JP2008004312A - Ion conductive binder, membrane-electrode assembly and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池を構成する膜−電極接合体に使用されるイオン伝導性バインダー、該イオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体、及び該膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to an ion conductive binder used in a membrane-electrode assembly constituting a solid polymer fuel cell, a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder, and the membrane-electrode assembly. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.
近年、地球環境にやさしく、クリーンな発電システムとして燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型等に分類される。これらのうち固体高分子型燃料電池は、低温作動性、小型軽量化などの観点から、電気自動車用電源やポータブル機器電源、さらに電気と熱を同時利用する家庭用コージェネレーションシステムなどへの適用が検討されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as a clean power generation system that is friendly to the global environment. Fuel cells are classified into phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, solid polymer type, etc., depending on the type of electrolyte. Among these, polymer electrolyte fuel cells are applicable to electric vehicle power supplies, portable equipment power supplies, and household cogeneration systems that use both electricity and heat from the viewpoints of low-temperature operability, small size, and light weight. It is being considered.
固体高分子型燃料電池は、一般に次のように構成される。まず、プロトン伝導性を有する電解質膜の両側に、白金族の金属触媒を担持したカーボン粉末と高分子電解質からなるイオン伝導性バインダー(イオンは通常プロトン)とを含む触媒層がそれぞれ形成される。各触媒層の外側には、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ通気する多孔性材料であるガス拡散層がそれぞれ形成される。ガス拡散層としてはカーボンペーパー、カーボンクロスなどが用いられる。触媒層とガス拡散層を一体化したものはガス拡散電極と呼ばれ、また一対のガス拡散電極をそれぞれ触媒層が電解質膜と向かい合うように電解質膜に接合した構造体は膜−電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。この膜−電極接合体の両側には、導電性と気密性を備えたセパレータが配置される。電極面に燃料ガス又は酸化剤ガス(例えば空気)を供給するガス流路が膜−電極接合体とセパレータの接触部分又はセパレータ内に形成されている。一方の電極(燃料極)に水素やメタノールなどの燃料ガスを供給し、他方の電極(酸素極)に空気などの酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する。すなわち、燃料極では燃料がイオン化されてプロトンと電子が生じ、プロトンは電解質膜を通り、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極へ送られ、酸化剤と反応することで水が生成する。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。 A polymer electrolyte fuel cell is generally configured as follows. First, on both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity, a catalyst layer containing carbon powder carrying a platinum group metal catalyst and an ion conductive binder (ion is usually proton) made of a polymer electrolyte is formed. A gas diffusion layer, which is a porous material through which fuel gas and oxidant gas are passed, is formed outside each catalyst layer. Carbon paper, carbon cloth, or the like is used as the gas diffusion layer. A structure in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a gas diffusion electrode, and a structure in which a pair of gas diffusion electrodes is bonded to the electrolyte membrane so that the catalyst layer faces the electrolyte membrane is a membrane-electrode assembly ( MEA (Mebrane Electrode Assembly). On both sides of this membrane-electrode assembly, separators having electrical conductivity and airtightness are disposed. A gas flow path for supplying a fuel gas or an oxidant gas (for example, air) to the electrode surface is formed in a contact portion of the membrane-electrode assembly and the separator or in the separator. Electric power is generated by supplying a fuel gas such as hydrogen or methanol to one electrode (fuel electrode) and an oxidant gas containing oxygen such as air to the other electrode (oxygen electrode). That is, at the fuel electrode, the fuel is ionized to produce protons and electrons, the protons pass through the electrolyte membrane, the electrons travel through an external electric circuit formed by connecting both electrodes, and are sent to the oxygen electrode, Water is produced by the reaction. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.
また、このようなプロトン交換型燃料電池に対して、アニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用するアニオン交換型燃料電池(アニオンは通常水酸化物イオン)も検討されている。アニオン交換型燃料電池は、酸素極における過電圧が低減されることが知られており、エネルギー効率の向上が期待されている。また燃料としてメタノールを用いる場合、メタノールが電極間で電解質膜を透過してしまうメタノールクロスオーバーが低減されると言われている。この場合の固体高分子型燃料電池の構成はプロトン伝導性膜及びプロトン伝導性バインダーに代えてアニオン伝導性膜及びアニオン伝導性バインダーを使用する以外、プロトン交換型燃料電池の場合と基本的には同様であり、電気エネルギー発生の機構としては、酸素極では酸素と水と電子とが反応して水酸化物イオンが生じ、水酸化物イオンはアニオン伝導性膜を通り燃料極で水素と反応して水と電子を生じ、電子は両電極をつなぐことによって形成される外部電気回路を移動して酸素極に送られ、再び酸素及び水と反応して水酸化物イオンを生じる。このようにして、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して取り出すことができる。 For such a proton exchange type fuel cell, an anion exchange type fuel cell using an anion conductive membrane and an anion conductive binder (anion is usually a hydroxide ion) has been studied. An anion exchange fuel cell is known to reduce overvoltage at the oxygen electrode, and is expected to improve energy efficiency. In addition, when methanol is used as the fuel, it is said that methanol crossover in which methanol permeates the electrolyte membrane between the electrodes is reduced. The structure of the polymer electrolyte fuel cell in this case is basically the same as that of the proton exchange type fuel cell except that an anion conductive membrane and an anion conductive binder are used instead of the proton conductive membrane and the proton conductive binder. Similarly, the mechanism of electric energy generation is that oxygen, water, and electrons react at the oxygen electrode to generate hydroxide ions, and the hydroxide ions react with hydrogen at the fuel electrode through the anion conductive membrane. Thus, water and electrons are generated, and the electrons move through an external electric circuit formed by connecting both electrodes and are sent to the oxygen electrode, and react with oxygen and water again to generate hydroxide ions. In this way, the chemical energy of the fuel can be directly converted into electric energy and taken out.
プロトン交換型燃料電池においてもアニオン交換型燃料電池においても、上記電極反応は、触媒層を反応サイトとして、触媒表面、燃料ガスもしくは酸化剤ガス、及び高分子電解質としてのイオン伝導性バインダーの三相界面で起こる。イオン伝導性バインダーは触媒を結着させ、触媒層から電解質膜へのプロトンもしくは水酸化物イオンの移動を媒介して該触媒の利用効率を高める目的で使用される。従って、イオン伝導性バインダーで被覆されていない触媒は、三相界面を形成することができないために反応に寄与することが難しく、また、高効率を得るには燃料ガスもしくは酸化剤ガスを拡散させるための細孔構造や、触媒の分散状態など、触媒層の緻密な構造設計が重要となる。また、ガス拡散電極部では、反応ガスに含まれる水や酸素極で生成する水により、触媒表面が被覆されてしまい、燃料ガスもしくは酸化剤ガスが触媒表面に接触できなくなり発電が停止する場合や、燃料ガスもしくは酸化剤ガスの供給または排出を妨げて電極反応が停止する場合がある。そのため、ガス拡散電極部には撥水性が要求される。 In both the proton exchange type fuel cell and the anion exchange type fuel cell, the electrode reaction is carried out by using a catalyst layer as a reaction site, a catalyst surface, a fuel gas or an oxidant gas, and an ion conductive binder as a polymer electrolyte. Occurs at the interface. The ion conductive binder is used for the purpose of binding the catalyst and increasing the utilization efficiency of the catalyst through the transfer of protons or hydroxide ions from the catalyst layer to the electrolyte membrane. Therefore, a catalyst not coated with an ion conductive binder cannot form a three-phase interface, so it is difficult to contribute to the reaction, and in order to obtain high efficiency, a fuel gas or an oxidant gas is diffused. Therefore, a precise structure design of the catalyst layer such as a pore structure for the catalyst and a dispersed state of the catalyst is important. In addition, in the gas diffusion electrode part, the catalyst surface is covered with water contained in the reaction gas or water generated at the oxygen electrode, and the fuel gas or oxidant gas cannot contact the catalyst surface and power generation stops. In some cases, the electrode reaction may be stopped by preventing the supply or discharge of the fuel gas or the oxidant gas. Therefore, water repellency is required for the gas diffusion electrode part.
また、ガス拡散電極と電解質膜との接合については、ホットプレスなどにより接合する方法が知られている。しかし、単にホットプレスするだけでは、良好な接合強度、電気的接合状態を得ることが困難であるため、ガス拡散電極の触媒層面にイオン伝導性バインダーを接着性樹脂として適用し、ガス拡散電極と電解質膜の密着性を向上させるのが好ましい。かかる適用に当たってイオン伝導性バインダーは一般に溶液状態で使用される。 As for joining of the gas diffusion electrode and the electrolyte membrane, a method of joining by hot pressing or the like is known. However, since it is difficult to obtain good bonding strength and electrical bonding state simply by hot pressing, an ion conductive binder is applied as an adhesive resin to the catalyst layer surface of the gas diffusion electrode, and the gas diffusion electrode and It is preferable to improve the adhesion of the electrolyte membrane. For such applications, ion conductive binders are generally used in solution.
プロトン交換型燃料電池で使用されるイオン伝導性バインダー(カチオン伝導性バインダー)としては、化学的に安定という理由から特許文献1や特許文献2に記載されているようにパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子であるナフィオン(Nafion,デュポン社の登録商標、以下同様)が一般的に用いられている。しかし、ナフィオンはスルホン酸基をもたない疎水性の主鎖骨格を有しており、触媒層中で該疎水性部分に被覆された触媒は三相界面を形成することができず、電極反応に寄与できないと考えられる。また、三相界面を増やし触媒利用率を高めるためにスルホン酸基の含有量を増やしても、ポリマーの親水性が高まり、バインダー自体が発電中の反応ガスに含まれる湿分や酸素極の生成水等により、電池系外に徐々に溶出してしまい、電極の劣化が進行して十分な運転時間が確保することができない。また、電極触媒中のスルホン酸基含有量を増やすためにナフィオン含有量を増やしても、三相界面形成に必要な反応物の拡散経路を閉塞してしまい、電極反応効率が低下する。
As an ion conductive binder (cation conductive binder) used in a proton exchange type fuel cell, a perfluorocarbon sulfonic acid polymer is used as described in
フッ素系電解質以外にも、例えば、スルホン酸基などのイオン伝導性基を導入した芳香族エンプラ系樹脂が検討されている。また、芳香族エンプラ系樹脂の他にも、スチレン系の熱可塑性エラストマーからなるカチオン伝導性バインダーが提案されている(特許文献3や特許文献4)。例えば、SEBS(ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体の略)のスルホン化体が提案されており、水に難溶で、かつ電解質膜と良好な接合強度を有することが開示されている。しかし、上記した芳香族エンプラ系樹脂やスチレン系の熱可塑性エラストマーからなるイオン伝導性バインダーもフッ素系イオン伝導性バインダーと同様の問題を有している。 In addition to fluorine-based electrolytes, for example, aromatic engineering plastic resins into which ion conductive groups such as sulfonic acid groups are introduced have been studied. In addition to aromatic engineering plastic resins, cationic conductive binders made of styrene thermoplastic elastomers have been proposed (Patent Document 3 and Patent Document 4). For example, a sulfonated product of SEBS (polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer) has been proposed, which is hardly soluble in water and has a good bonding strength with an electrolyte membrane. It is disclosed. However, ion conductive binders made of the above-described aromatic engineering plastic resins and styrene thermoplastic elastomers have the same problems as fluorine ion conductive binders.
また、架橋基を導入することで高いイオン基含有量であっても水不溶とした樹脂も検討されているが、有機溶剤に不溶であるため、適当な溶剤に懸濁して使用しなければならず、触媒層中への分散性が悪く、有効な三相界面を形成することが困難である。 In addition, a resin that has been made water-insoluble even with a high ionic group content by introducing a crosslinking group has been studied, but since it is insoluble in organic solvents, it must be suspended in an appropriate solvent and used. Therefore, the dispersibility in the catalyst layer is poor, and it is difficult to form an effective three-phase interface.
一方、アニオン交換型燃料電池で使用されるアニオン伝導性バインダーとしては、パーフルオロスルホン酸系高分子のスルホン酸基をアニオン交換基に変換したものが知られている。例えば、特許文献5に、テトラフルオロエチレンとCF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)2SO3Fとを共重合させた後、N,N,N’−トリメチルエチレンジアミンを作用させたものが開示されている。また、アニオン伝導性バインダーとして芳香族ポリエーテルスルホンと芳香族ポリチオエーテルスルホンとの共重合体のクロロメチル化物をアミノ化して得られるアニオン交換樹脂が特許文献6に開示されている。また、アニオン伝導性バインダーとしてポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体等に第4級アンモニウム基を導入したものからなるアニオン伝導性バインダーが特許文献7に開示されている。しかし、上記アニオン伝導性バインダーもカチオン伝導性バインダーと同等の欠点を有する。 On the other hand, as an anion conductive binder used in an anion exchange type fuel cell, one obtained by converting a sulfonic acid group of a perfluorosulfonic acid polymer into an anion exchange group is known. For example, Patent Document 5 discloses a product obtained by copolymerizing tetrafluoroethylene and CF2 = CFOCF2CF (CF3) O (CF2) 2SO3F and then reacting with N, N, N'-trimethylethylenediamine. Patent Document 6 discloses an anion exchange resin obtained by aminating a chloromethylated product of a copolymer of aromatic polyethersulfone and aromatic polythioethersulfone as an anion conductive binder. Patent Document 7 discloses an anion conductive binder made of a quaternary ammonium group introduced into a polystyrene-poly (ethylene-butylene) -polystyrene triblock copolymer or the like as an anion conductive binder. However, the anion conductive binder also has the same disadvantages as the cation conductive binder.
