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
JP7819476B2 - Electrolyte membrane, catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7819476B2 - Electrolyte membrane, catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Electrolyte membrane, catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number
JP7819476B2
JP7819476B2 JP2021195217A JP2021195217A JP7819476B2 JP 7819476 B2 JP7819476 B2 JP 7819476B2 JP 2021195217 A JP2021195217 A JP 2021195217A JP 2021195217 A JP2021195217 A JP 2021195217A JP 7819476 B2 JP7819476 B2 JP 7819476B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrolyte membrane
porous substrate
polymer electrolyte
electrolyte
polymer
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.)
Active
Application number
JP2021195217A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022094934A (en
Inventor
友之 國田
大輔 尾形
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.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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 Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Publication of JP2022094934A publication Critical patent/JP2022094934A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7819476B2 publication Critical patent/JP7819476B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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

  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
  • Polyethers (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、電解質膜、当該電解質膜両面を触媒層が挟持してなる触媒層付電解質膜、当該電解質膜を含む膜電極複合体および当該電解質膜を含む固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane, a catalyst-coated electrolyte membrane in which catalyst layers are sandwiched between both sides of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly including the electrolyte membrane, and a polymer electrolyte fuel cell including the electrolyte membrane.

燃料電池やレドックスフロー電池などに使用される固体高分子電解質膜は、耐久性を高めるために多孔質基材と複合化することが知られている。例えば、多孔質基材に高分子電解質を含浸(充填)させた複合層の片面もしくは両面に高分子電解質層を設けた電解質膜が提案されている(特許文献1~4)。 It is known that solid polymer electrolyte membranes used in fuel cells, redox flow batteries, and the like are composited with a porous substrate to enhance durability. For example, electrolyte membranes have been proposed in which a polymer electrolyte layer is provided on one or both sides of a composite layer formed by impregnating (filling) a porous substrate with a polymer electrolyte (Patent Documents 1 to 4).

再公表特許WO2014/034415号公報Republished Patent No. WO2014/034415 特開2007-329015号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-329015 特開2006-202532号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-202532 特開2005-44611号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-44611

しかしながら、上記した従来の電解質膜は、例えば、固体高分子形燃料電池等に適用した場合、含水状態における機械特性が不十分であり、物理耐久性が不足する課題があった。 However, when the above-mentioned conventional electrolyte membranes are applied to, for example, polymer electrolyte fuel cells, they have insufficient mechanical properties in a hydrated state, resulting in a lack of physical durability.

そこで、本発明の目的は、かかる背景に鑑み、乾燥状態と含水状態のいずれにおいても良好な機械特性を有する電解質膜を提供することにある。 In light of this background, the object of the present invention is to provide an electrolyte membrane that has good mechanical properties in both a dry and hydrated state.

上記課題を解決するため本発明の電解質膜は、次の構成を有する。すなわち、
多孔質基材と、高分子電解質とを含む電解質膜であって、前記多孔質基材は筋状構造を有している電解質膜である。
In order to solve the above problems, the electrolyte membrane of the present invention has the following configuration:
The electrolyte membrane includes a porous substrate and a polymer electrolyte, and the porous substrate has a streaky structure.

また、好ましく、その両面に触媒層が積層された触媒層付電解質膜である。 Also preferred is a catalyst-coated electrolyte membrane having catalyst layers laminated on both sides.

また、前記の電解質膜を含んだ膜電極複合体とすることができ、また、前記の電解質膜を含んだ固体高分子形燃料電池とすることができる。 Furthermore, a membrane electrode assembly containing the above-mentioned electrolyte membrane can be produced, and a polymer electrolyte fuel cell containing the above-mentioned electrolyte membrane can be produced.

本発明は、乾燥状態と含水状態のいずれにおいても良好な機械特性を有する電解質膜を提供することができる。本発明の電解質膜を燃料電池に適用することによって、燃料電池の乾湿サイクル耐久性を向上させることができる。 The present invention can provide an electrolyte membrane that has good mechanical properties in both dry and wet states. By applying the electrolyte membrane of the present invention to a fuel cell, the dry-wet cycle durability of the fuel cell can be improved.

本発明の電解質膜の、高分子電解質が被覆された表面側からみたデジタルマイクロスコープ画像である。1 is a digital microscope image of the electrolyte membrane of the present invention, viewed from the surface side coated with the polymer electrolyte.

以下、本発明について詳細に説明する。以下、本明細書において「~」の記載は、その両端の数値を含む範囲を表すものとする。 The present invention will be described in detail below. Hereinafter, in this specification, the term "to" indicates a range that includes both the numerical values at both ends.

[電解質膜]
本発明の電解質膜は、多孔質基材と、高分子電解質を含んでおり、前記の多孔質基材は筋状構造(当該筋状の構造を以下、「本筋状構造」と表記することがある)を有している。
[Electrolyte membrane]
The electrolyte membrane of the present invention comprises a porous substrate and a polymer electrolyte, and the porous substrate has a streaky structure (hereinafter, this streaky structure may be referred to as "the present streaky structure").

図1は、本発明の一態様である電解質膜の、高分子電解質が存在している側の表面をデジタルマイクロスコープで観察した画像を示したものである。画像には、電解質膜を通して多孔質基材に存在する複数の本筋状構造(1a)~(1f)を観察することができる。なお、図1では、主要な本筋状構造に符号を付した。 Figure 1 shows an image of the surface of an electrolyte membrane according to one embodiment of the present invention, on the side where the polymer electrolyte is present, observed with a digital microscope. In the image, multiple streak structures (1a) to (1f) present in the porous substrate can be observed through the electrolyte membrane. In Figure 1, the main streak structures are labeled with symbols.

なお、多孔質基材の外側に存在する高分子電解質による層の厚みが小さい場合は、本筋状構造を反映した凹凸が高分子電解質の表面に表れることがある。本筋状構造の少なくとも1つは、長さ10μm以上を有していることが好ましい。長さ10μm以上の本筋状構造を有することにより、含水時における電解質膜の膨潤を抑制することにより乾湿サイクル耐久性を向上させることができる。 If the thickness of the polymer electrolyte layer present on the outside of the porous substrate is small, unevenness reflecting this streak-like structure may appear on the surface of the polymer electrolyte. It is preferable that at least one of these streak-like structures has a length of 10 μm or more. Having this streak-like structure of 10 μm or more in length can suppress swelling of the electrolyte membrane when it absorbs water, thereby improving wet-dry cycle durability.

本発明において、本筋状構造とは、電解質膜において多孔質基材に存在する構造的特徴である。本発明の電解質膜の顕微鏡観察において、本筋状構造は、幅0.2μm以上である線状の構造体が0.35μm以上の平均幅を有していることを特徴とする。 In the present invention, the streaky structure refers to a structural feature present in the porous substrate of the electrolyte membrane. When the electrolyte membrane of the present invention is observed under a microscope, the streaky structure is characterized by linear structures having a width of 0.2 μm or more and an average width of 0.35 μm or more.

本発明の電解質膜は、幅0.5μm以上の本筋状構造を表面1mmあたり100~2000本有していることが好ましく、200~2000本有していることがより好ましく、200~1000本有していることが特に好ましい。本筋状構造の数が上記好ましい範囲内である場合、プロトン伝導度が高く且つ含水時における膨潤及び軟化を抑制することにより優れた乾湿サイクル耐久性を有する電解質膜を得ることができる。 The electrolyte membrane of the present invention preferably has 100 to 2000 streak structures with a width of 0.5 μm or more per mm2 of surface, more preferably 200 to 2000, and particularly preferably 200 to 1000. When the number of streak structures is within the above-mentioned preferred range, an electrolyte membrane can be obtained that has high proton conductivity and excellent wet-dry cycle durability by suppressing swelling and softening when hydrated.

本筋状構造の平均長さは、10~200μmがより好ましく、10~100μmが更に好ましく、15~70μmが特に好ましい。本筋状構造の平均幅(直径)は、0.4~7.0μmが好ましく、0.4~5.0μmがより好ましく、0.4~3.0μmが更に好ましく、0.5~3.0μmが特に好ましい。このような本筋状構造を有する多孔質基材とすることにより、プロトン伝導度が高く且つ含水時における膨潤及び軟化を抑制することにより優れた乾湿サイクル耐久性を有する電解質膜を得ることができる。 The average length of this streak structure is more preferably 10 to 200 μm, even more preferably 10 to 100 μm, and particularly preferably 15 to 70 μm. The average width (diameter) of this streak structure is preferably 0.4 to 7.0 μm, more preferably 0.4 to 5.0 μm, even more preferably 0.4 to 3.0 μm, and particularly preferably 0.5 to 3.0 μm. By using a porous substrate with such a streak structure, it is possible to obtain an electrolyte membrane that has high proton conductivity and excellent wet-dry cycle durability by suppressing swelling and softening when hydrated.

含水状態における電解質膜の軟化を抑制するという観点から、本筋状構造の平均長さを平均幅で除した値は、5倍以上が好ましく、10倍以上がより好ましく、20倍以上が特に好ましい。また、上記比率は、100倍以下が好ましく、80倍以下がより好ましく、50倍以下が特に好ましい。このような本筋状構造を有する多孔質基材とすることにより、プロトン伝導度が高く且つ含水時における膨潤及び軟化を抑制することにより優れた乾湿サイクル耐久性を有する電解質膜を得ることができる。 From the perspective of suppressing softening of the electrolyte membrane in a hydrated state, the value obtained by dividing the average length of this streak-like structure by the average width is preferably 5 times or more, more preferably 10 times or more, and particularly preferably 20 times or more. Furthermore, this ratio is preferably 100 times or less, more preferably 80 times or less, and particularly preferably 50 times or less. By using a porous substrate with this streak-like structure, it is possible to obtain an electrolyte membrane that has high proton conductivity and excellent wet-dry cycle durability by suppressing swelling and softening when hydrated.

本筋状構造は、そのうちの複数個の筋状構造において、多孔質基材表面に平行な任意の一方向に向かって略並行に配列されていることが好ましい。電解質膜がロール状または長尺のシート状である場合は、長手方向に対して略平行に複数本配列していることがより好ましい。このような配列を有することにより、高分子電解質膜としたときに含水時の膨潤及び軟化を抑制しやすくなると共に、多孔質基材が長手方向に対して高い強度を有するため、多孔質基材や電解質膜の製造において多孔質基材が搬送張力による変形が抑制されやすくなる。 Preferably, multiple streak structures are arranged approximately parallel to any one direction parallel to the surface of the porous substrate. When the electrolyte membrane is in the form of a roll or long sheet, it is more preferable for multiple streak structures to be arranged approximately parallel to the longitudinal direction. This arrangement makes it easier to suppress swelling and softening when hydrated when formed into a polymer electrolyte membrane, and also gives the porous substrate high strength in the longitudinal direction, making it easier to suppress deformation of the porous substrate due to conveying tension during the production of the porous substrate or electrolyte membrane.

ここで、長手方向(「MD」と表すことがある)は、後述の電解質膜製造工程において多孔質基材、コーター或いは支持基材を動かす方向(搬送方向)となる。一方、膜表面において長手方向に直交する方向が幅方向(「TD」と表すことがある)である。 Here, the longitudinal direction (sometimes referred to as "MD") is the direction (conveyance direction) in which the porous substrate, coater, or support substrate is moved in the electrolyte membrane manufacturing process described below. On the other hand, the direction perpendicular to the longitudinal direction on the membrane surface is the width direction (sometimes referred to as "TD").

本筋状構造は、一軸方向(例えば、幅方向)の長さ100μmあたり、1~20本観察されることが好ましく、2~20本観察されることがより好ましく、2~10本観察されることが特に好ましい。1本未満の場合、含水時の膨潤及び軟化を抑制しにくくなることがある。20本を超える場合、プロトン伝導度が低下することがある。 It is preferable that 1 to 20 of these streaky structures are observed per 100 μm of length in one axial direction (e.g., width direction), more preferably 2 to 20, and particularly preferably 2 to 10. If there is less than 1 structure, it may be difficult to suppress swelling and softening when hydrated. If there are more than 20 structures, proton conductivity may decrease.

本発明の電解質膜は、多孔質基材と高分子電解質とを含んでいるが、これらが積層されており、また、高分子電解質の一部は多孔質基材に浸入しており(係る多孔質基材に浸入している部分(層)を「複合層」と称することがある)、他の部分(係る多孔質基材に浸入していない部分(層)を「単独層」と称することがある)は多孔質基材の外側に存在する形態をとることが一般的である。単独層は、多孔質基材の片面のみに設けられていてもよいし、両面に設けられていてもよいが、両面に設けられていることがより好ましい。単独層を有することは、高分子電解質膜表面に触媒層を形成しやすくなったり触媒層や電極層と高分子電解質膜との界面抵抗を低減したりできるため、燃料電池としての性能や耐久性を向上させやすくできる。 The electrolyte membrane of the present invention comprises a porous substrate and a polymer electrolyte, which are laminated together. Furthermore, a portion of the polymer electrolyte penetrates the porous substrate (the portion (layer) that penetrates the porous substrate is sometimes referred to as a "composite layer"), while the other portion (the portion (layer) that does not penetrate the porous substrate is sometimes referred to as a "single layer") generally exists outside the porous substrate. The single layer may be provided on only one side of the porous substrate or on both sides, but is preferably provided on both sides. The presence of a single layer facilitates the formation of a catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane and reduces the interfacial resistance between the catalyst layer or electrode layer and the polymer electrolyte membrane, thereby facilitating improved fuel cell performance and durability.

単独層が多孔質基材の両面に設けられている場合は、少なくとも一方の単独層からの顕微鏡などを用いた観察において本筋状構造が観察されることが重要であるが、いずれの側の単独層からの観察においても本筋状構造が観察されることが好ましい。いずれの側からの観察においても本筋状構造体が観察される場合、前記複合層が高分子電解質膜の厚み方向において中央付近に存在しており、更に高分子電解質膜の厚みに対して複合層の厚みを大きくすることで、含水時の膨潤や軟化が抑制されやすくなる。 When monolayers are provided on both sides of a porous substrate, it is important that the streaky structure be observed when observing at least one of the monolayers using a microscope, but it is preferable that the streaky structure be observed when observing the monolayer on either side. If the streaky structure is observed when observing from either side, the composite layer is located near the center in the thickness direction of the polymer electrolyte membrane. Furthermore, by making the thickness of the composite layer larger relative to the thickness of the polymer electrolyte membrane, swelling and softening when hydrated are more easily suppressed.

上述の観点から、本発明の電解質膜の好ましい一つの態様として、例えば、多孔質基材と高分子電解質とは、異種の材料(高分子化合物)で構成する態様が挙げられる。本発明は、上記したように、複合層にあたる部分において多孔質基材に比較的大きい本筋状構造が有されていることが重要である。 In light of the above, one preferred embodiment of the electrolyte membrane of the present invention is one in which the porous substrate and polymer electrolyte are made of different materials (polymer compounds). As described above, it is important in the present invention that the porous substrate has a relatively large streak-like structure in the portion that corresponds to the composite layer.

本発明の電解質膜の厚みは、特に限定されるものでないが、1μm~1000μmが好ましく、2μm~500μmがより好ましく、3μm~200μmが特に好ましい。 The thickness of the electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1 μm to 1000 μm, more preferably 2 μm to 500 μm, and particularly preferably 3 μm to 200 μm.

本発明の電解質膜は、厚み方向に光線を透過させた際のヘイズ値が20%以上45%以下であることが好ましく、25%以上45%以下であることがより好ましく、30%以上45%以下であることがさらに好ましく、35%以上45%以下であることが特に好ましい。ヘイズ値が上記範囲内である電解質膜は、本発明の筋状構造の密度並びに形状が適切な範囲であり、プロトン伝導度が高く且つ含水時における膨潤及び軟化を抑制することにより優れた乾湿サイクル耐久性を有するものである。 The electrolyte membrane of the present invention preferably has a haze value of 20% to 45% when light is transmitted through it in the thickness direction, more preferably 25% to 45%, even more preferably 30% to 45%, and particularly preferably 35% to 45%. An electrolyte membrane with a haze value within the above range has an appropriate range for the density and shape of the streak-like structure of the present invention, has high proton conductivity, and exhibits excellent wet-dry cycle durability by suppressing swelling and softening when hydrated.

[複合層]
複合層は、高分子電解質が多孔質基材に浸入されて形成された、高分子電解質と多孔質基材とが複合化された層であり、例えば、多孔質基材に高分子電解質を充填(含浸)することによって得られる。
[Composite layer]
The composite layer is a layer formed by impregnating a porous substrate with a polymer electrolyte, and is a composite layer of the polymer electrolyte and the porous substrate, and can be obtained, for example, by filling (impregnating) a porous substrate with the polymer electrolyte.

複合層における高分子電解質の充填率は50%以上であることが好ましく、60%以上であることがより好ましい。高分子電解質の充填率が50%以上の場合、電解質膜全体において連続したプロトン伝導パスを形成することにより、発電性能を向上させることができる。なお、複合層の高分子電解質の充填率は複合層の総体積に対し高分子電解質が占める割合を示す値でありイオン交換容量(IEC)より計算できる。具体的には、実施例に記載の方法で行うことができる。 The polymer electrolyte filling rate in the composite layer is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more. When the polymer electrolyte filling rate is 50% or more, a continuous proton conduction path is formed throughout the electrolyte membrane, thereby improving power generation performance. The polymer electrolyte filling rate in the composite layer is a value that indicates the proportion of the polymer electrolyte to the total volume of the composite layer, and can be calculated from the ion exchange capacity (IEC). Specifically, this can be done using the method described in the Examples.

本発明の電解質膜は、複合層を有することにより、面方向の寸法変化率を低下させることができる。面方向の寸法変化率を低下させることにより、燃料電池の電解質膜として用いた際に、乾湿サイクル時に電解質膜のエッジ部分等に発生する膨潤収縮によるストレスを低減し、耐久性を向上させやすくすることができる。電解質膜の面方向の寸法変化率λxyは、10%以下であることが好ましく、8%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。 The electrolyte membrane of the present invention has a composite layer, which can reduce the dimensional change rate in the in-plane direction. By reducing the dimensional change rate in the in-plane direction, when used as an electrolyte membrane for a fuel cell, stress caused by swelling and shrinkage that occurs at the edge portions of the electrolyte membrane during dry-wet cycling can be reduced, making it easier to improve durability. The dimensional change rate λ xy of the electrolyte membrane in the in-plane direction is preferably 10% or less, more preferably 8% or less, and even more preferably 5% or less.

また、電解質膜における面方向の寸法変化率は、長手方向と幅方向の異方性が小さいことが好ましい。具体的には、幅方向の寸法変化率λTDに対する長手方向の寸法変化率λMDの比(λMD/λTD)が、0.5≦(λMD/λTD)≦2.0を満たすことが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the anisotropy of the dimensional change rate in the plane direction of the electrolyte membrane is small in the longitudinal and width directions. Specifically, it is preferable that the ratio of the dimensional change rate in the longitudinal direction λ MD to the dimensional change rate in the width direction λ TD (λ MDTD ) satisfies 0.5≦(λ MDTD )≦2.0.

幅方向の寸法変化率λTDに対するMDの寸法変化率λMDの比(λMD/λTD)が、0.5≦(λMD/λTD)≦2.0を満たす場合、燃料電池のセルデザインが制約されず、MD、TD方向のうち寸法変化の大きい方向と直交するエッジであっても膨潤収縮によるストレスの集中が小さく、したがって当該エッジが電解質膜破断の起点になりにくく乾湿サイクル耐久性を向上させることができる。 When the ratio of the dimensional change rate in the MD λ MD to the dimensional change rate in the width direction λ TDMDTD ) satisfies 0.5≦(λ MDTD )≦2.0, the cell design of the fuel cell is not restricted, and even at edges perpendicular to the direction of the larger dimensional change in the MD or TD direction, stress concentration due to swelling and shrinkage is small. Therefore, the edges are less likely to become the starting point for electrolyte membrane rupture, and dry-wet cycle durability can be improved.

ここで、寸法変化率とは、乾燥状態における電解質膜の寸法と湿潤状態における電解質膜の寸法の変化を表す指標であり、具体的な測定は実施例に記載の方法で行うことができる。 Here, the dimensional change rate is an index that represents the change in the dimensions of the electrolyte membrane in a dry state and in a wet state, and specific measurements can be performed using the method described in the examples.

電解質膜における複合層の厚みは、特に限定されるものでないが、0.5μm以上50μm以下が好ましく、1μm以上40μm以下がより好ましい。複合層が0.5μm以上50μm以下の場合、プロトン伝導度が高く電気短絡や燃料透過を抑制でき物理的耐久性に優れた複合高分子電解質膜を得ることができる。 The thickness of the composite layer in the electrolyte membrane is not particularly limited, but is preferably 0.5 μm to 50 μm, and more preferably 1 μm to 40 μm. When the composite layer is 0.5 μm to 50 μm thick, a composite polymer electrolyte membrane with high proton conductivity, which can suppress electrical short circuits and fuel permeation and has excellent physical durability can be obtained.

[高分子電解質]
本発明で使用する高分子電解質とは、イオン性基を有することによりプロトン伝導性を有するポリマーであり、フッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質が知られており、それらのいずれでも用いることができる。
[Polymer electrolyte]
The polymer electrolyte used in the present invention is a polymer having proton conductivity due to the presence of ionic groups, and fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes are known, and any of these can be used.

ここで、フッ素系高分子電解質とは、分子中の炭化水素基における水素の大部分または全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。イオン性基を有するフッ素系高分子電解質の代表例としては、“ナフィオン”(登録商標)(ケマーズ(株)製)、“アクイビオン”(登録商標)(ソルベイ社製)、“フレミオン”(登録商標)(AGC(株)製)および“アシプレックス”(登録商標)(旭化成(株)製)などの市販品を挙げることができる。 Here, a fluoropolymer electrolyte refers to one in which most or all of the hydrogen atoms in the hydrocarbon groups in the molecule have been replaced with fluorine atoms. Representative examples of fluoropolymer electrolytes with ionic groups include commercially available products such as "Nafion" (registered trademark) (manufactured by Chemours), "Aquivion" (registered trademark) (manufactured by Solvay), "Flemion" (registered trademark) (manufactured by AGC), and "Aciplex" (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Corporation).

これらフッ素系高分子電解質は、一般的に非常に高価且つ、ガスクロスオーバーが大きい傾向にある。そこで、機械強度、乾湿サイクル耐久性、化学的安定性などの点からも、本発明で使用する高分子電解質は炭化水素系高分子電解質であることが好ましい。すなわち、本発明において、高分子電解質がイオン性基を有する炭化水素系高分子電解質であることが好ましい。特に、本発明の複合層において、乾燥状態と含水状態のいずれにおいても優れた機械特性を有する点でも、高分子電解質が炭化水素系高分子電解質である態様は特に好ましい。 These fluorine-based polymer electrolytes are generally very expensive and tend to have large gas crossovers. Therefore, from the viewpoints of mechanical strength, dry-wet cycle durability, chemical stability, and the like, it is preferable that the polymer electrolyte used in the present invention is a hydrocarbon-based polymer electrolyte. That is, in the present invention, it is preferable that the polymer electrolyte is a hydrocarbon-based polymer electrolyte having ionic groups. In particular, in the composite layer of the present invention, an embodiment in which the polymer electrolyte is a hydrocarbon-based polymer electrolyte is particularly preferable, as it has excellent mechanical properties in both the dry state and the hydrated state.

炭化水素系高分子電解質としては、主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系高分子電解質が好ましい。ここで、芳香環としては、ベンゼン環やナフタレン骨格といった炭素原子と水素原子のみからなる炭化水素系芳香環だけでなく、ピリジン環やイミダゾール環、チオール環といったヘテロ環などを含んでいてもよい。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもよい。 Aromatic hydrocarbon-based polymer electrolytes having aromatic rings in the main chain are preferred. Here, aromatic rings may include not only hydrocarbon-based aromatic rings consisting only of carbon atoms and hydrogen atoms, such as benzene rings and naphthalene skeletons, but also heterocycles such as pyridine rings, imidazole rings, and thiol rings. Furthermore, the polymer may also contain some aliphatic units in addition to aromatic ring units.

芳香族炭化水素系高分子電解質の具体例としては、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリベンズオキサゾール(PBO)、ポリベンズチアゾール(PBT)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミドスルホンから選択される構造を芳香環とともに主鎖に有するポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有している構造の総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含む。炭化水素骨格は、これらの構造のうち複数の構造を有していてもよい。これらのなかでも、芳香族炭化水素系ポリマーとして特にポリエーテルケトン骨格を有するポリマー、すなわちポリエーテルケトン系ポリマーが最も好ましい。 Specific examples of aromatic hydrocarbon-based polymer electrolytes include polymers having a structure selected from polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylene oxide (PPO), polyarylene ether-based polymers, polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene (PPP), polyarylene-based polymers, polyarylene ketone, polyether ketone (PEK), polyarylene phosphine oxide, polyether phosphine oxide, polybenzoxazole (PBO), polybenzthiazole (PBT), polybenzimidazole (PBI), polyamide (PA), polyimide (PI), polyetherimide (PEI), and polyimide sulfone in the main chain together with an aromatic ring. The terms polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, etc., used here are general terms for structures having sulfone bonds, ether bonds, or ketone bonds in the molecular chain, and include polyetherketoneketone, polyetheretherketone, polyetheretherketoneketone, polyetherketoneetherketoneketone, polyetherketonesulfone, etc. The hydrocarbon skeleton may have multiple of these structures. Of these, polymers having a polyetherketone skeleton, i.e., polyetherketone-based polymers, are most preferred as aromatic hydrocarbon-based polymers.

