JP2015220018A - Hydrocarbon based polymer electrolyte membrane, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池用高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下の抑制する方法の提供。【解決手段】アノードとカソードとの間に配置される炭化水素系高分子電解質膜であって、前記炭化水素系高分子電解質膜の前記アノード側層、前記カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が隣接する層の吸水率より大きいこと、好ましくはアノード側最外層の吸水率とそれに隣接する層の吸水率との差が5%以上であること、さらに前記炭化水素系高分子電解質膜がイオン交換基含有炭化水素系重合体を含む層を2層以上有する積層体であること、さらに前記積層体のうち少なくとも1つの最外層と該層に接する層は、実質的に同一の分子構造を有するイオン交換基含有炭化水素系重合体を含む層とする方法。【選択図】なしA method for suppressing a decrease in proton conductivity of a polymer electrolyte membrane for a fuel cell is provided. A hydrocarbon polymer electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, wherein the outermost layer of at least one of the anode side layer and the cathode side layer of the hydrocarbon polymer electrolyte membrane is provided. The water absorption rate is larger than the water absorption rate of the adjacent layer, preferably the difference between the water absorption rate of the outermost layer on the anode side and the water absorption rate of the adjacent layer is 5% or more, and the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane Is a laminate having two or more layers containing an ion-exchange group-containing hydrocarbon polymer, and at least one outermost layer of the laminate and the layer in contact with the layer have substantially the same molecular structure A method of forming a layer containing an ion-exchange group-containing hydrocarbon polymer having: [Selection figure] None
Description
本発明は、炭化水素系高分子電解質膜、膜−電極接合体および燃料電池に関する。 The present invention relates to a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly, and a fuel cell.
従来より、燃料電池などに用いるために、炭化水素系高分子電解質膜の研究がなされている。
燃料電池は、各種の炭化水素系燃料(天然ガス、メタンなど)を改質して得られる水素ガスと、空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて直接電気を取り出す発電装置であり、化学エネルギーを電気エネルギーに高効率で直接変換できる無公害な発電装置として注目を集めている。
Conventionally, studies have been made on hydrocarbon polymer electrolyte membranes for use in fuel cells and the like.
A fuel cell is a power generator that directly takes out electricity by electrochemically reacting hydrogen gas obtained by reforming various hydrocarbon fuels (natural gas, methane, etc.) and oxygen gas in the air. It is attracting attention as a pollution-free power generator that can directly convert chemical energy into electrical energy with high efficiency.
このような燃料電池は、触媒層が積層された一対のガス拡散層(アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層)と、該ガス拡散層で挟持された高分子電解質膜とから構成される膜−電極接合体を含み、アノード極では、水素イオンと電子が生じ、水素イオンは高分子電解質膜を通って、カソード極で酸素と反応して水が生じる。 Such a fuel cell includes a pair of gas diffusion layers (anode-side gas diffusion layer and cathode-side gas diffusion layer) in which catalyst layers are stacked, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between the gas diffusion layers. Including the membrane-electrode assembly, the anode electrode generates hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and react with oxygen at the cathode electrode to generate water.
このような燃料電池では、高分子電解質膜中に水分が含まれていることが、プロトン伝導性などの点から重要であるが、前記のような反応が進むにつれて、アノード側の高分子電解質膜中における含水率が低下し(ドライアウト)、高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下することがある。 In such a fuel cell, it is important from the viewpoint of proton conductivity that the polymer electrolyte membrane contains water, but as the reaction proceeds, the polymer electrolyte membrane on the anode side progresses. The moisture content in the inside may decrease (dry out), and the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane may decrease.
この現象を抑制するために、様々な研究が行われており、例えば、特許文献1には、用いられるガス拡散層を特定の構成にすることが開示されている。 Various studies have been conducted to suppress this phenomenon. For example, Patent Document 1 discloses that a gas diffusion layer to be used has a specific configuration.
しかしながら、従来のプロトン伝導膜および膜−電極接合体には、プロトン伝導性の低下を抑制するためにさらなる改良の余地があった。 However, conventional proton conducting membranes and membrane-electrode assemblies have room for further improvement in order to suppress a decrease in proton conductivity.
