JP2007059376A - Proton conductive polymer composite - Google Patents
Proton conductive polymer composite Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007059376A JP2007059376A JP2006090306A JP2006090306A JP2007059376A JP 2007059376 A JP2007059376 A JP 2007059376A JP 2006090306 A JP2006090306 A JP 2006090306A JP 2006090306 A JP2006090306 A JP 2006090306A JP 2007059376 A JP2007059376 A JP 2007059376A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- conductive polymer
- proton conductive
- composition
- polymer
- molecular weight
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 117
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title abstract 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 68
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 63
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 54
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 50
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 claims abstract description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 110
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 66
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 57
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 48
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 14
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 10
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 6
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 20
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 66
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 description 31
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 26
- -1 polyparaphenylene Polymers 0.000 description 24
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 23
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 23
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229920000412 polyarylene Polymers 0.000 description 17
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 16
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 14
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 12
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 11
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000010534 nucleophilic substitution reaction Methods 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 125000001033 ether group Chemical group 0.000 description 8
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 8
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 7
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 7
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 7
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 7
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 7
- XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N Dimethoxyethane Chemical compound COCCOC XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 6
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 6
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 6
- OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N Malonic acid Chemical compound OC(=O)CC(O)=O OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical group OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 5
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 5
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 5
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- KGKGSIUWJCAFPX-UHFFFAOYSA-N 2,6-dichlorothiobenzamide Chemical compound NC(=S)C1=C(Cl)C=CC=C1Cl KGKGSIUWJCAFPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 4
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 4
- JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N cyclohexanone Chemical compound O=C1CCCCC1 JHIVVAPYMSGYDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KZTYYGOKRVBIMI-UHFFFAOYSA-N diphenyl sulfone Chemical compound C=1C=CC=CC=1S(=O)(=O)C1=CC=CC=C1 KZTYYGOKRVBIMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N phosphonic acid group Chemical group P(O)(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920001643 poly(ether ketone) Polymers 0.000 description 4
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 4
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 4
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 4
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 4
- 235000011181 potassium carbonates Nutrition 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000000101 thioether group Chemical group 0.000 description 4
- YOYAIZYFCNQIRF-UHFFFAOYSA-N 2,6-dichlorobenzonitrile Chemical compound ClC1=CC=CC(Cl)=C1C#N YOYAIZYFCNQIRF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 3
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 229920002577 polybenzoxazole Polymers 0.000 description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 3
- 125000001174 sulfone group Chemical group 0.000 description 3
- 150000003457 sulfones Chemical class 0.000 description 3
- 125000004434 sulfur atom Chemical group 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- LZDKZFUFMNSQCJ-UHFFFAOYSA-N 1,2-diethoxyethane Chemical compound CCOCCOCC LZDKZFUFMNSQCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZWNCJCPLPUBNCZ-UHFFFAOYSA-N 1,2-dimethoxyethane;hydrate Chemical compound O.COCCOC ZWNCJCPLPUBNCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLHUBROMZOAQMV-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzosemiquinone Chemical group [O]C1=CC=C(O)C=C1 XLHUBROMZOAQMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GRUHREVRSOOQJG-UHFFFAOYSA-N 2,4-dichlorobenzonitrile Chemical compound ClC1=CC=C(C#N)C(Cl)=C1 GRUHREVRSOOQJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QQZOPKMRPOGIEB-UHFFFAOYSA-N 2-Oxohexane Chemical compound CCCCC(C)=O QQZOPKMRPOGIEB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N Hydroquinone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1 QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AMQJEAYHLZJPGS-UHFFFAOYSA-N N-Pentanol Chemical compound CCCCCO AMQJEAYHLZJPGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical group OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 2
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 150000004984 aromatic diamines Chemical class 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 150000007514 bases Chemical class 0.000 description 2
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N benzene Substances C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IOJUPLGTWVMSFF-UHFFFAOYSA-N benzothiazole Chemical compound C1=CC=C2SC=NC2=C1 IOJUPLGTWVMSFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VCCBEIPGXKNHFW-UHFFFAOYSA-N biphenyl-4,4'-diol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1C1=CC=C(O)C=C1 VCCBEIPGXKNHFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZFVMWEVVKGLCIJ-UHFFFAOYSA-N bisphenol AF Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1C(C(F)(F)F)(C(F)(F)F)C1=CC=C(O)C=C1 ZFVMWEVVKGLCIJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXKLMJQFEQBVLD-UHFFFAOYSA-N bisphenol F Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1CC1=CC=C(O)C=C1 PXKLMJQFEQBVLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 125000004093 cyano group Chemical group *C#N 0.000 description 2
- BGTOWKSIORTVQH-UHFFFAOYSA-N cyclopentanone Chemical compound O=C1CCCC1 BGTOWKSIORTVQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 2
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- CATSNJVOTSVZJV-UHFFFAOYSA-N heptan-2-one Chemical compound CCCCCC(C)=O CATSNJVOTSVZJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZSIAUFGUXNUGDI-UHFFFAOYSA-N hexan-1-ol Chemical compound CCCCCCO ZSIAUFGUXNUGDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 2
- 125000003010 ionic group Chemical group 0.000 description 2
- PHTQWCKDNZKARW-UHFFFAOYSA-N isoamylol Chemical compound CC(C)CCO PHTQWCKDNZKARW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZXEKIIBDNHEJCQ-UHFFFAOYSA-N isobutanol Chemical compound CC(C)CO ZXEKIIBDNHEJCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000000693 micelle Substances 0.000 description 2
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 2
- OENHRRVNRZBNNS-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1,8-diol Chemical compound C1=CC(O)=C2C(O)=CC=CC2=C1 OENHRRVNRZBNNS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- FDPIMTJIUBPUKL-UHFFFAOYSA-N pentan-3-one Chemical compound CCC(=O)CC FDPIMTJIUBPUKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- 229920001955 polyphenylene ether Polymers 0.000 description 2
- 229920006380 polyphenylene oxide Polymers 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 235000011121 sodium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical compound O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XTHPWXDJESJLNJ-UHFFFAOYSA-N sulfurochloridic acid Chemical compound OS(Cl)(=O)=O XTHPWXDJESJLNJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RIOQSEWOXXDEQQ-UHFFFAOYSA-N triphenylphosphine Chemical compound C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 RIOQSEWOXXDEQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 2
- LERREUOVCXYKGR-UHFFFAOYSA-N (2-phenoxyphenyl)-phenylmethanone Chemical compound C=1C=CC=C(OC=2C=CC=CC=2)C=1C(=O)C1=CC=CC=C1 LERREUOVCXYKGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCNHNBLSNVSJTJ-UHFFFAOYSA-N 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)ethane Chemical compound C=1C=C(O)C=CC=1C(C)C1=CC=C(O)C=C1 HCNHNBLSNVSJTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ONUFSRWQCKNVSL-UHFFFAOYSA-N 1,2,3,4,5-pentafluoro-6-(2,3,4,5,6-pentafluorophenyl)benzene Chemical group FC1=C(F)C(F)=C(F)C(F)=C1C1=C(F)C(F)=C(F)C(F)=C1F ONUFSRWQCKNVSL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 1,4-Dioxane Chemical compound C1COCCO1 RYHBNJHYFVUHQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PLVUIVUKKJTSDM-UHFFFAOYSA-N 1-fluoro-4-(4-fluorophenyl)sulfonylbenzene Chemical compound C1=CC(F)=CC=C1S(=O)(=O)C1=CC=C(F)C=C1 PLVUIVUKKJTSDM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MQCPOLNSJCWPGT-UHFFFAOYSA-N 2,2'-Bisphenol F Chemical compound OC1=CC=CC=C1CC1=CC=CC=C1O MQCPOLNSJCWPGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LJFDXXUKKMEQKE-UHFFFAOYSA-N 2,4-difluorobenzonitrile Chemical compound FC1=CC=C(C#N)C(F)=C1 LJFDXXUKKMEQKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BNBRIFIJRKJGEI-UHFFFAOYSA-N 2,6-difluorobenzonitrile Chemical compound FC1=CC=CC(F)=C1C#N BNBRIFIJRKJGEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SBASXUCJHJRPEV-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxyethoxy)ethanol Chemical compound COCCOCCO SBASXUCJHJRPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 2-METHOXYETHANOL Chemical compound COCCO XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TYAHIHMYMVZOEC-UHFFFAOYSA-N 2-[2-(2-hydroxyphenyl)ethyl]phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1CCC1=CC=CC=C1O TYAHIHMYMVZOEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BCCUXYYWOOECKZ-UHFFFAOYSA-N 2-[3-(2-hydroxyphenyl)propyl]phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1CCCC1=CC=CC=C1O BCCUXYYWOOECKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BFCOFCKCRLHGNP-UHFFFAOYSA-N 2-[4-(2-hydroxyphenyl)butyl]phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1CCCCC1=CC=CC=C1O BFCOFCKCRLHGNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YFVRBXNSKXGCNQ-UHFFFAOYSA-N 2-[5-(2-hydroxyphenyl)heptyl]phenol Chemical compound OC1=C(C=CC=C1)CCCCC(CC)C1=C(C=CC=C1)O YFVRBXNSKXGCNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LVXLKXRFAQXSLE-UHFFFAOYSA-N 2-[6-(2-hydroxyphenyl)hexyl]phenol Chemical compound C1(=C(C=CC=C1)CCCCCCC1=C(C=CC=C1)O)O LVXLKXRFAQXSLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZNQVEEAIQZEUHB-UHFFFAOYSA-N 2-ethoxyethanol Chemical compound CCOCCO ZNQVEEAIQZEUHB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940093475 2-ethoxyethanol Drugs 0.000 description 1
- RKSBPFMNOJWYSB-UHFFFAOYSA-N 3,3-Bis(4-hydroxyphenyl)pentane Chemical compound C=1C=C(O)C=CC=1C(CC)(CC)C1=CC=C(O)C=C1 RKSBPFMNOJWYSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKISUZLXOYGIFP-UHFFFAOYSA-N 4,4'-dichlorobenzophenone Chemical compound C1=CC(Cl)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(Cl)C=C1 OKISUZLXOYGIFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GPAPPPVRLPGFEQ-UHFFFAOYSA-N 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone Chemical compound C1=CC(Cl)=CC=C1S(=O)(=O)C1=CC=C(Cl)C=C1 GPAPPPVRLPGFEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSQARZALBDFYQZ-UHFFFAOYSA-N 4,4'-difluorobenzophenone Chemical compound C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LSQARZALBDFYQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VPWNQTHUCYMVMZ-UHFFFAOYSA-N 4,4'-sulfonyldiphenol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1S(=O)(=O)C1=CC=C(O)C=C1 VPWNQTHUCYMVMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VWGKEVWFBOUAND-UHFFFAOYSA-N 4,4'-thiodiphenol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1SC1=CC=C(O)C=C1 VWGKEVWFBOUAND-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NZGQHKSLKRFZFL-UHFFFAOYSA-N 4-(4-hydroxyphenoxy)phenol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1OC1=CC=C(O)C=C1 NZGQHKSLKRFZFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YDSGCMVPVMGPGG-UHFFFAOYSA-N 4-[(4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl)methyl]-2,5-dimethylphenol Chemical compound C1=C(O)C(C)=CC(CC=2C(=CC(O)=C(C)C=2)C)=C1C YDSGCMVPVMGPGG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BATCUENAARTUKW-UHFFFAOYSA-N 4-[(4-hydroxyphenyl)-diphenylmethyl]phenol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1C(C=1C=CC(O)=CC=1)(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 BATCUENAARTUKW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RSSGMIIGVQRGDS-UHFFFAOYSA-N 4-[(4-hydroxyphenyl)-phenylmethyl]phenol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1C(C=1C=CC(O)=CC=1)C1=CC=CC=C1 RSSGMIIGVQRGDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ODJUOZPKKHIEOZ-UHFFFAOYSA-N 4-[2-(4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl)propan-2-yl]-2,6-dimethylphenol Chemical compound CC1=C(O)C(C)=CC(C(C)(C)C=2C=C(C)C(O)=C(C)C=2)=C1 ODJUOZPKKHIEOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NUDSREQIJYWLRA-UHFFFAOYSA-N 4-[9-(4-hydroxy-3-methylphenyl)fluoren-9-yl]-2-methylphenol Chemical compound C1=C(O)C(C)=CC(C2(C3=CC=CC=C3C3=CC=CC=C32)C=2C=C(C)C(O)=CC=2)=C1 NUDSREQIJYWLRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OMIHGPLIXGGMJB-UHFFFAOYSA-N 7-oxabicyclo[4.1.0]hepta-1,3,5-triene Chemical group C1=CC=C2OC2=C1 OMIHGPLIXGGMJB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YWFPGFJLYRKYJZ-UHFFFAOYSA-N 9,9-bis(4-hydroxyphenyl)fluorene Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1C1(C=2C=CC(O)=CC=2)C2=CC=CC=C2C2=CC=CC=C21 YWFPGFJLYRKYJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLLMOYPIVVKFHY-UHFFFAOYSA-N Benzenethiol, 4,4'-thiobis- Chemical compound C1=CC(S)=CC=C1SC1=CC=C(S)C=C1 JLLMOYPIVVKFHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HTVITOHKHWFJKO-UHFFFAOYSA-N Bisphenol B Chemical compound C=1C=C(O)C=CC=1C(C)(CC)C1=CC=C(O)C=C1 HTVITOHKHWFJKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UOEZIMPILMGIAX-UHFFFAOYSA-N COC(CCO)C.C(C)OCC(C)O Chemical compound COC(CCO)C.C(C)OCC(C)O UOEZIMPILMGIAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XOBKSJJDNFUZPF-UHFFFAOYSA-N Methoxyethane Chemical compound CCOC XOBKSJJDNFUZPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Chemical compound CC(C)CC(C)=O NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Natural products CCC(C)C(C)=O UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PJZXLWUBJJYNMT-UHFFFAOYSA-N OC1=CC=CC2=C(C=CC=C12)O.OC1=CC=C(C=C1)C(=O)C1=CC=C(C=C1)O Chemical compound OC1=CC=CC2=C(C=CC=C12)O.OC1=CC=C(C=C1)C(=O)C1=CC=C(C=C1)O PJZXLWUBJJYNMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229920000265 Polyparaphenylene Polymers 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000929 Ru alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AEEAZFQPYUMBPY-UHFFFAOYSA-N [I].[W] Chemical compound [I].[W] AEEAZFQPYUMBPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N ac1mqpva Chemical compound CC12C(=O)OC(=O)C1(C)C1(C)C2(C)C(=O)OC1=O GTDPSWPPOUPBNX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 239000005456 alcohol based solvent Substances 0.000 description 1
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 description 1
- 229920005603 alternating copolymer Polymers 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002518 antifoaming agent Substances 0.000 description 1
- 239000002216 antistatic agent Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- ZWOASCVFHSYHOB-UHFFFAOYSA-N benzene-1,3-dithiol Chemical compound SC1=CC=CC(S)=C1 ZWOASCVFHSYHOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WYLQRHZSKIDFEP-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-dithiol Chemical compound SC1=CC=C(S)C=C1 WYLQRHZSKIDFEP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VRPKUXAKHIINGG-UHFFFAOYSA-N biphenyl-4,4'-dithiol Chemical compound C1=CC(S)=CC=C1C1=CC=C(S)C=C1 VRPKUXAKHIINGG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 150000004985 diamines Chemical class 0.000 description 1
- NKDDWNXOKDWJAK-UHFFFAOYSA-N dimethoxymethane Chemical compound COCOC NKDDWNXOKDWJAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002009 diols Chemical class 0.000 description 1
- 150000004662 dithiols Chemical class 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004210 ether based solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012760 heat stabilizer Substances 0.000 description 1
- ZRJUCHNILNOEKV-UHFFFAOYSA-N hexan-2-one hydrate Chemical compound O.CCCCC(C)=O ZRJUCHNILNOEKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000005453 ketone based solvent Substances 0.000 description 1
- 125000000468 ketone group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000002116 nanohorn Substances 0.000 description 1
- PCILLCXFKWDRMK-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1,4-diol Chemical compound C1=CC=C2C(O)=CC=C(O)C2=C1 PCILLCXFKWDRMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FZZQNEVOYIYFPF-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1,6-diol Chemical compound OC1=CC=CC2=CC(O)=CC=C21 FZZQNEVOYIYFPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZUVBIBLYOCVYJU-UHFFFAOYSA-N naphthalene-1,7-diol Chemical compound C1=CC=C(O)C2=CC(O)=CC=C21 ZUVBIBLYOCVYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MNZMMCVIXORAQL-UHFFFAOYSA-N naphthalene-2,6-diol Chemical compound C1=C(O)C=CC2=CC(O)=CC=C21 MNZMMCVIXORAQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DFQICHCWIIJABH-UHFFFAOYSA-N naphthalene-2,7-diol Chemical compound C1=CC(O)=CC2=CC(O)=CC=C21 DFQICHCWIIJABH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZBRJXVVKPBZPAN-UHFFFAOYSA-L nickel(2+);triphenylphosphane;dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ni+2].C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1.C1=CC=CC=C1P(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 ZBRJXVVKPBZPAN-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- IYDGMDWEHDFVQI-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;trioxotungsten Chemical compound O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.O=[W](=O)=O.OP(O)(O)=O IYDGMDWEHDFVQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 description 1
- 229960003975 potassium Drugs 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000011736 potassium bicarbonate Substances 0.000 description 1
- 235000015497 potassium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000028 potassium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940086066 potassium hydrogencarbonate Drugs 0.000 description 1
- 235000011118 potassium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 229920005604 random copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001226 reprecipitation Methods 0.000 description 1
- GHMLBKRAJCXXBS-UHFFFAOYSA-N resorcinol Chemical compound OC1=CC=CC(O)=C1 GHMLBKRAJCXXBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960001755 resorcinol Drugs 0.000 description 1
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000017550 sodium carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 description 1
- BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-M sulfonate Chemical compound [O-]S(=O)=O BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- HIFJUMGIHIZEPX-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid;sulfur trioxide Chemical compound O=S(=O)=O.OS(O)(=O)=O HIFJUMGIHIZEPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 125000006158 tetracarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004448 titration Methods 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーが溶解あるいは分散された組成物に関するものであり、特に燃料電池の電極に添加した際に、電極中の触媒性能が有効に働く組成物である。 The present invention relates to a composition in which an aromatic hydrocarbon proton-conducting polymer is dissolved or dispersed, and particularly when added to a fuel cell electrode, the composition in which the catalytic performance in the electrode works effectively. is there.
