Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP4895563B2 - Reinforced polymer electrolyte membrane - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP4895563B2 - Reinforced polymer electrolyte membrane - Google Patents

Reinforced polymer electrolyte membrane Download PDF

Info

Publication number
JP4895563B2
JP4895563B2 JP2005283243A JP2005283243A JP4895563B2 JP 4895563 B2 JP4895563 B2 JP 4895563B2 JP 2005283243 A JP2005283243 A JP 2005283243A JP 2005283243 A JP2005283243 A JP 2005283243A JP 4895563 B2 JP4895563 B2 JP 4895563B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
polymer electrolyte
electrolyte membrane
membrane
film
mass
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2005283243A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006128095A (en
Inventor
直人 三宅
裕二 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei E Materials Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei E Materials Corp filed Critical Asahi Kasei E Materials Corp
Priority to JP2005283243A priority Critical patent/JP4895563B2/en
Publication of JP2006128095A publication Critical patent/JP2006128095A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4895563B2 publication Critical patent/JP4895563B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、電池内で、燃料(水素源)と酸化剤(酸素)から電気化学的反応により電気エネルギーを得るものである。つまり燃料の化学エネルギーから直接電気エネルギーに変換している。燃料源としては、純水素をはじめ水素元素を含む石油、天然ガス(メタン等)、メタノールなどが使用できる。
燃料電池自体は、機械部分がないため騒音の発生が少なく、また外部からの燃料と酸化剤を供給し続け原理的には半永久的に発電させることができるのが特徴である。
電解質は、液体電解質や固体電解質に分類されるが、この中で電解質として高分子電解質膜を用いたものが固体高分子形燃料電池である。
特に、固体高分子形燃料電池は、他と比較して低温で作動することから、自動車等の代替動力源や家庭用コジェネレーションシステム、携帯用発電機として期待されている。
A fuel cell obtains electric energy by electrochemical reaction from a fuel (hydrogen source) and an oxidant (oxygen) in the cell. In other words, the chemical energy of the fuel is directly converted into electrical energy. As the fuel source, pure hydrogen and other oils containing hydrogen elements, natural gas (methane, etc.), methanol, and the like can be used.
Since the fuel cell itself has no mechanical part, it generates less noise, and is characterized in that it can generate electric power semi-permanently by continuing to supply external fuel and oxidant.
Electrolytes are classified into liquid electrolytes and solid electrolytes. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is one that uses a polymer electrolyte membrane as an electrolyte.
In particular, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature as compared with others, it is expected as an alternative power source such as an automobile, a household cogeneration system, and a portable generator.

固体高分子形燃料電池には、電極触媒層とガス拡散層が積層されたガス拡散電極がプロトン交換樹脂膜の両面に接合された膜電極接合体が少なくとも備えられている。ここで言うプロトン交換樹脂膜は、高分子鎖中にスルホン酸基やカルボン酸基等の強酸性基を有し、プロトンを選択的に透過する性質を有する材料である。このようなプロトン交換樹脂膜としては、化学的安定性の高いNafion(登録商標、米国デュポン社製)に代表されるパーフルオロ系プロトン交換樹脂膜が好適に用いられる。   The polymer electrolyte fuel cell includes at least a membrane electrode assembly in which a gas diffusion electrode in which an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated is bonded to both surfaces of a proton exchange resin membrane. The proton exchange resin membrane here is a material having a strong acidic group such as a sulfonic acid group or a carboxylic acid group in a polymer chain and a property of selectively transmitting protons. As such a proton exchange resin membrane, a perfluoro proton exchange resin membrane represented by Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont, USA) having high chemical stability is preferably used.

燃料電池の運転時においては、アノード側のガス拡散電極に燃料(例えば水素)、カソード側のガス拡散電極に酸化剤(例えば酸素や空気)をそれぞれ供給し、両電極間を外部回路で接続することにより作動する。具体的には、水素を燃料とした場合、アノード触媒上にて水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンがアノード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通った後、プロトン交換樹脂膜内を移動し、カソード触媒層内のプロトン伝導性ポリマーを通ってカソード触媒上に達する。一方、水素の酸化によりプロトンと同時に生じた電子は外部回路を通ってカソード側ガス拡散電極に到達し、カソード触媒上にて上記プロトンと酸化剤中の酸素と反応して水が生成され、このとき電気エネルギーを取り出すことができる。この際、プロトン交換樹脂膜はガスバリアとしての役割も果たす必要があり、プロトン交換樹脂膜のガス透過率が高いと、アノード側水素のカソード側へのリーク及びカソード側酸素のアノード側へのリーク、即ちクロスリークが発生して、いわゆるケミカルショート(化学的短絡)の状態となって良好な電圧を取り出せなくなる。   During operation of the fuel cell, fuel (for example, hydrogen) is supplied to the gas diffusion electrode on the anode side, and oxidant (for example, oxygen or air) is supplied to the gas diffusion electrode on the cathode side, and both electrodes are connected by an external circuit. It works by. Specifically, when hydrogen is used as the fuel, hydrogen is oxidized on the anode catalyst to generate protons, and these protons move through the proton conductive polymer in the anode catalyst layer and then move through the proton exchange resin membrane. And reaches the cathode catalyst through the proton conducting polymer in the cathode catalyst layer. On the other hand, electrons generated simultaneously with protons due to the oxidation of hydrogen reach the cathode side gas diffusion electrode through an external circuit, and react with the protons and oxygen in the oxidant on the cathode catalyst to generate water. Sometimes electrical energy can be taken out. At this time, the proton exchange resin membrane also needs to play a role as a gas barrier. If the gas permeability of the proton exchange resin membrane is high, leakage of anode side hydrogen to the cathode side and leakage of cathode side oxygen to the anode side, That is, a cross leak occurs, so that a so-called chemical short circuit (chemical short circuit) occurs and a good voltage cannot be taken out.

このような固体高分子形燃料電池は、高出力特性を得るために80℃近辺で運転するのが通常である。しかしながら、自動車用途として用いる場合には、夏場の自動車走行を想定して、高温低加湿条件下(運転温度100℃近辺で、60℃加湿(湿度20%RHに相当))でも燃料電池を運転できることが望まれている。ところが、従来のパーフルオロ系プロトン交換樹脂膜を用いて高温低加湿条件下で燃料電池を長時間運転すると、プロトン交換樹脂膜にピンホールが生じクロスリークが発生するという問題があり、十分な耐久性を得られなかった。   Such a polymer electrolyte fuel cell is usually operated near 80 ° C. in order to obtain high output characteristics. However, when used for automobiles, the fuel cell can be operated even under high-temperature and low-humidification conditions (operating temperature around 100 ° C., humidification at 60 ° C. (equivalent to humidity 20% RH)) assuming that the vehicle is driven in summer. Is desired. However, when a fuel cell is operated for a long time under a high temperature and low humidity condition using a conventional perfluoro proton exchange resin membrane, there is a problem that a pinhole is generated in the proton exchange resin membrane and a cross leak occurs. I could not get sex.

この課題に対し、フィブリル状PTFEの添加による補強を行う方法(特許文献1〜2参照)、延伸処理したPTFE多孔膜による補強を行う方法(特許文献3〜4参照)等が行われている。これらの方法により、膜の力学強度が向上することで物理的にピンホールができにくくなった。また、従来のパーフルオロプロトン交換樹脂膜に比べ、湿潤状態で
膨潤し、乾燥状態で収縮するという乾湿寸法変化が低減したことによっても、物理的にピンホールが生じにくくなった。
In order to solve this problem, a method of performing reinforcement by adding fibrillar PTFE (see Patent Documents 1 and 2), a method of performing reinforcement by a stretched PTFE porous membrane (see Patent Documents 3 and 4), and the like are performed. By these methods, the mechanical strength of the film is improved, so that it is difficult to physically make a pinhole. Also, compared to conventional perfluoroproton exchange resin membranes, pinholes are less likely to physically occur due to a reduction in the wet and dry dimensional change that swells in a wet state and shrinks in a dry state.

一方、アノード触媒もしくはカソード触媒で副生成するヒドロキシラジカルによりプロトン交換樹脂が攻撃されて分解するという化学的劣化についても報告されている(非特許文献1参照)。上述の補強された膜における補強材のPTFEは、耐酸化性に優れてヒドロキシラジカルの攻撃を受けにくいが、ヒドロキシラジカルを捕捉することはできない。従って、上述の補強された膜を構成するプロトン交換樹脂はヒドロキシラジカルに長期間攻撃されると分解してしまう。つまり、上述の補強された膜では化学的耐性は不十分であるため、上記のような高温低加湿条件下では十分な耐久性を得られなかった。   On the other hand, chemical degradation in which the proton exchange resin is attacked and decomposed by hydroxy radicals by-produced in the anode catalyst or cathode catalyst has also been reported (see Non-Patent Document 1). PTFE as a reinforcing material in the above-mentioned reinforced membrane has excellent oxidation resistance and is not easily attacked by hydroxy radicals, but cannot capture hydroxy radicals. Therefore, the proton exchange resin constituting the reinforced membrane described above is decomposed when it is attacked for a long time by hydroxy radicals. That is, since the above-mentioned reinforced film has insufficient chemical resistance, sufficient durability cannot be obtained under the high temperature and low humidification conditions as described above.

日本国特開昭53−149881号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 53-149981 日本国特公昭63−61337号公報Japanese Patent Publication No. 63-61337 日本国特公平5−75835号公報Japanese Patent Publication No. 5-75835 日本国特表平11−501964号公報Japanese National Table No. 11-501964 A. B. LaConti, M. Hamdan and R. C. McDonald, in Handbook ofFuel Cells, H. A. Gasteiger, A. Lamm, Editors, Vol.3, p.648, John Wiley & Sons,New York (2003)A. B. LaConti, M. Hamdan and R. C. McDonald, in Handbook ofFuel Cells, H. A. Gasteiger, A. Lamm, Editors, Vol. 3, p.648, John Wiley & Sons, New York (2003)

本発明は、化学的安定性、機械強度、耐熱性、及び乾湿寸法安定性に優れ、高温下でも高耐久性を有する高分子電解質膜を提供することを目的とする。また、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で60℃加湿(湿度20%RHに相当))において、長期間運転を行ってもクロスリークが発生しない高耐久性を有する燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane that is excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability and has high durability even at high temperatures. Also provided is a highly durable fuel cell that does not generate cross-leakage even if it is operated for a long time under high temperature and low humidification conditions (for example, 60 ° C. humidification at an operating temperature of 100 ° C. (equivalent to a humidity of 20% RH)). The purpose is to do.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討をした。その結果、補強材としてポリフェニレンエーテル樹脂を用いることで、それ自身が耐酸化性に優れているだけでなく、ヒドロキシラジカルを捕捉する役割も果たすことで、ヒドロキシラジカルによるプロトン交換樹脂の化学的劣化を抑制できることを見出した。また、該ポリフェニレンエーテル樹脂をある特定の構造でプロトン交換樹脂中に微細に相分離させることで、機械強度、耐熱性、及び乾湿寸法安定性にも優れた高分子電解質膜を得られることを見出した。その結果として、高温下でも高耐久性を有する高分子電解質膜を提供でき、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で60℃加湿(湿度20%RHに相当))において、長期間運転を行ってもクロスリークが発生しない高耐久性を有する燃料電池を提供できることを見出した。すなわち、本発明は以下のとおりである。   The present inventors diligently studied to solve the above problems. As a result, by using a polyphenylene ether resin as a reinforcing material, not only is it excellent in oxidation resistance itself, but also plays a role of capturing hydroxyl radicals, thereby chemically degrading the proton exchange resin by hydroxy radicals. It was found that it can be suppressed. It has also been found that a polymer electrolyte membrane having excellent mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability can be obtained by finely phase-separating the polyphenylene ether resin into a proton exchange resin with a specific structure. It was. As a result, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane having high durability even at high temperatures, and it can be operated for a long time under high temperature and low humidification conditions (for example, 60 ° C. humidification at an operating temperature of 100 ° C. (equivalent to a humidity of 20% RH)). The present inventors have found that a fuel cell having high durability that does not generate cross leak even if the test is performed can be provided. That is, the present invention is as follows.

(1)(a)30.00〜99.99質量%のプロトン交換樹脂と、(b)0.01〜70.00質量%のポリフェニレンエーテル樹脂を少なくとも有する高分子電解質膜であって、該プロトン交換樹脂と該ポリフェニレンエーテル樹脂とは互いに相分離しており、かつ、糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散したポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向していることを特徴とする高分子電解質膜。
(2)該ポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直な平面において、ランダムに配向していることを特徴とする(1)に記載の高分子電解質膜。
(3)糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散した該ポリフェニレンエーテル樹脂の短径が0.01〜100μmであり、長径/短径の比率が1〜10000であることを特徴とする(1)又は(2)に記載の高分子電解質膜。
(1) (a) a polymer electrolyte membrane having at least 30.00 to 99.99% by mass of proton exchange resin and (b) 0.01 to 70.00% by mass of polyphenylene ether resin, wherein the protons The exchange resin and the polyphenylene ether resin are phase-separated from each other, and the polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from a thread form, a fiber form, and a needle form is oriented perpendicular to the film thickness direction. A polymer electrolyte membrane characterized by that.
(2) The polymer electrolyte membrane according to (1), wherein the polyphenylene ether resin is randomly oriented in a plane perpendicular to the film thickness direction.
(3) The minor axis of the polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from thread form, fiber form, and needle form is 0.01 to 100 μm, and the ratio of major axis / minor axis is 1 to 10,000. The polymer electrolyte membrane according to (1) or (2), wherein

(4)糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散した該ポリフェニレンエーテル樹脂が微少結節部を有し、かつ相互に連結された構造であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。
(5)該微少結節部の大きさが0.01〜10μmであることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。
(6)該プロトン交換樹脂が、フッ素系高分子電解質であることを特徴とする(1)〜(
5)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。
(4) The polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from a thread form, a fiber form, and a needle form has a structure having a minute nodule part and connected to each other (1) The polymer electrolyte membrane according to any one of to (3).
(5) The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (4), wherein the size of the minute nodule portion is 0.01 to 10 μm.
(6) The proton exchange resin is a fluorine-based polymer electrolyte (1) to (1)
5. The polymer electrolyte membrane according to any one of 5).

(7)膜平面のある方向をX軸とし、それに直交する方向をY軸とした場合に、X軸、Y軸方向各々の25℃,20%RHで膜サンプルを8時間放置したときの寸法に対する、80℃水中で1時間放置したときの寸法の比である湿潤時の膨潤率が100〜105%であり、かつX軸方向の該膨潤率に対するY軸の該膨潤率の割合が0.5〜1.5であって、等方的に優れた乾湿寸法安定性を示すことを特徴とする(1)〜(6)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。
(8)プロトン交換樹脂を有するフィルム2層以上の積層体からなる高分子電解質積層膜であって、該フィルムの少なくとも1層のフィルムが(1)〜(7)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜であることを特徴とする高分子電解質積層膜。
(7) Dimensions when a film sample is left for 8 hours at 25 ° C. and 20% RH in each of the X-axis and Y-axis directions when the direction of the film plane is the X-axis and the direction perpendicular to the X-axis is the Y-axis The swelling ratio when wet, which is a ratio of dimensions when left in water at 80 ° C. for 1 hour, is 100 to 105%, and the ratio of the swelling ratio of the Y axis to the swelling ratio in the X axis direction is 0.00. 5. The polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (6), which is 5 to 1.5 and exhibits isotropic and wet dimensional stability.
(8) A polymer electrolyte laminate film comprising a laminate of two or more films having a proton exchange resin, wherein at least one film of the film is described in any one of (1) to (7) A polymer electrolyte laminate film, which is a polymer electrolyte film.

(9)高分子電解質膜の製造方法であって、
)プロトン交換樹脂(成分(a))が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して30.00〜99.99質量%と、
)ポリフェニレンエーテル樹脂(成分(b))が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して0.01〜70.00質量%とを、
液状媒体と混合してキャスト液とし、該キャスト液を支持体上に噴霧することにより(1)〜(7)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜を形成することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
(10)該キャスト液をスプレーガンのノズルに供給し、圧縮気体の渦巻き流を発生させて、ノズルから出た該キャスト液を砕き霧化して、支持体表面へ向け円錐状に噴霧することで高分子電解質膜を形成することを特徴とする(9)に記載の高分子電解質膜の製造方法。
(9) A method for producing a polymer electrolyte membrane,
( A ) 30.00-99.99 mass% of proton exchange resin (component (a)) with respect to the total mass of component (a) and component (b),
( B ) Polyphenylene ether resin (component (b)) is 0.01-70.00 mass% with respect to the total mass of component (a) and component (b),
A polymer electrolyte membrane according to any one of ( 1) to (7) is formed by mixing with a liquid medium to form a cast liquid, and spraying the cast liquid onto a support. A method for producing a molecular electrolyte membrane.
(10) By supplying the cast liquid to the nozzle of the spray gun, generating a swirling flow of compressed gas, crushing the atomized cast liquid from the nozzle, and spraying it in a conical shape toward the support surface A method for producing a polymer electrolyte membrane according to (9), wherein a polymer electrolyte membrane is formed.

(11)(1)〜(8)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜がアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体であって、アノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層からなり、プロトン伝導性を有することを特徴とする膜/電極接合体。
(12)アノード触媒層とカソード触媒層との間に密着保持されている高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜において、(1)〜(8)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜がアノード触媒層及び/又はカソード触媒層のエッジに接する部分のみにおいて形成されていることを特徴とする(11)に記載の膜/電極接合体。
(13)(11)又は(12)に記載の膜/電極接合体を包含し、アノードとカソードが、高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜の外側に位置する負荷と電子伝導性材料を介して互いに結合されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
(14)アノード触媒層とカソード触媒層との間に密着保持されている高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜において、(1)〜(8)のいずれか1項に記載の高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜がアノードガス入口部、アノードガス出口部、カソードガス入口部、出口部から選ばれる少なくとも1種の入口部及び/又は出口部のみにおいて形成されていることを特徴とする(13)に記載の固体高分子形燃料電池。
(11) A membrane / electrode assembly in which the polymer electrolyte membrane according to any one of (1) to (8) or the polymer electrolyte laminated membrane is held in close contact between an anode and a cathode, A membrane / electrode assembly, wherein the anode comprises an anode catalyst layer and has proton conductivity, and the cathode comprises a cathode catalyst layer and has proton conductivity.
(12) The polymer electrolyte according to any one of (1) to (8), wherein the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate film is held in close contact between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. The membrane / electrode assembly according to (11), wherein the membrane or the polymer electrolyte laminate membrane is formed only in a portion in contact with the edge of the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer.
(13) The membrane / electrode assembly according to (11) or (12) is included, and an anode and a cathode are interposed between a polymer electrolyte membrane or a polymer electrolyte laminated membrane and an electron conductive material. A polymer electrolyte fuel cell characterized by being bonded to each other.
(14) The polymer electrolyte according to any one of (1) to (8), wherein the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated film is held in close contact between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. The membrane or the polymer electrolyte laminate film is formed only at at least one inlet portion and / or outlet portion selected from an anode gas inlet portion, an anode gas outlet portion, a cathode gas inlet portion, and an outlet portion. The polymer electrolyte fuel cell according to (13).

本発明の高分子電解質膜は、化学的安定性、機械強度、耐熱性、及び乾湿寸法安定性に優れる。また、本発明の高分子電解質膜を用いることで、高温低加湿条件下(例えば、運転温度100℃で60℃加湿(湿度20%RHに相当))において、長期間運転を行ってもクロスリークが発生しない高耐久性を有する燃料電池を提供できる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and dry / wet dimensional stability. In addition, by using the polymer electrolyte membrane of the present invention, even if it is operated for a long period of time under high temperature and low humidification conditions (for example, 60 ° C. humidification at an operating temperature of 100 ° C. (equivalent to a humidity of 20% RH)) It is possible to provide a fuel cell having high durability that does not generate odor.

