JP2009206019A - Production method of polymer electrolyte membrane for fuel cell, electrolyte membrane thereof, and membrane electrode assembly for fuel cell using the membrane - Google Patents
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Abstract
【課題】高分子フィルム基材の持つ固有の特性の低下を抑制しつつ、低いグラフト率において、高いプロトン伝導性を与えるとともに寸法変化、機械的な強度変化、メタノール燃料の透過を抑制し、さらに、耐熱性、耐酸化性が良好な燃料電池用高分子電解質膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】高分子フィルム基材に、スルホン酸基導入可能なビニルモノマー及び水とケトン系溶媒を含む溶媒を含んでなるモノマー溶液を接触させた状態で紫外線を照射して、当該ビニルモノマーを液相系において当該高分子フィルム基材表面から光グラフト重合させて、グラフト鎖を当該基材表面及び当該基材表面から内部方向に伸張させる光グラフト重合工程と、前記光グラフト重合工程により形成された前記グラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分にスルホン酸基を導入する工程とを備えることを特徴とする、燃料電池用高分子電解質膜の製造方法を利用する。
その結果、基材表面上にのみラジカルを発生させることができ、基材表面から内側方向にビニル系モノマーをグラフト重合でき、さらに、スルホン酸基を導入することができるので、基材の固有の物性を維持しつつ、良好な物性を有する燃料電池用高分子電解質膜を提供できる。
【選択図】なしAn object of the present invention is to provide a high proton conductivity at a low graft rate while suppressing a decrease in intrinsic properties of a polymer film substrate, and to suppress dimensional change, mechanical strength change, and permeation of methanol fuel. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for fuel cells having good heat resistance and oxidation resistance and a method for producing the same.
A polymer film substrate is irradiated with ultraviolet rays in a state in which a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group and a monomer solution containing water and a solvent containing a ketone solvent are brought into contact with the polymer film substrate to thereby remove the vinyl monomer. In the liquid phase system, it is formed by photografting polymerization from the surface of the polymer film substrate, and extending the graft chain in the internal direction from the substrate surface and the substrate surface. And a step of introducing a sulfonic acid group into a portion of the graft chain into which a sulfonic acid group can be introduced. The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is used.
As a result, radicals can be generated only on the substrate surface, vinyl monomers can be graft polymerized inward from the substrate surface, and sulfonic acid groups can be introduced. A polymer electrolyte membrane for a fuel cell having good physical properties while maintaining the physical properties can be provided.
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Description
本発明は、優れたプロトン伝導性、寸法安定性、機械的特性と共に、優れた耐酸化性、耐熱性を有する燃料電池に適した高分子電解質膜の製造方法、高分子電解質膜、及びその膜を使用した燃料電池用膜電極接合体に関する。 The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell having excellent proton conductivity, dimensional stability, mechanical properties, and excellent oxidation resistance and heat resistance, a polymer electrolyte membrane, and the membrane The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly.
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、エネルギー密度が高いことから、メタノール、水素等の燃料を利用して、携帯機器、家庭向けコジェネレーション、自動車の電源や簡易補助電源として期待されている。この燃料電池において、優れた特性を有する高分子電解質膜の開発は最も重要な技術の一つである。 A fuel cell using a polymer electrolyte membrane is expected to be used as a power source for portable devices, home cogeneration, automobiles, and a simple auxiliary power source using fuel such as methanol and hydrogen because of its high energy density. In this fuel cell, the development of a polymer electrolyte membrane having excellent characteristics is one of the most important technologies.
高分子電解質膜型燃料電池において、電解質膜は、プロトンを伝導するための働きと、燃料である水素やメタノールと酸化剤である空気(酸素)とを直接混合させないための隔膜としての役割も有する。電解質膜としては、長期間電流を通すので膜の化学的な安定性、特に、膜の劣化の主因となる水酸化ラジカル等に対する耐性(耐酸化性)が優れていること、電池の動作温度である80℃以上での耐熱性があること、また、プロトン伝導性を高く保持するために膜の保水性が一定であることが要求される。一方、隔膜としての役割から、膜の力学的な強度、特には膜の伸び率が優れていることや寸法安定性が優れていること、水素ガス、メタノール又は酸素ガスについて過剰な透過性を有しないことなどが要求される。膜の伸び率が低いと、膜電極接合体成型時に膜にダメージを受けることになる。 In a polymer electrolyte membrane fuel cell, the electrolyte membrane also has a role of conducting protons and a membrane that prevents hydrogen or methanol as a fuel and air (oxygen) as an oxidant from being directly mixed. . As an electrolyte membrane, since it conducts current for a long time, it has excellent chemical stability, especially resistance to hydroxyl radicals (oxidation resistance), which is the main cause of membrane degradation, and the operating temperature of the battery. It is required that the film has heat resistance at 80 ° C. or higher, and that the water retention of the membrane is constant in order to maintain high proton conductivity. On the other hand, due to its role as a diaphragm, the membrane has excellent mechanical strength, in particular, excellent elongation and dimensional stability, and excessive permeability to hydrogen gas, methanol or oxygen gas. It is required not to. If the elongation percentage of the membrane is low, the membrane is damaged when the membrane electrode assembly is molded.
初期の高分子電解質膜型燃料電池では、スルホン酸基保持可能なモノマーであるスチレンと化学架橋剤として知られているジビニルベンゼンの共重合で製造した炭化水素系高分子電解質膜が使用された。しかし、この電解質膜は耐酸化性に起因する耐久性が非常に劣っていたため実用性に乏しく、その後はデュポン社により開発されたパーフルオロスルホン酸膜「ナフィオン(デュポン登録商標)」等が一般に用いられてきた。 In early polymer electrolyte membrane fuel cells, a hydrocarbon polymer electrolyte membrane produced by copolymerization of styrene, which is a monomer capable of retaining a sulfonic acid group, and divinylbenzene, which is known as a chemical crosslinking agent, was used. However, this electrolyte membrane has poor durability due to oxidation resistance, so it is not practical. After that, a perfluorosulfonic acid membrane “Nafion (DuPont registered trademark)” developed by DuPont is generally used. Has been.
しかしながら、ナフィオン等の従来の含フッ素系高分子電解質膜は、化学的な耐久性や安定性には優れているが、膜厚方向のプロトン伝導性として0.06S/cm前後の値を示すものの保水性が不十分でイオン交換膜の乾燥が生じてプロトン伝導性が低下したり、メタノールを燃料とする場合に膜の膨潤やメタノールのクロスオーバーが起きたりする。さらに、ナフィオン(登録商標)などの含フッ素系高分子電解質膜はモノマーの合成が困難かつ複雑であり、また、これを重合してポリマー膜を製造する工程も複雑であるため、製品は非常に高価であり、プロトン交換膜型燃料電池を自動車などへ搭載して実用化する場合の大きな障害となっている。そのため、前記ナフィオン(登録商標)等に替わる低コストで高性能な電解質膜を開発する努力がおこなわれてきた。 However, although conventional fluorine-containing polymer electrolyte membranes such as Nafion are excellent in chemical durability and stability, the proton conductivity in the film thickness direction shows a value of around 0.06 S / cm. Insufficient water retention results in drying of the ion exchange membrane, resulting in a decrease in proton conductivity, and when methanol is used as fuel, membrane swelling and methanol crossover may occur. Furthermore, fluorine-containing polymer electrolyte membranes such as Nafion (registered trademark) are difficult and complicated to synthesize monomers, and the process of polymerizing them to produce polymer membranes is also complicated, so the product is very It is expensive and has become a major obstacle when a proton exchange membrane fuel cell is mounted on an automobile and put to practical use. Therefore, efforts have been made to develop a low-cost and high-performance electrolyte membrane that replaces the Nafion (registered trademark) and the like.
一方、60Co線源からγ線、電子線利用による高エネルギーの放射線前照射・後グラフト重合法や高エネルギーの放射線同時グラフト重合法では、高分子膜にスルホン酸基を導入することができるモノマーをグラフトして、固体高分子電解質膜を作製する試みがなされている。本発明者らはこれらの新しい固体高分子電解質膜を開発すべく検討を重ね、高温・不活性ガス雰囲気下で放射線照射を施すことで架橋構造を付与したポリテトラフルオロエチレンフィルムにスチレンモノマーを放射線グラフト反応により導入し、次いでスルホン化することにより、メタノール燃料に膨潤し難い性質と共にイオン交換容量を広い範囲に制御できることを特徴とする固体高分子電解質膜及びその製造方法を出願した(例えば、特許文献1を参照)。しかし、この高分子電解質膜は、架橋構造の付与とグラフト鎖の導入を目的に、膜全体に高エネルギーの放射線を2段階にわたって照射するため分解による膜の機械的強度が低下した。 On the other hand, a monomer capable of introducing a sulfonic acid group into a polymer film in a high energy radiation pre-irradiation / post-graft polymerization method or a high energy radiation simultaneous graft polymerization method using γ rays and electron beams from a 60 Co ray source Attempts have been made to fabricate solid polymer electrolyte membranes by grafting the polymer. The present inventors have repeatedly studied to develop these new solid polymer electrolyte membranes, and radiated styrene monomer on a polytetrafluoroethylene film imparted with a crosslinked structure by irradiation with radiation in a high temperature / inert gas atmosphere. A solid polymer electrolyte membrane and a method for producing the same have been filed (for example, patents) characterized in that the ion exchange capacity can be controlled in a wide range together with the property of being difficult to swell in methanol fuel by introducing by graft reaction and then sulfonating. Reference 1). However, since the polymer electrolyte membrane is irradiated with high-energy radiation in two stages for the purpose of imparting a crosslinked structure and introducing a graft chain, the mechanical strength of the membrane due to decomposition is lowered.
一方、炭化水素系、炭化水素・炭化フッ素系、炭化フッ素系からなる高分子フィルム基材は、高エネルギーの放射線照射過程において、基材の内部にまで均一に照射を受けるため、基材の持つ化学構造の違い、照射下の雰囲気・温度・圧力などにより、グラフト重合に必要な開始点(ラジカル)の生成や架橋構造の付与ばかりでなく分解も起こることが確かめられ、その結果として基材の持つ固有の特性低下(機械的強度、耐熱性、耐久性等)を引き起こすことが判明した(例えば、非特許文献1を参照)。 On the other hand, polymer film base materials made of hydrocarbons, hydrocarbons / fluorinated carbons, and fluorocarbons are irradiated uniformly into the base material in the process of high-energy radiation irradiation. Due to the difference in chemical structure, irradiation atmosphere, temperature, pressure, etc., it was confirmed that not only the generation of initiation points (radicals) necessary for graft polymerization and the addition of a crosslinked structure but also decomposition occurred. It has been found that the inherent characteristic deterioration (mechanical strength, heat resistance, durability, etc.) is caused (see, for example, Non-Patent Document 1).
また、高分子フィルム基材の持つ固有の特性を低下させずに、耐酸化性、電気伝導性を有する燃料電池用高分子電解質膜を製造するために、高分子フィルム基材上に形成させた光重合開始剤を含有する下塗り層の表面に、スルホン酸基保持可能なビニルモノマー含有混合液を接触させた状態で紫外線を照射してグラフト重合させ、次いでグラフトした分子鎖同士、基材の分子鎖同士、グラフトした分子鎖と基材の分子鎖を放射線により多重架橋させ、さらにスルホン酸基を導入する高分子電解質膜の製造方法が試みられている(例えば、特許文献2を参照)。一般に、光増感剤は有機溶媒には可溶であるが水には不溶であるため光増感剤を溶解させた溶媒中に高分子フィルム基材を浸漬するなど基材表面に光増感剤を予め塗布しておく必要がある。この方法では、光重合開始剤を含有する溶媒中に高分子フィルム基材を浸漬させて、高分子フィルム基材上に光重合開始剤を含有する下塗り層を形成させている。 In addition, in order to produce a polymer electrolyte membrane for a fuel cell having oxidation resistance and electrical conductivity without deteriorating the inherent properties of the polymer film substrate, it was formed on the polymer film substrate. The surface of the undercoat layer containing the photopolymerization initiator is grafted by irradiating with ultraviolet rays in a state where the vinyl monomer-containing mixed liquid capable of holding a sulfonic acid group is in contact with the surface, and then the grafted molecular chains and base material molecules Attempts have been made to produce polymer electrolyte membranes in which chains, grafted molecular chains and base molecular chains are multiple crosslinked by radiation and sulfonic acid groups are introduced (see, for example, Patent Document 2). In general, a photosensitizer is soluble in an organic solvent but insoluble in water. Therefore, the polymer film substrate is immersed in a solvent in which the photosensitizer is dissolved. It is necessary to apply the agent in advance. In this method, a polymer film base material is immersed in a solvent containing a photopolymerization initiator to form an undercoat layer containing the photopolymerization initiator on the polymer film base material.
しかしながら、この方法では、ビニルモノマーを含有する特定の溶媒(例えば、水+アセトン系溶媒)を用いて光照射した場合、折角塗布した光増感剤がアセトンなどに溶解し、結果的に光増感剤が光励起し、基材にラジカルを生成させる働きを低下させてしまうという問題点がある。 However, in this method, when a specific solvent containing a vinyl monomer (for example, water + acetone solvent) is used for light irradiation, the photosensitizer applied at a corner is dissolved in acetone, resulting in photosensitization. There is a problem in that the sensitizer is photoexcited to reduce the function of generating radicals on the substrate.
この解決策として、塗布した光増感剤の表面を、さらにポリビニルアルコールなどで被覆し保護する方法が試みられている。しかしながら、塗布された光増感剤も高分子フィルム基材も固体同士であり、固体同士がその界面でラジカルの生成を行うのは困難であるラジカルの生成が非効率的であるという問題点がある。
本発明は上記問題点に鑑み、高分子フィルム基材の持つ固有の特性の低下を抑制しつつ、低いグラフト率において、高いプロトン伝導性を与えるとともに、優れた寸法安定性、機械的特性を有し、さらに、耐熱性、耐酸化性が良好な燃料電池用高分子電解質膜及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention provides high proton conductivity at a low graft rate while suppressing deterioration of the inherent properties of a polymer film substrate, and has excellent dimensional stability and mechanical properties. Furthermore, it aims at providing the polymer electrolyte membrane for fuel cells with favorable heat resistance and oxidation resistance, and its manufacturing method.
また、発明は、上記高分子電解質膜を膜電極に密着接合させてなる燃料電池用膜電極接合体を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell in which the polymer electrolyte membrane is tightly bonded to a membrane electrode.
本発明は、スルホン酸基を導入可能なグラフト鎖を膜表面から内部に伸張させる技術を確立できたことから、燃料電池への使用に適した高い伝導性、優れた寸法安定性、優れた機械的特性、メタノール燃料の低クロスオーバーなどを有する高分子電解質膜及びその製造方法を提供するものである。 Since the present invention has established a technique for extending a graft chain capable of introducing a sulfonic acid group from the membrane surface to the inside, it has high conductivity suitable for use in a fuel cell, excellent dimensional stability, excellent machine The present invention provides a polymer electrolyte membrane having a good characteristic, a low crossover of methanol fuel, and the like, and a method for producing the same.
すなわち、本発明の一態様による燃料電池用高分子電解質膜の製造方法は、高分子フィルム基材に、スルホン酸基導入可能なビニルモノマー及び水とケトン系溶媒を含む溶媒を含んでなるモノマー溶液を接触させた状態で紫外線を照射して、ビニルモノマーを液相系において高分子フィルム基材表面から光グラフト重合させて、グラフト鎖を基材表面及び基材表面から内部方向に伸張させる光グラフト重合工程と、光グラフト重合工程により形成されたグラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分(例えば、芳香環)にスルホン酸基を導入する工程とを備えることを特徴とする。上記モノマー溶液が、さらに多官能性ビニルモノマーを含むこともできる。また、上記光グラフト重合工程が、高分子フィルム基材に、上記モノマー溶液の蒸気を接触させた状態で紫外線を照射して、ビニルモノマーを気相系において高分子フィルム基材表面から光グラフト重合させて、グラフト鎖を基材表面及び基材表面から内部方向に伸張させることもできる。 That is, a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a monomer solution comprising a polymer film substrate containing a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group and a solvent containing water and a ketone solvent. UV grafting in a state of contact with the polymer, photo-grafting polymerization of the vinyl monomer from the surface of the polymer film substrate in the liquid phase system and extending the graft chain inward from the substrate surface and the substrate surface And a step of introducing a sulfonic acid group into a portion (for example, an aromatic ring) into which a sulfonic acid group can be introduced in the graft chain formed by the photograft polymerization step. The monomer solution may further contain a polyfunctional vinyl monomer. In the photograft polymerization step, the polymer film substrate is irradiated with ultraviolet rays in contact with the vapor of the monomer solution, and the vinyl monomer is photografted from the polymer film substrate surface in a gas phase system. Thus, the graft chain can be extended inward from the substrate surface and the substrate surface.
また、本発明の他の一態様による燃料電池用高分子電解質膜の製造方法は、高分子フィルターを介して、高分子フィルム基材の両面に深さ方向に対して2μm以内の範囲に片面として5〜30kGyの電子線照射処理を施す電子線照射工程と、スルホン酸基導入可能なビニルモノマー及び有機溶媒を含んでなるモノマー溶液を接触させて、ビニルモノマーを液相系において高分子フィルム基材表面からグラフト重合させて、グラフト鎖を基材表面及び基材表面から内部方向に伸張させるグラフト重合工程と、グラフト重合工程により形成されたグラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分(例えば、芳香環)にスルホン酸基を導入する工程とを備えることを特徴とする。上記モノマー溶液が、さらに多官能性ビニルモノマーを含むこともできる。また、上記グラフト重合工程が、高分子フィルム基材にモノマー溶液の蒸気を接触させた状態でグラフト重合を行って、ビニルモノマーを気相系において高分子フィルム基材表面からグラフト重合させて、グラフト鎖を基材表面及び基材表面から内部方向に伸張させることもできる。上記のいずれかの燃料電池用高分子電解質膜の製造方法において、上記高分子基材がオレフィン系高分子材料又はフッ素系高分子材料からなるものとすることもできる。 Moreover, the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane for fuel cells by other one aspect | mode of this invention is made into the range within 2 micrometers with respect to the depth direction on both surfaces of a polymer film base material through a polymer filter as one side. A polymer film substrate in a liquid phase system by contacting an electron beam irradiation process for performing an electron beam irradiation treatment of 5 to 30 kGy and a monomer solution containing a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group and an organic solvent. A graft polymerization step in which graft polymerization is performed from the surface and the graft chain is extended inward from the substrate surface and the substrate surface, and a sulfonic acid group-introducible portion in the graft chain formed by the graft polymerization step (for example, aromatic And a step of introducing a sulfonic acid group into the ring). The monomer solution may further contain a polyfunctional vinyl monomer. In the graft polymerization step, graft polymerization is performed in a state where the vapor of the monomer solution is in contact with the polymer film substrate, and the vinyl monomer is graft-polymerized from the surface of the polymer film substrate in the gas phase system, thereby grafting. Chains can also be extended inward from the substrate surface and substrate surface. In any one of the above-described methods for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, the polymer base material may be made of an olefin polymer material or a fluorine polymer material.
さらに、本発明のさらに他の一態様による燃料電池用高分子電解質膜は、上記のいずれかの方法によって製造された高分子電解質膜であって、グラフト鎖が高分子フィルム基材の表面層からのみ内部に伸張するものであり、さらに、グラフト率が5%以上であり、プロトン伝導率が膜面方向で0.03S/cm以上であり、かつ、プロトン伝導率が膜厚方向で0.06S/cm以上であることを特徴とする。また、この高分子電解質膜は、プロトン伝導度などの各特性を適切で広い範囲内に制御できること、一本のスルホン酸基導入(保持)グラフト鎖が膜断面を貫通していることから低いグラフト率においても高いプロトン伝導性を付与できること、機械的特性、寸法安定性に優れていること、固有の基材の持つ特性を維持できること、メタノール燃料の透過抑制に優れていること、さらに耐酸化性・耐熱性に優れていることの少なくとも1つ、好ましくは全てを備えることができる。 Furthermore, the polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to yet another aspect of the present invention is a polymer electrolyte membrane produced by any one of the above methods, wherein the graft chain is formed from the surface layer of the polymer film substrate. Furthermore, the graft ratio is 5% or more, the proton conductivity is 0.03 S / cm or more in the film surface direction, and the proton conductivity is 0.06 S in the film thickness direction. / Cm or more. In addition, this polymer electrolyte membrane can control each characteristic such as proton conductivity within an appropriate and wide range, and a single sulfonic acid group-introduced (retained) graft chain penetrates the cross section of the membrane. High proton conductivity, high mechanical properties, excellent dimensional stability, unique substrate characteristics, excellent methanol fuel permeation suppression, and oxidation resistance -It can be provided with at least one, preferably all, of excellent heat resistance.
また、本発明のさらに他の一態様による燃料電池用膜電極接合体は、上記のいずれかの方法によって製造された高分子電解質膜を膜電極に密着接合させてなることを特徴とする。この膜・電極接合体は、高分子電解質膜とその両面に接合した一対の触媒層を持つガス拡散電極で構成されている。燃料電池としての作動は、燃料であるメタノールや水素をアノード側のガス拡散電極に、もう一方のカソード側のガス拡散電極に酸化剤である酸素や空気を供給し、両方の電極間に外部負荷回路を接続するシステムからなる。この時、アノード側で生成したプロトン(H+)を、電解質膜を通ってカソード側に移動させ、カソード側で酸素と反応させ水を生成する。ここで重要なことは、高分子電解質膜はプロトンの移動媒体としての役割と燃料ガスや酸素ガスの隔膜としての機能していることである。 A membrane electrode assembly for a fuel cell according to still another aspect of the present invention is characterized in that the polymer electrolyte membrane produced by any one of the above methods is closely bonded to the membrane electrode. This membrane / electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane and a gas diffusion electrode having a pair of catalyst layers bonded to both sides thereof. The fuel cell is operated by supplying methanol or hydrogen as fuel to the gas diffusion electrode on the anode side and oxygen or air as oxidant to the other gas diffusion electrode on the cathode side. It consists of a system that connects circuits. At this time, protons (H + ) generated on the anode side move to the cathode side through the electrolyte membrane, and react with oxygen on the cathode side to generate water. What is important here is that the polymer electrolyte membrane functions as a proton transfer medium and functions as a diaphragm for fuel gas and oxygen gas.
本発明の燃料電池用高分子電解質膜及びその製造方法によれば、高分子フィルム基材の表面からのみグラフト鎖を内部に伸張させる反応技術が確立できたので、基材の持つ固有の性能を維持しながら、低いグラフト率において高いプロトン伝導性を与えるとともに優れた寸法安定性、機械的特性を有し、メタノール燃料透過を抑制し、さらに耐熱性、耐酸化性が良好な燃料電池用高分子電解質膜を提供できる。 According to the polymer electrolyte membrane for a fuel cell and the method for producing the same of the present invention, since the reaction technology for extending the graft chain only from the surface of the polymer film substrate can be established, the inherent performance of the substrate can be achieved. While maintaining high proton conductivity at a low graft ratio, it has excellent dimensional stability and mechanical properties, suppresses methanol fuel permeation, and has excellent heat resistance and oxidation resistance, and is a polymer for fuel cells An electrolyte membrane can be provided.
また、本発明の燃料電池用膜電極接合体によれば、上記の製造方法によって製造された高分子電解質膜を膜電極に密着接合させてなるので、低いグラフト率において高いプロトン伝導性を与えるとともに、優れた寸法安定性、機械的特性を有し、メタノール燃料透過を抑制し、さらに耐熱性、耐酸化性が良好な燃料電池用電極接合体を得ることができる。 Further, according to the membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the polymer electrolyte membrane produced by the above production method is tightly joined to the membrane electrode, so that high proton conductivity is provided at a low graft rate. Thus, an electrode assembly for a fuel cell having excellent dimensional stability and mechanical properties, suppressing methanol fuel permeation, and having good heat resistance and oxidation resistance can be obtained.
本発明の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法は、高分子基材の表面層上(表面の近傍)にのみラジカルを発生させ、スルホン酸基導入(保持)可能な部分を有するビニル(系)モノマーを、高分子基材の表面上のみならず基材の表面から内部方向に伸張するようにグラフト重合させ、さらにスルホン酸基導入可能な部分にスルホン酸基を導入させるものである。すなわち、本発明の一実施形態による燃料電池用高分子電解質膜の製造方法は、高分子フィルム基材に、スルホン酸基導入可能なビニルモノマー及び水とケトン系溶媒を含む溶媒を含んでなるモノマー溶液を接触させた状態で紫外線を照射して、ビニルモノマーを液相系において高分子フィルム基材表面から光グラフト重合させて、グラフト鎖を基材表面及び基材表面から内部方向に伸張させる光グラフト重合工程と、光グラフト重合工程により形成されたグラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分(例えば、芳香環)にスルホン酸基を導入する工程とを備える。また、本発明の他の実施形態による燃料電池用高分子電解質膜の製造方法は、高分子フィルターを介して、高分子フィルム基材の両面に深さ方向に対して2μm以内の範囲に片面として5〜30kGyの電子線照射処理を施す電子線照射工程と、スルホン酸基導入可能なビニルモノマー及び有機溶媒を含んでなるモノマー溶液を接触させて、ビニルモノマーを液相系において高分子フィルム基材表面からグラフト重合させて、グラフト鎖を基材表面及び基材表面から内部方向に伸張させるグラフト重合工程と、グラフト重合工程により形成されたグラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分(例えば、芳香環)にスルホン酸基を導入する工程とを備える。以下に詳述する。 The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to the present invention generates vinyl only on the surface layer (in the vicinity of the surface) of a polymer base material, and has a vinyl (system) having a portion capable of introducing (holding) a sulfonic acid group ) The monomer is graft-polymerized so as to extend not only on the surface of the polymer base material but also from the surface of the base material, and a sulfonic acid group is introduced into a portion where the sulfonic acid group can be introduced. That is, a method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a monomer comprising a polymer film substrate, a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group, and a solvent containing water and a ketone solvent. Light that irradiates UV light in contact with the solution, photopolymerizes the vinyl monomer from the surface of the polymer film substrate in the liquid phase system, and extends the graft chain inward from the substrate surface and substrate surface. A graft polymerization step, and a step of introducing a sulfonic acid group into a portion (for example, an aromatic ring) into which a sulfonic acid group can be introduced in the graft chain formed by the photograft polymerization step. In addition, the method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to another embodiment of the present invention has a single-sided surface within a range of 2 μm with respect to the depth direction on both sides of the polymer film substrate via a polymer filter. A polymer film substrate in a liquid phase system by contacting an electron beam irradiation process for performing an electron beam irradiation treatment of 5 to 30 kGy and a monomer solution containing a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group and an organic solvent. A graft polymerization step in which graft polymerization is performed from the surface and the graft chain is extended inward from the substrate surface and the substrate surface, and a sulfonic acid group-introducible portion in the graft chain formed by the graft polymerization step (for example, aromatic And a step of introducing a sulfonic acid group into the ring). This will be described in detail below.
本明細書中において使用する「高分子フィルム基材」という用語は、電解質膜の基材となるフィルム状の形態を有する高分子材料をいうものとする。例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体などから構成されるフィルムを用いることができる。これらのうち、オレフィン系高分子材料又はフッ素系高分子材料からなる基材は、企業の持つノウハウ技術を駆使し、耐久性、耐寒性、耐熱性、耐薬品性などの特性を付与することで、エンジニアプラスチックとして、多分野に利用されているため好ましい。また、本発明は、高分子フィルム基材がフッ素系材料であるときに特に効果を発揮する。
なお、高分子フィルム基材は、厚さとしては、10〜100μmが電解質膜の機械的強度などを維持する観点から好ましい。
As used herein, the term “polymer film substrate” refers to a polymer material having a film-like form to be a substrate of an electrolyte membrane. For example, a film composed of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, ethylene / tetrafluoroethylene copolymer, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyimide, acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer, or the like can be used. Of these, base materials made of olefin polymer materials or fluorine polymer materials are made possible by imparting properties such as durability, cold resistance, heat resistance, and chemical resistance by making full use of the company's know-how technology. It is preferable because it is used in many fields as an engineer plastic. The present invention is particularly effective when the polymer film substrate is a fluorine-based material.
The thickness of the polymer film substrate is preferably 10 to 100 μm from the viewpoint of maintaining the mechanical strength of the electrolyte membrane.
本発明において、紫外線を吸収する分子構造を有しているケトン系溶媒は、分子内にケトン構造を有する溶媒であり、アセトン、メチルエチルケトン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、2−ヘキサノン、2−ヘプタノン、4−ヘプタノン、メチルイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトニルアセトン、及びシクロヘキサノンなどを使用することができる。
これらのうち、メチルエチルケトン、アセトンは、多種多様な基材に対し高いラジカル生成能を有するため好ましい。
In the present invention, the ketone solvent having a molecular structure that absorbs ultraviolet rays is a solvent having a ketone structure in the molecule, and is acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, 2-hexanone, 2-heptanone. 4-heptanone, methyl isopropyl ketone, diisobutyl ketone, acetonyl acetone, cyclohexanone, and the like can be used.
Among these, methyl ethyl ketone and acetone are preferable because they have a high radical generating ability with respect to a wide variety of substrates.
ケトン系溶媒は、水と共にポリマー溶液用の溶媒として用いることができる。ケトン系溶媒と水の配合比(体積比)は、適宜決めることができ、例えば、ケトン系溶媒:水=1:1〜30、好ましくは1:3〜10である。 The ketone solvent can be used as a solvent for the polymer solution together with water. The mixing ratio (volume ratio) of the ketone solvent and water can be determined as appropriate, and is, for example, ketone solvent: water = 1: 1 to 30, preferably 1: 3 to 10.
さらに、ケトン系溶媒や水と共に、以下に例示する、水に可溶な有機溶媒であればいずれのものも混合して使用することができる。これらの有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、n−ブタノール、2−ブタノールなどのアルコール類、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、1,4−ジオキサン、アセトニトリルなどを挙げることができる。 Furthermore, any water-soluble organic solvent exemplified below can be mixed and used together with the ketone solvent and water. Examples of these organic solvents include alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, 2-propanol, n-butanol and 2-butanol, tetrahydrofuran, N, N-dimethylformamide, 1,4-dioxane, acetonitrile and the like. Can be mentioned.
これらのさらに混合される有機溶媒の配合量は、適宜決めることができる。例えば、ケトン系溶媒と水との合計量100体積%を基準として、5〜80体積%、好ましくは15〜50体積%を添加することができる。 The amount of these organic solvents to be further mixed can be determined as appropriate. For example, 5 to 80% by volume, preferably 15 to 50% by volume, can be added on the basis of 100% by volume of the total amount of the ketone solvent and water.
本発明において、高分子フィルム基材に紫外線による光や低エネルギー加速器からの電子線によりグラフト重合するビニルモノマー、すなわちスルホン基を導入可能な部分を有するビニルモノマーを以下に例示する。このようなビニルモノマーとしては、A群の1官能性ビニルモノマー、B群の多官能性ビニルモノマーからなる群から選択される1種単独で、又は2種以上の混合物を使用することができる。 In the present invention, examples of a vinyl monomer that is graft-polymerized to a polymer film substrate with light from ultraviolet rays or an electron beam from a low energy accelerator, that is, a vinyl monomer having a moiety capable of introducing a sulfone group are shown below. As such a vinyl monomer, one type selected from the group consisting of a monofunctional vinyl monomer of Group A and a polyfunctional vinyl monomer of Group B can be used alone, or a mixture of two or more types can be used.
なお、これらのビニルモノマーのうち、芳香環を有するビニルモノマーが、芳香環へのスルホン酸基の導入が容易であるため好ましい。よって、これらのビニルモノマーのうち、芳香環を有するビニルモノマーを1種以上使用することが好ましい。 Of these vinyl monomers, a vinyl monomer having an aromatic ring is preferable because it is easy to introduce a sulfonic acid group into the aromatic ring. Therefore, it is preferable to use at least one vinyl monomer having an aromatic ring among these vinyl monomers.
A群:
スチレン;メチルスチレン類(α−メチルスチレン、ビニルトルエンなど)、エチルスチレン類、ジメチルスチレン類、トリメチルスチレン類、ペンタメチルスチレン類、ジエチルスチレン類、イソプロピルスチレン類、ブチルスチレン類(3−tert−ブチルスチレン、4−tert−ブチルスチレンなど)などのアルキルスチレン;クロロスチレン類、ジクロロスチレン類、トリクロロスチレン類、ブロモスチレン類(2−ブロモスチレン、3−ブロモスチレン、4−ブロモスチレンなど)、フルオロスチレン類(2−フルオロスチレン、3−フルオロスチレン、4−フルオロスチレン)などのハロゲン化スチレン;メトキシスチレン類、メトキシメチルスチレン類、ジメトキシスチレン類、エトキシスチレン類、ビニルフェニルアリルエーテル類などのアルコキシスチレン;ヒドロキシスチレン類、メトキシヒドロキシスチレン類、アセトキシスチレン類、ビニルベンジルアルキルエーテル類などのヒドロキシスチレン誘導体;ビニル安息香酸類、ホルミルスチレン類などのカルボキシスチレン誘導体;ニトロスチレン類などのニトロスチレン;アミノスチレン類、ジメチルアミノスチレン類などのアミノスチレン誘導体;ビニルベンジルスルホン酸類、スチレンスルホニルフルオリド類などのイオンを含むスチレン誘導体からなる群から選択される1官能性ビニルモノマー。
Group A:
Styrene; methylstyrenes (α-methylstyrene, vinyltoluene, etc.), ethylstyrenes, dimethylstyrenes, trimethylstyrenes, pentamethylstyrenes, diethylstyrenes, isopropylstyrenes, butylstyrenes (3-tert-butyl) Alkyl styrenes such as styrene and 4-tert-butylstyrene); chlorostyrenes, dichlorostyrenes, trichlorostyrenes, bromostyrenes (2-bromostyrene, 3-bromostyrene, 4-bromostyrene, etc.), fluorostyrene (2-fluorostyrene, 3-fluorostyrene, 4-fluorostyrene), etc .; methoxystyrenes, methoxymethylstyrenes, dimethoxystyrenes, ethoxystyrenes, vinylphenyl Alkoxy styrenes such as ethers; Hydroxy styrene derivatives such as hydroxy styrenes, methoxy hydroxy styrenes, acetoxy styrenes and vinyl benzyl alkyl ethers; Carboxy styrene derivatives such as vinyl benzoic acids and formyl styrenes; Nitro such as nitro styrenes A monofunctional vinyl monomer selected from the group consisting of styrene; aminostyrene derivatives such as aminostyrenes and dimethylaminostyrenes; and styrene derivatives containing ions such as vinylbenzyl sulfonic acids and styrenesulfonyl fluorides.
B群:
ビス(ビニルフェニル)エタン、ジビニルベンゼン、2,4,6−トリアリロキシ−1,3,5−トリアジン(トリアリルシアヌレート)、トリアリル−1,2,4−ベンゼントリカルボキシレート(トリアリルトリメリテート)、ジアリルエーテル、トリアリル−1,3,5−トリアジン−2,4,6−(1H,3H,5H)−トリワン、2,3−ジフェニルブタジエン、1,4−ジフェニル−1,3−ブタジエン、1,4−ジビニルオクタフルオロブタン、ビス(ビニルフェニル)メタン、ジビニルアセチレン、ジビニルスルフィド、ジビニルスルフォン、ジビニルエーテル、ジビニルスルホキシド、イソプレン、1,5−ヘキサジエン、ブタジエン、1,4−ジビニル−2,3,5,6−テトラクロルベンゼンからなる群から選択される多官能性ビニルモノマー。
Group B:
Bis (vinylphenyl) ethane, divinylbenzene, 2,4,6-triallyloxy-1,3,5-triazine (triallyl cyanurate), triallyl-1,2,4-benzenetricarboxylate (triallyl trimellitate) ), Diallyl ether, triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6- (1H, 3H, 5H) -trione, 2,3-diphenylbutadiene, 1,4-diphenyl-1,3-butadiene, 1,4-divinyloctafluorobutane, bis (vinylphenyl) methane, divinylacetylene, divinyl sulfide, divinyl sulfone, divinyl ether, divinyl sulfoxide, isoprene, 1,5-hexadiene, butadiene, 1,4-divinyl-2,3 , 5,6-tetrachlorobenzene selected from the group consisting of Polyfunctional vinyl monomer.
これらのビニルモノマーを、溶媒、例えば上記のケトン系溶媒と水の混合液に溶解してビニルモノマー溶液とすることができる。ビニルモノマーと溶媒(混合液)から構成されるモノマー溶液中の配合量(モル比)は、例えばケトン系溶媒の配合量(体積%)などに応じて適宜決めることができる。例えば、溶媒中のケトン系溶媒の配合量(溶媒全体100体積%を基準にした体積%)が5〜30体積%である場合には、紫外線照射による液相系でのビニルモノマーのモル濃度(モル/L)は、0.1モル/L〜4モル/L、好ましくは0.3モル/L〜1.0モル/Lと規定することができる。また、紫外線照射による気相系でのビニルモノマーのモル濃度は、0.1モル/L〜3モル/L、好ましくは0.3モル/L〜1.5モル/Lと規定することができる。 These vinyl monomers can be dissolved in a solvent, for example, a mixed solution of the above ketone solvent and water to form a vinyl monomer solution. The blending amount (molar ratio) in the monomer solution composed of the vinyl monomer and the solvent (mixed solution) can be appropriately determined according to, for example, the blending amount (volume%) of the ketone solvent. For example, when the blending amount of the ketone solvent in the solvent (volume% based on 100% by volume of the whole solvent) is 5 to 30% by volume, the molar concentration of the vinyl monomer in the liquid phase by ultraviolet irradiation ( Mol / L) can be defined as 0.1 mol / L to 4 mol / L, preferably 0.3 mol / L to 1.0 mol / L. Further, the molar concentration of the vinyl monomer in the gas phase system by ultraviolet irradiation can be defined as 0.1 mol / L to 3 mol / L, preferably 0.3 mol / L to 1.5 mol / L. .
なお、上記のビニルモノマーを2種以上用いる場合には、その配合割合(例えば体積比)は適宜決めることができる。また、A群の1官能性ビニルモノマーに、Bの多官能性ビニルモノマーを所定の割合(例えば体積比)で配合して使用する場合には、燃料電池用高分子電解質膜としての良好な物性を維持しつつ、多官能性ビニルモノマー由来の架橋構造の形成により、耐酸化性、耐熱性をより向上させることができる。このときの、A群の1官能性ビニルモノマーとBの多官能性ビニルモノマーの割合(体積比)は、例えば、1官能性ビニルモノマー:多官能性ビニルモノマー=1:
0.01〜0.6、好ましくは1:0.02〜0.3である。また、例えば、芳香環を有するビニルモノマーの1種以上をA群の1官能性ビニルモノマーから選択し、さらに、多官能性ビニルモノマーの1種以上をB群の多官能性ビニルモノマーから選択することが好ましい。
In addition, when using 2 or more types of said vinyl monomers, the mixture ratio (for example, volume ratio) can be determined suitably. In addition, when the B group polyfunctional vinyl monomer is blended in a predetermined ratio (for example, volume ratio) and used with the monofunctional vinyl monomer of Group A, good physical properties as a polymer electrolyte membrane for fuel cells are used. The oxidation resistance and heat resistance can be further improved by forming a crosslinked structure derived from a polyfunctional vinyl monomer while maintaining the above. At this time, the ratio (volume ratio) of the monofunctional vinyl monomer of group A and the polyfunctional vinyl monomer of B is, for example, monofunctional vinyl monomer: polyfunctional vinyl monomer = 1:
0.01-0.6, preferably 1: 0.02-0.3. In addition, for example, one or more vinyl monomers having an aromatic ring are selected from Group A monofunctional vinyl monomers, and one or more multifunctional vinyl monomers are selected from Group B multifunctional vinyl monomers. It is preferable.
高分子フィルム基材への上記モノマーの光グラフト重合は、液相系や気相系で行うことができる。液相系の場合、光グラフト重合は、密封可能な活栓付パイレックス製ガラスアンプルを用いて、その中に予めビニルモノマー及び水とケトン系溶媒とを含む溶媒(混合液)からなるモノマー溶液を充填、次いで、高分子フィルム基材を浸し、窒素ガス等の不活性ガスをバブリング後、光(例えば紫外線)照射下、40〜90℃の温度でグラフト重合を行わせる。一方、気相系では、高分子フィルム基材を、密封可能な活栓付パイレックス製ガラスアンプル内でビニルモノマー及び水とケトン系溶媒を含む溶媒(混合液)からなるモノマー溶液と直接接触させることなく、40〜90℃の温度、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下でビニルモノマー及び水とケトン系溶媒とを含む溶媒(混合液)からなるモノマー溶液を気化させることによりビニルモノマーを気化させ、その蒸気を利用し、光グラフト重合を行わせる。 The photo-graft polymerization of the monomer onto the polymer film substrate can be performed in a liquid phase system or a gas phase system. In the case of a liquid phase system, the photograft polymerization uses a Pyrex glass ampoule with a cock that can be sealed, and a monomer solution consisting of a vinyl monomer and a solvent (mixed liquid) containing water and a ketone solvent is filled in it. Then, after immersing the polymer film substrate and bubbling an inert gas such as nitrogen gas, graft polymerization is performed at a temperature of 40 to 90 ° C. under irradiation of light (for example, ultraviolet rays). On the other hand, in the gas phase system, the polymer film substrate is not brought into direct contact with a monomer solution composed of a vinyl monomer and a solvent (mixture) containing water and a ketone solvent in a Pyrex glass ampoule with a stopcock that can be sealed. The vinyl monomer is vaporized by vaporizing a monomer solution composed of a vinyl monomer and a solvent (mixed solution) containing water and a ketone solvent under an inert gas atmosphere such as nitrogen gas at a temperature of 40 to 90 ° C. Steam is used to perform photografting polymerization.
グラフト重合を行わせる光線としては、紫外線が最も好ましく、紫外線照射の光源として超高圧水銀灯、高圧水銀灯、メタルハロライドランプ、キセノンランプ、低圧殺菌ランプ等が挙げられる。400W高圧水銀灯を用いた場合、照射時間は30〜600分であるのが好ましい。 Ultraviolet rays are most preferable as the light beam for carrying out the graft polymerization, and examples of the ultraviolet light source include ultrahigh pressure mercury lamps, high pressure mercury lamps, metal halide lamps, xenon lamps, and low pressure sterilization lamps. When a 400 W high pressure mercury lamp is used, the irradiation time is preferably 30 to 600 minutes.
一方、本発明では、光グラフト重合と同様に基材表面にのみラジカルを生成させる手段として、低エネルギー加速器からの電子線照射を利用できる。この場合、高分子フィルム基材の表面層にのみ電子線照射によるラジカルを生成させるために、高分子フィルターを介して高分子フィルム基材の表面層(例えば、基材表面から2μm以内)にのみ電子線照射によるラジカルを生成させ、次いで窒素ガスでバブリング処理済のビニルモノマー及び有機溶媒からなるモノマー溶液と直接接触させ、密封可能な活栓付パイレックス製ガラスアンプル内で窒素ガス雰囲気下、40〜90℃の温度でグラフト重合を行わせる。気相系では、電子線照射した高分子フィルム基材を、密封可能な活栓付パイレックス製ガラスアンプル内で、予め窒素ガスでバブリング処理したビニルモノマーと有機溶媒からなるモノマー溶液と直接接触させることなく、40〜90℃の温度、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下でビニルモノマー及び有機溶媒からなるモノマー溶液を気化することによりビニルモノマーを気化させ、その蒸気を利用し、グラフト重合を行わせる。 On the other hand, in the present invention, electron beam irradiation from a low-energy accelerator can be used as a means for generating radicals only on the surface of the substrate as in photograft polymerization. In this case, in order to generate radicals by electron beam irradiation only on the surface layer of the polymer film substrate, only the surface layer of the polymer film substrate (for example, within 2 μm from the substrate surface) is passed through the polymer filter. Radicals are generated by electron beam irradiation, then brought into direct contact with a monomer solution composed of a vinyl monomer and an organic solvent bubbling with nitrogen gas, and sealed in a Pyrex glass ampoule with a stopcock in a nitrogen gas atmosphere under a nitrogen gas atmosphere. Graft polymerization is carried out at a temperature of ° C. In the gas phase system, the polymer film substrate irradiated with the electron beam is not directly brought into contact with a monomer solution composed of a vinyl monomer and an organic solvent previously bubbled with nitrogen gas in a sealable Pyrex glass ampoule with a stopcock. The vinyl monomer is vaporized by vaporizing a monomer solution composed of a vinyl monomer and an organic solvent under an inert gas atmosphere such as nitrogen gas at a temperature of 40 to 90 ° C., and graft polymerization is performed using the vapor.
本発明の電子線照射処理の条件は、25〜50keVの加速電圧、20〜150μAの電流下、基材の片面当たり5〜30kGyである。
高分子フィルム基材の表面から照射によってラジカル生成が可能な深さは、例えば高分子フィルム基材の厚さなどに応じて決めることができるが、基材表面から2μm以内が基材の持つ固有の特性を保持するために好ましい。この深さは、高分子フィルターの厚さ、化学構造などによって制御することができる。また、加速電圧、基材と加速器の電子出口の距離、真空度などによっても制御できる。深さを制御するための高分子フィルターの厚さは1〜10μmが好ましく、2〜5μmがより好ましい。また高分子フィルターとしては例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレンなどの材質からなる高分子フィルターを使用できる。これらのうち、ポリエチレンナフタレートの材質からなる高分子フィルターは、薄膜にもかかわらず基材との密着性、取扱などの容易なことから好ましい。
The conditions of the electron beam irradiation treatment of the present invention are 5 to 30 kGy per one side of the substrate under an acceleration voltage of 25 to 50 keV and a current of 20 to 150 μA.
The depth at which radicals can be generated by irradiation from the surface of the polymer film substrate can be determined, for example, according to the thickness of the polymer film substrate, but the inherent property of the substrate is within 2 μm from the substrate surface. It is preferable in order to maintain the above characteristics. This depth can be controlled by the thickness and chemical structure of the polymer filter. It can also be controlled by the acceleration voltage, the distance between the substrate and the electron outlet of the accelerator, the degree of vacuum, and the like. The thickness of the polymer filter for controlling the depth is preferably 1 to 10 μm, and more preferably 2 to 5 μm. As the polymer filter, for example, a polymer filter made of a material such as polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, or polyethylene can be used. Among these, a polymer filter made of a polyethylene naphthalate material is preferable because it is easy to adhere to a base material and handle regardless of a thin film.
なお、上記のモノマー溶液を構成する有機溶媒としては、上記の光グラフト重合で使用されるケトン系溶媒、さらには混合使用可能な有機溶媒が挙げられる。すなわち、この上記のモノマー溶液を構成する有機溶媒は、光グラフト重合用の溶媒(混合液)とは異なり、ケトン系溶媒を必須の構成要素として含まなくてもよい。しかし、例えば、気相系における反応においては、ケトン系溶媒を含む有機溶媒がモノマーの蒸発量の制御、基材とモノマーの界面における親和性の制御などに関与するため好ましくは使用される。有機溶媒がケトン系溶媒を含む場合には、その配合量(体積比)は適宜決めることができる。例えば有機溶媒全体を100体積%として、ケトン系溶媒を2〜70体積%、好ましくは9〜25体積%含むことができる。 In addition, as an organic solvent which comprises said monomer solution, the ketone solvent used by said photograft polymerization, Furthermore, the organic solvent which can be mixed is mentioned. That is, the organic solvent constituting the monomer solution does not need to contain a ketone solvent as an essential component, unlike the photografting polymerization solvent (mixed solution). However, for example, in a reaction in a gas phase system, an organic solvent containing a ketone solvent is preferably used because it participates in the control of the evaporation amount of the monomer, the control of the affinity at the interface between the substrate and the monomer, and the like. When the organic solvent contains a ketone solvent, the blending amount (volume ratio) can be appropriately determined. For example, the total amount of the organic solvent is 100% by volume, and the ketone solvent can be contained in an amount of 2 to 70% by volume, preferably 9 to 25% by volume.
なお、電子線照射による液相系でのビニルモノマーのモル濃度(重量%)は、例えばモノマー溶液(モノマー+溶媒の合計量)100重量%を基準として、10〜60重量%、好ましくは20〜50重量%と規定することができる。また、電子線線照射による気相系でのビニルモノマーのモル濃度(モル/L(溶媒))は、0.1モル/L〜3モル/L、好ましくは0.3モル/L〜1.5モル/Lと規定することができる。
グラフト高分子フィルム基材にスルホン酸基を導入するには、グラフトした分子鎖中のフェニル基にクロルスルホン酸のジクロルエタン溶液やクロロホルム溶液を、公知の条件、例えば40〜80℃の温度、3〜20時間の条件下で反応させることによって行うことができる。
The molar concentration (% by weight) of the vinyl monomer in the liquid phase system by electron beam irradiation is, for example, 10 to 60% by weight, preferably 20 to 20%, based on 100% by weight of the monomer solution (monomer + solvent total amount). It can be defined as 50% by weight. Further, the molar concentration (mol / L (solvent)) of the vinyl monomer in the gas phase system by electron beam irradiation is 0.1 mol / L to 3 mol / L, preferably 0.3 mol / L to 1. It can be defined as 5 mol / L.
In order to introduce a sulfonic acid group into the graft polymer film substrate, a dichloroethane solution or chloroform solution of chlorosulfonic acid is added to a phenyl group in the grafted molecular chain under a known condition, for example, a temperature of 40 to 80 ° C., 3 to It can carry out by making it react on the conditions for 20 hours.
本発明の高分子電解質膜は、従来不可能とされていた光増感剤を高分子フィルム基材の表面に塗布することなく、水、ケトン系溶媒及び有機溶媒のみからなる混合液下で紫外線照射することで基材の表面にのみラジカルを生成、若しくは高分子フィルターを介して電子線照射を施すことで基材表面にのみラジカルを生成させ、いずれもラジカルを開始点としビニルモノマーをグラフト重合させると共に、グラフト鎖を基材表面から内部に伸張させるものである。 The polymer electrolyte membrane of the present invention can be applied to ultraviolet rays under a mixed solution composed of only water, a ketone solvent and an organic solvent without applying a photosensitizer which has been impossible in the past to the surface of the polymer film substrate. Irradiation generates radicals only on the surface of the base material, or radicals are generated only on the surface of the base material by irradiating with an electron beam through a polymer filter. And the graft chain is extended from the substrate surface to the inside.
すなわち、オレフィン系やフッ素系の高分子フィルム基材にスルホン酸基導入(保持)可能なビニルモノマーや化学架橋構造の導入に必要な多官能性ビニルモノマーを、光増感剤を使用せずに、本発明において見出した紫外線吸収能を持つケトン系溶媒を含む混合液を利用して、液相系もしくは気相系において照射することにより、該ビニルモノマーのグラフト重合反応を行わせ、その際、基材の表面で生成したラジカルを開始点にグラフト鎖を膜表面から従来不可能であった内部にまで伸張させ、最終的にスルホン酸基を導入することで、本発明の燃料電池用高分子電解質膜を製造することができる。本発明は、光増感剤を使用しないので、光増感剤を塗布する工程やその表面をさらに保護する工程を省略することができる。また、一般に高分子フィルム基材は疎水性であるため、高分子フィルム基材と水とは親和性を持たない。しかしながら、水中にアセトンを加えると、水とアセトンとは高い相溶性を有するため、水中のアセトンが、疎水性の基材表面で高い親和性を保持するとともに、その界面において固体・液体状態にもかかわらず均一な濡れ状態を得ることができる。本発明においては、この均一な濡れ状態を得ることができる。この均一な濡れ状態は非常に重要であり、この状態においては、ビニルモノマーは、例えば水に溶解しなくてもアセトンには溶解する。よって、アセトン・モノマー・基材は、高い親和性を維持しながら、光照射工程で、基材表面から均一に、かつ持続的にラジカルを発生させ、グラフト重合を発生させることが可能となる。光増感剤を使用する場合には、上記の均一な濡れ状態を作りだすことはできない。 In other words, vinyl monomers that can introduce (hold) sulfonic acid groups into olefinic and fluorine polymer film substrates and polyfunctional vinyl monomers necessary for the introduction of chemical cross-linking structures can be used without using photosensitizers. The vinyl monomer graft polymerization reaction is performed by irradiating in a liquid phase system or a gas phase system using a mixed solution containing a ketone solvent having an ultraviolet absorbing ability found in the present invention. The polymer for the fuel cell of the present invention is obtained by extending the graft chain from the surface of the membrane to the inside which was impossible in the past with radicals generated on the surface of the substrate as the starting point, and finally introducing sulfonic acid groups. An electrolyte membrane can be manufactured. Since the present invention does not use a photosensitizer, the step of applying the photosensitizer and the step of further protecting the surface can be omitted. In general, since the polymer film substrate is hydrophobic, the polymer film substrate and water have no affinity. However, when acetone is added to water, water and acetone have high compatibility. Therefore, acetone in water retains a high affinity on the surface of a hydrophobic substrate, and also has a solid / liquid state at the interface. Regardless, a uniform wet state can be obtained. In the present invention, this uniform wet state can be obtained. This uniform wet state is very important, and in this state, the vinyl monomer is dissolved in acetone even if it is not dissolved in water, for example. Therefore, the acetone / monomer / base material can generate radical polymerization uniformly and continuously from the surface of the base material in the light irradiation step while maintaining high affinity, thereby generating graft polymerization. When a photosensitizer is used, the above uniform wet state cannot be created.
一方、低エネルギー加速器からの電子線利用の場合、本発明において見出した上記の高分子フィルターを介してオレフィン系やフッ素系の高分子フィルム基材の表面層(2μm以内)にのみ生成させたラジカルを開始点に、液相系もしくは気相系において、該ビニルモノマーのグラフト重合反応を行わせ、グラフト鎖を膜表面から従来不可能であった内部にまで伸張させ、最終的にスルホン酸基を導入することで、本発明の燃料電池用高分子電解質膜を製造することができる。 On the other hand, in the case of using an electron beam from a low energy accelerator, radicals generated only on the surface layer (within 2 μm) of an olefin-based or fluorine-based polymer film substrate through the polymer filter found in the present invention. From the starting point, in the liquid phase or gas phase system, the vinyl monomer is subjected to a graft polymerization reaction, and the graft chain is extended from the surface of the membrane to the inside which was not possible before. By introducing, the polymer electrolyte membrane for fuel cells of the present invention can be produced.
また、本発明の高分子電解質膜は、上記のように基材の表面層で生成したラジカルを開始点にグラフト鎖を膜表面から従来不可能であった内部にまで伸張させ、最終的にスルホン酸基を導入するものであるので、「ひも状」のグラフト鎖が基材を貫通することからスルホン化によって得られた電解質膜は、5%以上のグラフト率において、膜面方向で0.03S/cm以上、膜厚方向で0.06S/cm以上の高い電気伝導性を示すばかりでなく、基材自体の持つ特性を維持できるため、電解質膜の寸法変化や燃料のクロスオーバーを著しく抑制できる。さらに、ビニルモノマーと化学架橋剤をグラフト共重合させて得られたスルホン酸基保持グラフト鎖は、架橋ネットワーク構造の導入によって、優れた耐久性や耐熱性を付与できる。 In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention uses the radicals generated in the surface layer of the substrate as described above to extend the graft chain from the membrane surface to the inside which was not possible before, and finally the sulfone. Since an acid group is introduced, an electrolyte membrane obtained by sulfonation because a “string-like” graft chain penetrates the substrate has a 0.03 S in the membrane surface direction at a graft ratio of 5% or more. In addition to exhibiting high electrical conductivity of 0.06 S / cm or more in the film thickness direction, the characteristics of the substrate itself can be maintained, so that dimensional changes of the electrolyte membrane and fuel crossover can be significantly suppressed. . Furthermore, a sulfonic acid group-retaining graft chain obtained by graft copolymerization of a vinyl monomer and a chemical crosslinking agent can impart excellent durability and heat resistance by introducing a crosslinked network structure.
また、本発明の高分子電解質膜においては、ビニルモノマーのグラフト率は、好ましくは5%以上24%以下である。また、プロトン伝導率としては、膜面方向では、好ましくは0.03S/cm以上0.08S/cm以下であり、膜厚方向では、好ましくは0.06S/cm以上0.13S/cm以下である。 In the polymer electrolyte membrane of the present invention, the graft ratio of the vinyl monomer is preferably 5% or more and 24% or less. The proton conductivity is preferably 0.03 S / cm or more and 0.08 S / cm or less in the film surface direction, and preferably 0.06 S / cm or more and 0.13 S / cm or less in the film thickness direction. is there.
グラフト量やスルホン化反応量、即ち、導入されるスルホン酸基の量を制御することによって、得られる膜のイオン交換容量を変えることができる。本発明において、グラフト率は、高分子フィルム基材に対し、5%以上が好ましいが、これはイオン交換容量として0.4mmol/g以上に相当する。ここで、イオン交換容量とは、乾燥電解質膜の重量1g当たりのイオン交換基量(mmol/g)である。グラフトモノマーの種類に依存するが、グラフト率を高くしてイオン交換基を多く導入すれば、イオン交換容量は高くなる。しかし、イオン交換基量を高くし過ぎると、含水時に膜が膨潤して膜の強度が低下する。一般的には、イオン交換容量が増すにつれて含水率も増大するが、本発明の高分子電解質膜の含水率は4%以上が好ましく、6〜25%がより好ましい。 By controlling the amount of grafting and the amount of sulfonation reaction, that is, the amount of sulfonic acid groups introduced, the ion exchange capacity of the resulting membrane can be changed. In the present invention, the graft ratio is preferably 5% or more with respect to the polymer film substrate, which corresponds to an ion exchange capacity of 0.4 mmol / g or more. Here, the ion exchange capacity is the amount of ion-exchange groups (mmol / g) per gram of dry electrolyte membrane. Although depending on the type of graft monomer, the ion exchange capacity is increased by increasing the graft ratio and introducing more ion exchange groups. However, if the amount of ion exchange groups is too high, the membrane swells when it contains water and the strength of the membrane decreases. In general, the water content increases as the ion exchange capacity increases, but the water content of the polymer electrolyte membrane of the present invention is preferably 4% or more, more preferably 6 to 25%.
また、本発明の高分子電解質膜は、機械的特性に優れている。機械的特性としては、特に伸び率が重要であり、本発明の高分子電解質膜は、特にこの伸び率が高く非常に優れている。高分子電解質膜に求められる機械的特性のうち伸び率は特に重要である。高分子電解質膜と触媒電極(炭素原子、白金など)を接合して得られる「膜・電極接合体(MEA)」は、燃料電池の心臓部を担うものになり、高分子電解質膜との相性が極端に悪い無機質な電極を、例えば加圧加熱処理などを施すことにより高分子電解質膜と接合させて作製される。高分子電解質膜が高い伸び率を有するということは、膜が弾力性に富んでいることになるため、加圧加熱処理による圧着を向上させることができる。 In addition, the polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in mechanical properties. As the mechanical properties, the elongation is particularly important, and the polymer electrolyte membrane of the present invention is particularly excellent because of its high elongation. Of the mechanical properties required for the polymer electrolyte membrane, the elongation is particularly important. A “membrane / electrode assembly (MEA)” obtained by joining a polymer electrolyte membrane and a catalyst electrode (carbon atom, platinum, etc.) plays a central role in the fuel cell and is compatible with the polymer electrolyte membrane. Is produced by bonding an extremely poor inorganic electrode to a polymer electrolyte membrane by, for example, applying pressure heat treatment. The fact that the polymer electrolyte membrane has a high elongation rate means that the membrane is rich in elasticity, so that the pressure bonding by the pressure heat treatment can be improved.
また、高分子電解質膜は、イオン交換容量とも関係するプロトン伝導率が高いものほど電気抵抗が小さく、電解質膜としての性能はすぐれている。しかし、25℃におけるイオン交換膜のプロトン伝導率が0.05S/cm未満である場合は、燃料電池としての出力性能が著しく低下する場合が多いため、高分子電解質膜のプロトン伝導率は0.05S/cm以上に設計されていることが多い。本発明による高分子電解質膜では、25℃における高分子電解質膜のプロトン伝導率がナフィオンや放射線グラフト重合を利用して合成したそれに比べ、5%の低グラフト率においても、ナフィオン並みの高い値が得られた。これは、紫外線や低エネルギーの電子線を利用し、基材の表面にのみ生成したラジカルを、グラフト重合の開始剤とすることで膜表面からスルホン酸基保持可能なグラフト分子鎖が、膜厚方向に対しナノーオーダーの一本鎖として存在することからプロトンが移動しやすく、かつ多重架橋構造が付与されているため水による膜の膨潤が抑制され、その結果として、隣接しているスルホン酸基同士の相互作用が容易になるためプロトンの伝達が高くなったと思われる。膜厚方向に対し一本鎖として導入する手法は、膜表面から内部にグラフト鎖を伸張できる本発明のグラフト重合法でのみ可能なことも特徴の一つである。 In addition, the higher the proton conductivity associated with the ion exchange capacity, the lower the electric resistance of the polymer electrolyte membrane, and the better the performance as an electrolyte membrane. However, when the proton conductivity of the ion exchange membrane at 25 ° C. is less than 0.05 S / cm, the output performance as a fuel cell is often significantly reduced. It is often designed to be 05 S / cm or more. In the polymer electrolyte membrane according to the present invention, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane at 25 ° C. is as high as that of Nafion even at a low grafting rate of 5%, compared with that synthesized using Nafion or radiation graft polymerization. Obtained. This is because the graft molecular chain that can hold sulfonic acid groups from the membrane surface by using radicals generated only on the surface of the substrate using ultraviolet rays or low-energy electron beams as the initiator for graft polymerization, Protons are easy to move because they exist as a single strand in the nano-order with respect to the direction, and since the multiple cross-linking structure is added, swelling of the membrane by water is suppressed, and as a result, adjacent sulfonic acid groups Proton transmission seems to have increased because the interaction between them becomes easier. One of the features is that the method of introducing a single chain in the film thickness direction is possible only by the graft polymerization method of the present invention in which the graft chain can be extended from the film surface to the inside.
なお、高分子電解質膜のプロトン伝導率を高めるため、高分子電解質膜の厚みを薄くすることも考えられる。しかし現状では、過度に薄い高分子電解質膜では破損しやすく、膜自体の製作が困難である。したがって、通常では30〜200μmの高分子電解質膜が使われている。本発明の場合、膜厚は10〜200μm、好ましくは10〜100μmの範囲のものが有効である。 It is also conceivable to reduce the thickness of the polymer electrolyte membrane in order to increase the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane. However, at present, an excessively thin polymer electrolyte membrane is easily damaged, and it is difficult to manufacture the membrane itself. Therefore, a polymer electrolyte membrane of 30 to 200 μm is usually used. In the present invention, a film thickness of 10 to 200 μm, preferably 10 to 100 μm is effective.
本発明の燃料電池用高分子電解質膜は膜電極に密着接合されて燃料電池用電極接合体を構成し、燃料電池に用いることができる。
また、本発明の燃料電池用高分子電解質膜は、イオン交換膜としても使用できる。
The polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention is closely bonded to a membrane electrode to constitute a fuel cell electrode assembly and can be used for a fuel cell.
The polymer electrolyte membrane for fuel cells of the present invention can also be used as an ion exchange membrane.
次に、本発明の高分子電解質膜を用いた膜・電極接合体について説明する。本発明の膜・電極接合体は、上述した本発明の高分子電解質膜と、アノード電極と、カソード電極とから構成される。 Next, a membrane / electrode assembly using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described. The membrane / electrode assembly of the present invention comprises the above-described polymer electrolyte membrane of the present invention, an anode electrode, and a cathode electrode.
アノード電極及びカソード電極は、当技術分野において通常使用されるものであれば特に限定されない。例えば、アノード電極は、触媒である白金・ルテニウム担持カーボンブラックを塗布したカーボンペーパーを使用することができ、カソード電極としては、触媒である白金担持カーボンブラックを塗布したカーボンペーパーを使用することができる。アノード及びカソードの触媒の担持量は、適宜決定することができる。 The anode electrode and the cathode electrode are not particularly limited as long as they are usually used in the art. For example, the anode electrode can be carbon paper coated with platinum / ruthenium-supported carbon black as a catalyst, and the cathode electrode can be carbon paper coated with platinum-supported carbon black as a catalyst. . The amount of the catalyst supported on the anode and cathode can be determined as appropriate.
本発明の膜・電極体は、上述した本発明の高分子電解膜を、アノード電極とカソード電極の間に配置し、熱プレス等の当技術分野において通常使用される方法を用いて接合することにより製造することができる。 In the membrane / electrode assembly of the present invention, the above-described polymer electrolyte membrane of the present invention is disposed between an anode electrode and a cathode electrode, and bonded using a method usually used in the art such as hot pressing. Can be manufactured.
本発明の燃料電池用高分子電解質膜及びその製造方法によれば、光吸収能を持つケトン系溶媒を含む混合液中での光グラフト重合や低エネルギーの電子線照射により基材の表面層にのみラジカルを生成させる手法の確立によって、グラフト鎖を膜表面のみならず従来不可能であった内部にも伸張させることができるので、高分子フィルム基材の持つ固有の特性を維持しつつ、低いグラフト率においても、高いプロトン伝導性を与えるとともに寸法変化、機械的な強度変化、メタノール燃料透過を抑制し、さらに耐熱性、耐酸化性が良好な燃料電池用高分子電解質膜を製造することができる。また、本発明の燃料電池用高分子電解質膜及びその製造方法によれば、製造条件の調整により、イオン交換容量等の高分子電解質膜の物性を広い範囲で制御できる。 According to the polymer electrolyte membrane for a fuel cell and the method for producing the same of the present invention, the surface layer of the substrate is formed by photograft polymerization or low energy electron beam irradiation in a mixed solution containing a ketone solvent having a light absorbing ability. By establishing a method that only generates radicals, the graft chain can be extended not only to the membrane surface but also to the interior, which was impossible in the past, so it is low while maintaining the inherent properties of the polymer film substrate. In terms of graft ratio, it is possible to produce a polymer electrolyte membrane for fuel cells that gives high proton conductivity, suppresses dimensional changes, mechanical strength changes, and methanol fuel permeation, and also has good heat resistance and oxidation resistance. it can. Moreover, according to the polymer electrolyte membrane for fuel cells and the method for producing the same of the present invention, the physical properties of the polymer electrolyte membrane such as ion exchange capacity can be controlled in a wide range by adjusting the production conditions.
さらに、本発明の燃料電池用膜電極接合体によれば、上記の製造方法によって製造された高分子電解質膜を膜電極に密着接合させてなるので、低いグラフト率において高いプロトン伝導性を与えるとともに寸法変化、機械的な強度変化、メタノール燃料透過を抑制し、さらに耐熱性、耐酸化性が良好な燃料電池用電極接合体を得ることができる。 Furthermore, according to the membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention, the polymer electrolyte membrane produced by the above production method is closely bonded to the membrane electrode, so that high proton conductivity is provided at a low graft rate. It is possible to obtain a fuel cell electrode assembly that suppresses dimensional changes, mechanical strength changes, and methanol fuel permeation, and also has good heat resistance and oxidation resistance.
以下、本発明を実施例及び比較例により説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、各測定値は以下の測定によって求めた。
(1)グラフト率(%)
フィルム基材を主鎖部、フッ素モノマーやこれらと炭化水素系モノマー等とのグラフト重合した部分をグラフト鎖部とすると、主鎖部に対するグラフト鎖部の重量比は、次式のグラフト率(Xdg [重量%])として表される。
Hereinafter, although an example and a comparative example explain the present invention, the present invention is not limited to this. In addition, each measured value was calculated | required by the following measurements.
(1) Graft rate (%)
When the film substrate is a main chain part, and the graft polymerized part of a fluorine monomer or a hydrocarbon monomer and the like is a graft chain part, the weight ratio of the graft chain part to the main chain part is the graft ratio (X dg [wt%]).
(2)イオン交換容量(mmol/g)
膜のイオン交換容量(Ion Exchange Capacity, IEC)は次式で表される。
(2) Ion exchange capacity (mmol / g)
The ion exchange capacity (Ion Exchange Capacity, IEC) of the membrane is expressed by the following equation.
[n(酸基)obs]の測定は、正確を期すため、膜を再度1M硫酸溶液中に50℃で4時間浸漬し、完全に酸型(H型)とした。その後、3MのNaCl水溶液中50℃、4時間浸漬して−SO3Na型とし、置換されたプロトン(H+)を0.2MのNaOHで中和滴定し酸基濃度を求めた。 For the measurement of [n (acid group) obs ], the membrane was again immersed in a 1M sulfuric acid solution at 50 ° C. for 4 hours to obtain an acid type (H type). Then, it was immersed in a 3 M NaCl aqueous solution at 50 ° C. for 4 hours to form —SO 3 Na type, and the substituted proton (H + ) was neutralized and titrated with 0.2 M NaOH to determine the acid group concentration.
(3)膨潤率(wt%)
室温で純水中、若しくは15Mメタノール水溶液中に保存しておいたH型のイオン交換膜をそれぞれ純水中、若しくはメタノール水溶液中から取り出し軽くふき取った後(約1分後)の膜の重量をWs(g)とし、その後、この膜を60℃にて16時間、真空乾燥した時の膜の重量Wd(g)を乾燥重量とすると、Ws、Wdから次式により膨潤率が求められる。
(3) Swelling rate (wt%)
Remove the H-type ion exchange membrane stored in pure water or 15M aqueous methanol solution at room temperature from pure water or aqueous methanol solution, and wipe it lightly (after about 1 minute). and W s (g), followed, 16 hours the film at 60 ° C., the weight W d (g) of the film when dried in vacuo and dry weight, W s, swelling ratio from W d by the following formula Desired.
(4)膜面方向のプロトン伝導度(S/cm)(例えば、非特許文献2を参照)
室温で、水中で保存のH型の高分子電解質膜を取り出し、両白金電極に挟み、インピーダンスよる膜面方向の抵抗を測定する。高分子電解質膜のプロトン伝導性は次式を用いて算出した。
(4) Proton conductivity in the membrane surface direction (S / cm) (for example, see Non-Patent Document 2)
An H-type polymer electrolyte membrane stored in water at room temperature is taken out and sandwiched between both platinum electrodes, and the resistance in the membrane surface direction due to impedance is measured. The proton conductivity of the polymer electrolyte membrane was calculated using the following formula.
(5)耐酸化性(導電性基脱離時間)
60℃の水溶液中で飽和膨潤させた電解質膜の重量を基準とし、次いで60℃の3%過酸化水素溶液に浸漬し、電解質膜の重量が減少し始めた時の時間(導電性基脱離時間)を耐酸化性の尺度とする。
(5) Oxidation resistance (conductive group elimination time)
Based on the weight of the electrolyte membrane saturated and swollen in an aqueous solution at 60 ° C., and then immersed in a 3% hydrogen peroxide solution at 60 ° C., the time when the weight of the electrolyte membrane starts to decrease (desorption of conductive group) Time) is a measure of oxidation resistance.
(6)機械的強度
高分子電解質膜の機械的強度は、引張強度(MPa)と最大伸び率(%)を、室温(約25℃)、湿度50%RHの下、JIS K7127に準じ、ダンベル型の試験片を用いて測定した。
(6) Mechanical strength The mechanical strength of the polymer electrolyte membrane is as follows: tensile strength (MPa) and maximum elongation (%) at room temperature (about 25 ° C.) and humidity of 50% RH according to JIS K7127. Measurements were made using a mold specimen.
(実施例1)
3cmx3cmx50μmに切断したポリフッ化ビニリデンフィルム基材(以下、「PVDF」と略す。)(株式会社クレハ製、商品名:クレハKFポリマー)をコック付きのパイレックス製のガラスアンプルに入れて脱気の後、ガラスアンプルに予め脱気しておいたメチルエチルケトン/イソプロパノール/水(5/28.5/66.5v%)の混合液(36mL)とスチレン(2.4mL、0.546mol/L)とからなるスチレンモノマー溶液(液相グラフト重合溶液系)を直接接触させ、窒素ガスで置換した後、コックを閉め、60℃で、光源として高圧水銀灯(400W)を用いて紫外線を1時間照射することで、液相系光グラフト重合を行った。得られた光グラフト重合膜をトルエンで洗浄し乾燥した。グラフト率は、12%であった。
Example 1
A polyvinylidene fluoride film substrate (hereinafter abbreviated as “PVDF”) cut to 3 cm × 3 cm × 50 μm (made by Kureha Co., Ltd., trade name: Kureha KF Polymer) is put into a Pyrex glass ampoule with a cock, and then deaerated. Styrene consisting of a mixed solution (36 mL) of methyl ethyl ketone / isopropanol / water (5 / 28.5 / 66.5 v%) and styrene (2.4 mL, 0.546 mol / L) previously deaerated in a glass ampoule. After directly contacting the monomer solution (liquid phase graft polymerization solution system) and replacing with nitrogen gas, the cock was closed, and the liquid was irradiated at 60 ° C. using a high pressure mercury lamp (400 W) as a light source for 1 hour. Phase-based photograft polymerization was performed. The obtained photograft polymerized film was washed with toluene and dried. The graft rate was 12%.
グラフト重合膜をスルホン化するため、1,2−ジクロロエタンで希釈した0.2Mクロロスルホン酸に浸漬し、60℃で6時間反応させた後、水洗により加水分解を行った。本実施例で得られた高分子電解質膜のイオン交換容量、含水率、プロトン伝導率、機械的特性、及び耐酸化性を測定した。その結果を表1に示す。 In order to sulfonate the graft polymerized membrane, it was immersed in 0.2 M chlorosulfonic acid diluted with 1,2-dichloroethane, reacted at 60 ° C. for 6 hours, and then hydrolyzed by washing with water. The ion exchange capacity, water content, proton conductivity, mechanical properties, and oxidation resistance of the polymer electrolyte membrane obtained in this example were measured. The results are shown in Table 1.
表1において、耐酸化性は時間を尺度として表されており、時間が長いほど、耐酸化性が優れていることを示している。本発明の耐酸化性は、3%過酸化水素(H2O2)水溶液中に電解質膜を浸漬し、60℃の温度で処理したときの膜の分解による重量変化を、時間を関数として調べた結果である。表1で、いくつかの実施例及び比較例における200時間は、この試験期間中分解が全く起こらないことを示している。 In Table 1, the oxidation resistance is expressed using time as a scale, and the longer the time, the better the oxidation resistance. The oxidation resistance of the present invention is determined by examining the change in weight due to the decomposition of the membrane as a function of time when the electrolyte membrane is immersed in a 3% hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) aqueous solution and treated at a temperature of 60 ° C. It is a result. In Table 1, 200 hours in some examples and comparative examples show that no degradation occurs during this test period.
(実施例2)
実施例1において、基材としてエチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(以下、「ETFE」と略す。)(旭硝子株式会社製、商品名:フルオン)を用いた。他の条件は実施例1と同じである。グラフト率は23%であった。その結果を表1に示す。
(Example 2)
In Example 1, an ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (hereinafter abbreviated as “ETFE”) (trade name: Fluon, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was used as a base material. Other conditions are the same as those in Example 1. The graft rate was 23%. The results are shown in Table 1.
(実施例3)
3cmx3cmx50μmに切断したPVDFをコック付きのパイレックス製ガラスアンプルに入れて脱気の後、ガラスアンプル中に予め脱気しておいたアセトン/水(6mL/30mL)の混合液とスチレン(2.4mL、0.546mol/L)とかななるスチレンモノマー溶液(液相グラフト重合溶液系)を直接接触させ、窒素ガスで置換した後、コックを閉め、60℃で、光源として高圧水銀灯(400W)を用いて紫外線を1時間照射することで、液相系光グラフト重合を行った。得られた光グラフト重合膜をトルエンで洗浄し乾燥した。グラフト率は、9%であった。その結果を表1に示す。
(Example 3)
PVDF cut to 3 cm × 3 cm × 50 μm was placed in a Pyrex glass ampoule with a cock and deaerated, and then a mixture of acetone / water (6 mL / 30 mL) previously deaerated in the glass ampoule and styrene (2.4 mL, 0.546 mol / L) and a styrene monomer solution (liquid phase graft polymerization solution system) directly contacted and replaced with nitrogen gas, then the cock was closed and a high pressure mercury lamp (400 W) was used as a light source at 60 ° C. Liquid phase photograft polymerization was performed by irradiating with ultraviolet rays for 1 hour. The obtained photograft polymerized film was washed with toluene and dried. The graft rate was 9%. The results are shown in Table 1.
(実施例4)
実施例3において、基材としてポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」と略す。)(日東電工株式会社製、商品名:ニトフロン)を用いた。紫外線照射は3時間である。他の条件は実施例3と同じである。グラフト率は、5%であった。その結果を表1に示す。
Example 4
In Example 3, polytetrafluoroethylene (hereinafter, abbreviated as “PTFE”) (manufactured by Nitto Denko Corporation, trade name: NITOFLON) was used as a base material. UV irradiation is 3 hours. Other conditions are the same as those in Example 3. The graft rate was 5%. The results are shown in Table 1.
(実施例5)
実施例4において、液相グラフト重合溶液系(スチレンモノマー溶液)に多官能性ビニルモノマーであるジビニルベンゼンをスチレンに対して5mol%を加えた。他の条件は実施例4と同じである。グラフト率は、10%であった。その結果を表1に示す。
(Example 5)
In Example 4, 5 mol% of divinylbenzene, which is a polyfunctional vinyl monomer, was added to styrene in a liquid phase graft polymerization solution system (styrene monomer solution). Other conditions are the same as those in Example 4. The graft rate was 10%. The results are shown in Table 1.
(実施例6)
実施例4において、PTFEとスチレンモノマー溶液を直接接触させずに、スチレンモノマー溶液の蒸気(気相グラフト重合溶液系)を利用して気相系光グラフト重合を行った。他の条件は実施例4と同様である。グラフト率は、5%であった。その結果を表1に示す。
(Example 6)
In Example 4, gas phase photografting polymerization was performed using vapor of styrene monomer solution (gas phase graft polymerization solution system) without directly contacting PTFE and styrene monomer solution. Other conditions are the same as in Example 4. The graft rate was 5%. The results are shown in Table 1.
(実施例7)
実施例6において、気相グラフト重合溶液系に多官能性ビニルモノマーであるビス(ビニルフェニル)エタンをスチレンに対して5mol%を加えた。他の条件は、実施例6と同じである。グラフト率は、15%であった。その結果を表1に示す。
(Example 7)
In Example 6, 5 mol% of bis (vinylphenyl) ethane, which is a polyfunctional vinyl monomer, was added to styrene in the gas phase graft polymerization solution system. Other conditions are the same as in Example 6. The graft rate was 15%. The results are shown in Table 1.
(実施例8)
電子線の加速電圧を25keVとし、99μAの電流値の条件下において、窒素雰囲気で、ポリエチレンナフタレートフィルター(5μm厚)(帝人デュポンフィルム株式会社製、商品名:テオネックス)を介して、5cmx5cmx50μmに切断したPVDFに、基材表面から2μmの深さのところに片面当たり20kGyの照射を両面に行なった。なお、基材表面から2μmの深さのところへの片面当たり20kGyの照射の確認は、富士フィルム株式会社製、三酢酸セルロースフィルム線量計(FT−125)により行った。
(Example 8)
The electron beam acceleration voltage is 25 keV, and under a current value of 99 μA, cut into 5 cm × 5 cm × 50 μm through a polyethylene naphthalate filter (thickness 5 μm) (trade name: Teonex, manufactured by Teijin DuPont Films Ltd.) in a nitrogen atmosphere. The irradiated PVDF was irradiated on both sides with 20 kGy per side at a depth of 2 μm from the substrate surface. In addition, the irradiation of 20 kGy per one side from the substrate surface to a depth of 2 μm was confirmed by a cellulose triacetate film dosimeter (FT-125) manufactured by Fuji Film Co., Ltd.
照射PVDFをコック付きのガラスアンプルに入れて脱気の後、ガラスアンプル中に予め脱気しておいたスチレン/イソプロパノール(40/60w%;60g)のスチレンモノマー溶液(液相グラフト重合溶液系)を直接接触させ、窒素ガスで置換した後、コックを閉め、60℃で6時間、グラフト重合を行った。得られたグラフト重合膜をトルエンで洗浄し乾燥した。グラフト率は、20%であった。その結果を表1に示す。 Styrene monomer solution (liquid phase graft polymerization solution system) of styrene / isopropanol (40/60 w%; 60 g) previously degassed in a glass ampoule after putting irradiated PVDF in a glass ampoule with a cock Were directly contacted and replaced with nitrogen gas, the cock was closed, and graft polymerization was carried out at 60 ° C. for 6 hours. The obtained graft polymerized membrane was washed with toluene and dried. The graft ratio was 20%. The results are shown in Table 1.
(実施例9)
実施例8において、スチレンモノマー溶液として、メチルエチルケトン/イソプロパノール/水(15mL:10/30/60v%)の混合液とスチレン(2.4mL、0.546mol/L)とからなるスチレンモノマー溶液を用いた。
Example 9
In Example 8, a styrene monomer solution composed of a mixed solution of methyl ethyl ketone / isopropanol / water (15 mL: 10/30/60 v%) and styrene (2.4 mL, 0.546 mol / L) was used as the styrene monomer solution. .
照射PVDFとスチレンモノマー溶液を直接接触させずに、スチレンモノマー溶液の蒸気(気相グラフト重合溶液系)を利用して気相系グラフト重合を60℃で3時間行った。他の条件は、実施例8と同じである。グラフト率は、19%であった。その結果を表1に示す。 Without direct contact between the irradiated PVDF and the styrene monomer solution, vapor phase graft polymerization was performed at 60 ° C. for 3 hours using vapor of the styrene monomer solution (gas phase graft polymerization solution system). Other conditions are the same as in Example 8. The graft rate was 19%. The results are shown in Table 1.
(実施例10)
実施例9において、気相グラフト重合溶液系に多官能性ビニルモノマーであるビス(ビニルフェニル)エタンをスチレンに対して5mol%を加えた。他の条件は実施例9と同じである。グラフト率は、24%であった。その結果を表1に示す。
(Example 10)
In Example 9, 5 mol% of bis (vinylphenyl) ethane, which is a polyfunctional vinyl monomer, was added to the styrene in the gas phase graft polymerization solution system. The other conditions are the same as in Example 9. The graft rate was 24%. The results are shown in Table 1.
(実施例11)
電子線の加速電圧を25keVとし、149μAの電流値の条件下において、窒素雰囲気で、ポリエチレンナフタレートフィルター(3μm厚)(帝人デュポンフィルム株式会社製、商品名:テオネックス)を介して、5cmx5cmx50μmに切断したPTFEに、基材表面から2μmの深さのところに片面当たり30kGyの照射を両面に行なった。
(Example 11)
The electron beam acceleration voltage is 25 keV, and under a current value of 149 μA, in a nitrogen atmosphere, cut into 5 cm × 5 cm × 50 μm through a polyethylene naphthalate filter (thick 3 μm) (Teijin DuPont Films, trade name: Teonex). The irradiated PTFE was irradiated on both sides with 30 kGy per side at a depth of 2 μm from the substrate surface.
照射PTFEをコック付きのガラスアンプルに入れて脱気の後、ガラスアンプル中に予め脱気しておいたスチレン/n−ブタノール(40/60w%;60g)のスチレンモノマー溶液(混合液:液相グラフト重合溶液系)を直接接触させ、窒素ガスで置換した後、コックを閉め、60℃で8時間、グラフト重合を行った。得られたグラフト重合膜をトルエンで洗浄し乾燥した。グラフト率は、11%であった。その結果を表1に示す。 Styrene monomer solution (mixture: liquid phase) of styrene / n-butanol (40/60 w%; 60 g), which has been degassed in a glass ampule after degassing by putting irradiated PTFE into a glass ampule with a cock The graft polymerization solution system) was directly contacted and replaced with nitrogen gas, the cock was closed, and graft polymerization was performed at 60 ° C. for 8 hours. The obtained graft polymerized membrane was washed with toluene and dried. The graft rate was 11%. The results are shown in Table 1.
(比較例1)
下記の表1に示したナフィオン112(デュポン製)について測定したイオン交換容量電気伝導度、含水率、及び耐酸化性の結果を表1の比較例1に示す。
(Comparative Example 1)
The results of ion exchange capacity electrical conductivity, water content, and oxidation resistance measured for Nafion 112 (manufactured by DuPont) shown in Table 1 below are shown in Comparative Example 1 in Table 1.
(比較例2)
実施例8において、ポリエチレンナフタレートフィルターを介さずにPVDFに直接電子線を照射した。実施例8と同じグラフト率を得るため、グラフト重合を3時間行なった。グラフト率は19%であった。その結果を表1の比較例2に示す。
(Comparative Example 2)
In Example 8, the PVDF was directly irradiated with an electron beam without passing through a polyethylene naphthalate filter. In order to obtain the same graft ratio as in Example 8, graft polymerization was carried out for 3 hours. The graft rate was 19%. The results are shown in Comparative Example 2 in Table 1.
(比較例3)
実施例11において、ポリエチレンナフタレートフィルターを介さずにPTFEに直接電子線を照射した。実施例11と同じグラフト率を得るため、グラフト重合を4時間行なった。グラフト率は12%であった。その結果を表1の比較例2に示す。
(Comparative Example 3)
In Example 11, the PTFE was directly irradiated with an electron beam without passing through a polyethylene naphthalate filter. In order to obtain the same graft ratio as in Example 11, graft polymerization was carried out for 4 hours. The graft rate was 12%. The results are shown in Comparative Example 2 in Table 1.
上記の表1から理解されるように、本発明の高分子電解質膜は、その種々の特性について、例えばプロトン伝導率については、膜面方向では、例えば0.03S/cm以上0.08S/cm以下の範囲、膜厚方向では、例えば0.06S/cm以上0.13S/cm以下の範囲のように、所望の範囲内で調整可能である。また、多官能性基を導入することにより、耐酸化性が向上し、従って、耐久性、耐熱性が向上する。
また、本発明の高分子電解質膜は、特に高い伸び率を示し、機械的特性も優れている。さらに、本発明の高分子電解質膜は、低い膨潤率、特にメタノール中で低い膨潤率を示し、従って、寸法安定性も優れている。
As understood from Table 1 above, the polymer electrolyte membrane of the present invention has various characteristics, for example, proton conductivity, for example, 0.03 S / cm or more and 0.08 S / cm in the membrane surface direction. In the following range and film thickness direction, adjustment can be made within a desired range, for example, a range of 0.06 S / cm to 0.13 S / cm. Further, by introducing a polyfunctional group, the oxidation resistance is improved, and therefore the durability and heat resistance are improved.
Further, the polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits a particularly high elongation and is excellent in mechanical properties. Furthermore, the polymer electrolyte membrane of the present invention exhibits a low swelling rate, particularly a low swelling rate in methanol, and therefore has excellent dimensional stability.
本発明の電解質膜は、低いグラフト率において高いプロトン伝導性を与えるとともに寸法安定性、高機械的強度、燃料の透過抑制、さらに耐熱性、耐酸化性を有するので、メタノール、水素等の燃料を利用して、携帯機器、家庭向けコジェネレーション、自動車用の電源や簡易補助電源として期待されている燃料電池に適した高分子電解質膜として使用される。 The electrolyte membrane of the present invention provides high proton conductivity at a low graft ratio and has dimensional stability, high mechanical strength, fuel permeation suppression, heat resistance, and oxidation resistance. It is used as a polymer electrolyte membrane suitable for a fuel cell expected as a power source for portable devices, home cogeneration, automobiles, and a simple auxiliary power source.
Claims (9)
前記光グラフト重合工程により形成された前記グラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分にスルホン酸基を導入する工程と
を備えることを特徴とする、燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。 A polymer film substrate is irradiated with ultraviolet rays in a state where a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group and a monomer solution containing water and a solvent containing a ketone solvent are brought into contact with each other, and the vinyl monomer is subjected to a liquid phase system. A photo-graft polymerization step of photo-grafting polymerization from the surface of the polymer film substrate, and extending a graft chain in an internal direction from the surface of the substrate and the surface of the substrate;
A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the step of introducing a sulfonic acid group into a portion where the sulfonic acid group can be introduced in the graft chain formed by the photograft polymerization step.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。 In the photograft polymerization step, the polymer film substrate is irradiated with ultraviolet rays in contact with the vapor of the monomer solution, and the vinyl monomer is photografted from the polymer film substrate surface in a gas phase system. 3. The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the graft chain is polymerized to extend from the substrate surface and the substrate surface in an internal direction.
スルホン酸基導入可能なビニルモノマー及び有機溶媒を含んでなるモノマー溶液を接触させて、当該ビニルモノマーを液相系において当該高分子フィルム基材表面からグラフト重合させて、グラフト鎖を当該基材表面及び当該基材表面から内部方向に伸張させるグラフト重合工程と、
前記グラフト重合工程により形成された前記グラフト鎖中のスルホン酸基導入可能な部分にスルホン酸基を導入する工程と
を備えることを特徴とする燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。 An electron beam irradiation step of applying an electron beam irradiation treatment of 5 to 30 kGy as one side in a range of 2 μm or less with respect to the depth direction on both surfaces of the polymer film substrate through the polymer filter;
A monomer solution comprising a vinyl monomer capable of introducing a sulfonic acid group and an organic solvent is brought into contact, and the vinyl monomer is graft polymerized from the surface of the polymer film substrate in a liquid phase system, and the graft chain is formed on the surface of the substrate. And a graft polymerization step of extending from the surface of the base material in the internal direction;
A method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising a step of introducing a sulfonic acid group into a portion of the graft chain formed by the graft polymerization step into which a sulfonic acid group can be introduced.
ことを特徴とする請求項4又は5記載の燃料電池用高分子電解質膜の製造方法。 In the graft polymerization step, graft polymerization is performed in a state where the vapor of the monomer solution is in contact with the polymer film substrate, and the vinyl monomer is graft-polymerized from the surface of the polymer film substrate in a gas phase system. 6. The method for producing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 4 or 5, wherein the graft chain is extended from the substrate surface and the substrate surface in an internal direction.
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