液体電解質のかわりに高分子固体電解質をイオン伝導体として用いる電気化学的装置の例として、高分子電解質型燃料電池や水電解槽を挙げることができる。また高分子電解質型燃料電池には、水素ガスを燃料として使用するタイプの燃料電池と、メタノールに代表されるような炭化水素系燃料と水の混合溶液を燃料として使用するタイプの燃料電池がある。構成としては、プロトン伝導性を有する電解質膜(高分子電解質膜、イオン交換膜、プロトン交換膜、プロトン伝導性ポリマー膜などとも言う)を一対の電極で挟み込んだ電極・電解質膜接合体により、片側の電極で酸化反応、もう一方の電極で還元反応を起こし、電池、あるいは水電解槽として作動させている。 Examples of electrochemical devices that use a polymer solid electrolyte as an ionic conductor instead of a liquid electrolyte include a polymer electrolyte fuel cell and a water electrolyzer. The polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell of a type using hydrogen gas as a fuel and a fuel cell of a type using a mixed solution of a hydrocarbon-based fuel and water typified by methanol as a fuel. . The structure is composed of an electrode / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane having proton conductivity (also referred to as a polymer electrolyte membrane, an ion exchange membrane, a proton exchange membrane, or a proton conductive polymer membrane) is sandwiched between a pair of electrodes. One electrode undergoes an oxidation reaction and the other electrode undergoes a reduction reaction, and is operated as a battery or a water electrolysis tank.
高分子電解質膜の多様化が進んでおり、従来型のナフィオン(登録商標)を代表例とするパーフルオロカーボンスルホン酸膜(フッ素系プロトン伝導性ポリマー膜)の他、芳香族炭化水素系ポリマーにスルホン酸基やホスホン酸基、リン酸基などのプロトン伝導性官能基を導入した芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーからなる高分子電解質膜(例えば特許文献1、特許文献2、非特許文献1)が種々検討されている。後者の膜については、フッ素系プロトン伝導性ポリマー膜と異なり、高温での膜の変形が少ない点や、メタノール等の液体燃料を燃料とするタイプの燃料電池に使用する場合のメタノール透過が少ないなどの長所が見られ、また価格的にもフッ素系プロトン伝導性ポリマーより安価が見込まれることから有望視されている。将来的には、それぞれのポリマーの特質を活かした展開が期待される。 The diversification of polymer electrolyte membranes is progressing, and in addition to perfluorocarbon sulfonic acid membranes (fluorinated proton conductive polymer membranes), which are typical examples of conventional Nafion (registered trademark), aromatic hydrocarbon polymers include sulfone. A polymer electrolyte membrane made of an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer into which proton conductive functional groups such as acid groups, phosphonic acid groups, and phosphoric acid groups are introduced (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 1) ) Has been studied in various ways. Unlike the fluorinated proton conducting polymer membrane, the latter membrane has little membrane deformation at high temperatures, and less methanol permeation when used in fuel cells that use liquid fuels such as methanol. It is promising because it is expected to be cheaper than fluorine-based proton conductive polymers. In the future, developments that take advantage of the characteristics of each polymer are expected.
上記電解質膜に電極を積層することで作製する電極・電解質膜接合体において使用される電極は、一般的にはプロトン伝導性ポリマーを溶剤等に溶解あるいは分散させた組成物と燃料電池反応に適した触媒を混合した触媒インクを、ガス拡散層あるいはフィルム上に塗布し、溶媒を除去することによって作製される。その後、電極を電解質膜に転写することによって、電極・電解質膜接合体が形成される(例えば特許文献3)。また、触媒インクを電解質膜上に直接塗布、あるいはスプレーなどによる間接塗布により形成させる方法も検討されている。 An electrode used in an electrode / electrolyte membrane assembly produced by laminating an electrode on the electrolyte membrane is generally suitable for a fuel cell reaction with a composition in which a proton conductive polymer is dissolved or dispersed in a solvent or the like. The catalyst ink mixed with the catalyst is applied on the gas diffusion layer or film, and the solvent is removed. Thereafter, the electrode / electrolyte membrane assembly is formed by transferring the electrode to the electrolyte membrane (for example, Patent Document 3). In addition, a method of forming the catalyst ink directly on the electrolyte membrane or by indirect application such as spraying has been studied.
いずれの手法にせよ、電極・電解質膜接合体としては、電極あるいは電解質膜の特性を良い形で引き出すことが重要であり、電極に関しては、電極内部でのプロトンや反応ガスの物質移動がスムーズであり、また触媒性能も良好に引き出すことが望まれるし、電解質膜との接合性も良好なものとする必要がある。 Regardless of the method, it is important for the electrode / electrolyte membrane assembly to draw out the characteristics of the electrode or electrolyte membrane in a good shape. With regard to the electrode, the mass transfer of protons and reaction gases inside the electrode is smooth. In addition, it is desired that the catalyst performance is also satisfactorily drawn out, and the bonding property with the electrolyte membrane needs to be good.
そういった観点より、従来型のフッ素系プロトン伝導性ポリマー膜に対しては、類似した構造のフッ素系プロトン伝導性ポリマーの組成物を電極に介在させる手法が取られており、それに適したフッ素系プロトン伝導性ポリマーを含有する組成物あるいは触媒インクの調整も行われている(例えば、特許文献4、特許文献5、特許文献6)、この場合よく似た物性のポリマー同士であるため、電極と電解質膜の接合性も良好に保つことができる。 From this point of view, conventional fluorine-based proton-conductive polymer membranes have a technique in which a composition of a fluorine-based proton-conductive polymer having a similar structure is interposed in the electrode, and a fluorine-based proton suitable for that purpose. Compositions containing conductive polymers or catalyst inks have also been prepared (for example, Patent Document 4, Patent Document 5, and Patent Document 6). In this case, since the polymers have similar physical properties, the electrode and the electrolyte The bondability of the film can also be kept good.
一方で、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーからなる電解質膜に対しても、芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを電極に介在させた電極と接合する方がより長期的に安定して動作できるという視点より検討されているが、電極に介在させるための組成物としての検討は十分になされていない。例えば特許文献7では非フッ素系プロトン伝導性ポリマーを溶解させた組成物が示されているが、この組成物は電極上に塗布形成させる方法で電解質膜とした際に、耐久性が良くなるというものであるし(電極には、ナフィオン(登録商標)を含有する市販電極を使用)、特許文献8での組成物は、流延法によって電解質膜を形成させるのに適した組成物であり、こちらも電極に介在させることを念頭に置いていない。 On the other hand, it is more stable in the long term for an electrolyte membrane made of an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer to be joined to an electrode having an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer interposed between the electrodes. Although it has been studied from the viewpoint that it can operate, it has not been sufficiently studied as a composition for interposing in an electrode. For example, Patent Document 7 discloses a composition in which a non-fluorine proton conductive polymer is dissolved, but this composition has improved durability when formed into an electrolyte membrane by a method of coating and forming on an electrode. (A commercially available electrode containing Nafion (registered trademark) is used for the electrode), and the composition in Patent Document 8 is a composition suitable for forming an electrolyte membrane by a casting method, This is also not intended to intervene in the electrode.
本発明の課題は、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを電解質膜として構成する燃料電池の、電極中に介在させるのに適した、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを溶解あるいは分散させた組成物に関するものであり、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーからなる電解質膜との接合性を良好に維持できると共に、燃料電池用触媒の特性を引き出すことが可能である。 An object of the present invention is to dissolve or disperse an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer suitable for interposition in an electrode of a fuel cell in which an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer is configured as an electrolyte membrane. It is possible to maintain good bonding properties with an electrolyte membrane made of an aromatic hydrocarbon proton-conducting polymer and to draw out the characteristics of a fuel cell catalyst.
上記課題を達成するために、本発明者らは、特に燃料電池の電極に介在させた際に、燃料電池用触媒の性能を良好に引き出すことの可能な芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを含む組成物の発明に至ったものであり、本発明は、下記の構成を有する。 In order to achieve the above object, the present inventors have proposed an aromatic hydrocarbon-based proton-conducting polymer that can satisfactorily bring out the performance of a catalyst for a fuel cell, particularly when interposed in an electrode of a fuel cell. And the present invention has the following constitution.
1.少なくとも芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを1〜30重量%の範囲で含む溶剤組成物であって、該プロトン伝導性ポリマー中の、ポリエチレングリコール換算分子量が2000〜23000の範囲である成分が、該プロトン伝導性ポリマー全量に対して10重量%以上含まれていることを特徴とする組成物である。 1. A solvent composition containing at least an aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer in the range of 1 to 30% by weight, wherein the component having a molecular weight in terms of polyethylene glycol in the range of 2000 to 23000 in the proton conductive polymer is , 10% by weight or more based on the total amount of the proton conductive polymer.
2.該芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーの分子量分布が二つ以上の極大値を有しており、極大値の少なくとも一つ以上がポリエチレングリコール換算分子量で2000〜23000の範囲にあり、かつ極大値の少なくとも一つ以上がポリエチレングリコール換算分子量で23000よりも大きい領域にあることを特徴とする上記1に記載の組成物である。 2. The molecular weight distribution of the aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer has two or more maximum values, and at least one of the maximum values is in the range of 2000 to 23000 in terms of polyethylene glycol equivalent molecular weight. 2. The composition according to 1 above, wherein at least one of the values is in a region larger than 23000 in terms of polyethylene glycol equivalent molecular weight.
3.芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーの分子量分布における、ポリエチレングリコール換算分子量が23000よりも大きい領域にある極大値が、ポリエチレングリコール換算分子量で50000〜120000の範囲にあることを特徴とする上記2に記載の組成物である。 3. 2. The maximum value in the region where the molecular weight in terms of polyethylene glycol is larger than 23,000 in the molecular weight distribution of the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer is in the range of 50,000 to 120,000 in terms of polyethylene glycol. The composition described.
4.上記1〜3のいずれかに記載の組成物であって、組成物に含まれる溶剤が、少なくとも、1〜85重量%の範囲の水を含むことを特徴とする組成物である。 4). 4. The composition according to any one of 1 to 3, wherein the solvent contained in the composition contains at least water in the range of 1 to 85% by weight.
5.上記1〜4のいずれかに記載の組成物であって、該組成物の可視光吸収スペクトルにおける750nmでの吸光係数が、0〜0.3cm-1・%-1の範囲にあることを特徴とする組成物である。 5. 5. The composition according to any one of 1 to 4, wherein an extinction coefficient at 750 nm in a visible light absorption spectrum of the composition is in a range of 0 to 0.3 cm −1 ·% −1. It is a composition.
6.上記1〜5のいずれかに記載の組成物と触媒とを含有することを特徴とする触媒インクである。 6). 6. A catalyst ink comprising the composition according to any one of 1 to 5 above and a catalyst.
7.上記6に記載の触媒インクを用いて作製した電極を有し、かつ芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーからなる高分子電解質膜と積層して成ることを特徴とする電極・電解質膜接合体が組み込まれた燃料電池である。 7). An electrode / electrolyte membrane assembly comprising an electrode produced by using the catalyst ink described in 6 above and laminated with a polymer electrolyte membrane comprising an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer Is a fuel cell with built-in.
本発明の芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを含有する組成物は、燃料電池用の触媒等と混合することで触媒インクを調整でき、また本発明の触媒インクを使用して作製した電極は、良好な触媒性能を発現する。また芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーからなる電解質膜と良好に接合する。 The composition containing the aromatic hydrocarbon proton-conducting polymer of the present invention can be prepared by mixing with a fuel cell catalyst or the like, and an electrode prepared using the catalyst ink of the present invention Expresses good catalytic performance. Also, it is satisfactorily bonded to an electrolyte membrane made of an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer.
