JP2007035611A - Electrolyte composition for fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】耐酸化性が高く且つ吸水性が低い燃料電池用電解質組成物の提供。
【解決手段】下記一般式(1)に記載の構造をもつ高分子電解質材料を含有することを特徴とする燃料電池用電解質組成物。
(式(1)中、BPはフッ素を含まず且つ炭素系骨格を有する重合体から構成される基材を意味する。;R1及びR2はそれぞれ独立して構造が決定される水素又はアルキル基;R3は炭素数がmである直鎖状又は分枝状のアルキレン基;pは0以上の整数;m、n及びqはそれぞれ正の整数から選択される。;スルホン化工程により導入されたスルホ基を有しない。)
【選択図】なしA fuel cell electrolyte composition having high oxidation resistance and low water absorption is provided.
A fuel cell electrolyte composition comprising a polymer electrolyte material having a structure represented by the following general formula (1).
(In the formula (1), BP means a base material composed of a polymer containing no fluorine and having a carbon-based skeleton. R 1 and R 2 are each independently hydrogen or alkyl whose structure is determined. A group; R 3 is a linear or branched alkylene group having m carbon atoms; p is an integer of 0 or more; m, n and q are each selected from positive integers; Does not have a sulfo group formed.)
[Selection figure] None
Description
本発明は、燃料電池用電解質組成物及びその製造方法並びにそれらを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte composition for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell using them.
燃料電池用の電解質膜としてはスルホ基を有するパーフルオロカーボン重合体から構成された電解質膜(商品名:ナフィオン、アシプレックス等)が用いられ、良好な発電性能と耐久性が確認されている。しかし、燃料電池の実用化のために、低廉で、水素イオン伝導性が高い電解質材料の開発が期待されており、炭化水素系電解質材料が注目されている。 As an electrolyte membrane for a fuel cell, an electrolyte membrane (trade name: Nafion, Aciplex, etc.) composed of a perfluorocarbon polymer having a sulfo group is used, and good power generation performance and durability have been confirmed. However, for the practical application of fuel cells, the development of inexpensive and high hydrogen ion conductive electrolyte materials is expected, and hydrocarbon electrolyte materials are attracting attention.
従来技術としては、基材フィルムにグラフト反応を用いてスチレン等の汎用単量体を重合した後、スルホ化することで得ることができる炭化水素系電解質膜が開示される(特許文献1)。なお、本明細書において「炭化水素系材料」とは材料を構成する基本骨格が炭素及び水素のみで形成されるもの(ポリオレフィンなど)のほか、ある割合の水素がフッ素などのハロゲンにて置換されているが水素原子の一部は残存するものをも含む概念である。つまり、本明細書では、すべての水素をフッ素に置換したもの以外は「炭化水素系材料」に含める。水素をフッ素にて完全に置換していない材料は製造工程が簡単になるので、すべての水素を完全にフッ素にて置換した材料よりもコストが低減できる。 As a prior art, a hydrocarbon-based electrolyte membrane that can be obtained by polymerizing a general-purpose monomer such as styrene using a graft reaction on a substrate film and then sulfonating is disclosed (Patent Document 1). In this specification, “hydrocarbon-based material” means a material in which the basic skeleton constituting the material is formed only of carbon and hydrogen (such as polyolefin), and a certain proportion of hydrogen is substituted with halogen such as fluorine. However, it is a concept that includes a part of hydrogen atoms remaining. In other words, in the present specification, the term “hydrocarbon-based material” includes those in which all hydrogen is replaced with fluorine. Since a material in which hydrogen is not completely substituted with fluorine is simplified, the cost can be reduced as compared with a material in which all hydrogen is completely substituted with fluorine.
しかしながら、炭化水素系電解質には燃料電池に適用することで分子構造が劣化する問題が知られている(非特許文献1)。また、燃料電池のカソードでは酸素還元反応の中間体として酸素ラジカル類(活性酸素)が生成されることが知られている(非特許文献2)。 However, there is a known problem that the molecular structure of a hydrocarbon-based electrolyte deteriorates when applied to a fuel cell (Non-Patent Document 1). Further, it is known that oxygen radicals (active oxygen) are generated as an intermediate of the oxygen reduction reaction at the cathode of the fuel cell (Non-patent Document 2).
そこで、炭化水素系電解質の耐久性を向上させる目的で、スルホアルキル基を側鎖にもつ芳香族炭化水素系高分子を用いた電解質が開示されている(特許文献2)。
しかしながら、特許文献2に記載の電解質では膜状に形成する工程数が多く必要でありコスト上昇が問題となるほか、スルホ基の導入量及び導入形態を精密に制御しないと、水に対する溶解性が全体として高くなり充分なイオン伝導率が得られず、充分な電池性能が発揮できないことがある。 However, the electrolyte described in Patent Document 2 requires a large number of steps to be formed into a film, which raises the problem of cost increase. If the introduction amount and form of the sulfo group are not precisely controlled, the solubility in water is poor. As a whole, it becomes high and sufficient ionic conductivity cannot be obtained, and sufficient battery performance may not be exhibited.
ところで、従来技術では、スルホ基を導入するために、濃硫酸、クロロスルホン酸、発煙硫酸などの強い反応性をもつ化合物にて処理であるスルホン化工程を行う必要がある。ここで、フッ素を含まない炭化水素系材料に対してスルホン化工程を適用すると、炭化水素系材料は酸化などされて機械強度などの特性が変化することがある。このような特性変化は材料選択の幅を狭めることにつながるので避けることが望ましい。 By the way, in the prior art, in order to introduce a sulfo group, it is necessary to perform a sulfonation step which is a treatment with a compound having strong reactivity such as concentrated sulfuric acid, chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid and the like. Here, when the sulfonation process is applied to a hydrocarbon-based material that does not contain fluorine, the hydrocarbon-based material may be oxidized and the characteristics such as mechanical strength may change. It is desirable to avoid such a characteristic change because it leads to a narrow selection of materials.
本発明は上記実情に鑑み為されたものであり、炭化水素系材料から構成され、耐久性に優れる燃料電池用電解質組成物及びその製造方法並びにそれらの燃料電池用電解質組成物を用いた燃料電池を提供することを解決すべき課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is composed of a hydrocarbon-based material and has excellent durability, a fuel cell electrolyte composition, a method for producing the same, and a fuel cell using these fuel cell electrolyte compositions Providing is a problem to be solved.
上記課題を解決する本発明の燃料電池用電解質組成物は、下記一般式(1)で示される化学構造をもつ高分子電解質材料を含有することを特徴とする。 The electrolyte composition for a fuel cell of the present invention that solves the above-mentioned problems is characterized by containing a polymer electrolyte material having a chemical structure represented by the following general formula (1).
ここで、本明細書における「スルホン化工程」とは濃硫酸、クロロスルホン酸及び発煙硫酸のうちのいずれかの強酸と接触させてスルホ基を導入する工程である。 Here, the “sulfonation step” in the present specification is a step of introducing a sulfo group by contacting with a strong acid of concentrated sulfuric acid, chlorosulfonic acid and fuming sulfuric acid.
また、上記課題を解決する本発明の燃料電池用電解質組成物は、下記一般式(2)で示される化学構造をもつ高分子電解質材料を含有することを特徴とする。 Moreover, the fuel cell electrolyte composition of the present invention that solves the above-mentioned problems is characterized by containing a polymer electrolyte material having a chemical structure represented by the following general formula (2).