上述の通り、触媒層中の触媒とイオン伝導性バインダーとの界面形成に優れ、かつ、反応物の拡散経路を閉塞しない構造を達成できるイオン伝導性バインダーは開発されていない。これらの問題から電極反応効率を高める新規なイオン伝導性バインダーは提案されていないのが実情である。 As described above, an ion conductive binder that is excellent in forming an interface between the catalyst in the catalyst layer and the ion conductive binder and that can achieve a structure that does not block the diffusion path of the reactant has not been developed. In reality, no new ion conductive binder has been proposed to increase the electrode reaction efficiency due to these problems.
本発明は、ハロゲン原子を含有しないことから環境に優しく、経済的で、成形性に優れ、かつ、電極反応効率に優れるイオン伝導性バインダー、及び該イオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体、及び該膜−電極接合体を用いた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is an environment-friendly, economical, excellent moldability, and excellent electrode reaction efficiency because it does not contain a halogen atom, and a membrane-electrode assembly using the ion-conductive binder And a polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、星形ブロック共重合体から構成されるイオン伝導性バインダーが成形性及び電極反応効率に優れることを見出し、本発明を完成した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that an ion conductive binder composed of a star block copolymer is excellent in moldability and electrode reaction efficiency, and completed the present invention. did.
すなわち、本発明は、
高分子電解質膜と、この高分子電解質膜に該膜を挟んで接合されている2つのガス拡散電極とからなる固体高分子型燃料電池用の膜−電極接合体を構成するガス拡散電極に用いるイオン伝導性バインダーであって、芳香族ビニル重合体ブロック(A)と、水素添加されていてもよい共役ジエン単位またはイソブチレン単位からなるゴム状重合体ブロック(B)とを有する、2を超える数の腕重合体ブロックから構成され、イオン伝導性基を有する星形ブロック共重合体を含有する該イオン伝導性バインダーである。
That is, the present invention
Used for a gas diffusion electrode constituting a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane and two gas diffusion electrodes joined to the polymer electrolyte membrane with the membrane interposed therebetween An ion-conductive binder having an aromatic vinyl polymer block (A) and a rubbery polymer block (B) comprising a conjugated diene unit or an isobutylene unit which may be hydrogenated, and a number of more than 2 The ion-conductive binder comprising a star-shaped block copolymer having an ion-conductive group.
上記星形ブロック共重合体から構成されるイオン伝導性バインダーは、電極反応場となる触媒とイオン伝導性バインダーとの界面を効率よく形成し、また、反応物の拡散経路を十分に確保することができ、電極反応効率に優れる。ブロック共重合体とすることは、電極で生成したイオンを電解質膜へ輸送するための経路(イオンチャンネル)の形成に有利であり、また、発電環境下での電極触媒層中の構造安定性に必要な親水−疎水バランスの機能を与えるために必要である。 The ion-conductive binder composed of the above star-shaped block copolymer must efficiently form the interface between the catalyst that serves as the electrode reaction field and the ion-conductive binder, and ensure a sufficient diffusion path for the reactants. The electrode reaction efficiency is excellent. Using a block copolymer is advantageous for the formation of a route (ion channel) for transporting ions generated at the electrode to the electrolyte membrane, and also for structural stability in the electrode catalyst layer in a power generation environment. Necessary to provide the necessary hydrophilic-hydrophobic balance function.
本発明はまた、該イオン伝導性バインダーを含有する溶液又は懸濁液に関する。本発明はまた、上記イオン伝導性バインダーを使用した膜−電極接合体並びに該膜−電極接合体を使用した燃料電池に関する。 The present invention also relates to a solution or suspension containing the ion conductive binder. The present invention also relates to a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder and a fuel cell using the membrane-electrode assembly.
本発明のイオン伝導性バインダーは、ハロゲン原子を含有しないことから環境に優しく、経済的で、さらには電極反応効率に優れることから、膜−電極接合体及び固体高分子型燃料電池において電池効率の向上および触媒層中に使用する貴金属触媒の使用量低減に役立つ。 Since the ion conductive binder of the present invention does not contain a halogen atom, it is environmentally friendly, economical, and excellent in electrode reaction efficiency. Therefore, in the membrane-electrode assembly and the polymer electrolyte fuel cell, the cell efficiency is high. It helps to improve and reduce the amount of noble metal catalyst used in the catalyst layer.
以下、本発明について詳細に説明する。本発明のイオン伝導性バインダーは、芳香族ビニル重合体ブロック(A)と水素添加されていてもよい共役ジエン重合体ブロック(B)とを有する、2を超える数の腕重合体ブロックから構成され、イオン伝導性基を有する星形ブロック共重合体を含有する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. The ion conductive binder of the present invention is composed of an arm polymer block of more than 2 having an aromatic vinyl polymer block (A) and an optionally hydrogenated conjugated diene polymer block (B). And a star block copolymer having an ion conductive group.
星形ブロック共重合体のブロック構造は、重合体ブロック(A)を「A」、重合体ブロック(B)を「B」で表した場合に、例えば以下の式で表されるもの、またはそれらが混合された形態を挙げることができる。
(A−B−)nX
(B−A−)nX
(A−B−A−)nX
(B−A−B−)nX
(A−)n−m(B−)mX
(A−)m(B−)n−mX
(式中、Xは多官能カップリング剤残基、nは2を超える数、mは1以上の数を表す)
中でも星形ブロック共重合体のブロック構造は、芳香族ビニル重合体ブロック(A)が自由末端側に結合した形態であるのが、イオン伝導性基を星形ブロック共重合体分子の表面に露出するようにに高密度で導入し易いことから好ましく、(A−B−)nXであるのがより好ましい。
The block structure of the star block copolymer is represented by the following formula, for example, when the polymer block (A) is represented by “A” and the polymer block (B) is represented by “B”, or Can be mentioned.
(A-B-) n X
(B-A-) n X
(A-B-A-) n X
(B-A-B-) n X
(A-) nm (B-) m X
(A-) m (B-) nm X
(In the formula, X represents a polyfunctional coupling agent residue, n represents a number exceeding 2, and m represents a number of 1 or more.)
In particular, the block structure of the star block copolymer is a form in which the aromatic vinyl polymer block (A) is bonded to the free terminal side, and the ion conductive group is exposed on the surface of the star block copolymer molecule. Thus, it is preferable because it is easy to introduce at a high density, and (A-B-) n X is more preferable.
星形ブロック共重合体を構成する腕重合体ブロックの合計数nは、ブロック共重合体を星形として電極反応効率を高めるために、2を超える数である必要があり、3以上であるのが好ましく、5以上であるのがより好ましい。また上限は50以下であるのが好ましい。腕重合体ブロックの数は、例えば、星形ブロック共重合体全体の数平均分子量を、その製造に用いる腕重合体の数平均分子量で除して求めることができる。本発明において、数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によりポリスチレン換算にて算出した値を用いるものとする。星形ブロック共重合体の数平均分子量とそれを構成する腕重合体ブロックの数平均分子量との間は、「星形ブロック共重合体の数平均分子量>2×腕重合体ブロックの数平均分子量」の関係にある。星形ブロック共重合体の数平均分子量は、イオン伝導性バインダーの性状、要求性能によって適宜選択される。 The total number n of arm polymer blocks constituting the star block copolymer must be greater than 2 and 3 or more in order to increase the electrode reaction efficiency using the block copolymer as a star shape. Is preferable, and 5 or more is more preferable. The upper limit is preferably 50 or less. The number of arm polymer blocks can be determined, for example, by dividing the number average molecular weight of the entire star block copolymer by the number average molecular weight of the arm polymer used for the production. In the present invention, the number average molecular weight is a value calculated in terms of polystyrene by gel permeation chromatography (GPC). The number average molecular weight of the star block copolymer and the number average molecular weight of the arm polymer block constituting the star block copolymer is “number average molecular weight of star block copolymer> 2 × number average molecular weight of arm polymer block” ”. The number average molecular weight of the star block copolymer is appropriately selected depending on the properties and required performance of the ion conductive binder.
星形ブロック共重合体が有する芳香族ビニル重合体ブロック(A)を構成する芳香族ビニル単位の例としては、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルピレン、ビニルピリジン等;さらにはこれらの芳香族ビニル化合物のベンゼン環に結合した水素原子が1〜3個のアルキル基(メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基もしくはtert−ブチル基)で置換された、p−メチルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン等;の芳香族ビニル系化合物からなる単位を挙げることができる。中でも芳香族ビニル単位は、電極反応の副反応で生じる過酸化水素や過酸化水素由来のヒドロキシルラジカルによる酸化安定性を高めるため、3級炭素を持たない構造であるのが好ましく、具体的にはα−メチルスチレン単位であるのが好ましい。 Examples of the aromatic vinyl unit constituting the aromatic vinyl polymer block (A) of the star block copolymer include styrene, α-methylstyrene, vinyl naphthalene, vinyl anthracene, vinyl pyrene, vinyl pyridine, etc .; Alkyl group having 1 to 3 hydrogen atoms bonded to the benzene ring of these aromatic vinyl compounds (methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group or tert-butyl group) And a unit composed of an aromatic vinyl compound substituted with p-methylstyrene, 2,4,6-trimethylstyrene, p-tert-butylstyrene and the like. Among them, the aromatic vinyl unit preferably has a structure having no tertiary carbon in order to enhance oxidation stability due to hydrogen peroxide generated by a side reaction of the electrode reaction or hydroxyl radical derived from hydrogen peroxide. α-methylstyrene units are preferred.
重合体ブロック(A)は、本発明の効果を損なわない範囲内、好ましくは20質量%以下で1種もしくは複数の他の単量体単位を含んでいてもよい。かかる他の単量体としては、例えば、1,3−ブタジエン、イソプレンなどの炭素数4〜8の共役ジエン化合物、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチルなどの(メタ)アクリル酸エステル、炭素数2〜8のアルケン、ビニルエステル、ビニルエーテル等が挙げられる。芳香族ビニル系化合物と上記他の単量体との共重合形態はランダム共重合である必要がある。 The polymer block (A) may contain one or more other monomer units within a range not impairing the effects of the present invention, preferably 20% by mass or less. Examples of such other monomers include conjugated diene compounds having 4 to 8 carbon atoms such as 1,3-butadiene and isoprene, (meth) acrylic acid esters such as methyl acrylate and methyl methacrylate, and 2 to 2 carbon atoms. 8 alkene, vinyl ester, vinyl ether and the like. The copolymerization form of the aromatic vinyl compound and the other monomer needs to be random copolymerization.
重合体ブロック(A)の分子量は、イオン伝導性バインダーの性状、要求性能、他の重合体成分等によって適宜選択される。分子量が大きい場合、イオン伝導性バインダーの引張強度等の力学特性が高くなる傾向になり、分子量が小さい場合、イオン伝導性バインダーの電気抵抗が小さくなる傾向になることから、必要性能に応じて分子量を適宜選択することが重要である。重合体ブロック(A)の分子量は、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、100〜1,000,000の間から選択されるのが好ましく、1,000〜100,000の間から選択されるのがより好ましい。 The molecular weight of the polymer block (A) is appropriately selected depending on the properties of the ion conductive binder, required performance, other polymer components, and the like. When the molecular weight is large, the mechanical properties such as tensile strength of the ion conductive binder tend to be high, and when the molecular weight is small, the electric resistance of the ion conductive binder tends to be small. It is important to select as appropriate. The molecular weight of the polymer block (A) is usually preferably selected from 100 to 1,000,000 as the number average molecular weight in terms of polystyrene, and is selected from 1,000 to 100,000. Is more preferable.
また、重合体ブロック(A)は星形ブロック共重合体を構成する腕重合体の自由末端側に結合する形態が好ましい。これは、イオン伝導性基を星形ブロック共重合体分子の表面に露出するようにに高密度で導入し易く、電極触媒層中の触媒との界面形成に有効なためである。また、実質的に機能するイオン伝導性バインダー中のイオン基数が増大するため、電極触媒層中のイオン伝導性バインダーの含有量が少量でよく、このことは三相界面形成に必要な反応物の拡散経路を確保するために有効である。 The polymer block (A) is preferably bonded to the free terminal side of the arm polymer constituting the star block copolymer. This is because the ion conductive group can be easily introduced at a high density so as to be exposed on the surface of the star block copolymer molecule, and is effective for forming an interface with the catalyst in the electrode catalyst layer. In addition, since the number of ion groups in the ion conductive binder that functions substantially increases, the content of the ion conductive binder in the electrode catalyst layer may be small, which means that the reactant necessary for forming the three-phase interface is not necessary. This is effective for securing a diffusion path.