以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明の高分子電解質膜は、(a)30.00〜99.99質量%のプロトン交換樹脂と、(b)0.01〜70.00質量%のポリフェニレンエーテル樹脂とから構成される。
The present invention is described in detail below.
The polymer electrolyte membrane of the present invention comprises (a) 30.00 to 99.99% by mass of proton exchange resin and (b) 0.01 to 70.00% by mass of polyphenylene ether resin.

プロトン交換樹脂としては、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリトリフルオロスチレン樹脂、トリフルオロスチレン樹脂、ポリ(2,3−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)樹脂、ポリ(アリルエーテルケトン)樹脂、ポリ(アリルエーテルスルホン)樹脂、ポリ(フェニルキノサンリン)樹脂、ポリ(ベンジルシラン)樹脂、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン樹脂、ポリスチレン−グラフト−ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリスチレン−グラフト−テトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂といった炭化水素部を有する高分子にスルホン酸基やカルボン酸基を導入したものがこれに該当するが、最も好適なものは下記に示すようなフッ素系高分子電解質である。   Proton exchange resins include polyethersulfone resin, polyetheretherketone resin, phenol-formaldehyde resin, polystyrene resin, polytrifluorostyrene resin, trifluorostyrene resin, poly (2,3-diphenyl-1,4-phenylene oxide) ) Resin, poly (allyl ether ketone) resin, poly (allyl ether sulfone) resin, poly (phenylquinosan phosphorus) resin, poly (benzylsilane) resin, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene resin, polystyrene-graft-polyfluoride Polymers with a hydrocarbon moiety, such as vinylidene resin, polystyrene-graft-tetrafluoroethylene resin, polyimide resin, and polybenzimidazole resin, which have sulfonic acid groups or carboxylic acid groups introduced. Applicable but, the most preferred are fluorine-based polymer electrolytes as shown below.

フッ素系高分子電解質としては特に限定されないが、Nafion(登録商標;米国デュポン社製)、Aciplex(登録商標;日本国旭化成ケミカルズ(株)社製)、Flemion(登録商標;日本国旭硝子(株)社製)に代表される、下記化学式(1)で表されるプロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体が代表例として挙げられる。[CF2 CX12a −[CF2 −CF(−O−(CF2 −CF(CF23 ))b
Oc −(CFR1d −(CFR2e −(CF2f −X4 )]g
・・・(1)
(式中、X1 、X2およびX3 はそれぞれ独立にハロゲン元素または炭素数1以上3以下
のパーフルオロアルキル基、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、0≦b≦8、cは0または1であり、d、eおよびfはそれぞれ独立に0〜6の範囲の数(ただし、d+e+fは0に等しくない)、R1 およびR2はそれぞれ独立にハロゲン元素、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基であり、X4 は、−COOH、−SO3H、−PO32 、−PO3 HZ(Zは水素原子、金属原子(Na、K、Ca等)、又はアミン類(NH4、NH3 R、NH22 、NHR3 、NR4(Rはアルキル基、又はアレーン基))
The fluorine-based polymer electrolyte is not particularly limited, but Nafion (registered trademark; manufactured by DuPont, USA), Aciplex (registered trademark; manufactured by Asahi Kasei Chemicals, Japan), Flemion (registered trademark; Asahi Glass, Japan) A typical example is a perfluorocarbon polymer having a proton exchange group represented by the following chemical formula (1) represented by the following chemical formula (1). [CF 2 CX 1 X 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -
Oc - (CFR 1) d - (CFR 2) e - (CF 2) f -X 4)] g
... (1)
Wherein X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 0 ≦ b ≦ 8, c is 0 or 1, d, e and f are each independently a number in the range of 0-6 (where d + e + f is not equal to 0), R 1 and R 2 are each independently a halogen element, C 4-10 perfluoroalkyl group or fluorochloroalkyl group, X 4 is —COOH, —SO 3 H, —PO 3 H 2 , —PO 3 HZ (Z is a hydrogen atom, metal atom (Na , K, Ca, etc.) or amines (NH 4 , NH 3 R, NH 2 R 2 , NHR 3 , NR 4 (R is an alkyl group or arene group))

中でも、下記化学式(2)又は(3)で表されるパーフルオロカーボン重合体が好ましい。
[CF2 CF2a −[CF2 −CF(−O−(CF2 −CF(CF3 ))b−O−
(CF2f−X4 )]g ・・・(2)
(式中0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、1≦b≦3、1≦f≦8、そしてX4 は−COOH、−SO3 H、−PO32 又は−PO3 Hである。)
[CF2 CF2a −[CF2 −CF(−O−(CF2f −X4)]g
・・・(3)
(式中0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、1≦f≦8、そしてX4 は−COOH、−SO3 H、−PO32 又は−PO3 Hである。)
上記のようなパーフルオロカーボン重合体は、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン等のパーフルオロオレフィンや、パーフルオロアルキルビニルエーテル等のコモノマーに由来する単位をさらに含む共重合体であってもよい。
Among these, a perfluorocarbon polymer represented by the following chemical formula (2) or (3) is preferable.
[CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 3)) b -O-
(CF 2 ) f −X 4 )] g (2)
(Where 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 1 ≦ b ≦ 3, 1 ≦ f ≦ 8, and X 4 represents —COOH, —SO 3 H, —PO 3 H 2 or — PO 3 H.)
[CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2) f -X 4)] g
... (3)
(Where 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, 1 ≦ f ≦ 8, and X 4 is —COOH, —SO 3 H, —PO 3 H 2 or —PO 3 H. )
The perfluorocarbon polymer as described above may be a copolymer further including units derived from a perfluoroolefin such as hexafluoropropylene or chlorotrifluoroethylene, or a comonomer such as perfluoroalkyl vinyl ether.

本発明で用いるフッ素系高分子電解質の製造方法は、例えば、米国特許第5, 281,
680号明細書、日本国特開平7−252322号公報、米国特許第5, 608, 022
号明細書に記載されている。
本発明の高分子電解質膜における(a)プロトン交換樹脂の含有率は、30.00〜99.99質量%であり、好ましくは40.0〜99.9質量%、より好ましくは50〜99質量%、さらに好ましくは60〜90質量%、最も好ましくは65〜80質量%である。(a)プロトン交換樹脂の含有率を上記の範囲(30.00〜99.99質量%)に設定することにより、良好なプロトン伝導度を維持したまま、高耐久性を有する高分子電解質膜を得ることができる。
A method for producing a fluorine-based polymer electrolyte used in the present invention is described in, for example, US Pat. No. 5,281,
No. 680, Japanese Patent Laid-Open No. 7-252322, US Pat. No. 5,608,022
It is described in the specification.
The content of the (a) proton exchange resin in the polymer electrolyte membrane of the present invention is 30.00 to 99.99% by mass, preferably 40.0 to 99.9% by mass, more preferably 50 to 99% by mass. %, More preferably 60 to 90% by mass, most preferably 65 to 80% by mass. (A) By setting the content of the proton exchange resin in the above range (30.00 to 99.99% by mass), a polymer electrolyte membrane having high durability while maintaining good proton conductivity is obtained. Obtainable.

本発明の高分子電解質膜に用いる(b)ポリフェニレンエーテル樹脂については特に制限されないが、例えば、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−エチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジエチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−n−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−エチル−6−n−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジ−n−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−i−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−エチル−6−i−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジ−i−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−フェニル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−クロロ−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−ヒドロキシエチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−クロロエチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−メトキシ−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジ(p−フルオロフェニル)−1,4−フェニレン)エーテル、等のポリフェニレンエーテル単独重合体が挙げられる。このうち、下記化学式(4)で表されるポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレン)エーテルが工業的に重要なポリフェニレンエーテル樹脂であり、旭化成ケミカルズ(株)製やGEプラスチックス(株)製のものが代表例として挙げられる。   The (b) polyphenylene ether resin used in the polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) ether and poly (2-methyl-6-ethyl-). 1,4-phenylene) ether, poly (2,6-diethyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-n-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-ethyl-) 6-n-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2,6-di-n-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-i-propyl-1,4- Phenylene) ether, poly (2-ethyl-6-i-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2,6-di-i-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2- Til-6-phenyl-1,4-phenylene) ether, poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-chloro-1,4-phenylene) ether, poly ( 2-methyl-6-hydroxyethyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-chloroethyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-methoxy-1,4-phenylene) ) Ether, poly (2-methyl-1,4-phenylene) ether, poly (-1,4-phenylene) ether, poly (2,6-di (p-fluorophenyl) -1,4-phenylene) ether, And polyphenylene ether homopolymers. Among these, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) ether represented by the following chemical formula (4) is an industrially important polyphenylene ether resin, manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation and GE Plastics ( A typical example is a product manufactured by Co., Ltd.

Figure 0004895563

(式中、nは1以上の整数)
Figure 0004895563

(Where n is an integer of 1 or more)

本発明の高分子電解質膜に用いる(b)ポリフェニレンエーテル樹脂としては、ポリフェニレンエーテル共重合体でもよく、2,6−ジメチルフェノールとo−クレゾールとの共重合体、2,6−ジメチルフェノールと2,3,6−トリメチルフェノールとの共重合体等、ポリフェニレンエーテル構造を主体としてなるポリフェニレンエーテル共重合体がこれに該当する。
また、本発明の高分子電解質膜に用いる(b)ポリフェニレンエーテル樹脂としては、本発明の趣旨に反しない限り、従来ポリフェニレンエーテルに存在させても良いことが提
案されている他の種々のフェニレンエーテルユニットが含有していてもかまわない。例えば2,6−ジメチルフェノールを主体としてなるモノマーから誘導されるポリフェニレンエーテルについて例を挙げれば次のような異種構造が挙げられる。該ポリフェニレンエーテルの末端構造の例としては、下記化学式(α)で表される特公平7−47634号公報等記載のアミノアルキル置換末端基や、下記化学式(β)で表される4−ヒドロキシビフェニル末端基が挙げられる。
The polyphenylene ether resin (b) used in the polymer electrolyte membrane of the present invention may be a polyphenylene ether copolymer, a copolymer of 2,6-dimethylphenol and o-cresol, 2,6-dimethylphenol and 2 This corresponds to a polyphenylene ether copolymer mainly composed of a polyphenylene ether structure, such as a copolymer with 3,6-trimethylphenol.
In addition, as the (b) polyphenylene ether resin used in the polymer electrolyte membrane of the present invention, other various phenylene ethers that have been proposed to exist in the polyphenylene ether are proposed unless they are contrary to the spirit of the present invention. It does not matter if the unit contains it. For example, the following heterogeneous structure can be given as an example of polyphenylene ether derived from a monomer mainly composed of 2,6-dimethylphenol. Examples of the terminal structure of the polyphenylene ether include aminoalkyl-substituted terminal groups described in JP-B-7-47634 represented by the following chemical formula (α) and 4-hydroxybiphenyl represented by the following chemical formula (β). Examples include end groups.

Figure 0004895563

(式中、R,Rは各々独立に1〜20の炭化水素基を示す)
Figure 0004895563

(Wherein R 3 and R 4 each independently represent 1 to 20 hydrocarbon groups)

Figure 0004895563
Figure 0004895563

また、高分子鎖中の異種構造としては、下記化学式(γ)で示すような特開平1−297428号公報、特開昭63−301222号公報記載の、2−(ジアルキルアミノメチル)−6−メチルフェニレンエーテルユニットや、下記化学式(δ)で表される2−(N−アルキル−N−フェニル−アミノメチル)−6−メチルフェニレンエーテルユニットが例示できる。   As the heterogeneous structure in the polymer chain, 2- (dialkylaminomethyl) -6-6 described in JP-A-1-297428 and JP-A-63-301222 as shown by the following chemical formula (γ) Examples thereof include a methylphenylene ether unit and a 2- (N-alkyl-N-phenyl-aminomethyl) -6-methylphenylene ether unit represented by the following chemical formula (δ).

Figure 0004895563

(式中、R,Rは各々独立に1〜20の炭化水素基を示す)
Figure 0004895563

(Wherein R 3 and R 4 each independently represent 1 to 20 hydrocarbon groups)

Figure 0004895563

(式中、Rは炭素数1〜20のアルキル基、アルカノール基を示し、Rは水素、炭素数1〜10の置換あるいは非置換アルキル基を示し、mは該フェニル環の置換基の数で1から5の整数である)
Figure 0004895563

(In the formula, R 5 represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms and an alkanol group, R 6 represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and m represents a substituent of the phenyl ring. (It is an integer from 1 to 5)

更には、特殊な構造を持つポリフェニレンエーテルで例えば、特公昭61−20575号公報記載の下記化学式(ε)で表されるキノン結合ポリフェニレンエーテル、特公昭55−46015号公報や特開昭62−39628号公報記載の下記化学式(ζ)で表される二官能性ポリフェニレンエーテルであっても良い。   Furthermore, it is a polyphenylene ether having a special structure, for example, a quinone-bonded polyphenylene ether represented by the following chemical formula (ε) described in JP-B-61-20575, JP-B-55-46015 and JP-A-62-39628. It may be a bifunctional polyphenylene ether represented by the following chemical formula (ζ) described in the publication.

Figure 0004895563
(式中、p、qは連鎖の数で1以上の整数である)
Figure 0004895563
(In the formula, p and q are the number of chains and an integer of 1 or more)

Figure 0004895563
(式中、x、yは連鎖の数で0または1以上の整数であるが同時に0ではない)
Figure 0004895563
(In the formula, x and y are the number of chains, which is 0 or an integer of 1 or more, but are not 0 at the same time)

本発明の高分子電解質膜における(b)ポリフェニレンエーテル樹脂の含有率は、0.01〜70.00質量%であり、好ましくは0.1〜60.0質量%、より好ましくは1〜50質量%、さらに好ましくは10〜40質量%、最も好ましくは20〜35質量%である。ポリフェニレンエーテル樹脂の含有率を上記の範囲(0.01〜70.00質量%)に設定することにより、良好なプロトン伝導度を維持したまま、高耐久性を有する高分子電解質膜を得ることができる。   The content of the (b) polyphenylene ether resin in the polymer electrolyte membrane of the present invention is 0.01 to 70.00% by mass, preferably 0.1 to 60.0% by mass, more preferably 1 to 50% by mass. %, More preferably 10 to 40% by mass, and most preferably 20 to 35% by mass. By setting the content of the polyphenylene ether resin in the above range (0.01 to 70.00% by mass), it is possible to obtain a polymer electrolyte membrane having high durability while maintaining good proton conductivity. it can.

また、本発明の高分子電解質膜においては、該プロトン交換樹脂と該ポリフェニレンエーテル樹脂とが互いに相分離していることを特徴とする。ここでいう相分離とは、該プロトン交換樹脂と該ポリフェニレンエーテル樹脂とが完全に相溶していない状態だけでなく、部分的に相溶した状態もこれに該当する。このような相分離状態を形成することで、化学的安定性及び耐熱性に優れた高分子電解質膜を得ることができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the proton exchange resin and the polyphenylene ether resin are phase-separated from each other. The phase separation here refers not only to a state where the proton exchange resin and the polyphenylene ether resin are not completely compatible, but also to a state where they are partially compatible. By forming such a phase separation state, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability and heat resistance can be obtained.

そして、本発明の高分子電解質膜においては、糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散した該ポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向していることを特徴とする。ここで言う配向とは、高分子辞典(第4版),高分子学会編,(株)朝倉書店,p.522〜524(昭和51年)に記載されているように、物質を構成する構造単位が物質のある特定方向に優先的に配列する状態を指す。このような具体的な例としては、図1〜図3が挙げられる。このように、該ポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向することで、機械強度及び乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜を得ることができる。   In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from a thread form, a fiber form, and a needle form is oriented perpendicular to the film thickness direction. . The term “orientation” as used herein refers to Polymer Dictionary (4th edition), edited by the Society of Polymer Science, Asakura Shoten Co. As described in 522-524 (Showa 51), it refers to a state in which structural units constituting a substance are preferentially arranged in a specific direction of the substance. Specific examples of such a case include FIGS. 1 to 3. Thus, when the polyphenylene ether resin is oriented perpendicularly to the film thickness direction, a polymer electrolyte membrane excellent in mechanical strength and dry / wet dimensional stability can be obtained.

さらに、本発明の高分子電解質膜においては、該ポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直な平面においてランダムに配向していることが好ましい。このように、該ポリフェニレンエーテル樹脂が等方的に配向することで、本発明の高分子電解質膜は膜平面のどの方向に対しても、等方的に優れた乾湿寸法安定性を示す。乾湿寸法安定性とは、25℃,20%RHで膜サンプルを8時間放置したときの寸法に対する、80℃水中で1時間放置したときの寸法の比である湿潤時の膨潤率が100〜115%、好ましくは100〜110%、より好ましくは100〜105%、最も好ましくは100〜101%であることを意味する。また、ここで等方的に優れた乾湿寸法安定性を示すとは、膜平面のある方向をX軸とし、それに直交する方向をY軸とした場合に、X軸方向の該膨潤率に対するY軸の該膨潤率の割合が0.5〜1.5、好ましくは0.8〜1.2、より好ましくは0.9〜1.1、最も好ましくは0.95〜1.05であることを指す。   Furthermore, in the polymer electrolyte membrane of the present invention, it is preferable that the polyphenylene ether resin is randomly oriented in a plane perpendicular to the film thickness direction. Thus, the polyphenylene ether resin isotropically oriented, so that the polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits isotropic wet-wet dimensional stability in any direction on the plane of the membrane. The wet and dry dimensional stability is a ratio of the swell ratio when left for 1 hour in water at 80 ° C. to the dimension when the membrane sample is left for 8 hours at 25 ° C. and 20% RH. %, Preferably 100-110%, more preferably 100-105%, most preferably 100-101%. In addition, the isotropic wet-wet dimensional stability shown here means that when the direction of the film plane is the X axis and the direction perpendicular thereto is the Y axis, the Y with respect to the swelling rate in the X axis direction The ratio of the swelling ratio of the shaft is 0.5 to 1.5, preferably 0.8 to 1.2, more preferably 0.9 to 1.1, and most preferably 0.95 to 1.05. Point to.

配向したポリフェニレンエーテル樹脂は、例えば、糸状、繊維状、針状といった形態で分散していることが望ましい。分散している該ポリフェニレンエーテル樹脂の短径(膜厚方向)としては、0.01〜100μmであることが好ましく、より好ましくは0.01〜30μm、さらに好ましくは0.01〜10μm、最も好ましくは0.1〜5μmである。また、分散している該ポリフェニレンエーテル樹脂の長径/短径の比率であるアスペクト比としては、1〜10000であることが好ましく、より好ましくは2〜5000、さらに好ましくは5〜3000、最も好ましくは10〜1000である。尚、図1〜図3中の黒色に染色された部分がポリフェニレンエーテル樹脂であり、透明部がフッ素系高分子電解質である。さらに、以上のような該ポリフェニレンエーテル樹脂は、膜厚方向にも、膜平面方向においても膜中に均一にしているのが好ましい。図1〜図3のような膜断面図を示す高分子電解質膜においては、該ポリフェニレンエーテル樹脂は膜中に均一に分散しているとみなすことができる。   The oriented polyphenylene ether resin is desirably dispersed in the form of, for example, a thread, a fiber, or a needle. The minor axis (in the film thickness direction) of the dispersed polyphenylene ether resin is preferably 0.01 to 100 μm, more preferably 0.01 to 30 μm, still more preferably 0.01 to 10 μm, and most preferably. Is 0.1 to 5 μm. Further, the aspect ratio, which is the ratio of the major axis / minor axis of the dispersed polyphenylene ether resin, is preferably 1 to 10000, more preferably 2 to 5000, still more preferably 5 to 3000, and most preferably. 10 to 1000. In addition, the black-stained portion in FIGS. 1 to 3 is a polyphenylene ether resin, and the transparent portion is a fluoropolymer electrolyte. Further, the polyphenylene ether resin as described above is preferably uniform in the film both in the film thickness direction and in the film plane direction. In the polymer electrolyte membrane having membrane cross sections as shown in FIGS. 1 to 3, the polyphenylene ether resin can be regarded as being uniformly dispersed in the membrane.