更に、上記課題を解決する本発明の燃料電池用電解質組成物は、以下に示す(i)及び/又は(ii)の製造方法にて製造されうる高分子電解質材料を含有することを特徴とする。
(i)フッ素を含まず且つ炭素系骨格を有する重合体から構成される膜状の基材に対してグラフト開始点を形成する工程と、
該グラフト開始点を基点として、スチレン、又は一部水素がアルキル基で置換されたスチレン誘導体を重合させてグラフト化基材を得る工程と、
前記スチレン又はその誘導体由来のベンゼン環に、炭素元素がm(mは1以上)個と酸素元素及び硫黄元素とから構成される環を構成するスルトンを反応させる工程と、を有し、スルホン化工程を有さない製造方法。
(ii)フッ素を含まず且つ炭素系骨格を有する重合体から構成される膜状の基材に対してグラフト開始点を形成する工程と、
該グラフト開始点を基点として、下記一般式(a)及び/又は(b)に記載のビニル誘導体を重合させてグラフト化基材を得る工程と、
を有し、スルホン化工程を有さない製造方法。この製造方法における前記ビニル誘導体を重合させる工程においては、ジビニルベンゼンを含有させることが望ましい。ジビニルベンゼンを含有させる場合には基材を構成する重合体としてフッ素を含む材料を採用することもできる。
Furthermore, the fuel cell electrolyte composition of the present invention that solves the above-described problems contains a polymer electrolyte material that can be produced by the following production method (i) and / or (ii). .
(I) forming a graft initiation point on a film-like substrate composed of a polymer containing no fluorine and having a carbon-based skeleton;
A step of polymerizing styrene or a styrene derivative partially substituted with an alkyl group from the graft start point to obtain a grafted substrate;
Reacting the benzene ring derived from styrene or a derivative thereof with a sultone constituting a ring composed of m elements (m is 1 or more), oxygen element and sulfur element, and sulfonation A manufacturing method that does not have a process.
(Ii) forming a graft initiation point on a film-like substrate composed of a polymer not containing fluorine and having a carbon-based skeleton;
A step of polymerizing a vinyl derivative described in the following general formula (a) and / or (b) based on the graft initiation point to obtain a grafted substrate;
The manufacturing method which does not have a sulfonation process. In the step of polymerizing the vinyl derivative in this production method, it is desirable to contain divinylbenzene. When divinylbenzene is contained, a material containing fluorine can be employed as the polymer constituting the substrate.
つまり、スルホ基の導入を行うに当たり、スルホン化工程を採用しないので、基材の劣化を考慮しなくても良くなり、材料選択の幅が広がる。 That is, in introducing the sulfo group, since the sulfonation step is not employed, it is not necessary to consider the deterioration of the base material, and the range of material selection is widened.
また、スチレン由来のベンゼン環(又はカルボニル基:以下「ベンゼン環など」と称する)とスルホ基との間にアルキレン基を介することで、ベンゼン環などの部分に対してスルホ基が及ぼす影響を低減できる。具体的にはスルホ基などが直接ベンゼン環に結合することに由来するベンゼン環部分の親水化が抑制できる。燃料電池内で発生する活性酸素は、本発明の構造中、特にベンゼン環などに対して攻撃性が高いものと推測される。また、ベンゼン環など部分とスルホ基との間に挿入する部分の化学構造として炭素−炭素結合を採用することで、耐酸化性を向上できる。 In addition, by using an alkylene group between a styrene-derived benzene ring (or carbonyl group: hereinafter referred to as “benzene ring”) and a sulfo group, the influence of the sulfo group on the benzene ring or the like is reduced. it can. Specifically, the hydrophilization of the benzene ring portion derived from the direct bonding of a sulfo group or the like to the benzene ring can be suppressed. The active oxygen generated in the fuel cell is presumed to be particularly aggressive against the benzene ring in the structure of the present invention. Moreover, oxidation resistance can be improved by employ | adopting a carbon-carbon bond as a chemical structure of the part inserted between parts, such as a benzene ring, and a sulfo group.
ベンゼン環などが親水化されると、燃料電池内で発生する活性酸素が接近しやすくなり、攻撃の機会が増加するものと考えられる。従って、ベンゼン環などの親水化を抑制することで、活性酸素がベンゼン環などに接近することを抑制でき、ベンゼン環部分などの安定性が向上して、活性酸素による分子構造の劣化が抑制できるものと推測できる。ベンゼン環などにはイオン伝導性を発揮する部位であるスルホ基が結合しているので、ベンゼン環などが劣化するとスルホ基の脱離などが進行して、電解質材料のイオン伝導性が低下するものと考えられる。 When the benzene ring or the like is hydrophilized, the active oxygen generated in the fuel cell is likely to approach and the chance of attack increases. Therefore, by suppressing the hydrophilization of the benzene ring or the like, the active oxygen can be prevented from approaching the benzene ring or the like, the stability of the benzene ring part or the like is improved, and the deterioration of the molecular structure due to the active oxygen can be suppressed. I can guess it. A sulfo group, which is a site that exhibits ionic conductivity, is bonded to the benzene ring, etc., so if the benzene ring etc. deteriorates, the elimination of the sulfo group proceeds and the ionic conductivity of the electrolyte material decreases. it is conceivable that.
ここで、(i)の製造方法では、炭素系骨格を有する重合体から構成され、一般的に水に不溶性の基材(BP)が、イオン伝導性向上の目的でスルホ基を導入するベンゼン環を有する部位(スチレン重合体部分)から分離されているので、スルホ基の導入量を精密に制御しなくても電解質材料全体としても水に不溶性になることが期待できる。 Here, in the production method (i), a base material (BP) that is composed of a polymer having a carbon-based skeleton and is generally insoluble in water has a benzene ring into which a sulfo group is introduced for the purpose of improving ion conductivity. Therefore, the electrolyte material as a whole can be expected to be insoluble in water without precisely controlling the amount of sulfo group introduced.