該星形ブロック共重合体は、重合体ブロック(A)と共に重合体ブロック(B)を有する。重合体ブロック(A)に高含量でイオン基が導入されていても、重合体ブロック(B)を有することによって耐水性が向上し、発電中にイオン伝導性バインダーの劣化、分解による流出を防止できる。 The star block copolymer has a polymer block (B) together with a polymer block (A). Even if ionic groups are introduced in a high content in the polymer block (A), the water resistance is improved by having the polymer block (B), and the ionic conductive binder is prevented from flowing out due to degradation or decomposition during power generation. it can.
星形ブロック共重合体が有する重合体ブロック(B)は、共役ジエン単位、水素添加された共役ジエン単位、またはイソブチレン単位からなるゴム状重合体ブロックである。重合体ブロック(B)構成することができる共役ジエン単位としては1,3−ブタジエン、イソプレンなどの炭素数4〜8の共役ジエン化合物からなる単位を挙げることができる。共役ジエン単位およびイソブチレン単位は単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。2種以上を重合(共重合)させる場合の形態はランダム共重合でもブロック共重合でもグラフト共重合でもテーパード共重合でもよい。また、(共)重合に供する単量体が炭素−炭素二重結合を2つ有する場合にはそのいずれが重合に用いられてもよく、共役ジエン単位の場合には1,2−結合であっても1,4−結合であってもよく、ガラス転移点あるいは軟化点が50℃以下であれば1,2−結合と1,4−結合との割合にも特に制限はない。 The polymer block (B) possessed by the star block copolymer is a rubber-like polymer block comprising conjugated diene units, hydrogenated conjugated diene units, or isobutylene units. Examples of the conjugated diene unit that can constitute the polymer block (B) include units composed of conjugated diene compounds having 4 to 8 carbon atoms such as 1,3-butadiene and isoprene. The conjugated diene unit and the isobutylene unit can be used alone or in combination of two or more. The form in the case of polymerizing (copolymerizing) two or more types may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or tapered copolymerization. Further, when the monomer to be used for (co) polymerization has two carbon-carbon double bonds, any of them may be used for the polymerization, and in the case of a conjugated diene unit, it is a 1,2-bond. Alternatively, it may be 1,4-bond, and the ratio of 1,2-bond and 1,4-bond is not particularly limited as long as the glass transition point or softening point is 50 ° C. or lower.
ゴム状重合体ブロック(B)は、フレキシブルな構造であることによってブロック共重合体が全体として弾力性を帯び、かつ柔軟になり、膜−電極接合体や固体高分子型燃料電池の作製に当たって成形性(組立性、接合性、締付性など)が改善される。重合体ブロック(B)のガラス転移点あるいは軟化点は、50℃以下、好ましくは20℃以下、より好ましくは10℃以下である。 The rubber-like polymer block (B) has a flexible structure, so that the block copolymer is elastic and flexible as a whole, and is molded for production of a membrane-electrode assembly or a polymer electrolyte fuel cell. (Such as assembling, joining and tightening) is improved. The glass transition point or softening point of the polymer block (B) is 50 ° C. or lower, preferably 20 ° C. or lower, more preferably 10 ° C. or lower.
重合体ブロック(B)を構成する繰返し単位が、共役ジエンであって炭素−炭素二重結合を有している場合には、本発明のイオン伝導性バインダーを用いた膜−電極接合体の発電性能、耐熱劣化性の向上などの観点から、かかる炭素−炭素二重結合の30モル%以上が水素添加されているのが好ましく、50モル%以上が水素添加されているのがより好ましく、80モル%以上が水素添加されているのがさらに好ましい。炭素−炭素二重結合の水素添加率は、一般に用いられている方法、例えば、ヨウ素価測定法、1H−NMR測定等によって算出することができる。 When the repeating unit constituting the polymer block (B) is a conjugated diene and has a carbon-carbon double bond, power generation of the membrane-electrode assembly using the ion conductive binder of the present invention From the viewpoint of improving performance and heat resistance deterioration, it is preferable that 30 mol% or more of such carbon-carbon double bonds are hydrogenated, more preferably 50 mol% or more is hydrogenated, and 80 More preferably, at least mol% is hydrogenated. The hydrogenation rate of the carbon-carbon double bond can be calculated by a commonly used method, for example, iodine value measurement method, 1 H-NMR measurement or the like.
また、重合体ブロック(B)は、上記単量体以外に、ブロック共重合体に弾力性を有するという重合体ブロック(B)の目的を損なわない範囲で他の単量体の単位、例えば炭素数2〜8のアルケン;スチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル化合物;アクリル酸メチル、メタクリル酸メチルなどの(メタ)アクリル酸エステル;ビニルエステル;ビニルエーテル等の単位を含んでいてもよい。この場合上記単量体と他の単量体との共重合形態はランダム共重合であることが必要である。かかる他の単量体の使用量は、上記単量体と他の単量体との合計に対して、50質量%未満であるのが好ましく、30質量%未満であるのがより好ましく、10質量%未満であるのがより一層好ましい。 In addition to the above monomers, the polymer block (B) is a unit of another monomer, such as carbon, within a range that does not impair the purpose of the polymer block (B) that the block copolymer has elasticity. Units such as alkenes of 2 to 8; aromatic vinyl compounds such as styrene and vinyl naphthalene; (meth) acrylic acid esters such as methyl acrylate and methyl methacrylate; vinyl esters; vinyl ethers and the like may be included. In this case, the copolymerization form of the monomer and other monomer needs to be random copolymerization. The amount of such other monomer used is preferably less than 50% by weight, more preferably less than 30% by weight, based on the total of the above monomers and other monomers. It is still more preferable that it is less than mass%.
星形ブロック共重合体を構成する腕重合体が、重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)とを構成成分とする場合の構造は特に限定されないが、例としてA−B型ジブロック共重合体、A−B−A型トリブロック共重合体、B−A−B型トリブロック共重合体、A−B−A−B型テトラブロック共重合体、A−B−A−B−A型ペンタブロック共重合体、B−A−B−A−B型ペンタブロック共重合体等が挙げられる。これらのブロック共重合体は、各単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。 The structure when the arm polymer constituting the star block copolymer is composed of the polymer block (A) and the polymer block (B) is not particularly limited. Copolymer, A-B-A type triblock copolymer, B-A-B type triblock copolymer, A-B-A-B type tetrablock copolymer, A-B-A-B- Examples include A-type pentablock copolymers and B-A-B-A-B type pentablock copolymers. These block copolymers may be used alone or in combination of two or more.
重合体ブロック(A)と重合体ブロック(B)との質量比は、イオン伝導性バインダーのイオン伝導性と耐水性を両立する割合であれば特に限定されず、95:5〜5:95であるのが好ましく、90:10〜10:90であるのがより好ましく、50:50〜10:90であるのがより一層好ましい。 The mass ratio of the polymer block (A) and the polymer block (B) is not particularly limited as long as the ratio is compatible with the ion conductivity and water resistance of the ion conductive binder, and is 95: 5 to 5:95. It is preferably 90:10 to 10:90, more preferably 50:50 to 10:90.
本発明のイオン伝導性バインダーを構成する星形ブロック共重合体は、重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)とは異なる他の重合体ブロック(C)を有していてもよい。重合体ブロック(C)は、本発明の性能を損なわない成分であれば特に限定されないが、例えば、イオン伝導性基を有さない結晶性ポリオレフィンブロック等であると、イオン伝導性バインダーの膨潤抑制効果が発現し、発電中のイオン伝導性バインダーの膨潤による反応物の拡散阻害を低減するのに有効である。 The star block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention may have another polymer block (C) different from the polymer block (A) and the polymer block (B). The polymer block (C) is not particularly limited as long as it is a component that does not impair the performance of the present invention. For example, when the polymer block (C) is a crystalline polyolefin block that does not have an ion conductive group, the swelling of the ion conductive binder is suppressed. This is effective in reducing the diffusion inhibition of the reactant due to swelling of the ion conductive binder during power generation.
本発明のイオン伝導性を構成するブロック共重合体が重合体ブロック(C)を含む場合、ブロック共重合体に占める重合体ブロック(C)の割合は40質量%以下であるのが好ましく、35質量%以下であるのがより好ましく、30質量%以下であるのがより一層好ましい。 When the block copolymer constituting the ion conductivity of the present invention contains a polymer block (C), the proportion of the polymer block (C) in the block copolymer is preferably 40% by mass or less, and 35 The content is more preferably at most mass%, even more preferably at most 30 mass%.
本発明で用いるブロック共重合体のイオン伝導性基が導入されていない状態での数平均分子量は特に制限されないが、ポリスチレン換算の数平均分子量として、通常、10,000〜2,000,000が好ましく、15,000〜1,000,000がより好ましく、20,000〜500,000がより一層好ましい。 The number average molecular weight of the block copolymer used in the present invention in a state where the ion conductive group is not introduced is not particularly limited, but the number average molecular weight in terms of polystyrene is usually 10,000 to 2,000,000. Preferably, 15,000 to 1,000,000 is more preferable, and 20,000 to 500,000 is even more preferable.
本発明のイオン伝導性バインダーを構成する星形ブロック共重合体はイオン伝導性基、すなわちカチオン伝導性基もしくはアニオン伝導性基を有することが必要である。本発明でイオン伝導性に言及する場合のイオンとしてはプロトンなどが挙げられ、アニオンとしては水酸化物イオンなどが挙げられる。カチオン伝導性基としては、該イオン伝導性バインダーを用いて作製される膜−電極接合体が十分なイオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、中でもスルホン酸基(−SO3M)又はホスホン酸基(−PO3HM)(式中、Mは水素原子、アンモニウムイオン又はアルカリ金属イオンを表す)で表されるスルホン酸基、ホスホン酸基又はそれらの塩が好適に用いられる。イオン伝導性基としては、また、カルボキシル基又はその塩も用いることができる。アニオン伝導性基としては、該イオン伝導性バインダーを用いて作製される膜−電極接合体が十分なアニオン伝導度を発現できるような基であれば特に限定されないが、以下に示すような基が挙げられる。 The star block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention must have an ion conductive group, that is, a cation conductive group or an anion conductive group. In the present invention, when referring to ionic conductivity, protons and the like are mentioned as ions, and hydroxide ions and the like are mentioned as anions. The cation conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the ion conductive binder can express sufficient ionic conductivity. 3 M) or a phosphonic acid group (—PO 3 HM) (wherein M represents a hydrogen atom, an ammonium ion or an alkali metal ion), a sulfonic acid group, a phosphonic acid group or a salt thereof is preferably used. It is done. As the ion conductive group, a carboxyl group or a salt thereof can also be used. The anion conductive group is not particularly limited as long as the membrane-electrode assembly produced using the ion conductive binder can express sufficient anion conductivity. Can be mentioned.
イオン伝導性基は、星形ブロック共重合体の中でいずれの位置に存在していてもよいが、後述する製造法においてイオン伝導性基の導入が容易であることから、芳香族ビニル重合体ブロック(A)の側鎖または自由末端側に存在しているのが好ましい。
イオン伝導性基の導入量は、得られるブロック共重合体の要求性能等によって適宜選択されるが、固体高分子型燃料電池用のイオン伝導性バインダーとして使用するのに十分なイオン伝導性を発現するためには、通常、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上となるような量であることが好ましく、0.40meq/g以上となるような量であることがより好ましい。ブロック共重合体のイオン交換容量の上限については特に制限はないが、通常、3meq/g以下であるのが好ましい。
The ion conductive group may be present at any position in the star block copolymer, but since the ion conductive group can be easily introduced in the production method described later, an aromatic vinyl polymer is used. It is preferably present on the side chain or free end side of the block (A).
The amount of ion-conducting group introduced is appropriately selected depending on the required performance of the resulting block copolymer, etc., but exhibits sufficient ion conductivity to be used as an ion-conducting binder for solid polymer fuel cells In general, the amount is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, and more preferably 0.40 meq / g or more. . Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of the ion exchange capacity of a block copolymer, Usually, it is preferable that it is 3 meq / g or less.
本発明で用いられる星形ブロック共重合体の製造法に関しては主に次の2つの方法に大別される。すなわち、(1)まずイオン伝導性基を有さない星形ブロック共重合体を製造した後、イオン伝導性基を結合させる方法、(2)イオン伝導性基を有する単量体を用いて星形ブロック共重合体を製造する方法である。 The method for producing the star block copolymer used in the present invention is roughly classified into the following two methods. That is, (1) a method of first producing a star-shaped block copolymer having no ion conductive group and then binding the ion conductive group; (2) using a monomer having an ion conductive group This is a method for producing a shaped block copolymer.
まず第1の製造法について述べる。
重合体ブロック(A)又は(B)を構成する単量体の種類、分子量等によって、重合体ブロック(A)又は(B)の製造法は、ラジカル重合法、アニオン重合法、カチオン重合法、配位重合法等から適宜選択されるが、工業的な容易さから、ラジカル重合法、アニオン重合法あるいはカチオン重合が好ましく選択される。特に、分子量、分子量分布、重合体の構造、重合体ブロック(B)又は(A)との結合の容易さ等からいわゆるリビング重合法が好ましく、具体的にはリビングラジカル重合法あるいはリビングアニオン重合法、リビングカチオン重合法が好ましい。
First, the first manufacturing method will be described.
Depending on the type, molecular weight, etc. of the monomer constituting the polymer block (A) or (B), the production method of the polymer block (A) or (B) can be a radical polymerization method, an anionic polymerization method, a cationic polymerization method, The method is appropriately selected from a coordination polymerization method and the like, but from the viewpoint of industrial ease, a radical polymerization method, an anionic polymerization method or a cationic polymerization is preferably selected. In particular, a so-called living polymerization method is preferable from the viewpoint of molecular weight, molecular weight distribution, polymer structure, ease of bonding with the polymer block (B) or (A), and specifically, a living radical polymerization method or a living anion polymerization method. The living cationic polymerization method is preferred.
構成するブロック共重合体をアニオン重合によって製造するに当たって、α−炭素が3級炭素の芳香族ビニル系化合物であるスチレンまたはその芳香環をアルキル基で置換されたスチレン誘導体を重合体ブロック(A)の主たる繰り返し単位とする場合には、
(1)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下でスチレンまたはスチレン誘導体を重合し、その後共役ジエン等を重合させた後、ジビニルベンゼン等の多官能モノマーを反応させ(A−B)nX型スターブロック共重合体を得る方法;
(2)シクロヘキサン溶媒中でアニオン重合開始剤を用いて、20〜100℃の温度条件下でスチレンまたはスチレン誘導体を重合し、その後共役ジエン等を重合させた後、テトラクロロシラン等のカップリング剤を添加して(A−B)nX型のスター(星形)ブロック共重合体を得る方法;
等が知られている。
α−炭素が4級炭素である芳香族ビニル系化合物単位の代表例であるα−メチルスチレンを重合体ブロック(A)の主たる繰り返し単位とする場合には、
(3)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエン等を重合させた後、ジビニルベンゼン等の多官能モノマーを反応させ(A−B)nX型スターブロック共重合体を得る方法;
(4)非極性溶媒中有機リチウム化合物を開始剤として用い、0.1〜10質量%の濃度の極性化合物の存在下、−30℃〜30℃の温度にて、5〜50質量%の濃度のα−メチルスチレンを重合させ、得られるリビングポリマーに共役ジエン等を重合させた後、テトラクロロシラン等のカップリング剤を反応させ(A−B)nX型のスター(星形)ブロック共重合体を得る方法;
などが知られている。
In producing the block copolymer constituting the polymer block (A), styrene which is an aromatic vinyl compound in which the α-carbon is a tertiary carbon or a styrene derivative whose aromatic ring is substituted with an alkyl group is used as a polymer block (A). When the main repeating unit is
(1) An anionic polymerization initiator is used in a cyclohexane solvent to polymerize styrene or a styrene derivative under a temperature condition of 20 to 100 ° C., and then polymerize a conjugated diene, and then a polyfunctional monomer such as divinylbenzene. A method of reacting (A-B) n to obtain an X-type star block copolymer;
(2) Styrene or a styrene derivative is polymerized using an anionic polymerization initiator in a cyclohexane solvent under a temperature condition of 20 to 100 ° C., and then a conjugated diene is polymerized, and then a coupling agent such as tetrachlorosilane is added. A method of adding (A-B) n X type star (star) block copolymer;
Etc. are known.
When α-methylstyrene, which is a typical example of an aromatic vinyl compound unit in which α-carbon is a quaternary carbon, is used as the main repeating unit of the polymer block (A),
(3) An organic lithium compound in a nonpolar solvent is used as an initiator, and a concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass. A polymer obtained by polymerizing α-methylstyrene, conjugated diene and the like in the resulting living polymer, and then reacting with a polyfunctional monomer such as divinylbenzene (AB) to obtain an n X-type star block copolymer;
(4) A concentration of 5 to 50% by mass at a temperature of −30 ° C. to 30 ° C. in the presence of a polar compound having a concentration of 0.1 to 10% by mass using an organolithium compound in a nonpolar solvent as an initiator. Α-methylstyrene is polymerized, and the resulting living polymer is polymerized with a conjugated diene, and then reacted with a coupling agent such as tetrachlorosilane (AB). N X-type star (star) block copolymer A method of obtaining coalescence;
Etc. are known.
次に、得られた星形ブロック共重合体にイオン伝導性基を結合させる方法について述べる。
まず、得られた星形ブロック共重合体にカチオン伝導性基を導入する方法について述べる。その内、まず、得られた星形ブロック共重合体にスルホン酸基を導入する方法について述べる。スルホン化は、公知のスルホン化の方法で行える。このような方法としては、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や縣濁液を調製し、スルホン化剤を添加し混合する方法やブロック共重合体に直接ガス状のスルホン化剤を添加する方法等が例示される。
Next, a method for bonding an ion conductive group to the obtained star block copolymer will be described.
First, a method for introducing a cation conductive group into the obtained star-shaped block copolymer will be described. First, a method for introducing a sulfonic acid group into the obtained star block copolymer will be described. Sulfonation can be performed by a known sulfonation method. As such a method, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, a sulfonating agent is added and mixed, a method of adding a gaseous sulfonating agent directly to the block copolymer, etc. Is exemplified.
使用するスルホン化剤としては、硫酸、硫酸と脂肪族酸無水物との混合物系、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸と塩化トリメチルシリルとの混合物系、三酸化硫黄、三酸化硫黄とトリエチルホスフェートとの混合物系、さらに2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸に代表される芳香族有機スルホン酸等が例示される。また、使用する有機溶媒としては、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、ヘキサン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類等が例示でき、必要に応じて複数の組合せから、適宜選択して使用してもよい。 Sulfonating agents used include sulfuric acid, a mixture of sulfuric acid and aliphatic acid anhydride, chlorosulfonic acid, a mixture of chlorosulfonic acid and trimethylsilyl chloride, sulfur trioxide, a mixture of sulfur trioxide and triethyl phosphate. Examples thereof include aromatic organic sulfonic acids represented by 2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid. Examples of the organic solvent to be used include halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane, cyclic aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, and the like. You may use it, selecting suitably from several combinations.
次に、得られた星形ブロック共重合体にホスホン酸基を導入する方法について述べる。ホスホン化は、公知のホスホン化の方法で行える。具体的には、例えば、ブロック共重合体の有機溶媒溶液や懸濁液を調製し、無水塩化アルミニウムの存在下、該共重合体をクロロメチルエーテル等と反応させ、芳香環にハロメチル基を導入後、これに三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、さらに加水分解反応を行ってホスホン酸基を導入する方法などが挙げられる。あるいは、該共重合体に三塩化リンと無水塩化アルミニウムを加えて反応させ、芳香環にホスフィン酸基を導入後、硝酸によりホスフィン酸基を酸化してホスホン酸基とする方法等が例示できる。 Next, a method for introducing phosphonic acid groups into the obtained star block copolymer will be described. Phosphonation can be performed by a known phosphonation method. Specifically, for example, an organic solvent solution or suspension of a block copolymer is prepared, and the copolymer is reacted with chloromethyl ether or the like in the presence of anhydrous aluminum chloride to introduce a halomethyl group into the aromatic ring. Thereafter, there may be mentioned a method in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added and reacted, followed by a hydrolysis reaction to introduce a phosphonic acid group. Alternatively, a method may be exemplified in which phosphorus trichloride and anhydrous aluminum chloride are added to the copolymer and reacted to introduce a phosphinic acid group into the aromatic ring, and then the phosphinic acid group is oxidized with nitric acid to form a phosphonic acid group.
スルホン化又はホスホン化の程度としては、すでに述べたごとく、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上、特に0.40meq/g以上になるまで、しかし、3.0meq/g以下であるようにスルホン化またはホスホン化されることが望ましい。これにより実用的なイオン伝導性能が得られる。スルホン化またはホスホン化されたブロック共重合体のイオン交換容量、もしくはブロック共重合体における重合体ブロック(A)中のスルホン化率又はホスホン化率は、酸価滴定法、赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(1H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて算出することができる。 The degree of sulfonation or phosphonation is as described above until the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, particularly 0.40 meq / g or more, but 3.0 meq / g or less. It is desirable to be sulfonated or phosphonated so that Thereby, practical ion conduction performance is obtained. The ion exchange capacity of the sulfonated or phosphonated block copolymer, or the sulfonation rate or phosphonation rate in the polymer block (A) in the block copolymer is determined by acid value titration method, infrared spectroscopic measurement, It can be calculated by using an analytical means such as nuclear magnetic resonance spectrum ( 1 H-NMR spectrum) measurement.
次に、得られたブロック共重合体にアニオン伝導性基を導入する方法について述べる。アニオン伝導性基の導入は公知の方法で行うことができる。例えば、得られたブロック共重合体をクロロメチル化し、ついでアミンもしくはホスフィンと反応させ、さらに必要に応じ、塩素イオンを水酸化物イオンや他の酸アニオンで置換する。 Next, a method for introducing an anion conductive group into the obtained block copolymer will be described. The introduction of the anion conductive group can be performed by a known method. For example, the resulting block copolymer is chloromethylated, then reacted with an amine or phosphine, and further, chlorine ions are replaced with hydroxide ions or other acid anions as necessary.
上記のクロロメチル化方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、ブロック共重合体の有機溶媒中への溶液や縣濁液にクロロメチル化剤及び触媒を添加してクロロメチル化させる方法を用い得る。有機溶媒としてはクロロホルム、ジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素を例示できるがこれらに限定されるものではない。クロロメチル化剤としてはクロロメチルエチルエーテルや塩酸−パラホルムアルデヒドなどを使用でき、触媒としては塩化スズや塩化亜鉛などを使用できる。 The chloromethylation method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a method of adding a chloromethylating agent and a catalyst to a solution or suspension of the block copolymer in an organic solvent and chloromethylating can be used. Examples of the organic solvent include halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloroethane, but are not limited thereto. As the chloromethylating agent, chloromethyl ethyl ether or hydrochloric acid-paraformaldehyde can be used, and as the catalyst, tin chloride, zinc chloride or the like can be used.
クロロメチル化したブロック共重合体にアミンもしくはホスフィンを反応させる方法としては、特に制限されず公知の方法を用いることができる。例えば、得られたクロロメチル化したブロック共重合体の有機溶媒中への溶液、縣濁液、又はかかる溶液や懸濁液から公知の方法により成形した膜にアミンもしくはホスフィンをそのままもしくは必要に応じ有機溶媒中への溶液として添加して反応を進行させる方法を用い得る。有機溶媒中への溶液や懸濁液を調製する有機溶媒としては、メタノールやアセトンなどを例示することがで
きるが、これらに限定されるものではない。
アミンやホスフィンとしては、特に制限はないが、以下に示すようなものを好適に用いることができる。
The method for reacting the chloromethylated block copolymer with amine or phosphine is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a solution or suspension of the obtained chloromethylated block copolymer in an organic solvent, or a film formed by a known method from such a solution or suspension, amine or phosphine is used as it is or as necessary. A method of allowing the reaction to proceed by adding it as a solution in an organic solvent can be used. Examples of the organic solvent for preparing a solution or suspension in the organic solvent include methanol and acetone, but are not limited thereto.
The amine and phosphine are not particularly limited, but those shown below can be preferably used.
上記式中、R1〜R3、R6〜R11、m及びnは前記と同義である。すなわち、R1〜R3はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基であり、R6〜R8並びにR11はそれぞれ独立に水素原子、メチル基又はエチル基であり、R10はメチル基又はエチル基であり、mは2〜6の整数であり、nは2又は3である。R1〜R3、R6〜R9並びにR11はそれぞれ独立にメチル基又はエチル基であるのが好ましく、R1〜R3並びにR6〜R11はメチル基であるのがより好ましい。 In the above formula, R 1 ~R 3, R 6 ~R 11, m and n are defined as above. That is, R 1 to R 3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, R 6 to R 8 and R 11 are each independently a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and R 10 Is a methyl group or an ethyl group, m is an integer of 2 to 6, and n is 2 or 3. R 1 to R 3 , R 6 to R 9 and R 11 are preferably each independently a methyl group or an ethyl group, and R 1 to R 3 and R 6 to R 11 are more preferably a methyl group.
クロロメチル化したブロック共重合体とアミンもしくはホスフィンとの反応によって、すでに述べたようなアニオン伝導性基が導入される。ここで、モノアミン(1)やホスフィン(2)を用いる場合には、重合体ブロック(A)中にアニオン伝導性基が導入されるが、ジアミン(3)もしくは(4)やトリアミン(5)等の多価アミンを用いる場合には、重合体ブロック(A)中に1価のアニオン伝導性基として導入されるときもあり、多価のアニオン伝導性基として導入され、重合体ブロック(A)同士を架橋したり重合体ブロック(A)内で芳香族ビニル系化合物単位同士を架橋したりするときもあると考えられる。
また、R1〜R3が炭素数1〜8のアルキル基である場合や、R6〜R9並びにR11がメチル基又はエチル基である場合には、アニオン伝導性基は第4級アンモニウム基もしくは第4級ホスホニウム基を有することになる。
Reaction of the chloromethylated block copolymer with an amine or phosphine introduces an anion-conducting group as already mentioned. Here, when monoamine (1) or phosphine (2) is used, an anion conductive group is introduced into the polymer block (A), but diamine (3) or (4), triamine (5), etc. When the polyvalent amine is used, it may be introduced as a monovalent anion conductive group in the polymer block (A), or may be introduced as a polyvalent anion conductive group. It is considered that the aromatic vinyl compound units may be crosslinked with each other in the polymer block (A).
Further, and when
上記で導入されたアニオン伝導性基は酸アニオンとして塩素イオンを有しているので、必要に応じ、これを水酸化物イオンもしくは他の酸アニオンに、好ましくは水酸化物イオンに変換する。他のイオンに変換する方法としては特に制限されず、公知の方法を用いることができる。例えば、水酸化物イオンに変換する場合には、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液に、アニオン伝導性基が導入されたブロック共重合体を浸漬する方法を例示することができる。 Since the anion conductive group introduced above has a chlorine ion as an acid anion, it is converted into a hydroxide ion or another acid anion, preferably a hydroxide ion, if necessary. A method for converting to other ions is not particularly limited, and a known method can be used. For example, when converting to hydroxide ions, a method of immersing a block copolymer into which an anion conductive group is introduced in an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution can be exemplified.
アニオン伝導性基の導入量は、すでに述べたごとく、ブロック共重合体のイオン交換容量が0.30meq/g以上になるような量であることが望ましく、0.40meq/g以上になるような量であることがより好ましい。これにより実用的なアニオン伝導性能が得られる。アニオン伝導性基を導入したブロック共重合体のイオン交換容量は、滴定法、
赤外分光スペクトル測定、核磁気共鳴スペクトル(1H−NMRスペクトル)測定等の分析手段を用いて測定することができる。
As described above, the amount of the anion conductive group introduced is preferably such that the ion exchange capacity of the block copolymer is 0.30 meq / g or more, such that it is 0.40 meq / g or more. More preferably, it is an amount. Thereby, practical anion conducting performance can be obtained. The ion exchange capacity of the block copolymer introduced with an anion conductive group is determined by a titration method,
It can measure using analytical means, such as an infrared spectroscopy spectrum measurement and a nuclear magnetic resonance spectrum (< 1 > H-NMR spectrum) measurement.
本発明で用いられる星形ブロック共重合体の、第2の製造法は、イオン伝導性基を有する少なくとも1つの単量体を用いてブロック共重合体を製造する方法である。
カチオン伝導性基を有する単量体としては、芳香族系ビニル化合物にイオン伝導性基が結合した単量体が好ましい。具体的には、スチレンスルホン酸、α−アルキル−スチレンスルホン酸、ビニルナフタレンスルホン酸、α−アルキル−ビニルナフタレンスルホン酸、ビニルアントラセンスルホン酸、α−アルキル−ビニルアントラセンスルホン酸、ビニルピレンスルホン酸、α−アルキル−ビニルピレンスルホン酸、スチレンホスホン酸、α−アルキル−スチレンホスホン酸、ビニルナフタレンホスホン酸、α−アルキル−ビニルナフタレンホスホン酸、ビニルアントラセンホスホン酸、α−アルキル−ビニルアントラセンホスホン酸、ビニルピレンホスホン酸、α−アルキル−ビニルピレンホスホン酸等が挙げられる。これらの中では、工業的汎用性、重合の容易さ等から、o−、m−又はp−スチレンスルホン酸、α−アルキル−o−、m−又はp−スチレンスルホン酸が特に好ましい。
The second method for producing the star block copolymer used in the present invention is a method for producing a block copolymer using at least one monomer having an ion conductive group.
As the monomer having a cation conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to an aromatic vinyl compound is preferable. Specifically, styrene sulfonic acid, α-alkyl-styrene sulfonic acid, vinyl naphthalene sulfonic acid, α-alkyl-vinyl naphthalene sulfonic acid, vinyl anthracene sulfonic acid, α-alkyl-vinyl anthracene sulfonic acid, vinyl pyrene sulfonic acid, α-alkyl-vinylpyrenesulfonic acid, styrenephosphonic acid, α-alkyl-styrenephosphonic acid, vinylnaphthalenephosphonic acid, α-alkyl-vinylnaphthalenephosphonic acid, vinylanthracenephosphonic acid, α-alkyl-vinylanthracenephosphonic acid, vinyl Examples include pyrenephosphonic acid and α-alkyl-vinylpyrenephosphonic acid. Among these, o-, m- or p-styrene sulfonic acid, α-alkyl-o-, m- or p-styrene sulfonic acid is particularly preferable from the viewpoint of industrial versatility and ease of polymerization.
カチオン伝導性基を含有する単量体としては、共役ジエン化合物にイオン伝導性基が結合した単量体も用いることができる。具体的には、1,3−ブタジエン−1−スルホン酸、1,3−ブタジエン−2−スルホン酸、イソプレン−1−スルホン酸、イソプレン−2−スルホン酸、1,3−ブタジエンー1−ホスホン酸、1,3−ブタジエン−2−ホスホン酸、イソプレン−1−ホスホン酸、イソプレン−2−ホスホン酸等が挙げられる。
As the monomer containing a cation conductive group, a monomer in which an ion conductive group is bonded to a conjugated diene compound can also be used. Specifically, 1,3-butadiene-1-sulfonic acid, 1,3-butadiene-2-sulfonic acid, isoprene-1-sulfonic acid, isoprene-2-sulfonic acid, 1,3-butadiene-1-
カチオン伝導性基を含有する単量体としてはまた、ビニルスルホン酸、α−アルキル−ビニルスルホン酸、ビニルアルキルスルホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルスルホン酸、ビニルホスホン酸、α−アルキル−ビニルホスホン酸、ビニルアルキルホスホン酸、α−アルキル−ビニルアルキルホスホン酸等も用いることができる。これらの中では、ビニルスルホン酸、ビニルホスホン酸が好ましい。
カチオン伝導性を含有する単量体としては、さらに、イオン伝導性基が結合した(メタ)アクリル系単量体も用いることができる。具体的には、メタクリル酸、アクリル酸、2−アクリルアミド−2−メチル−1−プロパンスルホン酸等が挙げられる。
Examples of the monomer containing a cationic conductive group include vinyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl sulfonic acid, vinyl alkyl sulfonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl sulfonic acid, vinyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl phosphone. Acid, vinyl alkyl phosphonic acid, α-alkyl-vinyl alkyl phosphonic acid and the like can also be used. Among these, vinyl sulfonic acid and vinyl phosphonic acid are preferable.
As the monomer containing cationic conductivity, a (meth) acrylic monomer to which an ion conductive group is bonded can also be used. Specific examples include methacrylic acid, acrylic acid, 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, and the like.
カチオン伝導性基は、適当な金属イオン(例えばアルカリ金属イオン)あるいは対イオン(例えばアンモニウムイオン)で中和されている塩の形で導入されていてもよい。例えば、o−、m−又はp−スチレンスルホン酸ナトリウム、あるいはα−メチルーo−、m−又はp−スチレンスルホン酸ナトリウムを用いて重合体を製造することで、所望のイオン伝導性基を導入できる。又は、適当な方法でイオン交換することにより、スルホン酸基を塩型にしたブロック共重合体を得ることができる。 The cation conductive group may be introduced in the form of a salt neutralized with a suitable metal ion (for example, alkali metal ion) or counter ion (for example, ammonium ion). For example, a desired ion-conducting group is introduced by producing a polymer using sodium o-, m- or p-styrene sulfonate, or sodium α-methyl-o-, m- or p-styrene sulfonate. it can. Or the block copolymer which made the sulfonic acid group into the salt form can be obtained by ion-exchange by a suitable method.
アニオン伝導性基を有する単量体としては、以下に示すような基を用いることができる。 As the monomer having an anion conductive group, the following groups can be used.
式中、R12、R14及びR16は水素原子、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基又はフェニル基を表し、R13は水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を表し、R15及びR17は水素原子、メチル基又はエチル基を表し、X−は水酸化物イオン又は酸アニオンを表す。上記で炭素数1〜4のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、イソブチル基等が、炭素数1〜4のハロゲン化アルキル基としてはクロロメチル基、クロロエチル基、クロロプロピル基等が挙げられる。また、炭素数1〜8のアルキル基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。酸アニオンとしては、特に制限はなく、例えばハロゲンイオン(特に塩素イオン)、1/2SO4 2−、HSO4 −、p−トルエンスルホン酸アニオン等を挙げることができる。R12〜R17としてはメチル基又はエチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。上記式(2)において、−C(R14)=CH2基は4位もしくは2位に結合しているのが好ましい。
上記したアニオン伝導性基を有する単量体の中で、R13がメチル基又はエチル基、特にメチル基である式(1)で表される単量体が特に好ましい。
In formula, R < 12 >, R <14> and R < 16 > represent a hydrogen atom, a C1-C4 alkyl group, a C1-C4 halogenated alkyl group, or a phenyl group, and R < 13 > has a hydrogen atom or C1-C1. 8 represents an alkyl group, R 15 and R 17 represent a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and X − represents a hydroxide ion or an acid anion. In the above, the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is methyl group, ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, isobutyl group, etc., and the halogenated alkyl group having 1 to 4 carbon atoms is chloromethyl group, chloroethyl group, A chloropropyl group etc. are mentioned. Moreover, as a C1-C8 alkyl group, a methyl group, an ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, 2-ethylhexyl group Etc. The acid anion is not particularly limited, for example, a halogen ion (particularly chloride ion), 1 / 2SO 4 2-, HSO 4 -, may be mentioned p- toluenesulfonate anion. R 12 to R 17 are preferably a methyl group or an ethyl group, and more preferably a methyl group. In the above formula (2), the —C (R 14 ) ═CH 2 group is preferably bonded to the 4-position or the 2-position.
Among the monomers having an anion conductive group described above, a monomer represented by the formula (1) in which R 13 is a methyl group or an ethyl group, particularly a methyl group, is particularly preferable.
本発明のイオン伝導性バインダーは、本発明の効果を損なわない限り、軟化剤を含有していてもよい。軟化剤としては、パラフィン系、ナフテン系もしくはアロマ系のプロセスオイル等の石油系軟化剤、パラフィン、植物油系軟化剤、可塑剤等があり、これらは各単独で又は2種以上組み合わせて用いることができる。 The ion conductive binder of the present invention may contain a softening agent as long as the effects of the present invention are not impaired. Softeners include petroleum-based softeners such as paraffinic, naphthenic or aroma-based process oils, paraffin, vegetable oil-based softeners, plasticizers, etc., and these may be used alone or in combination of two or more. it can.
本発明のイオン伝導性バインダーは、さらに、必要に応じて各種添加剤、例えば、フェノール系安定剤、イオウ系安定剤、リン系安定剤、光安定剤、帯電防止剤、離型剤、難燃剤、発泡剤、顔料、染料、増白剤、カーボン繊維等を各単独で又は2種以上組み合わせて含有していてもよい。安定剤の具体例としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、ペンタエリスチリル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、トリエチレングリコール−ビス[3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、2,4−ビス−(n−オクチルチオ)−6−(4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルアニリノ)−1,3,5−トリアジン、2,2,−チオ−ジエチレンビス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ヒドロジナマミド)、3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシ−ベンジルホスホネート−ジエチルエステル、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、3,9−ビス{2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]−1,1−ジメチルエチル}−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン等のフェノール系安定剤;ペンタエリスリチルテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、ジステアリル3,3’−チオジプロピオネート、ジラウリル3,3’−チオジプロピオネート、ジミリスチル3,3’−チオジプロピオネート等のイオウ系安定剤;トリスノニルフェニルホスファイト、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、ジアステリルペンタエリスリトールジホスファイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトールジホスファイト等のリン系安定剤等が挙げられる。これら安定剤は各単独で用いても、2種以上組み合わせても用いてもよい。 The ion conductive binder of the present invention may further contain various additives as required, for example, phenol stabilizers, sulfur stabilizers, phosphorus stabilizers, light stabilizers, antistatic agents, mold release agents, flame retardants. , Foaming agents, pigments, dyes, brighteners, carbon fibers and the like may be contained singly or in combination of two or more. Specific examples of the stabilizer include 2,6-di-t-butyl-p-cresol, pentaerystyryl-tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1 , 3,5-trimethyl-2,4,6-tris (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) benzene, octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy) Phenyl) propionate, triethylene glycol-bis [3- (3-tert-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 2,4-bis- (n-octylthio) -6- (4-hydroxy- 3,5-di-t-butylanilino) -1,3,5-triazine, 2,2, -thio-diethylenebis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propi Onate], N, N′-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-hydrodinamamide), 3,5-di-tert-butyl-4-hydroxy-benzylphosphonate-diethyl ester, tris -(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxybenzyl) -isocyanurate, 3,9-bis {2- [3- (3-tert-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy ] -1,1-dimethylethyl} -2,4,8,10-tetraoxaspiro [5,5] undecane and other phenolic stabilizers; pentaerythrityltetrakis (3-laurylthiopropionate), distearyl Sulfur such as 3,3′-thiodipropionate, dilauryl 3,3′-thiodipropionate, dimyristyl 3,3′-thiodipropionate Stabilizers: trisnonylphenyl phosphite, tris (2,4-di-t-butylphenyl) phosphite, diasteryl pentaerythritol diphosphite, bis (2,6-di-t-butyl-4-methylphenyl) ) Phosphorus stabilizers such as pentaerythritol diphosphite. These stabilizers may be used alone or in combination of two or more.
本発明のイオン伝導性バインダーは、さらに、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、無機充填剤を含有していてもよい。かかる無機充填剤の具体例としては、タルク、炭酸カルシウム、シリカ、ガラス繊維、マイカ、カオリン、酸化チタン、モンモリロナイト、アルミナ等が挙げられる。 The ion conductive binder of the present invention may further contain an inorganic filler as long as it does not impair the effects of the present invention. Specific examples of such inorganic fillers include talc, calcium carbonate, silica, glass fiber, mica, kaolin, titanium oxide, montmorillonite, and alumina.
本発明のイオン伝導性バインダーにおける本発明のブロック共重合体の含有量は、イオン伝導性の観点から、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがより一層好ましい。 From the viewpoint of ion conductivity, the content of the block copolymer of the present invention in the ion conductive binder of the present invention is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and 90% by mass. % Or more is even more preferable.
本発明のイオン伝導性バインダーは、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極を構成する触媒層において使用されるか、あるいは電解質膜と触媒層との接合面に使用される。上記イオン伝導性バインダーは、膜−電極接合体の両側の電極に使用されるのが好ましいが、いずれか一方のみに使用してもよい。 The ion conductive binder of the present invention is used in a catalyst layer constituting a gas diffusion electrode of a polymer electrolyte fuel cell, or is used for a joining surface between an electrolyte membrane and a catalyst layer. The ion conductive binder is preferably used for electrodes on both sides of the membrane-electrode assembly, but may be used for only one of them.
本発明のイオン伝導性バインダーを、触媒を担持した触媒担体の表面に付着させて、触媒担体同士を結着させ、かつこれをガス拡散層又は電解質膜に接合させる方法としては、イオン伝導性バインダーの溶液又は懸濁液を、触媒を担持した導電性触媒担体などの原料粒子と混合した触媒ペーストを、ガス拡散層又は電解質膜に塗布してもよいし、予め形成されたガス拡散電極の触媒層にイオン伝導性バインダーを含む溶液を含浸させてもよい。 As a method of attaching the ion conductive binder of the present invention to the surface of a catalyst carrier carrying a catalyst, binding the catalyst carriers together, and joining this to a gas diffusion layer or an electrolyte membrane, an ion conductive binder is used. A catalyst paste prepared by mixing a solution or suspension of the above with raw material particles such as a conductive catalyst carrier carrying a catalyst may be applied to a gas diffusion layer or an electrolyte membrane, or a catalyst for a gas diffusion electrode formed in advance. The layer may be impregnated with a solution containing an ion conductive binder.
本発明のイオン伝導性バインダーの溶液又は懸濁液に使用する溶媒は、ブロック共重合体の構造を破壊しないものであれば特に限定されない。具体的には、塩化メチレン等のハロゲン化炭化水素類、トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族炭化水素溶媒、ヘキサン、ヘプタン等の直鎖式脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン等の環式脂肪族炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類の他、アセトニトリル、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等を例示することができる。これらの溶媒は各単独でもしくは2種以上組み合わせて用いることができる。また、また、イオン伝導性バインダーの溶解性もしくは懸濁性が損なわれない程度に水との混合溶液としてもよい。 The solvent used for the solution or suspension of the ion conductive binder of the present invention is not particularly limited as long as it does not destroy the structure of the block copolymer. Specifically, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, aromatic hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, and benzene, linear aliphatic hydrocarbons such as hexane and heptane, and cyclic aliphatic carbonization such as cyclohexane. Hydrogen, ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, acetonitrile, nitromethane, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, etc. It can be illustrated. These solvents can be used alone or in combination of two or more. Moreover, it is good also as a mixed solution with water to such an extent that the solubility or suspension property of an ion conductive binder is not impaired.
イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液の濃度は、触媒層の触媒表面に適切な皮膜が形成されやすい濃度であればよく、通常3質量%〜10質量%であることが好ましい。この濃度が高すぎると、触媒表面に形成される皮膜の厚さが大きすぎて反応ガスの触媒への拡散が阻害されたり、均一な触媒層を形成できず、触媒の利用効率が低減したりし、燃料電池としての出力が低下する場合がある。また、この濃度が低すぎると、溶液又は懸濁液の粘度が小さすぎて、ガス拡散層に塗布した場合には、ガス拡散層の内部深くまで浸透して、ガスの拡散性を阻害する場合がある。 The density | concentration of the solution or suspension containing an ion conductive binder should just be a density | concentration in which a suitable membrane | film | coat is easy to be formed on the catalyst surface of a catalyst layer, and it is preferable that it is normally 3 mass%-10 mass%. If this concentration is too high, the thickness of the film formed on the catalyst surface will be too large, and diffusion of the reaction gas to the catalyst will be hindered, or a uniform catalyst layer will not be formed, and the utilization efficiency of the catalyst will be reduced. However, the output as a fuel cell may decrease. Also, if this concentration is too low, the viscosity of the solution or suspension is too small, and when applied to the gas diffusion layer, it penetrates deeply into the gas diffusion layer and inhibits gas diffusibility. There is.
本発明のイオン伝導性バインダーを触媒層の触媒担体の表面に付着させて、触媒を結着する別の方法としては、イオン伝導性バインダーの粉末を、触媒を担持した導電性触媒担体などの原料粒子と混合し、ガス拡散層又は電解質膜に静電塗付する方法が挙げられる。 As another method for attaching the catalyst by attaching the ion conductive binder of the present invention to the surface of the catalyst carrier of the catalyst layer, the ion conductive binder powder is used as a raw material for a conductive catalyst carrier or the like carrying the catalyst. The method of mixing with particle | grains and electrostatically applying to a gas diffusion layer or an electrolyte membrane is mentioned.
本発明のイオン伝導性バインダーを、電解質膜と触媒層との接合面に使用する方法としては、イオン伝導性バインダーの溶液又は懸濁液を電解質膜又はガス拡散電極に形成された触媒層面に塗布し、電解質膜とガス拡散電極とを貼り合せ、必要に応じて熱圧着させる方法、あるいは、イオン伝導性バインダーの微粉末を電解質膜又はガス拡散電極に形成された触媒層面に静電塗布し、電解質膜と電極を張り合わせ、イオン伝導性バインダーの軟化温度以上で熱圧着させる方法が挙げられる。 As a method of using the ion conductive binder of the present invention on the joint surface between the electrolyte membrane and the catalyst layer, a solution or suspension of the ion conductive binder is applied to the catalyst layer surface formed on the electrolyte membrane or the gas diffusion electrode. Then, an electrolyte membrane and a gas diffusion electrode are bonded together, and a method of thermocompression bonding as necessary, or a fine powder of an ion conductive binder is electrostatically applied to the catalyst layer surface formed on the electrolyte membrane or the gas diffusion electrode, Examples include a method in which an electrolyte membrane and an electrode are bonded together and thermocompression bonded at a temperature equal to or higher than the softening temperature of the ion conductive binder.
イオン伝導性バインダーを含む溶液を電解質膜と触媒層との接合界面に使用する場合の溶液濃度は、高分子電解質膜とガス拡散電極との密着性が確保される3質量%〜10質量%が好ましい。この濃度が低すぎると、電解質膜とガス拡散電極との接合が不完全になる場合がある。また、この濃度が高すぎると、ガス拡散層の接合面への塗布性が低下し、細部への浸透性が低下する場合がある。 The solution concentration in the case of using a solution containing an ion conductive binder at the joining interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer is 3% by mass to 10% by mass for ensuring the adhesion between the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion electrode. preferable. If this concentration is too low, the bonding between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode may be incomplete. Moreover, when this density | concentration is too high, the applicability | paintability to the joint surface of a gas diffusion layer will fall, and the permeability to a detail may fall.
次に、本発明のイオン伝導性バインダーを用いた膜−電極接合体について述べる。膜−電極接合体の製造については特に制限はなく、公知の方法を適用することができ、例えば、イオン伝導性バインダーを含む触媒ペーストを印刷法やスプレー法により、ガス拡散層上に塗布し乾燥することで触媒層とガス拡散層との接合体を形成させ、ついで2対の接合体を、それぞれ触媒層を内側にして、電解質膜の両側にホットプレスなどによりと接合させる方法や、上記触媒ペーストを印刷法やスプレー法により電解質膜の両側に塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、それぞれの触媒層に、ホットプレスなどによりガス拡散層を圧着させる方法がある。さらに別の製造法として、イオン伝導性バインダーを含む溶液又は懸濁液を、電解質膜の両面及び/又は2対のガス拡散電極の触媒層面に塗布し、電解質膜と触媒層面とを張り合わせ、熱圧着などにより接合させる方法がある。この場合、該溶液又は懸濁液は電解質膜及び触媒層面のいずれか一方に塗付してもよいし、両方に塗付してもよい。さらに他の製造法として、まず、上記触媒ペーストをポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製などの基材フィルムに塗布し、乾燥して触媒層を形成させ、ついで、2対のこの基材フィルム上の触媒層を電解質膜の両側に加熱圧着により転写し、基材フィルムを剥離することで電解質膜と触媒層との接合体を得、それぞれの触媒層にホットプレスによりガス拡散層を圧着する方法がある。これらの方法においては、これらの方法をイオン伝導性基をNaなどの金属との塩にした状態で行い、接合後の酸処理によってプロトン型に戻す処理を行ってもよい。 Next, a membrane-electrode assembly using the ion conductive binder of the present invention will be described. The production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a known method can be applied. For example, a catalyst paste containing an ion conductive binder is applied on the gas diffusion layer by a printing method or a spray method and dried. To form a joined body of the catalyst layer and the gas diffusion layer, and then join the two pairs of joined bodies by hot pressing or the like on both sides of the electrolyte membrane with the catalyst layer inside. There is a method in which a paste is applied to both sides of an electrolyte membrane by a printing method or a spray method, dried to form a catalyst layer, and a gas diffusion layer is pressure-bonded to each catalyst layer by hot pressing or the like. As yet another production method, a solution or suspension containing an ion conductive binder is applied to both surfaces of the electrolyte membrane and / or the catalyst layer surfaces of the two pairs of gas diffusion electrodes, and the electrolyte membrane and the catalyst layer surface are bonded together, There is a method of joining by pressure bonding or the like. In this case, the solution or suspension may be applied to either the electrolyte membrane or the catalyst layer surface, or may be applied to both. As another manufacturing method, first, the catalyst paste is applied to a base film made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and dried to form a catalyst layer, and then two pairs of base films on the base film are formed. There is a method in which a catalyst layer is transferred to both sides of an electrolyte membrane by thermocompression bonding, a base film is peeled to obtain a joined body of the electrolyte membrane and the catalyst layer, and a gas diffusion layer is crimped to each catalyst layer by hot pressing. is there. In these methods, these methods may be performed in a state where the ion conductive group is made into a salt with a metal such as Na, and a treatment for returning to a proton type by acid treatment after bonding may be performed.
本発明の膜−電極接合体には、本発明のイオン伝導性バインダーが電極触媒層、及びガス拡散電極と電解質膜との接合面の少なくとも一方に使用される。好ましくは両方に使用され、この場合、燃料電池の電極反応効率向上の効果が顕著である。 In the membrane-electrode assembly of the present invention, the ion conductive binder of the present invention is used for at least one of the electrode catalyst layer and the bonding surface between the gas diffusion electrode and the electrolyte membrane. It is preferably used for both, and in this case, the effect of improving the electrode reaction efficiency of the fuel cell is remarkable.
上記膜−電極接合体を構成する電解質膜としては、例えば、「Nafion」(登録商標、デュポン社製)や「Gore−select」(登録商標、ゴア社製)などの既存のパーフルオロスルホン酸系ポリマーからなる電解質膜、スルホン化ポリエーテルスルホンやスルホン化ポリエーテルケトンからなる電解質膜、リン酸や硫酸を含浸したポリベンズイミダゾールからなる電解質膜等を用いることができる。また、本発明のイオン伝導性バインダーを構成する星形ブロック共重合体と同様の重合体ブロック(A)および重合体ブロック(B)を有する、直鎖状、分岐(グラフト)状、星形等のブロック共重合体から電解質膜を作製してもよい。なお、電解質膜とガス拡散電極との密着性を一層高めるためには、ガス拡散電極に使用したイオン伝導性バインダー中の重合体と同一材料から形成した電解質膜を用いることが好ましい。 Examples of the electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly include existing perfluorosulfonic acid-based materials such as “Nafion” (registered trademark, manufactured by DuPont) and “Gore-select” (registered trademark, manufactured by Gore). An electrolyte membrane made of a polymer, an electrolyte membrane made of sulfonated polyethersulfone or sulfonated polyetherketone, an electrolyte membrane made of polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid or sulfuric acid, and the like can be used. Further, linear, branched (graft), star, etc. having the same polymer block (A) and polymer block (B) as the star block copolymer constituting the ion conductive binder of the present invention. An electrolyte membrane may be prepared from the block copolymer. In order to further enhance the adhesion between the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, it is preferable to use an electrolyte membrane formed from the same material as the polymer in the ion conductive binder used for the gas diffusion electrode.
上記膜−電極接合体の触媒層の構成材料について、導電材/触媒担体としては特に制限はなく、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛などが挙げられ、これら単独であるいは2種以上混合して使用される。触媒金属としては、水素やメタノールなどの燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、パラジウム等、あるいはそれらの合金、例えば白金−ルテニウム合金が挙げられる。中でも白金や白金合金が多くの場合用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は、10〜300オングストロームである。これら触媒はカーボン等の導電材/触媒担体に担持させた方が触媒使用量は少なくコスト的に有利である。また、触媒層には、必要に応じて撥水剤が含まれていてもよい。撥水剤としては例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン-ブタジエン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン等の各種熱可塑性樹脂が挙げられる。 The constituent material of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly is not particularly limited as the conductive material / catalyst support, and examples thereof include carbon materials. Examples of the carbon material include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black, activated carbon, graphite, and the like. These may be used alone or in combination of two or more. The catalyst metal may be any metal that promotes the oxidation reaction of fuel such as hydrogen and methanol and the reduction reaction of oxygen, such as platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, Cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, palladium, etc., or alloys thereof, for example, platinum-ruthenium alloys are mentioned. Of these, platinum and platinum alloys are often used. The particle size of the metal serving as a catalyst is usually 10 to 300 angstroms. When these catalysts are supported on a conductive material such as carbon / catalyst support, the amount of catalyst used is small and it is advantageous in terms of cost. The catalyst layer may contain a water repellent as necessary. Examples of the water repellent include various thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene copolymer, and polyetheretherketone.
上記膜−電極接合体のガス拡散層は、導電性及びガス透過性を備えた材料から構成され、かかる材料として例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の炭素繊維よりなる多孔性材料が挙げられる。また、かかる材料には、撥水性を向上させるために、撥水化処理を施してもよい。 The gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly is made of a material having conductivity and gas permeability, and examples of such a material include a porous material made of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. Moreover, in order to improve water repellency, this material may be subjected to water repellency treatment.
上記のような方法で得られた膜−電極接合体を、極室分離と電極へのガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータ材の間に挿入することにより、固体高分子型燃料電池が得られる。本発明の膜−電極接合体は、燃料ガスとして水素を使用した純水素型、メタノールを改質して得られる水素を使用したメタノール改質型、天然ガスを改質して得られる水素を使用した天然ガス改質型、ガソリンを改質して得られる水素を使用したガソリン改質型、メタノールを直接使用する直接メタノール型等の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体として使用可能である。
上記の方法で得られる膜−電極接合体を使用した燃料電池は、化学的安定性が優れ、経時的な発電特性の低下が少なく、長時間安定して使用できる。
A polymer electrolyte fuel obtained by inserting the membrane-electrode assembly obtained by the above-described method between a conductive separator material that also serves as a gas supply flow path to the electrode and the electrode chamber separation. A battery is obtained. The membrane-electrode assembly of the present invention uses a pure hydrogen type using hydrogen as a fuel gas, a methanol reforming type using hydrogen obtained by reforming methanol, and hydrogen obtained by reforming natural gas. Natural gas reforming type, gasoline reforming type using hydrogen obtained by reforming gasoline, direct methanol type using methanol directly, etc. can be used as a membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells. is there.
The fuel cell using the membrane-electrode assembly obtained by the above method has excellent chemical stability, little deterioration in power generation characteristics over time, and can be used stably for a long time.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited by these Examples.
<参考例1>
ポリα−メチルスチレン(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるスターブロック共重合体(mS−EB)nXの製造
既報の方法(WO 02/40611号)と同様の方法で、ポリα−メチルスチレン−b−ポリブタジエンジブロック共重合体(以下mS−Bと略記する)まで合成した後、安息香酸フェニルを用いる代わりに、ジビニルベンゼンをポリマーの7.5倍モル量添加して、17時間反応させることにより、目的のスターブロック共重合体(mS−B)nXを得た。得られた(mS−B)nXの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は393500であり、その腕ポリマーである(mS−B)の数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は37800(n=10.4)であった。1H−NMR測定から求めた1,4−結合量は52%、α−メチルスチレン単位の含有量は33質量%であり、GPCのRI検出器から得られるスターポリマーに相当する面積と全ピーク面積の比から求められるスター化率は、96%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、1H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成した(mS−B)nXのシクロヘキサン溶液を調整し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において60℃で5時間水素添加反応を行い、(ポリα−メチルスチレン−b−水添ポリブタジエン)nX型スターブロック共重合体(以下(mS−EB)nXと略記する)を得た。得られた(mS−EB)nXの水素添加率を1H−NMRスペクトル測定により算出したところ、98.7%であった。
<Reference Example 1>
Production of Star Block Copolymer (mS-EB) n X Composed of Poly α-Methylstyrene (Polymer Block (A)) and Hydrogenated Polybutadiene (Polymer Block (B)) Previously reported method (WO 02/40611) In the same manner as in No.), a poly α-methylstyrene-b-polybutadiene diblock copolymer (hereinafter abbreviated as mS-B) was synthesized, and instead of using phenyl benzoate, divinylbenzene was used as the polymer 7 .5 times the molar amount was added, by reacting 17 hours to obtain a star block copolymer of the object (mS-B) n X. The number average molecular weight of the obtained (mS-B) n X ( GPC measurement, polystyrene equivalent) of 393500, its arm polymer number average molecular weight of (mS-B) (GPC measurement, in terms of polystyrene) 37800 ( n = 10.4). The amount of 1,4-bond determined from 1 H-NMR measurement was 52%, the content of α-methylstyrene unit was 33% by mass, the area corresponding to the star polymer obtained from the GPC RI detector, and the total peak The star rate determined from the area ratio was 96%. Further, it was found by composition analysis by 1 H-NMR spectrum measurement that α-methylstyrene was not substantially copolymerized in the polybutadiene block.
Synthesized (mS-B) n X cyclohexane solution was adjusted sufficiently were charged in a pressure vessel was purged with nitrogen, using a Ni / Al Ziegler hydrogenating catalyst, 60 ° C. under a hydrogen atmosphere Then, a hydrogenation reaction was carried out for 5 hours to obtain (poly α-methylstyrene-b-hydrogenated polybutadiene) n X-type star block copolymer (hereinafter abbreviated as (mS-EB) n X). Obtained where the (mS-EB) hydrogenation ratio of n X was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 98.7%.
<実施例1>
(1)スルホン化(mS−EB)nXの合成
塩化メチレン68.6ml中、0℃にて無水酢酸34.3mlと硫酸15.3mlとを反応させて硫酸化試薬を調製した。一方、参考例1で得られたブロック共重合体(mS−EB)nX100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン1000mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、硫酸化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて3時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化(mS−EB)nXを得た。得られたスルホン化(mS−EB)nXのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から43.5mol%、イオン交換容量は1.11meq/gであった。
(2)固体高分子型燃料電池単セル(MeOH水溶液/空気系)の作製
固体高分子型燃料電池用の電極を以下の手順で作製した。Pt−Ru合金触媒担持カーボンに、(1)で得られたスルホン化体の3質量%THF溶液を混合し、均一に分散されたペーストを調製した。このペーストをカーボンペーパーの片面に均一に塗布した。常温で数時間放置した後、常温で1時間減圧乾燥した。
また、Pt触媒担持カーボンに、ナフィオン溶液を混合し、均一に分散されたペーストを調製した。撥水処理済みのカーボンペーパーの片面に均一に塗布した。作製した電極は、アノード:Pt 1.10mg/cm2、Ru 0.82mg/cm2、ポリマー 1.92mg/cm2、カソード:Pt 1.01mg/cm2、ポリマー 1.00mg/cm2であった。
<Example 1>
(1) Synthesis of Sulfonated (mS-EB) n X In 68.6 ml of methylene chloride, 34.3 ml of acetic anhydride and 15.3 ml of sulfuric acid were reacted at 0 ° C. to prepare a sulfating reagent. On the other hand, 100 g of the block copolymer (mS-EB) n X obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour, and then purged with nitrogen, and then 1000 ml of methylene chloride was added. The mixture was stirred at 35 ° C. for 2 hours for dissolution. After dissolution, the sulfating reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring for 3 hours at 35 ° C., the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. Repeatedly until the washing and the change in pH of the wash water operations filtration is eliminated, and the final filtration polymer was vacuum dried to obtain a sulfonated (mS-EB) n X. The resulting sulfonated (mS-EB) 43.5mol% sulfonation proportion of the benzene rings of n X of α- methylstyrene units from 1 H-NMR analysis, and its ion exchange capacity was 1.11meq / g.
(2) Production of a polymer electrolyte fuel cell single cell (MeOH aqueous solution / air system) An electrode for a polymer electrolyte fuel cell was produced by the following procedure. A 3% by mass THF solution of the sulfonated product obtained in (1) was mixed with Pt—Ru alloy catalyst-supporting carbon to prepare a uniformly dispersed paste. This paste was uniformly applied to one side of the carbon paper. After leaving at room temperature for several hours, it was dried under reduced pressure at room temperature for 1 hour.
Further, a Nafion solution was mixed with Pt catalyst-carrying carbon to prepare a uniformly dispersed paste. The water-repellent treated carbon paper was uniformly applied on one side. The prepared electrodes were anode: Pt 1.10 mg / cm 2 , Ru 0.82 mg / cm 2 , polymer 1.92 mg / cm 2 , cathode: Pt 1.01 mg / cm 2 , polymer 1.00 mg / cm 2. It was.
ついで、後述の比較例1(2)で得られたブロック共重合体HmSEBmSのスルホン化物(α−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から32.1mol%、イオン交換容量は0.71meq/g)を公知の方法で成形した電解質膜(9cm×9cm)をアノード側及びカソード側のカーボンペーパー電極(5cm×5cm)で膜と触媒面とがそれぞれ向かい合うように挟み、プレス(20kg/cm2、8min)して膜−電極接合体を作製した。
上記で作製した膜−電極接合体を、2枚のガス供給流路の役割を兼ねた導電性のセパレータで挟み、さらにその外側を2枚の集電板及び2枚の締付板で順に挟み固体高分子型燃料電池用の評価セルを作製した。なお、それぞれの膜−電極接合体とセパレータとの間には、電極の厚み分の段差からのガス漏れを防ぐために、ガスケットを配した。
Subsequently, a sulfonated product of the block copolymer HmSEBmS obtained in Comparative Example 1 (2) described later (the sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit was 32.1 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity. Is 0.71 meq / g) formed by a known method, and an electrolyte membrane (9 cm × 9 cm) is sandwiched between carbon paper electrodes (5 cm × 5 cm) on the anode side and cathode side so that the membrane and the catalyst surface face each other, and press (20 kg / cm 2 , 8 min) to prepare a membrane-electrode assembly.
The membrane-electrode assembly produced above is sandwiched between two conductive separators that also serve as gas supply channels, and the outside is sandwiched between two current collector plates and two clamping plates in order. An evaluation cell for a polymer electrolyte fuel cell was produced. In addition, a gasket was disposed between each membrane-electrode assembly and the separator in order to prevent gas leakage from a step corresponding to the thickness of the electrode.
<実施例2>
(1)固体高分子型燃料電池単セル(MeOH水溶液/空気系)の作製
実施例1(1)で得られたスルホン化体を用いて、実施例1(2)と同様の方法にて、次のような配合比のアノード側のカーボンペーパー電極を作製した。作製した電極は、アノード:Pt 1.10mg/cm2、Ru 0.82mg/cm2、ポリマー 0.96mg/cm2であった。
ついで、作製したアノード側のカーボンペーパーと実施例1(2)と同じカソード側のカーボンペーパー電極を用いて、実施例1(2)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池単セルを作製した。
<Example 2>
(1) Production of solid polymer fuel cell single cell (MeOH aqueous solution / air system) Using the sulfonated product obtained in Example 1 (1), the same method as in Example 1 (2), A carbon paper electrode on the anode side having the following blending ratio was prepared. The prepared electrodes were anode: Pt 1.10 mg / cm 2 , Ru 0.82 mg / cm 2 , and polymer 0.96 mg / cm 2 .
Next, using the produced anode-side carbon paper and the same cathode-side carbon paper electrode as in Example 1 (2), a polymer electrolyte fuel cell single cell was produced in the same manner as in Example 1 (2). did.
<比較例1>
(1)α−メチルスチレン)(重合体ブロック(A))と水添ポリブタジエン(重合体ブロック(B))とからなるブロック共重合体の製造
既報の方法(特開2001−172324号公報)と同様の方法で、ポリ(α−メチルスチレン)−b−ポリブタジエン−ポリ(α−メチルスチレン)型トリブロック共重合体(以下mSEBmSと略記する)を合成した。得られたmSEBmSの数平均分子量(GPC測定、ポリスチレン換算)は74000であり、1H−NMR測定から求めた1,4−結合量は56%、α−メチルスチレン単位の含有量は28.6質量%であった。また、ポリブタジエンブロック中には、α−メチルスチレンが実質的に共重合されていないことが、1H−NMRスペクトル測定による組成分析により判明した。
合成したmSEBmSのシクロヘキサン溶液を調整し、十分に窒素置換を行った耐圧容器に仕込んだ後、Ni/Al系のZiegler系水素添加触媒を用いて、水素雰囲気下において80℃で5時間水素添加反応を行い、ポリ(α−メチルスチレン)−b−水添ポリブタジエン−b−ポリ(α−メチルスチレン)型トリブロック共重合体(以下HmSEBmSと略記する)を得た。得られたHmSEBmSの水素添加率を1H−NMRスペクトル測定により算出したところ、99.8%であった。
(2)スルホン化HmSEBmSの合成
塩化メチレン109.2ml中、0℃にて無水酢酸54.6mlと硫酸24.4mlとを反応させて硫酸化試薬を調製した。一方、参考例1で得られたブロック共重合体(HmSEBmS)100gを、攪拌機付きのガラス製反応容器中にて1時間真空乾燥し、ついで窒素置換した後、塩化メチレン850mlを加え、35℃にて2時間攪拌して溶解させた。溶解後、硫酸化試薬を、20分かけて徐々に滴下した。35℃にて4時間攪拌後、2Lの蒸留水の中に攪拌しながら重合体溶液を注ぎ、重合体を凝固析出させた。析出した固形分を90℃の蒸留水で30分間洗浄し、ついでろ過した。この洗浄及びろ過の操作を洗浄水のpHに変化がなくなるまで繰り返し、最後にろ集した重合体を真空乾燥してスルホン化HmSEBmSを得た。得られたスルホン化HmSEBmSのα−メチルスチレン単位のベンゼン環のスルホン化率は1H−NMR分析から50.5mol%、イオン交換容量は1.09meq/gであった。
(3)固体高分子型燃料電池単セル(MeOH水溶液/空気系)の作製
得られたスルホン化体を用いて、実施例1(2)と同様の方法にて、次のような配合比のアノード側のカーボンペーパー電極を作製した。作製した電極は、アノード:Pt 1.05mg/cm2、Ru 0.84mg/cm2、ポリマー 1.89mg/cm2であった。
ついで、作製したアノード側のカーボンペーパーと実施例1(2)と同じカソード側のカーボンペーパー電極を用いて、実施例1(2)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池単セルを作製した。
<Comparative Example 1>
(1) Production of block copolymer comprising α-methylstyrene) (polymer block (A)) and hydrogenated polybutadiene (polymer block (B)) Previously reported method (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-172324) In the same manner, a poly (α-methylstyrene) -b-polybutadiene-poly (α-methylstyrene) type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as mSEBmS) was synthesized. The number average molecular weight (GPC measurement, polystyrene conversion) of the obtained mSEBmS is 74000, the 1,4-bond content determined from 1 H-NMR measurement is 56%, and the content of α-methylstyrene unit is 28.6. It was mass%. Further, it was found by composition analysis by 1 H-NMR spectrum measurement that α-methylstyrene was not substantially copolymerized in the polybutadiene block.
After preparing a cyclohexane solution of synthesized mSEBmS and charging it into a pressure-resistant vessel sufficiently purged with nitrogen, a hydrogenation reaction was performed at 80 ° C. for 5 hours in a hydrogen atmosphere using a Ni / Al Ziegler hydrogenation catalyst. The poly (α-methylstyrene) -b-hydrogenated polybutadiene-b-poly (α-methylstyrene) type triblock copolymer (hereinafter abbreviated as HmSEBmS) was obtained. The hydrogenation proportion of the resulting HmSEBmS was calculated by 1 H-NMR spectrum measurement, it was 99.8%.
(2) Synthesis of sulfonated HmSEBmS In 109.2 ml of methylene chloride, 54.6 ml of acetic anhydride and 24.4 ml of sulfuric acid were reacted at 0 ° C. to prepare a sulfating reagent. On the other hand, 100 g of the block copolymer (HmSEBmS) obtained in Reference Example 1 was vacuum-dried in a glass reaction vessel equipped with a stirrer for 1 hour and then purged with nitrogen. And stirred for 2 hours to dissolve. After dissolution, the sulfating reagent was gradually added dropwise over 20 minutes. After stirring for 4 hours at 35 ° C., the polymer solution was poured into 2 L of distilled water while stirring to coagulate and precipitate the polymer. The precipitated solid was washed with distilled water at 90 ° C. for 30 minutes and then filtered. This washing and filtration operation was repeated until there was no change in the pH of the washing water, and the polymer collected at the end was vacuum dried to obtain sulfonated HmSEBmS. The sulfonation rate of the benzene ring of the α-methylstyrene unit of the sulfonated HmSEBmS obtained was 50.5 mol% from 1 H-NMR analysis, and the ion exchange capacity was 1.09 meq / g.
(3) Production of polymer electrolyte fuel cell single cell (MeOH aqueous solution / air system) Using the obtained sulfonated product, the following blending ratio was obtained in the same manner as in Example 1 (2). A carbon paper electrode on the anode side was prepared. Fabricated electrodes, anode: Pt 1.05mg / cm 2, Ru 0.84mg / cm 2, was polymer 1.89 mg / cm 2.
Next, using the produced anode-side carbon paper and the same cathode-side carbon paper electrode as in Example 1 (2), a polymer electrolyte fuel cell single cell was produced in the same manner as in Example 1 (2). did.
<比較例2>
(1)固体高分子型燃料電池単セル(MeOH水溶液/空気系)の作製
比較例1(2)で得られたスルホン化体を用いて、実施例1(2)と同様の方法にて、次のような配合比のアノード側のカーボンペーパー電極を作製した。作製した電極は、アノード:Pt 1.05mg/cm2、Ru 0.84mg/cm2、ポリマー 0.95mg/cm2であった。
ついで、作製したアノード側のカーボンペーパーと実施例1(2)と同じカソード側のカーボンペーパー電極を用いて、実施例1(2)と同様の方法にて固体高分子型燃料電池単セルを作製した。
<Comparative example 2>
(1) Production of solid polymer type fuel cell single cell (MeOH aqueous solution / air system) Using the sulfonated product obtained in Comparative Example 1 (2), the same method as in Example 1 (2), A carbon paper electrode on the anode side having the following blending ratio was prepared. Fabricated electrodes, anode: Pt 1.05mg / cm 2, Ru 0.84mg / cm 2, was polymer 0.95 mg / cm 2.
Next, using the produced anode-side carbon paper and the same cathode-side carbon paper electrode as in Example 1 (2), a polymer electrolyte fuel cell single cell was produced in the same manner as in Example 1 (2). did.
○実施例及び比較例の高分子膜のイオン伝導性バインダーとしての性能試験
1)イオン交換容量の測定
試料を密閉できるガラス容器中に秤量(a(g))し、そこに過剰量の塩化ナトリウム飽和水溶液を添加して一晩攪拌した。系内に発生した塩化水素を、フェノールフタレイン液を指示薬とし、0.01NのNaOH標準水溶液(力価f)にて滴定(b(ml))した。イオン交換容量は、次式により求めた。
イオン交換容量=(0.01×b×f)/a
○ Performance test as ion conductive binder of polymer membranes of Examples and Comparative Examples 1) Measurement of ion exchange capacity A sample is weighed (a (g)) in a glass container that can be sealed, and an excessive amount of sodium chloride is contained therein. Saturated aqueous solution was added and stirred overnight. Hydrogen chloride generated in the system was titrated (b (ml)) with a 0.01N NaOH standard aqueous solution (titer f) using a phenolphthalein solution as an indicator. The ion exchange capacity was determined by the following formula.
Ion exchange capacity = (0.01 × b × f) / a
2)燃料電池単セル出力性能評価
実施例1、実施例2、比較例1、比較例2で作製した固体高分子型燃料電池単セルについて、燃料電池出力性能を評価した。燃料には1M MeOH水溶液を用い、酸化剤には空気を用いた。アノード流量:1.8cc/min、カソード流量:250cc/minの条件下、セル温度60℃にて試験した。
2) Fuel cell single cell output performance evaluation About the polymer electrolyte fuel cell single cell produced in Example 1, Example 2, Comparative example 1, and Comparative example 2, the fuel cell output performance was evaluated. A 1M MeOH aqueous solution was used as the fuel, and air was used as the oxidant. The test was conducted at a cell temperature of 60 ° C. under conditions of an anode flow rate: 1.8 cc / min and a cathode flow rate: 250 cc / min.
○イオン伝導性バインダーとしての性能試験の結果
実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2で作製したイオン伝導性バインダーを用いて作製した固体高分子型燃料電池単セルの試験結果を、表1に示す。本発明のイオン伝導性バインダーは、同組成を有する直鎖型ブロック共重合体から構成されるイオン伝導性バインダーに比して、電池出力が高く、電池反応効率が向上することが明確となった。実施例1と実施例2より、本発明のイオン伝導性バインダーは実質的に機能するイオン基が多いことから、同等の触媒担持量で比較した場合、触媒層を形成するイオン伝導性バインダーは少量であっても十分に高い電池性能が得られることが明らかとなった。また、イオン伝導性バインダーの担持量が少ないことは、三相界面形成に必要な反応物の拡散経路の確保に有利に働くため、本発明の効果がより明確であった。一方、比較例2の場合には、イオン伝導性バインダーの担持量を低減することで反応物の拡散は容易になるが、機能するイオン基数が低下するため反応効率が上がらず、物質拡散と反応場形成を両立することが困難である。
Results of performance tests as ion conductive binders Test results of solid polymer fuel cell single cells produced using the ion conductive binders produced in Example 1, Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 Table 1 shows. It was clarified that the ion conductive binder of the present invention has higher battery output and improved battery reaction efficiency compared to an ion conductive binder composed of a linear block copolymer having the same composition. . From Example 1 and Example 2, since the ion-conductive binder of the present invention has a large number of substantially functional ionic groups, the amount of ion-conductive binder forming the catalyst layer is small when compared with the equivalent amount of catalyst supported. Even so, it was revealed that sufficiently high battery performance can be obtained. Further, since the small amount of ion-conductive binder supported favorably secures the diffusion path of the reactant necessary for forming the three-phase interface, the effect of the present invention was clearer. On the other hand, in the case of Comparative Example 2, the diffusion of the reaction product is facilitated by reducing the amount of the ion-conductive binder supported, but the reaction efficiency does not increase because the number of functional ionic groups decreases, and the material diffusion and reaction It is difficult to achieve both field formation.
実施例1(3)、実施例2(1)、比較例1(3)、比較例2(1)で作製した固体高分子型燃料電池単セルの発電特性として、電流密度に対する電圧の変化を測定した。結果を図1〜4に示す。 As the power generation characteristics of the polymer electrolyte fuel cell single cells produced in Example 1 (3), Example 2 (1), Comparative Example 1 (3), and Comparative Example 2 (1), the change in voltage with respect to the current density is shown. It was measured. The results are shown in FIGS.
Claims (9)
星形ブロック共重合体の数平均分子量>2×腕重合体ブロックの数平均分子量
を満たす請求項1に記載のイオン伝導性バインダー。 The polystyrene-reduced number average molecular weight calculated from GPC is the following relational expression:
2. The ion conductive binder according to claim 1, wherein the number average molecular weight of the star block copolymer> 2 × the number average molecular weight of the arm polymer block is satisfied.
A polymer electrolyte fuel cell using the membrane-electrode assembly according to claim 8.
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