本発明の目的は、プロトン伝導性に優れる高分子電解質膜を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity.
このような状況のもと、本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、高分子電解質膜のアノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が、隣接する層の吸水率より大きい炭化水素系高分子電解質膜によれば、前記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の構成例は以下の通りである。
Under such circumstances, the present inventors have intensively studied to solve the above problems, and as a result, the water absorption rate of at least one of the anode side layer and the cathode side layer of the polymer electrolyte membrane is adjacent. According to the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane having a larger water absorption rate than the layer, the inventors have found that the above object can be achieved, and have completed the present invention.
A configuration example of the present invention is as follows.
[1] アノードとカソードとの間に配置される炭化水素系高分子電解質膜であって、前記高分子電解質膜のアノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が、隣接する層の吸水率より大きいことを特徴とする、炭化水素系高分子電解質膜。 [1] A hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, wherein the water absorption rate of at least one of the anode side layer and the cathode side layer of the polymer electrolyte membrane is adjacent to each other. A hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, wherein the water absorption rate of the layer is larger.
[2] 前記高分子電解質膜のアノード側最外層の吸水率が、それに隣接する層の吸水率より大きいことを特徴とする、[1]に記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[3] 前記高分子電解質膜のアノード側最外層の吸水率とそれに隣接する層の吸水率との差が5%以上である、[1]または[2]に記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[2] The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to [1], wherein the water absorption rate of the anode-side outermost layer of the polymer electrolyte membrane is larger than the water absorption rate of a layer adjacent thereto.
[3] The hydrocarbon-based polymer electrolyte according to [1] or [2], wherein the difference between the water absorption rate of the outermost layer on the anode side of the polymer electrolyte membrane and the water absorption rate of the adjacent layer is 5% or more. film.
[4] 前記高分子電解質膜が、イオン交換基含有炭化水素系重合体を含む層を2層以上有する積層体である、[1]〜[3]のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[5] 前記積層体のうち、少なくとも1つの最外層と該層に接する層は、実質的に同一の分子構造を有する、イオン交換基含有炭化水素系重合体を含む層である、[4]に記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[4] The hydrocarbon polymer according to any one of [1] to [3], wherein the polymer electrolyte membrane is a laminate having two or more layers containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer. Electrolyte membrane.
[5] Among the laminates, at least one outermost layer and a layer in contact with the layer are layers containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer having substantially the same molecular structure. [4] The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane described in 1.
[6] 前記高分子電解質膜のうち、少なくともアノード側最外層が、
イオン交換基含有炭化水素系重合体および該重合体の良溶媒を含む組成物より塗膜を形成する工程(C)、および、
工程(C)で得られた塗膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に暴露する工程(D)
を含む方法で得られた層である、[1]〜[5]のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[6] Of the polymer electrolyte membrane, at least the anode-side outermost layer is
A step (C) of forming a coating film from a composition containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer and a good solvent for the polymer; and
Step (D) in which the coating film obtained in Step (C) is exposed to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer.
The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [5], which is a layer obtained by a method comprising:
[7] 前記高分子電解質膜のうち、少なくともアノード側最外層がイオン交換基含有炭化水素系重合体を含み、該最外層が、
前記高分子電解質膜となる膜の最外部分または最外層に、該部分または層を構成するイオン交換基含有炭化水素系重合体の良溶媒を含む溶媒を接触させる工程(A)、および、
工程(A)で得られた高分子電解質膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に曝露する工程(B)
を含む方法で得られた層である、[1]〜[5]のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[7] Of the polymer electrolyte membrane, at least the anode-side outermost layer contains an ion-exchange group-containing hydrocarbon polymer, and the outermost layer comprises:
A step of bringing the outermost part or outermost layer of the membrane to be the polymer electrolyte membrane into contact with a solvent containing a good solvent for the ion-exchange group-containing hydrocarbon-based polymer constituting the part or layer (A), and
Exposing the polymer electrolyte membrane obtained in step (A) to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer (B)
The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [5], which is a layer obtained by a method comprising:
[8] 前記積層体のうち、アノード側最外層の厚みが、該積層体の全厚みの1〜70%である、[4]〜[7]のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質膜。 [8] The hydrocarbon-based polymer electrolyte according to any one of [4] to [7], wherein the anode-side outermost layer has a thickness of 1 to 70% of the total thickness of the laminate. film.