また、(ii)の製造方法では、予めスルホ基を導入した状態のモノマーをグラフト化しているので、スルホ基を導入する量をより精密に制御できる。ここで、合成の容易さの観点から、前記mは3であることが好ましい。また、(ii)の製造方法において架橋のために添加できるジビニルベンゼンについてもスルホン化工程を採用しないのでスルホ基が導入されず、架橋部分の親水性が上がることがなくなり、耐久性が向上する。その場合に基材として採用できるフッ素を含む炭化水素系材料としてはポリオレフィン(ポリオレフィレン(主鎖中に二重結合を含む炭化水素ポリマー)も可能)における水素の少なくとも一部をフッ素原子で置換したフッ化ポリオレフィン及びフッ化ポリオレフィレンが例示できる。この場合、ポリオレフィンに対してフッ化を行ったようなフッ素原子の導入が規則的でないものも含む。そして、ポリオレフィンの水素をすべてフッ素で置換したものも好ましい形態として含む。更には、CH2CHR;(Rは水素又は炭素数1〜3(好ましくは炭素数が1)のアルキル基)とCF2CFR;(Rはフッ素又は炭素数1〜3(好ましくは炭素数が1)のパーフルオロアルキル基)との共重合体が好ましいものとして採用できる。特にエチレンと四フッ化エチレンとの共重合体(ETFE)が好ましい。ETFEにおいては、主に、水素原子の一部が前述の側鎖部分に置換される。 In addition, in the production method (ii), the amount of the sulfo group introduced can be controlled more precisely because the monomer having the sulfo group previously introduced is grafted. Here, m is preferably 3 from the viewpoint of ease of synthesis. Also, divinylbenzene that can be added for crosslinking in the production method (ii) does not employ a sulfonation step, so that a sulfo group is not introduced, the hydrophilicity of the crosslinked portion is not increased, and durability is improved. In this case, fluorine-containing hydrocarbon-based materials that can be used as a base material include at least part of the hydrogen in the polyolefin (polyolefin (a hydrocarbon polymer containing a double bond in the main chain)) is replaced with a fluorine atom. Examples thereof include fluorinated polyolefins and fluorinated polyolefins. In this case, those in which the introduction of fluorine atoms such as fluorination of polyolefin is not regular are included. And what substituted all the hydrogen of polyolefin with fluorine is also included as a desirable form. Furthermore, CH 2 CHR; (R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms (preferably 1 carbon atom)) and CF 2 CFR; (R is fluorine or 1 to 3 carbon atoms (preferably having a carbon number) A copolymer of 1) with a perfluoroalkyl group) can be preferably used. In particular, a copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene (ETFE) is preferable. In ETFE, a part of hydrogen atoms is mainly replaced with the aforementioned side chain portion.
また、本発明の燃料電池用電解質組成物は、上述の一般式(a)及び(b)で示される化学構造をもつ単量体のうちの少なくとも一方とジビニルベンゼンとを共重合させた高分子電解質材料を含有することを特徴とする。この構文電解質材料におけるジビニルベンゼン由来のベンゼン環にはスルホ基が導入されていない。 The electrolyte composition for a fuel cell of the present invention is a polymer obtained by copolymerizing at least one of the monomers having the chemical structure represented by the general formulas (a) and (b) and divinylbenzene. It contains an electrolyte material. A sulfo group is not introduced into the benzene ring derived from divinylbenzene in the syntax electrolyte material.
従って、ジビニルベンゼンの親水性は低下せず、酸化されがたくなる。そのために、架橋剤としての効果が長時間持続できる。 Therefore, the hydrophilicity of divinylbenzene does not decrease and is hardly oxidized. Therefore, the effect as a crosslinking agent can be maintained for a long time.
更に上記課題を解決する本発明の燃料電池は、前述の本発明の燃料電池用電解質組成物を電解質として有することを特徴とする。本発明の燃料電池用電解質組成物を電解質に採用した燃料電池は、高い性能を発揮することができる。 Furthermore, the fuel cell of the present invention that solves the above-described problems has the above-described electrolyte composition for fuel cells of the present invention as an electrolyte. A fuel cell that employs the fuel cell electrolyte composition of the present invention as an electrolyte can exhibit high performance.
本発明の燃料電池用電解質組成物及び製造方法は上記構成をもつので、スルホン化工程を採用することなくスルホ基の導入が実現できるので、スルホ基を導入する時の炭化水素系材料由来の分子構造に対する影響を最小限にすることができる。また、上記化学構造をもつので燃料電池内で使用した場合に発生する活性酸素の影響を受け難くなり、分子構造が劣化するおそれが少なくなる。また、イオン伝導性を向上する目的などでスルホ基の導入量を多くしても水溶化するおそれが少なくなる。従って、本発明の燃料電池用電解質組成物を採用した燃料電池は耐久性に優れている。 Since the fuel cell electrolyte composition and the production method of the present invention have the above-described configuration, introduction of a sulfo group can be realized without adopting a sulfonation step. Therefore, a molecule derived from a hydrocarbon-based material when introducing a sulfo group. The influence on the structure can be minimized. Further, since it has the above chemical structure, it is less susceptible to the influence of active oxygen generated when used in a fuel cell, and the molecular structure is less likely to deteriorate. Moreover, even if the introduction amount of the sulfo group is increased for the purpose of improving the ion conductivity, the possibility of water solubility is reduced. Therefore, the fuel cell employing the fuel cell electrolyte composition of the present invention is excellent in durability.
本発明の燃料電池用電解質組成物及び燃料電池について、以下、実施形態に基づき更に詳細に説明を行う。 Hereinafter, the electrolyte composition for fuel cell and the fuel cell of the present invention will be described in more detail based on embodiments.
〔燃料電池用電解質組成物〕
・本実施形態の燃料電池用電解質組成物は、後述する高分子電解質材料を含有する。また、更に、他の高分子電解質材料(ナフィオン(商標)など)や充填材などを含有することもできる。
[Electrolyte composition for fuel cell]
-The fuel cell electrolyte composition of this embodiment contains the polymer electrolyte material mentioned later. Furthermore, other polymer electrolyte materials (such as Nafion (trademark)) and fillers can also be contained.
高分子電解質材料は前述の一般式(1)で示される化学構造、すなわち、基材BPに幾つかの側鎖が結合された構造をもつ。一般式(2)に示す化合物についても同様である。基材BPが1分子に対して側鎖部分はq個結合している。qの値は側鎖部分が備えるスルホ基の数との関係で決定され、充分なイオン伝導性(イオン交換容量)が得られるように決定する。基材BPと側鎖部分との結合は共有結合により結合している。なお、一般式(1)及び(2)中のm、n、n1、n2、n3、n4、p及びqは個別の部分では整数であるが、本実施形態における高分子電解質材料は一般式(1)で表される化学構造をもつ分子の集合体なので、すべての部分でこれらm、n、n1、n2、n3、n4、p及びqの値を同じように調節することは困難である場合がある。従って、高分子電解質材料全体として考えると、これらm、n、n1、n2、n3、n4、p及びqの値は平均値として表されて整数にならない場合もありうる。 The polymer electrolyte material has a chemical structure represented by the above general formula (1), that is, a structure in which several side chains are bonded to the base material BP. The same applies to the compound represented by the general formula (2). The base material BP has q side chain moieties bonded to one molecule. The value of q is determined in relation to the number of sulfo groups provided in the side chain portion, and is determined so that sufficient ion conductivity (ion exchange capacity) can be obtained. The bond between the base material BP and the side chain portion is bonded by a covalent bond. In the general formulas (1) and (2), m, n, n1, n2, n3, n4, p, and q are integers in individual portions, but the polymer electrolyte material in the present embodiment has the general formula ( 1) When it is difficult to adjust the values of m, n, n1, n2, n3, n4, p, and q in the same way in all parts. There is. Therefore, when considering the polymer electrolyte material as a whole, the values of m, n, n1, n2, n3, n4, p, and q may be expressed as average values and may not be integers.