高分子電解質としては、共連続様またはラメラ様の相分離構造を形成するものが好適である。このような相分離構造は、例えばイオン性基を有する親水性ポリマーとイオン性基を有さない疎水性ポリマーのような非相溶な2種以上のポリマーブレンドからなる成形体や、イオン性基を含有するセグメント(SE1)とイオン性基を含有しないセグメント(SE2)のような非相溶な2種以上のセグメントからなるブロックコポリマーなどにおいて発現し得る。共連続様およびラメラ様の相分離構造においては、親水性ドメインおよび疎水性ドメインがいずれも連続相を形成するため、連続したプロトン伝導チャネルが形成されることによりプロトン伝導性に優れる電解質膜が得られやすい。同時に、連続した疎水性骨格も形成されることにより乾燥状態だけでなく含水状態においても優れた機械特性を有する電解質膜が得られやすい。ここでドメインとは、一つの膜において、類似する物質やセグメントが凝集してできた塊のことを意味する。 Polymer electrolytes that form a bicontinuous or lamellar phase-separated structure are preferred. Such phase-separated structures can be realized, for example, in molded articles composed of a blend of two or more incompatible polymers, such as a hydrophilic polymer having an ionic group and a hydrophobic polymer not having an ionic group, or in block copolymers composed of two or more incompatible segments, such as a segment (S E1 ) containing an ionic group and a segment (S E2 ) not containing an ionic group. In bicontinuous or lamellar phase-separated structures, both the hydrophilic and hydrophobic domains form continuous phases, forming continuous proton-conducting channels and facilitating the production of electrolyte membranes with excellent proton conductivity. At the same time, the formation of a continuous hydrophobic backbone facilitates the production of electrolyte membranes with excellent mechanical properties, not only in the dry state but also in the hydrated state. Here, "domain" refers to a mass formed by the aggregation of similar substances or segments within a single membrane.

高分子電解質としては特に、イオン性基を含有するセグメント(SE1)と、イオン性基を含有しないセグメント(SE2)をそれぞれ1個以上有するブロックコポリマーが好ましい。ここで、セグメントとは、特定の性質を示す繰り返し単位からなる共重合体ポリマー鎖中の部分構造であって、分子量が2,000以上のものを表すものとする。ブロックコポリマーを用いることで、ポリマーブレンドと比較して微細なドメインを有する共連続様やラメラ様の相分離構造を発現させることが可能となり、より優れた発電性能、乾湿サイクル耐久性が達成できる。 As the polymer electrolyte, a block copolymer having one or more segments (S E1 ) containing an ionic group and one or more segments (S E2 ) not containing an ionic group is particularly preferred. Here, a segment refers to a partial structure in a copolymer polymer chain consisting of repeating units that exhibit specific properties and has a molecular weight of 2,000 or more. The use of a block copolymer makes it possible to develop a bicontinuous or lamellar phase-separated structure with finer domains than a polymer blend, thereby achieving better power generation performance and wet-dry cycle durability.

以下、イオン性基を含有するセグメント(SE1)もしくはポリマーを「イオン性ブロック」と表記することがあり、またイオン性基を含有しないセグメント(SE2)もしくはポリマーを「非イオン性ブロック」と表記することがある。もっとも、本明細書における「イオン性基を含有しない」という記載は、当該セグメントもしくはポリマーが相分離構造の形成を阻害しない範囲でイオン性基を少量含んでいる態様を排除するものではない。 Hereinafter, a segment (S E1 ) or polymer containing an ionic group may be referred to as an “ionic block,” and a segment (S E2 ) or polymer not containing an ionic group may be referred to as a “non-ionic block.” However, the expression “not containing an ionic group” in this specification does not exclude an embodiment in which the segment or polymer contains a small amount of ionic groups to the extent that the formation of a phase-separated structure is not inhibited.

このようなブロックコポリマーとしては、非イオン性ブロックに対するイオン性ブロックのモル組成比(SE1/SE2)が、0.20以上であることが好ましく、0.33以上であることがより好ましく、0.50以上であることがさらに好ましい。また、モル組成比(SE1/SE2)は5.00以下であることが好ましく、3.00以下であることがより好ましく2.50以下であることがさらに好ましい。モル組成比(SE1/SE2)が、0.20以上あるいは5.00以下の場合、低加湿条件下でのプロトン伝導性が高く、尚且つ耐熱水性や乾湿サイクル耐久性に優れる複合高分子電解質膜を得ることができる。ここで、モル組成比(SE1/SE2)とは、非イオン性ブロック中に存在する繰り返し単位のモル数に対するイオン性ブロック中に存在する繰り返し単位のモル数の比を表す。「繰り返し単位のモル数」とは、イオン性ブロック、非イオン性ブロックの数平均分子量をそれぞれ対応する構成単位の分子量で除した値とする。 In such block copolymers, the molar composition ratio (S E1 /S E2 ) of the ionic block to the nonionic block is preferably 0.20 or more, more preferably 0.33 or more, and even more preferably 0.50 or more. Furthermore, the molar composition ratio (S E1 /S E2 ) is preferably 5.00 or less, more preferably 3.00 or less, and even more preferably 2.50 or less. When the molar composition ratio (S E1 /S E2 ) is 0.20 or more or 5.00 or less, a composite polymer electrolyte membrane can be obtained that exhibits high proton conductivity under low humidification conditions and excellent hot water resistance and dry-wet cycle durability. Here, the molar composition ratio (S E1 /S E2 ) refers to the ratio of the number of moles of repeating units present in the ionic block to the number of moles of repeating units present in the nonionic block. The "number of moles of repeating units" refers to the value obtained by dividing the number average molecular weight of the ionic block and the nonionic block by the molecular weight of the corresponding structural unit.

高分子電解質が有するイオン性基は、プロトン交換能を有するイオン性基であればよい。このような官能基としては、スルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基、ホスホン酸基、リン酸基、カルボン酸基が好ましく用いられる。イオン性基はポリマー中に2種類以上含むことができる。中でも、高プロトン伝導度の点から、ポリマーはスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基から選ばれる少なくとも1つを有することがより好ましく、原料コストの点からスルホン酸基を有することが最も好ましい。 The ionic group possessed by the polymer electrolyte may be any ionic group having proton exchange capacity. Examples of such functional groups that are preferably used include sulfonic acid groups, sulfonimide groups, sulfate groups, phosphonic acid groups, phosphate groups, and carboxylic acid groups. Two or more types of ionic groups can be contained in the polymer. From the viewpoint of high proton conductivity, it is more preferable for the polymer to have at least one group selected from sulfonic acid groups, sulfonimide groups, and sulfate groups, and from the viewpoint of raw material costs, it is most preferable for the polymer to have a sulfonic acid group.

高分子電解質のイオン交換容量(IEC)は、プロトン伝導性と耐水性のバランスから、0.1~5.0meq/gが好ましい。IECは、1.4meq/g以上がより好ましく、1.7meq/g以上がさらに好ましい。またIECは、3.5meq/g以下がより好ましく、3.0meq/g以下がさらに好ましい。IECが前記好ましい範囲内である場合、優れたプロトン伝導性と耐水性を両立することができる。 The ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte is preferably 0.1 to 5.0 meq/g in order to balance proton conductivity and water resistance. The IEC is more preferably 1.4 meq/g or higher, and even more preferably 1.7 meq/g or higher. The IEC is more preferably 3.5 meq/g or lower, and even more preferably 3.0 meq/g or lower. When the IEC is within the above preferred range, excellent proton conductivity and water resistance can both be achieved.

ここで、IECとは、高分子電解質の単位乾燥重量当たりに導入されたイオン性基のモル量であり、この値が大きいほどイオン性基の導入量が多いことを示す。本発明においては、IECは、中和滴定法により求めた値と定義する。中和滴定によるIECの算出は、実施例に記載の方法で行うことができる。 Here, IEC refers to the molar amount of ionic groups introduced per unit dry weight of the polymer electrolyte; a larger value indicates a larger amount of ionic groups introduced. In the present invention, IEC is defined as a value determined by neutralization titration. IEC calculation by neutralization titration can be performed using the method described in the Examples.

本発明においては、高分子電解質として芳香族炭化水素系ブロックコポリマーを用いることが特に好ましく、ポリエーテルケトン系ブロックコポリマーであることがより好ましい。特に、下記のようなイオン性基を含有する構成単位(S1)を含むセグメントと、イオン性基を含有しない構成単位(S2)を含むセグメントとを含有するポリエーテルケトン系ブロックコポリマーは特に好ましく用いることができる。 In the present invention, it is particularly preferable to use an aromatic hydrocarbon-based block copolymer as the polymer electrolyte, and a polyether ketone-based block copolymer is even more preferable. In particular, polyether ketone-based block copolymers containing a segment including a structural unit (S1) containing an ionic group and a segment including a structural unit (S2) not containing an ionic group, as shown below, are particularly preferably used.

一般式(S1)中、Ar~Arは任意の2価のアリーレン基を表し、Arおよび/またはArはイオン性基を含有し、ArおよびArはイオン性基を含有しても含有しなくても良い。Ar~Arは任意にイオン性基以外の基を有するものであっても良く、互いに独立して2種類以上のアリーレン基が用いられても良い。*は他の一般式(S1)で表される構成単位または他の構成単位との結合部位を表す。 In general formula (S1), Ar 1 to Ar 4 represent any divalent arylene group, Ar 1 and/or Ar 2 contain an ionic group, and Ar 3 and Ar 4 may or may not contain an ionic group. Ar 1 to Ar 4 may optionally contain a group other than an ionic group, and two or more types of arylene groups may be used independently. * represents a bonding site with another structural unit represented by general formula (S1) or another structural unit.

一般式(S2)中、Ar~Arは任意の2価のアリーレン基を表し、イオン性基を含有しない。Ar~Arは任意にイオン性基以外の基を有するものであっても良く、互いに独立して2種類以上のアリーレン基が用いられても良い。*は他の一般式(S2)で表される構成単位または他の構成単位との結合部位を表す。 In general formula (S2), Ar 5 to Ar 8 represent any divalent arylene group and do not contain an ionic group. Ar 5 to Ar 8 may optionally have a group other than an ionic group, and two or more types of arylene groups may be used independently. * represents a bonding site with another structural unit represented by general formula (S2) or another structural unit.

ここで、Ar~Arとして好ましい2価のアリーレン基は、フェニレン基、ナフチレン基、ビフェニレン基、フルオレンジイル基などの炭化水素系アリーレン基、ピリジンジイル、キノキサリンジイル、チオフェンジイルなどのヘテロアリーレン基などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。ここで、フェニレン基としてはo-フェニレン基、m-フェニレン基、p-フェニレン基の3種類があり得るが、本明細書において特に限定しない場合はこれらの総称として用いる。ナフチレン基やビフェニレン基など、その他の2価のアリーレン基についても同様である。Ar~Arは、好ましくはフェニレン基とイオン性基を含有するフェニレン基、最も好ましくはp-フェニレン基とイオン性基を含有するp-フェニレン基である。また、Ar~Arはイオン性基以外の基で置換されていてもよいが、無置換である方がプロトン伝導性、化学的安定性、乾湿サイクル耐久性の点でより好ましい。 Here, preferred divalent arylene groups for Ar 1 to Ar 8 include hydrocarbon arylene groups such as phenylene, naphthylene, biphenylene, and fluorenediyl groups, and heteroarylene groups such as pyridinediyl, quinoxalinediyl, and thiophenediyl, but are not limited to these. Here, the phenylene group may be of three types: o-phenylene, m-phenylene, and p-phenylene, and unless otherwise specified, these will be used as a general term in this specification. The same applies to other divalent arylene groups, such as naphthylene and biphenylene groups. Ar 1 to Ar 8 are preferably phenylene groups containing a phenylene group and an ionic group, and most preferably p-phenylene groups containing a p-phenylene group and an ionic group. Furthermore, Ar 5 to Ar 8 may be substituted with groups other than ionic groups, but it is more preferable that they are unsubstituted in terms of proton conductivity, chemical stability, and dry-wet cycle durability.

また、十分な寸法安定性、機械強度、乾湿サイクル耐久性、燃料遮断性、耐溶剤性を得るためには、高分子電解質が結晶性を有する芳香族炭化水素系高分子電解質であることが好ましい。ここで、「結晶性を有する」とは昇温すると結晶化されうる結晶化可能な性質を有しているか、あるいは既に結晶化していることを意味する。 In addition, in order to obtain sufficient dimensional stability, mechanical strength, dry/wet cycle durability, fuel barrier properties, and solvent resistance, it is preferable that the polymer electrolyte be an aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte that has crystallinity. Here, "crystalline" means that the polymer electrolyte has the property of being crystallizable when heated, or that the polymer electrolyte has already crystallized.

結晶性の有無の確認は、示差走査熱量分析法(DSC)あるいは広角X線回折によって実施される。本発明においては、製膜後にDSCによって測定される結晶化熱量が0.1J/g以上であるか、もしくは、広角X線回折によって測定される結晶化度が0.5%以上であることが好ましい。すなわち、DSCにおいて結晶化ピークが認められない場合は、既に結晶化している場合と、高分子電解質が非晶性である場合が考えられるが、既に結晶化している場合は広角X線回折によって結晶化度が0.5%以上となる。 The presence or absence of crystallinity is confirmed by differential scanning calorimetry (DSC) or wide-angle X-ray diffraction. In the present invention, it is preferable that the heat of crystallization measured by DSC after film formation is 0.1 J/g or more, or the crystallinity measured by wide-angle X-ray diffraction is 0.5% or more. In other words, if no crystallization peak is observed in DSC, this may mean that the polymer electrolyte has already crystallized or that it is amorphous. If the polymer electrolyte has already crystallized, the crystallinity measured by wide-angle X-ray diffraction will be 0.5% or more.

結晶性を有する芳香族炭化水素系高分子電解質は、電解質膜の加工性が不良である場合がある。その場合、芳香族炭化水素系高分子電解質に保護基を導入し、一時的に結晶性を抑制してもよい。具体的には、保護基を導入した状態で製膜し、その後に脱保護することで、結晶性を有する芳香族炭化水素系高分子電解質を本発明において高分子電解質として用いることができる。 Crystalline aromatic hydrocarbon-based polymer electrolytes may have poor processability for forming electrolyte membranes. In such cases, protecting groups may be introduced into the aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte to temporarily suppress crystallinity. Specifically, by forming a membrane with protecting groups introduced and then deprotecting the membrane, a crystalline aromatic hydrocarbon-based polymer electrolyte can be used as the polymer electrolyte in the present invention.

[多孔質基材]
本発明に用いられる多孔質基材は、電解質膜としたときに多孔質基材中に筋状構造を有している。この筋状構造(本筋状構造)は、前述したとおり電解質膜において多孔質基材に存在する構造的特徴であり、本筋状構造は電解質膜の顕微鏡観察において、幅0.2μm以上である線状の構造体が0.35μm以上の平均幅を有していることを特徴とする。
[Porous base material]
The porous substrate used in the present invention has a streaky structure in the porous substrate when formed into an electrolyte membrane. As described above, this streaky structure (the present streaky structure) is a structural feature present in the porous substrate in the electrolyte membrane, and is characterized in that, when the electrolyte membrane is observed under a microscope, linear structures each having a width of 0.2 μm or more have an average width of 0.35 μm or more.

多孔質基材は、本筋状構造以外にも平均幅の小さいフィブリル構造を有しているものが好ましく、本筋状構造間が前記フィブリルにより連結されている構造を有するものがより好ましい。 The porous substrate preferably has a fibril structure with a small average width in addition to the streak-like structure, and more preferably has a structure in which the streak-like structures are connected by the fibrils.

前記フィブリル平均幅の2倍以上の幅を有する本筋状構造を含む多孔質基材が好ましく、フィブリル平均幅の3倍以上の幅を有する本筋状構造を含む多孔質基材がより好ましく、フィブリル平均幅の5倍以上の幅を有する本筋状構造を含む多孔質基材が更に好ましい。また、フィブリル平均幅の20倍以下の幅を有する本筋状構造を含む多孔質基材が好ましく、フィブリル平均幅の10倍以下の幅を有する本筋状構造を含む多孔質基材がより好ましい。この本筋状構造は、電解質膜表面をデジタルマイクロスコープ等の顕微鏡観察において、観察することができ、あるいは、断層写真を撮像し、画像処理によって電解質膜表面側からみた画像を得て観察することができる。その長さおよび幅は、実施例の項において記載の方法によって求められる。 A porous substrate containing this streak structure with a width at least twice the average fibril width is preferred, a porous substrate containing this streak structure with a width at least three times the average fibril width is more preferred, and a porous substrate containing this streak structure with a width at least five times the average fibril width is even more preferred. Also preferred are porous substrates containing this streak structure with a width at most 20 times the average fibril width, and a porous substrate containing this streak structure with a width at most 10 times the average fibril width is more preferred. This streak structure can be observed by microscopic observation of the electrolyte membrane surface using a digital microscope or other such device, or by taking a tomographic photograph and processing the image to obtain an image viewed from the electrolyte membrane surface. Its length and width can be determined using the method described in the Examples section.

当該本筋状構造を有していれば、多孔質基材を構成する材料は特に限定されない。多孔質基材を構成するに適した材料としては、例えば、炭化水素系高分子化合物を主成分とする炭化水素系多孔質基材、フッ素系高分子化合物を主成分とするフッ素系多孔質基材などが挙げられる。 There are no particular restrictions on the material that can be used to form the porous substrate, as long as it has this streaky structure. Suitable materials for forming the porous substrate include, for example, hydrocarbon-based porous substrates whose main component is a hydrocarbon-based polymer compound, and fluorine-based porous substrates whose main component is a fluorine-based polymer compound.

炭化水素系高分子化合物としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVdC)、ポリエステル、ポリカーボネート(PC)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリベンズオキサゾール(PBO)、ポリベンズチアゾール(PBT)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミドスルホン(PIS)などが挙げられる。 Examples of hydrocarbon polymer compounds include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyacrylate, polymethacrylate, polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVdC), polyester, polycarbonate (PC), polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylene oxide (PPO), polyarylene ether polymers, polyphenylene sulfide (PPS), polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene (PPP), polyarylene polymers, polyarylene ketone, polyether ketone (PEK), polyarylene phosphine oxide, polyether phosphine oxide, polybenzoxazole (PBO), polybenzthiazole (PBT), polybenzimidazole (PBI), polyamide (PA), polyimide (PI), polyetherimide (PEI), and polyimide sulfone (PIS).

フッ素系高分子化合物としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)などが挙げられる。 Examples of fluorine-based polymer compounds include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), and ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE).

耐水性や耐薬品性、機械特性の観点から、PE、PP、PPS、PEK、PBI、PTFE、ポリヘキサフルオロプロピレン、FEP、PFAが好ましい。 From the standpoint of water resistance, chemical resistance, and mechanical properties, PE, PP, PPS, PEK, PBI, PTFE, polyhexafluoropropylene, FEP, and PFA are preferred.

フッ素系多孔質基材は、一般的に疎水性が極めて高いフッ素系高分子化合物を主成分とするため、高分子電解質と複合化することにより、電解質膜に耐水性を付与し、含水状態における機械特性を向上させ寸法変化を抑制する効果が高く、また、一般にフッ素原子含有高分子化合物は薬品への溶解性が低く化学反応に対し安定であるため、電解質膜に耐薬品性、化学的耐久性も付与することができるため好ましい。耐薬品性、化学的耐久性の観点からPTFE、ポリヘキサフルオロプロピレン、FEP、PFAがより好ましく、分子配向により高い機械強度を有することから、PTFEが特に好ましい。 Fluorine-based porous substrates generally consist primarily of highly hydrophobic fluorine-based polymer compounds. Therefore, by combining them with a polymer electrolyte, they impart water resistance to the electrolyte membrane, improve mechanical properties in a hydrated state, and effectively suppress dimensional change. Furthermore, fluorine-containing polymer compounds generally have low solubility in chemicals and are stable against chemical reactions, making them preferable for imparting chemical resistance and chemical durability to the electrolyte membrane. From the perspective of chemical resistance and chemical durability, PTFE, polyhexafluoropropylene, FEP, and PFA are more preferred, with PTFE being particularly preferred due to its high mechanical strength achieved through molecular orientation.

耐水性の観点から、多孔質基材の総質量を100質量%としたとき、多孔質基材に含まれるフッ素原子の総質量が50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがより好ましく、70質量%以上であることが特に好ましい。多孔質基材におけるフッ素原子含有量は、多孔質基材を燃焼させて発生したガスを吸収させた溶液のイオンクロマトグラフィーにより測定した値であるものとし、具体的には後述する実施例に記載の方法で測定することができる。 From the viewpoint of water resistance, when the total mass of the porous substrate is taken as 100 mass%, the total mass of fluorine atoms contained in the porous substrate is preferably 50 mass% or more, more preferably 60 mass% or more, and particularly preferably 70 mass% or more. The fluorine atom content in the porous substrate is a value measured by ion chromatography of a solution in which gas generated by combustion of the porous substrate has been absorbed, and specifically, can be measured by the method described in the examples below.

多孔質基材は、X線光電子分光法(XPS)により測定される酸素原子含有量が10質量%以下であることが好ましく、酸素原子含有量が8%以下のものがより好ましく、5%以下のものが更に好ましい。酸素原子含有量が10%以下の場合、多孔質基材が良好な耐水性を有しているため、電解質膜の吸水及び膨潤による寸法変化を抑制できる。多孔質基材の酸素原子含有量は、具体的には後述する実施例に記載の方法で測定することができる。 The oxygen atom content of the porous substrate, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), is preferably 10% by mass or less, more preferably 8% or less, and even more preferably 5% or less. When the oxygen atom content is 10% or less, the porous substrate has good water resistance, thereby suppressing dimensional changes due to water absorption and swelling of the electrolyte membrane. The oxygen atom content of the porous substrate can be measured specifically by the method described in the examples below.

前記フッ素系多孔質基材、特に前記フッ素原子含有量が50質量%以上の物や前記酸素原子含有量が10質量%以下のものは前述の通り優れた耐水性を有しており電解質膜吸水時の寸法変化を抑制できるため、多孔質基材が本筋状構造を含むことにより電解質膜の吸水とそれに伴う寸法変化を特に大きく低減することができるので電解質膜の乾湿サイクル耐久性をより向上させることができる。 These fluorine-based porous substrates, particularly those with a fluorine atom content of 50% by mass or more and those with an oxygen atom content of 10% by mass or less, have excellent water resistance as described above and can suppress dimensional change when the electrolyte membrane absorbs water. Therefore, by including this streaky structure in the porous substrate, water absorption and the accompanying dimensional change in the electrolyte membrane can be significantly reduced, further improving the wet-dry cycle durability of the electrolyte membrane.

なお、電解質膜中に存在する多孔質基材の分析を行う場合、高分子電解質のみを溶解する溶媒に電解質膜を浸漬することにより多孔質基材のみを取り出すことが可能である。 When analyzing the porous substrate present in an electrolyte membrane, it is possible to extract only the porous substrate by immersing the electrolyte membrane in a solvent that dissolves only the polymer electrolyte.

多孔質基材の態様としては、(イ)空孔形成性をもったフィルムを膜面方向に延伸し微細な空孔を形成させた延伸微多孔膜、(ロ)多孔質基材の原料を溶解した溶液を調製し製膜した後、溶媒を含んだままの状態で当該原料の貧溶媒に浸漬し凝固させた湿式凝固微多孔膜、(ハ)原料溶液を紡糸した溶液紡糸ファイバーからなる不織布、(ニ)多孔質基材の原料を溶融し紡糸した溶融紡糸ファイバーからなる不織布、などが挙げられる。 Porous substrates can be embodied in various ways, including (a) stretched microporous membranes, which are made by stretching a pore-forming film in the plane direction to form micropores; (b) wet-coagulated microporous membranes, which are made by preparing a solution containing the raw materials for the porous substrate, forming a membrane, and then immersing the membrane in a poor solvent for the raw materials while still containing the solvent, and coagulating the membrane; (c) nonwoven fabrics made from solution-spun fibers spun from a raw material solution; and (d) nonwoven fabrics made from melt-spun fibers spun from the raw materials for the porous substrate.

溶液紡糸の方法としては、口金より高圧を加え繊維状に吐出した原料溶液を熱風により乾燥させる乾式紡糸法や、繊維状に吐出した原料溶液を当該原料の貧溶媒に浸漬し凝固させる湿式紡糸法、高電圧を引加した空間へ原料溶液を吐出し静電気により繊維状に引っ張るエレクトロスピニングなどが挙げられる。 Methods of solution spinning include dry spinning, in which high pressure is applied from a spinneret to extrude the raw material solution into fibers and then dried with hot air; wet spinning, in which the raw material solution extruded into fibers is immersed in a poor solvent for the raw material and solidified; and electrospinning, in which the raw material solution is extruded into a space where high voltage is applied and then pulled into fibers using static electricity.

溶融紡糸法としては、溶融した多孔質基材の原料を口金より繊維状に吐出したメルトブロー紡糸が挙げられる。 An example of a melt spinning method is melt-blown spinning, in which molten porous substrate raw material is extruded in the form of fibers from a spinneret.

上記した多孔質基材の形態の中でも、(イ)の延伸微多孔膜が筋状構造を形成しやすいことから好ましい。 Among the above porous substrate forms, stretched microporous membrane (a) is preferred because it is easy to form a streaky structure.

本発明の電解質膜は、多孔質基材が本筋状構造を有することを特徴とする。そして、本筋状構造を高分子電解質膜としたときに有するようするために、本発明に使用される多孔質基材は、高分子電解質が含浸される前の状態において、本筋状構造に対応する構造的特徴を有しているべきである。 The electrolyte membrane of the present invention is characterized in that the porous substrate has this striated structure. In order to ensure that this striated structure is present when the polymer electrolyte membrane is formed, the porous substrate used in the present invention should have structural characteristics corresponding to this striated structure before being impregnated with the polymer electrolyte.

本筋状構造は、多孔質基材表面の走査型電子顕微鏡(SEM)による観察で確認することができる。 This streaky structure can be confirmed by observing the surface of the porous substrate using a scanning electron microscope (SEM).

本筋状構造を有する多孔質基材は、例えば、空孔形成性を有するフィルムを延伸することによって製造することができる。延伸方法としては、一軸方向に比較的強く延伸することによって、延伸方向の直交方向に本筋状構造が形成されやすくなる。上記の延伸倍率は、5~30倍が好ましく、10~25倍がより好ましく、12~20倍が特に好ましい。 A porous substrate having this streaky structure can be produced, for example, by stretching a film with pore-forming properties. As a stretching method, relatively strong stretching in a uniaxial direction facilitates the formation of this streaky structure in a direction perpendicular to the stretching direction. The stretching ratio is preferably 5 to 30 times, more preferably 10 to 25 times, and particularly preferably 12 to 20 times.

空孔形成性を有するフィルム用いて多孔質基材を製造する方法として、(i)多孔質基材の樹脂材料と結晶核剤或いは微粒子を、混錬機等を用いて混合後、押し出し機等を用いて製膜し、延伸により樹脂材料と結晶核剤・微粒子表面との界面を開裂させて空孔を形成、拡大、連結させる乾式法、(ii)多孔質基材の樹脂材料と可塑剤を、混錬機等を用いて混合後、押し出し機等を用いて製膜し、可塑剤を除去し微細な無数の空孔を形成させ、延伸により前記空孔を拡大、連結させる湿式法が挙げられるが、空孔サイズや膜厚を均一に製造しやすいことから湿式法の方が好ましい。 Methods for producing porous substrates using pore-forming films include: (i) a dry method in which the resin material of the porous substrate and a crystal nucleating agent or fine particles are mixed using a kneader or the like, then formed into a film using an extruder or the like, and stretched to open the interface between the resin material and the crystal nucleating agent/fine particle surface, thereby forming, expanding, and connecting pores; and (ii) a wet method in which the resin material of the porous substrate and a plasticizer are mixed using a kneader or the like, then formed into a film using an extruder or the like, the plasticizer is removed to form countless fine pores, and the pores are expanded and connected by stretching. However, the wet method is preferred because it is easier to produce a film with uniform pore size and film thickness.

前記湿式法を用いる際の可塑剤としては、多孔質基材の樹脂材料と相分離を起こさず均一に混合でき且つ蒸発や抽出などの手段により除去できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば流動パラフィン、ナフサ、トルエン、キシレン、ケロシンなどの炭化水素系化合物の他、アルコール類、ケトン類、エステル類、フッ素系溶剤などを用いることができる。 When using the wet method, the plasticizer is not particularly limited as long as it can be uniformly mixed with the resin material of the porous substrate without causing phase separation and can be removed by means such as evaporation or extraction. For example, hydrocarbon compounds such as liquid paraffin, naphtha, toluene, xylene, and kerosene, as well as alcohols, ketones, esters, and fluorine-based solvents can be used.

前記湿式法を用いる場合、製膜後可塑剤を除去する前に平板プレスやロールプレスを用いて圧延し適宜膜厚を調製しても良い。また、可塑剤を含んだ状態で延伸することもフィルムの強度や弾性率を向上させられるため好適である。 When using the wet method, after film formation, the film may be rolled using a flat press or roll press to adjust the film thickness appropriately before removing the plasticizer. It is also preferable to stretch the film while it contains plasticizer, as this improves the strength and elastic modulus of the film.

湿式法において可塑剤を除去する方法としては、可塑剤のみを溶解する溶剤を用いて抽出する方法や加熱により可塑剤のみを揮発させる方法が挙げられるが特に限定されるものではない。抽出においては、可塑剤を含むフィルムを前記溶媒に浸漬する方法や前記溶媒を流しかける方法が挙げられるが特に限定されるものではない。また、乾燥においては、熱風乾燥や真空乾燥、赤外線照射による加熱などがあり特に限定されるものではない。この中でも、安全性やコストの観点から乾燥による除去が好ましく、連続搬送によるロールフィルムの作成が容易なことから熱風乾燥と赤外線照射による加熱がより好ましく、可塑剤を含むフィルムを変形させにくいことから熱風乾燥が特に好ましい。 Methods for removing plasticizers in wet processes include, but are not limited to, extraction using a solvent that dissolves only the plasticizer or volatilizing only the plasticizer by heating. Extraction methods include, but are not limited to, immersing the film containing the plasticizer in the solvent or pouring the solvent over it. Drying methods include, but are not limited to, hot air drying, vacuum drying, and heating by infrared radiation. Among these, removal by drying is preferred from the standpoint of safety and cost. Hot air drying and heating by infrared radiation are more preferred because they facilitate the production of roll film by continuous conveyance. Hot air drying is particularly preferred because it is less likely to deform the film containing the plasticizer.

このようにして空孔形成性を有するフィルムを製造した後に、前記方法を用いて当該フィルムを延伸することにより本発明の多孔質基材を得ることができる。 After producing a film with pore-forming properties in this manner, the porous substrate of the present invention can be obtained by stretching the film using the method described above.

延伸方法は、1軸延伸であっても2軸延伸であってもよいが、多孔質基材及び当該多孔質基材を複合化した高分子電解質膜の前記MD、TD異方性を低減できることから2軸延伸が好ましい。 The stretching method may be uniaxial or biaxial, but biaxial stretching is preferred because it reduces the MD and TD anisotropy of the porous substrate and the polymer electrolyte membrane composited with the porous substrate.

2軸延伸するときの延伸方法として、例えば、一軸方向(例えば、TD)に比較的強く延伸することによって、直行方向(例えば、MD)に本筋状構造が形成されやすくなる。具体的には、TDの延伸倍率は、5~30倍が好ましく、10~25倍がより好ましく、12~20倍が特に好ましい。MDの延伸倍率は、1.2~10倍が好ましく、1.5~5倍がより好ましく、1.7~4倍が特に好ましい。 When biaxially stretching, for example, relatively strong stretching in one direction (e.g., TD) makes it easier to form the streaky structure in the perpendicular direction (e.g., MD). Specifically, the TD stretch ratio is preferably 5 to 30 times, more preferably 10 to 25 times, and particularly preferably 12 to 20 times. The MD stretch ratio is preferably 1.2 to 10 times, more preferably 1.5 to 5 times, and particularly preferably 1.7 to 4 times.

多孔質基材は、面内方向において前記本筋状構造間を連結し梯子状の構造を形成する細い繊維状のフィブリルを有することが好ましい。前記フィブリルは前記本筋状構造と略直交に整列しているものを含むことがより好ましい。当該構造を有することにより、面内方向において本筋状構造と平行な方向だけでなく、本筋状構造と直交する方向に対しても、特に含水状態において優れた機械特性を有する電解質膜を得ることができる。 The porous substrate preferably has thin, fibrous fibrils that connect the streak structures in the in-plane direction to form a ladder-like structure. It is more preferable that the fibrils include those that are aligned approximately perpendicular to the streak structures. By having this structure, an electrolyte membrane can be obtained that has excellent mechanical properties, particularly in a hydrated state, not only in the in-plane direction parallel to the streak structures but also in the direction perpendicular to the streak structures.

本発明で使用する多孔質基材の厚みに特に制限はなく、電解質膜の用途によって決めるべきものであるが、0.5μm以上50μm以下の膜厚を有するものが実用的に用いられ、1μm以上40μm以下の膜厚を有するものが好ましく用いられる。 There are no particular restrictions on the thickness of the porous substrate used in the present invention, and this should be determined depending on the application of the electrolyte membrane. However, a thickness of 0.5 μm to 50 μm is practically used, and a thickness of 1 μm to 40 μm is preferred.

高分子電解質と複合化する前の多孔質基材の空隙率は、特に限定されないが、得られる電解質膜のプロトン伝導性と機械強度の両立の観点から、50~98%が好ましく、70~98%がより好ましい。なお、多孔質基材の空隙率Y1(体積%)は下記の数式によって求めた値と定義する。 The porosity of the porous substrate before it is composited with the polymer electrolyte is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving both proton conductivity and mechanical strength in the resulting electrolyte membrane, it is preferably 50 to 98%, and more preferably 70 to 98%. The porosity Y1 (volume %) of the porous substrate is defined as the value calculated using the following formula:

Y1=(1-Db/Da)×100
(ここで、Daは多孔質基材を構成する原料物質の比重、Dbは多孔質基材全体の比重である。)
[複合層の好ましい態様]
高分子電解質が多孔質基材に浸入されて形成された、多孔質基材と高分子電解質とが複合化された層である複合層の部分において、多孔質基材が本筋状構造を有していることは、含水時における電解質膜の膨潤を抑制することにより乾湿サイクル耐久性を向上させることができる点で重要であり、この観点から、複合層の好ましい一つの態様として、例えば、多孔質基材と高分子電解質とは、異種の材料(高分子化合物)で構成する態様が挙げられる。
Y1=(1-Db/Da)×100
(Here, Da is the specific gravity of the raw material constituting the porous substrate, and Db is the specific gravity of the entire porous substrate.)
[Preferred embodiment of composite layer]
In the composite layer, which is a layer formed by impregnating the porous substrate with a polymer electrolyte and which is a composite of the porous substrate and the polymer electrolyte, it is important that the porous substrate has this streaky structure, as this can improve the dry-wet cycle durability by suppressing swelling of the electrolyte membrane when it contains water.From this perspective, one preferred embodiment of the composite layer is, for example, an embodiment in which the porous substrate and the polymer electrolyte are made of different materials (polymer compounds).

多孔質基材および高分子電解質は、前述のそれぞれの高分子化合物の中から異種の組み合わせを選択して採用することができる。上記異種の組み合わせとしては、例えば、フッ素系多孔質基材と炭化水素系電解質との組み合わせ、炭化水素系多孔質基材とフッ素系高分子電解質との組み合わせが挙げられる。 The porous substrate and polymer electrolyte can be selected from different combinations of the aforementioned polymer compounds. Examples of such different combinations include a combination of a fluorine-based porous substrate with a hydrocarbon-based electrolyte, and a combination of a hydrocarbon-based porous substrate with a fluorine-based polymer electrolyte.

多孔質基材が本筋状構造を有していたとしても、高分子電解質を含浸させた時に、本筋状構造が破壊されることがある。そこで、上記組み合わせの中でも、高分子電解質を含浸させた時に複合層において本筋状構造が破壊され難いこと、および電解質膜の耐水性や機械特性の向上などの観点から、フッ素系多孔質基材と炭化水素系電解質との組み合わせが好ましい。 Even if the porous substrate has this striated structure, it may be destroyed when the polymer electrolyte is impregnated. Therefore, among the above combinations, a combination of a fluorine-based porous substrate and a hydrocarbon-based electrolyte is preferred, as this makes it less likely that the striated structure will be destroyed in the composite layer when the polymer electrolyte is impregnated, and it also improves the water resistance and mechanical properties of the electrolyte membrane.

フッ素系多孔質基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)を含む多孔質基材が好ましく、特に、PTFEを含む多孔質基材が好ましい。さらに、1軸延伸もしくは2軸延伸されたフッ素系多孔質基材が好ましく、2軸延伸されたフッ素系多孔質基材がより好ましい。 Preferred fluorine-based porous substrates include those containing polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), with PTFE-containing porous substrates being particularly preferred. Furthermore, uniaxially or biaxially stretched fluorine-based porous substrates are preferred, with biaxially stretched fluorine-based porous substrates being even more preferred.

炭化水素系電解質としては、主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系電解質(ポリマー)が好ましく、特に、イオン性基を含有するセグメント(SE1)とイオン性基を含有しないセグメント(SE2)をそれぞれ1個以上有するブロックコポリマーが好ましい。 As the hydrocarbon-based electrolyte, an aromatic hydrocarbon-based electrolyte (polymer) having an aromatic ring in the main chain is preferred, and in particular, a block copolymer having one or more segments (S E1 ) containing an ionic group and one or more segments (S E2 ) not containing an ionic group is preferred.

また、上記したフッ素系多孔質基材と炭化水素系電解質との組み合わせには、さらにノニオン性フッ素系界面活性剤を含有させることが好ましい。 It is also preferable that the combination of the above-mentioned fluorine-based porous substrate and hydrocarbon-based electrolyte further contains a nonionic fluorine-based surfactant.

フッ素系多孔質基材と炭化水素系電解質とは、親和性が高くないため、複合層の形成工程(含浸工程)における多孔質基材の筋状構造の減少や縮小化の抑制には有効であるが、その反面、複合化には好ましい組み合わせではない。複合化にノニオン性フッ素系界面活性剤を用いることによって、フッ素系多孔質基材に炭化水素系電解質を隙間なく高効率で充填(含浸)させやすくなる。 Fluorine-based porous substrates and hydrocarbon-based electrolytes do not have a high affinity, so while this is effective in preventing the streaky structure of the porous substrate from shrinking or becoming smaller during the composite layer formation process (impregnation process), it is not a desirable combination for composite formation. Using a nonionic fluorine-based surfactant for composite formation makes it easier to fill (impregnate) the fluorine-based porous substrate with the hydrocarbon-based electrolyte without gaps and with high efficiency.

また、2層以上の複合層を有する高分子電解質膜を用いることも好適である。本態様は複数の多孔質基材を積層することにより得ることができる。この時、複数の複合層は互いに隣接していても良いし、複合層と複合層の間に後述の単独層を有していても構わない。 It is also preferable to use a polymer electrolyte membrane having two or more composite layers. This embodiment can be obtained by stacking multiple porous substrates. In this case, the multiple composite layers may be adjacent to each other, or a single layer, as described below, may be present between the composite layers.

[ノニオン性フッ素系界面活性剤]
本発明の電解質膜は、ノニオン性フッ素系界面活性剤を含むことが好ましい。ノニオン性フッ素系界面活性剤を用いることにより、高分子電解質と多孔質基材との親和性が向上することにより、電解質膜を製造しやすくなるだけでなく、電解質膜における高分子電解質と多孔質基材との界面接合が強固となり乾湿サイクルにおける電解質膜の体積変化に伴う両者の界面剥離を抑制することにより燃料電池の乾湿サイクル耐久性を向上させることができる。特に炭化水素系高分子電解質とフッ素系多孔質基材を用いる場合において、両者の親和性を顕著に向上させることができるためより好ましい。
[Nonionic Fluorosurfactant]
The electrolyte membrane of the present invention preferably contains a nonionic fluorine-based surfactant. The use of a nonionic fluorine-based surfactant improves the affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate, making it easier to produce the electrolyte membrane. This not only strengthens the interfacial bonding between the polymer electrolyte and the porous substrate in the electrolyte membrane, but also suppresses interfacial peeling between the two due to volume changes in the electrolyte membrane during wet-dry cycles, thereby improving the wet-dry cycle durability of the fuel cell. In particular, when a hydrocarbon-based polymer electrolyte and a fluorine-based porous substrate are used, this is more preferable because it can significantly improve the affinity between the two.

ノニオン性フッ素系界面活性剤を用いた場合、カチオン性界面活性剤やアニオン性界面活性剤と比較して水や酸への溶解性が低いため、燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解しにくくなり、電解質膜からの溶出を抑制でき、高分子電解質と多孔質基材との親和性を長期間にわたり維持することができる。 When nonionic fluorochemical surfactants are used, they have lower solubility in water and acid compared to cationic and anionic surfactants, making them less likely to dissolve in the water and acid generated during the operation of electrochemical cells such as fuel cells. This prevents leaching from the electrolyte membrane and allows the affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate to be maintained for a long period of time.

ノニオン性フッ素系界面活性剤は、アルキル基、アルケニル基またはアリール基中の水素原子をフッ素原子で置換した、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基からなるフッ素含有基と、非イオン性の親媒基(親水性基または親油性基)とを有する化合物であることが好ましい。 Preferably, the nonionic fluorine-based surfactant is a compound having a fluorine-containing group consisting of a fluorinated alkyl group, a fluorinated alkenyl group, or a fluorinated aryl group, in which hydrogen atoms in an alkyl group, alkenyl group, or aryl group are substituted with fluorine atoms, and a nonionic solvent-philic group (hydrophilic group or lipophilic group).

フッ素含有基は、アルキル基、アルケニル基またはアリール基中の全ての水素原子をフッ素原子で置換した、パーフルオロアルキル基、パーフルオロアルケニル基またはパーフルオロアリール基が好ましい。 The fluorine-containing group is preferably a perfluoroalkyl group, perfluoroalkenyl group, or perfluoroaryl group in which all hydrogen atoms in the alkyl group, alkenyl group, or aryl group have been substituted with fluorine atoms.

フッ素含有基としては、界面活性効果が優れることから、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基がより好ましく、柔軟な構造を有し高い界面活性作用を示すことから、フッ化アルケニル基がさらに好ましい。 As the fluorine-containing group, a fluorinated alkenyl group or a fluorinated aryl group is more preferred due to their excellent surfactant effect, and a fluorinated alkenyl group is even more preferred due to their flexible structure and high surfactant activity.

フッ素含有基は、炭素数が2個以上であることが好ましく、4個以上であることがより好ましく、6個以上であることが特に好ましい。また、炭素数が20個以下であることが好ましく、15個以下であることがより好ましく、10個以下であることが特に好ましい。炭素数が上記好ましい範囲である場合、揮発性、水溶性が適度で電解質膜中に残存して乾湿サイクル耐久性に優れる一方、高分子電解質と相分離し難く乾湿サイクル耐久性に優れる。 The fluorine-containing group preferably has two or more carbon atoms, more preferably four or more, and particularly preferably six or more. It also preferably has 20 or fewer carbon atoms, more preferably 15 or fewer, and particularly preferably 10 or fewer. When the carbon number is within the above preferred range, the fluorine-containing group has adequate volatility and water solubility, remains in the electrolyte membrane, and exhibits excellent wet-dry cycle durability, while also being resistant to phase separation from the polymer electrolyte, resulting in excellent wet-dry cycle durability.

具体的には、フッ化アルキル基としては、フッ化エチル基、フッ化プロピル基、フッ化ブチル基、フッ化ペンチル基、フッ化ヘキシル基、フッ化ヘプチル基、フッ化オクチル基、フッ化ノニル基、フッ化デシル基を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 Specific examples of fluorinated alkyl groups include, but are not limited to, ethyl fluoride, propyl fluoride, butyl fluoride, pentyl fluoride, hexyl fluoride, heptyl fluoride, octyl fluoride, nonyl fluoride, and decyl fluoride.

また、フッ化アルケニル基としては、フッ化エテニル基、フッ化プロペニル基、フッ化ブテニル基、フッ化ペンテニル基、フッ化ヘキセニル基、フッ化ヘプテニル基、フッ化オクテニル基、フッ化ノネニル基、フッ化デセニル基を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。 Furthermore, examples of fluorinated alkenyl groups include, but are not limited to, ethenyl fluoride, propenyl fluoride, butenyl fluoride, pentenyl fluoride, hexenyl fluoride, heptenyl fluoride, octenyl fluoride, nonenyl fluoride, and decenyl fluoride.

それらの中でも、揮発性、水溶性が低く電解質膜中に残存し易いことからフッ化ヘキシル基、フッ化ヘプチル基、フッ化オクチル基、フッ化ノニル基、フッ化デシル基、フッ化ヘキセニル基、フッ化ヘプテニル基、フッ化オクテニル基、フッ化ノネニル基、フッ化デセニル基がより好ましい。ここで、フッ化エチル基としては、1官能基中に含まれるフッ素原子の数によりモノフルオロエチル基、ジフルオロエチル基、トリフルオロエチル基、テトラフルオロエチル基、ペンタフルオロエチル基の5種類の官能基が有り得るが、本明細書においてフッ化エチル基はこれらの総称として用いる。フッ化プロピル基やフッ化ブチル基などのその他の官能基についても同様である。また、前記ジフルオロエチル基の場合、2個のフッ素原子を有する官能基であり1,1-ジフルオロエチル基、1,2-ジフルオロエチル基、2,2-ジフルオロエチル基という3種類の構造異性体が存在するが、本明細書において、「ジフルオロエチル基」はこれらの総称として用いる。「トリフルオロエチル基」や「テトラフルオロエチル基」などのその他の基についても同様である。 Among these, hexyl fluoride, heptyl fluoride, octyl fluoride, nonyl fluoride, decyl fluoride, hexenyl fluoride, heptenyl fluoride, octenyl fluoride, nonenyl fluoride, and decenyl fluoride are more preferred due to their low volatility and water solubility, making them more likely to remain in the electrolyte membrane. Here, the ethyl fluoride group can be classified into five types of functional groups depending on the number of fluorine atoms contained in one functional group: monofluoroethyl, difluoroethyl, trifluoroethyl, tetrafluoroethyl, and pentafluoroethyl. In this specification, the term ethyl fluoride group is used as a general term for all of these. The same applies to other functional groups such as propyl fluoride and butyl fluoride. Furthermore, in the case of the difluoroethyl group, which is a functional group containing two fluorine atoms, there are three structural isomers: the 1,1-difluoroethyl group, the 1,2-difluoroethyl group, and the 2,2-difluoroethyl group. In this specification, the term "difluoroethyl group" is used as a general term for these. The same applies to other groups such as the "trifluoroethyl group" and "tetrafluoroethyl group."

フッ素含有基の構造は、直鎖状、分岐鎖状、環状等であることができるが、中でも分岐鎖状の構造を有する場合、フッ素化合物同士の相互作用が弱くなり、表面張力が低下し易いため好ましい。本発明においては、特に下記式(F1)に示す構造からなるフッ素含有基を有する界面活性剤が特に好ましい。 The structure of the fluorine-containing group can be linear, branched, cyclic, etc., but a branched structure is preferred because it weakens the interaction between fluorine compounds and makes it easier to reduce surface tension. In the present invention, surfactants having a fluorine-containing group with a structure represented by the following formula (F1) are particularly preferred.

式(F1)において*は他の原子団との結合箇所を意味する。 In formula (F1), * indicates the bonding point to other atomic groups.

ノニオン性フッ素系界面活性剤としては、フッ素原子を1分子内に10質量%以上有する化合物が好適に用いられる。フッ素原子を20質量%以上有する化合物はより好ましく、フッ素原子を40質量%以上有する化合物は更に好ましい。1分子内のフッ素原子含有量が10質量%以上の場合、高分子電解質と多孔質基材との親和性が良好であり、優れた発電性能を有する電解質膜を得ることができる。また、水や酸への溶解性が低いため燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解しにくくなり、電解質膜からの溶出を抑制でき、高分子電解質と多孔質基材との親和性を長期間にわたり維持することができる。 As a nonionic fluorine-based surfactant, a compound having 10% by mass or more of fluorine atoms per molecule is preferably used. Compounds having 20% by mass or more of fluorine atoms are more preferred, and compounds having 40% by mass or more of fluorine atoms are even more preferred. When the fluorine atom content per molecule is 10% by mass or more, the affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate is good, and an electrolyte membrane with excellent power generation performance can be obtained. In addition, due to its low solubility in water and acid, it is less likely to dissolve in water or acid generated during the operation of an electrochemical cell such as a fuel cell, preventing elution from the electrolyte membrane and maintaining the affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate for a long period of time.

親媒基は、親水性基あるいは親油性基であることができるが、親水性基であることが好ましい。 The philic group can be a hydrophilic group or a lipophilic group, but is preferably a hydrophilic group.

親水性基は、酸素、窒素、リン、硫黄およびホウ素からなる群より選択される親水性元素を有する非イオン性基であれば特に限定されないが、ポリエーテル基、カルボン酸エステル基、スルホン酸エステル基、亜リン酸エステル基またはリン酸エステル基を含む基であることが好ましく、イオン性基との水素結合を形成することにより高分子電解質との親和性に優れ且つ化学的安定性にも優れることからポリエーテル基を含む基であることがより好ましい。その中でも、親水性基が下記一般式(C1)に示すポリアルキルエーテル構造または下記一般式(C2)に示すポリアクリレート構造を有する基であることが好ましく、特に高分子電解質との親和性に優れることから下記一般式(C1)に示すポリアルキルエーテルであることがより好ましい。 The hydrophilic group is not particularly limited as long as it is a nonionic group containing a hydrophilic element selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur, and boron. However, groups containing polyether groups, carboxylic acid ester groups, sulfonate ester groups, phosphite ester groups, or phosphate ester groups are preferred, and groups containing polyether groups are more preferred because they form hydrogen bonds with the ionic group, thereby providing excellent affinity with polymer electrolytes and chemical stability. Among these, it is preferred that the hydrophilic group be a group having a polyalkyl ether structure shown in general formula (C1) below or a polyacrylate structure shown in general formula (C2) below. Polyalkyl ethers shown in general formula (C1) below are more preferred because of their particularly excellent affinity with polymer electrolytes.

一般式(C1)においてq、rはr=2qを満たす自然数であり、sはアルキルエーテル構造の繰り返し数を意味する1~1,000の整数である。一般式(C2)において、Rは炭素数1~20のアルキル基、炭素数1~20のアルケニル基、炭素数6~20のアリール基から選ばれる少なくとも一種の基であり、tはアクリレート構造の繰り返し数を意味する1~1,000の整数である。(C1)または(C2)においてsまたはtが2以上である場合、複数のアルキルエーテル構造またはアクリレート構造は、それぞれ同じでも異なっていてもよい。 In general formula (C1), q and r are natural numbers satisfying the equation r = 2q, and s is an integer between 1 and 1,000 representing the number of repeating alkyl ether structures. In general formula (C2), R is at least one group selected from an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 1 to 20 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, and t is an integer between 1 and 1,000 representing the number of repeating acrylate structures. When s or t is 2 or greater in (C1) or (C2), the multiple alkyl ether structures or acrylate structures may be the same or different.

親油性基としては、フッ素原子を含まない、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基が挙げられる。 Lipophilic groups include alkyl groups, alkenyl groups, alkynyl groups, and phenyl groups that do not contain fluorine atoms.

本発明において、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、150℃における蒸気圧が2kPa未満の化合物であることが好ましく、150℃における蒸気圧が1kPa以下の化合物がより好ましく、沸点を有さない、すなわち沸騰することなく熱分解を開始する化合物が最も好ましい。本発明においては特に、界面活性剤が、熱重量示差熱分析における5%重量減少温度が150℃以上の化合物であることが好ましい。かかる界面活性剤であれば製膜時に揮発・分解しないため電解質膜中に残存させることができる。 In the present invention, the nonionic fluorine-based surfactant is preferably a compound with a vapor pressure of less than 2 kPa at 150°C, more preferably a compound with a vapor pressure of 1 kPa or less at 150°C, and most preferably a compound with no boiling point, i.e., a compound that begins thermal decomposition without boiling. In particular, in the present invention, it is preferable that the surfactant is a compound with a 5% weight loss temperature of 150°C or higher in thermogravimetric differential thermal analysis. Such surfactants do not volatilize or decompose during membrane formation, and can therefore be left in the electrolyte membrane.

本発明において、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、重量平均分子量1,000以上の化合物であることが好ましく、1,500以上の化合物であることがより好ましく、2,000以上の化合物であることが更に好ましい。また、ノニオン性フッ素系界面活性剤が、重量平均分子量10,000以下の化合物であることが好ましく、8,000以下の化合物であることがより好ましく、5,000以下の化合物であることが更に好ましい。界面活性剤の重量平均分子量が上記好ましい範囲の場合、揮発性が適度で水などの溶媒に溶解し難くなるため、高分子電解質と多孔質基材や後述の触媒層との親和性を保ち、両者の界面において剥離・破断し難く耐久性に優れる一方、電解質膜の中で界面活性剤のみが凝集して海島様の相分離構造を形成し難く、界面活性剤と高分子電解質や多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる。 In the present invention, the nonionic fluorosurfactant is preferably a compound with a weight-average molecular weight of 1,000 or more, more preferably 1,500 or more, and even more preferably 2,000 or more. Furthermore, the nonionic fluorosurfactant is preferably a compound with a weight-average molecular weight of 10,000 or less, more preferably 8,000 or less, and even more preferably 5,000 or less. When the weight-average molecular weight of the surfactant is within the above preferred range, it has moderate volatility and is less soluble in solvents such as water. This maintains affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate and the catalyst layer described below, making the interface between the two less susceptible to peeling and rupture, resulting in excellent durability. Meanwhile, the surfactant is less likely to aggregate alone within the electrolyte membrane to form an island-like phase-separated structure, making the interface between the surfactant and the polymer electrolyte or porous substrate less susceptible to rupture, resulting in excellent durability.

ノニオン性フッ素系界面活性剤としては、フッ素含有基の分子量が200以上であることが好ましく、400以上であることがより好ましく、1,000以上であることが更に好ましい。また、フッ素含有基の分子量が5,000以下であることが好ましく、3,000以下であることがより好ましく、2,000以下であることが更に好ましい。フッ素含有基の分子量が上記好ましい範囲の場合、フッ素含有基における分子鎖の柔軟性や自由度に優れることにより、多孔質基材や触媒層との親和性を保ち、高分子電解質との界面において剥離・破断し難く耐久性に優れる一方、電解質膜の中で界面活性剤のみが凝集して海島様の相分離構造を形成し難く、界面活性剤と高分子電解質や多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる。 In nonionic fluorine-based surfactants, the molecular weight of the fluorine-containing group is preferably 200 or more, more preferably 400 or more, and even more preferably 1,000 or more. Furthermore, the molecular weight of the fluorine-containing group is preferably 5,000 or less, more preferably 3,000 or less, and even more preferably 2,000 or less. When the molecular weight of the fluorine-containing group is within the above preferred range, the molecular chain of the fluorine-containing group has excellent flexibility and freedom, maintaining affinity with the porous substrate and catalyst layer, and resisting peeling and rupture at the interface with the polymer electrolyte, resulting in excellent durability. Meanwhile, the surfactant is less likely to aggregate alone in the electrolyte membrane and form an island-like phase-separated structure, resulting in resisting rupture at the interface between the surfactant and the polymer electrolyte or porous substrate, resulting in excellent durability.

親媒基として親水性基を有する界面活性剤の場合、親水性基の分子量が100以上であることが好ましく、200以上であることがより好ましく、500以上であることが更に好ましい。また、親水性基の分子量が4,000以下であることが好ましく、2,500以下であることがより好ましく、1,500以下であることが更に好ましい。親水性基の分子量が上記好ましい範囲の場合、親水性基における分子鎖の柔軟性や自由度に優れることにより、高分子電解質との親和性を保ち、多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる一方、水溶性が適度であることにより燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解し難く電解質膜からの溶出を防ぐため、高分子電解質と多孔質基材との親和性を保ち、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材との界面において破断し難く耐久性に優れる。 In the case of surfactants having a hydrophilic group as the solvent group, the molecular weight of the hydrophilic group is preferably 100 or more, more preferably 200 or more, and even more preferably 500 or more. Furthermore, the molecular weight of the hydrophilic group is preferably 4,000 or less, more preferably 2,500 or less, and even more preferably 1,500 or less. When the molecular weight of the hydrophilic group is within the above preferred range, the molecular chain of the hydrophilic group has excellent flexibility and freedom, maintaining affinity with the polymer electrolyte and resisting breakage at the interface with the porous substrate, resulting in excellent durability. Meanwhile, the appropriate water solubility makes it difficult to dissolve in water or acid generated during operation of an electrochemical cell such as a fuel cell, preventing elution from the electrolyte membrane. This maintains affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate, resisting breakage at the interface between the polymer electrolyte and the porous substrate during dimensional changes, resulting in excellent durability.

また、ノニオン性フッ素系界面活性剤は、水、10%硫酸、10%水酸化ナトリウム水溶液のいずれかへ溶解しない化合物であることが好ましく、水に溶解しない化合物であることより好ましく、これらのいずれにも溶解しない化合物であることが最も好ましい。ここで、溶解しないとは、25℃における飽和溶解度が0.1質量%未満であることを意味する。界面活性剤が当該溶媒および/または溶液に溶解しない場合、燃料電池等の電気化学セルを運転している際に生成する水や酸に溶解し難くなり電解質膜からの溶出を抑制できるため、高分子電解質と多孔質基材や触媒層との親和性を保持できるので、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材や触媒層との界面における剥離・破断に起因する耐久性の低下を抑制できる。 The nonionic fluorine-based surfactant is preferably a compound that is insoluble in water, 10% sulfuric acid, or 10% aqueous sodium hydroxide solution, more preferably a compound that is insoluble in water, and most preferably a compound that is insoluble in none of these. Here, "insoluble" means that the saturated solubility at 25°C is less than 0.1% by mass. If the surfactant is insoluble in the solvent and/or solution, it becomes less soluble in water or acid generated during operation of an electrochemical cell such as a fuel cell, preventing leaching from the electrolyte membrane. This maintains the affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate or catalyst layer, thereby preventing a decrease in durability due to peeling or rupture at the interface between the polymer electrolyte and the porous substrate or catalyst layer during dimensional changes.

本発明に用いられるノニオン性フッ素系界面活性剤としては、例えば、DIC(株)製の“メガファック”(登録商標)F-251、同F-253、同F-281、同F-430、同F-477、同F-551、同F-552、同F-553、同F-554、同F-555、同F-556、同F-557、同F-558、同F-559、同F-560、同F-561、同F-562、同F-563、同F-565、同F-568、同F-570、同F-572、同F-574、同F-575、同F-576、同R-40、同R-40-LM、同R-41、同R-94、同RS-56、同RS-72-K、同RS-75、同RS-76-E、同RS-76-NS、同DS-21、同F444、同TF-2066、AGC(株)製の“サーフロン”(登録商標)S-141、同S-145、同S-241、同S-242、同S-243、同S-386、同S-420、同S-611、同S-651、ネオス(株)製の“フタージェント”(登録商標)251、同208M、同212M、同215M、同250、同209F、同222F、同245F、同208G、同218GL、同240G、同212P、同220P、同228P、同FTX-218、同DFX-18、同710FL、同710FM、同710FS、同730FL、同730FM、同610FM、同683、同601AD、同601ADH2、同602A、同650AC、同681、三菱マテリアル電子化成(株)製のEF-PP31N04、EF-PP31N09、EF-PP31N15、EF-PP31N22、3M社製のFC-4430、FC-4432、OMNOVA SOLUTIONS社製のPF-151N、PF-636、PF-6320、PF-656、PF-6520、PF-652-NF、PF-3320、ダイキン工業(株)製のTG-9131、“ゼッフル”(登録商標)GH-701、ソルベイジャパン(株)製の“フルオロリンク”(登録商標)A10-P等を挙げることができる。 Nonionic fluorine-based surfactants that can be used in the present invention include, for example, "Megafac" (registered trademark) F-251, F-253, F-281, F-430, F-477, F-551, F-552, F-553, F-554, F-555, F-556, F-557, F-558, F-559, F-560, F-561, F-562, F-563, F-564, F-565, F-566, F-567, F-568, F-569, F-570, F-571, F-572, F-573, F-574, F-575, F-576, F-577, F-578, F-579, F-580, F-581, F-582, F-583, F-584, F-585, F-586, F-587, F-588, F-589 ...9, F- F-563, F-565, F-568, F-570, F-572, F-574, F-575, F-576, R-40, R-40-LM, R-41, R-94, RS-56, RS-72-K, RS-75, RS-76-E, RS-76-NS, DS-21, F444, TF-2066, and Surflon (registered trademark) S-141 manufactured by AGC Inc. S-145, S-241, S-242, S-243, S-386, S-420, S-611, S-651, and "Ftergent" (registered trademark) 251, 208M, 212M, 215M, 250, 209F, 222F, 245F, 208G, 218GL, 240G, 212P, 220P, 228P, FTX-218, and DF manufactured by Neos Corporation. X-18, 710FL, 710FM, 710FS, 730FL, 730FM, 610FM, 683, 601AD, 601ADH2, 602A, 650AC, 681, EF-PP31N04, EF-PP31N09, EF-PP31N15, EF-PP31N22 manufactured by Mitsubishi Materials Electronic Chemicals Co., Ltd., FC-4430, FC-4432, OMNOVA manufactured by 3M Examples include PF-151N, PF-636, PF-6320, PF-656, PF-6520, PF-652-NF, and PF-3320 manufactured by SOLUTIONS, TG-9131 and "Zeffle" (registered trademark) GH-701 manufactured by Daikin Industries, Ltd., and "Fluorolink" (registered trademark) A10-P manufactured by Solvay Japan Co., Ltd.

電解質膜におけるノニオン性フッ素系界面活性剤の含有量は、電解質膜に含まれる高分子電解質の総量に対する質量比として、0.005以上が好ましく、0.01以上がより好ましい。また、上記質量比は、0.20以下が好ましく、0.10以下がより好ましい。上記質量比が上記好ましい範囲の場合、高分子電解質と多孔質基材や触媒層との親和性を保ち、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材や触媒層との界面において剥離・破断し難く耐久性に優れる一方、ノニオン性フッ素系界面活性剤の量が適度で電解質膜のプロトン伝導度に優れる。なお、ここでのノニオン性フッ素系界面活性剤の含有量は、完成した電解質膜中に残存しているノニオン性フッ素系界面活性剤の量であり、製造過程で脱落したノニオン性フッ素系界面活性剤は除外した量を意味するものとする。 The content of the nonionic fluorosurfactant in the electrolyte membrane is preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more, expressed as a mass ratio to the total amount of polymer electrolyte contained in the electrolyte membrane. Furthermore, this mass ratio is preferably 0.20 or less, more preferably 0.10 or less. When the mass ratio is within the preferred range, the affinity between the polymer electrolyte and the porous substrate and catalyst layer is maintained, and the interfaces between the polymer electrolyte and the porous substrate and catalyst layer are less likely to peel or break during dimensional changes, resulting in excellent durability. Meanwhile, the amount of nonionic fluorosurfactant is appropriate, resulting in excellent proton conductivity of the electrolyte membrane. Note that the content of nonionic fluorosurfactant here refers to the amount of nonionic fluorosurfactant remaining in the completed electrolyte membrane, excluding the amount of nonionic fluorosurfactant that falls off during the manufacturing process.

電解質膜に含まれるノニオン性フッ素系界面活性剤の分析方法としては、高分子電解質膜と共に界面活性剤を所定の溶媒に溶解させる方法を挙げることができる。高分子電解質膜の溶液及び溶媒を除去した乾固物に対して、赤外線分光(IR)分析、1H核磁気共鳴(NMR)分析、19F-NMR分析、MALDI-MS分析、熱分解GC/MS分析を行うことにより、各種界面活性剤の化学構造を分析するとともに、界面活性剤の含有量を算出することができる。また、前記溶液及び乾固物に対して溶媒抽出や再沈殿といった一般的な精製処理を施しノニオン性フッ素系界面活性剤のみを抽出した上での分析も好適である。 One method for analyzing nonionic fluorosurfactants contained in electrolyte membranes is to dissolve the surfactant in a specified solvent along with the polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane solution and the dried product from which the solvent has been removed can be subjected to infrared spectroscopy (IR), 1H nuclear magnetic resonance (NMR), 19F-NMR, MALDI-MS, and pyrolysis GC/MS analysis to analyze the chemical structure of various surfactants and calculate the surfactant content. It is also suitable to subject the solution and dried product to common purification processes such as solvent extraction and reprecipitation to extract only the nonionic fluorosurfactant before analyzing.

前記ノニオン性界面活性剤の分析に用いる溶媒は、電解質膜を構成する高分子電解質種によって適宜選択することができる。例えば、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル系溶媒、ヘキサン、シクロヘキサンなどの炭化水素系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2-ジクロロエタン、パークロロエチレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素系溶媒、水などが好適に用いられる。また、これらの溶媒を二種以上の混合した混合溶媒を用いてもよい。ここで、「プロパノール」としては、プロパン分子に含まれる水素原子の内一つがヒドロキシル基に置換された構造を有しており、1-プロパノール、2-プロパノールという2種類の構造異性体が存在するが、本明細書において「プロパノール」はこれらの総称として用いる。「ブタノール」や「キシレン」などのその他の溶媒についても同様である。 The solvent used in the analysis of the nonionic surfactant can be selected appropriately depending on the type of polymer electrolyte that constitutes the electrolyte membrane. For example, aprotic polar solvents such as N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and hexamethylphosphontriamide; carbonate-based solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate; alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether; alcohol-based solvents such as methanol, ethanol, propanol, and butanol; acetone; Suitable solvents include ketone solvents such as methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, etc.; ester solvents such as gamma-butyrolactone, ethyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, etc.; hydrocarbon solvents such as hexane and cyclohexane; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, and xylene; halogenated hydrocarbon solvents such as chloroform, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, perchloroethylene, chlorobenzene, and dichlorobenzene; ether solvents such as diethyl ether, tetrahydrofuran, and 1,4-dioxane; nitrile solvents such as acetonitrile; nitrated hydrocarbon solvents such as nitromethane and nitroethane; and water. Mixed solvents containing two or more of these solvents may also be used. Here, "propanol" has a structure in which one hydrogen atom in the propane molecule is replaced with a hydroxyl group. Two structural isomers, 1-propanol and 2-propanol, exist; however, "propanol" is used herein as a general term for both. The same applies to other solvents such as "butanol" and "xylene."

電解質膜が不溶性である場合は異なる分析手法を用いることができる。ノニオン性フッ素系界面活性剤を含む電解質膜そのものに対してIR分析、固体NMR分析、MALDI-MS分析、熱分解GC/MS分析を行うことにより界面活性剤の化学構造や含有量を分析することができる。電解質膜を溶媒に浸漬しノニオン性フッ素系界面活性剤のみを溶解、抽出した上での分析も好適である。 If the electrolyte membrane is insoluble, different analytical methods can be used. The chemical structure and content of the surfactant can be analyzed by performing IR analysis, solid-state NMR analysis, MALDI-MS analysis, and pyrolysis GC/MS analysis on the electrolyte membrane itself, which contains a nonionic fluorosurfactant. It is also suitable to immerse the electrolyte membrane in a solvent to dissolve and extract only the nonionic fluorosurfactant before analyzing it.

本発明に用いられるノニオン性フッ素系界面活性剤としては、不純物として金属類を含有しないものが好ましい。ここで金属類とは金属元素の単体や金属イオン、非イオン性金属化合物、金属酸化物などが挙げられるがこれらに限定されない。金属類を含まない場合、ノニオン性フッ素系界面活性剤の親水基や親油基と金属類との相互作用が起こりにくくなるため、高分子電解質膜中でも高い自由度を有しており界面活性剤としての機能を保持することができるため、寸法変化時に高分子電解質と多孔質基材や触媒層との界面における剥離・破断に起因する耐久性の低下を抑制できる。 The nonionic fluorosurfactant used in the present invention preferably does not contain metals as impurities. Here, metals include, but are not limited to, simple metal elements, metal ions, nonionic metal compounds, and metal oxides. When metals are not included, interactions between the hydrophilic and lipophilic groups of the nonionic fluorosurfactant and the metals are less likely to occur. This allows the surfactant to retain its functionality and maintain a high degree of freedom even within the polymer electrolyte membrane, thereby suppressing a decrease in durability due to peeling or rupture at the interface between the polymer electrolyte and the porous substrate or catalyst layer during dimensional changes.

[単独層]
高分子電解質が多孔質基材に浸入していない部分(層)である単独層は、先述の複合層に隣接して存在することとなる。単独層は多孔質基材の両面において形成されていることが好ましい。単独層を有することにより、電解質膜と電極の接合性を向上させ、界面での剥離を抑制することができる。
[Single layer]
The single layer, which is a portion (layer) where the polymer electrolyte does not penetrate the porous substrate, is present adjacent to the aforementioned composite layer. The single layer is preferably formed on both sides of the porous substrate. The presence of the single layer can improve the bonding strength between the electrolyte membrane and the electrodes and suppress peeling at the interface.

単独層に用いられる高分子電解質としては、前述の複合層に用いられる高分子電解質と同様のものが挙げられる。単独層に用いられる高分子電解質と複合層に用いられる高分子電解質とは、同じであっても異なっていてもよく、すなわち、高分子電解質による層は2種以上の高分子電解質を用いて形成しても構わないが、単独層と複合層は同じ高分子電解質が用いられていることが好ましい。 Examples of polymer electrolytes used in the single layer include those similar to those used in the composite layer described above. The polymer electrolytes used in the single layer and the composite layer may be the same or different; that is, a polymer electrolyte layer may be formed using two or more types of polymer electrolytes, but it is preferable that the same polymer electrolyte be used in the single layer and the composite layer.

また、複合層の両面に高分子電解質の層を設ける場合、一方の高分子電解質層と複合層の高分子電解質を同一にし、他方の高分子電解質層には異なる高分子電解質を用いることができる。この場合、他方の高分子電解質層に用いられる高分子電解質イオン交換容量(IEC)は、複合層の高分子電解質のイオン交換容量(IEC)より大きくすることも小さくすることもできるが、小さいことが好ましい。 Furthermore, when polymer electrolyte layers are provided on both sides of the composite layer, the polymer electrolyte in one of the polymer electrolyte layers can be the same as that in the composite layer, while a different polymer electrolyte can be used in the other polymer electrolyte layer. In this case, the ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte used in the other polymer electrolyte layer can be larger or smaller than the ion exchange capacity (IEC) of the polymer electrolyte in the composite layer, but a smaller IEC is preferred.

高分子電解質層の一層あたりの厚みは、0.1~20.0μmが好ましく、0.3~10.0μmがより好ましく、0.5~5.0μmが特に好ましい。 The thickness of each polymer electrolyte layer is preferably 0.1 to 20.0 μm, more preferably 0.3 to 10.0 μm, and particularly preferably 0.5 to 5.0 μm.

[電解質膜の製造方法]
本発明の電解質膜の製造方法としては、多孔質基材の片面あるいは両面から高分子電解質を含浸させる方法が一般的に用いうる。含浸する高分子電解質の液は適度な流動性を有していることが好ましく、溶液あるいは分散液として用いることができる。この際に、単独層は、多孔質基材には含浸されない部分を残すようにして高分子電解質を多孔質基材に含浸して一回の操作で複合層とそれに隣接する単独層を設ける方法や、多孔質基材中に高分子電解質を含浸して複合層を形成し、該複合層が形成された面の側に高分子電解質を付与して複合層とそれに隣接する単独層を設ける方法などにより形成することができる。
[Method of manufacturing electrolyte membrane]
The electrolyte membrane of the present invention can generally be produced by impregnating a porous substrate with a polymer electrolyte from one or both sides. The polymer electrolyte solution to be impregnated preferably has a suitable fluidity and can be used as a solution or dispersion. In this case, the monolayer can be formed by impregnating the porous substrate with the polymer electrolyte so as to leave a portion of the porous substrate unimpregnated, thereby forming a composite layer and an adjacent monolayer in a single operation, or by impregnating the porous substrate with the polymer electrolyte to form a composite layer, and then applying a polymer electrolyte to the side on which the composite layer is formed, thereby forming a composite layer and an adjacent monolayer.

高分子電解質を付与する方法について、さらに詳細に説明する。 The method for applying the polymer electrolyte will be described in more detail below.

複合層は、例えば、高分子電解質溶液を多孔質基材に含浸した後に、乾燥させて高分子電解質溶液に含まれる溶媒を除去することによって得ることができる。 The composite layer can be obtained, for example, by impregnating a porous substrate with a polymer electrolyte solution and then drying it to remove the solvent contained in the polymer electrolyte solution.

上記含浸方法としては、次のような方法が挙げられる。
(1)高分子電解質溶液の浴に多孔質基材を浸漬させ、引き上げた多孔質基材から余剰の高分子電解質溶液を除く方法
(2)多孔質基材上に高分子電解質溶液を流延塗布する方法
(3)高分子電解質溶液を流延塗布した支持基材上に多孔質基材を貼り合わせて含浸させる方法
多孔質基材に高分子電解質溶液を付与する際、多孔質基材の一方の面に流延塗布を行って後に他方の面に流延塗布を行っても良く、両方の面から同時に流延塗布を行っても良い。
The impregnation method includes the following methods.
(1) A method of immersing a porous substrate in a bath of polymer electrolyte solution and removing excess polymer electrolyte solution from the pulled-out porous substrate. (2) A method of casting the polymer electrolyte solution onto a porous substrate. (3) A method of attaching a porous substrate to a support substrate onto which the polymer electrolyte solution has been cast and impregnating the substrate. When applying the polymer electrolyte solution to the porous substrate, the polymer electrolyte solution may be cast onto one side of the porous substrate and then cast onto the other side, or cast onto both sides simultaneously.

高分子電解質溶液を流延塗布する方法としては、ナイフコート、ダイレクトロールコート、マイヤーバーコート、グラビアコート、リバースコート、エアナイフコート、スプレーコート、刷毛塗り、ディップコート、ダイコート、バキュームダイコート、カーテンコート、フローコート、スピンコート、スクリーン印刷、インクジェットコートなどの手法が適用できる。ここで高分子電解質溶液を流延塗布するために使用する装置をコーターと呼ぶ。 Methods that can be used to cast and apply the polymer electrolyte solution include knife coating, direct roll coating, Mayer bar coating, gravure coating, reverse coating, air knife coating, spray coating, brush coating, dip coating, die coating, vacuum die coating, curtain coating, flow coating, spin coating, screen printing, and inkjet coating. Here, the device used to cast and apply the polymer electrolyte solution is called a coater.

支持基材上に高分子電解質溶液を塗布した後は、乾燥工程を経ることで、複合層を形成することができる。乾燥工程では、多孔質基材に含侵した高分子電解質溶液の塗膜を加熱し、溶媒を蒸発させる。加熱手段は、溶媒が蒸発できれば特に限定されることはないが、例えば、オーブンやヒーター等の加熱装置、赤外線、温風等を用いて複合層の近傍の温度を制御する装置等を用いることができる。また、基材を介して塗膜に熱を伝導してもよい。加熱の温度範囲は、溶媒の沸点に近く、電解質のガラス転移温度以下であることが好ましい。また、加熱せず、減圧や気流の導入のみで溶媒を除去することも可能である。 After the polymer electrolyte solution is applied to the support substrate, a drying process is performed to form a composite layer. In the drying process, the coating film of the polymer electrolyte solution impregnated into the porous substrate is heated to evaporate the solvent. The heating means is not particularly limited as long as it can evaporate the solvent, but for example, heating devices such as ovens and heaters, or devices that control the temperature near the composite layer using infrared rays or hot air can be used. Heat can also be conducted to the coating film via the substrate. The heating temperature range is preferably close to the boiling point of the solvent and below the glass transition temperature of the electrolyte. It is also possible to remove the solvent without heating by simply reducing the pressure or introducing an airflow.

乾燥工程における乾燥時間や乾燥温度は適宜実験的に決めることができるが、少なくとも支持基材から剥離しても自立膜になる程度に乾燥することが好ましい。乾燥の方法は支持基材の加熱、熱風、赤外線ヒーター等の公知の方法が選択できる。乾燥温度は、高分子電解質や界面活性剤の分解を考慮して200℃以下が好ましく、150℃以下がより好ましい。 The drying time and temperature during the drying process can be determined experimentally as appropriate, but it is preferable to dry the film to the extent that it remains a self-supporting film even when peeled off from the support substrate. Known drying methods can be selected, such as heating the support substrate, using hot air, or using an infrared heater. Taking into account the decomposition of the polymer electrolyte and surfactant, the drying temperature is preferably 200°C or less, and more preferably 150°C or less.

溶液中の高分子電解質は、イオン性基がアルカリ金属またはアルカリ土類金属の陽イオンと塩を形成している状態のものを用いてもよい。この場合、基材上に膜を形成し乾燥工程を経た後に、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の陽イオンをプロトンと交換する工程を有することも好ましい。この工程は、形成された膜を酸性水溶液と接触させる工程であることがより好ましい。また、当該接触は、形成された膜を酸性水溶液に浸漬する工程であることが更に好ましい。この工程においては、酸性水溶液中のプロトンがイオン性基とイオン結合している陽イオンと置換されるとともに、残留している水溶性の不純物や、残存モノマー、溶媒、残存塩などが同時に除去される。酸性水溶液は特に限定されないが、硫酸、塩酸、硝酸、酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸、メタンスルホン酸、リン酸、クエン酸などを用いることが好ましい。酸性水溶液の温度や濃度等も適宜決定すべきであるが、生産性の観点から0℃以上80℃以下の温度で、3質量%以上、30質量%以下の硫酸水溶液を使用することが好ましい。 The polymer electrolyte in the solution may be one in which the ionic groups form salts with alkali metal or alkaline earth metal cations. In this case, it is also preferable to include a step of exchanging the alkali metal or alkaline earth metal cations for protons after forming a film on a substrate and drying it. This step is more preferably a step of contacting the formed film with an acidic aqueous solution. Furthermore, this contact is even more preferably a step of immersing the formed film in the acidic aqueous solution. In this step, the protons in the acidic aqueous solution are replaced with cations ionically bonded to the ionic groups, and residual water-soluble impurities, residual monomers, solvents, residual salts, etc. are simultaneously removed. The acidic aqueous solution is not particularly limited, but sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, acetic acid, trifluoromethanesulfonic acid, methanesulfonic acid, phosphoric acid, citric acid, etc. are preferably used. The temperature and concentration of the acidic aqueous solution should also be determined appropriately. From the perspective of productivity, however, it is preferable to use a sulfuric acid aqueous solution with a concentration of 3% by mass or more and 30% by mass or less at a temperature of 0°C to 80°C.

複合層の製造工程(含浸工程)において、高分子電解質溶液の濃度は、3~40質量%が好ましく、5~25質量%がより好ましい。この範囲の濃度であれば、多孔質基材の空隙に高分子電解質を充分に充填するための塗工回数を1~2回程度まで減少させることができ、かつ表面平滑性に優れた複合層が得られやすくなる。 In the composite layer manufacturing process (impregnation process), the concentration of the polymer electrolyte solution is preferably 3 to 40% by mass, and more preferably 5 to 25% by mass. A concentration within this range can reduce the number of coating cycles required to sufficiently fill the voids in the porous substrate with polymer electrolyte to around 1 or 2 times, and also makes it easier to obtain a composite layer with excellent surface smoothness.

高分子電解質溶液の粘度は100~50,000mPa・sが好ましく、300~10,000mPa・sがより好ましい。粘度が100mPa・s未満の場合、複合層の膜厚が不均一となることがある。粘度が上記好ましい範囲の場合、多孔質基材の空隙に対し高分子電解質を充填しやすく、複合層の膜厚を均一とすることも容易であり、また、複合層の表面平滑性に優れる。 The viscosity of the polymer electrolyte solution is preferably 100 to 50,000 mPa·s, and more preferably 300 to 10,000 mPa·s. If the viscosity is less than 100 mPa·s, the thickness of the composite layer may become non-uniform. If the viscosity is within the above preferred range, the polymer electrolyte can easily fill the voids in the porous substrate, it is easy to achieve a uniform thickness for the composite layer, and the surface smoothness of the composite layer is excellent.

高分子電解質溶液に使用する溶媒は、ポリマー種によって適宜選択することができる。溶媒としては、例えば、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホントリアミド等の非プロトン性極性溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等のエステル系溶媒、ヘキサン、シクロヘキサンなどの炭化水素系溶媒、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、クロロホルム、ジクロロメタン、1,2-ジクロロエタン、パークロロエチレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサンなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、ニトロメタン、ニトロエタン等のニトロ化炭化水素系溶媒、水などが好適に用いられる。また、これらの溶媒を二種以上の混合した混合溶媒を用いてもよい。 The solvent used in the polymer electrolyte solution can be selected appropriately depending on the type of polymer. Examples of solvents include aprotic polar solvents such as N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, and hexamethylphosphontriamide; carbonate solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate; alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and propylene glycol monoethyl ether; and alcohol solvents such as methanol, ethanol, propanol, and butanol. Suitable solvents include ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone; ester solvents such as gamma-butyrolactone, ethyl acetate, butyl acetate, and ethyl lactate; hydrocarbon solvents such as hexane and cyclohexane; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene, and xylene; halogenated hydrocarbon solvents such as chloroform, dichloromethane, 1,2-dichloroethane, perchloroethylene, chlorobenzene, and dichlorobenzene; ether solvents such as diethyl ether, tetrahydrofuran, and 1,4-dioxane; nitrile solvents such as acetonitrile; nitrated hydrocarbon solvents such as nitromethane and nitroethane; and water. Mixed solvents of two or more of these solvents may also be used.

浸漬法や流延塗布法において、単独層の厚みは除去する、あるいは、付与する高分子電解質溶液の量によって調節可能である。 In the dipping and casting methods, the thickness of the single layer can be adjusted by the amount of polymer electrolyte solution removed or applied.

また、単独層は、別途で、高分子電解質の膜を作製しておき、複合層が形成されている面に貼り合わせることで作製することもできる。 The single layer can also be produced by separately preparing a polymer electrolyte membrane and then laminating it onto the surface on which the composite layer is formed.

[触媒層]
触媒層は、電解質膜の両面に接して形成された触媒粒子を含む層であり、一般的には触媒粒子およびフッ素系高分子電解質からなる高分子電解質を含む層である。フッ素系高分子電解質としては、前述のものを用いることができる。
[Catalyst layer]
The catalyst layer is a layer containing catalyst particles formed on both sides of the electrolyte membrane, and is generally a layer containing catalyst particles and a polymer electrolyte made of a fluorine-based polymer electrolyte. As the fluorine-based polymer electrolyte, the above-mentioned ones can be used.

本発明の触媒層付電解質膜において、触媒層がイオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーを含むことが、発電性能及び化学的耐久性の点で好ましい。イオン性基を有するパーフルオロ系ポリマーを用いることで、触媒層に含まれるイオン性基の酸性度が高くなりプロトン伝導度がより向上するとともに、化学的に安定なC-F結合を多数有することから触媒層の化学的耐久性をより向上させることができる。 In the catalyst-layered electrolyte membrane of the present invention, it is preferable that the catalyst layer contain a perfluoropolymer having ionic groups, from the viewpoints of power generation performance and chemical durability. By using a perfluoropolymer having ionic groups, the acidity of the ionic groups contained in the catalyst layer is increased, further improving proton conductivity, and the large number of chemically stable C-F bonds further improves the chemical durability of the catalyst layer.

触媒粒子としては、触媒物質が炭素粒子に担持された触媒担持炭素粒子が一般的に用いられる。触媒物質としては、白金だけでなく、白金族元素のパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属又はこれらの合金、又は酸化物、複酸化物等があげられる。炭素粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒との反応により腐食、劣化しないものであれば特に限定されることはないが、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、及びフラーレン粒子が使用できる。 Catalyst-supported carbon particles, in which a catalytic substance is supported on carbon particles, are commonly used as catalyst particles. Examples of catalytic substances include not only platinum, but also platinum group elements such as palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium, as well as metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, as well as alloys, oxides, and double oxides of these metals. There are no particular limitations on the type of carbon particles, as long as they are fine particles, electrically conductive, and do not corrode or deteriorate when reacted with the catalyst. Examples of usable carbon particles include carbon black, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes, and fullerene particles.

触媒層における、触媒粒子の含有量に対する高分子電解質の含有量の質量比は、0.2~2.5の範囲が好ましく、0.5~2.0が特に好ましい。触媒粒子の含有量に対する高分子電解質の含有量の質量比が上記好ましい範囲の場合、触媒層が割れ難い一方、ガス拡散性が損なわれることなく、発電性能に優れる。 The mass ratio of the polymer electrolyte content to the catalyst particle content in the catalyst layer is preferably in the range of 0.2 to 2.5, and particularly preferably 0.5 to 2.0. When the mass ratio of the polymer electrolyte content to the catalyst particle content is in the above preferred range, the catalyst layer is less likely to crack, while gas diffusion properties are not impaired, resulting in excellent power generation performance.

触媒層の厚みは、好ましくは0.03μm~2,000μmである。良好な発電性能および耐久性を得やすくするには、触媒層の厚みが0.5μm以上であることがより好ましく、1~30μmであることが特に好ましい。 The thickness of the catalyst layer is preferably 0.03 μm to 2,000 μm. To facilitate good power generation performance and durability, a catalyst layer thickness of 0.5 μm or more is more preferable, and a thickness of 1 to 30 μm is particularly preferable.

[触媒層付電解質膜の製造方法]
本発明の触媒層付電解質膜(Catalyst Coated Membrane:CCM)は、本発明の電解質膜の両面に触媒層が形成されてなる。触媒層を形成する方法は特に限定されるものではないが、工程が簡便であることやプロセスコストを抑制できることから、触媒層インクを塗布して乾燥する方法や、予めデカール基材上に触媒層が形成されてなる触媒層デカールを用いて触媒層を転写した後に乾燥する方法が好ましい。
[Method of manufacturing a catalyst-layered electrolyte membrane]
The catalyst coated electrolyte membrane (CCM) of the present invention comprises an electrolyte membrane of the present invention and a catalyst layer formed on both sides thereof. The method for forming the catalyst layer is not particularly limited, but a method of applying a catalyst layer ink and drying it, or a method of transferring a catalyst layer using a catalyst layer decal in which the catalyst layer has been formed in advance on a decal base material and then drying it is preferred, as these methods are simple and can reduce process costs.

触媒層インクを塗布する方法の場合、塗布方法は、目的の形状に塗工できる方法であれば特に限定されることはなく、前述の高分子電解質溶液の塗布工程で述べた方法を用いることができる。 When applying catalyst layer ink, there are no particular limitations on the application method as long as it can be applied in the desired shape, and the methods described above for the application process of the polymer electrolyte solution can be used.

触媒層インクに含まれる溶媒は、高分子電解質および触媒担持炭素粒子を分散する溶媒であれば特に限定されることはないが、加熱により蒸発させて除去しやすい溶媒が好ましい。例えば、沸点が140℃以下の溶媒であることが好ましい。触媒層インクの溶媒としては、具体的には、水、メタノール、エタノール、プロパノ―ル、ブタノ-ル、ペンタノ-ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、ヘキサノン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ノルマルプロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどのエステル類、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N-メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1-メトキシ-2-プロパノールなどを一種または二種以上混合したものを用いることができる。 The solvent contained in the catalyst layer ink is not particularly limited as long as it disperses the polymer electrolyte and catalyst-supported carbon particles, but a solvent that is easily removed by evaporation when heated is preferred. For example, a solvent with a boiling point of 140°C or less is preferred. Specific examples of solvents that can be used for the catalyst layer ink include water; alcohols such as methanol, ethanol, propanol, butanol, and pentanol; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, hexanone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonylacetone, and diisobutyl ketone; ethers such as tetrahydrofuran, dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, and dibutyl ether; esters such as methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, methyl lactate, ethyl lactate, and butyl lactate; and mixtures of two or more of the following: dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol, diethylene glycol, diacetone alcohol, and 1-methoxy-2-propanol.

触媒層デカールを用いて転写する方法の場合、まず、基材上に触媒層インクを塗布し、必要に応じて乾燥工程を経ることで触媒層デカールを作製する。そして、電解質膜をカソード電極側の触媒層デカールと、アノード電極側の触媒層デカールで挟み、両デカールの触媒層が設けられた面と電解質膜とが接するようにしてホットプレスすることで、触媒層付電解質膜を得ることができる。ホットプレスの温度や圧力は、電解質膜の厚さ、水分率、触媒層やデカール基材により適宜選択すればよいが、工業的生産性や電解質膜材料の熱分解抑制などの観点から0℃~250℃の範囲で行うことが好ましく、触媒層に含有される高分子電解質のガラス転移温度より大きく、なおかつ200℃以下で行うことがより好ましい。ホットプレスにおける加圧は、電解質膜や電極保護の観点からできる限り弱い方が好ましく、平板プレスの場合、10MPa以下の圧力が好ましい。 In the transfer method using a catalyst layer decal, a catalyst layer decal is first prepared by applying catalyst layer ink to a substrate and, if necessary, drying the decal. The electrolyte membrane is then sandwiched between the catalyst layer decal on the cathode electrode side and the catalyst layer decal on the anode electrode side, and hot-pressed so that the catalyst layer surfaces of both decals are in contact with the electrolyte membrane, resulting in a catalyst-layered electrolyte membrane. The hot-pressing temperature and pressure can be selected appropriately based on the thickness and moisture content of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the decal substrate. From the perspectives of industrial productivity and suppressing thermal decomposition of the electrolyte membrane material, hot-pressing is preferably performed at a temperature between 0°C and 250°C, and more preferably above the glass transition temperature of the polymer electrolyte contained in the catalyst layer but below 200°C. The pressure applied during hot-pressing should be as low as possible to protect the electrolyte membrane and electrodes. In the case of flat-plate pressing, a pressure of 10 MPa or less is preferred.

触媒層インク塗布時に使用するデカール基材としては、電解質膜製膜時に使用する基材と同様の樹脂フィルムや基板が使用できるほか、PTFE、ポリヘキサフルオロプロピレン、ETFE、エチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、FEP、PFA、PVdF等のフッ素樹脂を用いることができる。耐熱性、耐溶剤性に加えて、化学的安定性や離型性の点から、フッ素樹脂フィルムを用いることが好ましい。 The decal substrate used when applying the catalyst layer ink can be a resin film or substrate similar to the substrate used when forming the electrolyte membrane, or a fluororesin such as PTFE, polyhexafluoropropylene, ETFE, ethylene-hexafluoropropylene copolymer, FEP, PFA, or PVdF. It is preferable to use a fluororesin film because of its heat resistance, solvent resistance, chemical stability, and releasability.

触媒層の乾燥は、前述の高分子電解質溶液の乾燥で述べた方法と同様の方法を用いることができる。 The catalyst layer can be dried using the same method as described above for drying the polymer electrolyte solution.

[用途]
本発明の電解質膜は、種々の用途に適用可能である。例えば、人工皮膚などの医療用途、ろ過用途、耐塩素性逆浸透膜などのイオン交換樹脂用途、各種構造材用途、電気化学用途、加湿膜、防曇膜、帯電防止膜、脱酸素膜、太陽電池用膜、ガスバリアー膜に適用可能である。中でも種々の電気化学用途により好ましく利用できる。電気化学用途としては、例えば、固体高分子形燃料電池、レドックスフロー電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置、電気化学式水素ポンプ、水電解式水素発生装置が挙げられる。
[Application]
The electrolyte membrane of the present invention can be used in a variety of applications. For example, it can be used in medical applications such as artificial skin, filtration applications, ion exchange resin applications such as chlorine-resistant reverse osmosis membranes, various structural materials, electrochemical applications, humidifying membranes, anti-fogging membranes, antistatic membranes, oxygen-removing membranes, solar cell membranes, and gas barrier membranes. Among these, it is particularly suitable for various electrochemical applications. Examples of electrochemical applications include solid polymer fuel cells, redox flow batteries, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices, electrochemical hydrogen pumps, and water electrolysis hydrogen generation devices.

固体高分子形燃料電池、電気化学式水素ポンプ、および水電解式水素発生装置において、電解質膜は、両面に触媒層、電極基材及びセパレータが順次積層された状態で使用される。特に、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散基材を順次積層させたもの(即ち、ガス拡散基材/触媒層/電解質膜/触媒層/ガス拡散基材の層構成のもの)は、膜電極複合体(MEA)と称されている。本発明の電解質膜は、前記CCMおよびMEAを構成する電解質膜として好適に用いられる。 In solid polymer fuel cells, electrochemical hydrogen pumps, and water electrolysis hydrogen generators, electrolyte membranes are used with catalyst layers, electrode substrates, and separators laminated in that order on both sides. In particular, an electrolyte membrane with catalyst layers and gas diffusion substrates laminated in that order on both sides (i.e., a membrane electrode assembly with a layer structure of gas diffusion substrate/catalyst layer/electrolyte membrane/catalyst layer/gas diffusion substrate) is called a membrane electrode assembly (MEA). The electrolyte membrane of the present invention is suitable for use as the electrolyte membrane that constitutes the CCM and MEA.

本発明の膜電極複合体、および本発明の固体高分子形燃料電池は、本発明の電解質膜を用いてなる。 The membrane electrode assembly of the present invention and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention use the electrolyte membrane of the present invention.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、各種測定条件は次の通りである。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these. The various measurement conditions are as follows:

(1)ポリマーの分子量
ポリマー溶液の数平均分子量及び重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー(株)製HLC-8022GPCを用いた。また、GPCカラムとして東ソー(株)製TSK gel SuperHM-H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用いた。N-メチル-2-ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN-メチル-2-ピロリドン溶媒)にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により数平均分子量及び重量平均分子量を求めた。
(1) Molecular Weight of Polymer The number average molecular weight and weight average molecular weight of the polymer solution were measured by GPC. An HLC-8022 GPC manufactured by Tosoh Corporation was used as an integrated device combining an ultraviolet detector and a differential refractometer. Two TSK gel Super HM-H GPC columns (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) manufactured by Tosoh Corporation were used. Measurements were performed in N-methyl-2-pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol/L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL/min, and the number average molecular weight and weight average molecular weight were calculated in terms of standard polystyrene.

(2)イオン交換容量(IEC)
中和滴定法により測定した。測定は3回実施し、その平均値を取った。
(2) Ion exchange capacity (IEC)
Measurement was carried out by neutralization titration. The measurement was carried out three times and the average value was taken.

プロトン置換し、純水で十分に洗浄した電解質膜の膜表面の水分を拭き取った後、100℃にて12時間以上真空乾燥し、乾燥重量を求めた。 After proton exchange and thorough washing with pure water, the electrolyte membrane was wiped to remove moisture from its surface, and then vacuum dried at 100°C for at least 12 hours, after which the dry weight was determined.

電解質膜に5質量%硫酸ナトリウム水溶液を50mL加え、12時間静置してイオン交換した。 50 mL of a 5% by mass aqueous solution of sodium sulfate was added to the electrolyte membrane and left to stand for 12 hours to allow for ion exchange.

0.01mol/L水酸化ナトリウム水溶液を用いて、生じた硫酸を滴定した。指示薬として市販の滴定用フェノールフタレイン溶液0.1w/v%を加え、薄い赤紫色になった点を終点とした。 The resulting sulfuric acid was titrated using 0.01 mol/L aqueous sodium hydroxide solution. 0.1 w/v% commercially available phenolphthalein solution for titration was added as an indicator, and the point at which the color turned pale reddish-purple was defined as the endpoint.

イオン交換容量(IEC)は下記式により求めた。 The ion exchange capacity (IEC) was calculated using the following formula:

IEC(meq/g)=〔水酸化ナトリウム水溶液の濃度(mmol/mL)×滴下量(mL)〕/試料の乾燥重量(g)
(3)電解質膜の断面SEM測定
下記条件に従い、断面SEM測定を行った。得られた画像から中央の白色領域を複合層、両隣の黒色領域を高分子電解質層としその厚みを測定した。
IEC (meq/g) = [concentration of aqueous sodium hydroxide solution (mmol/mL) × amount dropped (mL)] / dry weight of sample (g)
(3) Cross-sectional SEM Measurement of Electrolyte Membrane Cross-sectional SEM measurement was performed under the following conditions: From the obtained image, the central white area was regarded as the composite layer, and the adjacent black areas were regarded as the polymer electrolyte layers, and their thicknesses were measured.

装置:電界放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM)S-4800((株)日立ハイテクノロジーズ製)
加速電圧:2.0kV
前処理:BIB法にて作製した断面試料にPtコートして測定した。
Apparatus: Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) S-4800 (Hitachi High-Technologies Corporation)
Acceleration voltage: 2.0 kV
Pretreatment: A cross-sectional sample prepared by the BIB method was coated with Pt and then measured.

BIB法:アルゴンイオンビームを使用した断面試料作製装置。 BIB method: A cross-sectional sample preparation device using an argon ion beam.

試料直上に遮蔽板を置き、その上からアルゴンのブロードイオンビームを照射してエッチングを行うことで観察面・分析面(断面)を作製する。 A shielding plate is placed directly above the sample, and a broad argon ion beam is irradiated from above to etch the sample, creating an observation and analysis surface (cross section).

(4)複合層における高分子電解質の充填率(複合層の充填率)
前記(3)項に従いSEMを用いて電解質膜の断面を観察し、高分子電解質と多孔質基材からなる複合層の厚みT1、複合層の外側に高分子電解質層がある場合はそれらの厚みT2、T3を各々算出した(なお、片面にしか単独層が存在しない場合は、T2をその厚みとし、T3の厚みは0とする)。複合層を形成する高分子電解質の比重をD1、高分子電解質層を形成する高分子電解質の比重をそれぞれのD2、D3(なお、D2は厚みT2を与える単独層の、D3は厚みT3を与える単独層の比重である)、電解質膜の比重をDとした。それぞれの層を形成するポリマーのIECをI1、I2、I3(なお、I1は複合層の、I2は厚みT2を与える単独層の、I3は厚みT3を与える単独層のIECである)、電解質膜のIECをIとして、複合層中の高分子電解質の充填率Y2(体積%)は下式で求めた。
(4) Filling rate of polymer electrolyte in composite layer (filling rate of composite layer)
According to the above (3), the cross section of the electrolyte membrane was observed using an SEM, and the thickness T1 of the composite layer consisting of the polymer electrolyte and the porous substrate, and if there was a polymer electrolyte layer on the outside of the composite layer, their thicknesses T2 and T3 were calculated (if a single layer exists on only one side, T2 is its thickness and T3 is 0). The specific gravity of the polymer electrolyte forming the composite layer was D1, the specific gravity of the polymer electrolyte forming the polymer electrolyte layer was D2 and D3 (D2 is the specific gravity of the single layer that gives the thickness T2, and D3 is the specific gravity of the single layer that gives the thickness T3), and the specific gravity of the electrolyte membrane was D. The IEC of the polymers forming each layer was I1, I2, and I3 (I1 is the IEC of the composite layer, I2 is the IEC of the single layer that gives the thickness T2, and I3 is the IEC of the single layer that gives the thickness T3), and the IEC of the electrolyte membrane was I. The filling rate Y2 (volume%) of the polymer electrolyte in the composite layer was calculated using the following formula.

Y2=[(T1+T2+T3)×D×I-(T2×D2×I2+T3×D3×I3)]/(T1×D1×I1)×100 。 Y2=[(T1+T2+T3)×D×I−(T2×D2×I2+T3×D3×I3)]/(T1×D1×I1)×100.

(5)透過型電子顕微鏡(TEM)トモグラフィーによる相分離構造の観察
染色剤として2質量%酢酸鉛水溶液中に電解質膜の試料片を浸漬させ、25℃下で48時間静置して染色処理を行った。染色処理された試料を取りだし、エポキシ樹脂で包埋し、可視光を30秒照射し固定した。ウルトラミクロトームを用いて室温下で薄片100nmを切削し、以下の条件に従って観察を実施した。
(5) Observation of phase separation structure by transmission electron microscope (TEM) tomography A sample piece of the electrolyte membrane was immersed in a 2% by mass aqueous solution of lead acetate as a staining agent and left to stand at 25°C for 48 hours for staining treatment. The stained sample was removed, embedded in epoxy resin, and fixed by irradiating with visible light for 30 seconds. A 100 nm thin section was cut using an ultramicrotome at room temperature and observed under the following conditions.

装 置:電界放出型電子顕微鏡 (HRTEM) 日本電子(株)製 JEM2100F
画像取得:Digital Micrograph
システム:マーカー法
加速電圧 :200 kV
撮影倍率 :30,000 倍
傾斜角度 :+61°~-62°
再構成解像度:0.71 nm/pixel
3次元再構成処理は、マーカー法を適用した。3次元再構成を実施する際の位置合わせマーカーとして、コロジオン膜上に付与した金コロイド粒子を用いた。マーカーを基準として、+61°から-62°の範囲で、試料を1°毎に傾斜しTEM像を撮影する連続傾斜像シリーズより取得した計124枚のTEM像を基にCT再構成処理を実施し、3次元相分離構造を観察した。
Equipment: Field emission electron microscope (HRTEM) JEOL Ltd. JEM2100F
Image acquisition: Digital Micrograph
System: Marker method Accelerating voltage: 200 kV
Magnification: 30,000x Tilt angle: +61° to -62°
Reconstruction resolution: 0.71 nm/pixel
The marker method was used for the 3D reconstruction process. Gold colloid particles attached to a collodion film were used as alignment markers for the 3D reconstruction. A total of 124 TEM images were acquired from a series of tilted images, in which the sample was tilted in 1° increments from +61° to -62° relative to the markers, and the 3D phase-separated structure was observed.