また、糸状、繊維状、針状に分散した該ポリフェニレンエーテル樹脂が相互に該ポリフェニレンエーテルで連結された構造である場合があり、具体例として図2に示すような微小結節部を多数含んだ微細構造が挙げられる。ここで言う微小結節部の大きさとしては特に限定されないが、0.01〜10μmであることが好ましく、より好ましくは0.02〜8μm、さらに好ましくは0.05〜5μm、最も好ましくは0.1〜2μmである。図2中の黒色に染色された部分がポリフェニレンエーテル樹脂であり、透明部がフッ素系高分子電解質である。該微少結節部の個数密度としては、膜断面1μm×1μmの領域あたり、1〜1000個であることが好ましく、より好ましくは2〜500個、さらに好ましくは5〜300個、最も好ましくは10〜100個である。   In some cases, the polyphenylene ether resin dispersed in the form of threads, fibers, and needles may be connected to each other with the polyphenylene ether. As a specific example, a fine structure including a large number of minute nodules as shown in FIG. Structure is mentioned. Although it does not specifically limit as a magnitude | size of the minute nodule said here, It is preferable that it is 0.01-10 micrometers, More preferably, it is 0.02-8 micrometers, More preferably, it is 0.05-5 micrometers, Most preferably, it is 0.8. 1 to 2 μm. The black-stained portion in FIG. 2 is a polyphenylene ether resin, and the transparent portion is a fluoropolymer electrolyte. The number density of the minute nodules is preferably 1 to 1000, more preferably 2 to 500, still more preferably 5 to 300, and most preferably 10 to 10 per 1 μm × 1 μm membrane cross section. 100.

また、以上のような本発明の高分子電解質膜を補強層とし、該ポリフェニレンエーテル樹脂を含まずに該プロトン交換樹脂からなるフィルム(以下、無補強層と称する)と積層し、2層以上の積層体とした高分子電解質積層膜として用いてもよい。例えば、2層の場合は、補強層/無補強層、3層の場合は、補強層/無補強層/補強層、無補強層/補強層/無補強層、4層の場合は、補強層/無補強層/補強層/無補強層、無補強層/補強層/無補強層/補強層、5層の場合は、補強層/無補強層/補強層/無補強層/補強層、無補強層/補強層/無補強層/補強層/無補強層等の構成が挙げられる。3層以上を積層する場合、異なる組成や物性の補強層及び無補強層を用いてもよい。例えば、補強層1/無補強層1/補強層2/無補強層2/補強層3、無補強層1/補強層1/無補強層2/補強層2/無補強層3等の構成ができる。
さらに、高分子電解質膜の一部においてのみ、以上のような本発明の高分子電解質膜が形成されていても良い。
Further, the polymer electrolyte membrane of the present invention as described above is used as a reinforcing layer, and laminated with a film made of the proton exchange resin without containing the polyphenylene ether resin (hereinafter referred to as an unreinforced layer). You may use as a polymer electrolyte laminated film made into the laminated body. For example, in the case of 2 layers, a reinforcing layer / unreinforced layer, in the case of 3 layers, a reinforced layer / unreinforced layer / reinforced layer, an unreinforced layer / reinforced layer / unreinforced layer, and in the case of 4 layers, a reinforced layer / Unreinforced layer / Reinforced layer / Unreinforced layer, Unreinforced layer / Reinforced layer / Unreinforced layer / Reinforced layer In case of 5 layers, Reinforced layer / Unreinforced layer / Reinforced layer / Unreinforced layer / Reinforced layer, None Examples of the configuration include a reinforcing layer / a reinforcing layer / an unreinforced layer / a reinforcing layer / an unreinforced layer. When three or more layers are laminated, a reinforcing layer and a non-reinforcing layer having different compositions and physical properties may be used. For example, the configuration of reinforcing layer 1 / non-reinforcing layer 1 / reinforcing layer 2 / non-reinforcing layer 2 / reinforcing layer 3, non-reinforcing layer 1 / reinforcing layer 1 / non-reinforcing layer 2 / reinforcing layer 2 / non-reinforcing layer 3, etc. it can.
Furthermore, the polymer electrolyte membrane of the present invention as described above may be formed only on a part of the polymer electrolyte membrane.

本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜のプロトン交換容量としては特に限定されないが、1g当たり0.5〜4.0ミリ当量が好ましく、より好ましくは0.8〜4.0ミリ当量、最も好ましくは0.9〜1.5ミリ当量である。より大きいプロトン交換容量の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜を用いる方が、高温低加湿条件下においてより高いプロトン伝導性を示し、燃料電池に用いた場合、運転時により高い出力を得ることができる。   The proton exchange capacity of the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated membrane of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 4.0 milliequivalents per gram, more preferably 0.8 to 4.0 milliequivalents. Most preferably, it is 0.9 to 1.5 milliequivalents. Using a polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated membrane with a larger proton exchange capacity shows higher proton conductivity under high temperature and low humidification conditions, and when used in a fuel cell, obtains higher output during operation. Can do.

プロトン交換容量は、以下の方法で測定することができる。まず、10cm2 程度に切り出した高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜を110℃にて真空乾燥して、乾燥重量W(g)を求める。この膜を50mlの25℃飽和NaCl水溶液に浸漬してH+ を遊離させ、フェノールフタレインを指示薬として、0.01N水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定を行い、中和に要したNaOHの等量M(ミリ等量)を求める。このようにして求めたMをWで割って得られる値がプロトン交換容量(ミリ等量/g)である。また、WをMで割って1000倍した値が当量質量EWであり、プロトン交換基1当量当りの乾燥質量グラム数である。 The proton exchange capacity can be measured by the following method. First, the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated membrane cut out to about 10 cm 2 is vacuum-dried at 110 ° C. to obtain the dry weight W (g). This membrane is immersed in 50 ml of a 25 ° C. saturated NaCl aqueous solution to release H + , neutralized with 0.01 N sodium hydroxide aqueous solution using phenolphthalein as an indicator, and the equivalent amount of NaOH required for neutralization. Obtain M (millimeter equivalent). The value obtained by dividing M thus determined by W is the proton exchange capacity (milli equivalent / g). The value obtained by dividing W by M and multiplying by 1000 is the equivalent mass EW, which is the dry mass in grams per equivalent of proton exchange groups.

本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜の厚みは制限されないが、1〜500μmであることが好ましく、より好ましくは2〜150μm、さらに好ましくは5〜75μm、最も好ましくは5〜50μmである。膜厚が厚いほど耐久性は良くなる一方で、初期特性は悪くなるため、上記の範囲(1〜500μm)で膜厚を設定するのが好ましい。   The thickness of the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate film of the present invention is not limited, but is preferably 1 to 500 μm, more preferably 2 to 150 μm, still more preferably 5 to 75 μm, and most preferably 5 to 50 μm. is there. The thicker the film thickness, the better the durability, but the worse the initial characteristics. Therefore, it is preferable to set the film thickness within the above range (1 to 500 μm).

また、本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜は、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリイミダゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリアニリン、ポリフェニレンサルファイド等の耐熱性ポリマーを含んでいてもよい。この中でも、ポリベンズイミダゾール及びポリフェニレンサルファイドを添加することにより、耐酸化性を向上できるため好ましい。本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜における該耐熱性ポリマーの含有率は、好ましくは0.1〜20質量%、より好ましくは0.5〜10質量%、最も好ましくは1〜5質量%以下である。該耐熱性ポリマーは、本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜において、粒子状で存在していても構わない。この際の平均粒径(50%体積ベース)としては、0.1〜20μmが好ましく、より好ましくは0.5〜15μm、最も好ましくは1〜10μmである。   The polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate film of the present invention comprises a heat-resistant polymer such as polybenzimidazole, polyimide, polyamideimide, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazole, polyvinylpyridine, polyvinylimidazole, polyaniline, and polyphenylene sulfide. May be included. Among these, the addition of polybenzimidazole and polyphenylene sulfide is preferable because the oxidation resistance can be improved. The content of the heat-resistant polymer in the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate film of the present invention is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.5 to 10% by mass, and most preferably 1 to 5%. It is below mass%. The heat-resistant polymer may be present in the form of particles in the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate film of the present invention. In this case, the average particle size (50% volume basis) is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.5 to 15 μm, and most preferably 1 to 10 μm.

本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜は、無機粒子(Al23 、SiO2 、TiO2、ZrO2 など)の添加による補強(日本国特開平6−111827号、
日本国特開平9−219206号公報及び米国特許第5, 523, 181号明細書参照)、架橋による補強(日本国特開2000−188013号公報参照)、ゾルゲル反応を利用して膜内にシリカを含有させることによる補強((K. A. Mauritz, R. F. Storey and C. K. Jones, in Multiphase Polymer Materials: Blends and Ionomers, L. A. Utracki and R. A. Weiss, Editors, ACS Symposium Series No. 395, p. 401, American Chemical Society, Washington, DC (1989)参照)等の公知の方法で補強が施されていてもよい。
The polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated membrane of the present invention is reinforced by the addition of inorganic particles (Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2, etc.) (Japanese Patent Laid-open No. Hei 6-1111827,
Japanese Patent Laid-Open No. 9-219206 and U.S. Pat. No. 5,523,181), reinforcement by crosslinking (see Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-188013), silica in the film using sol-gel reaction ((KA Mauritz, RF Storey and CK Jones, in Multiphase Polymer Materials: Blends and Ionomers, LA Utracki and RA Weiss, Editors, ACS Symposium Series No. 395, p. 401, American Chemical Society, Washington , DC (1989)) may be used for reinforcement.

(本発明の高分子電解質膜の製造例)
本発明の高分子電解質膜の製造方法を以下に説明するが、以下に例示する製造方法には限定されない。
本発明の高分子電解質膜は、例えば、以下の方法で製造することができる。
高分子電解質膜の製造方法であって、
(a)プロトン交換樹脂が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して30.00〜99.99質量%と
(b)ポリフェニレンエーテル樹脂が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して0.01〜70.00質量%とを、
液状媒体と混合したキャスト液とし、該キャスト液を支持体上にキャストして塗膜を形成すると同時に液状媒体を除去して高分子電解質膜を形成する方法を挙げることができる。
(Production example of the polymer electrolyte membrane of the present invention)
Although the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of this invention is demonstrated below, it is not limited to the manufacturing method illustrated below.
The polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced, for example, by the following method.
A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising:
(A) Proton exchange resin is 30.00-99.99 mass% with respect to the total mass of component (a) and component (b), and (b) Polyphenylene ether resin is the sum of component (a) and component (b). 0.01 to 70.00 mass% with respect to mass,
A cast liquid mixed with a liquid medium is used, and the cast liquid is cast on a support to form a coating film, and at the same time, the liquid medium is removed to form a polymer electrolyte membrane.

上記キャスト液は、例えば、乳濁液(液体中に液体粒子がコロイド粒子あるいはそれより粗大な粒子として分散して乳状をなすもの)、懸濁液(液体中に固体粒子がコロイド粒子あるいは顕微鏡で見える程度の粒子として分散したもの)、コロイド状液体(巨大分子が分散した状態)、又はミセル状液体(多数の小分子が分子間力で会合して出来た親液コロイド分散系)などであり、これらの複合系であってもよい。   The cast liquid is, for example, an emulsion (in which a liquid particle is dispersed as a colloidal particle or a coarser particle in the liquid to form a milky state), a suspension (a solid particle in the liquid is colloidal particles or a microscope). Such as particles dispersed as visible particles), colloidal liquid (macromolecules dispersed), or micellar liquid (a lyophilic colloidal dispersion system formed by the intermolecular force of many small molecules). These composite systems may also be used.

キャスト液中の(a)プロトン交換樹脂の濃度は限定されないが、キャスト液の総質量に対して、0.01〜40質量%が好ましく、より好ましくは0.1〜20質量%、最も好ましくは0.5〜8質量%である。
また、キャスト液中の(b)ポリフェニレンエーテル樹脂の濃度は限定されないが、キャスト液の総質量に対して、0.01〜40質量%が好ましく、より好ましくは0.1〜20質量%、最も好ましくは0.5〜4質量%である。
The concentration of the (a) proton exchange resin in the casting solution is not limited, but is preferably 0.01 to 40% by mass, more preferably 0.1 to 20% by mass, most preferably based on the total mass of the casting solution. 0.5-8 mass%.
The concentration of the (b) polyphenylene ether resin in the casting solution is not limited, but is preferably 0.01 to 40% by mass, more preferably 0.1 to 20% by mass, most preferably based on the total mass of the casting solution. Preferably it is 0.5-4 mass%.

尚、前記キャスト液中のプロトン交換樹脂(a)とポリフェニレンエーテル樹脂(b)の質量比(プロトン交換樹脂(a):ポリフェニレンエーテル樹脂(b))は、99.99:0.01〜30.00:70.00の範囲であり、好ましくは99.9:0.1〜40.0:60.0、より好ましくは99:1〜50:50、さらにより好ましくは90:10〜60:40、最も好ましくは80:20〜65:35である。
キャスト液中の液状媒体の濃度は限定されないが、キャスト液の総質量に対して、20〜99.98質量%が好ましく、60〜99.8質量%がより好ましく、88〜99質量%が最も好ましい。
The mass ratio of the proton exchange resin (a) to the polyphenylene ether resin (b) (proton exchange resin (a): polyphenylene ether resin (b)) in the casting solution is 99.99: 0.01-30. 00: 70.00, preferably 99.9: 0.1-40.0: 60.0, more preferably 99: 1-50: 50, even more preferably 90: 10-60: 40. Most preferably, it is 80: 20-65: 35.
The concentration of the liquid medium in the casting liquid is not limited, but is preferably 20 to 99.98% by mass, more preferably 60 to 99.8% by mass, and most preferably 88 to 99% by mass with respect to the total mass of the casting liquid. preferable.

キャスト液中の液状媒体としては、特に限定されないが、プロトン溶媒と非プロトン溶媒の混合溶媒であることが好ましい。ここで言うプロトン溶媒とは、プロトンを出すことができる官能基を有する溶媒であり、その例として、水、アルコール類(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等)、フェノール類が挙げられる。プロトン溶媒の量としては特に限定されないが、キャスト液の総質量に対して1〜99質量%であることが好ましく、より好ましくは10〜97質量%であり、最も好ましくは30〜85質量%である。
また、これらのプロトン溶媒は1種もしくは2種以上を混合して用いてもよい。特に、水とアルコールの混合溶媒を用いることが好ましく、水/エタノール=3/1〜1/3(
体積割合)、水/イソプロパノール=3/1〜1/3(体積割合)の混合溶媒を用いることがより好ましい。
Although it does not specifically limit as a liquid medium in a casting liquid, It is preferable that it is a mixed solvent of a protic solvent and an aprotic solvent. The proton solvent mentioned here is a solvent having a functional group capable of emitting protons, and examples thereof include water, alcohols (methanol, ethanol, propanol, isopropanol, etc.), and phenols. Although it does not specifically limit as a quantity of a proton solvent, It is preferable that it is 1-99 mass% with respect to the total mass of a casting liquid, More preferably, it is 10-97 mass%, Most preferably, it is 30-85 mass%. is there.
These proton solvents may be used alone or in combination of two or more. In particular, a mixed solvent of water and alcohol is preferably used, and water / ethanol = 3/1 to 1/3 (
It is more preferable to use a mixed solvent of (volume ratio) and water / isopropanol = 3/1 to 1/3 (volume ratio).

キャスト液中の液状媒体は、更に非プロトン溶媒を包含することが好ましい。ここで、非プロトン溶媒とは上記プロトン溶媒以外の溶媒であり、その例として、N, N−ジメチルホルムアミド、N, N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン、トルエン、クロロホルム、四塩化炭素等が挙げられる。これらの非プロトン溶媒は1種もしくは2種以上を混合して用いてもよい。この中でも特にN, N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、トルエン、クロロホルムを用いることが特に好ましい。非プロトン溶媒の量としては特に限定されないが、キャスト液の総質量に対して0.98〜98.98質量%であることが好ましく、より好ましくは2.8〜89.8質量%、最も好ましくは3〜69質量%である。   The liquid medium in the casting liquid preferably further contains an aprotic solvent. Here, the aprotic solvent is a solvent other than the above-mentioned proton solvent, and examples thereof include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, dimethyl sulfoxide, acetone, methyl ethyl ketone, toluene, chloroform. And carbon tetrachloride. These aprotic solvents may be used alone or in combination of two or more. Of these, N, N-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, toluene and chloroform are particularly preferred. Although the amount of the aprotic solvent is not particularly limited, it is preferably 0.98 to 98.98% by mass, more preferably 2.8 to 89.8% by mass, most preferably based on the total mass of the casting liquid. Is 3 to 69% by mass.

このようなキャスト液を用いることで、プロトン交換樹脂中にポリフェニレンエーテル樹脂が、微細に相分離した高分子電解質膜の製造が可能となり、良好なプロトン伝導度を維持したまま、高耐久性を有する高分子電解質膜を得ることができる。
キャスト液は、例えば、ポリフェニレンエーテル樹脂(b)をトルエン等の非プロトン溶媒に溶解したポリマー溶液(以下、「前段階溶液A」、と称する)と、プロトン交換樹脂(a)をプロトン溶媒に溶解したポリマー溶液(以下、「前段階溶液B」、と称する)を添加して撹拌することで得ることができる。
By using such a casting solution, it becomes possible to produce a polymer electrolyte membrane in which a polyphenylene ether resin is finely phase-separated in a proton exchange resin, and has high durability while maintaining good proton conductivity. A polymer electrolyte membrane can be obtained.
For example, the casting solution includes a polymer solution in which polyphenylene ether resin (b) is dissolved in an aprotic solvent such as toluene (hereinafter referred to as “preliminary solution A”), and proton exchange resin (a) in a proton solvent. The obtained polymer solution (hereinafter referred to as “pre-stage solution B”) is added and stirred.

ポリフェニレンエーテル樹脂(b)の製造方法としては特に制限されず、既知のいかなるモノマー及び既知の重合方法、特にフェノール性化合物をモノマーとして利用する多くの合成方法が利用できる。たとえば、特公昭36−18692号公報、米国特許第3306875号、同3344116号、同3432466号明細書をはじめ多くの製法が提案されている。これらの公知の公報において、工業的に最も重要なモノマーは2,6−ジメチルフェノールである。
ポリフェニレンエーテル樹脂(b)の重量平均分子量は限定されないが、好ましくは10000〜1000000であり、より好ましくは20000〜100000であり、最も好ましくは50000〜100000である。重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定できる。
The production method of the polyphenylene ether resin (b) is not particularly limited, and any known monomer and known polymerization method, in particular, many synthesis methods using a phenolic compound as a monomer can be used. For example, many production methods have been proposed including Japanese Patent Publication No. 36-18692, U.S. Pat. Nos. 3,306,875, 3,344,116 and 3,342,466. In these known publications, the industrially most important monomer is 2,6-dimethylphenol.
The weight average molecular weight of the polyphenylene ether resin (b) is not limited, but is preferably 10,000 to 1,000,000, more preferably 20,000 to 100,000, and most preferably 50,000 to 100,000. The weight average molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).