(a) 基材BPは水に不溶な重合体であり、フッ素を含まない炭素系骨格をもつ重合体から構成される。重合体の重合度(分子量)は水に不溶性になる限界以上であればよい。ここで、炭素系骨格を有するとは、主鎖に炭素原子が含まれるものであればよく、単一鎖ポリマー(炭素−鎖ポリマー)でも複素鎖ポリマー[(酸素、炭素)−鎖ポリマー、(酸素、炭素、ケイ素)−鎖ポリマー、(炭素、ケイ素)−鎖ポリマーなど]でもよい。単一鎖ポリマーとしては、ポリアルキレン、ポリシクロアルキレン、ポリアリーレンなどであり、フッ素原子により置換されている構造は含まない。 (A) The base material BP is a water-insoluble polymer, and is composed of a polymer having a carbon-based skeleton that does not contain fluorine. The degree of polymerization (molecular weight) of the polymer may be not less than the limit that makes it insoluble in water. Here, having a carbon-based skeleton is not limited as long as the main chain contains carbon atoms, and even a single chain polymer (carbon-chain polymer) or a hetero-chain polymer [(oxygen, carbon) -chain polymer, ( Oxygen, carbon, silicon) -chain polymer, (carbon, silicon) -chain polymer, etc.]. The single chain polymer includes polyalkylene, polycycloalkylene, polyarylene and the like, and does not include a structure substituted with a fluorine atom.
好ましい主鎖部分の基本構造としては、ポリオレフィン(ポリオレフィレン(主鎖中に二重結合を含む炭化水素ポリマー)も可能)が挙げられる。 Preferable basic structure of the main chain portion includes polyolefin (polyolefin (a hydrocarbon polymer containing a double bond in the main chain) is also possible).
(b) 側鎖部分はスチレン及び/又はその誘導体からなる重合体を基本骨格として有し、スチレン由来のベンゼン環にスルホ基がアルキレン基を介して接合されている。また、一般式(2)の化合物のように、ジビニルベンゼン又はその誘導体を添加して架橋構造を実現することもできる。 (B) The side chain portion has a polymer composed of styrene and / or a derivative thereof as a basic skeleton, and a sulfo group is bonded to a benzene ring derived from styrene via an alkylene group. Moreover, like the compound of General formula (2), divinylbenzene or its derivative (s) can be added and a crosslinked structure can also be implement | achieved.
式(1)中、R1及びR2はそれぞれ独立して構造が決定される水素又はアルキル基である。R1及びR2はそれぞれ水素が好ましい。アルキル基を選択する場合には炭素数1〜3程度のものを選択することが好ましい。例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基が好ましい。R1及びR2は高分子電解質材料全体としてすべて統一されていても良いし、統一されていなくても良い。また、1つの側鎖部分の中でも統一されていなくても良い。 In formula (1), R 1 and R 2 are each independently hydrogen or an alkyl group whose structure is determined. R 1 and R 2 are each preferably hydrogen. When selecting an alkyl group, it is preferable to select one having about 1 to 3 carbon atoms. For example, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and an iso-propyl group are preferable. R 1 and R 2 may all be unified as the whole polymer electrolyte material, or may not be unified. Moreover, it does not need to be unified in one side chain part.
スルホ基はベンゼン環部分との間に炭素数がmであるアルキレン基(R3)を介しているのでベンゼン環の親水性の増加を抑制できる。アルキレン基の炭素数mは1〜6程度が好ましい。mの値は、あまり大きくても効果が飽和すること及び合成の容易さから、特に3が好ましい。このアルキレン基は分枝があってもよい。 Since the sulfo group has an alkylene group (R 3 ) having a carbon number of m between the benzene ring portion and the benzene ring portion, an increase in hydrophilicity of the benzene ring can be suppressed. As for carbon number m of an alkylene group, about 1-6 are preferable. The value of m is particularly preferably 3 because the effect is saturated even if it is too large and the synthesis is easy. This alkylene group may be branched.
スチレン及び/又はその誘導体からなる重合体の重合度を決定するn、n1、n2、n3、n4の値は特に限定しない。また、側鎖部分を構成する重合体の基になる単量体1つ毎に導入されるスルホ基の数であるpはベンゼン環部分毎に異なる数とすることができる。高分子電解質材料全体として考えると、pの値は高分子電解質材料に含まれるベンゼン環の数に対する導入されたスルホ基の数の比{(導入されたスルホ基の数)/(高分子電解質材料に含まれるベンゼン環の数)}としても表すこともできる。この場合は0を超える実数として表すことができる。 The values of n, n1, n2, n3, and n4 that determine the degree of polymerization of a polymer comprising styrene and / or a derivative thereof are not particularly limited. Further, p, which is the number of sulfo groups introduced for each monomer that becomes a polymer group constituting the side chain portion, can be different for each benzene ring portion. Considering the whole polymer electrolyte material, the value of p is the ratio of the number of introduced sulfo groups to the number of benzene rings contained in the polymer electrolyte material {(number of introduced sulfo groups) / (polymer electrolyte material The number of benzene rings contained in the In this case, it can be expressed as a real number exceeding 0.
・本実施形態の燃料電池用電解質組成物が含有する高分子電解質材料は以下の方法で製造できる。 -The polymer electrolyte material which the electrolyte composition for fuel cells of this embodiment contains can be manufactured with the following method.
(その1):(i)炭素系骨格を有する重合体から構成される膜状の基材に対してグラフト開始点を形成する工程、(ii)前記グラフト開始点を基点として、スチレン又は一部水素がアルキル基で置換されたスチレン誘導体(以下、「グラフト化単量体」と称する)を重合させてグラフト化基材を得る工程、(iii)前記スチレン又はその誘導体由来のベンゼン環に、炭素元素がm個と酸素元素及び硫黄元素とから構成される環を構成するスルトンを反応させる工程、である。 (Part 1): (i) a step of forming a graft initiation point on a film-like substrate composed of a polymer having a carbon-based skeleton, (ii) styrene or a part thereof based on the graft initiation point A step of polymerizing a styrene derivative in which hydrogen is substituted with an alkyl group (hereinafter referred to as “grafting monomer”) to obtain a grafted substrate; (iii) a carbon atom on a benzene ring derived from the styrene or derivative thereof; A step of reacting sultone constituting a ring composed of m elements, oxygen element and sulfur element.
(i) 炭素系骨格を有する重合体は前述の基材BPに相当する構造をもつ材料が選択される。すなわち、フッ素を含まない炭化水素系材料である。例えば、ポリオレフィンなどである。基材の形態は膜状である。 (i) As the polymer having a carbon-based skeleton, a material having a structure corresponding to the base material BP is selected. That is, it is a hydrocarbon-based material that does not contain fluorine. For example, polyolefin. The substrate is in the form of a film.
基材を構成する重合体に対して、具体的にグラフト開始点を形成する方法は特に限定しないが、重合体にラジカルを生成し、そのラジカルをグラフト開始点とすることが好ましい。ラジカルを生成する方法としては、物理的方法、化学的方法、機械的方法など特に限定しない。例えば、適正量のエネルギーをもつ放射線(ガンマ線など)を照射する方法、低温プラズマ照射による方法、化学反応により高分子材料の水素原子を引き抜く方法、引っ張り・研削・粉砕等によりメカノケミカル反応を進行させる方法などがある。特に放射線照射による方法は重合体の表面のみならず、内部においてもラジカルを均一に生成することが容易であるので好ましい。グラフト開始点を生成する量を多くすると、側鎖部分の導入数(すなわち一般式(1)におけるqの値)が大きくできる。 Although the method of specifically forming the graft initiation point for the polymer constituting the substrate is not particularly limited, it is preferable to generate a radical in the polymer and use the radical as the graft initiation point. The method for generating radicals is not particularly limited, such as a physical method, a chemical method, and a mechanical method. For example, a method of irradiating radiation (such as gamma rays) with an appropriate amount of energy, a method using low-temperature plasma irradiation, a method of extracting a hydrogen atom of a polymer material by a chemical reaction, or a mechanochemical reaction is advanced by pulling / grinding / grinding. There are methods. In particular, the method by irradiation is preferable because it is easy to uniformly generate radicals not only on the surface of the polymer but also inside. Increasing the amount of the graft initiation point increases the number of side chain moieties introduced (that is, the value of q in the general formula (1)).
(ii) グラフト化単量体としては、下記一般式(3)で表される化合物である、スチレン及び/又はその誘導体から選択される。その他の単量体、例えば、架橋剤(ジビニルベンゼンなど)、アクリル酸及びその誘導体などを混合することもできる。架橋剤を反応させることで、得られる膜の耐水性を向上できる。グラフト化単量体として、スチレン及びその誘導体以外の他の単量体を採用すると、側鎖部分にそれらの単量体が導入される。これら単量体は、前記スチレン及びその誘導体との関係ではランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体などの一般的な共重合体の導入様式で側鎖部分中に導入することができる。 (ii) The grafting monomer is selected from styrene and / or a derivative thereof, which is a compound represented by the following general formula (3). Other monomers such as a cross-linking agent (divinylbenzene, etc.), acrylic acid and derivatives thereof can also be mixed. By reacting the crosslinking agent, the water resistance of the resulting film can be improved. When other monomers other than styrene and its derivatives are employed as grafting monomers, those monomers are introduced into the side chain portion. These monomers may be introduced into the side chain portion in the manner of introduction of a general copolymer such as a random copolymer, an alternating copolymer or a block copolymer in relation to the styrene and its derivatives. it can.
グラフト開始点としてラジカルを採用した場合には、その基材をグラフト化単量体に浸漬して所定条件で反応させることで、基材に対してグラフト化単量体をグラフト化することができる。この反応によって、基材に側鎖部分が導入できる。側鎖部分の長さはグラフト化反応の反応条件により制御できる。 When a radical is adopted as the graft starting point, the grafted monomer can be grafted to the substrate by immersing the substrate in the grafted monomer and reacting under a predetermined condition. . By this reaction, a side chain portion can be introduced into the substrate. The length of the side chain portion can be controlled by the reaction conditions of the grafting reaction.
例えば、グラフト開始点としてラジカルを用い、側鎖の成長にラジカル重合を採用する場合には、ラジカル移動を抑制することなどで側鎖部分の長さを長くできる。すなわち、重合反応化に存在させる溶媒の量及び種類を制御したり、反応温度を制御したりすることで側鎖部分の長さを制御できる。 For example, when a radical is used as a graft initiation point and radical polymerization is employed for side chain growth, the length of the side chain portion can be increased by suppressing radical movement. That is, the length of the side chain portion can be controlled by controlling the amount and type of the solvent present in the polymerization reaction or by controlling the reaction temperature.
なお、本工程によりグラフト化を行うときにすべてのグラフト側鎖部分においてnの値を同じにすることは困難である。通常の反応条件ではnの値がばらつくことが普通であると考えられる。 When grafting is performed in this step, it is difficult to make the value of n the same in all graft side chain portions. It is considered that the value of n usually varies under normal reaction conditions.
(iii) スルトンは、R3に対応するアルキレン基を有する化合物 (iii) Sultone is a compound having an alkylene group corresponding to R 3
スルトンによるベンゼン環へのスルホ基の導入は、ニトロベンゼン中などの溶媒に溶解させ、塩化アルミニウムなどの存在下、行うことができる。本反応は無水及び不活性条件下にて行うことが好ましい。 Introduction of a sulfo group into a benzene ring by sultone can be carried out in the presence of aluminum chloride after dissolving in a solvent such as in nitrobenzene. This reaction is preferably carried out under anhydrous and inert conditions.
(その2):(i)炭素系骨格を有する重合体から構成される膜状の基材に対してグラフト開始点を形成する工程、(ii)前記グラフト開始点を基点として、一般式(a)及び/又は(b)で表されるビニル誘導体(スルホ基の導入量を調節するために、前述のグラフト化単量体などを適正量混合してもよい。)を重合させてグラフト化基材を得る工程である。ここで、(i)の工程は(その1)で前述した通りなので説明を省略する。 (Part 2): (i) a step of forming a graft initiation point on a film-like substrate composed of a polymer having a carbon-based skeleton, (ii) using the graft initiation point as a base point, the general formula (a ) And / or (b) to polymerize the vinyl derivative (in order to adjust the introduction amount of the sulfo group, an appropriate amount of the aforementioned grafting monomer may be mixed) to polymerize the grafted group. This is a process for obtaining a material. Here, the process (i) is the same as that described in (Part 1), and the description thereof will be omitted.
(ii)で用いる一般式(a)、(b)で表されるビニル誘導体としては以下の構造が好ましい。以下のビニル誘導体を単独で又は複数種類混合して用いることができる。スチレンやスチレン誘導体(メチルスチレンやα−メチルスチレンなど)と共に用いることができる。 As the vinyl derivatives represented by the general formulas (a) and (b) used in (ii), the following structures are preferable. The following vinyl derivatives can be used alone or in combination. It can be used together with styrene or a styrene derivative (such as methylstyrene or α-methylstyrene).
ここで、mとしては2〜7であることが望ましい。Xはメチル基又はエチル基が望ましい。pは1又は2が望ましく、特に1が望ましい。R1、R2は水素が望ましい。 Here, m is preferably 2 to 7. X is preferably a methyl group or an ethyl group. p is preferably 1 or 2, and particularly preferably 1. R 1 and R 2 are preferably hydrogen.
そして、これらビニル誘導体はどのように製造してもよいが、例えば以下の方法にて合成できる。 These vinyl derivatives may be produced in any way, but can be synthesized, for example, by the following method.
・まず、一般式(a)において、R1及びR2が水素、pが1、yがメチレン基、mが4、Xがメチル基であるビニル誘導体(化合物1:4-(4-ビニルフェニル)ブチルスルホン酸メチルエステル)を製造する方法を以下に説明する(下式)。他の誘導体についても、R1、R2や、m、X、pの異なる化合物を適宜採用することで、反応を進行させることができる。 First, a vinyl derivative (compound 1: 4- (4-vinylphenyl) in which R 1 and R 2 are hydrogen, p is 1, m is methylene group, m is 4, and X is methyl group in the general formula (a) ) (Butylsulfonic acid methyl ester) will be described below (formula below). For other derivatives, the reaction can be advanced by appropriately adopting R 1 , R 2, or compounds having different m, X, and p.
3−クロロプロピルスルホニルクロライドを乾燥したトリエチルアミンなどの塩基性物質の存在下、乾燥メタノールと反応させることで、3−クロロプロピルスルホン酸メチルエステル(化合物2)が得られる。 By reacting 3-chloropropylsulfonyl chloride with dry methanol in the presence of a basic substance such as dried triethylamine, 3-chloropropylsulfonic acid methyl ester (compound 2) is obtained.
不活性雰囲気下、乾燥ジエチルエーテル中にマグネシウム末を入れた中に、化合物2の乾燥ジエチルエーテル溶液を滴下する。その後、4−クロロメチルスチレンを加えて撹拌し反応を遂行する。その後、カラムクロマトグラフィーなどにて精製を行うことで、4-(4-ビニルフェニル)ブチルスルホン酸メチルエステルが得られる。 In an inert atmosphere, a dry diethyl ether solution of compound 2 is added dropwise to magnesium powder in dry diethyl ether. Thereafter, 4-chloromethylstyrene is added and stirred to carry out the reaction. Then, 4- (4-vinylphenyl) butylsulfonic acid methyl ester is obtained by performing purification by column chromatography or the like.
・他の合成方法としては、以下の方法もある(m=3の化合物5について:下式)。 As another synthesis method, there is the following method (for compound 5 where m = 3: the following formula).
化合物3(3-(4-ヒドロキシエチルフェニル)プロパンスルホン酸)の合成:2−フェニルエタノールに塩化アルミニウムを加え、その中にプロパンスルトンを添加して加熱する。反応後、反応液を塩酸酸性とした後、化合物3を抽出精製する。 Synthesis of Compound 3 (3- (4-hydroxyethylphenyl) propanesulfonic acid): Aluminum chloride is added to 2-phenylethanol, and propane sultone is added therein and heated. After the reaction, the reaction solution is acidified with hydrochloric acid, and then compound 3 is extracted and purified.
化合物4(3-(4-ヒドロキシエチルフェニル)プロパンスルホン酸メチルエステル)の合成:化合物3をクロロホルムに溶解し、チオニルクロライドを入れて室温にて一晩反応させる。反応後、ピリジン-メタノール溶液に反応液を移し撹拌する。その後、化合物4を精製する。 Synthesis of Compound 4 (3- (4-hydroxyethylphenyl) propanesulfonic acid methyl ester): Compound 3 is dissolved in chloroform, and thionyl chloride is added and allowed to react at room temperature overnight. After the reaction, the reaction solution is transferred to a pyridine-methanol solution and stirred. Thereafter, compound 4 is purified.
化合物5(3-(4-ビニルフェニル)プロパンスルホン酸メチルエステル)の合成:化合物4を加熱還流することで化合物5が得られる。 Synthesis of compound 5 (3- (4-vinylphenyl) propanesulfonic acid methyl ester): Compound 5 is obtained by heating compound 4 under reflux.
・化合物6(3-(4-ビニルフェノキシ)プロパンスルホン酸メチルエステル)の合成:。 Synthesis of compound 6 (3- (4-vinylphenoxy) propanesulfonic acid methyl ester):
4-ビニルフェノールをテトラヒドロフランに溶解させて、その中に水素化ナトリウムを加えて加温撹拌する。この反応液に3−クロロプロピルスルホン酸メチルエステルのテトラヒドロフラン溶液を滴下し反応させる。反応後、水−酢酸エチルなどで抽出後、精製する。 4-Vinylphenol is dissolved in tetrahydrofuran, sodium hydride is added thereto, and the mixture is heated and stirred. To this reaction solution, a tetrahydrofuran solution of 3-chloropropylsulfonic acid methyl ester is dropped and reacted. After the reaction, the mixture is extracted with water-ethyl acetate and purified.
・化合物7(6−(ヘキサ−1−エン−3−オン)スルホン酸メチルエステル)の製造方法 -Method for producing compound 7 (6- (hex-1-ene-3-one) sulfonic acid methyl ester)
マグネシウム末と乾燥したジエチルエーテルとの混合物に対して、不活性雰囲気下、3−クロロプロピルスルホン酸メチルエステルのジエチルエーテル溶液を滴下する。その後、アクリルクロライドを加えて撹拌する。その後、精製を行う。 To a mixture of magnesium powder and dried diethyl ether, a diethyl ether solution of 3-chloropropylsulfonic acid methyl ester is added dropwise under an inert atmosphere. Thereafter, acrylic chloride is added and stirred. Thereafter, purification is performed.
(その3)高分子電解質材料としては前述の一般式(a)及び(b)で示される化学構造をもつ単量体のうちの少なくとも一方とジビニルベンゼンとを重合させたものでもよい。本高分子電解質材料は基材BPをもたないので、溶媒に対する溶解性を適正に調節することができ、燃料電池用の電極などにも使用すること(いわゆる膜液として使用すること)ができる。その他の詳細は前述した通りであるので省略する。 (Part 3) The polymer electrolyte material may be obtained by polymerizing at least one of the monomers having the chemical structure represented by the general formulas (a) and (b) and divinylbenzene. Since the present polymer electrolyte material does not have the base material BP, the solubility in a solvent can be adjusted appropriately, and it can also be used as an electrode for a fuel cell (so-called membrane liquid). . Other details are the same as described above, and will be omitted.
〔燃料電池〕
本実施形態の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池である。本実施形態の燃料電池としては燃料電池セルを単独で又は複数積層したスタックを形成しているものである。燃料電池セルは、前述の燃料電池用電解質組成物を膜状に成形した電解質膜の両面に電極膜を接合した膜電極接合体を有し、更にその膜電極接合体をセパレータで狭持している。
〔Fuel cell〕
The fuel cell of this embodiment is a solid polymer electrolyte fuel cell. As the fuel cell of this embodiment, a stack in which fuel cells are singly or plurally stacked is formed. The fuel cell has a membrane electrode assembly in which electrode membranes are bonded to both surfaces of an electrolyte membrane obtained by forming the above-described fuel cell electrolyte composition into a membrane, and the membrane electrode assembly is further sandwiched between separators. Yes.
膜電極接合体の固体高分子電解質膜を挟んだ両側の電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するガス供給装置がそれぞれ対応する側のセパレータから接続される。そして、燃料ガスとしては水素ガスなどが使用でき、酸化剤ガスとしては空気などが使用できる。 Gas supply devices for supplying fuel gas and oxidant gas to the electrodes on both sides of the membrane electrode assembly sandwiching the solid polymer electrolyte membrane are connected from the corresponding separators. Hydrogen gas or the like can be used as the fuel gas, and air or the like can be used as the oxidant gas.
セパレータも一般的に使用されている材質、形態のものが使用できる。セパレータには燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路が形成され、その流路には燃料ガスを供給するためのガス供給装置が接続されると同時に、反応しなかった燃料ガス及び発生した水を除去する手段とが接続される。 The separator can also use the material and form generally used. The separator is provided with a flow path through which fuel gas or oxidant gas flows, and a gas supply device for supplying the fuel gas is connected to the flow path. A means for removing is connected.
以下、本発明の実施例について説明する。以下の実施例では基材BPを構成する重合体としてETFE製のフィルム(厚み25μm)又はポリプロピレン製のフィルム(厚み20μm)のいずれかを採用した。 Examples of the present invention will be described below. In the following examples, either a film made of ETFE (thickness 25 μm) or a film made of polypropylene (thickness 20 μm) was adopted as a polymer constituting the base material BP.
(実施例1)
ポリプロピレンのフィルムをアセトンで洗浄した後、放射線源としてコバルト60を用いてガンマ線を20kGy照射した。得られたフィルムをガラス反応管に入れた後、4−ビニルフェニルメチルスルホン酸メチルエステル−ジビニルベンゼン混合物(95:5)を加え、60℃で14時間反応させた。ここで、4−ビニルフェニルメチルスルホン酸メチルエステルは一般式(a)におけるR1及びR2が水素、Yがメチレン基、Xがメチルである化合物である。
(Example 1)
The polypropylene film was washed with acetone and then irradiated with 20 kGy of gamma rays using cobalt 60 as a radiation source. After putting the obtained film in a glass reaction tube, 4-vinylphenylmethylsulfonic acid methyl ester-divinylbenzene mixture (95: 5) was added and reacted at 60 ° C. for 14 hours. Here, 4-vinylphenylmethylsulfonic acid methyl ester is a compound in which R 1 and R 2 in the general formula (a) are hydrogen, Y is a methylene group, and X is methyl.
その後、フィルムをメタノールで3回洗浄した後、乾燥機を用いて乾燥させた。(4−ビニルフェニルメチルスルホン酸メチルエステル−ジビニルベンゼンがグラフト化した質量)/(反応前のフィルムの質量)は1.9(グラフト化率190%)であった。 Thereafter, the film was washed three times with methanol and then dried using a dryer. (Mass of 4-vinylphenylmethylsulfonic acid methyl ester-divinylbenzene grafted) / (mass of film before reaction) was 1.9 (grafting ratio 190%).
この乾燥膜200mgを1N水酸化ナトリウム水溶液に入れ、80℃で15時間反応させた。更に、1N塩酸にて洗浄後、90℃のイオン交換水に一晩浸漬して得られた膜を実施例1の試験膜とした。 200 mg of this dry film was placed in a 1N aqueous sodium hydroxide solution and reacted at 80 ° C. for 15 hours. Further, a membrane obtained by washing with ion exchange water at 90 ° C. after washing with 1N hydrochloric acid overnight was used as a test membrane of Example 1.
・評価
得られた試験試料を2×3cmに切り出し、これを乾燥機にて充分に乾燥させた後、二価鉄イオンが2ppm存在する3%過酸化水素水中に90℃で40分間浸漬した。浸漬前後の質量変化を乾燥状態で測定した。浸漬後の質量測定はエタノール、1N塩酸、精製水の順で洗浄後、乾熱乾燥機にて膜を充分に乾燥させて行った。耐酸化性は、(質量保持率)(%)=(過酸化水素水浸漬後乾燥質量)÷(過酸化水素水浸漬前乾燥質量)×100にて算出した。なお、過酸化水素は二価鉄イオンの存在下、有機化合物に対する酸化力が大きくなる。
Evaluation The obtained test sample was cut into 2 × 3 cm, sufficiently dried with a drier, and then immersed in 3% hydrogen peroxide water containing 2 ppm of divalent iron ions at 90 ° C. for 40 minutes. The change in mass before and after immersion was measured in a dry state. The mass measurement after immersion was performed by washing in order of ethanol, 1N hydrochloric acid and purified water, and then sufficiently drying the membrane with a dry heat dryer. The oxidation resistance was calculated by (mass retention) (%) = (dry mass after immersion in hydrogen peroxide solution) ÷ (dry mass before immersion in hydrogen peroxide solution) × 100. Note that hydrogen peroxide has a high oxidizing power against organic compounds in the presence of divalent iron ions.
また、試験試料を90℃の熱水に24時間以上浸漬した場合の成分の溶出を調べた。成分が溶出するか否かは浸漬した浸漬前後の乾燥質量変化から判断した。その他、飽和含水率、イオン交換容量及びイオン伝導性を測定した。 Moreover, the elution of the component was investigated when the test sample was immersed in hot water at 90 ° C. for 24 hours or more. Whether or not the component was eluted was judged from the change in dry mass before and after the immersion. In addition, saturation water content, ion exchange capacity and ion conductivity were measured.
(実施例2)
ETFEのフィルムをアセトンで洗浄した後、放射線源としてコバルト60を用いてガンマ線を10kGy照射した。得られたフィルムをガラス反応管に入れた後、4−ビニルフェニルメチルスルホン酸メチルエステル−ジビニルベンゼン混合物(95:5)を加え、60℃で12時間反応させた。
(Example 2)
The ETFE film was washed with acetone, and then irradiated with 10 kGy of gamma rays using cobalt 60 as a radiation source. After putting the obtained film in a glass reaction tube, 4-vinylphenylmethylsulfonic acid methyl ester-divinylbenzene mixture (95: 5) was added and reacted at 60 ° C. for 12 hours.
その後、フィルムをメタノールで3回洗浄した後、乾燥機を用いて乾燥させた。(4−ビニルフェニルメチルスルホン酸メチルエステル−ジビニルベンゼンがグラフト化した質量)/(反応前のフィルムの質量)は1.1(グラフト化率110%)であった。 Thereafter, the film was washed three times with methanol and then dried using a dryer. (Mass of 4-vinylphenylmethylsulfonic acid methyl ester-divinylbenzene grafted) / (mass of film before reaction) was 1.1 (grafting rate 110%).
この乾燥膜200mgを1N水酸化ナトリウム水溶液に入れ、80℃で10時間反応させた。更に、1N塩酸にて洗浄後、90℃のイオン交換水に一晩浸漬して得られた膜を実施例2の試験膜とした。 200 mg of this dried film was placed in a 1N aqueous sodium hydroxide solution and reacted at 80 ° C. for 10 hours. Further, a membrane obtained by washing with ion exchange water at 90 ° C. after washing with 1N hydrochloric acid overnight was used as a test membrane of Example 2.
(比較例1)
ETFEのフィルムをアセトンで洗浄した後、放射線源としてコバルト60を用いてガンマ線を10kGy照射した。得られたフィルムをガラス反応管に入れた後、スチレン−ジビニルベンゼン混合物(95:5)を反応管に加え、反応管の内部を充分に窒素で置換した。
(Comparative Example 1)
The ETFE film was washed with acetone, and then irradiated with 10 kGy of gamma rays using cobalt 60 as a radiation source. After putting the obtained film into a glass reaction tube, a styrene-divinylbenzene mixture (95: 5) was added to the reaction tube, and the inside of the reaction tube was sufficiently replaced with nitrogen.
その後、かかる反応管を60℃の恒温槽に2時間浸漬した。その後、フィルムをメタノールで3回洗浄した後、乾燥機を用いて乾燥させた。スチレン−ジビニルベンゼン混合物がグラフト化した質量は反応前のETFEフィルムに対して40%であった。 Then, this reaction tube was immersed in a 60 degreeC thermostat for 2 hours. Thereafter, the film was washed three times with methanol and then dried using a dryer. The mass grafted by the styrene-divinylbenzene mixture was 40% with respect to the ETFE film before the reaction.
この乾燥膜200mg(スチレンのモル数0.55mmol)を1%スルホン酸−ジクロロエタン溶液30mLに入れて。60℃で1.5時間反応させた。反応後、90℃のイオン交換水に24時間浸漬した膜を本比較例の試験膜とした。 200 mg (0.55 mmol of styrene moles) of this dry film was placed in 30 mL of a 1% sulfonic acid-dichloroethane solution. The reaction was carried out at 60 ° C. for 1.5 hours. After the reaction, a membrane immersed in ion exchange water at 90 ° C. for 24 hours was used as a test membrane of this comparative example.
(結果)
実施例1の試験膜の物性は、イオン交換容量が2.7meq/g、イオン伝導性0.07S/cm(交流インピーダンス法;測定条件:90℃飽和含水状態、室温)であった。また、飽和含水率は56%であった。過酸化水素浸漬後の質量保持率は90%であった。
(result)
The physical properties of the test membrane of Example 1 were an ion exchange capacity of 2.7 meq / g and an ion conductivity of 0.07 S / cm (AC impedance method; measurement conditions: 90 ° C. saturated water-containing state, room temperature). The saturated water content was 56%. The mass retention after immersion in hydrogen peroxide was 90%.
実施例2の試験膜の物性は、イオン交換容量が2.0meq/g、イオン伝導性0.08S/cm(交流インピーダンス法;測定条件:90℃飽和含水状態、室温)であった。また、飽和含水率は60%であった。過酸化水素浸漬後の質量保持率は92%であった。 The physical properties of the test membrane of Example 2 were an ion exchange capacity of 2.0 meq / g and an ion conductivity of 0.08 S / cm (AC impedance method; measurement conditions: 90 ° C. saturated water-containing state, room temperature). The saturated water content was 60%. The mass retention after immersion in hydrogen peroxide was 92%.
比較例1の試験膜の物性は、イオン交換容量が2.0meq/g、イオン伝導性0.09S/cm(交流インピーダンス法;測定条件:90℃飽和含水状態、室温)であった。また、飽和含水率は46.5%であった。過酸化水素浸漬後の質量保持率は60%であった。 The physical properties of the test membrane of Comparative Example 1 were an ion exchange capacity of 2.0 meq / g and an ion conductivity of 0.09 S / cm (AC impedance method; measurement conditions: 90 ° C. saturated water-containing state, room temperature). The saturated water content was 46.5%. The mass retention after immersion in hydrogen peroxide was 60%.
以上の結果から、実施例1及び2の試験膜は比較例1の試験膜に比べて、イオン交換膜としてほぼ同等の性能を有しながら、耐酸化性(すなわち耐久性)に優れていることが分かった。具体的には比較例の試験膜では耐酸化性評価試験の結果質量保持率が60%とグラフト化したスチレンがほとんど脱落しているのに対して、実施例1及び2の試験膜は質量保持率も大きく、耐酸化性に優れることが明らかとなった。実施例1は、スルホン化工程を採用していないので、基材の酸化などがされることがなく、高い耐久性が実現できたものと考えられる。また、実施例2は、スルホン化工程を採用していないので、架橋剤として添加・反応させたジビニルベンゼンのベンゼン環にスルホ基が導入されることがなくなったためであると考えられる。つまり、架橋構造にスルホ基が導入されていないので、架橋構造の親水性が低いまま保たれ、耐酸化性が向上したものと考えられる。 From the above results, the test membranes of Examples 1 and 2 have superior oxidation resistance (that is, durability) while having almost the same performance as the ion exchange membrane as compared with the test membrane of Comparative Example 1. I understood. Specifically, in the test film of the comparative example, as a result of the oxidation resistance evaluation test, the grafted styrene is almost lost as the mass retention ratio is 60%, whereas the test films of Examples 1 and 2 retain the mass. The rate was also large and it became clear that it was excellent in oxidation resistance. Since Example 1 does not employ a sulfonation step, it is considered that the substrate was not oxidized and high durability was realized. Further, in Example 2, since the sulfonation step is not adopted, it is considered that a sulfo group is not introduced into the benzene ring of divinylbenzene added and reacted as a crosslinking agent. That is, since the sulfo group is not introduced into the crosslinked structure, it is considered that the hydrophilicity of the crosslinked structure is kept low and the oxidation resistance is improved.
Claims (11)
該グラフト開始点を基点として、スチレン、又は一部水素がアルキル基で置換されたスチレン誘導体を重合させてグラフト化基材を得る工程と、
前記スチレン又はその誘導体由来のベンゼン環に、炭素元素がm(mは1以上)個と酸素元素及び硫黄元素とから構成される環を構成するスルトンを反応させる工程と、を有し、スルホン化工程を有さない製造方法にて製造されうる高分子電解質材料を含有することを特徴とする燃料電池用電解質組成物。 Forming a graft initiation point for a film-like substrate composed of a polymer not containing fluorine and having a carbon-based skeleton;
A step of polymerizing styrene or a styrene derivative partially substituted with an alkyl group from the graft start point to obtain a grafted substrate;
Reacting the benzene ring derived from styrene or a derivative thereof with a sultone constituting a ring composed of m elements (m is 1 or more), oxygen element and sulfur element, and sulfonation A fuel cell electrolyte composition comprising a polymer electrolyte material that can be produced by a production method having no steps.
該グラフト開始点を基点として、下記一般式(a)及び/又は(b)に記載のビニル誘導体を重合させてグラフト化基材を得る工程と、
を有し、スルホン化工程を有さない製造方法にて製造されうる高分子電解質材料を含有することを特徴とする燃料電池用電解質組成物。
From the graft initiation point as a base point, a step of polymerizing a vinyl derivative described in the following general formula (a) and / or (b) to obtain a grafted substrate;
And a polymer electrolyte material that can be produced by a production method that does not have a sulfonation step.
前記ビニル誘導体を重合させる工程において、ジビニルベンゼンを含有させる請求項4に記載の燃料電池用電解質組成物。 The base material is a hydrocarbon material that may contain fluorine instead of the hydrocarbon material that does not contain fluorine,
5. The fuel cell electrolyte composition according to claim 4, wherein divinylbenzene is contained in the step of polymerizing the vinyl derivative.
該グラフト開始点を基点として、スチレン、又は一部水素がアルキル基で置換されたスチレン誘導体を重合させてグラフト化基材を得る工程と、
前記スチレン又はその誘導体由来のベンゼン環に、炭素元素がm(mは1以上)個と酸素元素及び硫黄元素とから構成される環を構成するスルトンを反応させる工程と、を有し、スルホン化工程を有さないことを特徴とする燃料電池用電解質組成物の製造方法。 Forming a graft initiation point for a film-like substrate composed of a polymer not containing fluorine and having a carbon-based skeleton;
A step of polymerizing styrene or a styrene derivative partially substituted with an alkyl group from the graft start point to obtain a grafted substrate;
Reacting a benzene ring derived from styrene or a derivative thereof with a sultone constituting a ring composed of m elements (m is 1 or more), oxygen element and sulfur element, and sulfonation The manufacturing method of the electrolyte composition for fuel cells characterized by not having a process.
該グラフト開始点を基点として、下記一般式(a)及び/又は(b)に記載のビニル誘導体を重合させてグラフト化基材を得る工程と、
を有し、スルホン化工程を有さないことを特徴とする燃料電池用電解質組成物の製造方法。
From the graft initiation point as a base point, a step of polymerizing a vinyl derivative described in the following general formula (a) and / or (b) to obtain a grafted substrate;
And having no sulfonation step, a method for producing an electrolyte composition for a fuel cell.
前記ビニル誘導体を重合させる工程において、ジビニルベンゼンを含有させる請求項8に記載の燃料電池用電解質組成物の製造方法。 The base material is a hydrocarbon material that may contain fluorine instead of the hydrocarbon material that does not contain fluorine,
The method for producing an electrolyte composition for a fuel cell according to claim 8, wherein divinylbenzene is contained in the step of polymerizing the vinyl derivative.
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2006
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