[9] 前記高分子電解質膜のうち、少なくともカソード側最外層が、
イオン交換基含有炭化水素系重合体および該重合体の良溶媒を含む組成物より塗膜を形成する工程(C)、および、
工程(C)で得られた塗膜を、大気または真空下で加熱する工程(E)を含む方法で得られた層である、[1]〜[8]のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質膜。
[9] Of the polymer electrolyte membrane, at least the cathode-side outermost layer is
A step (C) of forming a coating film from a composition containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer and a good solvent for the polymer; and
The hydrocarbon system according to any one of [1] to [8], which is a layer obtained by a method including the step (E) in which the coating film obtained in the step (C) is heated in air or under vacuum. Polymer electrolyte membrane.
[10] 前記組成物が架橋剤を含む、[6]または[9]に記載の炭化水素系高分子電解質膜。 [10] The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to [6] or [9], wherein the composition contains a crosslinking agent.
[11] ガス拡散層、触媒層、[1]〜[10]のいずれかに記載の炭化水素系高分子電解質膜、触媒層およびガス拡散層がこの順で積層された膜−電極接合体。
[12] [11]に記載の膜−電極接合体を有する燃料電池。
[11] A membrane-electrode assembly in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, the hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to any one of [1] to [10], a catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated in this order.
[12] A fuel cell having the membrane-electrode assembly according to [11].
本発明によれば、長期にわたってプロトン伝導性に優れる高分子電解質膜を提供することができる。 According to the present invention, a polymer electrolyte membrane excellent in proton conductivity over a long period can be provided.
≪炭化水素系高分子電解質膜≫
本発明に係る炭化水素系高分子電解質膜(以下単に、「電解質膜」ともいう。)は、アノードとカソードとの間に配置される炭化水素系の電解質膜であって、前記電解質膜のアノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が、隣接する層(但し、該層は、電解質膜を構成する層である。以下同様。)の吸水率より大きいことを特徴とし、前記電解質膜のアノード側最外層の吸水率が、それに隣接する層の吸水率より大きいことが好ましい。
このような電解質膜は、長期にわたってプロトン伝導性に優れる。また、このような電解質膜を用いることで、ドライアウトの抑制が可能になると考えられる。
≪Hydrocarbon polymer electrolyte membrane≫
A hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to the present invention (hereinafter, also simply referred to as “electrolyte membrane”) is a hydrocarbon-based electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, and is an anode of the electrolyte membrane. The water absorption rate of at least one of the side layer and the cathode side layer is greater than the water absorption rate of an adjacent layer (however, this layer is a layer constituting an electrolyte membrane; the same shall apply hereinafter), It is preferable that the water absorption rate of the outermost layer on the anode side of the electrolyte membrane is larger than the water absorption rate of a layer adjacent thereto.
Such an electrolyte membrane is excellent in proton conductivity over a long period of time. Moreover, it is thought that dry-out can be suppressed by using such an electrolyte membrane.
燃料電池の作動中には、カソード側の触媒層周辺に水が滞留し、カソード側の触媒層への反応ガス(空気)の供給が阻害されることがある(この現象を「フラッディング」ともいう。)。このフラッディングが起こると、カソードでの反応性が低下し、その結果、燃料電池の発電効率の低下を招く。
アノード側最外層の吸水率が、それに隣接する層の吸水率より大きい電解質膜を用いることで、カソード側で生じた水がアノード側に移動しやすく、これによって、前記ドライアウトの抑制と共に、フラッディングの抑制も可能になると考えられる。
During operation of the fuel cell, water stays around the cathode catalyst layer, and the supply of reaction gas (air) to the cathode catalyst layer may be hindered (this phenomenon is also called “flooding”). .) When this flooding occurs, the reactivity at the cathode decreases, resulting in a decrease in power generation efficiency of the fuel cell.