また、このような重量平均分子量に代わる指標として、固有粘度(dl/g)を用いても良い。固有粘度は、ポリフェニレンエーテル樹脂(b)をクロロホルムに溶解して得られるポリマー溶液の粘度ηp(mPa・s)とクロロホルムの粘度ηs(mPa・s)、及び該ポリマー溶液の濃度Cp(g/dL)から、下記式を用いて求めることができる。ここでいう粘度とは、例えば30℃にてウベローデ型粘度管により測定される値である。
固有粘度=ln(ηp/ηs)/Cp
(式中、lnは自然対数を表す。)
ポリフェニレンエーテル樹脂(b)の固有粘度としては、0.5g/dlのポリマー溶液を用いた場合に0.05〜1.0dl/gの範囲のものが好ましく、さらに0.06〜0.70dl/gの範囲のものを使用することがより好ましい。
Moreover, you may use an intrinsic viscosity (dl / g) as a parameter | index instead of such a weight average molecular weight. Intrinsic viscosity includes the viscosity ηp (mPa · s) of the polymer solution obtained by dissolving the polyphenylene ether resin (b) in chloroform, the viscosity ηs (mPa · s) of chloroform, and the concentration Cp (g / dL) of the polymer solution. ) From the following equation. The viscosity here is, for example, a value measured with an Ubbelohde viscosity tube at 30 ° C.
Intrinsic viscosity = ln (ηp / ηs) / Cp
(In the formula, ln represents a natural logarithm.)
The intrinsic viscosity of the polyphenylene ether resin (b) is preferably in the range of 0.05 to 1.0 dl / g when a 0.5 g / dl polymer solution is used, and more preferably 0.06 to 0.70 dl / g. It is more preferable to use the thing of the range of g.

このような(b)ポリフェニレンエーテル樹脂をトルエンやクロロホルム等の非プロトン溶媒中に入れ、20〜90℃で10分〜100時間加熱処理する等の方法によって前段階溶液Aを得ることができる。前段階溶液Aにおける(b)ポリフェニレンエーテル樹脂の含有率は、前段階溶液Aの質量に対して、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.1〜30質量%以下、最も好ましくは1〜10質量%である。
前段階溶液Bに含まれる(a)プロトン交換樹脂の代表例であるプロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体は、下記化学式(5)で示される前駆体ポリマーを下記の
方法で重合した後、加水分解、酸処理を行って製造することができる。
[CF2 CX12a −[CF2 −CF(−O−(CF2 −CF(CF23 ))b
−(CFR1d −(CFR2e −(CF2f−X5 )]g
・・・(5)
(式中、X1 、X2およびX3 は、それぞれ独立に、ハロゲン元素または炭素数1〜3の
パーフルオロアルキル基、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1、bは0〜8の数、cは0または1、d、eおよびfはそれぞれ独立に0〜6の数(但し、d+e+fは、0に等しくない)、R1 およびR2はそれぞれ独立に、ハロゲン元素、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基またはフルオロクロロアルキル基、X5 は−COOR3、−COR4 または−SO24 (R3 は、炭素数1〜3のアルキル基(フッ素置換されていないもの)、R4はハロゲン元素))
The pre-stage solution A can be obtained by a method in which such a (b) polyphenylene ether resin is placed in an aprotic solvent such as toluene or chloroform and heat-treated at 20 to 90 ° C. for 10 minutes to 100 hours. The content of the (b) polyphenylene ether resin in the pre-stage solution A is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.1 to 30% by mass, most preferably based on the mass of the pre-stage solution A. Is 1-10 mass%.
A perfluorocarbon polymer having a proton exchange group, which is a representative example of the proton exchange resin contained in the pre-stage solution B, is obtained by polymerizing a precursor polymer represented by the following chemical formula (5) by the following method, It can be produced by decomposition and acid treatment.
[CF 2 CX 1 X 2] a - [CF 2 -CF (-O- (CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -
O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - (CF 2) f -X 5)] g
... (5)
(Wherein X 1 , X 2 and X 3 are each independently a halogen element or a C 1-3 perfluoroalkyl group, 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, b is 0 to 8, c is 0 or 1, d, e and f are each independently a number from 0 to 6 (where d + e + f is not equal to 0), R 1 and R 2 are each independently a halogen element , A C 1-10 perfluoroalkyl group or fluorochloroalkyl group, X 5 is —COOR 3 , —COR 4 or —SO 2 R 4 (R 3 is a C 1-3 alkyl group (fluorinated Not)), R 4 is a halogen element))

上記化学式(5)で示される前駆体ポリマーは、フッ化オレフィンとフッ化ビニル化合物とを共重合させることにより製造される。具体的なフッ化オレフィンとしては、CF2=CF2 ,CF2 =CFCl,CF2 =CCl2 等が挙げられる。具体的なフッ化ビニル化合物としては、CF2=CFO(CF2z −SO2 F,CF2 =CFOCF2CF(CF3 )O(CF2z −SO2 F,CF2=CF(CF2z −SO2 F,CF2 F(OCF2CF(CF3 ))z −(CF2z-1 −SO2F,CF2 =CFO(CF2z −CO2 R,CF2=CFOCF2 CF(CF3 )O(CF2z −CO2R,CF2 =CF(CF2z −CO2 R,CF2=CF(OCF2 CF(CF3 ))z −(CF22−CO2 R(Zは1〜8の整数、Rは炭素数1〜3のアルキル基(フッ素置換されていないもの)を表す)等が挙げられる。 The precursor polymer represented by the chemical formula (5) is produced by copolymerizing a fluorinated olefin and a vinyl fluoride compound. Specific examples of the fluorinated olefin include CF 2 = CF 2 , CF 2 = CFCl, CF 2 = CCl 2 and the like. Specific fluorinated vinyl compounds, CF 2 = CFO (CF 2 ) z -SO 2 F, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) z -SO 2 F, CF 2 = CF ( CF 2) z -SO 2 F, CF 2 F (OCF 2 CF (CF 3)) z - (CF 2) z-1 -SO 2 F, CF 2 = CFO (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CF (CF 2) z -CO 2 R, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) z - ( CF 2 ) 2 —CO 2 R (Z represents an integer of 1 to 8, R represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms (not substituted with fluorine)), and the like.

このような前駆体ポリマーの重合方法としては、フッ化ビニル化合物をフロン等の溶媒に溶かした後、テトラフルオロエチレンのガスと反応させ重合する溶液重合法、フロン等の溶媒を使用せずに重合する塊状重合法、フッ化ビニル化合物を界面活性剤とともに水中に仕込んで乳化させた後、テトラフルオロエチレンのガスと反応させ重合する乳化重合法等が挙げられる。上記のいずれの重合方法においても、反応温度は30〜90℃が好ましく、また、反応圧力は280〜1100kPaが好ましい。
このように製造された前駆体ポリマーの、JIS K−7210に基づいた270℃、荷重2.16kgf、オリフィス内径2.09mmで測定されるメルトインデックスMI(g/10分)は限定されないが、0.001以上1000以下が好ましく、より好ましくは0.01以上100以下、最も好ましくは0.1以上10以下である。
As a method for polymerizing such a precursor polymer, a solution polymerization method in which a vinyl fluoride compound is dissolved in a solvent such as chlorofluorocarbon and then reacted with a tetrafluoroethylene gas to perform polymerization. Polymerization is performed without using a solvent such as chlorofluorocarbon. Examples thereof include a bulk polymerization method, and an emulsion polymerization method in which a vinyl fluoride compound is charged with water in a surfactant and emulsified, and then reacted with tetrafluoroethylene gas for polymerization. In any of the above polymerization methods, the reaction temperature is preferably 30 to 90 ° C., and the reaction pressure is preferably 280 to 1100 kPa.
The melt index MI (g / 10 minutes) measured at 270 ° C., load 2.16 kgf, orifice inner diameter 2.09 mm based on JIS K-7210 of the precursor polymer thus produced is not limited. It is preferably 0.001 or more and 1000 or less, more preferably 0.01 or more and 100 or less, and most preferably 0.1 or more and 10 or less.

次に、前駆体ポリマーを、塩基性反応液体に浸漬させて、10〜90℃で10秒〜100時間の加水分解処理を行う。塩基性反応液体は限定されないが、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液が好ましい。塩基性反応液体におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の含有率は限定されないが、塩基性反応液体の質量に対して10〜30質量%であることが好ましい。塩基性反応液体は、ジメチルスルホキシド、メチルアルコール等の膨潤性有機化合物を含有するのが好ましい。塩基性反応液体における膨潤性有機化合物の含有率としては、塩基性反応液体の質量に対して1〜30質量%であることが好ましい。
このように加水分解処理した後、さらに塩酸等で酸処理を行うことにより、プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体が製造される。プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体のプロトン交換容量は限定されないが、1g当り0.50〜4.00が好ましく、より好ましくは1.00〜4.00、最も好ましくは1.25〜2.50である。
Next, the precursor polymer is immersed in a basic reaction liquid and subjected to a hydrolysis treatment at 10 to 90 ° C. for 10 seconds to 100 hours. The basic reaction liquid is not limited, but an aqueous solution of an alkali metal or alkaline earth metal hydroxide such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is preferred. The content of the alkali metal or alkaline earth metal hydroxide in the basic reaction liquid is not limited, but is preferably 10 to 30% by mass with respect to the mass of the basic reaction liquid. The basic reaction liquid preferably contains a swellable organic compound such as dimethyl sulfoxide or methyl alcohol. As a content rate of the swellable organic compound in a basic reaction liquid, it is preferable that it is 1-30 mass% with respect to the mass of a basic reaction liquid.
After the hydrolysis treatment as described above, the perfluorocarbon polymer having a proton exchange group is produced by further acid treatment with hydrochloric acid or the like. The proton exchange capacity of the perfluorocarbon polymer having a proton exchange group is not limited, but is preferably 0.50 to 4.00 per gram, more preferably 1.00 to 4.00, and most preferably 1.25 to 2. 50.

次に、プロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体とプロトン溶媒をオートクレーブに入れ、40〜300℃で10分〜100時間加熱処理する等の方法により、プロ
トン溶媒にプロトン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体を溶解させた前段階溶液Bを得ることができる。ここで言う溶液には、前記パーフルオロカーボン重合体がミセル状に分散した状態も含む。前段階溶液Bにおける前記パーフルオロカーボン重合体の含有率は、前段階溶液Bの質量に対して、好ましくは0.1〜50質量%、より好ましくは0.1〜30質量%、最も好ましくは1〜10質量%である。
Next, a perfluorocarbon polymer having a proton exchange group in a proton solvent is obtained by, for example, putting the perfluorocarbon polymer having a proton exchange group and a proton solvent into an autoclave and performing a heat treatment at 40 to 300 ° C. for 10 minutes to 100 hours. Can be obtained. The solution here includes a state in which the perfluorocarbon polymer is dispersed in a micelle form. The content of the perfluorocarbon polymer in the pre-stage solution B is preferably 0.1 to 50 mass%, more preferably 0.1 to 30 mass%, most preferably 1 with respect to the mass of the pre-stage solution B. -10 mass%.

以上のように製造した前段階溶液Aと前段階溶液Bとを公知の攪拌方法により混合する。また、所望により濃縮を行う。こうして、キャスト液が得られる。   The pre-stage solution A and the pre-stage solution B produced as described above are mixed by a known stirring method. Further, if necessary, concentration is performed. In this way, a casting liquid is obtained.

本発明では、上記のキャスト液を用いて、支持体上にキャストすると同時にキャスト液を構成する液状媒体を除去して本発明の高分子電解質膜を得ることができる。このような製造方法におけるキャスト方法としては、公知の噴霧(スプレー)技術を使用することができる。液状媒体を急激に除去する方法をとることで、該プロトン交換樹脂と該ポリフェニレンエーテル樹脂とが一気に相分離するため、より微細な相分離状態を有する本発明の高分子電解質膜を製造することができ、好ましい。   In the present invention, the polymer electrolyte membrane of the present invention can be obtained by removing the liquid medium constituting the cast liquid at the same time as casting on the support using the above cast liquid. As a casting method in such a manufacturing method, a known spraying technique can be used. Since the proton exchange resin and the polyphenylene ether resin are phase-separated at once by taking a method of rapidly removing the liquid medium, it is possible to produce the polymer electrolyte membrane of the present invention having a finer phase separation state. It is possible and preferable.

スプレー方式としては、流体の微粒化の方法で分けると、1流体スプレー方式と2流体スプレー方式に大別できるが、そのどちらの方式とも使用することができる。
前者の代表例としては、塗料が適正の液体圧力にて小さなオリフィスから押し出され、押し出される速度により塗液を霧化するエアレススプレー方式が挙げられる。オリフィスノズルとしては、エアレスコーンノズルやエアレスフラットノズル、クロスカットノズル、ドームノズル等を使うことができる。また、遠心力霧化のスプレー方式、超音波スプレー等も1流体スプレー方式に該当する。
The spray method can be broadly divided into a one-fluid spray method and a two-fluid spray method when divided according to the method of atomizing the fluid, and either method can be used.
A typical example of the former is an airless spray method in which the coating material is extruded from a small orifice at an appropriate liquid pressure, and the coating liquid is atomized by the extrusion speed. As the orifice nozzle, an airless cone nozzle, an airless flat nozzle, a cross cut nozzle, a dome nozzle, or the like can be used. Further, centrifugal atomization spraying, ultrasonic spraying, and the like also correspond to the one-fluid spraying method.

さらに好ましい形態で本発明の高分子電解質膜を得るには、該キャスト液をカップからサイホンにて吸い上げる、またはタンクから加圧してスプレーガンのノズルに該キャスト液を供給し、圧縮気体がノズルから出た該キャスト液を砕き霧化するエアスプレーという2流体スプレー方式を使用することが望ましい。このようなエアスプレーを行うことで、空孔のない緻密な高分子電解質膜を得ることができる。最も好ましい形態で本発明の高分子電解質膜を得るためには、特殊加工を施したノズル、エアキャップを使用して圧縮気体の渦巻き流を発生させ、ノズルから出た該キャスト液を砕き霧化して平均粒径0.1〜100μm、好ましくは1〜10μmの細かな液滴にし、支持体上に直径1mm〜100mm、好ましくは10〜50mmの円錐状に塗布することで高分子電解質膜を形成するスワールスプレーと呼ばれるエアスプレー方式を使用することがより望ましい。このようなスワールスプレーを行うことで、空孔がなく緻密で、かつ膜厚分布が小さい高分子電解質膜を得ることができる。   In order to obtain the polymer electrolyte membrane of the present invention in a more preferred form, the cast liquid is siphoned from a cup or pressurized from a tank to supply the cast liquid to a spray gun nozzle, and the compressed gas is discharged from the nozzle. It is desirable to use a two-fluid spray method called air spray that crushes and atomizes the cast liquid. By performing such air spraying, a dense polymer electrolyte membrane without pores can be obtained. In order to obtain the polymer electrolyte membrane of the present invention in the most preferred form, a swirling flow of compressed gas is generated using a specially processed nozzle and air cap, and the cast liquid discharged from the nozzle is crushed and atomized. The polymer electrolyte membrane is formed by forming fine droplets having an average particle size of 0.1 to 100 μm, preferably 1 to 10 μm, and coating the support in a conical shape with a diameter of 1 mm to 100 mm, preferably 10 to 50 mm. It is more desirable to use an air spray method called swirl spray. By performing such a swirl spray, it is possible to obtain a polymer electrolyte membrane having no pores and being dense and having a small film thickness distribution.

また、ビードやドット塗布、部分的にフィルム状塗布を行うモノフィラメントパターンと呼ばれる吐出パターン、パルス状にスプレーを行ってもよい。塗料をサブミクロンに微粒化し、静電気力で基板に吸着、積層させるエアロコートスプレーを用いることも可能である。
キャストに用いる支持体は限定されないが、一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、Si等の基材等が好適に使用できる。本発明では、支持体上にキャストする際、支持体を予め40〜200℃、好ましくは60〜160℃に加熱しておくことが好ましい。尚、このような支持体は、膜/電極接合体(後述する)を形成する際には、所望により、高分子電解質膜から除去される。また、場合によっては、プロトン交換樹脂からなるフィルムに塗布しても良い。
Moreover, you may spray by the discharge pattern called the monofilament pattern which performs a bead, dot application | coating, a film-form application partially, and a pulse form. It is also possible to use an aerocoat spray in which the paint is atomized into submicrons and adsorbed and laminated on the substrate by electrostatic force.
Although the support body used for casting is not limited, a general polymer film, a metal foil, a substrate such as alumina, Si, or the like can be suitably used. In the present invention, when casting on a support, the support is preferably heated in advance to 40 to 200 ° C, preferably 60 to 160 ° C. Such a support is removed from the polymer electrolyte membrane as desired when forming a membrane / electrode assembly (described later). Moreover, you may apply | coat to the film which consists of proton exchange resin depending on the case.

以上のようにキャストされた塗膜は一回のキャストで目標の膜厚までキャストしてもかまわないが、数回に分けてキャストして目標の膜厚としてもかまわない。また、高分子電
解質積層膜を製造する方法として、上記キャスト液と前段階溶液Bとを別々に用意し、これらの液を交互にキャスト及び乾燥させることで、補強層と無補強層を交互に多層積層した本発明の高分子電解質積層膜を製造することができる。
このようにして得られた高分子電解質膜は、所望により、40〜300℃、好ましくは80〜200℃で加熱処理(アニーリング)に付してもよい。(加熱処理により、液状媒体を完全に除去でき、また、成分(a)と成分(b)の構造が安定化する。)更に、本来のイオン交換容量を充分に発揮させるために、所望により、塩酸や硝酸等で酸処理を行ってもよい。(高分子電解質膜のプロトン交換基の一部が塩で置換されている場合、この酸処理によりプロトン交換基に戻すことができる。)また、横1軸テンターや同時2軸テンターを使用することによって延伸配向を付与することもできる。
The coating film cast as described above may be cast to a target film thickness by one casting, but may be divided into several times and cast to a target film thickness. In addition, as a method for producing a polymer electrolyte laminated film, the above-mentioned casting solution and the pre-stage solution B are prepared separately, and by alternately casting and drying these solutions, a reinforcing layer and an unreinforced layer are alternately provided. A multilayered polymer electrolyte laminated film of the present invention can be produced.
The polymer electrolyte membrane thus obtained may be subjected to heat treatment (annealing) at 40 to 300 ° C., preferably 80 to 200 ° C., if desired. (By heat treatment, the liquid medium can be completely removed, and the structure of the component (a) and the component (b) is stabilized.) Further, in order to fully exhibit the original ion exchange capacity, if desired, The acid treatment may be performed with hydrochloric acid or nitric acid. (If the proton exchange group of the polymer electrolyte membrane is partially substituted with a salt, it can be returned to the proton exchange group by this acid treatment.) Also, a lateral uniaxial tenter or simultaneous biaxial tenter is used. It is also possible to impart stretch orientation.

以上の方法で製造された高分子電解質膜を用いて高分子電解質積層膜を製造する方法としては、本発明の高分子電解質膜及びプロトン交換樹脂からなるフィルムを別々に用意し、これらを積層した状態で、ホットプレス、ロールプレス、真空プレス等の公知のプレス技術やラミネーション技術を用いることにより接合する方法等が例示できる。この際、必要に応じて、本発明の高分子電解質膜とプロトン交換樹脂からなるフィルムを、一般的なポリマーフィルム、金属箔、アルミナ、Si等の基材上に形成した状態で接合を行ってもよい。また、必要に応じて接合後に用いた基材を剥離してもよい。   As a method for producing a polymer electrolyte laminate film using the polymer electrolyte membrane produced by the above method, a film comprising the polymer electrolyte membrane of the present invention and a proton exchange resin was prepared separately, and these were laminated. Examples of the bonding method include a known press technique such as a hot press, a roll press, and a vacuum press, and a lamination technique. At this time, if necessary, the film composed of the polymer electrolyte membrane of the present invention and a proton exchange resin is bonded on a base material such as a general polymer film, metal foil, alumina, or Si. Also good. Moreover, you may peel the base material used after joining as needed.

(膜/電極接合体)
本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜を固体高分子形燃料電池に用いる場合、本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜がアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体(membrane/electrode assembly )( 以下、しばしば「MEA」と称する) として使用される。ここでアノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層からなり、プロトン伝導性を有する。また、アノード触媒層とカソード触媒層のそれぞれの外側表面にガス拡散層(後述する)を接合したものもMEAと呼ぶ。
(Membrane / electrode assembly)
When the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate membrane of the present invention is used for a solid polymer fuel cell, the membrane in which the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate membrane of the present invention is held tightly between the anode and the cathode / Membrane / electrode assembly (hereinafter often referred to as "MEA"). Here, the anode is composed of an anode catalyst layer and has proton conductivity, and the cathode is composed of a cathode catalyst layer and has proton conductivity. Further, a gas diffusion layer (described later) joined to the outer surface of each of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is also referred to as MEA.

