JP2005063778A - Fuel cell electrolyte membrane with excellent oxidation resistance - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の高分子イオン交換膜、特に、スチレン等の炭化水素モノマーをグラフトしたイオン交換膜のイオン交換容量、保水性、耐酸化性などの特性を改良すること。放射線グラフト重合による高分子イオン交換膜において、固体高分子電解質として高い導電率を有し、膨潤抑制能と耐酸化性とに優れた膜を提供する。
【解決手段】 高分子基材に、化学式(1)
(Xは、特定の化学構造からなる。)の構造を有する、ビニルエーテルを骨格とするモノマーもしくはその誘導体の一種または複数種をグラフト重合した後、グラフト鎖にスルホン酸基を導入して得られる、燃料電池用電解質膜。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To improve characteristics such as ion exchange capacity, water retention and oxidation resistance of a conventional polymer ion exchange membrane, particularly an ion exchange membrane grafted with a hydrocarbon monomer such as styrene. In a polymer ion exchange membrane by radiation graft polymerization, a membrane having high conductivity as a solid polymer electrolyte and excellent in swelling suppression ability and oxidation resistance is provided.
A polymer base material is represented by the chemical formula (1).
(X is composed of a specific chemical structure), obtained by graft polymerization of one or more monomers having vinyl ether skeleton or derivatives thereof, and then introducing a sulfonic acid group into the graft chain, Fuel cell electrolyte membrane.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に適した電解質膜であって、優れた耐酸化性を有する高分子イオン交換膜に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and relates to a polymer ion exchange membrane having excellent oxidation resistance.
固体高分子電解質型燃料電池はエネルギー密度が高いことから、家庭用コージェネ電源や携帯機器用電源、電気自動車の電源、簡易補助電源として期待されている。この燃料電池では耐酸化性を有する高分子イオン交換膜が必要である。 Since solid polymer electrolyte fuel cells have high energy density, they are expected to be used as household cogeneration power supplies, portable equipment power supplies, electric vehicle power supplies, and simple auxiliary power supplies. This fuel cell requires a polymer ion exchange membrane having oxidation resistance.
固体高分子型燃料電池においては、イオン交換膜はプロトンを伝導するための電解質として作用し、燃料である水素やメタノールと酸素とを直接混合させないための隔膜としての役割も有する。このようなイオン交換膜としては、電解質としてイオン交換容量が高いこと、大きな電流を長期間流すので膜の化学的な安定性、特に、膜の劣化の主因と言われている水酸化ラジカル等に対する耐性(耐酸化性)が優れていること、電気抵抗の低いことが要求される。一方、隔膜としての役割から、膜の力学的な強度が強いこと及び寸法安定性が優れていること、燃料である水素ガスやメタノール及び酸素ガスについてガス透過性の低いことなどが要求される。 In the polymer electrolyte fuel cell, the ion exchange membrane functions as an electrolyte for conducting protons, and also functions as a diaphragm for preventing direct mixing of hydrogen or methanol and oxygen as fuel. As such an ion exchange membrane, the ion exchange capacity is high as an electrolyte, and since a large current flows for a long time, the membrane is chemically stable, particularly against hydroxyl radicals which are said to be the main cause of membrane degradation. Excellent resistance (oxidation resistance) and low electrical resistance are required. On the other hand, due to its role as a diaphragm, it is required that the film has strong mechanical strength and excellent dimensional stability, and has low gas permeability for hydrogen gas, methanol, and oxygen gas as fuel.
初期の高分子イオン交換膜型燃料電池では、スチレンとジビニルベンゼンの共重合で製造した炭化水素系高分子イオン交換膜が使用された。しかし、このイオン交換膜は耐酸化性に起因する耐久性が非常に劣っていたため実用性に乏しく、その後はデュポン社により開発されたパーフルオロスルホン酸膜「ナフィオン(デュポン社登録商標)」などが一般に用いられてきた。 Early polymer ion exchange membrane fuel cells used hydrocarbon polymer ion exchange membranes produced by copolymerization of styrene and divinylbenzene. However, this ion exchange membrane has poor durability due to oxidation resistance, so it is not practical. After that, a perfluorosulfonic acid membrane “Nafion (registered trademark of DuPont)” developed by DuPont, etc. It has been used in general.
しかしながら、「ナフィオン(登録商標)」等の従来のフッ素系高分子イオン交換膜は、化学的な耐久性や安定性には優れているが、イオン交換容量が1meq/g前後と小さく、また、保水性が不十分でイオン交換膜が乾燥してプロトン伝導性が低下したり、あるいは、メタノールを燃料とする場合にはアルコール類に対する膜の膨潤が起き、メタノールのクロスオーバーが燃料電池特性の低下を来たす。そして、イオン交換容量を大きくするためにスルホン酸基を多く導入すると、膜強度が著しく低下し、容易に破損するようになる。したがって、従来のフッ素系高分子のイオン交換膜ではスルホン酸基の量を膜強度が保持される程度に抑える必要があり、このためイオン交換容量が1meq/g程度ものしかできなかった。また、ナフィオン(登録商標)などのフッ素系高分子イオン交換膜はモノマーの合成が複雑なため非常に高価であり、固体高分子型燃料電池を自動車などへ搭載して実用化する場合の大きな障害になっている。そのため、前記ナフィオン(登録商標)等に替わる低コストで高性能な電解質膜を開発する努力がおこなわれてきた。 However, conventional fluorine-based polymer ion exchange membranes such as “Nafion (registered trademark)” are excellent in chemical durability and stability, but the ion exchange capacity is as small as about 1 meq / g, Insufficient water retention and the ion exchange membrane dries and proton conductivity decreases, or when methanol is used as fuel, the membrane swells with alcohols, and methanol crossover reduces fuel cell characteristics Come. When a large amount of sulfonic acid groups are introduced to increase the ion exchange capacity, the membrane strength is remarkably lowered and easily broken. Therefore, in conventional ion exchange membranes of fluoropolymers, it is necessary to suppress the amount of sulfonic acid groups to such an extent that the membrane strength is maintained, so that the ion exchange capacity can only be about 1 meq / g. In addition, fluorine-based polymer ion exchange membranes such as Nafion (registered trademark) are very expensive due to the complicated synthesis of monomers, which is a major obstacle to the practical application of solid polymer fuel cells in automobiles. It has become. Therefore, efforts have been made to develop a low-cost and high-performance electrolyte membrane that replaces the Nafion (registered trademark) and the like.
例えば、炭化水素構造を含むETFEにスチレンモノマーを放射線グラフト反応により導入し、次いでスルホン化することにより合成したイオン交換膜は燃料電池用イオン交換膜として機能する(特許文献1参照のこと。)。しかし、欠点として、膜に大きな電流を長時間流すとポリスチレンに導入されたスルホン基の脱落が起こり、膜のイオン交換能が大幅に低下する。さらに、この炭化水素構造を多く含むイオン交換膜を固体電解質膜に用いると、ガス拡散電極の触媒層に十分な撥水性がない場合には、特に燃料電池反応で水が生成する正極で、電極が湿り過ぎることに起因する出力低下が起こるという問題が指摘されている(特許文献2参照のこと。)。
本発明は、高分子イオン交換膜における最大の欠点であるイオン交換容量が小さく、かつ、保水性が悪いこと、また、スチレンで代表される炭化水素モノマーをグラフトしたイオン交換膜における最大の欠点である耐酸化性が低いことなどのような従来技術の問題点を克服するためになされたものであり、放射線グラフト重合による高分子イオン交換膜において、固体高分子電解質として高い導電率を有し、さらに、湿潤状態での膨潤が抑制され、かつ、耐酸化性の優れた膜を提供するものである。 The present invention has the following disadvantages in an ion exchange membrane grafted with a hydrocarbon monomer represented by styrene. In order to overcome the problems of the prior art such as low oxidation resistance, in the polymer ion exchange membrane by radiation graft polymerization, has a high conductivity as a solid polymer electrolyte, Furthermore, the present invention provides a film in which swelling in a wet state is suppressed and oxidation resistance is excellent.
本発明は、優れた耐酸化性と広いイオン交換容量とを有する高分子イオン交換膜であり、特に燃料電池用電解質膜に適したイオン交換膜を提供する。
即ち、化学安定性に優れたフッ素系高分子またはオレフィン系高分子に、好ましくは架橋構造を付与して得られた高分子基材をべースマトリックスとし、これに次式:
The present invention provides a polymer ion exchange membrane having excellent oxidation resistance and a wide ion exchange capacity, and particularly provides an ion exchange membrane suitable for an electrolyte membrane for fuel cells.
That is, a polymer base material obtained by adding a cross-linked structure to a fluorine polymer or olefin polymer having excellent chemical stability is preferably used as a base matrix.
の構造を有するモノマーまたはその誘導体を放射線グラフト重合し、さらに、得られたポリマーのグラフト鎖にスルホン酸基を導入した結果、イオン交換容量、メタノール透過などの各特性を広い範囲で制御することができ、且つ、優れた耐酸化性を有する高分子イオン交換膜を発明するに至った。 As a result of radiation graft polymerization of the monomer having the structure or its derivative and introducing a sulfonic acid group into the graft chain of the obtained polymer, each characteristic such as ion exchange capacity and methanol permeation can be controlled in a wide range. The present inventors have invented a polymer ion exchange membrane that can be made and has excellent oxidation resistance.
本発明の高分子イオン交換膜は、広い範囲でイオン交換容量を制御することができ、優れた保水性と高い耐酸化性とを有する燃料電池膜である。
本発明のイオン交換膜は、特に燃料電池膜に適している。また、安価で耐久性のある電解膜やイオン交換膜として有用である。
The polymer ion exchange membrane of the present invention is a fuel cell membrane that can control the ion exchange capacity in a wide range and has excellent water retention and high oxidation resistance.
The ion exchange membrane of the present invention is particularly suitable for a fuel cell membrane. Moreover, it is useful as an inexpensive and durable electrolytic membrane or ion exchange membrane.
本発明において使用できる高分子基材としてはフッ素系高分子があげられる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと略す)、テトラフルオロエチレン−六フッ化プロピレン共重合体(以下、FEPと略す)、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(以下、PFAと略す)、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略す)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(以下、ETFEと略す)、フッ化ビニル(以下、PVFと略す)、ポリクロロトリフルオロエチレン(以下、PCTFEと略す)、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体(以下、ECTFEと略す)が使用できる。フッ素系高分子を予め架橋しておくと、得られる電解質膜は、さらに耐熱性や膨潤抑制能が向上する。架橋PTFEの製造方法は、例えば、特開平6−116423に開示されている。架橋FEPやPFAの製造方法は、例えば、特開2001−348439に開示されている。 Examples of the polymer substrate that can be used in the present invention include fluoropolymers. Specifically, polytetrafluoroethylene (hereinafter abbreviated as PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (hereinafter abbreviated as FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (hereinafter, abbreviated as FEP). PFA), polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (hereinafter abbreviated as ETFE), vinyl fluoride (hereinafter abbreviated as PVF), polychlorotrifluoroethylene (hereinafter referred to as “PFF”). And chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (hereinafter abbreviated as ECTFE). When the fluoropolymer is crosslinked in advance, the obtained electrolyte membrane is further improved in heat resistance and swelling suppression ability. A method for producing crosslinked PTFE is disclosed, for example, in JP-A-6-116423. A method for producing crosslinked FEP and PFA is disclosed in, for example, JP-A-2001-348439.
架橋PTFEは、PTFEを300〜365℃の温度範囲、10-3〜10Torrの減圧下、または、10-2〜2Torrの酸素分圧の不活性ガス中で、γ線、X線や電子線の放射線を5〜500kGy照射して製造することができる。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムガスなどを用いることができる。 Cross-linked PTFE is produced by using PTFE in an inert gas having a temperature range of 300 to 365 ° C. under a reduced pressure of 10 −3 to 10 Torr or an oxygen partial pressure of 10 −2 to 2 Torr. It can be produced by irradiating with 5 to 500 kGy of radiation. As the inert gas, nitrogen, argon, helium gas or the like can be used.
また、本発明において使用できる別種の高分子基材としては、低密度、高密度、超高分子量のポリエチレン及びポリプロピレンや、トリメチルペンテンをモノマーとするポリマーなどで代表されるオレフィン系高分子があげられる。架橋したオレフィン系高分子を採用すると、得られる電解質膜の耐熱性が向上し、膨潤も抑制されるので、用途によっては、好ましい。 Further, as another type of polymer substrate that can be used in the present invention, low density, high density, ultrahigh molecular weight polyethylene and polypropylene, and olefinic polymers represented by polymers having trimethylpentene as a monomer can be mentioned. . Adopting a cross-linked olefin polymer improves the heat resistance of the obtained electrolyte membrane and suppresses swelling, which is preferable for some applications.
本発明において使用できるモノマーは、次式: Monomers that can be used in the present invention have the following formula:
(式中、Xは、次式: (In the formula, X represents the following formula:
の化学構造から独立して選択される。)
の構造を有する、ビニルエーテルを骨格とするモノマーまたはその誘導体である。具体的には、エチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、オクタデシルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、ヘキサデシルビニルエーテル、tert−ペンチルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、2−クロロエチルビニルエーテル、4−ヒドロキシブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、tert−ブチルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニルエーテル、1,4−ブタンジオールビニルエーテル、ジエチレングリコールビニルエーテル、エチレングリコールブチルビニルエーテルなどが挙げられる。これらのモノマーは一種だけでなく複数種を混合して用いてもよく、溶媒中に希釈して用いてもよい。
Selected independently from the chemical structure of )
And a monomer having a vinyl ether structure and a derivative thereof. Specifically, ethyl vinyl ether, propyl vinyl ether, butyl vinyl ether, octadecyl vinyl ether, dodecyl vinyl ether, hexadecyl vinyl ether, tert-pentyl vinyl ether, cyclohexyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, 2-chloroethyl vinyl ether, 4-hydroxybutyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, Examples thereof include tert-butyl vinyl ether, 2-ethylhexyl vinyl ether, 1,4-butanediol vinyl ether, diethylene glycol vinyl ether, and ethylene glycol butyl vinyl ether. These monomers may be used as a mixture of not only one type but also a plurality of types, or may be used by diluting in a solvent.
本発明においては、さらに、上記のモノマーに、一種もしくは複数種の炭化水素系ビニルモノマーおよび/または炭化フッ素系ビニルモノマーを組み合わせて、グラフト重合をすることができる。 In the present invention, graft polymerization can be carried out by further combining one or a plurality of hydrocarbon vinyl monomers and / or fluorocarbon vinyl monomers with the above monomers.
本発明に使用することができる炭化水素系ビニルモノマーとしては、エチレン、イソブチレン、イソブテン、ブタジエン、アセチレン誘導体などがあり、ベンゼン骨格、エステル骨格、官能基(ハロゲン基、エポキシ基、水酸基、スルホン酸基など)を含まない炭化水素系ビニルモノマーであればその種類を問わない。 Examples of hydrocarbon-based vinyl monomers that can be used in the present invention include ethylene, isobutylene, isobutene, butadiene, and acetylene derivatives, benzene skeleton, ester skeleton, functional group (halogen group, epoxy group, hydroxyl group, sulfonic acid group). Any kind of hydrocarbon vinyl monomer may be used as long as it does not contain any other.
本発明に使用することができる炭化フッ素系ビニルモノマーとしては、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテル、エチルトリフルオロビニルエーテル、ヘキサフルオロプロペン、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサノン−1−エン)、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘキサフルオロ−1,3−ブタジエンなどがあり、ベンゼン骨格、エステル骨格、官能基(ハロゲン基、エポキシ基、水酸基、スルホン酸基など)を含まない炭化フッ素系ビニルモノマーであればその種類を問わない。 Examples of the fluorocarbon vinyl monomer that can be used in the present invention include heptafluoropropyl trifluorovinyl ether, ethyl trifluorovinyl ether, hexafluoropropene, perfluoro (propyl vinyl ether), pentafluoroethyl trifluorovinyl ether, perfluoro (4 -Methyl-3,6-dioxanon-1-ene), trifluoromethyl trifluorovinyl ether, hexafluoro-1,3-butadiene, etc., and benzene skeleton, ester skeleton, functional group (halogen group, epoxy group, hydroxyl group, Any fluorocarbon vinyl monomer that does not contain a sulfonic acid group or the like may be used.
これらのモノマーは溶媒で該モノマーを希釈して用いてもよい。
また、モノマーにジビニルベンゼンなどの架橋剤を重量比で10%以下添加してグラフト鎖を架橋することも可能である。
These monomers may be used after being diluted with a solvent.
It is also possible to add 10% or less by weight of a crosslinking agent such as divinylbenzene to the monomer to crosslink the graft chain.
また、グラフト重合後に、多官能モノマーやトリアリルイソシアヌレートなどの架橋剤と反応させて、グラフト鎖を架橋することも可能である。
本発明においてグラフト鎖を架橋するのに使用することができる架橋剤としては、1,2−ビス(p−ビニルフェニル)、ジビニルスルホン、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ジビニルベンゼン、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、フェニルアセチレン、ジフェニルアセチレン、2,3−ジフェニルアセチレン、1,4−ジフェニル−1,3−ブタジエン、ジアリルエーテル、2,4,6−トリアリルオキシ−1,3,5−トリアジン、トリアリル−1,2,4−ベンゼントリカルボキシレート、トリアリル−1,3,5−トリアジン−2,4,6−トリオンなどを挙げることができる。
Further, after the graft polymerization, it is possible to crosslink the graft chain by reacting with a cross-linking agent such as a polyfunctional monomer or triallyl isocyanurate.
As the crosslinking agent that can be used for crosslinking the graft chain in the present invention, 1,2-bis (p-vinylphenyl), divinylsulfone, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, Divinylbenzene, cyclohexanedimethanol divinyl ether, phenylacetylene, diphenylacetylene, 2,3-diphenylacetylene, 1,4-diphenyl-1,3-butadiene, diallyl ether, 2,4,6-triallyloxy-1,3 , 5-triazine, triallyl-1,2,4-benzenetricarboxylate, triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6-trione and the like.
高分子基材への上記モノマーのグラフ卜重合は、基材に放射線を照射後モノマーと反応させる、いわゆる前照射法によってグラフトさせるか、または基材およびモノマーに同時に放射線を照射してグラフトさせる、いわゆる同時照射法のいずれの方法によってもグラフト重合可能であるが、ホモポリマーの生成量の少ない前照射法が好ましい。 The graph-polymerization of the above-mentioned monomer onto the polymer substrate is performed by causing the substrate to react with the monomer after irradiation with radiation, grafting by a so-called pre-irradiation method, or simultaneously irradiating the substrate and the monomer with radiation and grafting. Graft polymerization can be performed by any of the so-called simultaneous irradiation methods, but the pre-irradiation method in which the amount of homopolymer produced is small is preferable.
前照射法には2通りの方法、すなわち、高分子基材を不活性ガス中で照射するポリマーラジカル法と、基材を酸素存在下で照射するパーオキサイド法とがあり、いずれも使用可能である。 There are two types of pre-irradiation methods: a polymer radical method in which a polymer substrate is irradiated in an inert gas, and a peroxide method in which a substrate is irradiated in the presence of oxygen, both of which can be used. is there.
前照射法の一例として、高分子基材をガラス製容器などに挿入した後、この容器を真空脱気し、置換して不活性ガス雰囲気とする。その後、基材を含む容器に−10℃〜80℃の温度、好ましくは室温付近で、電子線やγ線を1〜500kGy照射した後、酸素を含まない不活性ガスによるバブリングや凍結脱気などで酸素を除いた、モノマーの混合液や溶媒に溶かしたモノマー溶液をこの照射した基材を含む容器内に充填する。高分子基材が架橋フッ素高分子フィルムである場合、グラフト重合温度は、通常30℃〜150℃、好ましくは40℃〜80℃で実施して、ポリマーグラフト鎖を導入する。 As an example of the pre-irradiation method, after inserting the polymer substrate into a glass container or the like, the container is vacuum degassed and replaced with an inert gas atmosphere. Thereafter, the container containing the base material is irradiated with an electron beam or γ-ray at 1 to 500 kGy at a temperature of −10 ° C. to 80 ° C., preferably near room temperature, and then bubbling or freezing deaeration with an inert gas not containing oxygen. The container containing the irradiated base material is filled with a monomer solution obtained by removing oxygen in a monomer mixture or solvent. When the polymer substrate is a cross-linked fluoropolymer film, the graft polymerization temperature is usually 30 ° C. to 150 ° C., preferably 40 ° C. to 80 ° C., to introduce the polymer graft chain.
ポリマーのグラフト率は前照射線量が多いほどグラフト率は高くなる。得られるグラフト重合体のグラフト率は、高分子基材の重量基準で、6〜150wt%、より好ましくは10〜100wt%である。 The graft ratio of the polymer increases as the pre-irradiation dose increases. The graft ratio of the obtained graft polymer is 6 to 150 wt%, more preferably 10 to 100 wt%, based on the weight of the polymer substrate.
高分子基材にグラフト鎖を導入した後、次いで、スルホン基を導入する。スルホン化の条件は特開2001−348439に開示されているが、一例を挙げると、1,2−ジクロロエタンを溶媒として、0.2〜0.5モル濃度のクロルロルホン酸溶液にグラフトフィルム基材を室温〜70℃で、2〜48時間浸漬して反応させる。所定時間反応後、膜を充分に水洗する。スルホン化反応に必要なスルホン化剤としては、濃硫酸、三酸化硫黄、チオ硫酸ナトリウムなどを使用することができるが、スルホン酸基を導入できるスルホン化剤であれば種類を問わない。 After introducing the graft chain into the polymer substrate, a sulfone group is then introduced. The conditions for sulfonation are disclosed in JP-A-2001-348439. For example, 1,2-dichloroethane is used as a solvent, and a graft film base material is added to a 0.2 to 0.5 molar chlorsulfonic acid solution. The reaction is performed by immersing at room temperature to 70 ° C. for 2 to 48 hours. After reacting for a predetermined time, the membrane is thoroughly washed with water. As the sulfonating agent necessary for the sulfonation reaction, concentrated sulfuric acid, sulfur trioxide, sodium thiosulfate, or the like can be used, but any type can be used as long as it is a sulfonating agent capable of introducing a sulfonic acid group.
本発明による燃料電池用電解質膜は、グラフト率と導入するスルホン酸基の量とによって、電解質膜のイオン交換容量を広範囲にわたって制御することができる。ここでイオン交換容量とは、乾燥イオン交換膜の重量1g当たりのイオン交換基量(meq/g)である。グラフト率が6%以下ではイオン交換容量が不充分であり、一方、グラフト率が150%以上では含水時に膜が膨潤して膜の強度が低下し、ダイレクトメタノール型燃料電池においてはメタノールの透過量が大きくなってしまう。したがって、本発明による燃料電池用電解質膜のイオン交換容量は、0.3meq/g〜6meq/g、より好ましくは、0.5meq/g〜2.0meq/gである。 In the electrolyte membrane for fuel cells according to the present invention, the ion exchange capacity of the electrolyte membrane can be controlled over a wide range according to the graft ratio and the amount of sulfonic acid groups to be introduced. Here, the ion exchange capacity is the amount of ion exchange groups (meq / g) per gram weight of the dry ion exchange membrane. When the graft ratio is 6% or less, the ion exchange capacity is insufficient. On the other hand, when the graft ratio is 150% or more, the membrane swells when it contains water and the strength of the membrane decreases. Will become bigger. Therefore, the ion exchange capacity of the fuel cell electrolyte membrane according to the present invention is 0.3 meq / g to 6 meq / g, more preferably 0.5 meq / g to 2.0 meq / g.
一般に、高分子イオン交換膜は、25℃における電気伝導度が0.05Ω-1cm-1以下であると、燃料電池としての出力が著しく低下する場合が多いため、イオン交換膜の電気伝導度は0.05Ω-1cm-1以上、より高性能のイオン交換膜では0.1Ω-1cm-1以上に設計されていることが多い。本発明による燃料電池用電解質膜では、25℃におけるイオン交換膜の電気伝導度がナフィオン(登録商標)膜のそれよりも高い値が得られた。 In general, when the polymer ion exchange membrane has an electric conductivity at 25 ° C. of 0.05Ω −1 cm −1 or less, the output as a fuel cell often decreases significantly. it is 0.05? -1 cm -1 or more, it is often designed above 0.1 [Omega -1 cm -1 in the higher performance of the ion exchange membrane. In the electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention, the electric conductivity of the ion exchange membrane at 25 ° C. was higher than that of the Nafion (registered trademark) membrane.
イオン交換膜の電気伝導度を上げるためには、イオン交換膜の厚みを薄くすることも考えられる。しかし現状では、あまりに薄いイオン交換膜では破損しやすく、通常では30μm〜200μm厚の範囲のイオン交換膜が使われている。本発明の燃料電池用電解質膜においては、膜厚は、5μm〜200μm、好ましくは20μm〜100μmの範囲のものが有用である。 In order to increase the electric conductivity of the ion exchange membrane, it is also conceivable to reduce the thickness of the ion exchange membrane. However, at present, an ion exchange membrane that is too thin is easily damaged, and an ion exchange membrane having a thickness of 30 μm to 200 μm is usually used. In the fuel cell electrolyte membrane of the present invention, a film thickness of 5 μm to 200 μm, preferably 20 μm to 100 μm is useful.
燃料電池膜においては、従来のナフィオン(登録商標)膜はパーフルオロスルホン酸膜であり、分子間の架橋構造がないため、燃料の候補の一つとして考えられているメタノールによって大きく膨潤し、メタノールがアノード(燃料極)からカソード(空気極)へと電池膜を通して拡散して発電効率が低下することが重大な問題とされている。しかし、本発明による燃料電池用電解質膜では、高いイオン交換容量を有するにも拘わらず、基材マトリックスが存在するため、メタノールをはじめとするアルコール類による膜の膨潤が少ない。このため、改質器を用いることなくメタノールを直接燃料とするダイレクト・メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel cell)の電解質膜として有用である。 In the fuel cell membrane, the conventional Nafion (registered trademark) membrane is a perfluorosulfonic acid membrane and has no intermolecular cross-linking structure, so that it is greatly swollen by methanol which is considered as one of the fuel candidates. It is regarded as a serious problem that power generation efficiency is lowered by diffusion through the cell membrane from the anode (fuel electrode) to the cathode (air electrode). However, in the electrolyte membrane for fuel cells according to the present invention, although the substrate matrix is present despite the high ion exchange capacity, the membrane is less swelled by alcohols such as methanol. For this reason, it is useful as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell using methanol directly as a fuel without using a reformer.
また、燃料電池膜においては、膜の耐酸化性は膜の耐久性(寿命)に関係する極めて重要な特性である。膜の酸化は、電池稼働中に発生するOHラジカルなどがイオン交換膜を攻撃して、膜を劣化させるものである。含フッ素高分子基材にスチレンをグラフト重合した後、ポリスチレングラフト鎖をスルホン化して得た高分子イオン交換膜の耐酸化性は極めて低い。例えば、グラフト率100%のポリスチレン鎖をスルホン化したポリスチレングラフト架橋PTFEイオン交換膜は、80℃の3%過酸化水素水溶液中でイオン交換膜が劣化し、約60分でイオン交換容量がほぼ半分となる。これは、OHラジカルの攻撃によって、ベンゼン環に導入されたスルホン基が脱落するためである。これに対し、本発明による燃料電池用電解質膜は、グラフト鎖にベンゼン環がないので、耐酸化性がきわめて高く、80℃の3%過酸化水素水溶液中に数ヶ月以上置いてもイオン交換容量はほとんど変化しない。 In the fuel cell membrane, the oxidation resistance of the membrane is a very important characteristic related to the durability (life) of the membrane. In the oxidation of the membrane, OH radicals or the like generated during battery operation attack the ion-exchange membrane and degrade the membrane. The polymer ion exchange membrane obtained by graft-polymerizing styrene on a fluorine-containing polymer substrate and then sulfonating the polystyrene graft chain has extremely low oxidation resistance. For example, a polystyrene graft-crosslinked PTFE ion exchange membrane sulfonated with a polystyrene chain with a graft rate of 100% deteriorates in an aqueous 3% hydrogen peroxide solution at 80 ° C., and the ion exchange capacity is almost half in about 60 minutes. It becomes. This is because the sulfone group introduced into the benzene ring is dropped by the attack of the OH radical. On the other hand, the electrolyte membrane for fuel cells according to the present invention has very high oxidation resistance because there is no benzene ring in the graft chain, and the ion exchange capacity even when placed in a 3% hydrogen peroxide aqueous solution at 80 ° C. for several months or more. Hardly changes.
以上のように、本発明の燃料電池用電解質膜は、優れた耐酸化性やメタノール透過阻止性を有するとともに、膜としての重要な特性であるイオン交換容量を0.3〜6.0meq/gの広い範囲で制御できるという特徴を有する。 As described above, the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention has excellent oxidation resistance and methanol permeation-preventing property, and has an ion exchange capacity of 0.3 to 6.0 meq / g, which is an important characteristic as a membrane. It can be controlled in a wide range.
以下、本発明を実施例及び比較例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、各測定値は以下の測定によって求めた。
(1)グラフト率
高分子基材を主鎖部、モノマーがグラフト重合した部分をグラフト鎖部とすると、主鎖部に対するグラフト鎖部の重量比は、次式のグラフト率、Xds(wt%)として表される。
Hereinafter, although an example and a comparative example explain the present invention, the present invention is not limited to these.
In addition, each measured value was calculated | required by the following measurements.
(1) Graft ratio When the polymer base material is the main chain portion and the portion where the monomer is graft polymerized is the graft chain portion, the weight ratio of the graft chain portion to the main chain portion is the graft ratio of the following formula: X ds (wt% ).
Xds=100(W2−W1)/W1 (1)
W1:グラフト重合前の高分子基材の重さ(g)
W2:グラフト重合後の含高分子基材(乾燥状態)の重さ(g)
(2)イオン交換容量
膜のイオン交換容量、Iex(meq/g)は次式で表される。
X ds = 100 (W 2 −W 1 ) / W 1 (1)
W 1 : Weight of polymer base material before graft polymerization (g)
W 2 : Weight of the polymer-containing substrate (dry state) after graft polymerization (g)
(2) Ion exchange capacity The ion exchange capacity of the membrane, I ex (meq / g), is expressed by the following equation.
Iex=n(酸基)obs/Wd (2)
n(酸基)obs:イオン交換膜の酸基濃度(mM/g)
Wd:イオン交換膜の乾燥重量(g)
n(酸基)obsの測定は、より正確な測定となるよう、膜を1M(1モル濃度)硫酸溶液中に50℃で4時間浸漬し完全に酸型(H型)にしてから、3MのNaCl水溶液中に50℃で4時間浸漬して−SO3Na型とし、置換されたプロトン(H+)を0.2MのNaOHで中和滴定して酸基濃度を求めた。
(3)含水率
室温で水中に保存しておいたイオン交換膜を、水中から取出し軽くふき取った後(約1分後)の膜の重量をWs(g)とし、その後、60℃にて16時間、真空乾燥した後の膜の重量Wd(g)を乾燥重量とすると、Ws、Wdから次式により含水率が求められる。
I ex = n (acid group) obs / W d (2)
n (acid group) obs : acid group concentration of the ion exchange membrane (mM / g)
W d : dry weight of ion exchange membrane (g)
In order to measure n (acid group) obs , the membrane is immersed in a 1M (1 molar concentration) sulfuric acid solution at 50 ° C. for 4 hours so as to obtain a more accurate measurement. Was immersed in an aqueous NaCl solution at 50 ° C. for 4 hours to form —SO 3 Na type, and the substituted protons (H + ) were neutralized and titrated with 0.2 M NaOH to determine the acid group concentration.
(3) Moisture content After removing the ion exchange membrane stored in water at room temperature from water and wiping it lightly (after about 1 minute), the weight of the membrane is defined as W s (g). When the weight W d (g) of the film after vacuum drying for 16 hours is defined as the dry weight, the water content is obtained from W s and W d according to the following equation.
含水率=100(Ws−Wd)/Wd (3)
(4)電気伝導度
イオン交換膜の電気伝導性は、交流法による測定(新実験化学講座19、高分子化学〈II〉、p.992,丸善)にしたがい、通常の膜抵抗測定セルとヒューレットパッカ
ード製のLCRメータ、E−4925Aとを使用して膜抵抗(Rm)の測定を行って評価した。1M硫酸水溶液をセルに満たして膜の有無による白金電極間(距離5mm)の抵抗を測定し、次式を用いて膜の電気伝導度(比伝導度)を算出した。
Moisture content = 100 (W s −W d ) / W d (3)
(4) Electrical conductivity The electrical conductivity of the ion exchange membrane is measured by the AC method (New Experimental Chemistry Course 19, Polymer Chemistry <II>, p. 992, Maruzen). The film resistance (R m ) was measured and evaluated using an Packard LCR meter, E-4925A. A 1M sulfuric acid aqueous solution was filled in the cell, the resistance between platinum electrodes (distance 5 mm) depending on the presence or absence of the film was measured, and the electric conductivity (specific conductivity) of the film was calculated using the following equation.
κ=1/Rm・d/S(Ω-1cm-1) (4)
κ:膜の電気伝導度(Ω-1cm-1)
d:イオン交換膜の厚み(cm)
S:イオン交換膜の通電面積(cm2)
電気伝導度測定値の比較のため、直流法でMark W.Verbrugge,Robert F.Hillら(J.Electrochem.Soc.(1990)137,3770−3777)と類似のセル及びポテンショスタット、関数発生器を用いて測定した。交流法と直流法の測定値には良い相関性が見られた。下記の表1の値は交流法による測定値である。
(5)耐酸化性(重量残存率%)
60℃で16時間真空乾燥後の膜の重量をW3とし、80℃の3%過酸化水素溶液で三週間処理した膜の乾燥後重量をW4とする。
κ = 1 / R m · d / S (Ω −1 cm −1 ) (4)
κ: electrical conductivity of the membrane (Ω -1 cm -1 )
d: thickness of ion exchange membrane (cm)
S: Current-carrying area of the ion exchange membrane (cm 2 )
For comparison of electrical conductivity measurements, Mark W. Verbrugge, Robert F .; Measurements were made using a cell, potentiostat and function generator similar to Hill et al. (J. Electrochem. Soc. (1990) 137, 3770-3777). There was a good correlation between the measured values of the AC and DC methods. The values in Table 1 below are measured values by the AC method.
(5) Oxidation resistance (weight residual rate%)
The weight of the film after vacuum drying at 60 ° C. for 16 hours is defined as W 3, and the weight after drying of the film treated with a 3% hydrogen peroxide solution at 80 ° C. for 3 weeks is defined as W 4 .
耐酸化性=100(W4/W3)
(実施例1)
Oxidation resistance = 100 (W 4 / W 3 )
(Example 1)
架橋PTFEフィルムを得るため以下の照射を行った。厚さ50μm、10cm角のPTFEフィルム(日東電工製、品番No.900)をヒーター付きのSUS製オートクレーブ照射容器(内径4cm、高さ30cm)に入れ、容器内を10-2Torrに脱気後、1気圧のアルゴンガスを充填した。次いで、電気ヒータで加熱してPTFEフィルムの温度を340℃とし、60Co−γ線を線量率3kGy/hで線量120kGy照射した。照射後、容器を冷却してからPTFEフィルムを取り出した。 The following irradiation was performed to obtain a crosslinked PTFE film. Thickness 50 [mu] m, PTFE film 10cm square (manufactured by Nitto Denko, No. Nanba900) a SUS autoclave irradiation vessel (inner diameter 4 cm, height 30 cm) with a heater placed in, after degassing vessel 10 -2 Torr Filled with 1 atmosphere of argon gas. Subsequently, the temperature of the PTFE film was set to 340 ° C. by heating with an electric heater, and 60 Co-γ rays were irradiated at a dose rate of 3 kGy / h and a dose of 120 kGy. After irradiation, the container was cooled and the PTFE film was taken out.
この架橋PTFEフィルムを4cm角に切り、コック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cm、高さ15cm)に入れ、脱気後1気圧のアルゴンガスを充填した。この状態で架橋PTFEフィルムに、再び、γ線(線量率10kGy/h)を60kGyまで室温で照射した。次いで、照射された架橋PTFEフィルムの入ったガラス容器中に予め脱気したブチルビニルエーテル40gを入れ、フィルムを浸漬した。容器を密閉し、容器内を窒素で置換した後、60℃で48時間反応させた。反応後、トルエン、次いでアセトンで洗浄し乾燥した。グラフト率は31%であった。 This crosslinked PTFE film was cut into 4 cm square, put into a glass separable container with a cock (inner diameter: 3 cm, height: 15 cm), and after deaeration, filled with argon gas at 1 atm. In this state, the crosslinked PTFE film was again irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) up to 60 kGy at room temperature. Next, 40 g of butyl vinyl ether degassed in advance was put in a glass container containing the irradiated crosslinked PTFE film, and the film was immersed therein. The vessel was sealed and the inside of the vessel was replaced with nitrogen, and then reacted at 60 ° C. for 48 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft rate was 31%.
このグラフト重合して得た架橋PTFEフィルムをスルホン化するため、1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に、60℃で20時間浸漬して反応させ、水洗した。得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を表1に示す。
(実施例2)
In order to sulfonate the crosslinked PTFE film obtained by this graft polymerization, it was reacted by immersing in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane at 60 ° C. for 20 hours and washed with water. Table 1 shows the ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the obtained membrane.
(Example 2)
室温、窒素雰囲気下で電子線を220kGy照射して架橋した厚さ50μm、8cm角のETFEフィルムをコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cm、高さ12cm)に入れ、脱気後アルゴンガスで置換した。この状態で、再びγ線(線量率10kGy/h)を60kGyまで室温で照射した。照射された架橋ETFEフィルムの入ったガラス容器中に予め脱気したドデシルビニルエーテル40gを入れ、フィルムを浸漬した。容器を密閉し、容器内を窒素で置換した後、70℃で24時間反応させた。反応後、トルエン、次いでアセトンで洗浄し、乾燥した。グラフト率は28%であった。 Place a 50μm thick, 8cm square ETFE film cross-linked by electron beam irradiation at 220kGy in a nitrogen atmosphere at room temperature in a glass separable container with a cock (inner diameter 3cm, height 12cm). did. In this state, γ rays (dose rate 10 kGy / h) were irradiated again at room temperature up to 60 kGy. Into a glass container containing the irradiated crosslinked ETFE film, 40 g of previously deaerated dodecyl vinyl ether was placed, and the film was immersed. The vessel was sealed and the inside of the vessel was replaced with nitrogen, and then reacted at 70 ° C. for 24 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft rate was 28%.
このグラフト重合して得たETFE膜を1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に60℃で18時間浸漬し反応させてから水洗した。得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を表1に示す。
(実施例3)
The ETFE membrane obtained by the graft polymerization was immersed in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane for 18 hours at 60 ° C. and reacted with water. Table 1 shows the ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the obtained membrane.
(Example 3)
厚さ50μm、10cm角のPVDFフィルムをコック付きのSUS製耐圧オートクレーブ(内径4cm、高さ40cm)に入れ、脱気後アルゴンガスで置換した。この状態で、γ線(線量率10kGy/h)を60kGyまで、60℃で照射した。照射後、容器を真空脱気し、予め脱気したイソブチルビニルエーテル20gとベンゼン20gとを入れ、よく攪拌してから、フィルムを浸漬した。容器を密閉し、容器内を窒素で置換した後、60℃にして6時間反応させた。反応後、トルエン、次いでアセトンで洗浄し、乾燥した。グラフト率は35%であった。 A PVDF film having a thickness of 50 μm and a 10 cm square was placed in a SUS pressure-resistant autoclave with a cock (inner diameter: 4 cm, height: 40 cm), and after deaeration, replaced with argon gas. In this state, γ rays (dose rate 10 kGy / h) were irradiated at 60 ° C. up to 60 kGy. After irradiation, the container was vacuum degassed, and 20 g of isobutyl vinyl ether and 20 g of benzene that had been degassed in advance were added and stirred well before the film was immersed. The vessel was sealed and the inside of the vessel was replaced with nitrogen, and then reacted at 60 ° C. for 6 hours. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft rate was 35%.
このグラフト重合して得たPVDFフィルムを1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に60℃で24時間浸漬し反応させてから水洗した。得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を表1に示す。
(実施例4)
The PVDF film obtained by this graft polymerization was immersed in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane for 24 hours at 60 ° C. and reacted with water. Table 1 shows the ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the obtained membrane.
Example 4
実施例3において、フィルムを厚さ50μmの高密度ポリエチレンにし、モノマーをイソブチルビニルエーテルの代わりに、ブチルビニルエーテルとエチレングリコールブチルビニルエーテルの混合物(組成50:50wt%)の20gを用いた。グラフト率は39%であった。 In Example 3, the film was made of high-density polyethylene having a thickness of 50 μm, and 20 g of a mixture of butyl vinyl ether and ethylene glycol butyl vinyl ether (composition 50: 50 wt%) was used instead of isobutyl vinyl ether. The graft rate was 39%.
このグラフト重合して得たフィルムを1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に60℃で5時間浸漬して反応させてから水洗した。得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を表1に示す。
(実施例5)
The film obtained by the graft polymerization was reacted by immersing in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane at 60 ° C. for 5 hours, and then washed with water. Table 1 shows the ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the obtained membrane.
(Example 5)
実施例1の条件で架橋したPTFEフィルム4cm角をSUS製オートクレーブ容器に入れ、脱気後1気圧のアルゴンガスを充填した。この状態で架橋PTFEフィルムに、再びγ線(線量率10kGy/h)を60kGyまで室温で照射した。次いで、照射された架橋PTFEフィルムの入った容器中に、予め鋭気したブチルビニルエーテル40g、イソブテン10g、トルエン100gを入れ、酸素を含まない状態で60℃で24時間反応させた。反応後、トルエン、次いでアセトンで洗浄し乾燥した。グラフト率は45%であった。 A 4 cm square PTFE film cross-linked under the conditions of Example 1 was placed in a SUS autoclave container, and after degassing, it was filled with 1 atm of argon gas. In this state, the cross-linked PTFE film was again irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) up to 60 kGy at room temperature. Next, 40 g of butyl vinyl ether, 10 g of isobutene, and 100 g of toluene, which had been previously sharpened, were placed in a container containing the irradiated crosslinked PTFE film, and reacted for 24 hours at 60 ° C. without oxygen. After the reaction, it was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft rate was 45%.
このグラフト重合して得た架橋PTFEフィルムをスルホン化するため、1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に60℃で20時間浸漬して反応させてから水洗した。本実施例で得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を表1に示す。
(実施例6)
In order to sulfonate the crosslinked PTFE film obtained by this graft polymerization, it was immersed in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane for 20 hours at 60 ° C. and then washed with water. Table 1 shows the ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example.
(Example 6)
実施例5において、イソブテンの代わりにパーフルオロ(プロピルビニルエーテル)10gを入れてグラフト重合した。グラフト率は25%であった。
このグラフト重合して得た架橋PTFEフィルムをスルホン化するため、1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に60℃で20時間浸漬して反応させてから水洗した。本実施例で得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を表1に示す。
(実施例7)
In Example 5, 10 g of perfluoro (propyl vinyl ether) was added instead of isobutene and graft polymerization was performed. The graft rate was 25%.
In order to sulfonate the crosslinked PTFE film obtained by this graft polymerization, it was immersed in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane for 20 hours at 60 ° C. and then washed with water. Table 1 shows the ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example.
(Example 7)
実施例1において、ブチルビニルエーテル40gに、さらに架橋剤としてフェニルアセチレン0.1gを入れ、グラフト重合した。グラフト率は38%であった。
このグラフト重合して得た架橋PTFEフィルムをスルホン化するため、1,2−ジクロロエタンで希釈した0.3モル濃度のクロルスルホン酸に60℃で20時間浸漬して反応させてから水洗した。本実施例で得られた膜のイオン交換容量、含水率、および電気伝導度を測定し、表1に示す。
(比較例1,2)
In Example 1, 0.1 g of phenylacetylene as a crosslinking agent was further added to 40 g of butyl vinyl ether, and graft polymerization was performed. The graft rate was 38%.
In order to sulfonate the crosslinked PTFE film obtained by this graft polymerization, it was immersed in 0.3 molar chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane for 20 hours at 60 ° C. and then washed with water. The ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity of the membrane obtained in this example were measured and are shown in Table 1.
(Comparative Examples 1 and 2)
比較例1,2として、ナフィオン115、ナフィオンIl7(デュポン社製)について測定されたイオン交換容量、含水率、および電気伝導度の結果を表1に示す。
(比較例3)
As Comparative Examples 1 and 2, the results of ion exchange capacity, water content, and electrical conductivity measured for Nafion 115 and Nafion Il7 (manufactured by DuPont) are shown in Table 1.
(Comparative Example 3)
実施例1で得た架橋FTFEフィルム(厚さ50μm)をコック付きのガラス製セパラブル容器(内径3cm、高さ15cm)に入れ、脱気後アルゴンガスで置換した。この状態で架橋PTFEフィルムに、再びγ線(線量率10kGy/h)を60kGyまで室温で照射した。アルゴンガスのバブリングによって酸素を除いたスチレンモノマーを、架橋PTFEフィルムの入ったガラス容器に、膜が浸漬されるまで導入した。容器内を撹拝し、60℃で5時間反応させた。その後、グラフト共重合膜をトルエン、続いてアセトンで洗浄し、乾燥した。グラフト率は39%であった。このグラフト重合膜を、0.3モル濃度クロルスルホン酸(1,2−ジクロロエタン溶媒)に浸漬し、60℃で24時間スルホン化反応を行った。その後、この膜を水洗してスルホン酸基とした。
アルコールの膨潤度の測定
実施例1の膜およびナフィオン117を3Mの硫酸溶液に浸漬し、スルホン酸基をH型とした。次いで、室温水に浸漬し湿潤状態で寸法を測定した。次いで、膜をメタノールおよびイソプロパノール(IPA)の各アルコール溶液に浸けて60℃、3時間保持してから、室温で一夜放冷した後、膜の寸法変化を測定した。結果を図1に示す。実施例1で得られた膜は、ナフィオン膜に比べメタノールなどによる膜の膨潤がほとんど認められず、直接メタノール型燃料電池の膜材料としてきわめて有効であることがわかった。
The crosslinked FTFE film (thickness 50 μm) obtained in Example 1 was put into a glass separable container (inner diameter 3 cm, height 15 cm) with a cock, and after deaeration, it was replaced with argon gas. In this state, the cross-linked PTFE film was again irradiated with γ rays (dose rate 10 kGy / h) up to 60 kGy at room temperature. Styrene monomer, from which oxygen was removed by bubbling with argon gas, was introduced into a glass container containing a crosslinked PTFE film until the film was immersed. The vessel was stirred and reacted at 60 ° C. for 5 hours. Thereafter, the graft copolymer membrane was washed with toluene and then with acetone and dried. The graft rate was 39%. This graft polymerized membrane was immersed in 0.3 molar chlorosulfonic acid (1,2-dichloroethane solvent) and subjected to sulfonation reaction at 60 ° C. for 24 hours. Thereafter, this membrane was washed with water to obtain sulfonic acid groups.
Measurement of swelling degree of alcohol The membrane of Example 1 and Nafion 117 were immersed in a 3M sulfuric acid solution, and the sulfonic acid group was changed to the H type. Subsequently, it was immersed in room temperature water and the dimension was measured in the wet state. Next, the membrane was immersed in each alcohol solution of methanol and isopropanol (IPA), held at 60 ° C. for 3 hours, and allowed to cool overnight at room temperature, and then the dimensional change of the membrane was measured. The results are shown in FIG. The membrane obtained in Example 1 was found to be extremely effective as a membrane material for a direct methanol fuel cell with almost no swelling of the membrane due to methanol or the like compared to the Nafion membrane.
図1及び表1により、本発明の有効性が実証された。 FIG. 1 and Table 1 demonstrate the effectiveness of the present invention.
Claims (7)
の構造を有する、ビニルエーテルを骨格とするモノマーもしくはその誘導体の一種または複数種をグラフト重合した後、グラフト鎖にスルホン酸基を導入して得られる、燃料電池用電解質膜。 In the polymer substrate, the following formula:
A fuel cell electrolyte membrane obtained by graft polymerization of a monomer having a vinyl ether skeleton or a derivative thereof having one of the following structures and introducing a sulfonic acid group into the graft chain.
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