(6)熱水試験による寸法変化率(λxy)測定
電解質膜を約5cm×約5cmの正方形に切り取り、温度23℃±5℃、湿度50±5%RHの調温調湿雰囲気下に24時間静置後、ノギスでMDの長さとTDの長さ(それぞれ、MD1、TD1)を測定した。該電解質膜を80℃の熱水中に8時間浸漬後、再度ノギスでMDの長さとTDの長さ(それぞれ、MD2、TD2)を測定し、面方向におけるMDとTDの寸法変化率(λMDとλTD)および面方向の寸法変化率(λxy)(%)を下式より算出した。
(6) Measurement of dimensional change rate (λ xy ) by hot water test An electrolyte membrane was cut into a square of approximately 5 cm x approximately 5 cm, and left to stand for 24 hours in a temperature- and humidity-controlled atmosphere at a temperature of 23°C ± 5°C and a humidity of 50 ± 5% RH. The MD length and TD length (MD1, TD1, respectively) were measured with a vernier caliper. The electrolyte membrane was immersed in hot water at 80°C for 8 hours, and the MD length and TD length (MD2, TD2, respectively) were measured again with a vernier caliper. The dimensional change rates of the MD and TD in the in-plane direction (λ MD and λ TD ) and the dimensional change rate in the in-plane direction (λ xy ) (%) were calculated using the following formula.

λMD=(MD2-MD1)/MD1×100
λTD=(TD2-TD1)/TD1×100
λxy=(λMD+λTD)/2 。
λ MD = (MD2-MD1)/MD1×100
λ TD = (TD2-TD1)/TD1×100
λ xy = (λ MD + λ TD )/2.

(7)プロトン伝導度
電解質膜を25℃の純水に24時間浸漬した後、80℃、相対湿度25%RHの恒温恒湿槽中に30分保持し、定電位交流インピーダンス法でプロトン伝導度を測定した。測定装置としては、Solartron社製電気化学測定システム(Solartron 1287 Electrochemical InterfaceおよびSolartron 1255B Frequency Response Analyzer)を使用し、2端子法で定電位インピーダンス測定を行い、プロトン伝導度を求めた。交流振幅は、50mVとした。サンプルは幅10mm、長さ50mmの膜を用いた。測定治具はフェノール樹脂で作製し、測定部分は開放させた。電極として、白金板(厚さ100μm、2枚)を使用した。電極は電極間距離10mm、サンプル膜の表側と裏側に、互いに平行にかつサンプル膜の長手方向に対して直交するように配置した。
(7) Proton Conductivity The electrolyte membrane was immersed in pure water at 25°C for 24 hours, then held in a thermo-hygrostat at 80°C and 25% RH for 30 minutes, and the proton conductivity was measured by a constant-potential AC impedance method. A Solartron electrochemical measurement system (Solartron 1287 Electrochemical Interface and Solartron 1255B Frequency Response Analyzer) was used as the measurement device, and constant-potential impedance measurements were performed using the two-terminal method to determine the proton conductivity. The AC amplitude was 50 mV. A membrane measuring 10 mm in width and 50 mm in length was used as the sample. The measurement jig was made of phenolic resin, and the measurement area was left open. Platinum plates (100 μm thick, two sheets) were used as electrodes. The electrodes were arranged at an inter-electrode distance of 10 mm on the front and back sides of the sample membrane, parallel to each other and perpendicular to the longitudinal direction of the sample membrane.

(8)電解質膜を使用した膜電極複合体(MEA)の作製
田中貴金属工業(株)製白金触媒担持炭素粒子TEC10E50E(白金担持率50質量%)と、ケマーズ(Chemours)(株)製“ナフィオン”(登録商標)(“Nafion”(登録商標))を2:1の質量比となるように調整した触媒インクを、市販のポリテトラフルオロエチレン製フィルムに白金量が0.3mg/cmとなるように塗布し、触媒デカールを作製した。
(8) Preparation of Membrane Electrode Assembly (MEA) Using Electrolyte Membrane A catalyst ink prepared by mixing platinum catalyst-supported carbon particles TEC10E50E (platinum support rate: 50 mass%) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. and "Nafion" (registered trademark) manufactured by Chemours Corporation in a mass ratio of 2:1 was applied to a commercially available polytetrafluoroethylene film so that the platinum amount was 0.3 mg/ cm2 , to prepare a catalyst decal.

上記触媒デカールを5cm角にカットしたものを2枚準備し、電解質膜を挟むように対向して重ね合わせ、150℃、5MPaで3分間加熱プレスを行い、触媒層付電解質膜を得た。市販のSGL社製ガス拡散電極24BCHを5cm角にカットし得られた触媒層付電解質膜を挟持することにより、一方の面をカソード極、もう一方の面をアノード極としてMEAを作製した。 Two of the above catalyst decals were cut into 5 cm squares and stacked facing each other with the electrolyte membrane sandwiched between them. They were then hot-pressed at 150°C and 5 MPa for 3 minutes to obtain a catalyst-coated electrolyte membrane. A commercially available gas diffusion electrode 24BCH manufactured by SGL was cut into a 5 cm square and sandwiched between the resulting catalyst-coated electrolyte membrane to produce an MEA, with one side serving as the cathode and the other as the anode.

(9)乾湿サイクル耐久性
前記(8)で作製したMEAを英和(株)製JARI標準セル“Ex-1”(電極面積25cm)にセットし、セル温度80℃の状態で、両極に160%RHの窒素を2分間供給し、その後両電極に0%RHの窒素(露点-20℃以下)を2分間供給するサイクルを繰り返した。1,000サイクルごとに水素透過量の測定を実施し、水素透過電流が初期電流の10倍を越えた時点を乾湿サイクル耐久性とした。
(9) Wet-dry cycle durability The MEA prepared in (8) above was set in a JARI standard cell "Ex-1" (electrode area 25 cm 2 ) manufactured by Eiwa Co., Ltd., and a cycle was repeated in which nitrogen at 160% RH was supplied to both electrodes for 2 minutes at a cell temperature of 80°C, and then nitrogen at 0% RH (dew point -20°C or lower) was supplied to both electrodes for 2 minutes. The amount of hydrogen permeation was measured every 1,000 cycles, and the point at which the hydrogen permeation current exceeded 10 times the initial current was taken as the wet-dry cycle durability.

水素透過量の測定は、一方の電極に燃料ガスとして水素、もう一方の電極に窒素を供給し、加湿条件:水素ガス90%RH、窒素ガス:90%RHで試験を行った。開回路電圧が0.2V以下になるまで保持し、0.2~0.7Vまで1mV/secで電圧を掃引し0.7Vにおける電流値を水素透過電流とした。 To measure hydrogen permeation, hydrogen was supplied as fuel gas to one electrode and nitrogen to the other, and the test was conducted under humidification conditions: hydrogen gas 90% RH, nitrogen gas 90% RH. The open circuit voltage was maintained at 0.2 V or less, and the voltage was swept from 0.2 to 0.7 V at 1 mV/sec, and the current value at 0.7 V was taken as the hydrogen permeation current.

(10)多孔質基材に含まれるフッ素原子含有量測定
以下の条件に従い、多孔質基材試料を秤量し分析装置の燃焼管内で燃焼させ、発生したガスを溶液に吸収後、吸収液の一部をイオンクロマトグラフィーにより分析した。
<燃焼・吸収条件>
システム:AQF-2100H、GA-210(三菱ケミカル(株)製)
電気炉温度:Inlet 900℃、Outlet 1000℃
ガス:Ar/O 200mL/min、O 400mL/min
吸収液:H 0.1%、内標Br 8μg/mL
吸収液量:20mL
<イオンクロマトグラフィー・アニオン分析条件>
システム:ICS1600(DIONEX社製)
移動相:2.7mmol/L NaCO/0.3mmol/L NaHCO
流速:1.50mL/min
検出器:電気伝導度検出器
注入量:20μL 。
(10) Measurement of fluorine atom content contained in porous substrate According to the following conditions, a porous substrate sample was weighed and burned in a combustion tube of an analyzer, and the generated gas was absorbed into a solution, and then a portion of the absorbed solution was analyzed by ion chromatography.
<Combustion and absorption conditions>
System: AQF-2100H, GA-210 (Mitsubishi Chemical Corporation)
Electric furnace temperature: Inlet 900℃, Outlet 1000℃
Gas: Ar/O 2 200 mL/min, O 2 400 mL/min
Absorption solution: H 2 O 2 0.1%, internal standard Br 8 μg/mL
Amount of absorbed liquid: 20 mL
<Ion chromatography/anion analysis conditions>
System: ICS1600 (DIONEX)
Mobile phase: 2.7 mmol/L Na 2 CO 3 /0.3 mmol/L NaHCO 3
Flow rate: 1.50mL/min
Detector: electrical conductivity detector Injection volume: 20 μL.

(11)界面活性剤の化学構造分析
赤外線分光(IR)分析、H核磁気共鳴(NMR)分析、19F-NMR分析、マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析(MALDI-MS)、熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析(GC/MS)を行い、各種界面活性剤の化学構造を分析し、フッ素原子及び親水性元素の含有量(酸素、窒素、リン、硫黄およびホウ素の合計)を算出した。
(11) Chemical Structure Analysis of Surfactants The chemical structures of various surfactants were analyzed by infrared spectroscopy (IR), 1H nuclear magnetic resonance (NMR), 19F -NMR, matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS), and pyrolysis gas chromatography mass spectrometry (GC/MS), and the contents of fluorine atoms and hydrophilic elements (total of oxygen, nitrogen, phosphorus, sulfur, and boron) were calculated.

(12)界面活性剤の重量平均分子量測定
下記条件に従い、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)分析により界面活性剤の重量平均分子量を測定した。
(12) Measurement of Weight-Average Molecular Weight of Surfactant The weight-average molecular weight of the surfactant was measured by gel permeation chromatography (GPC) analysis under the following conditions.

装置:ゲル浸透クロマトグラフGPC(機器No.GPC-27)
検出器:紫外可視吸収分光検出器UV((株)島津製作所製SPD-20AV)
カラム:TSKgel Super HZM-N 2本
SuperHZ4000、2500、1000各1本
溶媒:テトラヒドロフラン(THF)
流速:0.45mL/min
カラム温度:40℃
注入量:0.02mL
標準試料:東ソー(株)製およびAgilent単分散ポリエチレングリコール(PEG)
データ処理:(株)東レリサーチセンター製GPCデータ処理システム
(13)電解質膜に含まれる界面活性剤量
以下の条件に従い、電解質膜を秤量し分析装置の燃焼管内で燃焼させ、発生したガスを溶液に吸収後、吸収液の一部をイオンクロマトグラフィーにより分析した。本分析値から予め測定しておいた界面活性剤を含まない高分子電解質の寄与および(10)により予め測定しておいた多孔質基材の寄与を除外することにより、界面活性剤の寄与を算出し、界面活性剤に含まれるフッ素原子量から複合電解質膜に含まれる界面活性剤量を算出して、複合膜中に含まれる高分子電解質に対する界面活性剤の比(界面活性剤/高分子電解質)を求めた。
Apparatus: Gel permeation chromatography GPC (instrument No. GPC-27)
Detector: UV-visible absorption spectroscopic detector UV (Shimadzu Corporation SPD-20AV)
Column: TSKgel Super HZM-N (2 columns), Super HZ4000, 2500, 1000 (1 column each) Solvent: Tetrahydrofuran (THF)
Flow rate: 0.45mL/min
Column temperature: 40°C
Injection volume: 0.02mL
Standard samples: Tosoh Corporation and Agilent monodisperse polyethylene glycol (PEG)
Data processing: GPC data processing system manufactured by Toray Research Center, Inc. (13) Amount of surfactant contained in electrolyte membrane According to the following conditions, the electrolyte membrane was weighed and burned in the combustion tube of the analyzer, the generated gas was absorbed in a solution, and a portion of the absorbed solution was analyzed by ion chromatography. The contribution of the surfactant was calculated by excluding the contribution of the surfactant-free polymer electrolyte measured in advance from this analysis value and the contribution of the porous substrate measured in advance by (10). The amount of surfactant contained in the composite electrolyte membrane was calculated from the amount of fluorine atoms contained in the surfactant, and the ratio of surfactant to polymer electrolyte contained in the composite membrane (surfactant/polymer electrolyte) was determined.

<燃焼・吸収条件>
システム:AQF-2100H、GA-210(三菱ケミカル(株)製)
電気炉温度:Inlet 900℃、Outlet 1000℃
ガス:Ar/O 200mL/min、O 400mL/min
吸収液:H 0.1%、内標Br 8μg/mL
吸収液量:20mL
<イオンクロマトグラフィー・アニオン分析条件>
システム:ICS1600(DIONEX社製)
移動相:2.7mmol/L NaCO/0.3mmol/L NaHCO
流速:1.50mL/min
検出器:電気伝導度検出器
注入量:20μL 。
<Combustion and absorption conditions>
System: AQF-2100H, GA-210 (Mitsubishi Chemical Corporation)
Electric furnace temperature: Inlet 900℃, Outlet 1000℃
Gas: Ar/O 2 200 mL/min, O 2 400 mL/min
Absorption solution: H 2 O 2 0.1%, internal standard Br 8 μg/mL
Amount of absorbed liquid: 20 mL
<Ion chromatography/anion analysis conditions>
System: ICS1600 (DIONEX)
Mobile phase: 2.7 mmol/L Na 2 CO 3 /0.3 mmol/L NaHCO 3
Flow rate: 1.50mL/min
Detector: electrical conductivity detector Injection volume: 20 μL.

(14)XPSによる多孔質基材の酸素含有量測定
予め5mm角の大きさに切断した多孔質基材を超純水でリンスし、室温、67Paにて10時間乾燥させた後、液体窒素で30分冷却し、凍結粉砕機にて5分間の処理を2回実施することにより、サンプルを準備した。準備したサンプルの組成を測定し、酸素原子含有量を算出した。測定装置、条件としては、以下の通りである。
(14) Measurement of oxygen content of porous substrate by XPS A porous substrate previously cut into a size of 5 mm square was rinsed with ultrapure water, dried at room temperature and 67 Pa for 10 hours, cooled with liquid nitrogen for 30 minutes, and treated twice in a freeze-pulverizer for 5 minutes to prepare a sample. The composition of the prepared sample was measured, and the oxygen atom content was calculated. The measurement device and conditions were as follows.

測定装置:Quantera SXM
励起X線:monochromatic Al Kα,Kα線(1,486.6eV)
X線径:200μm
光電子脱出角度:45° 。
Measuring device: Quantera SXM
Excitation X-ray: monochromatic Al Kα 1 , Kα 2 ray (1,486.6 eV)
X-ray diameter: 200 μm
Photoelectron escape angle: 45°.

(15)多孔質基材のSEM観察
検体となる多孔質基材を2mm×2mmのサイズに切り出し、白金イオンスパッタ後、SEM観察を実施し、多孔質基材の面方向における形態を観察した。多孔質基材に含まれるバンドル及びフィブリルの配向は、任意の15μm×15μmの範囲において、SEM観察を行った際の構造に基づき決定した。バンドルの平均長さと平均直径及びフィブリルの平均直径は、任意の15μm×15μmの範囲において、バンドルの長さと直径及びフィブリルの直径を100点測定し、平均値を計算することにより算出した。イオンスパッタ及びSEM観察は以下の装置・条件にて実施した。
<イオンスパッタ>
スパッタ装置:イオンスパッタ E-1045((株)日立ハイテクノロジーズ製)
金属種:Pt
イオン放出電流:15mA
スパッタ時間:60秒
<SEM観察>
測定装置:走査電子顕微鏡 S-5500((株)日立ハイテクノロジーズ製)
加速電圧:5kV
観察倍率:2,000~20,000倍 。
(15) SEM Observation of Porous Substrate The porous substrate to be used as a specimen was cut into a size of 2 mm x 2 mm, and after platinum ion sputtering, SEM observation was performed to observe the morphology of the porous substrate in the plane direction. The orientation of the bundles and fibrils contained in the porous substrate was determined based on the structure observed during SEM observation in an arbitrary 15 μm x 15 μm range. The average length and average diameter of the bundles and the average diameter of the fibrils were calculated by measuring the length and diameter of the bundles and the diameter of the fibrils at 100 points in an arbitrary 15 μm x 15 μm range and calculating the average value. Ion sputtering and SEM observation were performed using the following equipment and conditions.
<Ion sputtering>
Sputtering device: Ion sputter E-1045 (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation)
Metal type: Pt
Ion emission current: 15mA
Sputtering time: 60 seconds <SEM observation>
Measuring device: Scanning electron microscope S-5500 (Hitachi High-Technologies Corporation)
Acceleration voltage: 5 kV
Observation magnification: 2,000 to 20,000 times.

(16)電解質膜のデジタルマイクロスコープ観察
検体となる電解質膜を10cm×10cmのサイズに切り出し、高分子電解質の層が設けられた側の表面からデジタルマイクロスコープ観察を実施し、光反射像を撮影することにより多孔質基材に由来する筋状構造体を観察した。高分子電解質に由来する色の薄い部分と多孔質基材に由来する色の濃い部分とが観察された像において、色が変わる境界箇所を高分子電解質と多孔質基材との境界として多孔質基材に由来する部分の幅を計測した。幅0.5μm以上である筋状構造の1mm当たりにおける本数は、任意の120μm×150μmの範囲において、幅0.5μm以上である筋状構造の本数を計測し1mm当たりの本数に換算することにより算出した。位置により幅が異なる筋状構造においては任意の5箇所における幅を計測し、算術平均を求めることにより各筋状構造の幅とした。筋状構造の配向は、任意の120μm×150μmの範囲において、デジタルマイクロスコープ観察を行った際の構造に基づき決定した。筋状構造の平均長さ及び平均幅(直径)は、任意の120μm×150μmの範囲において、それぞれ100点測定し算術平均を求めることにより算出した。デジタルマイクロスコープ観察は以下の装置・条件にて実施した。
測定装置:KH-1300((株)ハイロックス製)
使用レンズ:MXG-2500REZ High-Range((株)ハイロックス製)
観察倍率:2000倍
(17)電解質膜のヘイズ値及び拡散透過率の測定
検体となる電解質膜を5cm×5cmのサイズに切り出し、ヘーズメーター HGM-20P(スガ試験機(株)製)を用いて、高分子電解質の層が設けられた側の面からC光源の光を照射し、検出器側は積分球を用いて全光線透過率(Tt)(%)と拡散透過率(Td)(%)を測定した。ヘイズ値Hzを下式より算出した。なお、全光線透過率は入射光の光量に対する積分球に補足された全ての光の光量の割合として知られ、拡散透過率は入射光の光量に対する積分球に補足された拡散光(入射光に平行な透過光以外の透過光)の光量の割合として知られる。
Hz=Td/Tt×100(%)
[合成例1]
(下記化学式(G1)で表される2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン(K-DHBP)の合成)
攪拌器、温度計及び留出管を備えた500mLフラスコに、4,4’-ジヒドロキシベンゾフェノン49.5g、エチレングリコール134g、オルトギ酸トリメチル96.9g及びp-トルエンスルホン酸一水和物0.50gを仕込み溶解した。その後78~82℃で2時間保温攪拌した。更に、内温を120℃まで徐々に昇温、ギ酸メチル、メタノール、オルトギ酸トリメチルの留出が完全に止まるまで加熱した。この反応液を室温まで冷却後、反応液を酢酸エチルで希釈し、有機層を5%炭酸カリウム水溶液100mlで洗浄し分液後、溶媒を留去した。残留物にジクロロメタン80mlを加え結晶を析出させ、濾過し、乾燥して下記化学式(G1)で示される2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン52.0gを得た。この結晶をGC分析したところ99.9%の2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソランと0.1%の4,4’-ジヒドロキシベンゾフェノンであった。
(16) Digital Microscope Observation of Electrolyte Membrane The specimen electrolyte membrane was cut to a size of 10 cm x 10 cm, and digital microscope observation was performed from the surface on which the polymer electrolyte layer was provided. The light reflection image was taken to observe the streak-like structures derived from the porous substrate. In an image in which a light-colored portion derived from the polymer electrolyte and a dark-colored portion derived from the porous substrate were observed, the boundary where the color changed was used as the boundary between the polymer electrolyte and the porous substrate, and the width of the portion derived from the porous substrate was measured. The number of streak-like structures having a width of 0.5 μm or more per 1 mm 2 was calculated by counting the number of streak-like structures having a width of 0.5 μm or more in an arbitrary 120 μm x 150 μm range and converting it to the number per mm 2. For streak-like structures whose width varies depending on the position, the width was measured at any five positions, and the arithmetic average was calculated to determine the width of each streak-like structure. The orientation of the streak-like structure was determined based on the structure observed under a digital microscope in an arbitrary 120 μm x 150 μm range. The average length and average width (diameter) of the streaky structures were calculated by measuring 100 points each in an arbitrary 120 μm × 150 μm area and calculating the arithmetic mean. Digital microscope observation was performed using the following equipment and conditions.
Measuring device: KH-1300 (manufactured by Hirox Co., Ltd.)
Lens used: MXG-2500REZ High-Range (Hirox Co., Ltd.)
Observation magnification: 2000x (17) Measurement of Haze Value and Diffuse Transmittance of Electrolyte Membrane A sample electrolyte membrane was cut into a size of 5 cm x 5 cm, and a haze meter HGM-20P (manufactured by Suga Test Instruments Co., Ltd.) was used to measure the total luminous transmittance (Tt) (%) and diffuse transmittance (Td) (%) by irradiating the surface on which the polymer electrolyte layer was formed with light from a C light source and using an integrating sphere on the detector side. The haze value Hz was calculated using the following formula. The total luminous transmittance is known as the ratio of the amount of all light captured by the integrating sphere to the amount of incident light, and the diffuse transmittance is known as the ratio of the amount of diffused light (transmitted light other than transmitted light parallel to the incident light) captured by the integrating sphere to the amount of incident light.
Hz=Td/Tt×100(%)
[Synthesis Example 1]
(Synthesis of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane (K-DHBP) represented by the following chemical formula (G1))
A 500 mL flask equipped with a stirrer, thermometer, and distillation tube was charged with 49.5 g of 4,4'-dihydroxybenzophenone, 134 g of ethylene glycol, 96.9 g of trimethyl orthoformate, and 0.50 g of p-toluenesulfonic acid monohydrate, and dissolved. The mixture was then stirred and kept at 78-82°C for 2 hours. The internal temperature was gradually raised to 120°C, and the mixture was heated until the distillation of methyl formate, methanol, and trimethyl orthoformate completely stopped. After cooling the reaction mixture to room temperature, the reaction mixture was diluted with ethyl acetate, and the organic layer was washed with 100 mL of a 5% aqueous potassium carbonate solution and separated. The solvent was then distilled off. 80 mL of dichloromethane was added to the residue to precipitate crystals, which were then filtered and dried to obtain 52.0 g of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane represented by the following chemical formula (G1). GC analysis of the crystals revealed that they were 99.9% 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane and 0.1% 4,4'-dihydroxybenzophenone.

[合成例2]
(下記化学式(G2)で表されるジソジウム-3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノンの合成)
4,4’-ジフルオロベンゾフェノン109.1g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬)を発煙硫酸(50%SO)150mL(富士フイルム和光純薬(株)試薬)中、100℃で10時間反応させた。その後、多量の水中に少しずつ投入し、NaOHで中和した後、食塩(NaCl)200gを加え合成物を沈殿させた。得られた沈殿を濾別し、エタノール水溶液で再結晶し、下記化学式(G2)で示されるジソジウム-3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノンを得た。純度は99.3%であった。
[Synthesis Example 2]
(Synthesis of disodium-3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the following chemical formula (G2))
109.1 g of 4,4'-difluorobenzophenone (Sigma-Aldrich Japan (same) reagent) was reacted in 150 mL of fuming sulfuric acid (50% SO 3 ) (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. reagent) at 100°C for 10 hours. Thereafter, the mixture was poured little by little into a large amount of water, neutralized with NaOH, and then 200 g of table salt (NaCl) was added to precipitate a synthesized product. The resulting precipitate was filtered and recrystallized from an aqueous ethanol solution to obtain disodium-3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone represented by the following chemical formula (G2). The purity was 99.3%.

[合成例3]
(下記一般式(G3)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた1,000mL三口フラスコに、炭酸カリウム16.59g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、120mmol)、前記合成例1で得たK-DHBP25.8g(100mmol)および4,4’-ジフルオロベンゾフェノン20.3g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、93mmol)を入れた。窒素置換後、N-メチルピロリドン(NMP)300mLとトルエン100mLを加え、160℃で脱水後、昇温してトルエンを除去し、180℃で1時間重合を行った。多量のメタノールに再沈殿精製を行い、イオン性基を含有しないオリゴマー(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は10,000であった。
[Synthesis Example 3]
(Synthesis of oligomer a1 not containing an ionic group represented by the following general formula (G3))
A 1,000 mL three-neck flask equipped with a stirrer, nitrogen inlet tube, and Dean-Stark trap was charged with 16.59 g of potassium carbonate (Sigma-Aldrich Japan (same manufacturer) reagent, 120 mmol), 25.8 g (100 mmol) of K-DHBP obtained in Synthesis Example 1, and 20.3 g of 4,4'-difluorobenzophenone (Sigma-Aldrich Japan (same manufacturer) reagent, 93 mmol). After nitrogen substitution, 300 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 100 mL of toluene were added, and the mixture was dehydrated at 160°C. The temperature was then raised to remove the toluene, and polymerization was carried out at 180°C for 1 hour. Purification by reprecipitation into a large amount of methanol yielded an oligomer (terminal: hydroxyl group) containing no ionic groups. The number average molecular weight was 10,000.

かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム1.1g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、8mmol)、イオン性基を含有しない前記オリゴマー(末端:ヒドロキシル基)を20.0g(2mmol)を入れ、窒素置換後、NMP100mL及びトルエン30mLを加え、100℃で脱水後、昇温してトルエンを除去し、デカフルオロビフェニル4.0g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、12mmol)を加え、105℃で1時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記一般式(G3)で示されるイオン性基を含有しないオリゴマーa1(末端:フルオロ基)を得た。数平均分子量は11,000であった。 1.1 g of potassium carbonate (Sigma-Aldrich Japan (same) reagent, 8 mmol) and 20.0 g (2 mmol) of the above oligomer (terminal: hydroxyl group) without ionic groups were placed in a 500 mL three-neck flask equipped with a stirrer, nitrogen inlet tube, and Dean-Stark trap. After replacing the atmosphere with nitrogen, 100 mL of NMP and 30 mL of toluene were added. After dehydration at 100°C, the mixture was heated to remove the toluene, and 4.0 g of decafluorobiphenyl (Sigma-Aldrich Japan (same) reagent, 12 mmol) was added and reacted at 105°C for 1 hour. Purification was carried out by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain oligomer a1 (terminal: fluoro group) without ionic groups, represented by the following general formula (G3). The number average molecular weight was 11,000.

[合成例4]
(下記一般式(G4)で表されるイオン性基を含有するオリゴマーa2の合成)
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた1,000mL三口フラスコに、炭酸カリウム27.6g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、200mmol)、前記合成例1で得たK-DHBP12.9g(50mmol)および4,4’-ビフェノール9.3g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、50mmol)、前記合成例2で得たジソジウム-3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノン39.3g(93mmol)、および18-クラウン-6 17.9g(富士フイルム和光純薬(株)試薬82mmol)を入れ、窒素置換後、NMP300mL及びトルエン100mLを加え、170℃で脱水後、昇温してトルエンを除去し、180℃で1時間重合を行った。多量のイソプロピルアルコールで再沈殿することで精製を行い、下記一般式(G4)で示されるイオン性基を含有するオリゴマーa2(末端:ヒドロキシル基)を得た。数平均分子量は16,000であった。
[Synthesis Example 4]
(Synthesis of oligomer a2 containing an ionic group represented by the following general formula (G4))
A 1,000 mL three-neck flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap was charged with 27.6 g of potassium carbonate (Sigma-Aldrich Japan (same manufacturer) reagent, 200 mmol), 12.9 g (50 mmol) of K-DHBP and 9.3 g of 4,4'-biphenol (Sigma-Aldrich Japan (same manufacturer) reagent, 50 mmol) obtained in Synthesis Example 1, 39.3 g (93 mmol) of disodium-3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone obtained in Synthesis Example 2, and 17.9 g of 18-crown-6 (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. reagent, 82 mmol), and after nitrogen substitution, 300 mL of NMP and 100 mL of toluene were added. After dehydration at 170°C, the mixture was heated to remove toluene, and polymerization was carried out at 180°C for 1 hour. The resulting product was purified by reprecipitation with a large amount of isopropyl alcohol to obtain an ionic group-containing oligomer a2 (terminal: hydroxyl group) represented by the following general formula (G4). The number average molecular weight was 16,000.

(一般式(G4)において、Mは、H、NaまたはKを表す。)
[合成例5]
(下記化学式(G5)で表される3-(2,5-ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチルの合成)
攪拌機、冷却管を備えた3Lの三口フラスコに、クロロスルホン酸245g(2.1mol)を入れ、続いて2,5-ジクロロベンゾフェノン105g(420mmol)を加え、100℃のオイルバスで8時間反応させた。所定時間後、反応液を砕氷1,000gにゆっくりと注ぎ、酢酸エチルで抽出した。有機層を食塩水で洗浄、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、淡黄色の粗結晶3-(2,5-ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸クロリドを得た。粗結晶は精製せず、そのまま次工程に用いた。
(In general formula (G4), M represents H, Na, or K.)
[Synthesis Example 5]
(Synthesis of neopentyl 3-(2,5-dichlorobenzoyl)benzenesulfonate represented by the following chemical formula (G5))
245 g (2.1 mol) of chlorosulfonic acid was placed in a 3 L three-neck flask equipped with a stirrer and a condenser, followed by the addition of 105 g (420 mmol) of 2,5-dichlorobenzophenone, and the reaction was carried out for 8 hours in an oil bath at 100°C. After the prescribed time, the reaction solution was slowly poured into 1,000 g of crushed ice and extracted with ethyl acetate. The organic layer was washed with brine and dried over magnesium sulfate, after which the ethyl acetate was distilled off to obtain pale yellow crude crystals of 3-(2,5-dichlorobenzoyl)benzenesulfonic acid chloride. The crude crystals were used directly in the next step without purification.

2,2-ジメチル-1-プロパノール(ネオペンチルアルコール)41.1g(462mmol)をピリジン300mLに加え、約10℃に冷却した。ここに上記で得られた粗結晶を約30分かけて徐々に加えた。全量添加後、さらに30分撹拌し反応させた。反応後、反応液を塩酸水1,000mL中に注ぎ、析出した固体を回収した。得られた固体を酢酸エチルに溶解させ、炭酸水素ナトリウム水溶液、食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥後、酢酸エチルを留去し、粗結晶を得た。これをメタノールで再結晶し、下記化学式(G5)で示される3-(2,5-ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチルの白色結晶を得た。 41.1 g (462 mmol) of 2,2-dimethyl-1-propanol (neopentyl alcohol) was added to 300 mL of pyridine and cooled to approximately 10°C. The crude crystals obtained above were gradually added over approximately 30 minutes. After the entire amount was added, the mixture was stirred for an additional 30 minutes to allow the reaction to proceed. After the reaction, the reaction solution was poured into 1,000 mL of aqueous hydrochloric acid, and the precipitated solid was collected. The resulting solid was dissolved in ethyl acetate, washed with aqueous sodium bicarbonate and brine, dried over magnesium sulfate, and the ethyl acetate was distilled off to obtain crude crystals. These were recrystallized from methanol to obtain white crystals of neopentyl 3-(2,5-dichlorobenzoyl)benzenesulfonate, represented by the following chemical formula (G5).

[合成例6]
(下記一般式(G6)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーの合成)
撹拌機、温度計、冷却管、Dean-Stark管、窒素導入の三方コックを取り付けた1Lの三つ口のフラスコに、2,6-ジクロロベンゾニトリル49.4g(0.29mol)、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン88.4g(0.26mol)、炭酸カリウム47.3g(0.34mol)をはかりとった。窒素置換後、スルホラン346mL、トルエン173mLを加えて攪拌した。フラスコをオイルバスにつけ、150℃に加熱還流させた。反応により生成する水をトルエンと共沸させ、Dean-Stark管で系外に除去しながら反応させると、約3時間で水の生成がほとんど認められなくなった。反応温度を徐々に上げながら大部分のトルエンを除去した後、200℃で3時間反応を続けた。次に、2,6-ジクロロベンゾニトリル12.3g(0.072mol)を加え、さらに5時間反応した。
[Synthesis Example 6]
(Synthesis of an oligomer not containing an ionic group represented by the following general formula (G6))
Into a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, condenser, Dean-Stark tube, and a three-way stopcock for nitrogen introduction, 49.4 g (0.29 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile, 88.4 g (0.26 mol) of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, and 47.3 g (0.34 mol) of potassium carbonate were weighed. After nitrogen substitution, 346 mL of sulfolane and 173 mL of toluene were added and stirred. The flask was placed in an oil bath and heated to reflux at 150 °C. The water produced by the reaction was azeotroped with toluene and removed from the system using a Dean-Stark tube. After approximately 3 hours, water production was barely noticeable. The reaction temperature was gradually increased to remove most of the toluene, and the reaction was continued at 200 °C for 3 hours. Next, 12.3 g (0.072 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the mixture was further reacted for 5 hours.

得られた反応液を放冷後、トルエン100mLを加えて希釈した。副生した無機化合物の沈殿物を濾過除去し、濾液を2Lのメタノール中に投入した。沈殿した生成物を濾別、回収し乾燥後、テトラヒドロフラン250mLに溶解した。これをメタノール2Lに再沈殿し、下記一般式(G6)で表される目的のオリゴマー107gを得た。数平均分子量は11,000であった。 After allowing the resulting reaction liquid to cool, it was diluted with 100 mL of toluene. The by-product inorganic compound precipitate was removed by filtration, and the filtrate was poured into 2 L of methanol. The precipitated product was filtered, collected, dried, and then dissolved in 250 mL of tetrahydrofuran. This was reprecipitated in 2 L of methanol, yielding 107 g of the target oligomer represented by the following general formula (G6). The number average molecular weight was 11,000.

[合成例7]
(下記化学式(G8)で表されるセグメントと下記一般式(G9)で表されるセグメントからなるポリエーテルスルホン(PES)系ブロックコポリマー前駆体b4’の合成)
無水塩化ニッケル1.62gとジメチルスルホキシド15mLとを混合し、70℃に調整した。これに、2,2’-ビピリジル2.15gを加え、同温度で10分撹拌し、ニッケル含有溶液を調製した。
[Synthesis Example 7]
(Synthesis of polyethersulfone (PES)-based block copolymer precursor b4′ consisting of a segment represented by the following chemical formula (G8) and a segment represented by the following general formula (G9))
1.62 g of anhydrous nickel chloride and 15 mL of dimethyl sulfoxide were mixed and adjusted to 70° C. 2.15 g of 2,2′-bipyridyl was added thereto, and the mixture was stirred at the same temperature for 10 minutes to prepare a nickel-containing solution.

ここに、2,5-ジクロロベンゼンスルホン酸(2,2-ジメチルプロピル)1.49gと下記一般式(G7)で示される、スミカエクセルPES5200P(住友化学(株)製、Mn=40,000、Mw=94,000)0.50gとを、ジメチルスルホキシド5mLに溶解させて得られた溶液に、亜鉛粉末1.23gを加え、70℃に調整した。これに前記ニッケル含有溶液を注ぎ込み、70℃で4時間重合反応を行った。反応混合物をメタノール60mL中に加え、次いで、6mol/L塩酸60mLを加え1時間攪拌した。析出した固体を濾過により分離し、乾燥し、灰白色の下記一般式(G8)と下記一般式(G9)で表されるセグメントを含むブロックコポリマー前駆体b4’を1.62g、収率99%で得た。重量平均分子量は231,000であった。 1.49 g of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid (2,2-dimethylpropyl) and 0.50 g of Sumikaexcel PES5200P (Sumitomo Chemical Co., Ltd., Mn = 40,000, Mw = 94,000), represented by the following general formula (G7), were dissolved in 5 mL of dimethyl sulfoxide to obtain a solution, to which 1.23 g of zinc powder was added and the temperature was adjusted to 70°C. The nickel-containing solution was poured into the solution, and a polymerization reaction was carried out at 70°C for 4 hours. The reaction mixture was added to 60 mL of methanol, followed by the addition of 60 mL of 6 mol/L hydrochloric acid and stirring for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration and dried to obtain 1.62 g of a grayish-white block copolymer precursor b4' containing segments represented by the following general formula (G8) and the following general formula (G9), in a yield of 99%. The weight-average molecular weight was 231,000.

[高分子電解質溶液A]イオン性基を含有するセグメントとして前記一般式(G4)で表されるオリゴマー、イオン性基を含有しないセグメントとして前記一般式(G3)で表されるオリゴマーを共重合して得られるブロックコポリマーb1からなる高分子電解質溶液
かき混ぜ機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた500mL三口フラスコに、炭酸カリウム0.56g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬、4mmol)、合成例4で得られたイオン性基を含有するオリゴマーa2(末端:ヒドロキシル基)16g(1mmol)を入れ、窒素置換後、N-メチルピロリドン(NMP)100mL及びシクロヘキサン30mLを加え、100℃で脱水後、昇温してシクロヘキサンを除去し、合成例3で得られたイオン性基を含有しないオリゴマーa1(末端:フルオロ基)11g(1mmol)を入れ、105℃で24時間反応を行った。多量のイソプロピルアルコールへの再沈殿精製により、ブロックコポリマーb1を得た。重量平均分子量は343,000であった。このブロックコポリマーb1のイオン交換容量(IEC)は2.1であった。
[Polymer electrolyte solution A] A polymer electrolyte solution consisting of a block copolymer b1 obtained by copolymerizing an oligomer represented by the general formula (G4) as a segment containing an ionic group and an oligomer represented by the general formula (G3) as a segment not containing an ionic group. A 500 mL three-necked flask equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap was charged with 0.56 g of potassium carbonate (Sigma-Aldrich Japan (same) reagent, 4 mmol), 16 g (1 mmol) of ionic group-containing oligomer a2 (terminal: hydroxyl group) obtained in Synthesis Example 4, and after nitrogen substitution, 100 mL of N-methylpyrrolidone (NMP) and 30 mL of cyclohexane were added, and the mixture was dehydrated at 100 ° C., heated to remove cyclohexane, and 11 g (1 mmol) of ionic group-free oligomer a1 (terminal: fluoro group) obtained in Synthesis Example 3 was added, and the reaction was carried out at 105 ° C. for 24 hours. Purification by reprecipitation into a large amount of isopropyl alcohol gave block copolymer b1. The weight average molecular weight was 343,000. The ion exchange capacity (IEC) of this block copolymer b1 was 2.1.

得られたブロックコポリマーb1を溶解させた5質量%N-メチルピロリドン(NMP)溶液を、(株)久保田製作所製インバーター・コンパクト高速冷却遠心機(型番6930)にアングルローターRA-800をセット、25℃、30分間、遠心力20,000Gで重合原液の直接遠心分離を行った。沈降固形物(ケーキ)と上澄み液(塗液)がきれいに分離できたので上澄み液を回収した。次に、撹拌しながら80℃で減圧蒸留し、1μmのポリプロピレン製フィルターを用いて加圧ろ過し、高分子電解質溶液A(高分子電解質濃度13質量%)を得た。高分子電解質溶液Aの粘度は1,300mPa・sであった。 The resulting 5% by mass N-methylpyrrolidone (NMP) solution containing block copolymer b1 was directly centrifuged at 25°C for 30 minutes at a centrifugal force of 20,000 G using an inverter compact high-speed refrigerated centrifuge (model 6930) manufactured by Kubota Manufacturing Co., Ltd., equipped with an angle rotor RA-800. The precipitated solids (cake) and the supernatant liquid (coating liquid) were clearly separated, and the supernatant liquid was recovered. The mixture was then distilled under reduced pressure at 80°C while stirring, and pressure filtered using a 1 μm polypropylene filter to obtain polymer electrolyte solution A (polymer electrolyte concentration: 13% by mass). The viscosity of polymer electrolyte solution A was 1,300 mPa·s.

[高分子電解質溶液B]イオン性基を含有するセグメントとして前記一般式(G4)で表されるオリゴマー、イオン性基を含有しないセグメントとして前記一般式(G3)で表されるオリゴマーを共重合して得られるブロックコポリマーb2からなる高分子電解質溶液
合成例4で得られたイオン性基を有するオリゴマーa2を20g(1.25mmol)とした以外はブロックコポリマーb1と同様にしてブロックコポリマーb2を合成した。このブロックコポリマーb2の重量平均分子量は372,000、イオン交換容量(IEC)は2.4であった。また、ブロックコポリマーb1に代えてブロックコポリマーb2を用いた以外は高分子電解質溶液Aと同様にして得た高分子電解質溶液Bの粘度は1,600mPa・sであった。
[Polymer electrolyte solution B] A polymer electrolyte solution comprising block copolymer b2 obtained by copolymerizing an oligomer represented by general formula (G4) as a segment containing an ionic group and an oligomer represented by general formula (G3) as a segment not containing an ionic group. Block copolymer b2 was synthesized in the same manner as block copolymer b1, except that 20 g (1.25 mmol) of oligomer a2 having an ionic group obtained in Synthesis Example 4 was used. The weight-average molecular weight of this block copolymer b2 was 372,000, and the ion exchange capacity (IEC) was 2.4. The viscosity of polymer electrolyte solution B, obtained in the same manner as polymer electrolyte solution A except that block copolymer b2 was used instead of block copolymer b1, was 1,600 mPa s.

[高分子電解質溶液C]イオン性基を含有するセグメントとして前記一般式(G4)で表されるオリゴマー、イオン性基を含有しないセグメントとして前記一般式(G3)で表されるオリゴマーを共重合して得られるブロックコポリマーb3からなる高分子電解質溶液
合成例4で得られたイオン性基を有するオリゴマーa2を25.6g(1.6mmol)とした以外は高分子電解質溶液Aと同様にしてブロックコポリマーb3を合成した。このブロックコポリマーb3の重量平均分子量は389,000、イオン交換容量(IEC)は2.7であった。また、ブロックコポリマーb1に代えてブロックコポリマーb3を用いた以外は高分子電解質溶液Aと同様にして得た高分子電解質溶液Cの粘度は1,800mPa・sであった。
[Polymer electrolyte solution C] A polymer electrolyte solution comprising a block copolymer b3 obtained by copolymerizing an oligomer represented by the general formula (G4) as a segment containing an ionic group and an oligomer represented by the general formula (G3) as a segment not containing an ionic group. Block copolymer b3 was synthesized in the same manner as polymer electrolyte solution A, except that 25.6 g (1.6 mmol) of oligomer a2 having an ionic group obtained in Synthesis Example 4 was used. The weight-average molecular weight of this block copolymer b3 was 389,000, and the ion exchange capacity (IEC) was 2.7. The viscosity of polymer electrolyte solution C, obtained in the same manner as polymer electrolyte solution A except that block copolymer b3 was used instead of block copolymer b1, was 1,800 mPa s.

[高分子電解質溶液D]ランダムコポリマーからなる高分子電解質溶液D
撹拌機、窒素導入管、Dean-Starkトラップを備えた5Lの反応容器に、合成例1で合成した2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)-1,3-ジオキソラン129g、4,4’-ビフェノール93g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬)、および合成例2で合成したジソジウム-3,3’-ジスルホネート-4,4’-ジフルオロベンゾフェノン422g(1.0mol)を入れ、窒素置換後、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)3,000g、トルエン450g、18-クラウン-6を232g(富士フイルム和光純薬(株)試薬)加え、モノマーが全て溶解したことを確認後、炭酸カリウム304g(シグマアルドリッチジャパン(同)試薬)を加え、還流しながら160℃で脱水後、昇温してトルエン除去し、200℃で1時間脱塩重縮合を行った。得られたランダムコポリマーaの重量平均分子量は317,000、イオン交換容量(IEC)は2.1であった。
[Polyelectrolyte Solution D] Polyelectrolyte Solution D Containing Random Copolymer
A 5 L reaction vessel equipped with a stirrer, a nitrogen inlet tube, and a Dean-Stark trap was charged with 129 g of 2,2-bis(4-hydroxyphenyl)-1,3-dioxolane synthesized in Synthesis Example 1, 93 g of 4,4'-biphenol (Sigma-Aldrich Japan (same) reagent), and 422 g (1.0 mol) of disodium-3,3'-disulfonate-4,4'-difluorobenzophenone synthesized in Synthesis Example 2. After nitrogen substitution, 3,000 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 450 g of toluene, and 232 g of 18-crown-6 (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. reagent) were added. After confirming that all the monomers had dissolved, 304 g of potassium carbonate (Sigma-Aldrich Japan (same) reagent) was added. The mixture was refluxed at 160°C for dehydration, then heated to remove toluene, and subjected to desalting polycondensation at 200°C for 1 hour. The resulting random copolymer a had a weight average molecular weight of 317,000 and an ion exchange capacity (IEC) of 2.1.

次に重合原液の粘度が500mPa・sになるようにNMPを添加して希釈し、(株)久保田製作所製インバーター・コンパクト高速冷却遠心機(型番6930)にアングルローターRA-800をセット、25℃、30分間、遠心力20,000Gで重合原液の直接遠心分離を行った。沈降固形物(ケーキ)と上澄み液(塗液)がきれいに分離できたので上澄み液を回収した。次に、撹拌しながら80℃で減圧蒸留し、ポリマー濃度が14質量%になるまでNMPを除去し、さらに5μmのポリエチレン製フィルターで加圧濾過して高分子電解質溶液Dを得た。この高分子電解質溶液Dの粘度は1,000mPa・sであった。 Next, NMP was added to dilute the polymerization stock solution to a viscosity of 500 mPa·s. The polymerization stock solution was directly centrifuged at 25°C for 30 minutes at a centrifugal force of 20,000 G using an angle rotor RA-800 mounted on a Kubota Manufacturing Co., Ltd. inverter compact high-speed refrigerated centrifuge (model number 6930). The precipitated solids (cake) and the supernatant liquid (coating liquid) were clearly separated, and the supernatant liquid was recovered. Next, the mixture was distilled under reduced pressure at 80°C while stirring, and NMP was removed until the polymer concentration reached 14% by mass. The mixture was then pressure-filtered through a 5 μm polyethylene filter to obtain polymer electrolyte solution D. The viscosity of this polymer electrolyte solution D was 1,000 mPa·s.

[高分子電解質溶液E]下記一般式(G10)で表されるポリアリーレン系ブロックコポリマーからなる高分子電解質溶液
乾燥したN,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)540mLを、3-(2,5-ジクロロベンゾイル)ベンゼンスルホン酸ネオペンチル135.0g(0.336mol)と、合成例6で合成した一般式(G6)で表されるイオン性基を含有しないオリゴマーを40.7g(5.6mmol)、2,5-ジクロロ-4’-(1-イミダゾリル)ベンゾフェノン6.71g(16.8mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド6.71g(10.3mmol)、トリフェニルホスフィン35.9g(0.137mol)、ヨウ化ナトリウム1.54g(10.3mmol)、亜鉛53.7g(0.821mol)の混合物中に窒素下で加えた。
[Polymer Electrolyte Solution E] Polymer Electrolyte Solution Comprising a Polyarylene Block Copolymer Represented by the Following General Formula (G10) 540 mL of dried N,N-dimethylacetamide (DMAc) was added under nitrogen to a mixture of 135.0 g (0.336 mol) of neopentyl 3-(2,5-dichlorobenzoyl)benzenesulfonate, 40.7 g (5.6 mmol) of the oligomer not containing an ionic group and represented by general formula (G6) synthesized in Synthesis Example 6, 6.71 g (16.8 mmol) of 2,5-dichloro-4′-(1-imidazolyl)benzophenone, 6.71 g (10.3 mmol) of bis(triphenylphosphine)nickel dichloride, 35.9 g (0.137 mol) of triphenylphosphine, 1.54 g (10.3 mmol) of sodium iodide, and 53.7 g (0.821 mol) of zinc.

反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。重合反応溶液をDMAc730mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。 The reaction system was heated with stirring (ultimately reaching 79°C) and allowed to react for 3 hours. An increase in viscosity was observed during the reaction. The polymerization reaction solution was diluted with 730 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.

前記濾液をエバポレーターで濃縮し、濾液に臭化リチウム43.8g(0.505mol)を加え、内温110℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、室温まで冷却し、アセトン4Lに注ぎ、凝固した。凝固物を濾集、風乾後、ミキサーで粉砕し、1N塩酸1,500mLで攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物を洗浄液のpHが5以上となるまでイオン交換水で洗浄後、80℃で一晩乾燥し、目的のポリアリーレン系ブロックコポリマーa23.0gを得た。この脱保護後のポリアリーレン系ブロックコポリマーの重量平均分子量は192,000、イオン交換容量(IEC)は2.0であった。得られたポリアリーレン系ブロックコポリマーaを、0.1g/gとなるように、N-メチル-2-ピロリドン/メタノール=30/70(質量%)有機溶媒に溶解して高分子電解質溶液Eを得た。高分子電解質溶液Eの粘度は1,200mPa・sであった。 The filtrate was concentrated using an evaporator, and 43.8 g (0.505 mol) of lithium bromide was added to the filtrate. The mixture was allowed to react at an internal temperature of 110°C for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the mixture was cooled to room temperature and poured into 4 L of acetone to coagulate. The coagulated material was collected by filtration, air-dried, pulverized in a mixer, and washed with 1,500 mL of 1N hydrochloric acid while stirring. After filtration, the product was washed with ion-exchanged water until the pH of the washings reached 5 or higher and then dried overnight at 80°C to obtain 23.0 g of the desired polyarylene-based block copolymer a. After deprotection, the weight-average molecular weight of this polyarylene-based block copolymer was 192,000 and the ion exchange capacity (IEC) was 2.0. The resulting polyarylene-based block copolymer a was dissolved in an organic solvent (N-methyl-2-pyrrolidone/methanol = 30/70 (mass%)) to a concentration of 0.1 g/g to obtain polymer electrolyte solution E. The viscosity of polymer electrolyte solution E was 1,200 mPa·s.

[高分子電解質溶液F]ポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーからなる高分子電解質溶液F
合成例7で得られたブロックコポリマー前駆体b4’を0.23g計量し、臭化リチウム一水和物0.16gとNMP8mLとの混合溶液に加え、120℃で24時間反応させた。反応混合物を、6mol/L塩酸80mL中に注ぎ込み、1時間撹拌した。析出した固体を濾過により分離した。分離した固体を乾燥し、灰白色の前記一般式(G9)で示されるセグメントと下記化学式(G11)で表されるセグメントからなるブロックコポリマーb4を得た。得られたポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーの重量平均分子量は191,000、イオン交換容量(IEC)は2.0であった。得られたポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーb4を、0.1g/gとなるように、N-メチル-2-ピロリドン/メタノール=30/70(質量%)有機溶媒に溶解して高分子電解質溶液Fを得た。高分子電解質溶液Fの粘度は1,300mPa・sであった。
[Polymer electrolyte solution F] Polymer electrolyte solution F made of polyethersulfone-based block copolymer
0.23 g of the block copolymer precursor b4' obtained in Synthesis Example 7 was weighed and added to a mixed solution of 0.16 g of lithium bromide monohydrate and 8 mL of NMP, and the mixture was allowed to react at 120°C for 24 hours. The reaction mixture was poured into 80 mL of 6 mol/L hydrochloric acid and stirred for 1 hour. The precipitated solid was separated by filtration. The separated solid was dried to obtain a gray-white block copolymer b4 composed of a segment represented by the general formula (G9) and a segment represented by the following chemical formula (G11). The weight-average molecular weight of the obtained polyethersulfone-based block copolymer was 191,000, and the ion exchange capacity (IEC) was 2.0. The obtained polyethersulfone-based block copolymer b4 was dissolved in an organic solvent of N-methyl-2-pyrrolidone/methanol = 30/70 (mass %) to a concentration of 0.1 g/g, to obtain polymer electrolyte solution F. The viscosity of polymer electrolyte solution F was 1,300 mPa s.

[ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)多孔質基材P1]
“ポアフロン”(登録商標)WP-010-80(住友電工ファインポリマー(株)製)を横方向(TDに相当)に15倍、縦方向(MDに相当)に2倍延伸し、その後、365℃で熱処理を実施し、膜厚8μm、空隙率85%のePTFE多孔質基材P1を作製した。SEM観察の結果、縦方向(MD)に略平行な平均直径0.85μm、平均長さ25μmの筋状構造が形成され、横方向(TD)に略平行な平均直径0.15μmのフィブリルを有する構造であった。基材面積1mmあたりの筋状構造の数は550本であった。
[Polytetrafluoroethylene (ePTFE) porous substrate P1]
"POREFLON" (registered trademark) WP-010-80 (manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) was stretched 15 times in the transverse direction (corresponding to TD) and 2 times in the longitudinal direction (corresponding to MD), and then heat-treated at 365 ° C. to produce an ePTFE porous substrate P1 with a film thickness of 8 μm and a porosity of 85%. As a result of SEM observation, a streak structure with an average diameter of 0.85 μm and an average length of 25 μm was formed, which was approximately parallel to the longitudinal direction (MD), and had a structure with fibrils with an average diameter of 0.15 μm approximately parallel to the transverse direction (TD). The number of streak structures per mm 2 of substrate area was 550.

[ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)多孔質基材P2]
“ポアフロン”(登録商標)HP-045-30(住友電工ファインポリマー(株)製)を縦横方向に3倍同時2軸延伸することにより、膜厚8μm、空隙率89%のePTFE多孔質基材P2を作製した。SEM観察の結果、平均直径0.3μmのフィブリルが無規則な蜘蛛の巣状を形成する構造であり、筋状構造は有していなかった。
[Polytetrafluoroethylene (ePTFE) porous substrate P2]
"POREFLON" (registered trademark) HP-045-30 (manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) was simultaneously biaxially stretched 3 times in the longitudinal and transverse directions to produce an ePTFE porous substrate P2 with a film thickness of 8 μm and a porosity of 89%. SEM observation revealed that the structure was one in which fibrils with an average diameter of 0.3 μm formed an irregular spider web-like structure, and no streaky structure was present.

[親水化ePTFE多孔質基材P2’]
露点-80℃のグローブボックス内において、ePTFE多孔質基材P2を金属ナトリウム-ナフタレン錯体/テトラヒドロフラン(THF)1%溶液30g、THF70gからなる溶液に浸漬し、3秒経過後に引き上げ、すぐにTHFで十分洗浄し、膜厚8μm、空隙率88%の親水化ePTFE多孔質基材P2’を作製した。
[Hydrophilized ePTFE porous base material P2']
In a glove box with a dew point of -80°C, immerse ePTFE porous substrate P2 in the solution that consists of 30g of metal sodium-naphthalene complex/tetrahydrofuran (THF) 1% solution and 70g of THF, and after 3 seconds, pull it out, and immediately use THF to thoroughly wash, prepare the hydrophilic ePTFE porous substrate P2' with a film thickness of 8 μm and porosity of 88%.

[ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)多孔質基材P3]
“ポアフロン”(登録商標)WP-010-80(住友電工ファインポリマー(株)製)を横方向(TDに相当)に20倍、縦方向(MDに相当)に1.5倍延伸し、その後、365℃における熱処理を実施し、膜厚8μm、空隙率84%のePTFE多孔質基材P3を作製した。SEM観察の結果、縦方向(MD)に略平行な平均直径0.81μm、平均長さ24μmの筋状構造が形成され、横方向(TD)に略平行な平均直径0.14μmのフィブリルを有する構造であった。基材面積1mmあたりの筋状構造の数は540本であった。
[Polytetrafluoroethylene (ePTFE) porous substrate P3]
"POREFLON" (registered trademark) WP-010-80 (manufactured by Sumitomo Electric Fine Polymer Co., Ltd.) was stretched 20 times in the transverse direction (corresponding to TD) and 1.5 times in the longitudinal direction (corresponding to MD), and then heat-treated at 365 ° C. to produce an ePTFE porous substrate P3 with a film thickness of 8 μm and a porosity of 84%. As a result of SEM observation, a streak structure with an average diameter of 0.81 μm and an average length of 24 μm was formed, which was approximately parallel to the longitudinal direction (MD), and had a structure with fibrils with an average diameter of 0.14 μm approximately parallel to the transverse direction (TD). The number of streak structures per mm 2 of substrate area was 540.

<電解質膜の製造>
[実施例1]
100gの高分子電解質溶液Aに、ノニオン性フッ素系界面活性剤としてポリオキシエチレンエーテル系界面活性剤“フタージェント”(登録商標)208G(ネオス(株)製)0.26gを溶解し、高分子電解質と界面活性剤の質量比(以下、「界面活性剤/電解質」と表記)が0.02の電解質-界面活性剤混合溶液を調製した。ナイフコーターを用い、この電解質-界面活性剤混合溶液をガラス基板上に流延塗布し、塗布された膜状物上にePTFE多孔質基材P1を貼り合わせた。室温にて1時間保持し、ePTFE多孔質基材P1に電解質-界面活性剤混合溶液Aを十分含浸させた後、100℃にて4時間乾燥した。乾燥後、前記ePTFE基材のガラス基板側とは反対側の面上に、前記の電解質-界面活性剤混合溶液を流延塗布し、室温にて1時間保持した後、100℃にて4時間乾燥した。得られた、高分子電解質をePTFE多孔質基材に含浸した複合体をガラス基板から剥離して後、10質量%硫酸水溶液に80℃で24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、電解質膜(膜厚9μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3μm)を有する。
<Production of electrolyte membrane>
[Example 1]
In 100 g of polymer electrolyte solution A, 0.26 g of polyoxyethylene ether surfactant "Ftergent" (registered trademark) 208G (manufactured by Neos Co., Ltd.) was dissolved as a nonionic fluorine-based surfactant, and a mass ratio of polymer electrolyte to surfactant (hereinafter referred to as "surfactant / electrolyte") of 0.02 was prepared as an electrolyte-surfactant mixed solution. Using a knife coater, this electrolyte-surfactant mixed solution was cast onto a glass substrate, and an ePTFE porous substrate P1 was attached to the coated film. After holding at room temperature for 1 hour, the ePTFE porous substrate P1 was sufficiently impregnated with the electrolyte-surfactant mixed solution A, and then dried at 100 ° C. for 4 hours. After drying, the electrolyte-surfactant mixed solution was cast onto the surface opposite the glass substrate side of the ePTFE substrate, and then held at room temperature for 1 hour, and then dried at 100 ° C. for 4 hours. The resulting composite, in which the polymer electrolyte was impregnated into the ePTFE porous substrate, was peeled off from the glass substrate, and then immersed in a 10% by mass aqueous sulfuric acid solution at 80°C for 24 hours to cause proton substitution and deprotection reactions, and then immersed in a large excess of pure water for 24 hours to thoroughly wash, thereby obtaining an electrolyte membrane (thickness 9 μm). This electrolyte membrane has a single layer (thickness per layer: 3 μm) on both sides of the composite layer.

なお、補足的に説明すると、電解質-界面活性剤混合溶液の含浸・乾燥によって多孔質基材の厚み方向での収縮が生じたことで、電解質膜の総厚みとしては9μmの厚みとなった(他の実施例、比較例においても同様である)。 As a supplementary explanation, the impregnation and drying of the electrolyte-surfactant mixed solution caused the porous substrate to shrink in the thickness direction, resulting in a total electrolyte membrane thickness of 9 μm (the same applies to other examples and comparative examples).

[実施例2]
界面活性剤/電解質を0.10とした電解質-界面活性剤混合溶液を使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚9μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3μm)を有する。
[Example 2]
An electrolyte membrane (thickness: 9 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte-surfactant mixed solution with a surfactant/electrolyte ratio of 0.10 was used. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例3]
界面活性剤/電解質を0.01とした電解質-界面活性剤混合溶液を使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚9μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3μm)を有する。
[Example 3]
An electrolyte membrane (thickness: 9 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that an electrolyte-surfactant mixed solution with a surfactant/electrolyte ratio of 0.01 was used. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例4]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Bを使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚9μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3μm)を有する。
[Example 4]
An electrolyte membrane (thickness: 9 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that polymer electrolyte solution B was used instead of polymer electrolyte solution A. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例5]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Cを使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚9μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3μm)を有する。
[Example 5]
An electrolyte membrane (thickness: 9 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that polymer electrolyte solution C was used instead of polymer electrolyte solution A. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例6]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Dを使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Example 6]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that polymer electrolyte solution D was used instead of polymer electrolyte solution A. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3.5 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例7]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Eを使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Example 7]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that polymer electrolyte solution E was used instead of polymer electrolyte solution A. This electrolyte membrane had a single layer (each layer having a thickness of 3.5 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例8]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Fを使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Example 8]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that polymer electrolyte solution F was used instead of polymer electrolyte solution A. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3.5 μm) on both sides of the composite layer.

[実施例9]
ノニオン性フッ素系界面活性剤をポリオキシエチレンエーテル系界面活性剤“フタージェント”(登録商標)FTX-218(ネオス(株)製)に変更した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Example 9]
An electrolyte membrane (thickness 10 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the nonionic fluorine-based surfactant was changed to a polyoxyethylene ether-based surfactant "Ftergent" (registered trademark) FTX-218 (manufactured by Neos Corporation). This electrolyte membrane had single layers (each 3.5 μm thick) on both sides of the composite layer.

[実施例10]
ノニオン性フッ素系界面活性剤を低金属含有グレードポリオキシエチレンエーテル系界面活性剤“フタージェント”(登録商標)DFX-18(ネオス(株)製)に変更した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Example 10]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the nonionic fluorine-based surfactant was changed to a low-metal-content polyoxyethylene ether surfactant "Ftergent" (registered trademark) DFX-18 (manufactured by Neos Corporation). This electrolyte membrane had single layers (each 3.5 μm thick) on both sides of the composite layer.

[実施例11]
ノニオン性フッ素系界面活性剤を含フッ素基親水性基/親油性基含有オリゴマー系界面活性剤“フタージェント”(登録商標)710FS(ネオス(株)製)に変更した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Example 11]
An electrolyte membrane (thickness 10 μm) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the nonionic fluorine-based surfactant was changed to a fluorine-containing hydrophilic group/lipophilic group-containing oligomeric surfactant "Ftergent" (registered trademark) 710FS (manufactured by Neos Corporation). This electrolyte membrane had single layers (each 3.5 μm thick) on both sides of the composite layer.

[実施例12]
ePTFE多孔質基材P1の代わりにePTFE多孔質基材P3を使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚9μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3μm)を有する。
[Example 12]
Except for using ePTFE porous substrate P3 instead of ePTFE porous substrate P1, an electrolyte membrane (thickness: 9 μm) was obtained in the same manner as in Example 1. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3 μm) on both sides of the composite layer.

[比較例1]
ナイフコーターを用い、100gの高分子電解質溶液Aをガラス基板上に流延塗布した後、100℃にて4時間乾燥し、フィルム状の重合体を得た。10質量%硫酸水溶液に80℃で24時間浸漬してプロトン置換、脱保護反応した後に、大過剰量の純水に24時間浸漬して充分洗浄し、電解質膜(膜厚10μm)を得た。
[Comparative Example 1]
Using a knife coater, 100 g of polymer electrolyte solution A was cast onto a glass substrate and then dried at 100° C. for 4 hours to obtain a film-like polymer. The film was then immersed in a 10% by mass aqueous sulfuric acid solution at 80° C. for 24 hours to undergo proton substitution and deprotection reactions, and then thoroughly washed by immersion in a large excess of pure water for 24 hours to obtain an electrolyte membrane (thickness: 10 μm).

[比較例2]
ノニオン性フッ素系界面活性剤を用いなかった以外は実施例1と同様にして電解質膜の作製を試みたが、高分子電解質溶液Aが多孔質基材に浸透せず電解質膜を得ることができなかった。
[Comparative Example 2]
An attempt was made to prepare an electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, except that the nonionic fluorine-based surfactant was not used. However, the polymer electrolyte solution A did not penetrate into the porous substrate, and an electrolyte membrane could not be obtained.

[比較例3]
ePTFE多孔質基材P1の代わりにePTFE多孔質基材P2を使用した以外は、実施例1と同様にして電解質膜(膜厚8μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ2.5μm)を有する。
[Comparative Example 3]
Except for using ePTFE porous substrate P2 instead of ePTFE porous substrate P1, an electrolyte membrane (thickness: 8 μm) was obtained in the same manner as in Example 1. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 2.5 μm) on both sides of the composite layer.

[比較例4]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Bを使用した以外は、比較例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。
[Comparative Example 4]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that polymer electrolyte solution B was used instead of polymer electrolyte solution A.

[比較例5]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Cを使用した以外は、比較例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。
[Comparative Example 5]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that polymer electrolyte solution C was used instead of polymer electrolyte solution A.

[比較例6]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Dを使用した以外は、比較例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。
[Comparative Example 6]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that polymer electrolyte solution D was used instead of polymer electrolyte solution A.

[比較例7]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Eを使用した以外は、比較例1と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。
[Comparative Example 7]
An electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that polymer electrolyte solution E was used instead of polymer electrolyte solution A.

[比較例8]
高分子電解質溶液Aの代わりに高分子電解質溶液Fを使用した以外は、比較例1と同様にして複合電解質膜(膜厚10μm)を得た。
[Comparative Example 8]
A composite electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that polymer electrolyte solution F was used instead of polymer electrolyte solution A.

[比較例9]
ePTFE多孔質基材P1の代わりに親水化ePTFE多孔質基材P2’を使用した以外は、比較例2と同様にして電解質膜(膜厚10μm)を得た。この電解質膜は、複合層の両面に単独層(1層あたりの厚みがそれぞれ3.5μm)を有する。
[Comparative Example 9]
Except for using a hydrophilized ePTFE porous substrate P2' instead of the ePTFE porous substrate P1, an electrolyte membrane (thickness: 10 μm) was obtained in the same manner as in Comparative Example 2. This electrolyte membrane had single layers (each layer having a thickness of 3.5 μm) on both sides of the composite layer.

[比較例10]
ノニオン性フッ素系界面活性剤を非フッ素系界面活性剤“トリトン”(登録商標)X-100に変更した以外は、実施例1と同様にして電解質膜の作製を試みたが、高分子電解質溶液Aが多孔質基材に浸透せず電解質膜を得ることができなかった。
[Comparative Example 10]
An attempt was made to prepare an electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, except that the nonionic fluorine-based surfactant was changed to the non-fluorine-based surfactant "Triton" (registered trademark) X-100. However, the polymer electrolyte solution A did not permeate into the porous substrate, and an electrolyte membrane could not be obtained.

[評価]
実施例1~12、比較例1、比較例3~9で製造した電解質膜について、イオン交換容量(IEC)、複合層中の高分子電解質の充填率、寸法変化率λxy、プロトン電導度、筋状構造の平均長さ、同平均直径、同平均直径に対する平均長さの比率、膜面積1mm当たりの筋状構造体本数、ヘイズ値、拡散透過率および乾湿サイクル耐久性を評価した。また電解質膜を構成するイオン性基含有高分子膜について、相分離構造の有無を評価し、多孔質基材について、フッ素原子含有量、酸素原子含有量、空隙率を評価した。これらの評価結果を表1、表2に示す。また、乾湿サイクル耐久性に関して、30,000サイクルを超えても水素透過電流が初期電流の10倍を越えなかった場合は、30,000サイクルで評価を打ち切った。
[evaluation]
The electrolyte membranes produced in Examples 1 to 12, Comparative Example 1, and Comparative Examples 3 to 9 were evaluated for ion exchange capacity (IEC), polymer electrolyte packing ratio in the composite layer, dimensional change rate λ xy , proton conductivity, average length of streaky structures, average diameter of streaky structures, ratio of average length to average diameter, number of streaky structures per mm2 of membrane area, haze value, diffuse transmittance, and wet-dry cycle durability. The ionic group-containing polymer membrane constituting the electrolyte membrane was also evaluated for the presence or absence of a phase-separated structure, and the porous substrate was evaluated for fluorine atom content, oxygen atom content, and porosity. The results of these evaluations are shown in Tables 1 and 2. Regarding wet-dry cycle durability, if the hydrogen permeation current did not exceed 10 times the initial current even after 30,000 cycles, the evaluation was terminated at 30,000 cycles.

注1)高分子電解質A:ブロックコポリマーb1、高分子電解質B:ブロックコポリマーb2、高分子電解質C:ブロックコポリマーb3、高分子電解質D:ランダムコポリマーa、高分子電解質E:ポリアリーレン系ブロックコポリマーa、高分子電解質F:ポリエーテルスルホン系ブロックコポリマーb4
注2)多孔質基材P1:膜厚8μm、空隙率85%のポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)、多孔質基材P2:膜厚8μm、空隙率89%のポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)、多孔質基材P2’:膜厚8μm、空隙率88%の親水化ePTFE、多孔質基材P3:膜厚8μm、空隙率84%のポリテトラフルオロエチレン(ePTFE)、。
Note 1) Polymer electrolyte A: block copolymer b1, polymer electrolyte B: block copolymer b2, polymer electrolyte C: block copolymer b3, polymer electrolyte D: random copolymer a, polymer electrolyte E: polyarylene-based block copolymer a, polymer electrolyte F: polyethersulfone-based block copolymer b4
Note 2) Porous substrate P1: Polytetrafluoroethylene (ePTFE) with a film thickness of 8 μm and a porosity of 85%; Porous substrate P2: Polytetrafluoroethylene (ePTFE) with a film thickness of 8 μm and a porosity of 89%; Porous substrate P2': Hydrophilized ePTFE with a film thickness of 8 μm and a porosity of 88%; Porous substrate P3: Polytetrafluoroethylene (ePTFE) with a film thickness of 8 μm and a porosity of 84%.

1a~1f 高分子電解質層表面のデジタルマイクロスコープで観察される筋状バンドル 1a-1f: Striated bundles observed on the surface of a polyelectrolyte layer using a digital microscope

Claims (13)

多孔質基材と、高分子電解質とを含む電解質膜であって、前記多孔質基材は筋状構造を有し、前記筋状構造の平均長さが15μm以上70μm以下、前記筋状構造の平均幅が0.5μm以上3.0μm以下であり、かつ、幅が0.5μm以上である前記筋状構造が前記多孔質基材の表面1mm あたり200本以上1000本以下存在している電解質膜。 An electrolyte membrane comprising a porous substrate and a polymer electrolyte, wherein the porous substrate has a streak structure , the streak structure having an average length of 15 μm to 70 μm and an average width of 0.5 μm to 3.0 μm, and wherein the streak structures having a width of 0.5 μm or more are present in an amount of 200 to 1000 per mm2 of the surface of the porous substrate. 前記筋状構造の平均長さを平均幅で除した値が、5~100である請求項1に記載の電解質膜。 2. The electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the value obtained by dividing the average length of the streak structures by the average width is 5 to 100 . 前記筋状構造は、そのうちの複数個の筋状構造において、多孔質基材表面に平行な任意の一方向に向かって略平行に配列されている、請求項1または2に記載の電解質膜。 3. The electrolyte membrane according to claim 1, wherein a plurality of said streak structures are arranged substantially parallel to one another in any one direction parallel to the surface of the porous substrate. 前記多孔質基材がフッ素樹脂を含んでいる、請求項1~のいずれかに記載の電解質膜。 4. The electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the porous substrate contains a fluororesin. 当該多孔質基材の総質量を100質量%としたとき、多孔質基材に含まれるフッ素原子の総質量が50質量%以上である、請求項に記載の電解質膜。 5. The electrolyte membrane according to claim 4 , wherein the total mass of fluorine atoms contained in the porous substrate is 50 mass% or more when the total mass of the porous substrate is taken as 100 mass%. 前記高分子電解質がイオン性基を有する炭化水素系ポリマーである、請求項1~のいずれかに記載の電解質膜。 6. The electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the polymer electrolyte is a hydrocarbon polymer having an ionic group. 前記炭化水素系ポリマーが主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系ポリマーである、請求項に記載の電解質膜。 7. The electrolyte membrane according to claim 6 , wherein the hydrocarbon-based polymer is an aromatic hydrocarbon-based polymer having an aromatic ring in the main chain. さらに、ノニオン性フッ素系界面活性剤を含む、請求項1~のいずれかに記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7 , further comprising a nonionic fluorine-based surfactant. 前記ノニオン性フッ素系界面活性剤が、フッ化アルキル基、フッ化アルケニル基またはフッ化アリール基を含むフッ素含有基と、非イオン性の親媒基とを有する化合物である、請求項に記載の電解質膜。 9. The electrolyte membrane according to claim 8 , wherein the nonionic fluorine-based surfactant is a compound having a fluorine-containing group, which includes a fluorinated alkyl group, a fluorinated alkenyl group, or a fluorinated aryl group, and a nonionic solvent-philic group. 厚み方向に光線を透過させた際のヘイズ値が20%以上45%以下である請求項1~のいずれかに記載の電解質膜。 10. The electrolyte membrane according to claim 1 , wherein the haze value when light is transmitted through the membrane in the thickness direction is 20% or more and 45% or less. 請求項1~10のいずれかに記載の電解質膜の両面に触媒層が積層された、触媒層付電解質膜。 A catalyst-layered electrolyte membrane, comprising the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 , and catalyst layers laminated on both sides of the electrolyte membrane. 請求項1~10のいずれかに記載の電解質膜を含む、膜電極複合体。 A membrane electrode assembly comprising the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 . 請求項1~10のいずれかに記載の電解質膜を含む、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 .
JP2021195217A 2020-12-15 2021-12-01 Electrolyte membrane, catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell Active JP7819476B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020207268 2020-12-15
JP2020207268 2020-12-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022094934A JP2022094934A (en) 2022-06-27
JP7819476B2 true JP7819476B2 (en) 2026-02-25

Family

ID=82162655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021195217A Active JP7819476B2 (en) 2020-12-15 2021-12-01 Electrolyte membrane, catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7819476B2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013045502A (en) 2011-08-22 2013-03-04 Toray Ind Inc Composite polymer electrolyte membrane
WO2019188572A1 (en) 2018-03-30 2019-10-03 東レ株式会社 Electrolyte membrane

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013045502A (en) 2011-08-22 2013-03-04 Toray Ind Inc Composite polymer electrolyte membrane
WO2019188572A1 (en) 2018-03-30 2019-10-03 東レ株式会社 Electrolyte membrane

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022094934A (en) 2022-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7388192B2 (en) electrolyte membrane
EP3270449B1 (en) Composite polymer electrolyte membrane, as well as electrolyte membrane having catalyst layer, membrane electrode assembly, and solid polymer fuel cell in which said composite polymer electrolyte membrane is used
JP7188204B2 (en) Composite electrolyte membrane and membrane electrode assembly using the same, polymer electrolyte fuel cell
JP7563062B2 (en) Composite polymer electrolyte membrane, catalyst-layered electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell
JP7559557B2 (en) Composite electrolyte membrane, catalyst-layered electrolyte membrane, membrane electrode assembly, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing composite electrolyte membrane
JP7679610B2 (en) Composite electrolyte membrane, membrane electrode assembly using same, and solid polymer fuel cell
JP7819476B2 (en) Electrolyte membrane, catalyst layer-coated electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
JP7559556B2 (en) Composite polymer electrolyte membrane, catalyst-layered electrolyte membrane, membrane electrode assembly, and solid polymer electrolyte fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20241015

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20251022

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20251111

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20251223

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: 20260113

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20260126

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7819476

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150