アノード触媒層は、燃料(例えば水素)を酸化して容易にプロトンを生ぜしめる触媒を包含し、カソード触媒層は、プロトン及び電子と酸化剤(例えば酸素や空気)を反応させて水を生成させる触媒を包含する。アノードとカソードのいずれについても、触媒としては白金もしくは白金とルテニウム等を合金化した触媒が好適に用いられ、10〜1000オングストローム以下の触媒粒子であることが好ましい。また、このような触媒粒子は、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、活性炭、黒鉛といった0.01〜10μm程度の大きさの導電性粒子に担持されていることが好ましい。触媒層投影面積に対する触媒粒子の担持量は、0.001mg/cm2 〜10mg/cm2 以下であることが好ましい。 The anode catalyst layer includes a catalyst that easily oxidizes fuel (for example, hydrogen) to easily generate protons, and the cathode catalyst layer reacts protons and electrons with an oxidizing agent (for example, oxygen or air) to generate water. Includes catalyst. For both the anode and the cathode, platinum or a catalyst in which platinum and ruthenium are alloyed is preferably used as the catalyst, and the catalyst particles are preferably 10 to 1000 angstroms or less. Such catalyst particles are preferably supported on conductive particles having a size of about 0.01 to 10 μm such as furnace black, channel black, acetylene black, carbon black, activated carbon, and graphite. The amount of catalyst particles supported relative to the projected area of the catalyst layer is preferably 0.001 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 or less.

さらにアノード触媒層とカソード触媒層は、上記式(2)又は上記式(3)で表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含有することが好ましい。触媒層投影面積に対する担持量として、0.001mg/cm2 〜10mg/cm2 以下であることが好ましい。
MEAの作製方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。まず、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーをアルコールと水の混合溶液に溶解したものに、触媒として市販の白金担持カーボン(例えば、日本国田中貴金属(株)社製TEC10E40E)を分散させてペースト状にする。これを2枚のPTFEシートのそれぞれの片面に一定量塗布して乾燥させて触媒層を形成する。次に、各PTFEシートの塗布面を向かい合わせにして、その間に本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜を挟み込み、100〜200℃で熱プレスにより転写接合してから、PTFEシートを取り除くことにより、MEAを得ることができる。当業者にはMEAの作製方法は周知である。MEAの作製
方法は、例えば、JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY,22(1992)p.1−7に詳しく記載されている。
Further, the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer preferably contain a perfluorocarbon sulfonic acid polymer represented by the above formula (2) or the above formula (3). The supported amount with respect to the projected area of the catalyst layer is preferably 0.001 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 or less.
As a method for manufacturing the MEA, for example, the following method can be given. First, a commercially available platinum-supporting carbon (for example, TEC10E40E manufactured by Kuninaka Tanaka Kikai Co., Ltd.) is used as a catalyst in a perfluorocarbon sulfonic acid polymer dissolved in a mixed solution of alcohol and water to form a paste. A certain amount of this is applied to one side of each of the two PTFE sheets and dried to form a catalyst layer. Next, the coated surfaces of each PTFE sheet are faced to each other, the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated film of the present invention is sandwiched therebetween, and is transferred and bonded by hot pressing at 100 to 200 ° C., and then the PTFE sheet is By removing, MEA can be obtained. A person skilled in the art knows how to make MEAs. The method for producing MEA is described in, for example, JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY, 22 (1992) p. 1-7.

また、本発明のMEAを構成するアノード触媒層及び/又はカソード触媒のエッジに接する部分においてのみ、以上のような本発明の高分子電解質膜が形成されていることが好ましい。ここで言うエッジとは、その周辺0.1〜10cmを含む場合がある。
ガス拡散層としては、市販のカーボンクロスもしくはカーボンペーパーを用いることができる。前者の代表例としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製カーボンクロスE−tek,B−1が挙げられ、後者の代表例としては、CARBEL(登録商標、日本国ジャパンゴアテックス(株))、日本国東レ社製TGP−H、米国SPCTRACORP社製カーボンペーパー2050等が挙げられる。また、電極触媒層とガス拡散層が一体化した構造体は「ガス拡散電極」と呼ばれる。ガス拡散電極を本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜に接合してもMEAが得られる。市販のガス拡散電極の代表例としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製ガス拡散電極ELAT(登録商標)(ガス拡散層としてカーボンクロスを使用)が挙げられる。
Moreover, it is preferable that the polymer electrolyte membrane of the present invention as described above is formed only in a portion in contact with the edge of the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst constituting the MEA of the present invention. The edge said here may include the periphery 0.1-10 cm.
As the gas diffusion layer, commercially available carbon cloth or carbon paper can be used. Representative examples of the former include carbon cloth E-tek, B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA. Representative examples of the latter include CARBEL (registered trademark, Japan Gore-Tex, Japan), Japan. Examples thereof include TGP-H manufactured by Kunito Toray and carbon paper 2050 manufactured by SPCTRACORP. A structure in which the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is called a “gas diffusion electrode”. MEA can also be obtained by bonding the gas diffusion electrode to the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminate film of the present invention. A typical example of a commercially available gas diffusion electrode is a gas diffusion electrode ELAT (registered trademark) manufactured by DE NORA NORTH AMERICA (using carbon cloth as a gas diffusion layer).

(固体高分子形燃料電池)
基本的には、上記MEAのアノードとカソードを高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜の外側に位置する電子伝導性材料を介して互いに結合させると、作動可能な固体高分子形燃料電池を得ることができる。当業者には固体高分子形燃料電池の作成方法は周知である。固体高分子形燃料電池の作成方法は、例えば、FUEL CELL HANDBOOK(VAN NOSTRAND REINHOLD、A.J.APPLEBY et.al、ISBN 0−442−31926−6)、化学One Point,燃料電池(第二版),谷口雅夫,妹尾学編,共立出版(1992)等に詳しく記載されている。
(Solid polymer fuel cell)
Basically, when the anode and cathode of the MEA are bonded to each other via an electron conductive material located outside the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte laminated membrane, an operable polymer electrolyte fuel cell is obtained. be able to. A person skilled in the art knows how to make a polymer electrolyte fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell is prepared by, for example, FUEL CELL HANDBOOK (VAN NOSTRAND REINHOLD, AJ APPLEBY et.al, ISBN 0-442-31926-6), Chemical One Point, Fuel Cell (Second Edition). ), Masao Taniguchi, Manabu Senoo, Kyoritsu Shuppan (1992).

電子伝導性材料としては、その表面に燃料や酸化剤等のガスを流すための溝を形成させたグラファイトまたは樹脂との複合材料、金属製のプレート等の集電体を用いる。上記MEAがガス拡散層を有さない場合、MEAのアノードとカソードのそれぞれの外側表面にガス拡散層を位置させた状態で単セル用ケーシング(例えば、米国エレクトロケム社製 PEFC単セル)に組み込むことにより固体高分子形燃料電池が得られる。
高電圧を取り出すためには、上記のような単セルを複数積み重ねたスタックセルとして燃料電池を作動させる。このようなスタックセルとしての燃料電池を作成するためには、複数のMEAを作成してスタックセル用ケーシング(例えば、米国エレクトロケム社製 PEFCスタックセル)に組み込む。このようなスタックセルとしての燃料電池においては、隣り合うセルの燃料と酸化剤を分離する役割と隣り合うセル間の電気的コネクターの役割を果たすバイポーラプレートと呼ばれる集電体が用いられる。
As the electron conductive material, a current collector such as a composite material of graphite or resin having a groove for flowing a gas such as fuel or oxidant on its surface, or a metal plate is used. When the MEA does not have a gas diffusion layer, the MEA is incorporated into a single cell casing (for example, PEFC single cell manufactured by Electrochem Inc., USA) with the gas diffusion layer positioned on the outer surface of each anode and cathode of the MEA. Thus, a polymer electrolyte fuel cell can be obtained.
In order to extract a high voltage, the fuel cell is operated as a stack cell in which a plurality of single cells as described above are stacked. In order to produce such a fuel cell as a stack cell, a plurality of MEAs are produced and assembled into a stack cell casing (for example, PEFC stack cell manufactured by US Electrochem Corp.). In such a fuel cell as a stack cell, a current collector called a bipolar plate is used which serves to separate the fuel and oxidant of adjacent cells and to serve as an electrical connector between the adjacent cells.

燃料電池の運転は、一方の電極に水素を、他方の電極に酸素または空気を供給することによって行われる。燃料電池の作動温度は高温であるほど触媒活性が上がるために好ましい。通常は、水分管理が容易な50〜80℃で作動させることが多いが、80℃〜150℃で作動させることもできる。
また、本発明の燃料電池のアノードガス入口部のみ、アノードガス出口部のみ、カソードガス入口部のみ、カソードガス出口部のみから選ばれる1種以上において、本発明の高分子電解質膜が形成されていることが好ましい。ここで言う入口部及び出口部とは、ガスが導入される部分(マニホールド)の周辺0.1〜10cmを含む場合がある。
The fuel cell is operated by supplying hydrogen to one electrode and oxygen or air to the other electrode. The higher the operating temperature of the fuel cell, the higher the catalyst activity. Usually, it is often operated at 50 to 80 ° C., where moisture management is easy, but it can also be operated at 80 to 150 ° C.
In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention is formed in one or more kinds selected from only the anode gas inlet portion, only the anode gas outlet portion, only the cathode gas inlet portion, and only the cathode gas outlet portion of the fuel cell of the present invention. Preferably it is. The inlet portion and the outlet portion referred to herein may include 0.1 to 10 cm around the portion (manifold) into which gas is introduced.

本発明の高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜は、クロルアルカリ電解、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサー等に用いることも可能である。高分子電解質膜を酸素濃縮器に利用する方法については、例えば、化学工学,56(3),p.178−180(1992)や、米国特許第4, 879, 0
16号を参照できる。高分子電解質膜を湿度センサーに利用する方法については、例えば、日本イオン交換学会誌,8(3),p.154−165(1997)や、J. Fang et al., Macromolecules, 35, 6070 (2002) を参照できる。高分子電解質膜をガスセンサーに利用する方法については、例えば、分析化学,50(9),p.585−594(2001)や、X. Yang, S. Johnson, J. Shi, T. Holesinger, B. Swanson: Sens. Actuators B, 45, 887 (1997) を参照できる。
The polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated membrane of the present invention can also be used for chloralkali electrolysis, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, humidity sensor, gas sensor and the like. For a method of using the polymer electrolyte membrane for the oxygen concentrator, see, for example, Chemical Engineering, 56 (3), p. 178-180 (1992) and U.S. Pat. No. 4,879,0.
No. 16 can be referred to. For a method of using a polymer electrolyte membrane for a humidity sensor, see, for example, Journal of the Japan Ion Exchange Society, 8 (3), p. 154-165 (1997) and J. Fang et al., Macromolecules, 35, 6070 (2002). For a method of using a polymer electrolyte membrane for a gas sensor, see, for example, Analytical Chemistry, 50 (9), p. 585-594 (2001) and X. Yang, S. Johnson, J. Shi, T. Holesinger, B. Swanson: Sens. Actuators B, 45, 887 (1997).

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例に制限されるものではない。本発明に用いられる評価法および測定法は以下のとおりである。
(TEM観察)
高分子電解質膜を0.5mm×15mm程度に切ってシャーレに入れ、0.1gの塩化ルテニウム(III)n水和物と次亜塩素酸ナトリウム溶液5mlを添加して、膜中のポリフェニレンエーテル樹脂をRuで染色した。その後、エポキシ樹脂(例えば、日本国日新EM社製Quetol−812)で包埋し、ミクロトーム(ドイツ国LEICA社製ULTRACUT(登録商標) UCT)(ダイヤモンドナイフを使用)を用いて膜厚方向に切り、厚さ80〜100nmの超薄切片を作製した。銅製メッシュにこの超薄切片を載せ、透過型電子顕微鏡(日本国日立社製 H7100型)を用いて加速電圧125kVで膜断面を50000倍の倍率で観察した。観察は断面の1箇所を無作為に選んで行った。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not restrict | limited to an Example. Evaluation methods and measurement methods used in the present invention are as follows.
(TEM observation)
The polymer electrolyte membrane is cut into 0.5 mm × 15 mm pieces and placed in a petri dish, 0.1 g of ruthenium (III) chloride n hydrate and 5 ml of sodium hypochlorite solution are added, and the polyphenylene ether resin in the membrane Was stained with Ru. Thereafter, it is embedded in an epoxy resin (for example, Quetol-812 manufactured by Nissin EM, Japan), and in the film thickness direction using a microtome (ULTRACUT (registered trademark) UCT manufactured by LEICA, Germany) (using a diamond knife). It was cut and ultrathin sections having a thickness of 80 to 100 nm were prepared. The ultrathin slice was placed on a copper mesh, and the cross section of the membrane was observed at an acceleration voltage of 125 kV and a magnification of 50000 times using a transmission electron microscope (H7100, manufactured by Hitachi, Ltd. Japan). Observation was performed by randomly selecting one section of the cross section.

(プロトン伝導度測定)
膜サンプルを湿潤状態にて切り出し、厚みTを測定する。そして、幅1cm、長さ5cmの膜長さ方向の伝導度を測定する2端子式の伝導度測定セルに装着した。このセルを80℃のイオン交換水中に入れ、交流インピーダンス法により、周波数10kHzにおける実数成分の抵抗値Rを測定し、以下の式からプロトン伝導度σを導出した。
σ=L/(R×T×W)
σ:プロトン伝導度(S/cm)
T:厚み(cm)
R:抵抗値(Ω)
L(=5):膜長(cm)
W(=1):膜幅(cm)
(Proton conductivity measurement)
A membrane sample is cut out in a wet state and the thickness T is measured. And it attached to the conductivity measuring cell of 2 terminal type which measures the conductivity of the film length direction of width 1cm and length 5cm. This cell was placed in ion exchange water at 80 ° C., and the resistance value R of the real component at a frequency of 10 kHz was measured by an alternating current impedance method, and proton conductivity σ was derived from the following equation.
σ = L / (R × T × W)
σ: proton conductivity (S / cm)
T: Thickness (cm)
R: Resistance value (Ω)
L (= 5): film length (cm)
W (= 1): film width (cm)

(引張クリープ特性)
3本掛クリープ試験機((株)オリエンテック社製CP3−P−20)を用いて、引張クリープ特性を調べた。まず、膜サンプルを湿潤状態にて切り出し、厚みTを測定する。そして、幅1cm、長さ5cmの膜をチャック間隔2cmでチャックに装着した。試験は恒温恒湿槽中で行い、80℃,95%RHに保持した。試験荷重は20kg/cm2 で行い、試験開始から40時間時点で伸びた長さの初期値(2cm)に対する割合(%)を算出し、クリープ量とした。
(Tensile creep property)
Tensile creep characteristics were examined using a three-creep creep tester (CP3-P-20 manufactured by Orientec Co., Ltd.). First, a membrane sample is cut out in a wet state, and the thickness T is measured. Then, a film having a width of 1 cm and a length of 5 cm was mounted on the chuck with a chuck interval of 2 cm. The test was performed in a constant temperature and humidity chamber and maintained at 80 ° C. and 95% RH. The test load was 20 kg / cm 2 , and the ratio (%) to the initial value (2 cm) of the length extended at 40 hours from the start of the test was calculated as the creep amount.

(乾湿寸法変化)
湿潤時の膨潤率(以下X、と称する)は、25℃,20%RHで膜サンプルを8時間放置したときの縦方向の寸法に対する、80℃水中で1時間放置したときの縦方向の寸法の比として求めた。一方、該再乾燥時の収縮率(以下X’、と称する)は、25℃,20%RHで膜サンプルを8時間放置したときの縦方向の寸法に対する、80℃水中で1時間放置した後に25℃,20%RHで2時間放置して再乾燥したときの縦方向の寸法の比として求めた。また、縦方向に垂直な横方向の膨潤率を上記と同様に測定し、この膨潤率の上記Xに対する割合Yを算出することで、乾湿寸法変化の等方性を評価した。
(Change in wet and dry dimensions)
The swelling ratio when wet (hereinafter referred to as X) is the dimension in the vertical direction when the membrane sample is left in water at 80 ° C. for 1 hour, compared to the vertical dimension when the membrane sample is left at 25 ° C. and 20% RH for 8 hours. It was calculated as a ratio. On the other hand, the shrinkage ratio (hereinafter referred to as X ′) at the time of re-drying is that after standing in water at 80 ° C. for 1 hour with respect to the vertical dimension when the membrane sample is left at 25 ° C. and 20% RH for 8 hours. It was determined as the ratio of the dimensions in the longitudinal direction when it was left to dry at 25 ° C. and 20% RH for 2 hours. Further, the swelling ratio in the transverse direction perpendicular to the longitudinal direction was measured in the same manner as described above, and the ratio Y of the swelling ratio to X was calculated to evaluate the isotropy of the wet and dry dimensional change.

(OCV加速試験)
高温低加湿条件下における高分子電解質膜の耐酸化性を加速的に評価するため、以下のようなOCV加速試験を実施した。ここで言う「OCV」とは、開回路電圧(Open Circuit Voltage)を意味する。このOCV加速試験は、OCV状態に保持することで高分子電解質膜の化学的劣化を促進させることを意図した加速試験である。(OCV加速試験の詳細は、平成14年度日本国新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「固体高分子形燃料電池の研究開発(膜加速評価技術の確立等に関するもの)」日本国旭化成(株)成果報告書p.53〜57に記載されている。)
(OCV acceleration test)
In order to accelerate evaluation of the oxidation resistance of the polymer electrolyte membrane under high temperature and low humidification conditions, the following OCV accelerated test was conducted. Here, “OCV” means an open circuit voltage. This OCV accelerated test is an accelerated test intended to promote chemical deterioration of the polymer electrolyte membrane by maintaining the OCV state. (For details on the OCV accelerated test, refer to the 2002 Japan New Energy and Industrial Technology Development Organization commissioned research “Research and development of polymer electrolyte fuel cells (related to establishment of membrane acceleration evaluation technology, etc.)” Asahi Kasei Corporation ) It is described in the result report p.53-57.)

まず、アノード側ガス拡散電極とカソード側ガス拡散電極を向い合わせて、その間に高分子電解質膜を挟み込み、評価用セルに組み込んだ。ガス拡散電極としては、米国DE NORA NORTH AMERICA社製ガス拡散電極ELAT(登録商標)(Pt担持量0.4mg/cm2 、以下同じ)に、5質量%のパーフルオロスルホン酸ポリマー溶液SS−910(旭化成(株)製、当量質量(EW):910、溶媒組成(質量比):エタノール/水=50/50)を塗布した後、大気雰囲気中、140℃で乾燥・固定化したものを使用した。ポリマー担持量は0.8mg/cm2 であった。
この評価用セルを評価装置(日本国(株)チノー社製)にセットして昇温した後、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを200cc/minで流してOCV状態に保持した。ガス加湿には水バブリング方式を用い、水素ガス、空気ガスともに加湿してセルへ供給した。試験条件としては、セル温度100℃、ガス加湿温度50℃、また、アノード側とカソード側の両方を無加圧(大気圧)とした。
First, the anode-side gas diffusion electrode and the cathode-side gas diffusion electrode were faced to each other, and a polymer electrolyte membrane was sandwiched between them and incorporated in an evaluation cell. As the gas diffusion electrode, a gas diffusion electrode ELAT (registered trademark) manufactured by DE NORA NORTH AMERICA (Pt loading amount of 0.4 mg / cm 2 , the same shall apply hereinafter) to a 5% by mass perfluorosulfonic acid polymer solution SS-910 (Asahi Kasei Co., Ltd., equivalent mass (EW): 910, solvent composition (mass ratio): ethanol / water = 50/50) applied, dried and fixed at 140 ° C. in an air atmosphere did. The amount of polymer supported was 0.8 mg / cm 2 .
After this evaluation cell was set in an evaluation apparatus (manufactured by Chino Co., Ltd., Japan) and heated, hydrogen gas was supplied to the anode side and air gas was supplied to the cathode side at 200 cc / min to maintain the OCV state. A water bubbling method was used for gas humidification, and both hydrogen gas and air gas were humidified and supplied to the cell. The test conditions were a cell temperature of 100 ° C., a gas humidification temperature of 50 ° C., and no pressure (atmospheric pressure) on both the anode side and the cathode side.