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明における芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーについて述べる。本発明における芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーは、ポリマー主鎖に芳香族あるいは芳香環を有する構造を持つ非フッ素系のプロトン伝導性ポリマーであり、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアリーレンスルフィドスルホン、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも1種を含むポリマーに、少なくとも1種以上のイオン性基が導入されているポリマーが挙げられる。イオン性基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、およびそれらの誘導体の少なくとも1種以上が挙げられる。なお、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボシキル基、リン酸基などの官能基をポリマーに含むことで、ポリマーのプロトン伝導性が発現される。この中で特に有効に作用する官能基は、スルホン酸基である。また、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、特定のポリマー構造のみを意味するものではなく、分子中にスルホン基、エーテル基、スルフィド基、ケトン基などの構造を有するポリマーの総称を表す。また、これらのポリマーは直鎖状であってもよいし、側鎖や枝分かれ構造を有していても良い。また、共重合ポリマーの場合は、ランダム、交互、ブロックのいずれの共重合体であっても良い。さらに、これらのポリマーは、分子鎖の一部に脂肪族基を含んでいても良い。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
First, the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention will be described. The aromatic hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention is a non-fluorine proton conductive polymer having a structure having an aromatic or aromatic ring in the polymer main chain, such as polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide. , Polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene, polyarylene ether, polyarylene sulfide, polyarylene sulfide sulfone, polyphenylquinoxaline, polyaryl ketone, polyether ketone, polyether ether ketone, polybenzoxazole, poly A polymer in which at least one or more ionic groups are introduced into a polymer containing at least one constituent component such as benzthiazole and polyimide can be given. Examples of the ionic group include at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group, a phosphoric acid group, and derivatives thereof. In addition, the proton conductivity of a polymer is expressed by including in the polymer a functional group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxyl group, or a phosphoric acid group. Among these, a functional group that acts particularly effectively is a sulfonic acid group. In addition, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. as used herein do not mean only a specific polymer structure, but a polymer having a structure such as a sulfone group, an ether group, a sulfide group, or a ketone group in the molecule. Represents a generic name. These polymers may be linear, or may have a side chain or a branched structure. In the case of a copolymer, any of random, alternating, and block copolymers may be used. Furthermore, these polymers may contain an aliphatic group in a part of the molecular chain.
上記官能基を含有するポリマーのうち、特に芳香環上にスルホン酸基を持つポリマーは、上記例のような骨格を持つポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族系炭化水素系ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの(例えば、Solid State Ionics,106,P.219(1998))、クロル硫酸を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.295(1984))、無水硫酸錯体を使用するもの(例えば、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,22,P.721(1984)、J.Polym.Sci.,Polym.Chem.,23,P.1231(1985))等が有効である。本発明のプロトン伝導性ポリマー、特にプロトン伝導性がスルホン酸基によって発現されるポリマーを得るためには、これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより実施することができる。また、特許第2884189号公報に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。 Among the polymers containing the functional group, a polymer having a sulfonic acid group on the aromatic ring can be obtained by reacting a polymer having a skeleton as in the above example with an appropriate sulfonating agent. Examples of such sulfonating agents include those using concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid that have been reported as examples of introducing sulfonic acid groups into aromatic hydrocarbon polymers (for example, Solid State Ionics, 106, P.219 (1998)), those using chlorosulfuric acid (for example, J. Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P.295 (1984)), those using anhydrous sulfuric acid complex (for example, J Polym. Sci., Polym. Chem., 22, P. 721 (1984), J. Polym. Sci., Polym. Chem., 23, P. 1231 (1985)) and the like are effective. In order to obtain the proton conductive polymer of the present invention, particularly a polymer in which proton conductivity is expressed by a sulfonic acid group, it is possible to carry out by using these reagents and selecting reaction conditions according to each polymer. it can. Moreover, it is also possible to use the sulfonating agent described in Japanese Patent No. 2884189.
また、上記芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも1種に酸性基を含むモノマーを用いて合成することもできる。酸性基は主鎖に結合していても、側鎖に結合していても良い。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも1種にスルホン酸基含有ジアミンを用いて酸性基含有ポリイミドとすることが出来る。芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも1種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することにより酸性基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールとすることが出来る。芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも1種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することが出来る。芳香族ジオールに変えて、芳香族ジチオールを用いることで、スルフィド基を導入することができる。この際、スルホン酸基含有ジオール(あるいはジチオール)を用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られた酸性基含有ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましいと言える。スルホン酸基を含有するジハライドモノマー中のジハライドの置換位置により主鎖あるいは側鎖にスルホン酸基を結合させるなどスルホン酸基の部位を制御することもできる。 The aromatic hydrocarbon proton conductive polymer can also be synthesized using a monomer containing an acidic group in at least one of the monomers used for polymerization. The acidic group may be bonded to the main chain or may be bonded to the side chain. For example, in a polyimide synthesized from an aromatic diamine and an aromatic tetracarboxylic dianhydride, an acidic group-containing polyimide can be obtained by using a sulfonic acid group-containing diamine as at least one of the aromatic diamines. In the case of polybenzoxazole synthesized from aromatic diamine diol and aromatic dicarboxylic acid, and polybenzthiazole synthesized from aromatic diamine dithiol and aromatic dicarboxylic acid, at least one kind of aromatic dicarboxylic acid contains sulfonic acid group By using dicarboxylic acid or phosphonic acid group-containing dicarboxylic acid, an acidic group-containing polybenzoxazole or polybenzthiazole can be obtained. Polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc. synthesized from aromatic dihalide and aromatic diol are synthesized by using sulfonic acid group-containing aromatic dihalide or sulfonic acid group-containing aromatic diol as at least one monomer. I can do it. A sulfide group can be introduced by using an aromatic dithiol instead of an aromatic diol. At this time, it is easier to use a sulfonic acid group-containing dihalide than to use a sulfonic acid group-containing diol (or dithiol) because the degree of polymerization tends to be high and the thermal stability of the obtained acidic group-containing polymer is high. It can be said that it is preferable. The site of the sulfonic acid group can be controlled by bonding the sulfonic acid group to the main chain or side chain depending on the substitution position of the dihalide in the dihalide monomer containing the sulfonic acid group.
本発明における芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、スルホン酸基含有ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリエーテルケトン系ポリマーなどのポリアリーレンエーテル系化合物やスルホン酸基含有のポリアリーレン系化合物であることがより好ましい。これらのポリマーにおいて、エーテル基はスルフィド基であっても好ましい。 The aromatic hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention includes sulfonic acid group-containing polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyether ketone-based polymers such as polyarylene ether compounds and sulfonic acid groups. More preferably, it is a polyarylene compound. In these polymers, the ether group is preferably a sulfide group.
さらに、これらのポリマーのうち、ポリアリーレンエーテル構造を含む、芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーが特に好ましい。ポリアリーレンエーテル構造を含むことによって、水を含む混合溶媒への分散が容易であり、取扱い性に優れるためである。明らかではないが、エーテル基により水を含む混合溶媒との親和性が良好となると考えている。また、ポリアリーレンエーテル構造をポリマー中に有することで、ポリマーとしての靭性に優れるため、燃料電池とした際の耐久性が良好で特に好ましい傾向がある。エーテル基はスルフィド基であっても好ましい。 Further, among these polymers, aromatic hydrocarbon proton conductive polymers containing a polyarylene ether structure are particularly preferable. By including a polyarylene ether structure, it is easy to disperse in a mixed solvent containing water and is excellent in handleability. Although it is not clear, it is considered that the affinity with a mixed solvent containing water is improved by the ether group. Moreover, since it has the toughness as a polymer by having a polyarylene ether structure in a polymer, there exists a tendency for durability at the time of setting it as a fuel cell to be especially preferable. The ether group is preferably a sulfide group.
下記一般式(1)で示される構成成分を含むものは好ましい例である。 What contains the structural component shown by following General formula (1) is a preferable example.
ただし、Arは2価の芳香族基、Yはスルホン基またはカルボニル基、XはHおよび/または1価のカチオン種、Zは芳香環を結合する任意の結合様式が選択されるが、直接結合、O原子および/またはS原子が好ましく、O原子であることがさらに好ましい。 However, Ar is a divalent aromatic group, Y is a sulfone group or a carbonyl group, X is H and / or a monovalent cationic species, Z is any bonding mode that bonds an aromatic ring, but is directly bonded , O atoms and / or S atoms are preferable, and O atoms are more preferable.
さらに、下記一般式(2)で示される構成成分を含むものはより好ましい。 Furthermore, what contains the structural component shown by following General formula (2) is more preferable.
ただし、Ar’は2価の芳香族基、Zは芳香環を結合する任意の結合様式が選択されるが、直接結合、O原子および/またはS原子が好ましく、O原子であることがさらに好ましい。 However, Ar ′ is a divalent aromatic group, and Z is an arbitrary bonding mode for bonding an aromatic ring, but is preferably a direct bond, an O atom and / or an S atom, and more preferably an O atom. .
上記一般式(2)で示される構成成分は、下記一般式(3)で示される構成成分であることが好ましい。 The component represented by the general formula (2) is preferably a component represented by the following general formula (3).
ただし、Ar’は2価の芳香族基、Zは芳香環を結合する任意の結合様式が選択されるが、直接結合、O原子および/またはS原子が好ましく、O原子であることがさらに好ましい。 However, Ar ′ is a divalent aromatic group, and Z is an arbitrary bonding mode for bonding an aromatic ring, but is preferably a direct bond, an O atom and / or an S atom, and more preferably an O atom. .
また、上記のスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物においては上記一般式(1)および一般式(2)で示される以外の構造単位が含まれていてもかまわない。このとき、上記一般式(1)または一般式(2)で示される以外の構造単位は本発明のスルホン酸を導入したポリアリーレンエーテルの50重量%以下であることが好ましい。50重量%以下とすることにより、スルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物の特性を活かした組成物とすることができる。 The sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound may contain structural units other than those represented by the general formula (1) and the general formula (2). At this time, the structural units other than those represented by the general formula (1) or the general formula (2) are preferably 50% by weight or less of the polyarylene ether introduced with the sulfonic acid of the present invention. By setting the content to 50% by weight or less, a composition utilizing the characteristics of the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound can be obtained.
芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーとしては、スルホン酸基含有量が0.3〜2.8meq/gの範囲にあることが好ましい。0.3meq/gよりも少ない場合には、十分なプロトン伝導性を示さない傾向があり、2.8meq/gよりも大きい場合にはポリマーの膨潤が大きくなりすぎて使用に適さなくなる傾向がある。その傾向はメタノール等の有機燃料を使用する燃料電池において特に顕著となる。より好ましくは0.6〜2.4meq/gである。なお、スルホン酸基含有量はポリマー組成より計算することができる。 The aromatic hydrocarbon proton conductive polymer preferably has a sulfonic acid group content in the range of 0.3 to 2.8 meq / g. When it is less than 0.3 meq / g, there is a tendency that sufficient proton conductivity is not exhibited, and when it is greater than 2.8 meq / g, the swelling of the polymer becomes too large to be suitable for use. . This tendency is particularly noticeable in fuel cells using organic fuels such as methanol. More preferably, it is 0.6-2.4 meq / g. The sulfonic acid group content can be calculated from the polymer composition.
またスルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物は、下記一般式(4)および一般式(5)で表される化合物をモノマーとして含む芳香族求核置換反応により重合することができる。一般式(4)で表される化合物の具体例としては、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が1価カチオン種との塩になったもの等が挙げられる。1価カチオン種としては、ナトリウム、カリウムや他の金属種や各種アミン類等でも良く、これらに制限される訳ではない。一般式(5)で表される化合物としては、2,6−ジクロロベンゾニトリル、2,6−ジフルオロベンゾニトリル、2,4−ジクロロベンゾニトリル、2,4−ジフルオロベンゾニトリル、等を挙げることができる。 In addition, the sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound can be polymerized by an aromatic nucleophilic substitution reaction containing the compounds represented by the following general formulas (4) and (5) as monomers. Specific examples of the compound represented by the general formula (4) include 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone, 3,3′-disulfo-4,4′-difluorodiphenylsulfone, 3, 3'-disulfo-4,4'-dichlorodiphenyl ketone, 3,3'-disulfo-4,4'-difluorodiphenyl sulfone, and those whose sulfonic acid groups are converted to salts with monovalent cation species Can be mentioned. The monovalent cation species may be sodium, potassium, other metal species, various amines, or the like, but is not limited thereto. Examples of the compound represented by the general formula (5) include 2,6-dichlorobenzonitrile, 2,6-difluorobenzonitrile, 2,4-dichlorobenzonitrile, 2,4-difluorobenzonitrile, and the like. it can.
ただし、Yはスルホン基またはカルボニル基、Xは1価のカチオン種、Wは塩素またはフッ素を示す。 However, Y is a sulfone group or a carbonyl group, X is a monovalent cation species, and W is chlorine or fluorine.
本発明において、上記2,6−ジクロロベンゾニトリルおよび2,4−ジクロロベンゾニトリルは、異性体の関係にあり、いずれを用いたとしても良好なプロトン伝導性、耐熱性、加工性および寸法安定性を達成することができる。その理由としては両モノマーとも反応性に優れるとともに、小さな繰り返し単位を構成することで分子全体の構造をより硬いものとしていると考えられている。 In the present invention, the above 2,6-dichlorobenzonitrile and 2,4-dichlorobenzonitrile are in an isomer relationship, and any of them is used for good proton conductivity, heat resistance, workability and dimensional stability. Can be achieved. The reason is considered that both monomers are excellent in reactivity and that the structure of the whole molecule is made harder by constituting a small repeating unit.
上述の芳香族求核置換反応において、上記一般式(4)、(5)で表される化合物とともに各種活性化ジフルオロ芳香族化合物やジクロロ芳香族化合物をモノマーとして併用することもできる。これらの化合物例としては、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロジフェニルスルホン、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、デカフルオロビフェニル等が挙げられるがこれらに制限されることなく、芳香族求核置換反応に活性のある他の芳香族ジハロゲン化合物、芳香族ジニトロ化合物、芳香族ジシアノ化合物なども使用することができる。 In the aromatic nucleophilic substitution reaction described above, various activated difluoroaromatic compounds and dichloroaromatic compounds can be used in combination with the compounds represented by the general formulas (4) and (5) as monomers. Examples of these compounds include 4,4′-dichlorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorodiphenyl sulfone, 4,4′-difluorobenzophenone, 4,4′-dichlorobenzophenone, decafluorobiphenyl, and the like. However, other aromatic dihalogen compounds, aromatic dinitro compounds, aromatic dicyano compounds and the like that are active in aromatic nucleophilic substitution can also be used.
また、上述の一般式(1)で表される構成成分中のArおよび上述の一般式(2)で表される構成成分中のAr’は、一般には芳香族求核置換重合において上述の一般式(4)、(5)で表される化合物とともに使用される芳香族ジオール成分モノマーより導入される構造である。このような芳香族ジオールモノマーの例としては、4,4’−ビフェノール、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルホン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、末端ヒドロキシル基含有ポリフェニレンエーテルオリゴマー、4,4’−チオビスベンゼンチオール、1,4−ベンゼンジチオール、1,3−ベンゼンジチオール、4,4’−ビフェニルジチオール、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,8−ジヒドロキシナフタレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)プロパン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ケトン、1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,6−ジヒドロキシナフタレン、1,7−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、2,7−ジヒドロキシナフタレン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)エーテル、ビス(4−ヒドロキシフェニル)スルフィド、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−1,4−ベンゼン、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−1,3−ベンゼン、1,4−ビス(ヒドロキシフェニル)ブタン、1,1−ビス(ヒドロキシフェニル)メタン、1,2−ビス(ヒドロキシフェニル)エタン、1,3−ビス(ヒドロキシフェニル)プロパン、1,5−ビス(ヒドロキシフェニル)ヘプタン、1,6−ビス(ヒドロキシフェニル)ヘキサン、等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。また、これらの芳香族ジオールには、炭素数1〜30の範囲のアルキル基、フェニル基などの芳香族系の置換基、ハロゲン、シアノ基、スルホン酸基およびその塩化合物などの置換基が結合していても良い。アルキル基や芳香族系の置換基にハロゲン、シアノ基、スルホン酸基などの置換基が結合していても良い。置換基の種類は特に限定されることはなく、芳香環あたり0〜2個であることが好ましい。これら芳香族ジオールは、単独で使用することができるが、複数の芳香族ジオールを併用することも可能である。 In addition, Ar in the structural component represented by the general formula (1) and Ar ′ in the structural component represented by the general formula (2) are generally the same as those described above in the aromatic nucleophilic substitution polymerization. It is a structure introduced from an aromatic diol component monomer used together with the compounds represented by formulas (4) and (5). Examples of such aromatic diol monomers include 4,4′-biphenol, bis (4-hydroxyphenyl) sulfone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) ethane, 2,2-bis (4-hydroxy). Phenyl) propane, bis (4-hydroxyphenyl) methane, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) butane, 3,3-bis (4-hydroxyphenyl) pentane, terminal hydroxyl group-containing polyphenylene ether oligomer, 4,4 '-Thiobisbenzenethiol, 1,4-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, 4,4'-biphenyldithiol, 1,4-dihydroxynaphthalene, 1,8-dihydroxynaphthalene, 2,2-bis (4 -Hydroxy-3,5-dimethylphenyl) propane, bis (4-hydroxy) 3,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxy-2,5-dimethylphenyl) methane, bis (4-hydroxyphenyl) phenylmethane, bis (4-hydroxyphenyl) diphenylmethane, 9,9-bis (4 -Hydroxyphenyl) fluorene, 9,9-bis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) fluorene, 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane, hydroquinone, resorcin, bis (4-hydroxyphenyl) ketone 1,5-dihydroxynaphthalene, 1,6-dihydroxynaphthalene, 1,7-dihydroxynaphthalene, 2,6-dihydroxynaphthalene, 2,7-dihydroxynaphthalene, bis (4-hydroxyphenyl) ether, bis (4-hydroxy Phenyl) sulfide Bis (4-hydroxyphenoxy) -1,4-benzene, bis (4-hydroxyphenoxy) -1,3-benzene, 1,4-bis (hydroxyphenyl) butane, 1,1-bis (hydroxyphenyl) methane, 1,2-bis (hydroxyphenyl) ethane, 1,3-bis (hydroxyphenyl) propane, 1,5-bis (hydroxyphenyl) heptane, 1,6-bis (hydroxyphenyl) hexane, and the like. In addition to these, various aromatic diols that can be used for the polymerization of polyarylene ether compounds by aromatic nucleophilic substitution reaction can also be used. In addition, these aromatic diols are bonded to substituents such as alkyl groups having 1 to 30 carbon atoms, aromatic substituents such as phenyl groups, halogens, cyano groups, sulfonic acid groups and their salt compounds. You may do it. A substituent such as a halogen, a cyano group, or a sulfonic acid group may be bonded to an alkyl group or an aromatic substituent. The kind of substituent is not particularly limited, and is preferably 0 to 2 per aromatic ring. These aromatic diols can be used alone, but a plurality of aromatic diols can be used in combination.
スルホン酸基含有ポリアリーレンエーテル系化合物を芳香族求核置換反応により重合する場合、上記一般式(4)および一般式(5)で表せる化合物を含む活性化ジフルオロ芳香族化合物および/またはジクロロ芳香族化合物と芳香族ジオール類を塩基性化合物の存在下で反応させることで重合体を得ることができる。 When polymerizing a sulfonic acid group-containing polyarylene ether compound by an aromatic nucleophilic substitution reaction, an activated difluoroaromatic compound and / or a dichloroaromatic compound including the compounds represented by the above general formula (4) and general formula (5) A polymer can be obtained by reacting a compound with an aromatic diol in the presence of a basic compound.
重合は、0〜350℃の温度範囲で行うことができるが、50〜250℃の温度であることが好ましい。0℃より低い場合には、十分に反応が進まない傾向にあり、350℃より高い場合には、ポリマーの分解も起こり始める傾向がある。反応は、無溶媒下で行うこともできるが、溶媒中で行うことが好ましい。使用できる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどを挙げることができるが、これらに限定されることはなく、芳香族求核置換反応において安定な溶媒として使用できるものであればよい。これらの有機溶媒は、単独でも2種以上の混合物として使用されても良い。塩基性化合物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられるが、芳香族ジオール類を活性なフェノキシド構造にしうるものであれば、これらに限定されず使用することができる。芳香族求核置換反応においては、副生物として水が生成する場合がある。この際は、重合溶媒とは関係なく、トルエンなどを反応系に共存させて共沸物として水を系外に除去することもできる。水を系外に除去する方法としては、モレキュラーシーブなどの吸水材を使用することもできる。 The polymerization can be carried out in the temperature range of 0 to 350 ° C., but is preferably 50 to 250 ° C. When the temperature is lower than 0 ° C., the reaction does not proceed sufficiently, and when the temperature is higher than 350 ° C., the polymer tends to be decomposed. The reaction can be carried out in the absence of a solvent, but is preferably carried out in a solvent. Examples of the solvent that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, and the like. And any solvent that can be used as a stable solvent in the aromatic nucleophilic substitution reaction. These organic solvents may be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the basic compound include sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like, and those that can convert an aromatic diol into an active phenoxide structure may be used. It can use without being limited to. In the aromatic nucleophilic substitution reaction, water may be generated as a by-product. In this case, regardless of the polymerization solvent, water can be removed from the system as an azeotrope by coexisting toluene or the like in the reaction system. As a method for removing water out of the system, a water absorbing material such as molecular sieve can also be used.
芳香族求核置換反応を溶媒中で行う場合、反応温度、ポリマー濃度、反応時間などを制御することで得られるポリマーの分子量を調整できる。反応温度としては、前記にあるように50℃〜250℃の範囲にあることが特に好ましく、温度が高いほど分子量の増加速度が速くなる傾向にあるので生産性に優れている。ポリマー濃度としては、モノマー濃度として2〜50重量%となるようにモノマーを仕込むことが好ましい。2重量%よりも少ない場合は、分子量が上がりにくい傾向がある。一方、50重量%よりも多い場合には、反応系の粘性が高くなりすぎ、反応物の後処理が困難になる傾向がある。反応時間は、0.2時間〜500時間、好ましくは1〜80時間である。反応時間が0.2時間より短いと系の温度が一定とならないため均一に反応させるのは困難な傾向にあり、500時間を超すと生産性の面から好ましくない。分子量としては反応時間が長いほど高くなる傾向にある。 When the aromatic nucleophilic substitution reaction is performed in a solvent, the molecular weight of the polymer obtained can be adjusted by controlling the reaction temperature, polymer concentration, reaction time, and the like. As described above, the reaction temperature is particularly preferably in the range of 50 ° C. to 250 ° C., and the higher the temperature, the faster the molecular weight increases, so the productivity is excellent. The polymer concentration is preferably charged so that the monomer concentration is 2 to 50% by weight. When the amount is less than 2% by weight, the molecular weight tends to be difficult to increase. On the other hand, when the amount is more than 50% by weight, the viscosity of the reaction system becomes too high, and the post-treatment of the reaction product tends to be difficult. The reaction time is 0.2 hours to 500 hours, preferably 1 to 80 hours. If the reaction time is shorter than 0.2 hours, the temperature of the system does not become constant, so that uniform reaction tends to be difficult, and if it exceeds 500 hours, it is not preferable from the viewpoint of productivity. The molecular weight tends to increase as the reaction time increases.
また分子量を制御する手法として、ポリマーの末端を封鎖することで、重合反応が必要以上に進むことを抑制することも可能である。例えば、反応活性な部位が一カ所であるモノマーを添加する方法を挙げることができるが、特に限定されるものではない。 Further, as a method for controlling the molecular weight, it is possible to prevent the polymerization reaction from proceeding more than necessary by blocking the ends of the polymer. For example, a method of adding a monomer having a single reactive site can be mentioned, but it is not particularly limited.
本発明の組成物における芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーのポリエチレングリコール換算分子量は、2000〜23000の範囲にある成分を含むことが好ましい。詳しい理由は分かっていないが、この範囲に含まれる分子量の芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを含む組成物と燃料電池用触媒を混合調整した触媒インクから作製される電極を燃料電池に使用すると、燃料電池発電において触媒活性による電圧低下が起こりやすい低電流密度領域において、高い電圧を維持することが可能である。触媒への芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーの吸着状態が関与していると推測している。尚、ポリエチレングリコール換算分子量が2000よりも小さい分子量の成分は水に対する溶解性を持つなど、安定に使用できない傾向にあり、一方ポリエチレングリコール換算分子量23000よりも大きい分子量の成分は低電流密度領域での電圧低下抑制に対する寄与が少なくなり電圧が低下する傾向にある。より好ましくは、ポリエチレングリコール換算分子量が2500〜23000の範囲にある成分を含むことが好ましく、さらに好ましくは、3000〜20000の範囲であり、さらに一層好ましくは3000〜15000の範囲である。また芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーの全量に対する割合として、10重量%以上含んでいることが好ましく、15重量%以上含んでいることがより好ましく、20重量%以上含んでいることがさらに好ましい。芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーに対する含有量が5重量%より少ないと、電圧低下抑制の効果はより大きな分子量の成分の影響を受け、打ち消される傾向にある。 The molecular weight in terms of polyethylene glycol of the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer in the composition of the present invention preferably includes a component in the range of 2000 to 23000. Although the detailed reason is not known, an electrode made of a catalyst ink prepared by mixing a fuel cell catalyst with a composition containing an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer having a molecular weight within this range is used for a fuel cell. Then, it is possible to maintain a high voltage in a low current density region where a voltage drop due to catalytic activity is likely to occur in fuel cell power generation. It is speculated that the adsorption state of the aromatic hydrocarbon proton conducting polymer on the catalyst is involved. In addition, a component having a molecular weight less than 2000 in terms of polyethylene glycol has a tendency to be unable to be used stably, such as being soluble in water, while a component having a molecular weight greater than 23,000 in terms of polyethylene glycol is in the low current density region. The contribution to the suppression of voltage drop tends to decrease and the voltage tends to decrease. More preferably, it contains a component having a molecular weight in terms of polyethylene glycol in the range of 2500 to 23000, more preferably in the range of 3000 to 20000, and still more preferably in the range of 3000 to 15000. Further, it is preferably contained in an amount of 10% by weight or more, more preferably 15% by weight or more, and further preferably 20% by weight or more, as a ratio to the total amount of the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer. . When the content relative to the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer is less than 5% by weight, the effect of suppressing the voltage drop tends to be canceled due to the influence of a component having a higher molecular weight.
プロトン伝導性ポリマー重合時の分子量は、正規分布に代表されるような分子量分布を持つことから、ポリエチレングリコール換算分子量2000〜23000の成分を10重量%以上含む芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを重合反応により得る場合、分子量分布の極大値としては比較的小さなものとなりやすい傾向にある。分子量が小さいと、化学・物理的安定性が低下するので、燃料電池として使用した際に電極としての物理・化学的安定性が幾分低下する傾向にある。またその傾向も本質的な化学的安定性のために、フッ素系プロトン伝導性ポリマーよりも問題となりやすい。よって分子量を低下させ、触媒性能を十分に引き出すことができたとしても、燃料電池温度が高温になるなど、発電条件が過酷な場合、耐久性が低下しやすい傾向にある。よって、芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを含む組成物としては、少なくともポリエチレングリコール換算分子量2000〜23000の範囲に分子量分布の極大値を有する芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマー成分に加え、ポリエチレングリコール換算分子量が23000より大きな範囲に一つ以上、分子量分布の極大値を持つ芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを含む混合組成物は、化学・物理的安定性を改善する方策として、好ましいものである。より好ましくは、ポリエチレングリコール換算分子量2000〜23000に分子量極大値を有するプロトン伝導性ポリマー成分とともにポリエチレングリコール換算分子量の極大値が50000〜120000の範囲にある成分を含有すると触媒性能と耐久性をより良い関係で両立することができる。さらに好ましくは、分子量の極大値が大きい方の成分の分子量極大値が60000〜90000の範囲である。ポリエチレングリコール換算分子量の極大値が120000を超える場合、組成物の粘性が増すため取り扱い上好ましくない傾向にある。なお、このような分子量極大値を複数持つポリマー組成物の調整方法は、特に限定されるものではなく公知の手法と取ることが可能である。単純に分子量分布の異なるプロトン伝導性ポリマーを任意の比で混合する手法が簡便である。 Since the molecular weight at the time of polymerization of the proton conductive polymer has a molecular weight distribution represented by a normal distribution, an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer containing 10% by weight or more of a component having a polyethylene glycol equivalent molecular weight of 2000 to 23000 is used. When obtained by a polymerization reaction, the maximum value of the molecular weight distribution tends to be relatively small. When the molecular weight is small, the chemical / physical stability is lowered, so that when used as a fuel cell, the physical / chemical stability as an electrode tends to be somewhat lowered. The tendency is also more problematic than fluorine-based proton conductive polymers due to the intrinsic chemical stability. Therefore, even if the molecular weight can be reduced and the catalyst performance can be sufficiently extracted, if the power generation conditions are severe, such as the fuel cell temperature becomes high, the durability tends to be lowered. Therefore, as a composition containing an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer, in addition to an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer component having a maximum molecular weight distribution in the range of at least a polyethylene glycol equivalent molecular weight of 2000 to 23000, polyethylene A mixed composition containing one or more aromatic hydrocarbon proton-conducting polymers having a maximum molecular weight distribution in the range where the molecular weight in terms of glycol is larger than 23,000 is preferable as a measure for improving chemical and physical stability. It is. More preferably, when a component having a maximum value of polyethylene glycol equivalent molecular weight in the range of 50,000 to 120,000 is contained together with a proton conductive polymer component having a molecular weight maximum value of polyethylene glycol equivalent molecular weight of 2000 to 23000, catalyst performance and durability are improved. It can be compatible in the relationship. More preferably, the molecular weight maximum value of the component having the larger molecular weight maximum value is in the range of 60000 to 90000. When the maximum value of the molecular weight in terms of polyethylene glycol exceeds 120,000, the viscosity of the composition increases, which tends to be undesirable for handling. In addition, the adjustment method of the polymer composition having a plurality of such molecular weight maximum values is not particularly limited and can be a known method. A method of simply mixing proton conductive polymers having different molecular weight distributions at an arbitrary ratio is simple.
本発明の芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、芳香族あるいは芳香環を有するプロトン伝導性ポリマーであることから、重合直後は、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジフェニルスルホン、スルホランなどの成分を含む溶媒に溶解した形で得られるが、必要により他の溶媒に置換することができる。重合時に使用される溶媒をそのまま用いると燃料電池とした際にも電極内にとどまり、初期性能に悪影響する傾向があるので、他の溶媒に置換することはより好ましい。 Since the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer of the present invention is a proton conductive polymer having an aromatic or aromatic ring, immediately after polymerization, N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N , N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, diphenyl sulfone, sulfolane, etc., and can be obtained in a form dissolved in a solvent, but can be replaced with another solvent if necessary. If the solvent used at the time of polymerization is used as it is, it remains in the electrode even when the fuel cell is formed, and there is a tendency to adversely affect the initial performance. Therefore, substitution with another solvent is more preferable.
本発明の組成物において使用可能な有機溶媒の種類としては、アルコール類、エーテル類、ケトン類、などから選択される極性を有する有機溶媒を選択することは好ましい(微量に含有される不純物は除く。)。また、アルコール類、エーテル類、ケトン類から選択される有機溶媒に加え、水を含む溶媒を使用することはより好ましい傾向にある。水を含むことによって、組成物中でのプロトン伝導性ポリマーの溶解あるいは分散性が向上する傾向にある。また、水分により、触媒と混合した際の火災などの危険性が低減する。 As the type of organic solvent that can be used in the composition of the present invention, it is preferable to select an organic solvent having a polarity selected from alcohols, ethers, ketones, etc. (excluding impurities contained in trace amounts). .) In addition to the organic solvent selected from alcohols, ethers and ketones, it is more preferable to use a solvent containing water. By containing water, the solubility or dispersibility of the proton conducting polymer in the composition tends to be improved. In addition, moisture reduces the risk of fire and the like when mixed with the catalyst.
より好ましい溶媒として使用できるアルコール類、エーテル類、ケトン類としては、触媒への影響や触媒インクとしての取り扱い性などを考慮すると、炭素数が6以下から構成されるものがさらに好ましく、アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、2−メトキシエタノール、2−エトシキエタノール、2−メチル−1−プロパノール、3−メチル−1−ブタノール、1−エトキシ−2−プロパノール、3−メトキシブタノールやその誘導体などは好適に使用できる例である。またエーテル系溶媒としては、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、メチラール、1,4ジオキサンなどは好適に使用できる例である。またケトン系溶媒としては、アセトン、ジエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、2−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、などが選択可能な例であるし、これらを組み合わせる事も可能である。中でも特に、ケトン類またはエーテル類から選択される有機溶媒あるいは、ケトン類またはエーテル類とアルコール類との併用はプロトン伝導性ポリマーの濃度が高い場合でも組成物が取扱いやすくなる傾向にあり、それら溶媒と共に水を含有する溶媒はさらに良好に取り扱うことができる。 Alcohols, ethers, and ketones that can be used as a more preferable solvent are more preferably those having 6 or less carbon atoms in consideration of the influence on the catalyst and the handling property as a catalyst ink. As methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, 2-methyl-1-propanol, 3-methyl-1-butanol, 1-ethoxy-2-propanol 3-methoxybutanol and its derivatives are examples that can be suitably used. Examples of ether solvents that can be suitably used include diethyl ether, ethyl methyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, methylal, and 1,4 dioxane. Examples of ketone solvents that can be selected include acetone, diethyl ketone, cyclohexanone, cyclopentanone, 2-hexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, and the like. It is. In particular, organic solvents selected from ketones or ethers, or the combined use of ketones or ethers and alcohols tend to make the composition easy to handle even when the concentration of the proton conductive polymer is high. In addition, the solvent containing water can be handled better.
重合時の溶媒を他の溶媒に置換する方法としては、例えば固形のプロトン伝導性ポリマーを得てから、本発明の組成物に適した溶媒に溶解・分散させる方法を取ることができる。重合時の溶媒を取り除く手法としては、重合反応終了後に、反応溶液より蒸発によって溶媒を除去し、必要に応じて残留物を洗浄する方法がある。また反応溶液を、プロトン伝導性ポリマーの溶解度が低い溶媒中に加えることによって、ポリマーを固体として沈殿させ、沈殿物の濾取によりポリマーを得ることもできる。後者の方法により、たとえば水中に沈殿させる場合、重合反応時に生成する塩を水に溶解除去できるので、プロトン伝導性ポリマーを精製する上では良好な手法である。また残留物の除去方法としては、洗浄操作のほか、濾過で除去することもできる。 As a method for substituting the solvent at the time of polymerization with another solvent, for example, after obtaining a solid proton-conductive polymer, it can be dissolved and dispersed in a solvent suitable for the composition of the present invention. As a method for removing the solvent at the time of polymerization, there is a method of removing the solvent by evaporation from the reaction solution after completion of the polymerization reaction and washing the residue as necessary. Further, by adding the reaction solution in a solvent having a low solubility of the proton conductive polymer, the polymer can be precipitated as a solid, and the polymer can be obtained by filtering the precipitate. When the latter method is used for precipitation in water, for example, the salt generated during the polymerization reaction can be dissolved and removed in water, which is a good technique for purifying the proton conductive polymer. As a method for removing the residue, it can be removed by filtration in addition to the washing operation.
得られた芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーは、例えばスルホン酸塩のような、塩の形で重合溶媒あるいは他の有機溶媒からなる混合溶液に溶解・分散させることも可能であるし、一度ポリマーを硫酸水溶液や塩酸水溶液のような酸性溶媒中で処理したのち水洗することによって、酸の形に変換したのち任意の溶媒に溶解・分散させることも可能である。酸型に変換する場合、過剰量の酸で処理することが一般的であるので、ポリマーが過剰な酸を含む可能性がある。そのため酸型に変換した後、水洗を繰り返すなどして、過剰な酸成分は除去することが望ましい。この際、洗浄に用いる水に塩が含まれていると酸型の官能基が塩型に変換される可能性があるので、少なくともイオン交換水のようなイオンを取り除く処理を行った水を使用することが好ましい。 The obtained aromatic hydrocarbon proton conductive polymer can be dissolved and dispersed in a mixed solution composed of a polymerization solvent or other organic solvent in the form of a salt such as a sulfonate, for example. It is also possible to treat the polymer in an acidic solvent such as an aqueous sulfuric acid solution or an aqueous hydrochloric acid solution and then wash it with water to convert it into an acid form and then dissolve and disperse it in an arbitrary solvent. When converting to the acid form, it is common to treat with an excess of acid, so the polymer may contain an excess of acid. Therefore, it is desirable to remove the excess acid component by repeating washing with water after conversion to the acid form. At this time, if the water used for washing contains salt, the acid functional group may be converted to the salt form, so use water that has been treated to at least remove ions such as ion-exchanged water. It is preferable to do.
また上記の組成物に占める水の割合としては、溶媒が、水とアルコールから選ばれる組み合わせの混合物である場合、水が1〜45重量%の範囲にあることが好ましく、より組成物の取り扱い性を良くするためには、水が1〜40重量%の範囲にあり、さらに好ましくは、1〜20重量%の範囲にあり、さらに一層好ましくは、2〜15重量%の範囲にあることが好まれる。混合溶媒に占める水分量が多く、45重量%を超えると、特に高濃度のプロトン伝導性ポリマーを含む組成物を得る場合、組成物の粘度が高く扱いにくくなる傾向がある。一方、水の割合が1重量%に満たない場合、プロトン伝導性ポリマーが固体状態で残るため、均質な組成物を得ることが困難である。その傾向も比較的高濃度のプロトン伝導性ポリマーの分散体を得る場合に問題となりやすい。 The proportion of water in the above composition is preferably such that when the solvent is a mixture of a combination selected from water and alcohol, water is in the range of 1 to 45% by weight, and the composition is more manageable. In order to improve the water content, the water content is preferably in the range of 1 to 40% by weight, more preferably in the range of 1 to 20% by weight, and still more preferably in the range of 2 to 15% by weight. It is. When the amount of water in the mixed solvent is large and exceeds 45% by weight, particularly when a composition containing a high concentration proton-conducting polymer is obtained, the composition tends to be high and difficult to handle. On the other hand, when the ratio of water is less than 1% by weight, it is difficult to obtain a homogeneous composition because the proton conductive polymer remains in a solid state. This tendency tends to be a problem when obtaining a dispersion of a proton conductive polymer having a relatively high concentration.
また水とアルコール系溶媒から選ばれる混合溶媒に占めるアルコール溶媒の割合としては、50〜98重量%の範囲にあることが好まれる。アルコール系溶媒の割合が50重量%未満となる場合、組成物の粘性が高く扱いにくく、特にゲル化する傾向が強いために好ましくない。一方アルコール系溶媒の割合が98重量%を超えるような場合、プロトン伝導性ポリマーの濃度が低くなるので、触媒インクを作製する時に有効的でない。より好ましくは、60〜95重量%の範囲である。 The proportion of the alcohol solvent in the mixed solvent selected from water and alcohol solvents is preferably in the range of 50 to 98% by weight. When the proportion of the alcohol solvent is less than 50% by weight, it is not preferable because the viscosity of the composition is high and difficult to handle, and particularly the tendency to gel is strong. On the other hand, when the proportion of the alcohol solvent exceeds 98% by weight, the concentration of the proton conductive polymer becomes low, which is not effective when producing a catalyst ink. More preferably, it is in the range of 60 to 95% by weight.
一方、上記組成物の溶媒として、水とアルコールに加え、エーテルあるいはケトン系溶媒を含む場合など、水とアルコールからなる2成分溶媒以外の組み合わせの場合、溶媒中の水分量あるいは有機溶媒の組み合わせにより溶媒の選択できる範囲を拡げることが可能である。その場合、水は1〜85重量%の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、15〜75重量%の範囲にあり、さらに好ましくは、40〜65重量%の範囲である。組成物に占める水分量が増加しても、溶液の粘度を低く保つことが可能である。 On the other hand, in the case of a combination other than a two-component solvent consisting of water and alcohol, such as a case where an ether or ketone solvent is included in addition to water and alcohol as the solvent of the above composition, depending on the amount of water in the solvent or a combination of organic solvents It is possible to expand the range in which the solvent can be selected. In that case, water is preferably in the range of 1 to 85% by weight, more preferably in the range of 15 to 75% by weight, and still more preferably in the range of 40 to 65% by weight. Even if the amount of water in the composition increases, the viscosity of the solution can be kept low.
また本発明の組成物におけるプロトン伝導性ポリマーの濃度としては、1〜30重量%の範囲にあることが好ましい。プロトン伝導性ポリマーの濃度が1重量%に満たない場合、組成物に占めるポリマー量が少なく、触媒インクを作製する時に有効的では無く、逆に30重量%を超えると、粘度が高くなり取り扱いが困難となる傾向にある。プロトン伝導性ポリマーの濃度としては1〜25重量%の範囲である場合、特に良好に取り扱うことができ、さらに好ましくは2〜20重量%の範囲であり、さらに一層好ましくは3〜15重量%の範囲である。 The concentration of the proton conductive polymer in the composition of the present invention is preferably in the range of 1 to 30% by weight. When the concentration of the proton conductive polymer is less than 1% by weight, the amount of the polymer in the composition is small, which is not effective when preparing a catalyst ink. Conversely, when the concentration exceeds 30% by weight, the viscosity becomes high and handling is difficult. It tends to be difficult. When the concentration of the proton conductive polymer is in the range of 1 to 25% by weight, it can be handled particularly well, more preferably in the range of 2 to 20% by weight, still more preferably in the range of 3 to 15% by weight. It is a range.
本発明の組成物において、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーの組成物中での構造は、溶解(均一に広がった状態)あるいは分散(ポリマーを含む部分と溶媒のみから構成される部分が別々に存在)するか、その中間状態にあるものと考えられる。水と有機溶媒の種類や量の組み合わせにより、組成物中での構造は変化すると考えられる。混合溶媒へ溶解・分散させる時の挙動を考えた場合、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを水で膨潤させた後、有機溶媒を加える手法により溶解・分散が促進されることから、混合溶媒中で芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーが分散した構造を取る場合は、主として水により膨潤したミセル構造を持ち、そのミセルが有機溶媒中に分散した形を取るものと推定している。また有機溶媒の特性により、有機溶媒とポリマー・水との相溶性が高くなるにつれ、溶解状態に近づくものと推定している。 In the composition of the present invention, the structure of the aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer in the composition is a dissolved (uniformly spread state) or dispersed (a part composed only of a polymer-containing part and a solvent). They exist separately) or are in an intermediate state. The structure in the composition is considered to change depending on the combination of the type and amount of water and organic solvent. Considering the behavior when dissolving / dispersing in a mixed solvent, the aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer is swollen with water, and then the dissolution / dispersion is promoted by adding an organic solvent. When taking a structure in which an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer is dispersed in a solvent, it is presumed that the structure has a micelle structure swollen mainly by water, and the micelle is dispersed in an organic solvent. In addition, due to the characteristics of the organic solvent, it is presumed that as the compatibility between the organic solvent and the polymer / water increases, it approaches a dissolved state.
本発明の組成物としては、沈殿などの分離が無い状態になるよう均一に溶解・分散させることがより好ましい傾向にある。そのための手法としては、予め調整した水と一種類の有機溶媒の混合溶液を添加する方法や、プロトン伝導性ポリマーに水を加えて一旦膨潤させた後、有機溶媒を加えると共に、撹拌などに代表される物理的手法で混合したり、加熱する方法を取ることができる。組成物の調整の容易さという点では後者の方が優れている。
なお本発明の組成物を調整する際に使用する芳香族炭化水素系ポリマーとしては、大きなブロック状のものよりも、細かな粉末のように、見かけの表面積が大きいものの方が、溶媒が行き渡りやすく、良好に取り扱うことができる。溶媒として使用する水や有機溶媒においては、触媒を被毒するような不純物が含まれないように、純度には注意を払う必要がある。ポリマーの重合時に使用する溶媒がポリマー中に残留する可能性もある。重合時の溶媒が燃料電池の性能に悪影響を与える可能性があるので、できるだけ取り除くことが好ましく、ポリマー重量に対して、5重量%以下まで取り除くことが好ましく最適には1重量%以下である。
The composition of the present invention tends to be more preferably dissolved and dispersed uniformly so that there is no separation such as precipitation. As a technique for that purpose, a method of adding a preliminarily prepared mixed solution of water and one kind of organic solvent, or adding water to a proton conductive polymer to swell once, adding an organic solvent, and representative of stirring, etc. Can be mixed or heated by physical methods. The latter is superior in terms of ease of adjustment of the composition.
In addition, as an aromatic hydrocarbon polymer used when preparing the composition of the present invention, a solvent having a larger apparent surface area such as a fine powder than a large block-shaped polymer is more easily spread. Can be handled well. In water or an organic solvent used as a solvent, attention must be paid to purity so that impurities that poison the catalyst are not included. There is also a possibility that the solvent used during the polymerization of the polymer remains in the polymer. Since the solvent during the polymerization may adversely affect the performance of the fuel cell, it is preferable to remove it as much as possible, and it is preferable to remove it up to 5% by weight or less, and optimally 1% by weight or less based on the polymer weight.
さらに本発明者らは、より良い発電性能を得るための検討を行った結果、ポリエチレングリコール換算分子量2000〜23000の範囲に含まれるプロトン伝導性ポリマー成分を含む組成物においては、組成物の750nmにおける可視光吸収スペクトルの吸光係数が0〜0.3cm-1・%-1の範囲にある場合、特に良好な燃料電池性能が得られることを見いだした。組成物の前記吸光係数が0.3cm-1・%-1よりも大きい組成物を用いて作った燃料電池においては、高電流密度領域における電圧低下が大きく、良好な性能が得られない傾向にある。より好ましくは吸光係数が0〜0.15cm-1・%-1の範囲であり、さらに好ましくは0.0001〜0.05cm-1・%-1の範囲である。高電流密度における電圧低下は、燃料あるいは酸素の拡散律速であると一般的に考えられていることより推定して、吸光係数が0.3cm-1・%-1を超える組成物を用いると、電極が密に詰まる傾向にあると推測している。しなしながら、この場合においても低電流密度領域では良好な発電性能を示すことが可能である。 Furthermore, as a result of investigations for obtaining better power generation performance, the present inventors have found that in a composition containing a proton-conducting polymer component contained in a polyethylene glycol equivalent molecular weight range of 2000 to 23000, the composition at 750 nm It has been found that particularly good fuel cell performance can be obtained when the extinction coefficient of the visible light absorption spectrum is in the range of 0 to 0.3 cm −1 ·% −1 . In a fuel cell made using a composition having a light absorption coefficient greater than 0.3 cm −1 ·% −1 in the composition, the voltage drop in the high current density region is large, and good performance tends not to be obtained. is there. More preferably, the extinction coefficient is in the range of 0 to 0.15 cm −1 ·% −1 , and further preferably in the range of 0.0001 to 0.05 cm −1 ·% −1 . The voltage drop at a high current density is estimated from the fact that it is generally considered to be diffusion controlled by fuel or oxygen, and when a composition having an extinction coefficient exceeding 0.3 cm −1 ·% −1 is used, It is speculated that the electrodes tend to be tightly packed. However, even in this case, it is possible to show good power generation performance in the low current density region.
さらに本発明の組成物においては、酸化防止剤を含んでいてもよく、燃料電池とした際の耐久性を向上することが可能である。なお酸化防止剤の種類や量に関しては、特に限定されるものではないが、ポリマーとの親和性の観点から、芳香族系の構造を分子内に含む酸化防止剤、例えばヒンダードフェノール系の酸化防止剤やヒンダードアミン系の酸化防止剤が良好に使用できる。またプロトン伝導性ポリマーに対して0.01〜10重量%の範囲で混在させた場合に特に良好であり、0.01重量%よりも少ないと酸化を防止する効果は少なく、一方10重量%よりも多いと、ポリマーに対する割合が高くなり、燃料電池用の電極を作製する際、ひび割れが起こりやすくなってしまう。酸化防止剤の別の例としては、特開2003−201403号公報等に記載の酸化防止剤なども挙げられる。なお、本発明の組成物は、必要に応じて、酸化防止剤以外にも、例えば、熱安定剤、架橋剤、静電気防止剤、消泡剤、重合禁止剤や、シリカ粒子やアルミナ粒子やチタニア粒子やホスホタングステン酸粒子などの無機化合物、無機−有機のハイブリッド化合物、イオン性液体、カーボンナノファイバーなどのナノカーボン材料、などの各種添加剤を含んでいても良い。 Furthermore, the composition of the present invention may contain an antioxidant and can improve the durability of the fuel cell. The type and amount of the antioxidant are not particularly limited, but from the viewpoint of affinity with the polymer, an antioxidant containing an aromatic structure in the molecule, for example, a hindered phenol-based oxidation. Inhibitors and hindered amine antioxidants can be used satisfactorily. In addition, it is particularly good when mixed in the range of 0.01 to 10% by weight with respect to the proton conductive polymer. When the content is less than 0.01% by weight, the effect of preventing oxidation is small, while from 10% by weight. If the amount is too large, the ratio to the polymer increases, and cracks are likely to occur when an electrode for a fuel cell is produced. Another example of the antioxidant includes an antioxidant described in JP-A No. 2003-201403 and the like. Note that the composition of the present invention can contain, for example, a heat stabilizer, a crosslinking agent, an antistatic agent, an antifoaming agent, a polymerization inhibitor, silica particles, alumina particles, and titania as necessary, in addition to the antioxidant. Various additives such as inorganic compounds such as particles and phosphotungstic acid particles, inorganic-organic hybrid compounds, ionic liquids, and nanocarbon materials such as carbon nanofibers may be included.
本発明の組成物を用いて、燃料電池の電極を作製する際に使用する触媒インクを作製することができる。触媒インクの調整方法としては特に制限されるものではなく公知の技術を使用することができる。触媒インクに使用する触媒としては、耐酸性と触媒活性の観点から適宜選出できるが、白金族系金属およびこれらの合金や酸化物が特に好ましい。例えばカソード用電極への応用を考える場合には白金または白金系合金,アノード電極への応用を考える場合には白金または白金系合金や白金とルテニウムの合金を使用すると高効率発電に適している。これらの触媒微粒子は活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンに担持されているものを用いるのが好ましい。カーボンナノチューブやカーボンナノホーンなどのナノカーボン材料に担持されていても良好に使用することができる。このように適宜選択される触媒と本発明の組成物を混合することにより、触媒インクを作製することができる。この際、触媒と組成物の混合インクを作製したのち、一度溶媒をとばして触媒表面をプロトン伝導性ポリマーが覆った触媒粒子を作ったのち、再度溶媒に溶解させた触媒インクとすることも可能である。組成物に占める水の量が特に少ない場合、触媒の種類によっては、発火する可能性もあるので、あらかじめ触媒に微量の水分を含有させておき、その後、本発明の組成物を添加することも有効である。冷却することも有効である。触媒と本発明の組成物以外の成分を含んでいても良い。 Using the composition of the present invention, it is possible to produce a catalyst ink for use in producing a fuel cell electrode. The method for adjusting the catalyst ink is not particularly limited, and a known technique can be used. The catalyst used in the catalyst ink can be appropriately selected from the viewpoint of acid resistance and catalytic activity, but platinum group metals and alloys and oxides thereof are particularly preferable. For example, platinum or a platinum-based alloy is suitable for application to a cathode electrode, and platinum or a platinum-based alloy or an alloy of platinum and ruthenium is suitable for high-efficiency power generation when considering application to an anode electrode. As these catalyst fine particles, those supported on particulate or fibrous carbon such as activated carbon or graphite are preferably used. Even if it is supported on a nanocarbon material such as carbon nanotube or carbon nanohorn, it can be used satisfactorily. Thus, a catalyst ink can be produced by mixing the catalyst appropriately selected and the composition of the present invention. At this time, after preparing the mixed ink of the catalyst and the composition, it is possible to remove the solvent once to form catalyst particles with the catalyst surface covered with the proton conductive polymer, and then make the catalyst ink dissolved again in the solvent It is. When the amount of water in the composition is particularly small, depending on the type of catalyst, there is a possibility of ignition, so it is also possible to add a trace amount of water to the catalyst in advance, and then add the composition of the present invention. It is valid. Cooling is also effective. Components other than the catalyst and the composition of the present invention may be contained.
また、このようにして調整される触媒インクを展開・乾燥させて得られる触媒層(電極)をプロトン伝導性の電解質膜上に形成させることで、電極・電解質膜接合体を作製することができる。この際、触媒層の外側には、集電体および燃料を効果的に輸送させる役割を持つ、多孔質性のカーボン不織布またはカーボンペーパーが存在することが好ましい。電解質膜の種類としては、本発明における芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーで示した構造を持つ、すなわち芳香族あるいは芳香環を有するプロトン伝導性ポリマーから作製される電解質膜が好ましい。フッ素系プロトン電解質膜を使用する場合は、特性の違いにより、電極・電解質膜の界面が剥離しやすくなってしまう。本発明の組成物を用いて作製した電極は、触媒性能を良好に引き出すことが可能であり、かつ注目を集める芳香族系あるいは芳香環を有するプロトン伝導性の高分子電解質膜に対して良好な接着性を有する点において優れている。電極・電解質膜接合体としては、膜−電極間に大きな抵抗が生じないようにすることが重要であり、また機械的な力によって剥離や電極触媒の剥落が生じないようにすることが重要である。 In addition, an electrode / electrolyte membrane assembly can be produced by forming a catalyst layer (electrode) obtained by spreading and drying the catalyst ink thus prepared on a proton conductive electrolyte membrane. . Under the present circumstances, it is preferable that the porous carbon nonwoven fabric or carbon paper which has a role which transports an electrical power collector and a fuel effectively exists in the outer side of a catalyst layer. As the type of the electrolyte membrane, an electrolyte membrane having a structure shown by the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer in the present invention, that is, made of a proton conductive polymer having an aromatic or aromatic ring is preferable. When a fluorine-based proton electrolyte membrane is used, the interface between the electrode and the electrolyte membrane tends to peel off due to the difference in characteristics. The electrode produced using the composition of the present invention can bring out the catalyst performance satisfactorily and is excellent for a proton-conducting polymer electrolyte membrane having an aromatic or aromatic ring that attracts attention. It is excellent in that it has adhesiveness. For electrode / electrolyte membrane assemblies, it is important to prevent large resistance from being generated between the membrane and the electrode, and it is also important to prevent peeling or peeling of the electrode catalyst due to mechanical force. is there.
この接合体の作製方法としては、例えば本発明の触媒インクをカーボンペーパー上に均一に塗布、乾燥させた後、電解質膜に熱圧着する手法や、カーボンペーパーの替わりに各種のフィルム上に触媒層を形成後、電解質膜に熱転写し、さらに多孔質性のカーボン層と重ね合わせるという手法を取ることができる。熱圧着または熱転写する際、電解質膜および/または電極層の水分量をコントロールした条件下で行うと、より良好な電極・電解質膜接合体とすることができる。また適宜、触媒層内に疎水性の物質や発泡剤を添加したり、電解質膜上に触媒層を形成した後、表面の疎水化処理を行うことで、触媒層のガス拡散性を向上するという手法を取ることも、良好な電極・電解質膜接合体を作製する手法の一つである。 As a method for producing this joined body, for example, the catalyst ink of the present invention is uniformly applied on carbon paper, dried, and then thermocompression bonded to an electrolyte membrane, or a catalyst layer on various films instead of carbon paper. After forming, heat transfer to the electrolyte membrane and further superposition with a porous carbon layer can be taken. When thermocompression bonding or thermal transfer is performed under a condition in which the moisture content of the electrolyte membrane and / or electrode layer is controlled, a better electrode / electrolyte membrane assembly can be obtained. Also, the gas diffusibility of the catalyst layer is improved by adding a hydrophobic substance or foaming agent to the catalyst layer as appropriate, or by forming a catalyst layer on the electrolyte membrane and then performing a hydrophobic treatment on the surface. Taking a technique is also one of the techniques for producing a good electrode / electrolyte membrane assembly.
また本発明の電極・電解質膜接合体を用いて、燃料電池を作製することもでき、作製した燃料電池は、長期にわたって良好な性能・接合性を持続する点で特に優れている。 Moreover, a fuel cell can also be produced using the electrode / electrolyte membrane assembly of the present invention, and the produced fuel cell is particularly excellent in that it maintains good performance and bondability over a long period of time.
以下本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、各種測定は次のように行った。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely using an Example, this invention is not limited to these Examples. Various measurements were performed as follows.
<プロトン伝導性ポリマーのイオン交換容量(酸型)>
イオン交換容量(IEC)としては、プロトン伝導性ポリマーに存在する酸型の官能基量を測定した。まずサンプル調整として、ポリマー粉末を80℃のオーブンで窒素気流下2時間乾燥し、さらにシリカゲルを充填したデシケータ中で30分間放置冷却した後、乾燥重量を測定した(Ws)。次いで、200mlの密閉型のガラス瓶に、200mlの1mol/l塩化ナトリウム超純水溶液と秤量済みの前記サンプルを入れ、密閉したまま、室温で24時間攪拌した。次いで、ガラスフィルターによって濾過した。濾液30mlを取り出し、10mMの水酸化ナトリウム水溶液(市販の標準溶液)で中和滴定し、滴定量(T)より下記式を用いて、IECを求めた。
IEC(meq/g)=10T/(30Ws)×0.2
(Tの単位:ml、Wsの単位:g)
<Ion exchange capacity of proton conducting polymer (acid type)>
As the ion exchange capacity (IEC), the amount of acid type functional groups present in the proton conducting polymer was measured. First, as a sample preparation, the polymer powder was dried in an oven at 80 ° C. under a nitrogen stream for 2 hours, further allowed to cool in a desiccator filled with silica gel for 30 minutes, and then the dry weight was measured (Ws). Next, 200 ml of a 1 mol / l sodium chloride ultrapure aqueous solution and the weighed sample were placed in a 200 ml sealed glass bottle and stirred at room temperature for 24 hours while being sealed. It was then filtered through a glass filter. 30 ml of the filtrate was taken out and neutralized with a 10 mM sodium hydroxide aqueous solution (commercial standard solution), and IEC was determined from the titration (T) using the following formula.
IEC (meq / g) = 10 T / (30 Ws) × 0.2
(Unit of T: ml, unit of Ws: g)
<ポリエチレングリコール換算分子量の測定方法>
プロトン伝導性ポリマーの分子量は、ポリエチレングリコール換算分子量として、GPCにより測定した。測定装置としては、Shodex GPC SYSTEM−21を用いた。カラムはTSKgel GMXXLカラム2本にTSKgel G2000HXLカラムをつなげたものを使用した(TOSOH製)。溶媒は30mMのLiBrと60mMのリン酸を溶解したN,N―ジメチルホルムアミドを用い、温度は40℃で流速は0.7ml/分とした。検出器はRI検出器を用いた。分子量は標準ポリエチレングリコール換算で計算して求めた。試料として、ポリマー固形分換算で0.05%に溶解後20μl注入した。
<Method of measuring molecular weight in terms of polyethylene glycol>
The molecular weight of the proton conductive polymer was measured by GPC as the molecular weight in terms of polyethylene glycol. As a measuring apparatus, Shodex GPC SYSTEM-21 was used. The column used was a TSKgel G2000H XL column connected to two TSKgel GMX XL columns (manufactured by TOSOH). The solvent used was N, N-dimethylformamide in which 30 mM LiBr and 60 mM phosphoric acid were dissolved, the temperature was 40 ° C., and the flow rate was 0.7 ml / min. The detector used was an RI detector. The molecular weight was calculated and calculated in terms of standard polyethylene glycol. As a sample, 20 μl was injected after dissolving in 0.05% in terms of polymer solid content.
<可視光吸収スペクトル測定>
HITACHI U−2001型ダブルビーム分光光度計により、750nmの可視光に対する吸光度(E)をJIS K0115(2004)「吸光光度分析通則」に従い測定した。ブランクはプロトン伝導性ポリマーを含有しない溶剤のみの混合物を用い測定した。光源としては、ヨウ素タングステンランプを用いた。
E=log(Io/It) (Io:入射光の強度 It:透過光の強度)
次いで吸光係数(ε[cm-1・%-1])を下記式にて算出した。
吸光係数(ε)=E(吸光度)/[l(セル長)・C(ポリマー濃度%)]
<Visible light absorption spectrum measurement>
Absorbance (E) for visible light at 750 nm was measured with a HITACHI U-2001 type double beam spectrophotometer in accordance with JIS K0115 (2004) “General Rules for Absorption Spectrophotometry”. The blank was measured using a solvent-only mixture containing no proton conducting polymer. An iodine tungsten lamp was used as the light source.
E = log (Io / It) (Io: intensity of incident light It: intensity of transmitted light)
Next, the extinction coefficient (ε [cm −1 ·% −1 ]) was calculated by the following formula.
Absorption coefficient (ε) = E (absorbance) / [l (cell length) · C (polymer concentration%)]
<組成物の対数粘度>
ポリマー粉末を0.5g/dlの濃度でN−メチルピロリドンに溶解し、30℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ln[ta/tb]/cで評価した(taは試料溶液の落下秒数、tbは溶媒のみの落下秒数、cはポリマー濃度)。
<Logarithmic viscosity of composition>
The polymer powder was dissolved in N-methylpyrrolidone at a concentration of 0.5 g / dl, the viscosity was measured using a Ubbelohde viscometer in a thermostatic bath at 30 ° C., and the logarithmic viscosity ln [ta / tb] / c was evaluated. (Ta is the drop time of the sample solution, tb is the drop time of the solvent only, and c is the polymer concentration).
<発電特性>
電極・電解質膜接合体を自作の燃料電池評価用セルに組み込み、株式会社NF回路設計ブロック製の燃料電池評価装置を使用し、セル温度80℃で、アノード側の燃料に水素ガス、カソード側には空気を、それぞれ供給しながら、16時間発電することでエージングを行った。次いで電流−電位曲線を調べることで初期性能を評価した。また500mA/cm2の電流密度下で500時間定電流連続放電試験を実施しながら、電圧の安定性を調査することで耐久性を測定した。
<Power generation characteristics>
The electrode / electrolyte membrane assembly is incorporated into a cell for fuel cell evaluation made by itself, and a fuel cell evaluation device manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd. is used. Performed aging by generating electricity for 16 hours while supplying air. The initial performance was then evaluated by examining the current-potential curve. Further, the durability was measured by investigating the stability of the voltage while conducting a constant current continuous discharge test for 500 hours at a current density of 500 mA / cm 2 .
実施例および比較例で用いたサンプルは下記の方法により作製した。 Samples used in Examples and Comparative Examples were produced by the following method.
(プロトン伝導性ポリマーの合成例1)
3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルスルホン2ナトリウム塩(略号:S−DCDPS)、2,6−ジクロロベンゾニトリル(略号:DCBN)、4,4’−ビフェノール、炭酸カリウム、のモル比で1.00:1.99:2.99:2.5の混合物14gをモレキュラーシーブ2.5gと共に100ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。50mlのNMPを入れて、151℃で2時間撹拌した後、反応温度を190〜200℃に上昇させて系の粘性が上がるのを目安に反応を続けた。この際の反応時間を変えることで異なる分子量分布を持つプロトン伝導性ポリマーを合成した。放冷の後、沈降しているモレキュラーシーブを除いて、水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄する操作を2回繰り返した。次いで1mol/リットルの塩酸水溶液1リットルに一晩撹拌しながら浸積してから、再び沸騰水中で1時間洗浄する操作を7回繰り返した後、減圧乾燥することで、表1に示すポリエチレングリコール換算分子量の異なる芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを作製した。
(Proton conductive polymer synthesis example 1)
3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenylsulfone disodium salt (abbreviation: S-DCDPS), 2,6-dichlorobenzonitrile (abbreviation: DCBN), 4,4′-biphenol, potassium carbonate, 14 g of a mixture having a molar ratio of 1.00: 1.99: 2.99: 2.5 was weighed into a 100 ml four-necked flask together with 2.5 g of molecular sieves and flushed with nitrogen. After adding 50 ml of NMP and stirring at 151 ° C. for 2 hours, the reaction was continued by raising the reaction temperature to 190 to 200 ° C. and increasing the viscosity of the system. Proton conducting polymers with different molecular weight distributions were synthesized by changing the reaction time. After standing to cool, the precipitated molecular sieve was removed and the mixture was precipitated in water as a strand. The operation of washing the obtained polymer in boiling water for 1 hour was repeated twice. Next, after being immersed in 1 liter of 1 mol / liter hydrochloric acid aqueous solution with stirring overnight, the operation of washing again in boiling water for 1 hour was repeated 7 times, and then dried under reduced pressure, and converted into polyethylene glycol as shown in Table 1. Aromatic hydrocarbon proton conducting polymers with different molecular weights were prepared.
(組成物の作製)
表1に記載の芳香族炭化水素系のプロトン伝導性であるポリマーA、B、Cそれぞれと、ポリマーAとポリマーCの1対2混合物とを下記3種類の重量比となるよう溶解・分散し、プロトン伝導性ポリマーを5重量%含む組成物を得た。水としては超純水、有機溶剤は試薬特級グレードのものを用いた。
(1)プロトン伝導性ポリマー/水/1,2−ジメトキシエタン=5/10/85
(2)プロトン伝導性ポリマー/水/1,2−ジメトキシエタン/メタノール=5/5/23/67
(3)プロトン伝導性ポリマー/水/シクロヘキサノン=5/5/90
表2にそれぞれの組成物について吸光係数を測定した値を示す。またそれぞれの組成物を実施例1〜9の組成物と比較例1〜3の組成物に分けた。
(Production of composition)
Dissolve and disperse each of polymers A, B, and C, which are aromatic hydrocarbon-based proton conductive materials shown in Table 1, and a one-to-two mixture of polymer A and polymer C in the following three weight ratios. A composition containing 5% by weight of a proton conductive polymer was obtained. The water used was ultrapure water, and the organic solvent was a reagent-grade grade.
(1) Proton conductive polymer / water / 1,2-dimethoxyethane = 5/10/85
(2) Proton conductive polymer / water / 1,2-dimethoxyethane / methanol = 5/5/23/67
(3) Proton conductive polymer / water / cyclohexanone = 5/5/90
Table 2 shows the values obtained by measuring the extinction coefficient for each composition. Moreover, each composition was divided into the composition of Examples 1-9 and the composition of Comparative Examples 1-3.
(触媒インクの作製)
市販の40%白金担持カーボン触媒(田中貴金属工業株式会社)に組成物を加え、均一になるまで撹拌することで実施例、および比較例の燃料電池用の触媒インクを得た。なお、実施例の番号の組成物を用いて作製した電極をそのまま実施例の番号の電極とする。例えば実施例1の組成物を用い作製した電極は、実施例1の電極とする。また触媒担持カーボンと組成物中に含まれるプロトン伝導性ポリマーの重量比は1:0.28となるように調整した。
(Preparation of catalyst ink)
The composition was added to a commercially available 40% platinum-supported carbon catalyst (Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.), and stirred until uniform to obtain catalyst inks for fuel cells of Examples and Comparative Examples. In addition, the electrode produced using the composition of the number of an Example is made into the electrode of the number of an Example as it is. For example, an electrode produced using the composition of Example 1 is referred to as the electrode of Example 1. The weight ratio of the catalyst-carrying carbon and the proton conductive polymer contained in the composition was adjusted to be 1: 0.28.
(電極の作製)
触媒インクを市販のカーボンペーパー(E−Tek)に塗布・乾燥することで燃料電池用の電極を作製した。このときアノード電極用のカーボンペーパーには親水性のカーボンペーパー、カソード電極用のカーボンペーパーは疎水化処理したカーボンペーパーを用いた。
(Production of electrodes)
The catalyst ink was applied to a commercially available carbon paper (E-Tek) and dried to produce a fuel cell electrode. At this time, hydrophilic carbon paper was used for the anode electrode carbon paper, and hydrophobic carbon paper was used for the cathode electrode carbon paper.
(電解質膜の作製)
表1記載のプロトン伝導性ポリマーCをNMPに溶解し(25%)、ホットプレート上のガラス板に流延法によりキャストし、フィルム状になるまでNMPを留去した後、水中に一晩浸漬した。さらに超純水を用いて1時間洗浄する操作を5回繰り返した。その後枠にはめて室温で乾燥することで芳香族炭化水素系の高分子電解質膜を得た。
(Preparation of electrolyte membrane)
The proton conductive polymer C shown in Table 1 was dissolved in NMP (25%), cast on a glass plate on a hot plate by casting, and NMP was distilled off until it became a film, and then immersed in water overnight. did. Further, the operation of washing with ultrapure water for 1 hour was repeated 5 times. Thereafter, it was put in a frame and dried at room temperature to obtain an aromatic hydrocarbon polymer electrolyte membrane.
(電極・電解質膜接合体の作製)
上記の電解質膜を20℃湿度80RH%の雰囲気下で水分と平衡させた後、同環境下において、前記2種類の電極で挟み込んだ(アノード電極およびカソード電極。触媒インク塗布面が電解質膜に接するように配置する。)。この電極と電解質膜の積層体を、ガスケットと共に2枚のステンレスプレートに挟んだ。次いで、130℃、加圧下でホットプレスして電極と電解質膜を接合した。ステンレスプレートで挟まれた状態のまま取り出し、室温になるまで自然冷却し、その後取り出し、実施例および比較例の電極・電解質膜接合体を得た。なお、実施例の番号の電極を用いて作製した電極・電解質膜接合体をそのまま実施例の番号の電極・電解質膜接合体とする。例えば実施例1の電極を用い作製した電極は、実施例1の電極・電解質膜接合体とする。
(Preparation of electrode / electrolyte membrane assembly)
The above electrolyte membrane was equilibrated with moisture in an atmosphere of 20 ° C. and humidity of 80 RH%, and then sandwiched between the two types of electrodes in the same environment (an anode electrode and a cathode electrode. The catalyst ink application surface is in contact with the electrolyte membrane) Arrange so that.) The laminate of this electrode and electrolyte membrane was sandwiched between two stainless steel plates together with a gasket. Subsequently, the electrode and the electrolyte membrane were joined by hot pressing at 130 ° C. under pressure. It took out with the state pinched | interposed with the stainless steel plate, naturally cooled until it became room temperature, and taken out after that, and the electrode-electrolyte membrane assembly of the Example and the comparative example was obtained. The electrode / electrolyte membrane assembly produced using the electrode of the example number is directly used as the electrode / electrolyte membrane assembly of the example number. For example, an electrode produced using the electrode of Example 1 is the electrode / electrolyte membrane assembly of Example 1.
実施例1〜9および比較例1〜3の電極・電解質膜接合体について燃料電池発電試験を行った。その際、電流−電圧曲線の測定と共に、電流遮断法により電池の内部抵抗を測定した。触媒活性の良否は電流−電圧曲線の低電流密度領域における電圧の値より判断することが可能であるが、電池の内部抵抗による電圧低下を触媒性能が不良なためによる電圧低下と誤って考える可能性があるので、電池の抵抗成分を取り除いた際の抵抗フリー電圧を触媒活性の指標とし、下記式により求めた。
E(抵抗フリー電圧)=Ereal(実測電圧)−R(内部抵抗)I(電流密度)
0.1A/cm2の電流密度における抵抗フリー電圧を測定した結果を表3にまとめる。
Fuel cell power generation tests were performed on the electrode / electrolyte membrane assemblies of Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3. At that time, along with the measurement of the current-voltage curve, the internal resistance of the battery was measured by a current interruption method. The quality of the catalyst activity can be judged from the voltage value in the low current density region of the current-voltage curve, but the voltage drop due to the internal resistance of the battery can be mistakenly considered as the voltage drop due to poor catalyst performance. Therefore, the resistance-free voltage when the resistance component of the battery was removed was used as an index of the catalyst activity, and was obtained by the following formula.
E (resistance free voltage) = Ereal (measured voltage) −R (internal resistance) I (current density)
The results of measuring the resistance-free voltage at a current density of 0.1 A / cm 2 are summarized in Table 3.
表3より実施例のポリエチレングリコール換算分子量2000〜23000の成分を10重量%以上含有するプロトン伝導性ポリマーを含む組成物を用いて作製した燃料電池においては、いずれも0.1A/cm2における抵抗フリー電圧が高く良好な触媒性能が発現されていることが分かる。それに対して比較例の燃料電池においては、十分な触媒性能が得られなかった。表2における吸光係数の値は、組成物中におけるプロトン伝導性ポリマーの分散あるいは溶解状態の指標となるが、触媒性能の発現には、いずれも関与していない傾向が見られた。従って、芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを含む組成物としては、芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーの分子量を本発明の範囲に調整することが特に重要である。 From Table 3, in the fuel cell produced using the composition containing the proton conductive polymer containing 10% by weight or more of the component having a molecular weight of 2000 to 23000 in terms of polyethylene glycol in Examples, the resistance at 0.1 A / cm 2 is used. It can be seen that the free voltage is high and good catalytic performance is expressed. On the other hand, in the fuel cell of the comparative example, sufficient catalyst performance was not obtained. The value of the extinction coefficient in Table 2 serves as an indicator of the dispersion or dissolution state of the proton conductive polymer in the composition, but there was a tendency that none was involved in the expression of the catalyst performance. Therefore, as a composition containing an aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer, it is particularly important to adjust the molecular weight of the aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer within the scope of the present invention.
また、燃料電池の電極においては、触媒活性と共に電極内のガス拡散性を良好に保つことが燃料電池の使用方法によっては重要である。電極内のガス拡散性が悪いと高電流を流すことが困難になる傾向にあるので、この場合好ましくない。そういった視点より、触媒活性が良好である実施例1〜9の燃料電池の電流−電位曲線において電圧が0.2Vの時の電流密度の値を調査した。結果を表4に示す。 Moreover, in the electrode of a fuel cell, it is important depending on the usage method of a fuel cell to keep the gas diffusivity in an electrode favorable with catalyst activity. If the gas diffusibility in the electrode is poor, it tends to be difficult to pass a high current, which is not preferable in this case. From such a viewpoint, the value of the current density when the voltage was 0.2 V was investigated in the current-potential curves of the fuel cells of Examples 1 to 9 having good catalytic activity. The results are shown in Table 4.
表4より、実施例の中でも0.2Vにおける電流密度の値には差があり、その傾向は組成物の吸光係数が小さい実施例3,5,6,7,8,9において特に良好なことが分かる。従って、吸光係数としては0〜0.3cm-1・%-1の範囲にある組成物を用いると、より良好に燃料電池を動作させることが可能である。なおこの際、分子量が小さいプロトン伝導性ポリマーを用いるほど、吸光係数が増加する傾向にあるので、組成物の調整が難しくなる傾向にある。 From Table 4, there is a difference in the value of current density at 0.2 V among the examples, and the tendency is particularly good in Examples 3, 5, 6, 7, 8, and 9 where the light absorption coefficient of the composition is small. I understand. Therefore, when a composition having an extinction coefficient in the range of 0 to 0.3 cm −1 ·% −1 is used, the fuel cell can be operated more favorably. At this time, as the proton conductive polymer having a smaller molecular weight is used, the extinction coefficient tends to increase, so that the adjustment of the composition tends to be difficult.
また、実施例3および9の燃料電池に関して500時間連続発電を行い耐久性を比較した。その結果、実施例3の燃料電池においては、0.5A/cm2における電圧が、初期0.72Vであったものが、0.68Vへとわずかに低下したが、実施例9の燃料電池においては、初期0.71Vから0.72Vの範囲で、ほぼ一定に推移した。従って、ポリエチレングリコール換算分子量2000〜23000の成分と共に、より高分子量成分のプロトン伝導性ポリマーを混在させた組成物を用いると、より良好に燃料電池を動作させることが可能であった。 Further, the fuel cells of Examples 3 and 9 were subjected to continuous power generation for 500 hours, and the durability was compared. As a result, in the fuel cell of Example 3, the voltage at 0.5 A / cm 2 was initially 0.72 V, but slightly decreased to 0.68 V. However, in the fuel cell of Example 9, Was almost constant within the initial range of 0.71V to 0.72V. Therefore, when a composition in which a proton conductive polymer having a higher molecular weight component is mixed together with a component having a molecular weight in terms of polyethylene glycol of 2000 to 23000, the fuel cell can be operated more favorably.
また、本発明の組成物は芳香族炭化水素系のプロトン伝導性ポリマーを分散あるいは溶解させた組成物であり、芳香族炭化水素系の高分子電解質膜と特に良好な接合性を有する。比較例4として、フッ素系のプロトン伝導性ポリマーが分散された組成物である市販のナフィオン(登録商標)溶液(5%)を使用して作製した燃料電池に関して、同様の耐久性試験を実施した。その結果、初期電圧は0.72Vと良好であったが500時間経過後は0.61Vまで電圧が低下した。原因を特定するために電流遮断法にて燃料電池の内部抵抗を測定した所、本発明の組成物を用いた場合では認められなかった抵抗増加が観察された。これは電極と高分子電解質膜との界面の接合性が低下したためだと推測している。 The composition of the present invention is a composition in which an aromatic hydrocarbon-based proton conductive polymer is dispersed or dissolved, and has particularly good bonding properties with an aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane. As Comparative Example 4, a similar durability test was performed on a fuel cell manufactured using a commercially available Nafion (registered trademark) solution (5%) which is a composition in which a fluorine-based proton conductive polymer is dispersed. . As a result, the initial voltage was as good as 0.72 V, but after 500 hours, the voltage dropped to 0.61 V. When the internal resistance of the fuel cell was measured by the current interruption method in order to identify the cause, an increase in resistance that was not observed when the composition of the present invention was used was observed. This is presumed to be due to a decrease in the bondability at the interface between the electrode and the polymer electrolyte membrane.
また異なる分子構造を持つ、芳香族炭化水素系ポリマーに関しても同様の検討を実施した。 Similar investigations were also conducted for aromatic hydrocarbon polymers having different molecular structures.
(プロトン伝導性ポリマーの合成例2)
プロトン伝導性ポリマーの合成1において、S−DCDPSに変えて、3,3’−ジスルホ−4,4’−ジクロロジフェニルケトン2ナトリウム塩を用いて、プロトン伝導性ポリマーの合成1の手法に従い、異なる分子量分布を持つプロトン伝導性ポリマーDとEを合成した。
(Proton conductive polymer synthesis example 2)
In the synthesis 1 of the proton-conducting polymer, 3,3′-disulfo-4,4′-dichlorodiphenyl ketone disodium salt is used instead of S-DCDPS, and the procedure differs according to the method of the synthesis of the proton-conducting polymer 1. Proton conducting polymers D and E having molecular weight distribution were synthesized.
(プロトン伝導性ポリマーの合成例3)
4つ口のフラスコに、DCBN0.12モル、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン0.1モル、炭酸カリウム0.27モル、NMP200mlをとり、オイルバス中、窒素雰囲気下で加熱し、モレキュラーシーブ30gと共に撹拌下130℃で反応させた。その後200℃で3時間反応させた。その後さらにDCBN0.02モルを加え、さらに4時間反応した。得られた反応液を放冷後、沈殿物を濾過除去し、濾液を4lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、NMPに溶解した。これをメタノール4lに再沈殿し、乾燥させた。次いで、得られたオリゴマー0.03モル、2,5−ジクロロ−4’−(4−フェノキシ)フェノキシベンゾフェノン(DCPPB)0.068モル、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド0.02モル、ヨウ化ナトリウム0.01モル、トリフェニルホスフィン0.028モル、亜鉛末0.18モルをフラスコにとり、乾燥窒素置換した。NMP100mlを加え、90℃に加熱し、反応時間を変えて重合をおこなった。重合溶液を水に加え再沈し、洗浄後、乾燥することで主鎖にポリアリーレンエーテル構造を持ち、側鎖にスルホン化ポリアリーレン構造を有する、異なる分子量分布を持つプロトン伝導性ポリマーFとGを得た。
(Proton conductive polymer synthesis example 3)
In a four-necked flask, 0.12 mol of DCBN, 0.1 mol of 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) -1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 0.27 mol of potassium carbonate , 200 ml of NMP was taken, heated in an oil bath in a nitrogen atmosphere, and reacted with 30 g of molecular sieve at 130 ° C. with stirring. Thereafter, the reaction was carried out at 200 ° C. for 3 hours. Thereafter, 0.02 mol of DCBN was further added and reacted for another 4 hours. The resulting reaction solution was allowed to cool, the precipitate was removed by filtration, and the filtrate was poured into 4 l of methanol. The precipitated product was separated by filtration, collected, dried, and dissolved in NMP. This was reprecipitated in 4 l of methanol and dried. Then, 0.03 mol of the obtained oligomer, 0.068 mol of 2,5-dichloro-4 ′-(4-phenoxy) phenoxybenzophenone (DCPPB), 0.02 mol of bis (triphenylphosphine) nickel dichloride, iodide 0.01 mol of sodium, 0.028 mol of triphenylphosphine, and 0.18 mol of zinc powder were placed in a flask and purged with dry nitrogen. NMP100ml was added, it heated at 90 degreeC, and it superposed | polymerized by changing reaction time. Proton conducting polymers F and G having different molecular weight distributions having a polyarylene ether structure in the main chain and a sulfonated polyarylene structure in the side chain by reprecipitation by adding the polymerization solution to water, washing and drying. Got.
(プロトン伝導性ポリマーの合成例4)
S−DCDPS0.014mol、DCBN0.036mol、末端ヒドロキシル基含有ポリフェニレンエーテルオリゴマー(略号:DPE)(大日本インキ製SPECIANOL DPE−PL、ロットC106)(フェニレンエーテルモノマーの繰り返し単位として、n=1〜7の成分を含む混合物。平均組成はn=4.0)0.05mol、炭酸カリウム0.065mol、乾燥したモレキュラーシーブ13gを200ml四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。110mlのN−メチル−2−ピロリドンを入れて、加熱撹拌し、反応温度を190〜200℃に上昇させて反応させた。反応時間を変えることでポリマーの重合度を調整した。放冷の後、重合液を水中に注いでポリマーをストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、沸騰水中で1時間洗浄した後、乾燥した。次いで1mol/リットルの硫酸水溶液1リットルに一晩撹拌しながら浸積してから、再び沸騰水中で1時間洗浄する操作を3回繰り返した後、減圧乾燥することで、異なる分子量分布を持つプロトン伝導性ポリマーHとIを得た。
(Proton conductive polymer synthesis example 4)
S-DCDPS 0.014 mol, DCBN 0.036 mol, terminal hydroxyl group-containing polyphenylene ether oligomer (abbreviation: DPE) (Dai Nippon Ink's SPECIANOL DPE-PL, lot C106) (n = 1-7 as repeating units of phenylene ether monomer A mixture containing the components (average composition n = 4.0) 0.05 mol, potassium carbonate 0.065 mol, and dried molecular sieve 13 g were weighed into a 200 ml four-necked flask and flushed with nitrogen. 110 ml of N-methyl-2-pyrrolidone was added, the mixture was heated and stirred, and the reaction temperature was raised to 190 to 200 ° C. to cause the reaction. The polymerization degree of the polymer was adjusted by changing the reaction time. After allowing to cool, the polymerization solution was poured into water to precipitate the polymer into strands. The obtained polymer was washed in boiling water for 1 hour and then dried. Next, after immersing in 1 liter of 1 mol / liter sulfuric acid aqueous solution with stirring overnight, the operation of washing again in boiling water for 1 hour is repeated three times, followed by drying under reduced pressure, so that proton conduction having different molecular weight distribution is achieved. Polymers H and I were obtained.
プロトン伝導性ポリマーD,E,F,G,HおよびIの特性を表5に示す。 The properties of the proton conducting polymers D, E, F, G, H and I are shown in Table 5.
ポリマーD,E,F,G,H,Iを含む組成物を調整した。組成物は、いずれもプロトン伝導性ポリマー/水/1−プロパノール/1,2−ジエトキシエタン=5/62/18/15(重量比)となるよう調整した。得られた組成物はいずれも透明であり、良好にポリマーを溶解(分散)できていることを確認した。それぞれの組成物を用いて作製した電極を使用し、電極・電解質膜接合体を前記手法に従い作製し、燃料電池に組み込み、抵抗フリー電圧を測定した。組成物の特性、および燃料電池の発電結果を表6に示す。 A composition containing polymers D, E, F, G, H, I was prepared. All the compositions were adjusted so that proton conductive polymer / water / 1-propanol / 1,2-diethoxyethane = 5/62/18/15 (weight ratio). All of the obtained compositions were transparent, and it was confirmed that the polymer could be dissolved (dispersed) well. Using electrodes prepared using the respective compositions, an electrode / electrolyte membrane assembly was prepared according to the above-described method, incorporated into a fuel cell, and resistance-free voltage was measured. Table 6 shows the characteristics of the composition and the power generation result of the fuel cell.
表6において、実施例の同系統のポリマーを用いて作製した組成物を用いた燃料電池の比較(実施例10と比較例4の比較,実施例11と比較例5の比較、実施例12と比較例6の比較)より、実施例の燃料電池の方が、比較例に比べてより高い抵抗フリー電圧を示しており、優れた燃料電池特性を有していることが分かる。このようにプロトン伝導性ポリマーの構造を変えた場合でも、分子量の影響により発電性能に違いがでてくることが確認できた。従って、プロトン伝導性ポリマーの分子構造の違いによって、電極性能の絶対値は変化する可能性はあるが(プロトン伝導性ポリマー4において幾分低め)、本質的に同一系統のポリマーで比較した場合、分子量を本発明の範囲に抑えることによって、触媒性能を良好に引き出すことができる。 In Table 6, the comparison of the fuel cell using the composition produced using the polymer of the same system of Example (Comparison between Example 10 and Comparative Example 4, Comparison between Example 11 and Comparative Example 5, Example 12 and From the comparison of Comparative Example 6, it can be seen that the fuel cell of Example shows a higher resistance-free voltage than that of Comparative Example and has excellent fuel cell characteristics. Thus, even when the structure of the proton conductive polymer was changed, it was confirmed that the power generation performance was different due to the influence of the molecular weight. Therefore, the absolute value of the electrode performance may change depending on the molecular structure of the proton conducting polymer (somewhat lower in the proton conducting polymer 4), but when compared with essentially the same series of polymers, By suppressing the molecular weight within the range of the present invention, the catalyst performance can be satisfactorily extracted.
実施例で示した発電性能は、一例として水素を燃料として使用するタイプの燃料電池に関するものを示したが、メタノール等の炭化水素系燃料を使用するタイプの燃料電池においても同様に利用することができる。 The power generation performance shown in the embodiment is related to a fuel cell using hydrogen as a fuel as an example. However, it can be used in a fuel cell using a hydrocarbon fuel such as methanol. it can.
本発明の芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーを含む組成物を使用して作製した燃料電池は、良好な燃料電池の触媒性能を発現することが可能である。また芳香族炭化水素系プロトン伝導性ポリマーからなる高分子電解質膜との接合体は、電極と電解質膜間の接合性不良の問題を改善できる。そのため燃料電池に有用に使うことができる。 The fuel cell produced using the composition containing the aromatic hydrocarbon proton conductive polymer of the present invention can exhibit good fuel cell catalytic performance. Moreover, the joined body with the polymer electrolyte membrane made of an aromatic hydrocarbon proton conductive polymer can improve the problem of poor connectivity between the electrode and the electrolyte membrane. Therefore, it can be used effectively for a fuel cell.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006090306A JP4929787B2 (en) | 2005-07-29 | 2006-03-29 | Proton conducting polymer-containing composition |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005221063 | 2005-07-29 | ||
JP2005221063 | 2005-07-29 | ||
JP2006090306A JP4929787B2 (en) | 2005-07-29 | 2006-03-29 | Proton conducting polymer-containing composition |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007059376A true JP2007059376A (en) | 2007-03-08 |
JP4929787B2 JP4929787B2 (en) | 2012-05-09 |
Family
ID=37922655
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006090306A Expired - Fee Related JP4929787B2 (en) | 2005-07-29 | 2006-03-29 | Proton conducting polymer-containing composition |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4929787B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008153152A1 (en) * | 2007-06-15 | 2008-12-18 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Membrane-electrode assembly, and membrane-electrode-(gas diffusion layer) assembly and solid polymer fuel cell each comprising the same |
JP2011113884A (en) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Univ Of Yamanashi | Polyelectrolyte and its application |
JP2018163842A (en) * | 2017-03-27 | 2018-10-18 | 凸版印刷株式会社 | Manufacturing method of membrane electrode assembly and catalyst ink |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06279647A (en) * | 1993-03-25 | 1994-10-04 | Nippon Zeon Co Ltd | Polymer solid electrolyte |
JP2002008677A (en) * | 2000-06-16 | 2002-01-11 | Asahi Glass Co Ltd | Manufacturing method of solid polymer type fuel cell |
JP2002025560A (en) * | 2000-07-06 | 2002-01-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell |
JP2004172098A (en) * | 2002-11-05 | 2004-06-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell |
JP2004281305A (en) * | 2003-03-18 | 2004-10-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell and its manufacturing method |
JP2004311060A (en) * | 2003-04-02 | 2004-11-04 | Toyota Motor Corp | Electrode for fuel cell, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell provided with the same |
-
2006
- 2006-03-29 JP JP2006090306A patent/JP4929787B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06279647A (en) * | 1993-03-25 | 1994-10-04 | Nippon Zeon Co Ltd | Polymer solid electrolyte |
JP2002008677A (en) * | 2000-06-16 | 2002-01-11 | Asahi Glass Co Ltd | Manufacturing method of solid polymer type fuel cell |
JP2002025560A (en) * | 2000-07-06 | 2002-01-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell |
JP2004172098A (en) * | 2002-11-05 | 2004-06-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell |
JP2004281305A (en) * | 2003-03-18 | 2004-10-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell and its manufacturing method |
JP2004311060A (en) * | 2003-04-02 | 2004-11-04 | Toyota Motor Corp | Electrode for fuel cell, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell provided with the same |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008153152A1 (en) * | 2007-06-15 | 2008-12-18 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Membrane-electrode assembly, and membrane-electrode-(gas diffusion layer) assembly and solid polymer fuel cell each comprising the same |
JP2009021236A (en) * | 2007-06-15 | 2009-01-29 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Membrane electrode assembly, and membrane-electrode-gas diffusion layer assembly and solid polymer fuel cell comprising the same |
JP2011113884A (en) * | 2009-11-27 | 2011-06-09 | Univ Of Yamanashi | Polyelectrolyte and its application |
JP2018163842A (en) * | 2017-03-27 | 2018-10-18 | 凸版印刷株式会社 | Manufacturing method of membrane electrode assembly and catalyst ink |
JP7172021B2 (en) | 2017-03-27 | 2022-11-16 | 凸版印刷株式会社 | METHOD FOR MANUFACTURING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY |
JP2023002824A (en) * | 2017-03-27 | 2023-01-10 | 凸版印刷株式会社 | Manufacturing method of membrane electrode assembly and catalyst ink |
JP7384263B2 (en) | 2017-03-27 | 2023-11-21 | Toppanホールディングス株式会社 | catalyst ink |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4929787B2 (en) | 2012-05-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3928611B2 (en) | Polyarylene ether compounds, compositions containing them, and methods for producing them | |
WO2006051749A1 (en) | Aromatic hydrocarbon-base proton exchange membrane and direct methanol fuel cell using same | |
JP2007517923A (en) | Ion conductive copolymers containing one or more hydrophobic oligomers | |
EP2169748A1 (en) | Membrane-electrode assembly, method for producing the same and solid polymer fuel cell | |
EP2169751A1 (en) | Membrane-electrode assembly, method for producing the same and solid polymer fuel cell | |
EP1810997B1 (en) | Proton-conducting polymer composition and method for preparation thereof, catalyst ink containing said proton-conducting polymer composition and fuel cell including said catalyst | |
JP4929787B2 (en) | Proton conducting polymer-containing composition | |
JP2009191123A (en) | Block copolymer, fuel cell electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP4830304B2 (en) | Proton conductive polymer composition | |
JP4684678B2 (en) | Membrane-electrode structure for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell | |
JP4337038B2 (en) | Composition comprising an acidic group-containing polybenzimidazole compound | |
JP5176261B2 (en) | Direct methanol fuel cell | |
WO2013140865A1 (en) | Solid polymer electrolyte for fuel cells | |
JP4887629B2 (en) | Proton conductive polymer composition, ink for fuel cell electrode catalyst layer, and electrode / electrolyte membrane assembly | |
JP4720091B2 (en) | Ion exchange membrane | |
JP3651684B1 (en) | Ion exchange membrane | |
JP2007063533A (en) | Sulfonic group-containing polymer, use of the same, and method for producing the same | |
JPWO2008038702A1 (en) | Sulfonic acid group-containing polymer, production method thereof, polymer electrolyte membrane using sulfonic acid group-containing polymer, membrane / electrode assembly, and fuel cell | |
JP2006137792A (en) | Polyarylene ether-based compound having sulfo group-containing biphenylene structure | |
JP3651682B1 (en) | Durable ion exchange membrane, membrane electrode assembly, fuel cell | |
JP2005243492A (en) | Ion conductive membrane | |
JP4022833B2 (en) | Sulfonic acid group-containing polymer and use thereof | |
JP4729857B2 (en) | Ion exchange membrane | |
JP4720090B2 (en) | Sulfonic acid group-containing polymer electrolyte membrane and article using the same | |
JP2007149592A (en) | Manufacturing method of polymer electrolyte membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte membrane-electrode assembly |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090319 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120111 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120117 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120130 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150224 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |