JP2013028710A - Ionically-conductive electrolyte membrane, and method of producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池等に好適に用いられるイオン伝導性電解質膜、およびその製造方法に関する。本発明はまた、当該イオン伝導性電解質膜を含む燃料電池用膜電極接合体、および当該燃料電池用膜電極接合体を含む固体高分子形燃料電池に関する。 The present invention relates to an ion conductive electrolyte membrane suitably used for a polymer electrolyte fuel cell and the like, and a method for producing the same. The present invention also relates to a fuel cell membrane electrode assembly including the ion conductive electrolyte membrane, and a polymer electrolyte fuel cell including the fuel cell membrane electrode assembly.
イオン伝導性電解質膜は、従来より、固体高分子形燃料電池、アルカリ電解槽、空気の加湿モジュールなどに用いられている。これらの用途のうちでも、最近特に固体高分子形燃料電池が注目されてきている。固体高分子形燃料電池においては、イオン伝導性電解質膜はプロトンを伝導する為の電解質として機能し、同時に燃料である水素やメタノールと酸素を直接混合させない為の隔膜としての役割も有する。 Conventionally, ion conductive electrolyte membranes have been used in polymer electrolyte fuel cells, alkaline electrolytic cells, air humidification modules, and the like. Among these applications, a polymer electrolyte fuel cell has recently attracted attention. In a polymer electrolyte fuel cell, the ion conductive electrolyte membrane functions as an electrolyte for conducting protons, and at the same time, functions as a diaphragm for preventing direct mixing of hydrogen, methanol, and oxygen as fuels.
従来の固体高分子形燃料電池は、燃料である水素や酸素を十分に加湿された状態で供給し、電解質膜に十分な水を保持させることにより、その機能を発現している。そのため、燃料電池システムには加湿装置などが組み入れられている。しかし、近年、燃料電池システム全体への低価格化への要求から、加湿装置のような補機を少なくすることが求められている。従って、近年、高温低湿度下で作動可能な固体高分子形燃料電池への需要が高まってきており、電解質膜にも、高温低加湿状態での性能が要求されてきている。 Conventional polymer electrolyte fuel cells exhibit their functions by supplying hydrogen or oxygen as a fuel in a sufficiently humidified state and retaining sufficient water in the electrolyte membrane. For this reason, a humidifier or the like is incorporated in the fuel cell system. However, in recent years, it has been required to reduce the number of auxiliary equipment such as a humidifier because of the demand for lower prices for the entire fuel cell system. Therefore, in recent years, there has been an increasing demand for polymer electrolyte fuel cells that can operate under high temperature and low humidity, and electrolyte membranes are also required to have performance in a high temperature and low humidity state.
相対湿度が低い環境で高いプロトン伝導性を示す電解質膜として、特許文献1に、親水性ブロックと疎水性ブロックとからなるブロック共重合体と、固体酸とを含有する複合高分子電解質膜であって、前記複合高分子電解質膜が前記親水性ブロックが形成する親水性ドメインと、前記疎水性ブロックが形成する疎水性ドメインとからなるミクロ相分離構造を有し、前記親水性ドメインに前記固体酸が局在化していることを特徴とする複合高分子電解質膜が提案されている。そして、ミクロ相分離構造として、耐水性や膜強度の観点からは、疎水性マトリクス中に親水性ドメインが膜厚方向に伸長したシリンダー状または球状に相分離した構造が好ましいことが記載されている。 As an electrolyte membrane exhibiting high proton conductivity in an environment with low relative humidity, Patent Document 1 discloses a composite polymer electrolyte membrane containing a block copolymer composed of a hydrophilic block and a hydrophobic block and a solid acid. The composite polymer electrolyte membrane has a microphase separation structure composed of a hydrophilic domain formed by the hydrophilic block and a hydrophobic domain formed by the hydrophobic block, and the solid acid is included in the hydrophilic domain. There has been proposed a composite polymer electrolyte membrane characterized in that is localized. In addition, as a microphase separation structure, from the viewpoint of water resistance and film strength, it is described that a structure in which a hydrophilic domain is separated into a cylindrical shape or a spherical shape in which a hydrophilic domain extends in a film thickness direction is preferable in a hydrophobic matrix. .
しかしながら、固体高分子形燃料電池の加湿装置を除去すると、電池の負荷変動に伴い発生する水の量が変動し、湿度が変化する。本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載されているような疎水性マトリクス中に親水性ドメインが膜厚方向に伸長したシリンダー状または球状に相分離した構造は、湿度変化によって電解質膜の吸水量が変化して膨潤収縮を繰り返し、その結果、電解質膜と電極との剥離が生じることがあるという問題があることがわかった。電解質膜と電極との剥離が生じると、電池反応がスムーズに進行しにくくなるなど、著しい性能低下をもたらすことになる。そして、本発明者らのさらなる検討により、膜面方向の寸法変化によって、電解質膜と電極との剥離が生じやすいことが明らかになってきた。 However, if the humidifier of the polymer electrolyte fuel cell is removed, the amount of water generated varies with the load variation of the cell, and the humidity changes. According to the study by the present inventors, a structure in which a hydrophilic domain is separated into a cylindrical shape or a spherical shape in which a hydrophilic domain extends in a film thickness direction in a hydrophobic matrix as described in Patent Document 1 is obtained by changing the humidity. It has been found that there is a problem in that the water absorption amount of the membrane changes and the swelling and shrinkage are repeated, and as a result, the electrolyte membrane and the electrode may be peeled off. When the electrolyte membrane and the electrode are peeled off, the battery reaction is difficult to proceed smoothly, resulting in a significant decrease in performance. Further studies by the present inventors have revealed that peeling between the electrolyte membrane and the electrode is likely to occur due to a dimensional change in the film surface direction.
そこで本発明は、高温低加湿状態においても高いイオン伝導性を有し、かつ湿度変化に対して高い寸法安定性を有するイオン伝導性電解質膜を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an ion conductive electrolyte membrane having high ion conductivity even in a high temperature and low humidity state and having high dimensional stability against humidity change.
本発明は、撥水性ポリマーを含むマトリクスと、イオン伝導性基を有する親水性ポリマーを含み、前記マトリクス中に分散するドメインとを有するイオン伝導性電解質膜であって、
前記マトリクス中において、前記ドメインが膜面方向に伸長しているイオン伝導性電解質膜である。
The present invention is an ion conductive electrolyte membrane having a matrix containing a water repellent polymer and a domain containing a hydrophilic polymer having an ion conductive group and dispersed in the matrix,
In the matrix, an ion conductive electrolyte membrane in which the domains extend in the film surface direction.
本発明のイオン伝導性電解質膜においては、膜厚方向の断面において、前記ドメインの膜面方向における最大長を長径とし、前記ドメインの膜厚方向における最大長を短径としたときに、長径/短径で表されるアスペクト比の平均値が、2以上であることが好ましい。 In the ion conductive electrolyte membrane of the present invention, in the cross section in the film thickness direction, when the maximum length in the film surface direction of the domain is the major axis and the maximum length in the film thickness direction of the domain is the minor axis, It is preferable that the average aspect ratio represented by the minor axis is 2 or more.
本発明のイオン伝導性電解質膜においては、前記撥水性ポリマーが、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、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリイミド、ポリアミドイミド、およびポリエーテルイミドからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。前記親水性ポリマーが、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸、およびポリアクリルアミドt−ブチルスルホン酸からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。前記撥水性ポリマーに、前記親水性ポリマーがグラフトしていることが好ましい。 In the ion conductive electrolyte membrane of the present invention, the water-repellent polymer is polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, polyethylene, polyether ether ketone, It is preferably at least one selected from the group consisting of aromatic polyimide, polyamideimide, and polyetherimide. The hydrophilic polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyisoprene sulfonic acid, and polyacrylamide t-butyl sulfonic acid. It is preferable that the hydrophilic polymer is grafted on the water-repellent polymer.
本発明はまた、撥水性ポリマーを含むマトリクスと、イオン伝導性基を有する親水性ポリマーを含み、前記マトリクス中に分散するドメインとを有するイオン伝導性電解質膜に、膜面方向において応力を生じさせる工程を含む上記のイオン伝導性電解質膜の製造方法である。 The present invention also causes stress to occur in the film surface direction in an ion conductive electrolyte membrane having a matrix containing a water-repellent polymer and a hydrophilic polymer having an ion conductive group and dispersed in the matrix. It is a manufacturing method of said ion conductive electrolyte membrane including a process.
本発明の製造方法においては、前記イオン伝導性電解質膜を溶媒に浸漬して膨潤させ、膨潤状態にてイオン伝導性電解質膜を定形枠に固定し、脱溶媒することにより、応力を生じさせることが好ましい。 In the production method of the present invention, the ion conductive electrolyte membrane is immersed in a solvent to swell, the ion conductive electrolyte membrane is fixed to a fixed frame in a swollen state, and stress is generated by removing the solvent. Is preferred.
本発明はまた、上記のイオン伝導性電解質膜を含む燃料電池用膜電極接合体である。 The present invention also provides a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising the above-described ion conductive electrolyte membrane.
本発明はまた、上記の燃料電池用膜電極接合体を含む固体高分子形燃料電池である。 The present invention is also a polymer electrolyte fuel cell including the fuel cell membrane electrode assembly.
本発明によれば、高温低加湿状態においても高いイオン伝導性を有し、かつ湿度変化に対して高い寸法安定性を有するイオン伝導性電解質膜が提供される。本発明のイオン伝導性電解質膜は、燃料電池用膜電極接合体に好適に使用することができ、特に固体高分子形燃料電池用途に有用である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ion conductive electrolyte membrane which has high ionic conductivity also in a high temperature low humidification state, and has high dimensional stability with respect to a humidity change is provided. The ion conductive electrolyte membrane of the present invention can be suitably used for a fuel cell membrane electrode assembly, and is particularly useful for a polymer electrolyte fuel cell application.
まず、本発明のイオン伝導性電解質膜について説明する。本発明のイオン伝導性電解質膜は、撥水性ポリマーを含むマトリクスと、イオン伝導性基を有する親水性ポリマーを含み、前記マトリクス中に分散するドメインとを有する。そして、前記マトリクス中において、前記ドメインが膜面方向に伸長していることに特徴を有する。 First, the ion conductive electrolyte membrane of the present invention will be described. The ion conductive electrolyte membrane of the present invention has a matrix containing a water-repellent polymer and a domain containing a hydrophilic polymer having an ion conductive group and dispersed in the matrix. And in the said matrix, it has the characteristics that the said domain is extended | stretched in the film surface direction.
本発明において、マトリクスに含まれる撥水性ポリマーとしては、エンジニアリングプラスチック系またはスーパーエンジニアリングプラスチック系芳香族ポリマー、オレフィン系ポリマー、およびフッ素化オレフィン系ポリマーが、化学的安定性や機械的強度などの面で好ましい。 In the present invention, the water-repellent polymer contained in the matrix includes engineering plastic or super engineering plastic aromatic polymers, olefin polymers, and fluorinated olefin polymers in terms of chemical stability and mechanical strength. preferable.
エンジニアリングプラスチック系またはスーパーエンジニアリングプラスチック系芳香族ポリマーの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、芳香族ポリイミド、およびこれらのポリマーの繰り返し単位を含むコポリマーなどが挙げられる。 Specific examples of engineering plastics or super engineering plastics aromatic polymers include polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polytrimethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, polyether ether ketone, polyether ketone, polysulfone, polysulfone. Examples include ether sulfone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyether imide, polyamide imide, aromatic polyimide, and a copolymer containing a repeating unit of these polymers.
オレフィン系ポリマーの具体例としては、ポリエチレン(例、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン)、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン、およびこれらのポリマーの繰り返し単位を含むコポリマーなどが挙げられる。 Specific examples of the olefin polymer include polyethylene (eg, high density polyethylene, low density polyethylene, ultrahigh molecular weight polyethylene), polypropylene, polybutene, polymethylpentene, and a copolymer containing repeating units of these polymers.
フッ素化オレフィン系ポリマーの具体例としては、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、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、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、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体、およびこれらのポリマーの繰り返し単位を含むコポリマーなどが挙げられる。 Specific examples of the fluorinated olefin polymer include polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene. , Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymers, polychlorotrifluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymers, and copolymers containing repeating units of these polymers.
撥水性ポリマーは、単独でまたは2種以上組み合わせて用いることができる。撥水性ポリマーは、製膜に必要な溶解性などの観点から、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、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリイミド、ポリアミドイミド、およびポリエーテルイミドからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、化学的安定性やコストの観点から、ポリフッ化ビニリデン、またはエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体であることがより好ましい。 The water-repellent polymers can be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of solubility necessary for film formation, the water-repellent polymer is polyvinylidene fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polypropylene, polyethylene, polyether ether ketone, It is preferably at least one selected from the group consisting of aromatic polyimide, polyamideimide, and polyetherimide. From the viewpoint of chemical stability and cost, polyvinylidene fluoride or ethylene-tetrafluoroethylene copolymer More preferably.
イオン伝導性基を有する親水性ポリマーのイオン伝導性基としては、プロトン伝導性基であることが好ましく、スルホン酸基であることがより好ましい。 The ion conductive group of the hydrophilic polymer having an ion conductive group is preferably a proton conductive group, and more preferably a sulfonic acid group.
親水性ポリマーとしては、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸、ポリアクリルアミドt−ブチルスルホン酸等が挙げられ、これらは単独でまたは2種以上組み合わせて用いることができる。また、これらの親水性ポリマーのモノマー成分が共重合したコポリマーを用いることもできる。親水性ポリマーは、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸、およびポリアクリルアミドt−ブチルスルホン酸からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。 Examples of the hydrophilic polymer include polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyallyl sulfonic acid, polyisoprene sulfonic acid, polyacrylamide t-butyl sulfonic acid and the like, and these can be used alone or in combination of two or more. . A copolymer obtained by copolymerizing the monomer components of these hydrophilic polymers can also be used. The hydrophilic polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfonic acid, polyisoprene sulfonic acid, and polyacrylamide t-butyl sulfonic acid.
本発明のイオン伝導性電解質膜では、撥水性ポリマーを含むマトリクス中に、親水性ポリマーを含むドメインが膜面方向に伸長して分散している。従来の撥水性ポリマーを含むマトリクスと、イオン伝導性基を有する親水性ポリマーを含み、前記マトリクス中に分散するドメインとを有するイオン伝導性電解質膜においては、マトリクス中に、膜厚方向に伸長したシリンダー状のドメインや球状のドメインが分散していた。しかしながら、本発明においては、マトリクス中に、膜面方向に伸長して扁平な形状をしたドメインが分散している(なお、本発明においては、ドメインはマトリクス中に分散しているため、層が積み重なったラメラ構造とは異なる)。このように、ドメインが膜面方向に伸長した扁平な形状を取ることによって、湿度変化に対する膜面方向における寸法安定性が向上する。これは、膜面方向よりも膜厚方向の方が膨潤しやすいためであると考えられる。 In the ion conductive electrolyte membrane of the present invention, the domain containing the hydrophilic polymer is elongated and dispersed in the film surface direction in the matrix containing the water repellent polymer. In an ion conductive electrolyte membrane having a matrix containing a conventional water repellent polymer and a hydrophilic polymer having an ion conductive group and dispersed in the matrix, the matrix extends in the film thickness direction. Cylindrical domains and spherical domains were dispersed. However, in the present invention, domains having a flat shape extending in the film surface direction are dispersed in the matrix (in the present invention, since the domains are dispersed in the matrix, the layer is It is different from the stacked lamella structure). Thus, the dimensional stability in the film | membrane surface direction with respect to a humidity change improves by taking the flat shape which the domain extended | stretched in the film | membrane surface direction. This is presumably because the film thickness direction is more likely to swell than the film surface direction.
本発明において、「撥水性ポリマーを含むマトリクス中に、親水性ポリマーを含むドメインが膜面方向に伸長している」とは、膜厚方向の断面を見た場合に、ドメインの膜面方向における最大長を長径とし、ドメインの膜厚方向における最大長を短径としたときに、長径/短径で表されるアスペクト比の平均値が、1より大きいことをいい、当該アスペクトの平均値は、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましい。なお、当該アスペクト比の平均値は、膜厚方向の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、10個以上のドメインについて長径および短径を求め、その平均値として求めることができる。 In the present invention, "the domain containing the hydrophilic polymer extends in the film surface direction in the matrix containing the water-repellent polymer" means that the domain in the film surface direction of the domain when the cross section in the film thickness direction is viewed. When the maximum length is the major axis and the maximum length in the film thickness direction of the domain is the minor axis, the average aspect ratio expressed by the major axis / minor axis is greater than 1, and the average value of the aspect is It is preferably 2 or more, and more preferably 5 or more. In addition, the average value of the aspect ratio can be obtained as an average value obtained by observing a cross section in the film thickness direction with a transmission electron microscope (TEM), obtaining a major axis and a minor axis for 10 or more domains.
次に本発明のイオン伝導性電解質膜の製造方法について説明する。本発明のイオン伝導性電解質膜は、撥水性ポリマーを含むマトリクスと、イオン伝導性基を有する親水性ポリマーを含み、前記マトリクス中に分散するドメインとを有するイオン伝導性電解質膜に、膜面方向において応力を生じさせる工程を含む方法により製造することができる。 Next, the manufacturing method of the ion conductive electrolyte membrane of this invention is demonstrated. The ion conductive electrolyte membrane of the present invention includes a matrix containing a water-repellent polymer, a hydrophilic polymer having an ion conductive group, and a domain dispersed in the matrix. Can be manufactured by a method including a step of generating stress.
原料となるイオン伝導性電解質膜においては、入手が容易であり、ドメインを膜面方向への伸長させやすいことから、ドメインが球状であることが好ましい。 In the ion conductive electrolyte membrane as a raw material, it is preferable that the domain is spherical because it is easily available and the domain is easily elongated in the film surface direction.
マトリクス中に球状のドメインが分散するイオン伝導性電解質膜は、公知方法に従い製造することができ、また、以下の方法によって製造することもできる。 An ion conductive electrolyte membrane in which spherical domains are dispersed in a matrix can be produced according to a known method, and can also be produced by the following method.
マトリクス中に球状のドメインが分散するイオン伝導性電解質膜の製造方法の好ましい一例は、撥水性ポリマー微粒子に、放射線を照射する工程、イオン伝導性基に変換可能な基を有する親水性モノマーを、撥水性ポリマー微粒子にグラフト重合させる工程、得られたグラフト重合体を溶媒に溶解させてキャスト溶液を調製し、当該キャスト溶液を支持体上に塗布し乾燥する工程、得られたフィルム中のグラフト重合体のイオン伝導性基に変換可能な基を、イオン伝導性基に変換する工程を含む。 A preferred example of a method for producing an ion conductive electrolyte membrane in which spherical domains are dispersed in a matrix is a step of irradiating water-repellent polymer fine particles with a radiation monomer, a hydrophilic monomer having a group that can be converted into an ion conductive group, A step of graft polymerization to water-repellent polymer fine particles, a step of preparing a cast solution by dissolving the obtained graft polymer in a solvent, applying the cast solution on a support and drying, a graft weight in the obtained film A step of converting a group that can be converted into an ion-conductive group of the coalescence into an ion-conductive group.
撥水性ポリマー微粒子の平均粒子径は、10μm〜500μmであることが好ましく、50μm〜300μmであることがより好ましい。撥水性ポリマー微粒子の粒子径が大きすぎると、微粒子の内部におけるグラフト反応の速度が遅くなるため、この工程に長時間を要して生産効率が低くなるおそれがある。粒子径が小さすぎると、各工程におけるポリマー材料の取り扱いが困難になるおそれがある。なお、平均粒子径は、乾式ふるい分け法により測定することができる。 The average particle size of the water-repellent polymer fine particles is preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 50 μm to 300 μm. If the particle size of the water-repellent polymer fine particles is too large, the speed of the grafting reaction inside the fine particles will be slow, and this process may take a long time and production efficiency may be reduced. If the particle size is too small, it may be difficult to handle the polymer material in each step. The average particle diameter can be measured by a dry sieving method.
撥水性ポリマー微粒子に照射する放射線としては、α線、β線、γ線、電子線、紫外線等の電離放射線が用いられるが、γ線や電子線が特に適している。グラフト重合に必要な照射線量は、通常、好ましくは1〜500kGyであり、より好ましくは10〜300kGyである。照射線量が1kGy未満であると、ラジカルの生成量が少なくなり、グラフト重合が困難になることがある。照射量が500kGyより大きいと、過剰な架橋反応やポリマーの劣化等が生じるおそれがある。 As radiation applied to the water-repellent polymer fine particles, ionizing radiation such as α-rays, β-rays, γ-rays, electron beams and ultraviolet rays is used, and γ-rays and electron beams are particularly suitable. The irradiation dose necessary for graft polymerization is usually preferably 1 to 500 kGy, more preferably 10 to 300 kGy. When the irradiation dose is less than 1 kGy, the amount of radicals generated is reduced, and graft polymerization may be difficult. When the irradiation amount is larger than 500 kGy, there is a possibility that an excessive crosslinking reaction, polymer deterioration or the like occurs.
なお、ポリマーへの放射線照射によるラジカル重合の方法としては、酸素の存在下で放射線の照射およびラジカル反応を行うパーオキサイド法と、酸素の不在下で放射線の照射およびラジカル反応を行うポリマーラジカル法とがある。パーオキサイド法では、ポリマーに結合した酸素ラジカルを起点としてグラフト反応が進行するのに対し、ポリマーラジカル法では、ポリマーに生じたラジカルを起点としてグラフト反応が進行する。ここで、酸素の存在によりグラフト反応が阻害されるのを防ぐため、ポリマーラジカル法によりラジカル重合を行うことが好ましい。したがって、撥水性ポリマー微粒子への放射線の照射は、不活性ガス雰囲気下または真空中で行うことが好ましい。照射時の温度(照射温度)は−100〜100℃が好ましく、−100〜60℃がより好ましい。照射温度が高すぎると生成したラジカルが失活し易い。ラジカルの失活を防止するために、照射後の撥水性ポリマー微粒子は、撥水性ポリマーのガラス転移温度以下の低温で保管されることが望ましい。 In addition, as a method of radical polymerization by radiation irradiation to a polymer, a peroxide method in which irradiation and radical reaction are performed in the presence of oxygen, and a polymer radical method in which irradiation and radical reaction are performed in the absence of oxygen. There is. In the peroxide method, the graft reaction proceeds from an oxygen radical bonded to the polymer, whereas in the polymer radical method, the graft reaction proceeds from a radical generated in the polymer. Here, in order to prevent the graft reaction from being inhibited by the presence of oxygen, it is preferable to perform radical polymerization by a polymer radical method. Therefore, it is preferable to irradiate the water-repellent polymer fine particles with radiation in an inert gas atmosphere or in a vacuum. The temperature during irradiation (irradiation temperature) is preferably -100 to 100 ° C, more preferably -100 to 60 ° C. If the irradiation temperature is too high, the generated radicals are liable to be deactivated. In order to prevent radical deactivation, it is desirable to store the water-repellent polymer fine particles after irradiation at a low temperature not higher than the glass transition temperature of the water-repellent polymer.
イオン伝導性基に変換可能な基を有する親水性モノマーの放射線照射された撥水性ポリマー微粒子へのグラフト重合は、当該親水性モノマーの溶液に、放射線照射された撥水性ポリマー微粒子を分散させた固液二相系において行うとよい。ここでも、上記と同様、酸素の存在による反応阻害を防ぐため、酸素濃度のできる限り低い雰囲気下で行うことが好ましい。 Graft polymerization of a hydrophilic monomer having a group that can be converted into an ion-conducting group onto irradiated water-repellent polymer fine particles is carried out by dispersing the irradiated water-repellent polymer fine particles in a solution of the hydrophilic monomer. It may be performed in a liquid two-phase system. Here again, as described above, in order to prevent reaction inhibition due to the presence of oxygen, it is preferable to carry out in an atmosphere having as low an oxygen concentration as possible.
親水性モノマーのイオン伝導性基に変換可能な基としては、グラフト重合の後の工程で加水分解やイオン交換により容易にイオン伝導性基へ変換できる基が好ましく、スルホン酸エステル基、およびスルホン酸塩基がより好ましい。これらの具体例としては、スルホン酸メチルエステル基、スルホン酸エチルエステル基、スルホン酸プロピルエステル基、スルホン酸ブチルエステル基、スルホン酸シクロヘキシルエステル基等のスルホン酸アルキルエステル基に代表されるスルホン酸脂肪族エステル基;およびスルホン酸フェニルエステル基等のスルホン酸芳香族エステル基;スルホン酸ナトリウム基、スルホン酸リチウム基等のスルホン酸のアルカリ金属塩基に代表されるスルホン酸の金属塩基が挙げられる。 The group that can be converted into an ion conductive group of the hydrophilic monomer is preferably a group that can be easily converted into an ion conductive group by hydrolysis or ion exchange in the subsequent step of graft polymerization, such as a sulfonic acid ester group and a sulfonic acid group. A base is more preferred. Specific examples thereof include sulfonic acid fatty acids represented by sulfonic acid alkyl ester groups such as sulfonic acid methyl ester group, sulfonic acid ethyl ester group, sulfonic acid propyl ester group, sulfonic acid butyl ester group, and sulfonic acid cyclohexyl ester group. And sulfonic acid aromatic ester groups such as sulfonic acid phenyl ester groups; metal bases of sulfonic acids represented by alkali metal bases of sulfonic acids such as sodium sulfonate groups and lithium sulfonate groups.
親水性モノマーの具体例としては、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸、イソプレンスルホン酸、アクリルアミドt−ブチルスルホン酸等のスルホン酸基をエステル化または塩化したモノマーが挙げられる。これらは単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。 Specific examples of the hydrophilic monomer include monomers obtained by esterifying or chlorinating sulfonic acid groups such as styrene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, allyl sulfonic acid, isoprene sulfonic acid, and acrylamide t-butyl sulfonic acid. These can be used alone or in combination of two or more.
親水性モノマーの溶液に用いられる溶媒としては、親水性モノマーを溶解するが、撥水性ポリマー微粒子を溶解しない溶媒が選ばれる。その具体例としては、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン等の芳香族炭化水素類、およびフェノール、クレゾール等のフェノール類等といった芳香族化合物、ならびに1,4−ジオキサン等の環状エーテル類等のエーテル類などが挙げられる。これらの中でも、芳香族化合物、特に、芳香族炭化水素類が好ましい。芳香族化合物を溶媒に用いると、効率良くモノマーを溶解し、かつ、撥水性ポリマー微粒子の形状を保つことができる。なお、溶媒は、単独でまたは2種以上混合して用いてもよい。 As the solvent used for the solution of the hydrophilic monomer, a solvent that dissolves the hydrophilic monomer but does not dissolve the water-repellent polymer fine particles is selected. Specific examples thereof include aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene, and aromatic compounds such as phenols such as phenol and cresol, and ethers such as cyclic ethers such as 1,4-dioxane. Etc. Among these, aromatic compounds, particularly aromatic hydrocarbons are preferable. When an aromatic compound is used as a solvent, the monomer can be efficiently dissolved and the shape of the water-repellent polymer fine particles can be maintained. In addition, you may use a solvent individually or in mixture of 2 or more types.
親水性モノマーの溶液のモノマー濃度としては、0.2〜3モル/Lが好ましく、0.5〜2.5モル/Lがより好ましい。モノマー濃度が0.2モル/L未満であるとグラフト反応が十分に進行しないことがある。モノマー濃度が3モル/Lより大きいと、撥水性ポリマー微粒子外部での反応や歩留まり低下等につながるおそれがある。 The monomer concentration of the hydrophilic monomer solution is preferably 0.2 to 3 mol / L, and more preferably 0.5 to 2.5 mol / L. If the monomer concentration is less than 0.2 mol / L, the graft reaction may not proceed sufficiently. When the monomer concentration is higher than 3 mol / L, there is a possibility that reaction outside the water-repellent polymer fine particles, yield reduction, and the like may occur.
親水性モノマーの溶液は、グラフト反応を阻害する溶存酸素を除去するために、ガラス、ステンレス等の容器に装填し、減圧脱気、または窒素等の不活性ガスによるバブリングを行うことが好ましい。この親水性モノマーの溶液を撹拌しながら、溶液中に放射線照射された撥水性ポリマー微粒子を投入してグラフト重合を開始する。 In order to remove dissolved oxygen that inhibits the graft reaction, the hydrophilic monomer solution is preferably loaded into a container such as glass or stainless steel and degassed under reduced pressure or bubbled with an inert gas such as nitrogen. While stirring this hydrophilic monomer solution, the water-repellent polymer fine particles irradiated with radiation are put into the solution to start graft polymerization.
グラフト重合における反応時間は、10分〜12時間程度が好ましく、反応温度は、好ましくは0〜100℃、より好ましくは40〜80℃である。 The reaction time in the graft polymerization is preferably about 10 minutes to 12 hours, and the reaction temperature is preferably 0 to 100 ° C, more preferably 40 to 80 ° C.
グラフト反応後、反応溶液から微粒子状のグラフト重合体を濾別する。さらに、溶媒、未反応のモノマー、およびホモポリマーを除去するために、このグラフト重合体を適量の溶媒で3〜6回洗浄した後、乾燥させる。洗浄用溶媒としては、トルエン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン等が好ましい。 After the grafting reaction, the particulate graft polymer is filtered off from the reaction solution. Further, in order to remove the solvent, unreacted monomer and homopolymer, the graft polymer is washed 3 to 6 times with an appropriate amount of solvent and then dried. As the cleaning solvent, toluene, methanol, isopropyl alcohol, acetone and the like are preferable.
得られた微粒子状のグラフト重合体を、溶媒に溶解することにより、キャスト溶液を調製する。グラフト重合体を溶解するための溶媒としては、グラフト重合における親水性モノマーと撥水性ポリマー微粒子とを溶解できる溶媒を適宜選択して用いることが好ましく、例えば、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非プロトン性極性溶媒が挙げられる。 A cast solution is prepared by dissolving the obtained fine particle graft polymer in a solvent. As the solvent for dissolving the graft polymer, a solvent capable of dissolving the hydrophilic monomer and the water-repellent polymer fine particles in the graft polymerization is preferably selected and used, for example, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone. And aprotic polar solvents such as dimethylformamide and dimethyl sulfoxide (DMSO).
キャスト溶液におけるグラフト重合体の濃度は、5〜30重量%が好ましく、10〜25重量%がより好ましい。この濃度が30重量%を超えると、キャスト溶液の粘度が高すぎるため、均一な膜厚のキャスト膜を形成することが容易ではなくなる。また、この濃度が5重量%未満であると、塗布液が流動しやすいため、均一な厚さのフィルムを得ることが容易ではなくなる。 The concentration of the graft polymer in the cast solution is preferably 5 to 30% by weight, and more preferably 10 to 25% by weight. If this concentration exceeds 30% by weight, the viscosity of the cast solution is too high, and it becomes difficult to form a cast film having a uniform film thickness. On the other hand, when the concentration is less than 5% by weight, the coating liquid tends to flow, so that it is not easy to obtain a film having a uniform thickness.
キャスト溶液を塗布するための支持体としては、ガラス板、金属板、樹脂製シート等が挙げられる。キャスト膜の乾燥工程で得られるフィルムの厚さとしては10〜70μmであることが好ましく、この厚さに応じてキャスト膜の膜厚を決めればよい。 Examples of the support for applying the cast solution include a glass plate, a metal plate, and a resin sheet. The thickness of the film obtained in the casting film drying step is preferably 10 to 70 μm, and the film thickness of the cast film may be determined according to this thickness.
キャスト溶液の支持体への塗布は、公知方法に従い行うことができる。 Application | coating to the support body of cast solution can be performed according to a well-known method.
塗布したキャスト溶液の乾燥に関し、厚さ10〜70μmのフィルムを形成する場合の乾燥温度は、乾燥に要する時間(乾燥時間)が6時間となる温度以上であることが好ましく、乾燥時間が2時間となる温度以上であることがより好ましい。乾燥温度は、グラフト重合体の融点より20℃低い温度以下であることが好ましく、グラフト重合体の融点より40℃低い温度以下であることがより好ましい。乾燥温度が高すぎて上記温度範囲から外れると、電解質膜のイオン伝導性が低下するおそれがある。乾燥温度が低すぎて上記温度範囲から外れると、この乾燥工程に長時間を要するため、電解質膜の生産性が低下することがある。 Regarding the drying of the applied cast solution, the drying temperature in the case of forming a film having a thickness of 10 to 70 μm is preferably not less than the temperature at which the time required for drying (drying time) is 6 hours, and the drying time is 2 hours. It is more preferable that the temperature be equal to or higher than the temperature. The drying temperature is preferably 20 ° C. or lower than the melting point of the graft polymer, and more preferably 40 ° C. or lower than the melting point of the graft polymer. If the drying temperature is too high and deviates from the above temperature range, the ionic conductivity of the electrolyte membrane may be lowered. If the drying temperature is too low and deviates from the above temperature range, the drying process takes a long time, and the productivity of the electrolyte membrane may be reduced.
こうして得られたフィルムはイオン伝導性基に変換可能な基を有する。よって、次に、当該基を加水分解やイオン交換等によりイオン伝導性基へ変換する。この変換工程は、公知方法に従い行うことができ、例えば、当該基がスルホン酸アルキルエステル基である場合は、硝酸、塩酸、硫酸等による酸処理、アルコール水溶液による処理、アミン誘導体溶液中での塩基処理等を行えばよい。また、当該基がスルホン酸金属塩基である場合は、硝酸、塩酸、硫酸等による酸処理を行えばよい。酸処理における酸の濃度は1規定程度が好ましい。これらの処理は必要に応じて加温条件下で行うとよい。 The film thus obtained has groups that can be converted into ion-conducting groups. Therefore, next, the group is converted into an ion conductive group by hydrolysis, ion exchange or the like. This conversion step can be performed according to a known method. For example, when the group is a sulfonic acid alkyl ester group, acid treatment with nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, etc., treatment with an aqueous alcohol solution, base in an amine derivative solution What is necessary is just to perform a process etc. When the group is a sulfonic acid metal base, acid treatment with nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid or the like may be performed. The acid concentration in the acid treatment is preferably about 1N. These treatments may be performed under heating conditions as necessary.
なお、イオン伝導性基への変換工程は、フィルム化前のグラフト重合体に対して行ってもよい。作業性の観点からは、イオン伝導性基への変換はフィルムに対して行われることが好ましい。 In addition, you may perform the conversion process to an ion conductive group with respect to the graft polymer before film forming. From the viewpoint of workability, the conversion to an ion conductive group is preferably performed on the film.
次に、本発明の製造方法の工程である、原料のイオン伝導性電解質膜に、膜面方向において応力を生じさせる工程について説明する。 Next, the process of generating stress in the direction of the film surface in the raw material ion conductive electrolyte film, which is a process of the production method of the present invention, will be described.
当該工程は、膜膨潤法、膜延伸法、圧延法等によって行うことができる。 This step can be performed by a film swelling method, a film stretching method, a rolling method, or the like.
膜膨潤法においては、原料のイオン伝導性電解質膜を溶媒に浸漬して膨潤させ、膨潤状態にてイオン伝導性電解質膜を定形枠に固定し、脱溶媒することにより、応力を生じさせる。 In the membrane swelling method, an ion conductive electrolyte membrane as a raw material is immersed in a solvent to swell, and the ion conductive electrolyte membrane is fixed to a fixed frame in a swollen state, and stress is generated by removing the solvent.
膜膨潤法において用いられる溶媒は、原料のイオン伝導性電解質膜を膨潤させることが可能な限り特に制限はなく、その例としては、トルエン、アセトン、ジメチルスルフォオキシド、メチルエチルケトン、アセチルアセトン、シクロヘキサノン、酢酸、無水酢酸、酢酸メチル、酢酸エチル、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルフォスフォルアミド、ジエチレントリアミン、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、n−ブタノール、水等が挙げられ、これらは単独でまたは2種以上の混合溶媒として用いることができる。 The solvent used in the membrane swelling method is not particularly limited as long as it can swell the raw material ion conductive electrolyte membrane. Examples thereof include toluene, acetone, dimethyl sulfoxide, methyl ethyl ketone, acetylacetone, cyclohexanone, acetic acid. , Acetic anhydride, methyl acetate, ethyl acetate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphamide, diethylenetriamine, ethylene oxide, propylene oxide, tetrahydrofuran, dioxane, methanol , Ethanol, isopropyl alcohol, n-butanol, water and the like, and these can be used alone or as a mixed solvent of two or more.
膨潤状態のイオン伝導性電解質膜の固定に用いられる定型枠は、膨潤状態のイオン伝導性電解質膜の膜面方向の大きさを維持できる剛性を有するものであれば特に制限はない。好ましくは、膨潤状態のイオン伝導性電解質膜の四周を定型枠で固定する。 The fixed frame used for fixing the swollen ion conductive electrolyte membrane is not particularly limited as long as it has rigidity capable of maintaining the size of the swollen ion conductive electrolyte membrane in the film surface direction. Preferably, the four sides of the swollen ion conductive electrolyte membrane are fixed with a fixed frame.
脱溶媒は、溶媒の沸点以上に加熱する等によって行うことができる。この脱溶媒操作により、膨潤したドメインから溶媒が除去されるに伴い、イオン伝導性電解質膜に収縮力が生じる。膜厚方向については、膨潤していたドメインは収縮力をそのまま受ける。しかしながら、膜面方向においては、定型枠によってイオン伝導性電解質膜は収縮が禁じられているため、収縮力に対して反作用の力が生じる。このようにして膜面方向に応力を生じさせることによって、イオン伝導性電解質膜中のドメインが膜面方向に伸長し、本発明のイオン伝導性電解質膜が得られる。 Desolvation can be performed by heating to the boiling point of the solvent or higher. As the solvent is removed from the swollen domain by this desolvation operation, a shrinkage force is generated in the ion conductive electrolyte membrane. In the film thickness direction, the swollen domain receives the contraction force as it is. However, in the direction of the membrane surface, the ion conductive electrolyte membrane is prohibited from contracting by the fixed frame, and thus a reaction force is generated against the contraction force. By generating stress in the membrane surface direction in this way, the domains in the ion conductive electrolyte membrane extend in the membrane surface direction, and the ion conductive electrolyte membrane of the present invention is obtained.
膜延伸法においては、原料のイオン伝導性電解質膜を延伸することにより応力を生じさせる。このとき、溶媒を用いて原料のイオン伝導性電解質膜を膨潤させてもよく、溶媒を用いなくてもよい。延伸は、一軸延伸と二軸延伸のいずれであってもよいが、二軸延伸が好ましい。均一で厚みの不均一性を小さくする観点からは、溶媒を用いた延伸が好ましい。延伸により膜面方向に応力を生じさせることによって、イオン伝導性電解質膜中のドメインが膜面方向に伸長し、本発明のイオン伝導性電解質膜が得られる。 In the membrane stretching method, stress is generated by stretching an ion conductive electrolyte membrane as a raw material. At this time, the raw material ion conductive electrolyte membrane may be swollen using a solvent, and the solvent may not be used. The stretching may be either uniaxial stretching or biaxial stretching, but biaxial stretching is preferred. From the viewpoint of reducing uniformity and thickness nonuniformity, stretching using a solvent is preferred. By generating stress in the film surface direction by stretching, the domains in the ion conductive electrolyte film extend in the film surface direction, and the ion conductive electrolyte film of the present invention is obtained.
膜膨潤圧延法においては、原料のイオン伝導性電解質膜を溶媒に浸漬して膨潤させ、膨潤状態のイオン伝導性電解質膜の両面を上下から支持体で挟み込み、一定圧力で膜厚方向に圧力を印加し、この状態で脱溶媒を行い、膜面方向に応力を生じさせる。 In the film swelling rolling method, the raw material ion conductive electrolyte membrane is immersed in a solvent to swell, and both sides of the swollen ion conductive electrolyte membrane are sandwiched by the support from above and below, and the pressure is increased in the film thickness direction at a constant pressure. Applied and desolventized in this state to generate stress in the film surface direction.
支持体は、ガラス板、金属板等を用いることができる。 A glass plate, a metal plate, etc. can be used for a support body.
脱溶媒は、溶媒の沸点以上に加熱する等によって行うことができる。脱溶媒により、膨潤していたドメインは、膜厚方向については、収縮力に加え上下から圧力を受ける。さらに、溶媒の抜け道が膜周囲の側面しかないため、溶媒は、膜面方向へ移動しようとし、また、膜の上下からの圧力も膜面方向に逃げようとする。これによって、膜面方向に応力が生じて、イオン伝導性電解質膜中のドメインが膜面方向に伸長して、本発明のイオン伝導性電解質膜が得られる。 Desolvation can be performed by heating to the boiling point of the solvent or higher. The domain swollen by desolvation receives pressure from above and below in addition to the contraction force in the film thickness direction. Furthermore, since the solvent escape route is only on the side surface around the membrane, the solvent tends to move in the direction of the membrane surface, and pressure from above and below the membrane also tries to escape in the membrane surface direction. As a result, stress is generated in the film surface direction, and the domains in the ion conductive electrolyte film are elongated in the film surface direction, whereby the ion conductive electrolyte film of the present invention is obtained.
このようにして得られたイオン伝導性電解質膜は、そのままの形状で、所定温度と時間保持されることが好ましい。当該温度としては、例えば、撥水性ポリマーがポリフッ化ビニリデン、親水性ポリマーがポリスチレンスルホン酸である場合、好ましくは60〜170℃である。 The ion-conducting electrolyte membrane thus obtained is preferably kept as it is and maintained at a predetermined temperature and time. For example, when the water-repellent polymer is polyvinylidene fluoride and the hydrophilic polymer is polystyrene sulfonic acid, the temperature is preferably 60 to 170 ° C.
本発明のイオン伝導性電解質膜の厚さは、用途に応じて適宜決定すればよく、好適には、10〜70μmである。 The thickness of the ion conductive electrolyte membrane of the present invention may be appropriately determined according to the use, and is preferably 10 to 70 μm.
本発明のイオン伝導性電解質膜は、高温低加湿状態においても高いイオン伝導性を有し、かつ湿度変化に対して高い寸法安定性を有する。よって、燃料電池用膜電極接合体に好適に用いることができる。そこで、本発明はまた、上記のイオン伝導性電解質膜を含む燃料電池用膜電極接合体である。当該燃料電池用膜電極接合体は、例えば、公知の燃料電池用膜電極接合体のイオン伝導性電解質膜を上記のイオン伝導性電解質膜に置き換えることによって構成することができる。 The ion conductive electrolyte membrane of the present invention has high ion conductivity even in a high temperature and low humidity state, and has high dimensional stability against humidity changes. Therefore, it can be suitably used for a membrane electrode assembly for a fuel cell. Therefore, the present invention is also a fuel cell membrane electrode assembly including the ion conductive electrolyte membrane described above. The membrane electrode assembly for a fuel cell can be constituted, for example, by replacing the ion conductive electrolyte membrane of a known fuel cell membrane electrode assembly with the above ion conductive electrolyte membrane.
本発明の燃料電池用膜電極接合体は、固体高分子形燃料電池に好適に用いることができる。そこで、本発明はまた、上記の燃料電池用膜電極接合体を含む固体高分子形燃料電池である。当該固体高分子形燃料電池は、例えば、公知の固体高分子形燃料電池の燃料電池用膜電極接合体を上記の燃料電池用膜電極接合体に置き換えることによって構成することができる。当該固体高分子形燃料電池は、加湿装置が無くても安定して動作することができ、よって低価格で構築することができる。 The membrane electrode assembly for a fuel cell of the present invention can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell. Therefore, the present invention is also a polymer electrolyte fuel cell including the fuel cell membrane electrode assembly. The polymer electrolyte fuel cell can be constituted, for example, by replacing a membrane electrode assembly for a fuel cell of a known polymer electrolyte fuel cell with the above membrane electrode assembly for a fuel cell. The polymer electrolyte fuel cell can operate stably without a humidifier, and can be constructed at a low price.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。まず、実施例および比較例について行われた評価方法について記載する。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples. First, the evaluation method performed about the Example and the comparative example is described.
〔イオン交換容量(IEC: Ion Exchange Capacity)〕
十分に乾燥させ秤量した電解質膜(約12cm2、厚み:任意)を3モル/Lの塩化ナトリウム水溶液に浸漬し、ウォーターバス中、60℃で12時間以上反応させた。室温まで冷却した後、膜をイオン交換水で充分に洗浄し、反応溶液と洗浄液を、電位差自動滴定装置(AT−510;京都電子工業株式会社製)を使用して0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、下記式にてイオン交換容量を算出した。
IEC(meq/g)=(滴定量(L)×NaOH濃度(N)×1000)/乾燥膜重量(g)
[Ion exchange capacity (IEC: Ion Exchange Capacity)]
A sufficiently dried and weighed electrolyte membrane (about 12 cm 2 , thickness: arbitrary) was immersed in a 3 mol / L sodium chloride aqueous solution and reacted at 60 ° C. for 12 hours or more in a water bath. After cooling to room temperature, the membrane was thoroughly washed with ion-exchanged water, and the reaction solution and the washing solution were mixed with 0.05N sodium hydroxide using a potentiometric automatic titrator (AT-510; manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.). Titration with an aqueous solution was performed, and the ion exchange capacity was calculated by the following formula.
IEC (meq / g) = (Titration amount (L) × NaOH concentration (N) × 1000) / Dry membrane weight (g)
〔膜厚〕
膜厚は、尾崎製作所製ダイヤルシックネスゲージG−6C(1/1000mm、測定子直径φ5mm)を用いて測定した。膜厚は、測定点10点の平均値として求めた。
[Film thickness]
The film thickness was measured using a dial thickness gauge G-6C (1/1000 mm, probe diameter φ5 mm) manufactured by Ozaki Seisakusho. The film thickness was determined as an average value of 10 measurement points.
〔導電率〕
燃料電池実用化推進協議会(FCCJ)のプロトン伝導度測定法に準じて、80℃60%RHに保持した恒温恒湿器内にて測定を行った。
〔conductivity〕
The measurement was performed in a constant temperature and humidity chamber maintained at 80 ° C. and 60% RH according to the proton conductivity measurement method of the Fuel Cell Practical Use Promotion Council (FCCJ).
〔面積変化率〕
23℃40%RHの室内にて一辺3cmの正方形に電解質膜を切り取り秤量した。その後、超純水中に一昼夜浸漬した。水を浸漬した電解質膜を平滑なガラス板に挟み込み、ノギスを用いて辺の長さを測定し、面積を算出した。その後ガラス板を外し、水を保持した電解質膜の重量を測定した。
(面積変化率;%)=100×S2/S1
ただし、S1は水浸漬前の電解質膜試験片面積、S2は水浸漬後の電解質膜試験片面積。
[Area change rate]
The electrolyte membrane was cut into a square with a side of 3 cm in a room at 23 ° C. and 40% RH and weighed. Then, it was immersed in ultrapure water all day and night. The electrolyte membrane immersed in water was sandwiched between smooth glass plates, the length of the side was measured using calipers, and the area was calculated. Thereafter, the glass plate was removed, and the weight of the electrolyte membrane holding water was measured.
(Area change rate;%) = 100 × S 2 / S 1
However, S 1 electrolyte membrane specimen area after membrane specimen area before water immersion, S 2 water immersion.
実施例1 膜膨潤法
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)パウダー(呉羽化学工業製KFポリマーT#1100、粒子径約120μm)に、コバルト60のγ線を30KGy照射した。得られたPVDFパウダーを、−60℃にて保存した。一方で、試験管にモノマー成分としてのスチレンスルホン酸エチルエステル(EtSS)11.5gとトルエン13.5gを投入し、窒素でバブリングしながらEtSS溶液を室温で30分間攪拌し、十分に脱酸素した。次に、この試験管に上記のPVDFパウダー5gを投入して70℃のオイルバスに浸漬し、2時間その温度に保持して重合を行った。反応終了後、反応液及び粉末を取り出し、これを室温にてアセトン80ml中に投入した。30分間室温にて攪拌し、その後上澄み液を除去した。この操作を5回繰り返し、スチレンスルホン酸エチルエステルモノマー成分などを除去した。粉末を濾別して、60℃の乾燥機中で一晩乾燥して、スチレンスルホン酸エチルエステルグラフト共重合ポリマー粉末を得た。
Example 1 Membrane Swelling Method Polyvinylidene fluoride (PVDF) powder (KF Polymer T # 1100 manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd., particle size: about 120 μm) was irradiated with 30 KGy of cobalt 60 γ rays. The obtained PVDF powder was stored at −60 ° C. On the other hand, 11.5 g of styrene sulfonic acid ethyl ester (EtSS) and 13.5 g of toluene as monomer components were put into a test tube, and the EtSS solution was stirred for 30 minutes at room temperature while bubbling with nitrogen, and sufficiently deoxygenated. . Next, 5 g of the PVDF powder was put into this test tube, immersed in an oil bath at 70 ° C., and polymerization was carried out by maintaining the temperature for 2 hours. After completion of the reaction, the reaction solution and powder were taken out and put into 80 ml of acetone at room temperature. The mixture was stirred at room temperature for 30 minutes, and then the supernatant was removed. This operation was repeated 5 times to remove styrene sulfonic acid ethyl ester monomer component and the like. The powder was filtered off and dried overnight in a dryer at 60 ° C. to obtain a styrene sulfonic acid ethyl ester graft copolymer powder.
N−メチル−2−ピロリドン25.5gをこのポリマー粉末4.5gに加えて、これを70℃にて1時間以上振蕩させた。その後、ハイブリッドミキサーにて脱泡処理を行い、得られた溶液を、PETフィルム上にて500μmのギャップ厚みで塗工した。これを80℃にて12時間加熱乾燥して、膜を得た。得られた膜をメタノールに浸漬し、PETフィルム上から剥がした。さらに、飽和n−ブタノール水溶液にて1時間、100℃にて処理を行って加水分解を行った。その後、1N塩酸水溶液に1時間浸漬し、水で洗浄後、メタノール中に浸漬した。メタノール中に浸漬した膜の厚みは約90μmであった。メタノールで膨潤した膜の四周をステンレス製固定枠(外側1辺9cm、内側1辺7cm)に固定し、140℃で12時間脱溶媒処理を行った。その後、室温まで自然冷却した。得られた膜のイオン交換容量(IEC)は1.9meq/gであった。 25.5 g of N-methyl-2-pyrrolidone was added to 4.5 g of this polymer powder, and this was shaken at 70 ° C. for 1 hour or longer. Then, the defoaming process was performed with the hybrid mixer, and the obtained solution was applied with a gap thickness of 500 μm on the PET film. This was heat-dried at 80 ° C. for 12 hours to obtain a film. The obtained film was immersed in methanol and peeled off from the PET film. Furthermore, it hydrolyzed by processing at 100 degreeC for 1 hour with saturated n-butanol aqueous solution. Then, it was immersed in 1N hydrochloric acid aqueous solution for 1 hour, washed with water, and then immersed in methanol. The thickness of the film immersed in methanol was about 90 μm. The four sides of the membrane swollen with methanol were fixed to a stainless steel fixing frame (9 cm on the outer side and 7 cm on the inner side), and the solvent was removed at 140 ° C. for 12 hours. Then, it naturally cooled to room temperature. The obtained membrane had an ion exchange capacity (IEC) of 1.9 meq / g.
実施例2 膜膨潤圧延法
実施例1と同様にして、スチレンスルホン酸エチルエステルグラフト共重合ポリマー粉末を得、成膜し、飽和n−ブタノール水溶液にて1時間、100℃にて加水分解した。その後、1N塩酸水溶液に1時間浸漬し、水で洗浄後、メタノール中に浸漬した。次に、メタノールで膨潤した膜を両面からPTFEシートで挟みこみ、さらにその上からガラス板で挟みこんだ。この状態で、80℃で12時間熱処理して脱溶媒した。その後、室温まで自然冷却した。得られた膜のイオン交換容量(IEC)は1.9meq/gであった。
Example 2 Film Swelling Rolling Method In the same manner as in Example 1, a styrene sulfonic acid ethyl ester graft copolymer polymer powder was obtained, formed into a film, and hydrolyzed with a saturated n-butanol aqueous solution at 100 ° C. for 1 hour. Then, it was immersed in 1N hydrochloric acid aqueous solution for 1 hour, washed with water, and then immersed in methanol. Next, the membrane swollen with methanol was sandwiched between the PTFE sheets from both sides, and further sandwiched between the glass plates from above. In this state, the solvent was removed by heat treatment at 80 ° C. for 12 hours. Then, it naturally cooled to room temperature. The obtained membrane had an ion exchange capacity (IEC) of 1.9 meq / g.
実施例3
実施例1と同様にして、スチレンスルホン酸エチルエステルグラフト共重合ポリマー粉末を得、成膜し、飽和n−ブタノール水溶液にて1時間、100℃にて加水分解した。得られた膜をイソプロピルアルコール中に浸漬した。次に、イソプロピルアルコールで膨潤した膜の四周をステンレス製固定枠(外側1辺9cm、内側1辺7cm)に固定し、160℃で10分間脱溶媒処理を行った。その後、室温まで自然冷却した。得られた膜のイオン交換容量(IEC)は1.9meq/gであった。
Example 3
In the same manner as in Example 1, a styrene sulfonic acid ethyl ester graft copolymer polymer powder was obtained, formed into a film, and hydrolyzed with a saturated aqueous n-butanol solution at 100 ° C. for 1 hour. The obtained film was immersed in isopropyl alcohol. Next, the four circumferences of the film swollen with isopropyl alcohol were fixed to a stainless steel fixing frame (9 cm on the outer side, 7 cm on the inner side), and the solvent was removed at 160 ° C. for 10 minutes. Then, it naturally cooled to room temperature. The obtained membrane had an ion exchange capacity (IEC) of 1.9 meq / g.
実施例4
実施例1と同様にして、スチレンスルホン酸エチルエステルグラフト共重合ポリマー粉末を得、成膜し、飽和n−ブタノール水溶液にて1時間、100℃にて加水分解した。得られた膜を純水中に浸漬した。次に、純水で膨潤した膜の四周をステンレス製固定枠(外側1辺9cm、内側1辺7cm)に固定し、160℃で10分間脱溶媒処理を行った。その後、室温まで自然冷却した。得られた膜のイオン交換容量(IEC)は2.0meq/gであった。
Example 4
In the same manner as in Example 1, a styrene sulfonic acid ethyl ester graft copolymer polymer powder was obtained, formed into a film, and hydrolyzed with a saturated aqueous n-butanol solution at 100 ° C. for 1 hour. The obtained film was immersed in pure water. Next, four rounds of the membrane swollen with pure water were fixed to a stainless steel fixing frame (9 cm on the outer side and 7 cm on the inner side), and the solvent was removed at 160 ° C. for 10 minutes. Then, it naturally cooled to room temperature. The obtained membrane had an ion exchange capacity (IEC) of 2.0 meq / g.
比較例1
実施例1と同様にして、スチレンスルホン酸エチルエステルグラフト共重合ポリマー粉末を得、成膜し、飽和n−ブタノール水溶液にて1時間、100℃にて加水分解した。その後、1N塩酸水溶液に1時間浸漬し、水で洗浄後、メタノール中に浸漬した。その後、室温にて、固定操作を行うことなく膜を乾燥させた。得られた膜のイオン交換容量(IEC)は1.9meq/gであった。
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1, a styrene sulfonic acid ethyl ester graft copolymer polymer powder was obtained, formed into a film, and hydrolyzed with a saturated aqueous n-butanol solution at 100 ° C. for 1 hour. Then, it was immersed in 1N hydrochloric acid aqueous solution for 1 hour, washed with water, and then immersed in methanol. Thereafter, the membrane was dried at room temperature without performing a fixing operation. The obtained membrane had an ion exchange capacity (IEC) of 1.9 meq / g.
このように、本発明の電解質膜は、膜面方向の寸法安定性が高く、良好なイオン伝導性を示すことがわかる。 Thus, it can be seen that the electrolyte membrane of the present invention has high dimensional stability in the direction of the membrane surface and exhibits good ionic conductivity.
次に、実施例1および比較例1で得られたイオン伝導性電解質膜の膜厚方向の断面を、透過型電子顕微鏡(日立製作所製FE−TEM:型番HF−2000,加速電圧200kV)により観察した。試料は、凍結超薄切片法により調製した切片を、硝酸鉛水溶液を用いて染色処理して作製した。実施例1で得られたイオン伝導性電解質膜のTEM写真を図1に、比較例1で得られたイオン伝導性電解質膜のTEM写真を図2に示す。TEM写真において、黒く見えるところがポリスチレンスルホン酸部位(ドメイン)である。比較例1のTEM写真では、球状の黒色部が分散しているのに対し、実施例1のTEM写真では、黒色部が膜面方向に伸長して分散していることがわかる。実施例1のTEM写真において、黒色部の膜面方向における最大長を長径とし、黒色部の膜厚方向における最大長を短径としたときに、長径/短径で表されるアスペクト比の平均値(10点)は、6.3であった。 Next, a cross section in the film thickness direction of the ion conductive electrolyte membrane obtained in Example 1 and Comparative Example 1 was observed with a transmission electron microscope (FE-TEM manufactured by Hitachi, Ltd., model number HF-2000, acceleration voltage 200 kV). did. The sample was prepared by staining a section prepared by the frozen ultrathin section method with an aqueous lead nitrate solution. A TEM photograph of the ion conductive electrolyte membrane obtained in Example 1 is shown in FIG. 1, and a TEM photograph of the ion conductive electrolyte membrane obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. In the TEM photograph, the portion that appears black is the polystyrene sulfonic acid moiety (domain). In the TEM photograph of Comparative Example 1, it can be seen that the spherical black portions are dispersed, whereas in the TEM photograph of Example 1, the black portions are elongated and dispersed in the film surface direction. In the TEM photograph of Example 1, when the maximum length in the film surface direction of the black part is the major axis and the maximum length in the film thickness direction of the black part is the minor axis, the average of the aspect ratio expressed by the major axis / minor axis The value (10 points) was 6.3.
さらに、実施例1および比較例1で得られたイオン伝導性電解質膜について、以下の評価を行った。結果を図3に示す。 Furthermore, the following evaluation was performed on the ion conductive electrolyte membranes obtained in Example 1 and Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
〔繰り返し面積変化率〕
面積変化率を測定した膜を、23℃40%RHにて2日間乾燥し、乾燥状態での寸法測定を行った。続いて、水中に一昼夜浸漬した後寸法測定を行った。また、再度23℃40%RHにて2日間乾燥した後寸法測定を行った、さらに、再度水中に一昼夜浸漬した後寸法測定を行った。最初の乾燥状態の膜の面積を100%とし、面積変化率を求めた。
[Repeated area change rate]
The film | membrane which measured the area change rate was dried at 23 degreeC40% RH for 2 days, and the dimension measurement in a dry state was performed. Subsequently, dimension measurement was performed after being immersed in water for a whole day and night. In addition, the dimensions were measured again after drying at 23 ° C. and 40% RH for 2 days, and the dimensions were measured again after being immersed in water for a whole day and night. The area change rate was determined with the area of the first dry film as 100%.
図3より、本発明の電解質膜は、湿度変化に対する膜面方向の寸法安定性が高いことがわかる。 FIG. 3 shows that the electrolyte membrane of the present invention has high dimensional stability in the membrane surface direction against humidity changes.
本発明のイオン伝導性電解質膜は、固体高分子形燃料電池のプロトン伝導性電解質膜に好適であり、リチウムイオン電池用電解質膜、電気分解用隔膜、加湿モジュールの水透過性膜等にも用いることができる。 The ion conductive electrolyte membrane of the present invention is suitable for a proton conductive electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell, and is also used for an electrolyte membrane for a lithium ion battery, an electrolysis diaphragm, a water permeable membrane for a humidification module, and the like. be able to.
Claims (9)
前記マトリクス中において、前記ドメインが膜面方向に伸長しているイオン伝導性電解質膜。 An ion conductive electrolyte membrane comprising a matrix containing a water repellent polymer, a hydrophilic polymer having an ion conductive group, and a domain dispersed in the matrix,
An ion conductive electrolyte membrane in which the domains extend in the membrane surface direction in the matrix.
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