上記試験の開始から10時間ごとに、高分子電解質膜にピンホールを生じたか否かを調べるため、日本国GTRテック(株)製フロー式ガス透過率測定装置GTR−100FAを用いて水素ガス透過率を測定した。評価セルのアノード側を水素ガスで0.15MPaに保持した状態で、カソード側にキャリアガスとしてアルゴンガスを10cc/minで流し、評価セル中をクロスリークによりアノード側からカソード側に透過してきた水素ガスとともにガスクロマトグラフG2800に導入し、水素ガスの透過量を定量化する。水素ガス透過量をX(cc)、補正係数をB(=1.100)、高分子電解質膜の膜厚T(cm)、水素分圧をP(Pa)、高分子電解質膜の水素透過面積をA(cm2 )、測定時間をD(sec)とした時の水素ガス透過率L(cc×cm/cm2/sec/Pa)は、下記式から計算される。
L=(X×B×T)/(P×A×D)
水素ガス透過率がOCV試験前の値の10倍に達した時点でクロスリークと判定し、試験終了とした。
In order to investigate whether or not pinholes were generated in the polymer electrolyte membrane every 10 hours from the start of the above test, hydrogen gas permeation was performed using a flow type gas permeability measuring device GTR-100FA manufactured by GTR Tech, Japan. The rate was measured. With the anode side of the evaluation cell held at 0.15 MPa with hydrogen gas, argon gas was flowed at 10 cc / min as the carrier gas to the cathode side, and hydrogen that had permeated from the anode side to the cathode side due to cross leak in the evaluation cell. It introduce | transduces into gas chromatograph G2800 with gas, and quantifies the permeation | transmission amount of hydrogen gas. Hydrogen gas permeation amount X (cc), correction coefficient B (= 1.100), polymer electrolyte membrane thickness T (cm), hydrogen partial pressure P (Pa), hydrogen permeation area of polymer electrolyte membrane A (cm 2 ) and hydrogen gas permeability L (cc × cm / cm 2 / sec / Pa) when the measurement time is D (sec) is calculated from the following equation.
L = (X × B × T) / (P × A × D)
When the hydrogen gas permeability reached 10 times the value before the OCV test, it was determined as a cross leak and the test was terminated.

(燃料電池評価)
下記に作製する膜/電極接合体の初期における電池特性(以下、初期特性と称する)を調べるため、次のような燃料電池評価を実施した。
Pt担持カーボン(日本国田中貴金属(株)社製TEC10E40E、Pt36.4質量%)1.00gに対し、上記前段階溶液を7.33g添加した後、ホモジナイザーでよく混合して電極触媒組成物を得た。この電極触媒組成物をスクリーン印刷法にてPTFEシート上に塗布した。塗布後、室温下で1時間、空気中160℃にて1時間、乾燥した。このようにして、3.5cm角で厚み10μmの電極触媒層を得た。これらの電極触媒層のうち、Pt担持量が0.15mg/cmのものをアノード触媒層とし、Pt担持量が0.30mg/cmのものをカソード触媒層とした。
アノード触媒層、カソード触媒層及び下記に作製する高分子電解質膜を中心部を揃えて向い合わせ、その間に挟み込み、180℃、面圧0.1MPaでホットプレスすることにより、アノード触媒層とカソード触媒層を高分子電解質膜に転写、接合してMEAを作製した。
(Fuel cell evaluation)
In order to examine the initial battery characteristics (hereinafter referred to as initial characteristics) of the membrane / electrode assembly produced below, the following fuel cell evaluation was performed.
To 1.00 g of Pt-supported carbon (TEC10E40E, Pt 36.4 mass%, manufactured by Nihon Kuninaka Precious Metal Co., Ltd.), 7.33 g of the above-mentioned pre-stage solution was added and mixed well with a homogenizer to prepare an electrode catalyst composition. Obtained. This electrode catalyst composition was applied on a PTFE sheet by a screen printing method. After coating, the film was dried at room temperature for 1 hour and in air at 160 ° C. for 1 hour. Thus, an electrode catalyst layer having a 3.5 cm square and a thickness of 10 μm was obtained. Of these electrode catalyst layers, those having a Pt loading of 0.15 mg / cm 2 were used as anode catalyst layers, and those having a Pt loading of 0.30 mg / cm 2 were used as cathode catalyst layers.
An anode catalyst layer, a cathode catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane to be prepared below are faced with the center portions aligned, sandwiched between them, and hot-pressed at 180 ° C. and a surface pressure of 0.1 MPa. The layer was transferred and joined to a polymer electrolyte membrane to prepare an MEA.

次に、アノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層を向い合わせて、MEAを挟み込み、評価用セルに組み込んだ。ガス拡散層としては、カーボンクロス(米国DE NORA NORTH AMERICA社製ELAT(登録商標)B−1)をセットして評価用セルに組み込んだ。この評価用セルを評価装置(日本国(株)チノー社製)にセットして80℃に昇温した後、アノード側に水素ガスを300cc/min、カソード側に空気ガスを800cc/minで流し、アノード・カソード共に0.15MPa(絶対圧力)で加圧した。ガス加湿には水バブリング方式を用い、水素ガスは85℃、空気ガスは75℃で加湿してセルへ供給した状態にて、電流電圧曲線を測定して初期特性を調べた。   Next, the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer faced each other, and the MEA was sandwiched between them and incorporated in the evaluation cell. As the gas diffusion layer, carbon cloth (ELAT (registered trademark) B-1 manufactured by DE NORA NORTH AMERICA, USA) was set and incorporated in the evaluation cell. This evaluation cell is set in an evaluation apparatus (manufactured by Chino Co., Ltd., Japan) and heated to 80 ° C., then hydrogen gas is supplied to the anode side at 300 cc / min and air gas is supplied to the cathode side at 800 cc / min. The anode and cathode were pressurized at 0.15 MPa (absolute pressure). A water bubbling system was used for gas humidification, and the initial characteristics were examined by measuring a current-voltage curve in a state where the gas was humidified at 85 ° C. and the air gas was humidified at 75 ° C. and supplied to the cell.

(耐久性加速評価)
上記のように初期特性を調べた後、以下のように高温低加湿条件下における耐久性を加速的に評価した。
まず、セル温度を100℃とし、アノード側とカソード側共にガス加湿60℃飽和水蒸気圧、無加圧(大気圧)とした。そして、アノード側に水素ガス、カソード側に空気ガスを100cc/minで流してOCV状態に保持した。ここで言う「OCV」とは、開回路電圧(Open Circuit Voltage)を意味する。
(Durability acceleration evaluation)
After examining the initial characteristics as described above, the durability under high-temperature and low-humidification conditions was acceleratedly evaluated as follows.
First, the cell temperature was 100 ° C., and gas humidification was performed at 60 ° C. saturated water vapor pressure and no pressure (atmospheric pressure) on both the anode side and the cathode side. Then, hydrogen gas was supplied to the anode side and air gas was supplied to the cathode side at 100 cc / min to maintain the OCV state. Here, “OCV” means an open circuit voltage.

上記試験の開始から10時間ごとに、高分子電解質膜にピンホールを生じたか否かを調べるため、日本国GTRテック(株)製フロー式ガス透過率測定装置GTR−100FAを用いて水素ガス透過率を測定した。評価セルのアノード側を水素ガスで0.15MPaに保持した状態で、カソード側にキャリアガスとしてアルゴンガスを10cc/minで流し、評価セル中をクロスリークによりアノード側からカソード側に透過してきた水素ガスとともにガスクロマトグラフG2800に導入し、水素ガスの透過量を定量化する。水素ガス透過量をX(cc)、補正係数をB(=1.100)、高分子電解質膜の膜厚T(cm)、水素分圧をP(Pa)、高分子電解質膜の水素透過面積をA(cm)、測定時間をD(sec)とした時の水素ガス透過率L(cc・cm−1・sec−1・Pa−1)は、下記式から計算される。
L=(X×B×T)/(P×A×D)
水素ガス透過率が試験前の値の10倍に達した時点で試験終了とした。
In order to investigate whether or not pinholes were generated in the polymer electrolyte membrane every 10 hours from the start of the above test, hydrogen gas permeation was performed using a flow type gas permeability measuring device GTR-100FA manufactured by GTR Tech, Japan. The rate was measured. With the anode side of the evaluation cell held at 0.15 MPa with hydrogen gas, argon gas was flowed at 10 cc / min as the carrier gas to the cathode side, and hydrogen that had permeated from the anode side to the cathode side due to cross leak in the evaluation cell. It introduce | transduces into gas chromatograph G2800 with gas, and quantifies the permeation | transmission amount of hydrogen gas. Hydrogen gas permeation amount X (cc), correction coefficient B (= 1.100), polymer electrolyte membrane thickness T (cm), hydrogen partial pressure P (Pa), hydrogen permeation area of polymer electrolyte membrane Is A (cm 2 ), and hydrogen gas permeability L (cc · cm −1 · sec −1 · Pa −1 ) when the measurement time is D (sec) is calculated from the following equation.
L = (X × B × T) / (P × A × D)
The test was terminated when the hydrogen gas permeability reached 10 times the value before the test.

[実施例1]
プロトン交換樹脂として、[CF2 CF20.812 −[CF2 −CF(−O−(CF22−SO3 H)]0.188 で表されるパーフルオロスルホン酸重合体(以下、「PFS」と称する)を用いた。また、ポリフェニレンエーテル樹脂として、下記化学式(4)で表されるポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)(旭化成ケミカルズ(株)社製、以下PPE)を用いて、PFS/PPE=87/13(質量比)、プロトン交換容量1.22ミリ当量/g、膜厚20μmの高分子電解質膜を以下のように製造した。
[Example 1]
As a proton exchange resin, a perfluorosulfonic acid polymer represented by [CF 2 CF 2 ] 0.812- [CF 2 -CF (—O— (CF 2 ) 2 —SO 3 H)] 0.188 (hereinafter “PFS”) Used). Further, as polyphenylene ether resin, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) represented by the following chemical formula (4) (manufactured by Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd., hereinafter referred to as PPE) is used, and PFS / PPE = 87/13 (mass ratio), a proton exchange capacity of 1.22 meq / g, and a film thickness of 20 μm were produced as follows.

Figure 0004895563

(式中、nは1以上の整数)
Figure 0004895563

(Where n is an integer of 1 or more)

まず、PFSの前駆体ポリマーとして、テトラフルオロエチレンとCF2 =CFO(CF22 −SO2 Fとのパーフルオロカーボン重合体(MI:3.0)を製造した。この前駆体ポリマーを、水酸化カリウム(15質量%)とジメチルスルホキシド(30質量%)を溶解した水溶液中に、60℃で4時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に4時間浸漬した。次に60℃の2N塩酸水溶液に3時間浸漬した後、イオン交換水で水洗、乾燥することで、イオン交換容量1.41ミリ当量/gのPFSを得た。 First, as a PFS precursor polymer, a perfluorocarbon polymer (MI: 3.0) of tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F was produced. The precursor polymer was subjected to a hydrolysis treatment by bringing it into contact with an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and dimethyl sulfoxide (30% by mass) were dissolved at 60 ° C. for 4 hours. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 4 hours. Next, it was immersed in a 2N aqueous hydrochloric acid solution at 60 ° C. for 3 hours, then washed with ion-exchanged water and dried to obtain PFS having an ion-exchange capacity of 1.41 meq / g.

このPFSをエタノール水溶液(水:エタノール=50.0:50.0(質量比))とともにオートクレーブ中に入れて密閉し、180℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、PFS:水:エタノール=5.0:47.5:47.5(質量比)の組成の前段階溶液Bを製造した。
一方、PPEとしては、30℃、0.5g/dlのクロロホルム溶液で測定した固有粘度が0.52(dl/g)のものを使用した。このPPEをトルエン中に入れ室温にて攪拌し、PPE/トルエン=5.7/94.3(質量比)の組成の前段階溶液Aを作製した。
This PFS was placed in an autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50.0: 50.0 (mass ratio)), sealed, heated to 180 ° C. and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to produce a pre-stage solution B having a composition of PFS: water: ethanol = 5.0: 47.5: 47.5 (mass ratio).
On the other hand, PPE having an intrinsic viscosity of 0.52 (dl / g) measured at 30 ° C. with a 0.5 g / dl chloroform solution was used. This PPE was put in toluene and stirred at room temperature to prepare a pre-stage solution A having a composition of PPE / toluene = 5.7 / 94.3 (mass ratio).

次に13.1gの前段階溶液Aに100gの前段階溶液Bを加えて攪拌してキャスト液とした。このキャスト液中のPFSとPPEの濃度は、各々4.4質量%と0.7質量%であった。
このキャスト液30gをスプレーガン(アネスト岩田(株)社製W−100)に仕込み、60℃に予備加熱したSUS304の金属板に向けて、約15cm離れたところからエアー圧7kg/cm2 で繰り返し吹き付けた。そして、金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行った後、水で濡らして金属板から膜を剥がすことにより、膜厚20μmの本発明の高分子電解質膜を得た。この膜は薄い黄白色がかっていた。膜厚方向断面のTEM観察を行ったところ、図1に示すようにPFS(透明な部分)とPPE(黒い部分)とが相分離し、PPEが短径0.01〜4μm、かつアスペクト比が1〜400で針状に均一に分散し、かつ膜厚方向に垂直に配向しているのが確認された。
Next, 100 g of the pre-stage solution B was added to 13.1 g of the pre-stage solution A and stirred to obtain a casting solution. The concentrations of PFS and PPE in this casting solution were 4.4% by mass and 0.7% by mass, respectively.
30 g of this casting solution was charged into a spray gun (W-100 manufactured by Anest Iwata Co., Ltd.) and repeatedly directed at a metal plate of SUS304 preheated to 60 ° C. at an air pressure of 7 kg / cm 2 from about 15 cm away. Sprayed. Then, the metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes for heat treatment, and then wetted with water and peeled off from the metal plate to obtain a polymer electrolyte membrane of the present invention having a thickness of 20 μm. This film was pale yellowish white. As a result of TEM observation of the cross section in the film thickness direction, as shown in FIG. 1, PFS (transparent portion) and PPE (black portion) are phase-separated, PPE has a minor axis of 0.01 to 4 μm, and an aspect ratio is 1 to 400 were confirmed to be uniformly dispersed in a needle shape and oriented perpendicular to the film thickness direction.

この膜のプロトン伝導度は0.21S/cm、クリープ量は15%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=110%、X’=98%と膜の膨潤収縮は小さかった 、Y=0.9と膜の膨潤収縮変化は小さく、また寸法変化は等方的であった。
この膜のOCV加速試験を行ったところ、100hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。
The proton conductivity of this membrane was 0.21 S / cm, and the creep amount was 15%. Further, when the wet and dry dimensional change was measured, the swelling and shrinkage of the film was small with X = 110% and X ′ = 98%. The swelling and shrinkage change of the film was small with Y = 0.9, and the dimensional change was isotropic. It was the target.
When this film was subjected to an OCV acceleration test, no cross leak occurred even when a 100 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例2]
34.0gの前段階溶液Aに100gの前段階溶液Bを加えて攪拌してキャスト液(PFSとPPEの濃度は、各々3.7質量%と1.4質量%)としたこと以外は、実施例1と同じ方法によりPFS/PPE=72/28(質量比)、プロトン交換容量0.99ミリ当量/g、膜厚20μmの高分子電解質膜を製造した。この膜は薄い黄白色がかっていた。膜厚方向断面のTEM観察を行ったところ、図2に示すようにPFS(透明な部分)とPPE(黒い部分)とが相分離し、PPEは短径0.01〜0.5μm、かつアスペクト比が1〜10000で繊維状に均一に分散し、かつ膜厚方向に垂直に配向しており、かつさらに分散したPPEが相互に接続された微細構造が観察された。このときの微少結節部の大きさは0.1〜2μmであった。
[Example 2]
Except that 34.0 g of the pre-stage solution A was added with 100 g of the pre-stage solution B and stirred to obtain a casting liquid (PFS and PPE concentrations of 3.7 mass% and 1.4 mass%, respectively) A polymer electrolyte membrane having a PFS / PPE = 72/28 (mass ratio), a proton exchange capacity of 0.99 meq / g, and a film thickness of 20 μm was produced in the same manner as in Example 1. This film was pale yellowish white. When a TEM observation of the cross section in the film thickness direction was performed, as shown in FIG. 2, PFS (transparent portion) and PPE (black portion) were phase-separated, and PPE had a minor axis of 0.01 to 0.5 μm and an aspect ratio. A fine structure was observed in which the ratio was 1 to 10000 and the fibers were uniformly dispersed in a fiber shape and oriented perpendicular to the film thickness direction, and the dispersed PPEs were connected to each other. At this time, the size of the minute nodule portion was 0.1 to 2 μm.

この膜のプロトン伝導度は0.19S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿
寸法変化測定を行ったところ、X=102%、X’=99%と膜の膨潤収縮変化は小さかった 、Y=0.95と膜の膨潤収縮変化は小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、100hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。
The proton conductivity of this membrane was 0.19 S / cm, and the creep amount was 6%. In addition, when the wet and dry dimensional change was measured, the swelling / shrinkage change of the film was small as X = 102% and X ′ = 99%, the swelling / shrinkage change of the film was small as Y = 0.95, and the dimensional change was equal Was. When this film was subjected to an OCV acceleration test, no cross leak occurred even when a 100 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例3]
膜厚10μm、PFS/PPE=80/20(質量比)の本発明の高分子電解質膜を以下のように作製した。
実施例1と同じ前段階溶液B,100.0gに対しイソプロピルアルコールを4.2g添加して、PFS:水:エタノール:イソプロピルアルコール=4.8:45.6:45.6:4.0(質量比)の組成の前段階溶液B1を作製した。
一方、実施例1と同じ前段階溶液A,50.0gに対しトルエンを42.5g添加して、PPE:トルエン=2.0:98.0(質量比)の組成の前段階溶液A1を作製した。
[Example 3]
A polymer electrolyte membrane of the present invention having a thickness of 10 μm and PFS / PPE = 80/20 (mass ratio) was produced as follows.
4.2 g of isopropyl alcohol was added to 100.0 g of the same pre-stage solution B as in Example 1, and PFS: water: ethanol: isopropyl alcohol = 4.8: 45.6: 45.6: 4.0 ( A pre-stage solution B1 having a composition of (mass ratio) was prepared.
On the other hand, 42.5 g of toluene was added to 50.0 g of the same pre-stage solution A as in Example 1 to prepare a pre-stage solution A1 having a composition of PPE: toluene = 2.0: 98.0 (mass ratio). did.

次に、100.0gの前段階溶液B1に対し62.5gの前段階溶液A1を添加、混合して、白濁した乳濁液状のキャスト液C1を得た。
このキャスト液C1をスワールスプレーガン(ノードソン(株)社製)に仕込み、50℃に加熱したSUS304の金属板に向けて、5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaでキャスト液C1を吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を計2回行った。
Next, 62.5 g of the pre-stage solution A1 was added to and mixed with 100.0 g of the pre-stage solution B1 to obtain a milky emulsion casting liquid C1.
The cast liquid C1 was charged into a swirl spray gun (manufactured by Nordson Co., Ltd.) and directed to a metal plate of SUS304 heated to 50 ° C. From a distance of 5 cm, the atomizing air pressure was 0.4 MPa and the liquid pressure was 0.04 MPa. Cast liquid C1 was sprayed. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed twice.

この金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行った後、イオン交換水に浸漬して金属板から膜を剥がし、膜厚10μm、PFS/PPE=80/20(質量比)の本発明の高分子電解質膜を得た。この膜は透明だが、僅かに白色がかっていた。膜断面のTEM観察を行ったところ、図3に示すようにPFS(白色部)とPPE(灰色部)とが互いに相分離し、かつ糸状に相分離したPPEが膜厚方向に垂直に配向しているのが確認された。糸状のPPEの短径は0.1〜2μm、長径に対する短径の比率は10〜1000で膜中に均一に分散していた。また、長径に対する短径の比率が1〜2のPPEも観察されているが、これは膜断面と直交していた糸状PPEが切断された断面であると考えられる。   The metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes and then subjected to heat treatment, and then immersed in ion-exchanged water to peel off the film from the metal plate. The film thickness was 10 μm and PFS / PPE = 80/20 (mass ratio). A polymer electrolyte membrane of the present invention was obtained. This film was transparent but slightly white. As a result of TEM observation of the cross section of the film, as shown in FIG. 3, PFS (white part) and PPE (gray part) were phase-separated from each other, and the PPE that was phase-separated in the form of filaments was oriented perpendicular to the film thickness direction. It was confirmed that The short diameter of the filamentous PPE was 0.1 to 2 μm, and the ratio of the short diameter to the long diameter was 10 to 1000, which was uniformly dispersed in the film. In addition, PPE having a ratio of the minor axis to the major axis of 1 to 2 is also observed, which is considered to be a cross section obtained by cutting the filamentous PPE orthogonal to the membrane cross section.

この膜のプロトン伝導度は0.21S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=100.5%、X’=100%、Y=1.01と膜の膨潤収縮変化は極めて小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、100hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。   The proton conductivity of this membrane was 0.21 S / cm, and the creep amount was 6%. Further, when the wet and dry dimensional change measurement was performed, the changes in swelling and shrinkage of the film were extremely small and X was 100.5%, X ′ = 100%, and Y = 1.01, and the dimensional change was isotropic. When this film was subjected to an OCV acceleration test, no cross leak occurred even when a 100 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例4]
実施例2と同じ高分子電解質膜と下記に示す2枚のプロトン交換樹脂膜とをプレス接合して得た高分子電解質積層膜の例について、以下に示す。
実施例1で使用した前段階溶液Bを直径9.1cmのステンレスシャーレに流し込み、これをオーブン中に入れて200 ℃に昇温し、2時間熱処理することにより溶媒の除去を行った。その後、オーブンから取り出し、冷却したステンレスシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚15μmのプロトン交換樹脂膜を得た。このプロトン交換樹脂膜を2枚準備した。
[Example 4]
An example of a polymer electrolyte laminated film obtained by press-bonding the same polymer electrolyte membrane as in Example 2 and the following two proton exchange resin membranes is shown below.
The pre-stage solution B used in Example 1 was poured into a stainless steel petri dish having a diameter of 9.1 cm, put in an oven, heated to 200 ° C., and heat-treated for 2 hours to remove the solvent. Then, it took out from oven, poured ion-exchange water into the cooled stainless steel petri dish, the peeled film was dried with the filter paper, and the proton exchange resin membrane with a film thickness of 15 micrometers was obtained. Two sheets of this proton exchange resin membrane were prepared.

このようにして得られた2枚のプロトン交換樹脂膜の間に、実施例2と同じ高分子電解
質膜を入れ、これらの膜をカプトンフィルム(デュポン(株)社製300H、膜厚75μm)で挟み込んだ。これを圧縮成形機(神藤金属工業(株)社製、VSF−10)にセットして、雰囲気が1.6kPaになるまで真空脱気を行い、190℃まで昇温した後、1.5MPaで10分間プレスした。プレス終了後に圧力を開放して50℃まで降温させた後、雰囲気を大気圧に戻し、サンプルを取り出した。
さらに、サンプルをイオン交換水中に浸漬し、カプトンフィルムから膜を剥離させ乾燥させることで、本発明の高分子電解質積層膜を得た。
Between the two proton exchange resin membranes thus obtained, the same polymer electrolyte membrane as in Example 2 was put, and these membranes were made of Kapton film (300H, manufactured by DuPont Co., Ltd., film thickness 75 μm). I caught it. This was set in a compression molding machine (VSF-10, manufactured by Shindo Metal Industry Co., Ltd.), vacuum deaeration was performed until the atmosphere became 1.6 kPa, and after raising the temperature to 190 ° C., 1.5 MPa Pressed for 10 minutes. After the press, the pressure was released and the temperature was lowered to 50 ° C., then the atmosphere was returned to atmospheric pressure, and a sample was taken out.
Furthermore, the polymer electrolyte laminated film of this invention was obtained by immersing a sample in ion-exchange water, peeling a film | membrane from a Kapton film, and making it dry.

この積層膜のプロトン伝導度は0.22S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=102.0%、X’=100%、Y=1.1と膜の膨潤収縮変化は極めて小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、100hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。   The laminated film had a proton conductivity of 0.22 S / cm and a creep amount of 6%. Further, when the dry / wet dimensional change was measured, the change in swelling and shrinkage of the film was extremely small, with X = 102.0%, X ′ = 100%, and Y = 1.1, and the dimensional change was isotropic. When this film was subjected to an OCV acceleration test, no cross leak occurred even when a 100 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例5]
実施例4と同じ方法で作製した膜厚10μmプロトン交換樹脂膜上に実施例2と同じキャスト液を噴霧して得た高分子電解質膜2枚と、実施例4と同じ方法で作製した膜厚10μmのプロトン交換樹脂膜1枚とをプレス接合した高分子電解質積層膜の例について、以下に示す。
実施例2で使用したキャスト液を実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、実施例4と同じ方法で作製した膜厚10μmのプロトン交換樹脂膜を金属板に固定後に50℃に加熱し、5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaでキャスト液を吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を計2回行った。
[Example 5]
Two polymer electrolyte membranes obtained by spraying the same casting solution as in Example 2 on a 10 μm-thick proton exchange resin membrane produced by the same method as in Example 4, and the thickness produced by the same method as in Example 4. An example of a polymer electrolyte laminate film obtained by press-bonding one 10 μm proton exchange resin film is shown below.
The casting liquid used in Example 2 was charged into the same swirl spray gun as used in Example 3, and the proton exchange resin film having a thickness of 10 μm produced by the same method as in Example 4 was fixed to a metal plate at 50 ° C. The cast liquid was sprayed at an atomizing air pressure of 0.4 MPa and a hydraulic pressure of 0.04 MPa from a location 5 cm away from the heating. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed twice.

この金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行った後、金属板から膜を剥がして高分子電解質膜を得た。このような高分子電解質膜を2枚準備した。
このようにして得られた高分子電解質膜のキャスト液吹き付け面を上にして2枚重ね、さらにその上に膜厚10μmのプロトン交換樹脂膜をのせ、これらの膜をカプトンフィルム(デュポン(株)社製300H、膜厚75μm)で挟み込んだ。これを実施例4で用いたものと同じ圧縮成形機にセットし、実施例4と同じ手順で本発明の高分子電解質積層膜を得た。
The metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes for heat treatment, and then the membrane was peeled off from the metal plate to obtain a polymer electrolyte membrane. Two such polymer electrolyte membranes were prepared.
Two layers of the polymer electrolyte membrane thus obtained with the casting liquid spraying surface facing up are stacked, and a proton exchange resin membrane with a thickness of 10 μm is further placed thereon, and these membranes are placed on a Kapton film (DuPont Co., Ltd.). 300H, film thickness 75 μm). This was set in the same compression molding machine as used in Example 4, and the polymer electrolyte laminate film of the present invention was obtained in the same procedure as in Example 4.

この積層膜のプロトン伝導度は0.22S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=102.5%、X’=100.5%、Y=0.95と膜の膨潤収縮変化は極めて小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、100hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。   The laminated film had a proton conductivity of 0.22 S / cm and a creep amount of 6%. In addition, when the wet and dry dimensional change measurement was performed, the swelling and shrinkage change of the film was extremely small with X = 102.5%, X ′ = 100.5% and Y = 0.95, and the dimensional change was isotropic. It was. When this film was subjected to an OCV acceleration test, no cross leak occurred even when a 100 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例6]
ポリフェニレンサルファイド樹脂(以下、PPSと称する)の微粒子を含んだ、膜厚10μm、PFS/PPE/PPS=80/20/7(質量比)の本発明の高分子電解質膜を以下のように作製した。
PPSレジンとして、シェブロンフィリップス化学(株)社製PR11-10を用い、これをジェットミルで微粉砕し、平均粒径(50%体積ベース)7μmの微粒子を得た。このPPS微粒子を実施例3で作製したものと同じキャスト液C1に添加、混合して白濁したキャスト液C2を得た。
[Example 6]
A polymer electrolyte membrane of the present invention having fine film thickness of 10 μm and PFS / PPE / PPS = 80/20/7 (mass ratio) containing fine particles of polyphenylene sulfide resin (hereinafter referred to as PPS) was produced as follows. .
PR11-10 manufactured by Chevron Phillips Chemical Co., Ltd. was used as the PPS resin, and this was finely pulverized with a jet mill to obtain fine particles having an average particle diameter (50% volume basis) of 7 μm. The PPS fine particles were added to and mixed with the same casting liquid C1 as that prepared in Example 3 to obtain a white turbid casting liquid C2.

このキャスト液C2をスワールスプレーガンに仕込み、実施例3と同じ方法で高分子電解質膜を作製し、膜厚10μm、PFS/PPE/PPS=80/20/7(質量比)の本発明の高分子電解質膜を得た。
この膜のプロトン伝導度は0.20S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=100.5%、X’=99%、Y=1.00と膜の膨潤収縮変化は極めて小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、200hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。
This casting liquid C2 was charged into a swirl spray gun, and a polymer electrolyte membrane was prepared by the same method as in Example 3. The film thickness was 10 μm and PFS / PPE / PPS = 80/20/7 (mass ratio). A molecular electrolyte membrane was obtained.
The proton conductivity of this membrane was 0.20 S / cm, and the creep amount was 6%. Further, when the wet and dry dimensional change measurement was performed, the swelling / shrinkage change of the film was extremely small and X = 100.5%, X ′ = 99% and Y = 1.00, and the dimensional change was isotropic. When this film was subjected to an OCV accelerated test, no cross leak occurred even when a 200 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例7]
PFS/PPE/PPS=80/20/7(質量比)からなる補強層とPFSのみからなる無補強層とが交互に16層積層した本発明の高分子電解質積層膜を以下のように作製した。
キャスト液C2を実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、50℃に加熱したSUS304の金属板に向けて、5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaでキャスト液C2を吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を1回行った。
[Example 7]
The polymer electrolyte laminate film of the present invention in which 16 layers of reinforcing layers made of PFS / PPE / PPS = 80/20/7 (mass ratio) and non-reinforced layers made only of PFS were alternately laminated was produced as follows. .
Cast liquid C2 was charged into the same swirl spray gun used in Example 3, and directed to a metal plate of SUS304 heated to 50 ° C. From a distance of 5 cm, the atomizing air pressure was 0.4 MPa and the liquid pressure was 0.04 MPa. Cast liquid C2 was sprayed. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed once.

引き続き、前段階溶液Bを別のスワールスプレーガンに仕込み、上記と同じように金属板に向けて吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を1回行った。
以上のようなキャスト液C2の吹き付けと前段階溶液Bの吹き付けとを各々4回繰り返した。この金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行った後、イオン交換水に浸漬して金属板から膜を剥がし、膜厚25μm、補強層と無補強層とが交互に8層積層した膜を得た。
Subsequently, the pre-stage solution B was charged into another swirl spray gun and sprayed toward the metal plate in the same manner as described above. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed once.
The above-described spraying of the casting liquid C2 and the spraying of the previous-stage solution B were repeated 4 times each. The metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes and then heat-treated, and then immersed in ion-exchanged water to peel off the film from the metal plate. The film thickness was 25 μm, and 8 layers of reinforcing layers and non-reinforcing layers were alternately arranged. A laminated film was obtained.

以上のような膜を2枚準備し、無補強層側が上に向くように2枚重ね、これらの膜をカプトンフィルムで挟み込んだ。これを実施例4で用いたものと同じ圧縮成形機にセットし、実施例4と同じ手順で本発明の高分子電解質積層膜を得た。この積層膜は、PFS/PPE/PPS=80/20/7(質量比)からなる補強層とPFSのみからなる無補強層とが交互に16層積層されていた。
この膜のプロトン伝導度は0.20S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=101.5%、X’=99%、Y=1.03と膜の膨潤収縮変化は極めて小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、200hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。
Two films as described above were prepared, and two sheets were stacked so that the non-reinforcing layer side faced upward, and these films were sandwiched between Kapton films. This was set in the same compression molding machine as used in Example 4, and the polymer electrolyte laminate film of the present invention was obtained in the same procedure as in Example 4. In this laminated film, 16 layers of reinforcing layers made of PFS / PPE / PPS = 80/20/7 (mass ratio) and unreinforced layers made only of PFS were laminated alternately.
The proton conductivity of this membrane was 0.20 S / cm, and the creep amount was 6%. Further, when the wet / dry dimensional change measurement was performed, the changes in swelling and shrinkage of the film were extremely small and X = 101.5%, X ′ = 99%, and Y = 1.03, and the dimensional change was isotropic. When this film was subjected to an OCV accelerated test, no cross leak occurred even when a 200 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例8]
PFS/PPE/PPS=80/20/7(質量比)からなる補強層とPFSのみからなる無補強層とが交互に16層積層した本発明の高分子電解質積層膜を以下のように作製した。
キャスト液C2を実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、50℃に加熱したSUS304の金属板に向けて、5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaでキャスト液C2を吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、
Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を1回行った。
[Example 8]
The polymer electrolyte laminate film of the present invention in which 16 layers of reinforcing layers made of PFS / PPE / PPS = 80/20/7 (mass ratio) and non-reinforced layers made only of PFS were alternately laminated was produced as follows. .
Cast liquid C2 was charged into the same swirl spray gun used in Example 3, and directed to a metal plate of SUS304 heated to 50 ° C. From a distance of 5 cm, the atomizing air pressure was 0.4 MPa and the liquid pressure was 0.04 MPa. Cast liquid C2 was sprayed. At this time, a swirl spray gun is attached to an X, Y, Z 3-axis robot controlled by an AC servo motor, and the X-axis speed is 150 mm / sec.
Driven with a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed once.

引き続き、前段階溶液Bを別のスワールスプレーガンに仕込み、上記と同じように金属板に向けて吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を1回行った。
以上のようなキャスト液C2の吹き付けと前段階溶液Bの吹き付けとを各々8回繰り返した。この金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行った後、イオン交換水に浸漬して金属板から膜を剥がし、膜厚50μm、補強層と無補強層とが交互に16層積層した本発明の高分子電解質積層膜を得た。この積層膜は、PFS/PPE/PPS=80/20/7(質量比)からなる補強層とPFSのみからなる無補強層とが交互に16層積層されていた。
Subsequently, the pre-stage solution B was charged into another swirl spray gun and sprayed toward the metal plate in the same manner as described above. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed once.
The above-mentioned spraying of the casting liquid C2 and the spraying of the previous stage solution B were repeated 8 times each. The metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes and heat-treated, and then immersed in ion-exchanged water to peel off the film from the metal plate. The thickness was 50 μm, and 16 layers of reinforcing layers and non-reinforcing layers were alternately formed. A laminated polymer electrolyte laminate film of the present invention was obtained. In this laminated film, 16 layers of reinforcing layers made of PFS / PPE / PPS = 80/20/7 (mass ratio) and unreinforced layers made only of PFS were laminated alternately.

この膜のプロトン伝導度は0.20S/cm、クリープ量は6%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=101.3%、X’=99.5%、Y=1.02と膜の膨潤収縮変化は極めて小さく、また寸法変化は等方的であった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、200hr試験を行ってもクロスリークは発生しなかった。以上のように、プロトン伝導性を維持しつつ、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れた高分子電解質膜が得られた。   The proton conductivity of this membrane was 0.20 S / cm, and the creep amount was 6%. In addition, when the wet / dry dimensional change measurement was performed, the swelling and shrinkage change of the film was extremely small as X = 101.3%, X ′ = 99.5% and Y = 1.02, and the dimensional change was isotropic. It was. When this film was subjected to an OCV accelerated test, no cross leak occurred even when a 200 hr test was performed. As described above, a polymer electrolyte membrane excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability was obtained while maintaining proton conductivity.

[実施例9]
PFS/PPE=80/20(質量比)からなる本発明の高分子電解質膜が触媒層エッジに接する部分のみおいて形成した膜/電極接合体について、以下に例示する。
まず、SUS304の金属板に50μmのテフロン(登録商標)テープを4cm角で貼り付けた後、4cm角の中心から3cm角で切り出し中心部を剥がした。この金属板を50℃に加熱し、前段階溶液Bを実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、該金属板に向けて5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaで前段階溶液Bを吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を10回行った。
[Example 9]
An example of the membrane / electrode assembly formed by the polymer electrolyte membrane of the present invention having PFS / PPE = 80/20 (mass ratio) only at the portion in contact with the catalyst layer edge is shown below.
First, a 50 μm Teflon (registered trademark) tape was affixed to a SUS304 metal plate in a 4 cm square, and then cut out from a 4 cm square center in a 3 cm square and peeled off. The metal plate was heated to 50 ° C., and the pre-stage solution B was charged into the same swirl spray gun used in Example 3, and the atomizing air pressure was 0.4 MPa from the position 5 cm away from the metal plate. The pre-stage solution B was sprayed at a pressure of 0.04 MPa. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed 10 times.

次にテフロン(登録商標)テープを剥がし、再び50℃に加熱し、キャスト液C1を実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、該金属板のテフロン(登録商標)テープを剥がした部分に向け5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaでキャスト液C1を吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、テフロン(登録商標)テープを剥がした部分上を速度150 mm/secで駆動した。この動作を10回行った。   Next, the Teflon (registered trademark) tape was peeled off, heated again to 50 ° C., the casting liquid C1 was charged into the same swirl spray gun used in Example 3, and the Teflon (registered trademark) tape of the metal plate was removed. Cast liquid C1 was sprayed at an atomizing air pressure of 0.4 MPa and a hydraulic pressure of 0.04 MPa from a distance of 5 cm toward the part. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor, and the Teflon (registered trademark) tape was peeled off and driven at a speed of 150 mm / sec. This operation was performed 10 times.

この後、金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行い、イオン交換水に浸漬して金属板から膜を剥がして本発明の高分子電解質膜を得た。
この高分子電解質膜を用いてMEAを作製し、電池評価を行った。電圧0.6Vにおける電流密度は1.00A/cmであり、初期特性は良好であった。また、耐久性加速評価では、200hr以上の耐久性を示した。この結果から、本発明の高分子電解質膜が触媒層エッジに接する部分のみおいて形成した膜/電極接合体が良好な初期特性と高い耐久性が得られることがわかった。
Thereafter, the metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes for heat treatment, immersed in ion exchange water and peeled off from the metal plate to obtain the polymer electrolyte membrane of the present invention.
MEA was produced using this polymer electrolyte membrane, and battery evaluation was performed. The current density at a voltage of 0.6 V was 1.00 A / cm 2 and the initial characteristics were good. In the accelerated durability evaluation, durability of 200 hours or more was shown. From this result, it was found that the membrane / electrode assembly formed only at the portion where the polymer electrolyte membrane of the present invention was in contact with the catalyst layer edge provided good initial characteristics and high durability.

[実施例10]
PFS/PPE=80/20(質量比)からなる本発明の高分子電解質膜がガス入口部及びガス出口部に接する部分のみにおいて形成した膜/電極接合体について、以下に例示する。
まず、SUS304の金属板に50μmのテフロン(登録商標)テープを5cm角で貼り付けた後、5cm角の中心から4cm角で切り出し中心部を剥がした。この金属板を50℃に加熱し、前段階溶液Bを実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、該金属板に向けて5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaで前段階溶液Bを吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、X軸速度150 mm/sec、Y軸ピッチ2.5mmで駆動した。この動作を10回行った。
[Example 10]
Examples of the membrane / electrode assembly formed by the polymer electrolyte membrane of the present invention having PFS / PPE = 80/20 (mass ratio) only at the portions in contact with the gas inlet portion and the gas outlet portion will be described below.
First, a 50 μm Teflon (registered trademark) tape was affixed to a SUS304 metal plate in a 5 cm square, and then cut out from the center of the 5 cm square at a 4 cm square, and the center portion was peeled off. The metal plate was heated to 50 ° C., and the pre-stage solution B was charged into the same swirl spray gun used in Example 3, and the atomizing air pressure was 0.4 MPa from the position 5 cm away from the metal plate. The pre-stage solution B was sprayed at a pressure of 0.04 MPa. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor and driven at an X-axis speed of 150 mm / sec and a Y-axis pitch of 2.5 mm. This operation was performed 10 times.

次にテフロン(登録商標)テープを剥がし、再び50℃に加熱し、キャスト液C1を実施例3で用いたものと同じスワールスプレーガンに仕込み、該金属板のテフロン(登録商標)テープを剥がした部分に向け5cm離れたところから、霧化エアー圧0.4MPa、液圧0.04MPaでキャスト液C1を吹き付けた。この際、スワールスプレーガンをACサーボモーター制御によるX,Y,Zの3軸ロボットに取り付け、テフロン(登録商標)テープを剥がした部分上を速度150 mm/secで駆動した。この動作を10回行った。
この後、金属板を160℃のオーブンに30分間入れて加熱処理を行い、イオン交換水に浸漬して金属板から膜を剥がして本発明の高分子電解質膜を得た。
この高分子電解質膜を用いてMEAを作製し、電池評価を行った。電圧0.6Vにおける電流密度は1.00A/cmであり、初期特性は良好であった。また、耐久性加速評価では、200hr以上の耐久性を示した。この結果から、本発明の高分子電解質膜がガス入口部及びガス出口部に接する部分のみおいて形成した膜/電極接合体が良好な初期特性と高い耐久性が得られることがわかった。
Next, the Teflon (registered trademark) tape was peeled off, heated again to 50 ° C., the casting liquid C1 was charged into the same swirl spray gun used in Example 3, and the Teflon (registered trademark) tape of the metal plate was removed. Cast liquid C1 was sprayed at an atomizing air pressure of 0.4 MPa and a hydraulic pressure of 0.04 MPa from a distance of 5 cm toward the part. At this time, a swirl spray gun was attached to a three-axis robot of X, Y, and Z controlled by an AC servo motor, and the Teflon (registered trademark) tape was peeled off and driven at a speed of 150 mm / sec. This operation was performed 10 times.
Thereafter, the metal plate was placed in an oven at 160 ° C. for 30 minutes for heat treatment, immersed in ion exchange water and peeled off from the metal plate to obtain the polymer electrolyte membrane of the present invention.
MEA was produced using this polymer electrolyte membrane, and battery evaluation was performed. The current density at a voltage of 0.6 V was 1.00 A / cm 2 and the initial characteristics were good. In the accelerated durability evaluation, durability of 200 hours or more was shown. From this result, it was found that the membrane / electrode assembly formed by only the portions where the polymer electrolyte membrane of the present invention is in contact with the gas inlet portion and the gas outlet portion can obtain good initial characteristics and high durability.

[比較例1]
実施例1で使用した前段階溶液Bを直径9.1cmのステンレスシャーレに流し込み、これをオーブン中に入れて200 ℃に昇温し、2時間熱処理することにより溶媒の除去を行った。その後、オーブンから取り出し、冷却したステンレスシャーレにイオン交換水を注ぎ、剥離させたフィルムをろ紙ではさんで乾燥させて、膜厚50μmのプロトン交換樹脂膜を得た。
この膜のプロトン伝導度は0.25S/cm、クリープ量は120%であった。また、乾湿寸法変化測定を行ったところ、X=125.0%、X’=99%と膜の膨潤収縮変化が大きかった。この膜のOCV加速試験を行ったところ、30hr後にクロスリークが発生した。
以上のように、プロトン伝導度は高いものの、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性は不十分であり、耐久性は悪かった。
[Comparative Example 1]
The pre-stage solution B used in Example 1 was poured into a stainless steel petri dish having a diameter of 9.1 cm, put in an oven, heated to 200 ° C., and heat-treated for 2 hours to remove the solvent. Then, it took out from oven, ion-exchange water was poured into the cooled stainless steel petri dish, the peeled film was dried with the filter paper, and the proton exchange resin film | membrane with a film thickness of 50 micrometers was obtained.
The proton conductivity of this membrane was 0.25 S / cm, and the creep amount was 120%. Further, when the wet and dry dimensional change measurement was performed, the swelling shrinkage change of the film was large as X = 125.0% and X ′ = 99%. When this film was subjected to an OCV accelerated test, a cross leak occurred after 30 hours.
As described above, although the proton conductivity is high, the chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and dry / wet dimensional stability are insufficient, and the durability is poor.

[比較例2]
比較例1で作製したものと同じプロトン交換樹脂膜を用いて、MEAを作製し、電池評価を行った。電圧0.6Vにおける電流密度は1.00A/cmであり、初期特性は良好であったが、耐久性加速評価では、100hrでクロスリークが発生し試験を終了した。このように耐久性は不十分であった。
[Comparative Example 2]
Using the same proton exchange resin membrane as that produced in Comparative Example 1, an MEA was produced and battery evaluation was performed. The current density at a voltage of 0.6 V was 1.00 A / cm 2 and the initial characteristics were good. However, in the accelerated durability evaluation, a cross leak occurred at 100 hr, and the test was terminated. Thus, the durability was insufficient.

本発明の高分子電解質膜は、化学的安定性、機械強度、耐熱性、乾湿寸法安定性に優れ、高温下の使用の際にも高耐久性を有する。本発明の高分子電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池は、高温低加湿条件下(運転温度100℃近辺で、60℃加湿(湿度20%RHに相当))において長時間運転を行っても、高分子電解質膜の破れ(ピンホールの発生など)が起きることがないので、クロスリーク(膜の破れにより燃料と酸化剤が混合すること)が発生せず、厳しい条件下でも長時間安定に使用することができる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in chemical stability, mechanical strength, heat resistance, and wet / dry dimensional stability, and has high durability even when used at high temperatures. The polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention can be operated for a long time under high-temperature and low-humidity conditions (operating temperature near 100 ° C., 60 ° C. humidification (corresponding to humidity 20% RH)). Because there is no tearing of the polymer electrolyte membrane (such as pinholes), cross-leakage (mixing of fuel and oxidant due to membrane breakage) does not occur, and it is stable for a long time even under severe conditions Can be used.

針状のポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向している実施例1の高分子電解質膜の膜断面図。1 is a cross-sectional view of a polymer electrolyte membrane of Example 1 in which acicular polyphenylene ether resin is oriented perpendicular to the film thickness direction. 繊維状のポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向し、かつ微少結節部を介して相互に連結された構造を有する実施例2の高分子電解質膜の膜断面図。The film sectional drawing of the polymer electrolyte membrane of Example 2 which has the structure where the fibrous polyphenylene ether resin orientated perpendicularly | vertically to the film thickness direction, and was mutually connected through the micro nodule part. 糸状のポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向している実施例3の高分子電解質膜の膜断面図。The film cross section of the polymer electrolyte membrane of Example 3 with which the thread-like polyphenylene ether resin is orientated perpendicularly to the film thickness direction.

Claims (14)

(a)30.00〜99.99質量%のプロトン交換樹脂と、(b)0.01〜70.00質量%のポリフェニレンエーテル樹脂を少なくとも有する高分子電解質膜であって、該プロトン交換樹脂と該ポリフェニレンエーテル樹脂とは互いに相分離しており、かつ、糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散したポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直に配向していることを特徴とする高分子電解質膜。   (A) a polymer electrolyte membrane having at least 30.00 to 99.99% by mass of a proton exchange resin, and (b) 0.01 to 70.00% by mass of a polyphenylene ether resin, The polyphenylene ether resin is phase-separated from each other, and the polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from thread form, fiber form, and needle form is oriented perpendicular to the film thickness direction. A polymer electrolyte membrane. 該ポリフェニレンエーテル樹脂が膜厚方向に垂直な平面において、ランダムに配向していることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜。   2. The polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the polyphenylene ether resin is randomly oriented in a plane perpendicular to the film thickness direction. 糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散した該ポリフェニレンエーテル樹脂の短径が0.01〜100μmであり、長径/短径の比率が1〜10000であることを特徴とする請求項1又は2に記載の高分子電解質膜。   The polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from a thread form, a fiber form, and a needle form has a minor axis of 0.01 to 100 μm and a major axis / minor axis ratio of 1 to 10,000. The polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2. 糸状、繊維状、針状から選ばれる1種以上の形態で分散した該ポリフェニレンエーテル樹脂が微少結節部を有し、かつ相互に連結された構造であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   The polyphenylene ether resin dispersed in one or more forms selected from a thread form, a fiber form, and a needle form has a minute nodule part and has a structure connected to each other. The polymer electrolyte membrane according to any one of the above. 該微少結節部の大きさが0.01〜10μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4, wherein the size of the minute nodule portion is 0.01 to 10 µm. 該プロトン交換樹脂が、フッ素系高分子電解質であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the proton exchange resin is a fluorine-based polymer electrolyte. 膜平面のある方向をX軸とし、それに直交する方向をY軸とした場合に、X軸、Y軸方向各々の25℃,20%RHで膜サンプルを8時間放置したときの寸法に対する、80℃水中で1時間放置したときの寸法の比である湿潤時の膨潤率が100〜105%であり、かつX軸方向の該膨潤率に対するY軸の該膨潤率の割合が0.5〜1.5であって、等方的に優れた乾湿寸法安定性を示すことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の高分子電解質膜。   When the direction of the film plane is the X-axis and the direction perpendicular to the X-axis is the Y-axis, the film sample is 80% of the dimension when left for 8 hours at 25 ° C. and 20% RH in the X-axis and Y-axis directions. The swelling ratio when wet, which is the ratio of dimensions when left in water at 1 ° C. for 1 hour, is 100 to 105%, and the ratio of the swelling ratio of the Y axis to the swelling ratio in the X axis direction is 0.5 to 1 The polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer electrolyte membrane has an isotropic wet-wet dimensional stability. プロトン交換樹脂を有するフィルム2層以上の積層体からなる高分子電解質積層膜であ
って、該フィルムの少なくとも1層のフィルムが請求項1〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜であることを特徴とする高分子電解質積層膜。
A polymer electrolyte laminate film comprising a laminate of two or more films having a proton exchange resin, wherein at least one film of the film is the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7. A polymer electrolyte laminate film characterized by comprising:
高分子電解質膜の製造方法であって、
)プロトン交換樹脂(成分(a))が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して30.00〜99.99質量%と、
)ポリフェニレンエーテル樹脂(成分(b))が成分(a)と成分(b)の合計質量に対して0.01〜70.00質量%とを、
液状媒体と混合してキャスト液とし、該キャスト液を支持体上に噴霧することにより請求項1〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜を形成することを特徴とする高分子電解質膜の製造方法。
A method for producing a polymer electrolyte membrane, comprising:
( A ) 30.00-99.99 mass% of proton exchange resin (component (a)) with respect to the total mass of component (a) and component (b),
( B ) Polyphenylene ether resin (component (b)) is 0.01-70.00 mass% with respect to the total mass of component (a) and component (b),
A polymer electrolyte comprising: forming a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7 by mixing with a liquid medium to form a cast solution, and spraying the cast solution on a support. A method for producing a membrane.
該キャスト液をスプレーガンのノズルに供給し、圧縮気体の渦巻き流を発生させて、ノズルから出た該キャスト液を砕き霧化して、支持体表面へ向け円錐状に噴霧することで高分子電解質膜を形成することを特徴とする請求項9に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The cast liquid is supplied to a nozzle of a spray gun, a swirling flow of compressed gas is generated, the cast liquid discharged from the nozzle is crushed and atomized, and sprayed in a conical shape toward the support surface to form a polymer electrolyte. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 9, wherein the membrane is formed. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜がアノードとカソードの間に密着保持されてなる膜/電極接合体であって、アノードはアノード触媒層からなり、プロトン伝導性を有し、カソードはカソード触媒層からなり、プロトン伝導性を有することを特徴とする膜/電極接合体。   9. A membrane / electrode assembly in which the polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte laminated membrane according to claim 1 is held in close contact between an anode and a cathode, wherein the anode is an anode catalyst layer. The membrane / electrode assembly is characterized in that it comprises proton conductivity, the cathode comprises a cathode catalyst layer, and has proton conductivity. アノード触媒層とカソード触媒層との間に密着保持されている高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜において、請求項1〜8のいずれか1項に記載の高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜がアノード触媒層及び/又はカソード触媒層のエッジに接する部分のみにおいて形成されていることを特徴とする請求項11に記載の膜/電極接合体。 The polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte membrane that is held in close contact between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, or a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8 12. The membrane / electrode assembly according to claim 11, wherein the electrolyte laminated film is formed only at a portion in contact with the edge of the anode catalyst layer and / or the cathode catalyst layer. 請求項11又は12に記載の膜/電極接合体を包含し、アノードとカソードが、高分子電解質膜もしくは高分子電解質積層膜の外側に位置する負荷と電子伝導性材料を介して互いに結合されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 13. The membrane / electrode assembly according to claim 11 or 12, wherein the anode and the cathode are coupled to each other via a load and an electron conductive material located outside the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte laminated membrane. A polymer electrolyte fuel cell characterized by comprising: アノード触媒層とカソード触媒層との間に密着保持されている高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜において、請求項1〜8のいずれか1項に記載の高分子電解質膜、もしくは高分子電解質積層膜がアノードガス入口部、アノードガス出口部、カソードガス入口部、出口部から選ばれる少なくとも1種の入口部及び/又は出口部のみにおいて形成されていることを特徴とする請求項13に記載の固体高分子形燃料電池。 The polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte membrane or polymer electrolyte membrane that is held in close contact between the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer, or a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8 The electrolyte laminated film is formed only in at least one inlet portion and / or outlet portion selected from an anode gas inlet portion, an anode gas outlet portion, a cathode gas inlet portion, and an outlet portion. The solid polymer fuel cell as described.
JP2005283243A 2004-09-30 2005-09-29 Reinforced polymer electrolyte membrane Expired - Fee Related JP4895563B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005283243A JP4895563B2 (en) 2004-09-30 2005-09-29 Reinforced polymer electrolyte membrane

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004287241 2004-09-30
JP2004287241 2004-09-30
JP2005283243A JP4895563B2 (en) 2004-09-30 2005-09-29 Reinforced polymer electrolyte membrane

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006128095A JP2006128095A (en) 2006-05-18
JP4895563B2 true JP4895563B2 (en) 2012-03-14

Family

ID=36722559

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005283243A Expired - Fee Related JP4895563B2 (en) 2004-09-30 2005-09-29 Reinforced polymer electrolyte membrane

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4895563B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITMI20061261A1 (en) * 2006-06-29 2007-12-30 Solvay Solexis Spa ASSEMBLED FOR ELECTROCHEMICAL DEVICES
WO2008026666A1 (en) * 2006-08-28 2008-03-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Reinforced electrolyte membrane for fuel cell, method for production thereof, membrane-electrode assembly for fuel cell, and solid polymer-type fuel cell having the assembly
US8304134B2 (en) 2007-02-21 2012-11-06 Asahi Kasei E-Materials Corporation Polymer electrolyte composition, polymer electrolyte membrane, membrane electrode assembly and solid polymer electrolyte-based fuel cell
JP5443163B2 (en) * 2007-07-02 2014-03-19 株式会社カネカ Polymer electrolyte composite, polymer electrolyte membrane, fuel cell catalyst layer binder, and use thereof
JP5163439B2 (en) 2008-11-19 2013-03-13 Tdk株式会社 FIBER-CONTAINING POLYMER FILM AND METHOD FOR PRODUCING SAME, ELECTROCHEMICAL DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SAME
KR101201897B1 (en) * 2008-12-12 2012-11-16 한국전자통신연구원 Ultra High Sensitive Gas Sensors Using Semiconductor Oxide Nanofiber and Method for Preparing the Same
CN104681841B (en) * 2015-02-03 2017-04-12 大连理工大学 Proton exchange membrane with electrostatic spinning fiber in ordered straight-in arrangement in thickness direction of membrane
WO2022071731A1 (en) * 2020-09-29 2022-04-07 코오롱인더스트리 주식회사 Polymer electrolyte membrane and membrane-electrode assembly comprising same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU9210198A (en) * 1997-08-29 1999-03-16 Richard M. Formato Composite solid polymer electrolyte membranes
JP4127682B2 (en) * 1999-06-07 2008-07-30 株式会社東芝 Pattern formation method
JP2002317058A (en) * 2001-04-23 2002-10-31 Daikin Ind Ltd Membrane
JP4317005B2 (en) * 2003-03-25 2009-08-19 富士フイルム株式会社 Silica gel composition, proton exchange membrane electrode membrane composite, and fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006128095A (en) 2006-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3983259B2 (en) Polymer electrolyte membrane having high durability and method for producing the same
EP1944819B1 (en) Method for producing membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP5830386B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR DIRECT OXIDATION FUEL CELL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME
CN104051744B (en) The improved manufacturability of ePTFE laminated films
CN100403589C (en) Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell using the membrane electrode assembly
EP2144318B1 (en) Method for producing polymer electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell, and solid polymer fuel cell
WO2009001511A1 (en) Electrolyte membrane and membrane electrode assembly using the same
JP4419550B2 (en) Proton-conducting electrolyte membrane manufacturing method, proton-conducting electrolyte membrane, and fuel cell using proton-conducting electrolyte membrane
JP2006114502A (en) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR DIRECT OXIDATION FUEL CELL, ITS MANUFACTURING METHOD, AND DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME
KR102321252B1 (en) Complex electrolyte membrane, manufacturing method thereof and membrane electrode assembly containing the same
US20230352713A1 (en) Membrane and process
JP4895563B2 (en) Reinforced polymer electrolyte membrane
JP4836438B2 (en) Polymer electrolyte laminate film
KR101297170B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of preparing same and fuel cell system comprising same
JP2004296435A (en) Electrode catalyst layer, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell using the same
KR100612233B1 (en) Membrane / electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof and fuel cell comprising same
JP4798974B2 (en) Method for producing solid polymer electrolyte membrane
KR102321255B1 (en) Complex electrolyte membrane, manufacturing method thereof and membrane electrode assembly containing the same
CN102576891A (en) Improved catalyst coated membranes having composite, thin membranes and thin cathodes for use in direct methanol fuel cells
KR100786841B1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell and membrane-electrode assembly comprising same and fuel cell system comprising same
JP2006331848A (en) Proton conductive electrolyte membrane and manufacturing method thereof, and polymer electrolyte fuel cell
JP4632717B2 (en) Fluoropolymer solid polymer electrolyte membrane, fluoropolymer solid polymer electrolyte membrane laminate, membrane / electrode assembly, and solid polymer fuel cell
KR20080047765A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell system comprising same
KR102905680B1 (en) Reinforced composite membrane for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same
KR20090019175A (en) Method of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell, and membrane-electrode assembly for fuel cell manufactured accordingly

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080718

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20090401

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110818

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110823

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111020

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: 20111220

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: 20111220

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4895563

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150106

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees