly efficient power source because it has high energy conversion efficiency and generates almost no harmful substances, and has been actively researched in recent years. .
Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a hydrocarbon electrolyte membrane and a fluorine-containing electrolyte membrane.
含フッ素系電解質膜としては、電解質基としてスルホン酸基やカルボン酸基等を持つタイプがあり、例えば、固体高分子型燃料電池に適用する場合には、電解質基としてスルホン酸基を備えた含フッ素系スルホン酸膜が一般に使用されている。このような膜としては、ナフィオン(登録商標、デュポン社)膜、フレミオン(登録商標、旭硝子社)膜、アシプレックス(登録商標、旭化成社)膜等に代表される膜が広く使用されている。 As the fluorine-containing electrolyte membrane, there is a type having a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, or the like as an electrolyte group. A fluorine-based sulfonic acid membrane is generally used. As such membranes, membranes represented by Nafion (registered trademark, DuPont) membrane, Flemion (registered trademark, Asahi Glass Co., Ltd.) membrane, Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Co., Ltd.) membrane and the like are widely used.
この種の含フッ素系スルホン酸膜の構造としては、パーフルオロアルキレン鎖の結晶性によりその形状が保たれているが、非架橋構造であるため、側鎖部にある電解質基は架橋された炭化水素系電解質膜と比較して自由度が大きい。そのためイオン化した状態では疎水性の強い主鎖部分と親水性の電解質基が共存し、電解質基はフルオロカーボンマトリックス中で会合してイオンクラスタを形成している。このイオンクラスタの構造としては、数nm程度の球状クラスタが1nm程度の間隔の狭いチャネルによってつながった構造を有している。 The structure of this type of fluorinated sulfonic acid film is maintained due to the crystallinity of the perfluoroalkylene chain, but because it is a non-crosslinked structure, the electrolyte group in the side chain part is a crosslinked carbonized carbon. The degree of freedom is greater than that of hydrogen-based electrolyte membranes. Therefore, in an ionized state, a strongly hydrophobic main chain portion and a hydrophilic electrolyte group coexist, and the electrolyte group associates in the fluorocarbon matrix to form an ion cluster. The ion cluster has a structure in which spherical clusters of about several nm are connected by channels having a narrow interval of about 1 nm.
そして、この球状クラスタに溜め込まれた水(クラスタ水)の中をプロトンが移動していくことにより、プロトン伝導性を発現することが可能となる。つまり、膜中の含水率が高くなる程、すなわち、膜中のクラスタ径が大きく、クラスタ水を多く含めるようになる程、プロトン伝導性が向上するようになる。 Proton conductivity can be expressed by moving protons in the water (cluster water) stored in the spherical clusters. That is, the higher the water content in the membrane, that is, the larger the cluster diameter in the membrane and the greater the amount of cluster water, the higher the proton conductivity.
また、この種の含フッ素系スルホン酸膜は、上述したように非架橋構造であるため、一般に100℃以上の高温下では、膜中の分子運動が容易になって構造が変化し、膜強度が低下してしまうという性質を有している。 In addition, since this type of fluorine-containing sulfonic acid film has a non-crosslinked structure as described above, generally, the molecular movement in the film is facilitated at a high temperature of 100 ° C. or more, and the structure changes, resulting in film strength. Has the property of decreasing.
そこで、例えば、下記特許文献1には、膜強度を向上させるために、含フッ素系電解質膜を180℃で加熱又はラジカル発生剤共存下にて加熱することにより含フッ素系電解質膜を架橋し、この架橋された膜を固体高分子型燃料電池に適用する技術が開示されている。
Therefore, for example, in
また、下記特許文献2には、高温での構造安定性に優れ、高いイオン伝導度を有する固体高分子電解質を得るために、電子線照射等による架橋構造を有するポリフッ化ビニリデン系樹脂成形体に電解質や電解質及び可塑剤の混合物を含浸又は膨潤させる技術が開示されている。
Further, in
ところで、固体高分子電解質を固体高分子型燃料電池に適用し、この固体高分子型燃料電池を電気自動車の車載動力源として用いた場合、冷却システムのコンパクト化や電極触媒の耐CO性の向上、高効率化等を図るため、電池作動温度を100℃以上とすることが望まれている。このような高温の場合、水の蒸気圧が高くなるため、電池の内部圧力を現実的なレベルとすると、雰囲気相対湿度が下がり、固体高分子電解質膜は低湿環境下でも十分なプロトン伝導性を有する必要がある。 By the way, when a solid polymer electrolyte is applied to a solid polymer fuel cell, and this solid polymer fuel cell is used as an in-vehicle power source for an electric vehicle, the cooling system is made compact and the electrode catalyst is improved in CO resistance. In order to increase the efficiency and the like, it is desired that the battery operating temperature be 100 ° C. or higher. At such a high temperature, the vapor pressure of water becomes high, so if the internal pressure of the battery is set to a realistic level, the relative humidity of the atmosphere decreases, and the solid polymer electrolyte membrane has sufficient proton conductivity even in a low humidity environment. It is necessary to have.
しかしながら、従来のナフィオン膜等の固体高分子電解質膜は、含水することによってプロトン伝導性を持つようになるため、100℃以上の高温、低湿条件下では膜中の含水が十分とならず、プロトン伝導性が低下するといった問題が生じる。また、非架橋構造であるため、プロトン伝導性を向上させるために親水性のスルホン酸基の導入量を増加させ過ぎると、膜の膨潤が大きくなり過ぎたり、水に可溶化したりするため、実用強度が低下するといった問題が生ずる。また更に、高温下においては、膜がクリープして高い温度・長期にわたる固体高分子電解質膜としての使用にも問題がある。 However, since solid polymer electrolyte membranes such as conventional Nafion membranes have proton conductivity when they are hydrated, the moisture content in the membrane is not sufficient under high temperature and low humidity conditions of 100 ° C. or higher. There arises a problem that the conductivity is lowered. In addition, since it is a non-crosslinked structure, if the amount of hydrophilic sulfonic acid group introduced is increased too much in order to improve proton conductivity, the membrane will swell too much or become soluble in water. There arises a problem that the practical strength is lowered. Furthermore, there is a problem in use as a solid polymer electrolyte membrane over a long period of time due to the creep of the membrane at high temperatures.
また、特許文献1に開示されている固体高分子電解質膜は、加熱により架橋が形成されているので、膜の強度は向上するが、伝導率の向上については十分とは言えず、また、この固体高分子電解質膜を固体高分子型燃料電池に適用しても、高温、低湿条件下において十分な電池性能を得ることができないといった問題がある。
Moreover, since the solid polymer electrolyte membrane disclosed in
更に、特許文献2に開示されている固体高分子電解質は、架橋構造を有するポリフッ化ビニリデン系樹脂成形体に電解質又は電解質及び可塑剤の混合物を含浸又は膨潤させたものであるので、反応による生成水などの物質が電池内部で移動する固体高分子型燃料電池においては、電解質などが抜け落ちてしまい、伝導率が低下して実用に供することはできないといった問題がある。
Furthermore, since the solid polymer electrolyte disclosed in
以上のように、従来の固体高分子電解質を固体高分子型燃料電池に適用した場合に十分な電池性能が得られないのは、高温、低湿条件下において固体高分子電解質の伝導度が十分でないことに起因すると考えられる。 As described above, when a conventional solid polymer electrolyte is applied to a solid polymer fuel cell, sufficient battery performance cannot be obtained because the conductivity of the solid polymer electrolyte is not sufficient under high temperature and low humidity conditions. It is thought to be caused by this.
そこで下記特許文献3には、イオンクラスタ径が大きく、伝導性に優れ、且つ、機械的強度に優れた固体高分子電解質を得ることを目的として、固体高分子電解質の結晶融点又は軟化点±50℃の温度範囲で電子線又は放射線処理を施すことが開示されている。これにより、高分子鎖の切断と再結合が同時に起こり、固体高分子電解質中のイオンクラスタが再配列されて、最終的に高分子鎖に架橋が形成された固体高分子電解質となる。そのためこの固体高分子電解質は、クラスタ径が大きくなり、イオン移動に有利なパスが形成されて伝導性が向上する。また、架橋されているので、機械的強度が向上する。同時に、特許文献3には、固体高分子電解質に電子線又は放射線処理を施した後、前記固体高分子電解質の結晶融点又は軟化点±50℃の温度範囲で熱処理を施すことが開示されている。これによっても、高分子鎖の切断と再結合が同時に起こり、固体高分子電解質中のイオンクラスタが再配列されて、最終的に高分子鎖に架橋が形成された固体高分子電解質となる。そのためこの固体高分子電解質は、クラスタ径が大きくなり、イオン移動に有利なパスが形成されて伝導性が向上する。また、架橋されているので、機械的強度が向上する。
Therefore, in
本発明者が得た知見によれば、特許文献3に開示された技術では、固体高分子電解質中のイオンクラスタ径が大きくなるものの、イオンクラスタの規則性及び配向性が十分でないため、イオン伝導性の向上に限界があった。即ち、単純にイオンクラスタ径を大きくすることが問題であった。
According to the knowledge obtained by the present inventor, in the technique disclosed in
本発明は、固体高分子電解質のイオン伝導性を更に向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to further improve the ionic conductivity of a solid polymer electrolyte.
本発明者は、電解質膜中のイオンクラスタの配置を改質することで、電解質膜中のイオンクラスタの規則性及び配向性を向上することが出来ることを見出し、本発明に到達した。 The inventors have found that the regularity and orientation of the ion clusters in the electrolyte membrane can be improved by modifying the arrangement of the ion clusters in the electrolyte membrane, and the present invention has been achieved.
即ち、第1に、本発明は、改質された固体高分子電解質の発明であって、1つ目は、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタ径が規則性を有することを特徴とする。規則性の具体的目安としては、X線小角散乱測定で、2θ=2〜3°のピーク強度の半値幅が1°以下であることが好ましい。2つ目は、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタが配向性を有することを特徴とする。配向性の具体的目安としては、X線小角散乱測定で、2θ=0.5°付近でのピーク強度(C)に対する、2θ=2〜3°のピーク強度(D)の比(D/C)が0.3以上であることが好ましい。3つ目は、X線小角散乱測定で、2θ≦0.5°でのピーク強度(E)に対する、2θ≦0.5°付近でのピーク強度(C)の比(C/E)が0.3以上であることが好ましい。4つ目は、X線小角散乱測定で、2θ≦0.5°でのピーク強度(E)に対する、2θ=2〜3°のピーク強度(D)の比(D/E)が0.3以上であることが好ましい。5つ目は、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタ径が規則性を有するとともに、配向性を有することを特徴とする。 That is, first, the present invention is an invention of a modified solid polymer electrolyte, and the first is that the ion cluster diameter constituted by the hydrophilic group and the occluded water in the solid polymer electrolyte is regular. It has the property. As a specific standard of regularity, it is preferable that the half width of the peak intensity at 2θ = 2 to 3 ° is 1 ° or less in the X-ray small angle scattering measurement. The second is characterized in that an ion cluster composed of a hydrophilic group and occluded water in the solid polymer electrolyte has orientation. As a specific measure of the orientation, the ratio of the peak intensity (D) of 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (C) in the vicinity of 2θ = 0.5 ° (D / C) by X-ray small angle scattering measurement. ) Is preferably 0.3 or more. The third is X-ray small angle scattering measurement in which the ratio (C / E) of the peak intensity (C) near 2θ ≦ 0.5 ° to the peak intensity (E) at 2θ ≦ 0.5 ° is 0. .3 or more is preferable. The fourth is X-ray small angle scattering measurement, and the ratio (D / E) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (E) at 2θ ≦ 0.5 ° is 0.3. The above is preferable. The fifth feature is that the ion cluster diameter constituted by the hydrophilic group and the occluded water in the solid polymer electrolyte has regularity and orientation.
第2に、本発明は、高分子電解質の製造方法の発明であり、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタ径の規則性を制御する。 2ndly, this invention is invention of the manufacturing method of a polymer electrolyte, and controls the regularity of the ion cluster diameter comprised by the hydrophilic group and occlusion water in a solid polymer electrolyte.
具体的には、固体高分子電解質に電子線又は放射線処理を均一に施し、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタ径の規則性を制御する。ここで、固体高分子電解質に電子線又は放射線処理を均一に施す工程として、
(1)電子線又は放射線照射面積を固体高分子電解質からなるベースフィルム面積より大とする、(ラジカル照射量のムラを無くす)
(2)固体高分子電解質の原料モノマに電子線又は放射線を照射後、24時間以内に重合反応を開始する、(ラジカル失活によるラジカル存在量のムラを無くす)
(3)電子線又は放射線照射後、0℃以下で保存する、(ラジカル失活を抑制)
から選択される1種以上であるが好ましく例示される。
Specifically, the solid polymer electrolyte is uniformly subjected to electron beam or radiation treatment, and the regularity of the ion cluster diameter constituted by the hydrophilic group and the occluded water in the solid polymer electrolyte is controlled. Here, as a step of uniformly applying electron beam or radiation treatment to the solid polymer electrolyte,
(1) The area irradiated with the electron beam or radiation is made larger than the area of the base film made of the solid polymer electrolyte (to eliminate unevenness in the amount of radical irradiation)
(2) Start the polymerization reaction within 24 hours after irradiating the raw material monomer of the solid polymer electrolyte with an electron beam or radiation (to eliminate unevenness of radical abundance due to radical deactivation)
(3) Store at 0 ° C. or lower after irradiation with electron beam or radiation (suppress radical deactivation)
It is preferably exemplified by one or more selected from.
イオンクラスタ径の規則性を制御する他の具体的方法として、
(4)反応温度を均一化する、(例えば、反応容器の周囲を保温材で囲む)
(5)煮沸処理する、(例えば、過酸化水素水又は硫酸水溶液にて約10分煮沸する)
(6)アニーリングを行う、(例えば、窒素ガス雰囲気下、役120℃まで加熱後、ゆっくりと放冷する)
から選択される1種以上が好ましく例示される。
As another specific method for controlling the regularity of the ion cluster diameter,
(4) Uniform reaction temperature (for example, surround the reaction vessel with a heat insulating material)
(5) Boil treatment (for example, boil in hydrogen peroxide solution or sulfuric acid aqueous solution for about 10 minutes)
(6) Annealing is performed (for example, after heating to 120 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, slowly cooling)
One or more types selected from are preferably exemplified.
第3に、本発明は、高分子電解質の他の製造方法の発明であり、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタに配向性を付与する。 3rdly, this invention is invention of the other manufacturing method of a polymer electrolyte, and provides orientation to the ion cluster comprised by the hydrophilic group and occlusion water in a solid polymer electrolyte.
ここで、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタに配向性を付与する工程として、
(7)固体高分子電解質を延伸処理する、
(8)固体高分子電解質に外部より電位を印加する、
(9)1軸又は2軸配向性を有する固体高分子電解質フィルムを用いる、
から選択される1種以上が好ましく例示される。
Here, as a step of imparting orientation to the ion cluster composed of the hydrophilic group and the occluded water in the solid polymer electrolyte,
(7) Stretching the solid polymer electrolyte,
(8) An electric potential is applied to the solid polymer electrolyte from the outside.
(9) A solid polymer electrolyte film having uniaxial or biaxial orientation is used.
One or more types selected from are preferably exemplified.
第4に、本発明は、上記固体高分子電解質からなる固体高分子電解質膜であり、イオン伝導性に優れている。 Fourthly, the present invention is a solid polymer electrolyte membrane comprising the above solid polymer electrolyte, and is excellent in ion conductivity.
第5に、本発明は、上記固体高分子電解質を有する燃料電池であり、発電性能に優れている。 5thly, this invention is a fuel cell which has the said solid polymer electrolyte, and is excellent in electric power generation performance.
本発明で用いたイオンクラスタの考え方は電解質膜中でのプロトン伝導を説明するものである。電解質膜は、例えばスルホン酸基(SO3 −)等の親水性官能基を有する炭化水素系樹脂や含フッ素樹脂で構成されている。この炭化水素系樹脂や含フッ素樹脂の主鎖部分が疎水部を構成する。また、側鎖の親水基部分は、吸蔵水とともにクラスタを形成する。このクラスタ間は狭い経路であるチャンネルによって結ばれており、これらの中をプロトンが移動するものと考えられる。 The concept of ion clusters used in the present invention explains proton conduction in the electrolyte membrane. The electrolyte membrane is made of, for example, a hydrocarbon-based resin or a fluorine-containing resin having a hydrophilic functional group such as a sulfonic acid group (SO 3 − ). The main chain portion of the hydrocarbon resin or fluorine-containing resin constitutes a hydrophobic portion. Moreover, the hydrophilic group part of a side chain forms a cluster with occluded water. The clusters are connected by a narrow channel, and it is thought that protons move through these channels.
本発明によれば、固体高分子電解質中の親水性基と吸蔵水によって構成されたイオンクラスタ径が規則性を有すること、又はイオンクラスタが配向性を有することにより、イオン伝導性に優れるとともに機械的強度を兼ね備えた固体高分子電解質を提供することができる。この固体高分子電解質を例えば、固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜として使用した場合、高温、低湿条件で作動可能な固体高分子型燃料電池とすることができる。 According to the present invention, the ion cluster diameter constituted by the hydrophilic group and the occluded water in the solid polymer electrolyte has regularity, or the ion cluster has orientation, so that the ion conductivity is excellent and the machine It is possible to provide a solid polymer electrolyte having high strength. For example, when this solid polymer electrolyte is used as a solid polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell, it can be a solid polymer fuel cell operable under high temperature and low humidity conditions.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1及び2に、電解質中のイオンクラスタのイメージ図を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 and 2 show image diagrams of ion clusters in the electrolyte.
図1(a)は、電解質膜中に形成された従来のイオンクラスタの模式図である。クラスタ径Bのクラスタが間隔Aで分散している。図1(a)に示されるように、クラスタ間隔A及びクラスタ径Bともに不均一であり、クラスタ分布に規則性は少ない。このため、イオン伝導性に劣る。このような従来のイオンクラスタを小角散乱ピークで見ると、2θ=2〜3°のピーク半値幅が大きい。 FIG. 1A is a schematic diagram of a conventional ion cluster formed in an electrolyte membrane. Clusters having a cluster diameter B are dispersed at intervals A. As shown in FIG. 1A, both the cluster interval A and the cluster diameter B are non-uniform, and the regularity of the cluster distribution is small. For this reason, it is inferior to ion conductivity. When such a conventional ion cluster is viewed as a small angle scattering peak, the peak half-value width of 2θ = 2 to 3 ° is large.
図1(b)は、電解質膜中にイオンクラスタが高い規則性で形成された本発明の電解質の模式図である。図1(b)に示されるように、クラスタ間隔A及びクラスタ径Bともに均一であり、クラスタ分布の規則性は高い。このため、イオン伝導性に優れている。このような本発明のイオンクラスタをX線小角散乱測定すると、図2に示すように、2θ=2〜3°のピーク半値幅が小さく、1°以下となる。尚、室温、相対湿度90%で測定した。 FIG. 1B is a schematic view of the electrolyte of the present invention in which ion clusters are formed with high regularity in the electrolyte membrane. As shown in FIG. 1B, both the cluster interval A and the cluster diameter B are uniform, and the regularity of the cluster distribution is high. For this reason, it is excellent in ion conductivity. When such an ion cluster of the present invention is subjected to X-ray small angle scattering measurement, as shown in FIG. 2, the peak half-value width of 2θ = 2 to 3 ° is small and becomes 1 ° or less. The measurement was performed at room temperature and a relative humidity of 90%.
図3は、電解質膜中にイオンクラスタが高い配向性で形成された本発明の電解質の模式図である。図3に示されるように、一定方向(Y軸方向)にクラスタが配向している。このため、イオン伝導性に優れるとともに、配向により強度も優れている。ここでは、Y軸方向に1軸配向しているが、X−Y方向に2軸配向していると更に好ましい。このような本発明のイオンクラスタをX線小角散乱測定すると、図4に示すように、2θ=0.5°付近でのピーク強度(C)に対する、2θ=2〜3°のピーク強度(D)の比(D/C)が0.3以上となる。同様に、2θ≦0.5°でのピーク強度(E)に対する、2θ≦0.5°付近でのピーク強度(C)の比(C/E)が0.3以上となる。更に、2θ≦0.5°でのピーク強度(E)に対する、2θ=2〜3°のピーク強度(D)の比(D/E)が0.3以上となる。尚、室温、相対湿度90%で測定した。 FIG. 3 is a schematic view of the electrolyte of the present invention in which ion clusters are formed with high orientation in the electrolyte membrane. As shown in FIG. 3, the clusters are oriented in a certain direction (Y-axis direction). For this reason, it is excellent in ion conductivity and also in strength due to orientation. Here, uniaxial orientation is performed in the Y-axis direction, but biaxial orientation is more preferable in the XY direction. When such an ion cluster of the present invention is measured by X-ray small angle scattering, as shown in FIG. 4, the peak intensity (D) of 2θ = 2 to 3 ° with respect to the peak intensity (C) in the vicinity of 2θ = 0.5 °. ) Ratio (D / C) is 0.3 or more. Similarly, the ratio (C / E) of the peak intensity (C) near 2θ ≦ 0.5 ° to the peak intensity (E) when 2θ ≦ 0.5 ° is 0.3 or more. Furthermore, the ratio (D / E) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (E) at 2θ ≦ 0.5 ° is 0.3 or more. The measurement was performed at room temperature and a relative humidity of 90%.
尚、従来の固体高分子電解質の評価方法は、交流インピーダンス法による伝導度、NMRによる緩和時間の測定による電解質膜の性能評価があったが、交流インピーダンス法、NMRによる緩和時間法ともに、クラスタの挙動を間接に測定するものであり、クラスタ径、クラスタ間隔、クラスタ分布等を正確に知ることは出来なかった。 In addition, the conventional evaluation method for solid polymer electrolytes was to evaluate the performance of the electrolyte membrane by measuring the conductivity by the alternating current impedance method and the relaxation time by NMR. The behavior is measured indirectly, and the cluster diameter, cluster spacing, cluster distribution, etc. could not be known accurately.
本発明の処理でラジカル照射として用いる電子線又は放射線処理は、加速電子線又はα線、β線、γ線、X線等の放射線を固体高分子電解質に照射するものである。電子線又は放射線処理のどちらの処理を施しても良く、特に限定されるものではない。好ましくは処理時間が短いという観点から、電子線処理が好ましい。この際、固体高分子電解質に照射する電子線量としては、1〜2000kGyの範囲で照射するのが好ましく、より好ましくは3〜1000kGyの範囲で照射するのが好ましい。特には3〜500kGyの範囲で照射するのが最も好ましい。 The electron beam or radiation treatment used as the radical irradiation in the treatment of the present invention irradiates the solid polymer electrolyte with an accelerated electron beam or radiation such as α rays, β rays, γ rays, and X rays. Either electron beam or radiation treatment may be applied and is not particularly limited. Preferably, electron beam treatment is preferred from the viewpoint of short treatment time. At this time, the electron dose applied to the solid polymer electrolyte is preferably 1 to 2000 kGy, more preferably 3 to 1000 kGy. In particular, the irradiation is most preferably in the range of 3 to 500 kGy.
電子線照射量が1kGyより少ない場合には、高分子鎖の切断と再結合が生じずクラスタ径が成長しないので、伝導性を向上させることができず好ましくない。また、固体高分子電解質中にラジカルが十分生成しないので、ラジカル同士を反応させて固体高分子電解質を十分に架橋することができず、固体高分子電解質の機械的強度が向上しないので好ましくない。また、電子線量が2000kGyより多い場合には、固体高分子電解質中の電解質基が脱落して伝導性が低下したり、固体高分子電解質の構造が破壊されて脆くなったりするので好ましくない。 When the amount of electron beam irradiation is less than 1 kGy, the polymer chain is not broken and recombined, and the cluster diameter does not grow, which is not preferable because the conductivity cannot be improved. Moreover, since radicals are not sufficiently generated in the solid polymer electrolyte, the radicals cannot be reacted to sufficiently crosslink the solid polymer electrolyte, and the mechanical strength of the solid polymer electrolyte is not improved. On the other hand, when the electron dose is more than 2000 kGy, the electrolyte group in the solid polymer electrolyte is dropped and conductivity is lowered, or the structure of the solid polymer electrolyte is broken and becomes brittle.
上述した以外にも、本発明に係る固体高分子電解質は、固体高分子電解質に重合性モノマを含浸させた後、電子線又は放射線処理を施した固体高分子電解質であっても良い。 In addition to the above, the solid polymer electrolyte according to the present invention may be a solid polymer electrolyte obtained by impregnating a solid polymer electrolyte with a polymerizable monomer and then performing electron beam or radiation treatment.
この場合、重合性モノマは、室温(25℃)付近の温度であっても重合可能であるので、電子線又は放射線処理を施す温度範囲については、特に限定されるものではなく、種々の温度範囲を選択することが可能である。 In this case, since the polymerizable monomer can be polymerized even at a temperature near room temperature (25 ° C.), the temperature range to which the electron beam or radiation treatment is applied is not particularly limited, and various temperature ranges are possible. Can be selected.
本発明で用いる固体高分子電解質とは、電解質基若しくはその前駆体を有する高分子をいう。高分子としては、具体的には、高分子骨格の全部がフッ素化された含フッ素系高分子、高分子骨格の一部がフッ素化(例えば、−CF2−、−CHF−、−CFCl−等の結合を有する)されたフッ素・炭化水素系高分子、高分子骨格にフッ素を含まない炭化水素系高分子等が挙げられる。 The solid polymer electrolyte used in the present invention refers to a polymer having an electrolyte group or a precursor thereof. Specifically, as the polymer, a fluorine-containing polymer in which the entire polymer skeleton is fluorinated, and a part of the polymer skeleton is fluorinated (for example, —CF 2 —, —CHF—, —CFCl—). And a fluorine / hydrocarbon polymer having a bond such as a hydrocarbon polymer that does not contain fluorine in the polymer skeleton.
より具体的には、含フッ素系高分子として、テトラフルオロエチレン重合体、テトラフルオロエチレン−パーフル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−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフル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−トリフルオロスチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−トリフルオロスチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ヘキサフルオロプロピレン−トリフルオロスチレン共重合体、ヘキサフルオロプロピレン−トリフルオロスチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等が挙げられる。 More specifically, as the fluorine-containing polymer, tetrafluoroethylene polymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene- Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-trifluorostyrene copolymer, tetrafluoroethylene-trifluorostyrene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, hexafluoropropylene-trifluorostyrene copolymer, hexafluoropropylene- Examples thereof include trifluorostyrene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymers.
フッ素・炭化水素系高分子としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン−グラフト−ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン−グラフト−ヘキサフルオロプロピレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−エチレンヘキサフルオロプロピレン共重合体等が挙げられる。 Fluorine / hydrocarbon polymers include polyvinylidene fluoride, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, polystyrene-graft-polyvinylidene fluoride, polystyrene-graft-hexafluoropropylene A tetrafluoroethylene copolymer, a polystyrene-graft-ethylenehexafluoropropylene copolymer, etc. are mentioned.
炭化水素系高分子としては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレン、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアセタール等が挙げられる。特に骨格に芳香族を含むものが好ましく、更には、全芳香族系のものが好ましい。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル系樹脂等の汎用樹脂であっても良い。 Examples of the hydrocarbon polymer include polyetheretherketone, polyetherketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, polyamide, polyamideimide, polyetherimide, polyphenylene, polyphenylene ether, polycarbonate, polyester, and polyacetal. In particular, those containing an aromatic group in the skeleton are preferable, and those having an aromatic group are more preferable. General-purpose resins such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, and acrylic resins may be used.
固体高分子電解質の電解質基としては、プロトン伝導可能な官能基であれば良く、具体的にはスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等が好ましい。そしてまた、電解質基の前駆体としては、化学反応による誘導化(例えば、加水分解等)によりプロトン伝導可能な官能基となれば良く、具体的にはスルホン酸基の前駆体、ホスホン酸基の前駆体、カルボン酸基の前駆体等が好ましい。特にフルオロ体、ナトリウム等の金属イオン体が好ましい。尚、固体高分子電解質には、電解質基若しくはその前駆体が1種類含まれていても良く、あるいは、2種類以上含まれていても良い。 The electrolyte group of the solid polymer electrolyte may be any functional group capable of proton conduction, and specifically, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group, and the like are preferable. In addition, the precursor of the electrolyte group may be a functional group capable of proton conduction by derivatization by chemical reaction (for example, hydrolysis). Specifically, the precursor of the sulfonic acid group, the phosphonic acid group Precursors and precursors of carboxylic acid groups are preferred. Particularly preferred are metal ions such as fluoro and sodium. The solid polymer electrolyte may contain one type of electrolyte group or precursor thereof, or may contain two or more types.
このような固体高分子電解質としては、含フッ素系高分子に電解質基若しくはその前駆体を備えた含フッ素系電解質、フッ素・炭化水素系高分子に電解質基若しくはその前駆体を備えたフッ素系電解質、炭化水素系高分子に電解質基若しくはその前駆体を備えた炭化水素系電解質が挙げられるが、好ましくはフッ素系電解質、含フッ素系電解質が好ましい。特には化学的安定性及び耐久性等に優れる観点から、含フッ素系電解質が好ましい。 As such a solid polymer electrolyte, a fluorine-containing electrolyte having an electrolyte group or a precursor thereof on a fluorine-containing polymer, or a fluorine-based electrolyte having an electrolyte group or its precursor on a fluorine / hydrocarbon polymer. A hydrocarbon-based electrolyte having an electrolyte group or a precursor thereof in a hydrocarbon-based polymer can be mentioned, and a fluorine-based electrolyte and a fluorine-containing electrolyte are preferable. In particular, a fluorine-containing electrolyte is preferable from the viewpoint of excellent chemical stability and durability.
より具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社)、フレミオン(登録商標、旭硝子社)、アシプレックス(登録商標、旭化成社)等が好適である。 More specifically, Nafion (registered trademark, DuPont), Flemion (registered trademark, Asahi Glass Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, Asahi Kasei Co., Ltd.) and the like are suitable.
尚、固体高分子電解質は、膜状であることが好ましいが、特に限定されるものではなく、用途に合わせて種々の形状を選択することができる。 The solid polymer electrolyte is preferably in the form of a membrane, but is not particularly limited, and various shapes can be selected according to the application.
また、重合性モノマとは、電解質基若しくはその前駆体を有する又は電解質基を後から導入することができるラジカル重合可能なモノマをいう。重合性モノマの電解質基としては、プロトン伝導可能な官能基であれば良く、具体的にはスルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基等が好ましい。 The polymerizable monomer means a radically polymerizable monomer having an electrolyte group or a precursor thereof or capable of introducing an electrolyte group later. The electrolyte group of the polymerizable monomer may be a functional group capable of proton conduction, and specifically, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxylic acid group, and the like are preferable.
このような重合性モノマとして、具体的には、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、ビニルホスホン酸、アリルホスホン酸、スチレンホスホン酸、ビニルベンジルホスホン酸、アクリル酸、メタクリル酸等が挙げられる。また、これらのエステル体を用い、化学反応による誘導化(例えば、加水分解等)により電解質基に変換しても良い。また、スチレン等を用い、スルホン酸化、ホスホン酸化等により電解質基を後から導入しても良い。 Specific examples of such polymerizable monomers include vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, vinyl phosphonic acid, allyl phosphonic acid, styrene phosphonic acid, vinyl benzyl phosphonic acid, acrylic acid, and methacrylic acid. It is done. Moreover, you may convert into an electrolyte group by derivatization (for example, hydrolysis etc.) by a chemical reaction using these ester bodies. In addition, an electrolyte group may be introduced later by using styrene or the like by sulfonation or phosphonation.
本発明の固体高分子電解質を、例えば、固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質膜として使用した場合、従来の電解質膜に比べ、高温低湿度環境下での伝導性及び機械的強度に優れるため、高温、低湿条件での作動が可能となり、電池性能が向上する。 When the solid polymer electrolyte of the present invention is used, for example, as a solid polymer electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell, it is superior in conductivity and mechanical strength in a high temperature and low humidity environment as compared with a conventional electrolyte membrane. Therefore, operation under high temperature and low humidity conditions is possible, and battery performance is improved.
以下に本発明の好適な実施例を説明する。
(実施例1)
固体高分子電解質として、炭化水素系高分子電解質膜を用いた。そして、上記(1)〜(6)の処理を行い、イオンクラスタ径の規則性を制御した。比較のために、未処理の炭化水素系高分子電解質膜を用意した(比較例1)。
In the following, preferred embodiments of the present invention will be described.
Example 1
A hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane was used as the solid polymer electrolyte. And the process of said (1)-(6) was performed and the regularity of the ion cluster diameter was controlled. For comparison, an untreated hydrocarbon polymer electrolyte membrane was prepared (Comparative Example 1).
(実施例2)
固体高分子電解質として、炭化水素系高分子電解質膜を用い、上記(7)〜(9)の処理を行い、イオンクラスタに配向性を付与した。
(Example 2)
A hydrocarbon polymer electrolyte membrane was used as the solid polymer electrolyte, and the treatments (7) to (9) were performed to impart orientation to the ion clusters.
(実施例3)
固体高分子電解質として、炭化水素系高分子電解質膜を用い、上記(1)〜(6)の処理を行い、イオンクラスタ径の規則性を制御するとともに、上記(7)〜(9)の処理を行い、イオンクラスタに配向性を付与した。
Example 3
Using a hydrocarbon polymer electrolyte membrane as the solid polymer electrolyte, the treatments (1) to (6) are performed to control the regularity of the ion cluster diameter, and the treatments (7) to (9) are performed. To give orientation to the ion clusters.
実施例1〜3、及び比較例1の電解質膜について、含水時の小角X線回折測定を行った。また、室温、直流で、H2SO4水溶液中、次の式により伝導率を求めた。
σ = L/R・A
但し、σ :伝導率(S/cm)
L :電極間距離R :抵抗(Ω)
A :膜の断面積(cm2)伝導度を調べた。
The electrolyte membranes of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were subjected to small angle X-ray diffraction measurement when containing water. Further, the conductivity was determined by the following formula in an aqueous solution of H 2 SO 4 at room temperature and direct current.
σ = L / R · A
Where σ: conductivity (S / cm)
L: Distance between electrodes R: Resistance (Ω)
A: The cross-sectional area (cm 2 ) conductivity of the film was examined.
小角X線回折測定結果を図2に示す。伝導率測定結果を図5に示す。図2の結果より、2θ=2〜3°のピーク半値幅が小さく、1°以下となることが分る。図5の結果より、未処理の炭化水素系高分子電解質膜に比べて、本発明の処理を施した炭化水素系高分子電解質膜は、伝導度が向上していることが分る。 The results of the small angle X-ray diffraction measurement are shown in FIG. The conductivity measurement results are shown in FIG. From the result of FIG. 2, it can be seen that the peak half-value width of 2θ = 2 to 3 ° is small and is 1 ° or less. From the results of FIG. 5, it can be seen that the conductivity of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane subjected to the treatment of the present invention is improved as compared with the untreated hydrocarbon polymer electrolyte membrane.
(実施例4)
固体高分子電解質として、含フッ素系高分子電解質膜であるナフィオン(商標名)を用いた。そして、上記(1)〜(5)の処理を行い、イオンクラスタ径の規則性を制御した。比較のために、未処理のナフィオンを用意した(比較例2)。
Example 4
As the solid polymer electrolyte, Nafion (trade name) which is a fluorine-containing polymer electrolyte membrane was used. And the process of said (1)-(5) was performed and the regularity of the ion cluster diameter was controlled. For comparison, untreated Nafion was prepared (Comparative Example 2).
(実施例5)
固体高分子電解質として、ナフィオンを用い、上記(6)〜(8)の処理を行い、イオンクラスタに配向性を付与した。
(Example 5)
Nafion was used as the solid polymer electrolyte, and the treatments (6) to (8) were performed to impart orientation to the ion clusters.
(実施例6)
固体高分子電解質として、ナフィオンを用い、上記(1)〜(5)の処理を行い、イオンクラスタ径の規則性を制御するとともに、上記(6)〜(8)の処理を行い、イオンクラスタに配向性を付与した。
(Example 6)
Using Nafion as the solid polymer electrolyte, the treatments (1) to (5) are performed to control the regularity of the ion cluster diameter, and the treatments (6) to (8) are performed to form the ion clusters. Orientation was imparted.
実施例4〜6、及び比較例2の電解質膜について、含水時の小角X線回折測定を行った。また、室温のH2SO4aq中で各電解質膜の膜抵抗を直流電流により測定し、上記式により伝導率を求めた。 The electrolyte membranes of Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 were subjected to small angle X-ray diffraction measurement when containing water. Further, the membrane resistance of each electrolyte membrane was measured with a direct current in H 2 SO 4 aq at room temperature, and the conductivity was determined by the above formula.
小角X線回折測定結果を図4に示す。伝導率測定結果を図6に示す。図4の結果より、2θ=0.5°付近でのピーク強度(C)に対する、2θ=2〜3°のピーク強度(D)の比(D/C)が0.3以上となることが分る。又、2θ≦0.5°でのピーク強度(E)に対する、2θ≦0.5°付近でのピーク強度(C)の比(C/E)が0.3以上であること、及び、2θ≦0.5°でのピーク強度(E)に対する、2θ=2〜3°のピーク強度(D)の比(D/E)が0.3以上であることが分かる。図6の結果より、未処理のナフィオンに比べて、本発明の処理を施したナフィオンは、伝導度が向上していることが分る。 The results of the small angle X-ray diffraction measurement are shown in FIG. The conductivity measurement results are shown in FIG. From the result of FIG. 4, the ratio (D / C) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (C) near 2θ = 0.5 ° is 0.3 or more. I understand. Further, the ratio (C / E) of the peak intensity (C) in the vicinity of 2θ ≦ 0.5 ° to the peak intensity (E) at 2θ ≦ 0.5 ° is 0.3 or more, and 2θ It can be seen that the ratio (D / E) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (E) at ≦ 0.5 ° is 0.3 or more. From the result of FIG. 6, it can be seen that the conductivity of the Nafion subjected to the treatment of the present invention is improved as compared with the untreated Nafion.
Claims (3)
(1)固体高分子電解質に電子線又は放射線を照射する工程であって、照射面積を固体高分子電解質からなるベースフィルム面積より大とする前記工程、
(2)固体高分子電解質の原料モノマーに電子線又は放射線を照射後、24時間以内に重合反応を開始する工程、
(3)固体高分子電解質に電子線又は放射線を照射後、0℃以下で保存する工程、
(4)固体高分子電解質を煮沸処理する工程、及び
(5)固体高分子電解質のアニーリングを行う工程。 A method for producing a solid polymer electrolyte in which the half-value width of the peak intensity at 2θ = 2 to 3 ° is 1 ° or less in X-ray small angle scattering measurement, comprising a hydrophilic group in the solid polymer electrolyte and occluded water The solid polymer electrolyte is characterized in that one or more treatments selected from the following steps (1) to (5) are applied to the solid polymer electrolyte so that the ion cluster diameter is regular : Manufacturing method .
(1) A step of irradiating a solid polymer electrolyte with an electron beam or radiation, wherein the irradiation area is larger than a base film area made of the solid polymer electrolyte,
(2) A step of starting a polymerization reaction within 24 hours after irradiating the raw material monomer of the solid polymer electrolyte with an electron beam or radiation,
(3) A step of storing the solid polymer electrolyte at 0 ° C. or lower after irradiation with an electron beam or radiation,
(4) a step of boiling the solid polymer electrolyte, and
(5) A step of annealing the solid polymer electrolyte.
(6)固体高分子電解質を延伸処理する工程、
(7)固体高分子電解質に外部より電位を印加する工程、及び
(8)1軸又は2軸配向性を有する固体高分子電解質フィルムを用いる工程。 Whether the ratio (D / C) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (C) near 2θ = 0.5 ° is 0.3 or more in the X-ray small angle scattering measurement The ratio (C / E) of the peak intensity (C) around 2θ = 0.5 ° to the peak intensity (E) at 2θ ≦ 0.5 ° is 0.3 or more, or 2θ ≦ 0 A method for producing a solid polymer electrolyte in which the ratio (D / E) of peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to peak intensity (E) at 5 ° is 0.3 or more, One or more treatments selected from the following steps (6) to (8) for the solid polymer electrolyte so that the ion cluster composed of the hydrophilic group and the occluded water in the polymer electrolyte has orientation : A method for producing a solid polymer electrolyte, comprising :
(6) a step of stretching the solid polymer electrolyte;
(7) applying a potential from the outside to the solid polymer electrolyte; and
(8) A step of using a solid polymer electrolyte film having uniaxial or biaxial orientation.
(1)固体高分子電解質に電子線又は放射線を照射する工程であって、照射面積を固体高分子電解質からなるベースフィルム面積より大とする前記工程、
(2)固体高分子電解質の原料モノマーに電子線又は放射線を照射後、24時間以内に重合反応を開始する工程、
(3)固体高分子電解質に電子線又は放射線を照射後、0℃以下で保存する工程、
(4)固体高分子電解質を煮沸処理する工程、及び
(5)固体高分子電解質のアニーリングを行う工程。
(6)固体高分子電解質を延伸処理する工程、
(7)固体高分子電解質に外部より電位を印加する工程、及び
(8)1軸又は2軸配向性を有する固体高分子電解質フィルムを用いる工程。 In X-ray small angle scattering measurement, the half width of the peak intensity at 2θ = 2 to 3 ° is 1 ° or less, and the ion cluster diameter constituted by the hydrophilic group and the occluded water in the solid polymer electrolyte has regularity. In addition, in the X-ray small angle scattering measurement, the ratio (D / C) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (C) near 2θ = 0.5 ° is 0.3 or more. Or the ratio (C / E) of the peak intensity (C) near 2θ = 0.5 ° to the peak intensity (E) at 2θ ≦ 0.5 ° is 0.3 or more, or 2θ The ratio (D / E) of the peak intensity (D) at 2θ = 2 to 3 ° to the peak intensity (E) at ≦ 0.5 ° is 0.3 or more, and the ion cluster diameter has orientation. Thus, with respect to the solid polymer electrolyte, one or more selected from the following steps (1) to (5) and the following (6) to (8) The process for producing a solid polyelectrolyte, characterized in that applying one or more processing selected from process.
(1) A step of irradiating a solid polymer electrolyte with an electron beam or radiation, wherein the irradiation area is larger than a base film area made of the solid polymer electrolyte,
(2) A step of starting a polymerization reaction within 24 hours after irradiating the raw material monomer of the solid polymer electrolyte with an electron beam or radiation,
(3) A step of storing the solid polymer electrolyte at 0 ° C. or lower after irradiation with an electron beam or radiation,
(4) a step of boiling the solid polymer electrolyte, and
(5) A step of annealing the solid polymer electrolyte.
(6) a step of stretching the solid polymer electrolyte;
(7) applying a potential from the outside to the solid polymer electrolyte; and
(8) A step of using a solid polymer electrolyte film having uniaxial or biaxial orientation.
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