By using an electrolyte membrane in which the water absorption rate of the outermost layer on the anode side is larger than the water absorption rate of the layer adjacent to it, the water generated on the cathode side easily moves to the anode side. It is also possible to suppress this.
本発明の電解質膜は、そのアノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が、隣接する層の吸水率より大きければ特に制限されないが、より長期にわたるプロトン伝導性に優れる電解質膜が得られる等の点から、アノード側最外層の吸水率が、それに隣接する層の吸水率より大きいことが好ましく、アノード側最外層の吸水率とそれに隣接する層の吸水率との差が5%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましい。また、前記吸水率の差は2000%以下であることが好ましく、1500%以下であることがより好ましい。この吸水率は電解質膜に含有される重合体のイオン交換容量を変化させることで調整できるが、本発明では、特定の製造方法、例えば、下記方法(i)や方法(ii)で電解質膜を製造することで、吸水率が前記関係にある電解質膜を得ることができる。
前記吸水率は、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。
The electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as the water absorption rate of the outermost layer of at least one of the anode side layer and the cathode side layer is larger than the water absorption rate of the adjacent layer, but the electrolyte membrane is excellent in proton conductivity over a longer period of time. The water absorption rate of the anode outermost layer is preferably larger than the water absorption rate of the adjacent layer, and the difference between the water absorption rate of the anode outermost layer and the water absorption rate of the adjacent layer is 5 % Or more, preferably 10% or more. The difference in water absorption is preferably 2000% or less, and more preferably 1500% or less. This water absorption can be adjusted by changing the ion exchange capacity of the polymer contained in the electrolyte membrane, but in the present invention, the electrolyte membrane is formed by a specific production method, for example, the following method (i) or method (ii). By manufacturing, an electrolyte membrane having a water absorption rate in the above relationship can be obtained.
Specifically, the water absorption rate can be measured by the method described in Examples below.
本発明の電解質膜は、下記実施例に記載の方法で測定される発電抵抗が、好ましくは、200mΩ・cm2以下であり、より好ましくは170mΩ・cm2以下である。 The electrolyte membrane of the present invention, the power generation resistance that is measured by the method described in Examples below, preferably at most 200 milliohms · cm 2 or less, more preferably 170mΩ · cm 2 or less.
本発明の電解質膜は、安定した発電性能を示す燃料電池が得られる等の点から、燃料電池等の作動時において、寸法が変化し難い膜であることが好ましく、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定される熱水面内寸法変化率が、好ましくは、40%以下であり、より好ましくは30%以下である。 The electrolyte membrane of the present invention is preferably a membrane whose dimensions do not easily change during the operation of the fuel cell or the like from the viewpoint of obtaining a fuel cell exhibiting stable power generation performance. The dimensional change rate in the hot water surface measured by the method described in the examples is preferably 40% or less, more preferably 30% or less.
本発明の電解質膜の厚みは、燃料電池等に通常用いられる電解質膜と同程度の厚みであればよいが、好ましくは3〜200μm、より好ましくは5〜150μmである。 The thickness of the electrolyte membrane of the present invention may be the same as that of an electrolyte membrane usually used for fuel cells and the like, but is preferably 3 to 200 μm, more preferably 5 to 150 μm.
<炭化水素系高分子電解質膜の構造>
本発明の電解質膜は、アノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が、隣接する層の吸水率より大きければよく、1枚の電解質膜であってもよいし、炭化水素系高分子からなる層を2層以上有する積層体であってもよいが、吸水率の異なる複数の層を有する電解質膜を容易に形成でき、特に、吸水率が大きいアノード側最外層の厚みを下記範囲に容易に調整でき、得られる電解質膜の吸水特性を容易に調整できる等の点から、前記積層体であることが好ましい。
<Structure of hydrocarbon polymer electrolyte membrane>
The electrolyte membrane of the present invention may be a single electrolyte membrane or a hydrocarbon as long as the water absorption rate of at least one of the anode side layer and the cathode side layer is larger than the water absorption rate of adjacent layers. Although it may be a laminate having two or more layers made of a polymer, an electrolyte membrane having a plurality of layers having different water absorption rates can be easily formed, and in particular, the thickness of the anode-side outermost layer having a large water absorption rate can be reduced. The laminate is preferable from the viewpoint that it can be easily adjusted to the following range and the water absorption characteristics of the obtained electrolyte membrane can be easily adjusted.
本発明の電解質膜は、特に制限されず、電解質膜(層)の他に、従来公知の膜(層)が存在していてもよいが、本発明の前記効果をより効果的に発揮できる等の点から、実質的に電解質膜のみからなる炭化水素系高分子電解質膜であることが好ましい。 The electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and a conventionally known membrane (layer) may be present in addition to the electrolyte membrane (layer), and the effects of the present invention can be more effectively exhibited. From this point, it is preferable that the polymer electrolyte membrane is a hydrocarbon-based polymer electrolyte substantially consisting only of an electrolyte membrane.
本発明の電解質膜は、アノード側層、カソード側層、隣接する層、アノード側最外層またはアノード側最外層に隣接する層等を有するが、この電解質膜は、積層体のみならず、1枚の電解質膜を、例えば、下記方法(i)の処理を行うことにより、該処理した部分を1つの層とし、該処理に供されなかった部分を他の層とすることにより、複数の層を有する膜であるとみなすことができる。 The electrolyte membrane of the present invention has an anode side layer, a cathode side layer, an adjacent layer, an anode side outermost layer or a layer adjacent to the anode side outermost layer, and the like. For example, by performing the treatment of the following method (i), the treated portion is made into one layer, and the portion not subjected to the treatment is made into another layer, thereby forming a plurality of layers. It can be regarded as a film having.
前記積層体は、炭化水素系高分子を含む層を2層以上有する積層体であればよいが、イオン交換基含有炭化水素系重合体(以下単に「重合体」という。)を含む層を2層以上有する積層体であることが好ましい。積層数は特に制限されないが、積層数が増えれば、その分だけ界面での剥離が起こりやすくなるため、該剥離を抑制できる等の点から2層や3層からなる積層体であることが好ましい。 The laminate may be a laminate having two or more layers containing a hydrocarbon polymer, but two layers containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer (hereinafter simply referred to as “polymer”). A laminate having at least one layer is preferable. The number of layers is not particularly limited, but if the number of layers is increased, peeling at the interface is more likely to occur. Therefore, a laminate composed of two or three layers is preferable from the viewpoint of suppressing the peeling. .
前記積層体は、層界面での剥離が起こりにくく、寸法安定性および機械的強度に優れる電解質膜が得られる等の点から、1つの最外層と該層に接する層は、実質的に同一の分子構造を有する重合体を含む層であることが好ましく、2つの最外層が、実質的に同一の分子構造を有する重合体を含む層であることがより好ましく、積層体中のすべての層が、実質的に同一の分子構造を有する重合体を含む層であることがさらに好ましい。 In the laminate, the outermost layer and the layer in contact with the layer are substantially the same from the viewpoint that separation at the layer interface hardly occurs and an electrolyte membrane excellent in dimensional stability and mechanical strength is obtained. It is preferably a layer containing a polymer having a molecular structure, more preferably the two outermost layers are layers containing a polymer having substantially the same molecular structure, and all the layers in the laminate are More preferably, the layer includes a polymer having substantially the same molecular structure.
最外層の吸水率とそれに隣接する層の吸水率との間に差を持たせるために、該最外層とその隣接層とを形成する際に、分子構造やイオン交換量の異なる重合体を用いることが考えられるが、この場合には、得られる積層体の層間が剥離しやすい傾向にある。
一方で、例えば、下記方法(ii)で得られる電解質膜は、最外層とその隣接層とを形成する際に、実質的に同一の分子構造を有する重合体を用いても、長期にわたって優れたプロトン伝導性を示し、さらに、層界面での剥離が起こりにくく、寸法安定性および機械的強度に優れる電解質膜となる。
In order to give a difference between the water absorption rate of the outermost layer and the water absorption rate of the adjacent layer, polymers having different molecular structures and ion exchange amounts are used when forming the outermost layer and the adjacent layer. However, in this case, the layers of the obtained laminate tend to be easily separated.
On the other hand, for example, the electrolyte membrane obtained by the following method (ii) is excellent over a long period of time even when a polymer having substantially the same molecular structure is used when forming the outermost layer and its adjacent layer. The electrolyte membrane exhibits proton conductivity, and is unlikely to peel off at the layer interface, and is excellent in dimensional stability and mechanical strength.
ここで、実質的に同一の分子構造を有する重合体とは、完全に同一の分子構造を有する重合体のほか、同一の繰り返し単位を有するが、該繰り返し単位の結合順や含有量が異なる重合体などが挙げられる。
この実質的に同一の分子構造を有する重合体を含む層同士は、通常、層間剥離が起こりにくいため好ましい。
Here, a polymer having substantially the same molecular structure means a polymer having the same repeating unit as well as a polymer having the completely same molecular structure, but having different repeating orders and content. Examples include coalescence.
The layers containing polymers having substantially the same molecular structure are usually preferable because delamination hardly occurs.
前記積層体のアノード側最外層の厚みは、寸法変化率が前記値以下となるような厚みであることが好ましく、長期にわたってプロトン伝導性および寸法安定性により優れる電解質膜が得られる等の点から該積層体全厚みの1〜70%であることが好ましく、2.5〜25%であることがより好ましく、3.5〜15%であることがさらに好ましい。 The thickness of the outermost layer on the anode side of the laminate is preferably such that the dimensional change rate is not more than the above value, from the viewpoint of obtaining an electrolyte membrane that is superior in proton conductivity and dimensional stability over a long period of time. It is preferably 1 to 70% of the total thickness of the laminate, more preferably 2.5 to 25%, and even more preferably 3.5 to 15%.
<炭化水素系高分子電解質膜の製造方法>
アノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が、隣接する層の吸水率より大きい、特に、アノード側最外層の吸水率が、それに隣接する層の吸水率より大きい1枚の電解質膜の製造方法は、特に制限されず、炭化水素系高分子および吸水剤(例:シリカゲル、塩化カルシウム、活性炭、活性アルミナ、シリカアルミナ、ケイ酸マグネシウム、硫酸銅)等を含む混合物を用い、従来公知の方法で、該吸水剤が得られる電解質膜中の一方の面側に偏在するように製膜する方法などであってもよい(この場合、吸水剤が偏在した層と他の層とを有する電解質膜といえる。)が、下記方法(i)が好ましい。
<Method for producing hydrocarbon polymer electrolyte membrane>
The water absorption rate of the outermost layer of at least one of the anode side layer and the cathode side layer is larger than the water absorption rate of the adjacent layer. In particular, the water absorption rate of the anode outermost layer is larger than the water absorption rate of the adjacent layer. The method for producing the electrolyte membrane is not particularly limited, and a mixture containing a hydrocarbon polymer and a water absorbing agent (eg, silica gel, calcium chloride, activated carbon, activated alumina, silica alumina, magnesium silicate, copper sulfate) is used. It may be a method of forming a film so as to be unevenly distributed on one surface side in the electrolyte membrane from which the water absorbing agent is obtained by a conventionally known method (in this case, the layer in which the water absorbing agent is unevenly distributed and the other layer) The following method (i) is preferable.
アノード側層、カソード側層の少なくとも一方の最外層の吸水率が隣接する層の吸水率より大きい、特に、アノード側最外層の吸水率がそれに隣接する層の吸水率より大きい層を有する積層体の製造方法は、特に制限されず、前記吸水剤を含む層と吸水剤を含まない層とを積層する方法、これらの層のうち、一方を予め形成した後、該層の上に他方の層形成用の混合物を塗布し積層体を得る方法などであってもよいが、下記方法(ii)が好ましい。 A laminate having a layer in which the water absorption rate of at least one of the anode side layer and the cathode side layer is larger than the water absorption rate of the adjacent layer, in particular, the water absorption rate of the anode side outermost layer is larger than the water absorption rate of the adjacent layer. The production method is not particularly limited, and is a method of laminating the layer containing the water-absorbing agent and the layer not containing the water-absorbing agent, and after forming one of these layers in advance, the other layer is formed on the layer. Although the method of apply | coating the mixture for formation and obtaining a laminated body etc. may be sufficient, the following method (ii) is preferable.
〈方法(i)〉
方法(i)によれば、機械的強度に優れ、剥離の起こらない電解質膜が得られる。
方法(i)は、具体的には、
炭化水素系高分子電解質膜となる膜の最外部分に、該部分を構成する重合体の良溶媒を含む溶媒を接触させる工程(A)、および、
工程(A)で得られた電解質膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に曝露する工程(B)
を含む方法である。
<Method (i)>
According to the method (i), an electrolyte membrane excellent in mechanical strength and free from peeling can be obtained.
Method (i) specifically includes:
A step (A) of bringing a solvent containing a good solvent for a polymer constituting the portion into contact with an outermost portion of a membrane to be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane; and
Exposing the electrolyte membrane obtained in the step (A) to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer (B)
It is a method including.
・工程(A)
工程(A)で用いられる「炭化水素系高分子電解質膜となる膜」とは、工程(A)および工程(B)を経て得られる膜が本発明の電解質膜となる原料膜のことをいう。
また、この原料膜は、下記組成物を多孔質材料やシート状の繊維質物質などからなる補強層に含浸させたり、塗布したりすることで得られる、補強層を含む膜であってもよく、繊維、フィラー状の補強材などを含む膜であってもよい。
・ Process (A)
The “film to be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane” used in the step (A) refers to a raw material film in which the membrane obtained through the steps (A) and (B) becomes the electrolyte membrane of the present invention. .
The raw material film may be a film including a reinforcing layer obtained by impregnating or applying a reinforcing layer made of a porous material or a sheet-like fibrous substance with the following composition. Further, it may be a film containing a fiber, a filler-like reinforcing material, or the like.
前記原料膜は、好ましくは、重合体および該重合体の良溶媒を含む組成物より塗膜を形成する工程(C)、および、工程(C)で得られた塗膜を大気または真空下で加熱する工程(E)を含む方法で得ることができる。 The raw material film is preferably formed in a step (C) of forming a coating film from a composition containing a polymer and a good solvent for the polymer, and the coating film obtained in the step (C) in the air or in a vacuum. It can be obtained by a method including the step (E) of heating.
前記工程(C)は、特に限定されないが、具体的には、前記組成物を、公知の方法により基材上に塗布することで塗膜を形成する工程が挙げられる。
前記基材としては、樹脂製、金属製またはガラス製などの基材が挙げられ、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの熱可塑性樹脂からなる基材が用いられる。
Although the said process (C) is not specifically limited, The process of forming a coating film by specifically apply | coating the said composition on a base material by a well-known method is mentioned.
Examples of the base material include base materials such as resin, metal, and glass. Preferably, a base material made of a thermoplastic resin such as a polyethylene terephthalate (PET) film is used.
前記重合体については、以下で説明する。
前記組成物に含まれる重合体は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
The polymer will be described below.
The polymer contained in the said composition can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
前記組成物に含まれる重合体の良溶媒としては、用いる重合体にもよるが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド、γ−ブチロラクトン、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチル尿素、ジメチルイミダゾリジノン、アセトニトリルなどの非プロトン系極性溶剤、ジクロロメタン、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の塩素系溶剤、メタノール、エタノール、プロパノール、iso−プロピルアルコール、sec−ブチルアルコール、tert−ブチルアルコール等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、γ−ブチルラクトン等のケトン類、テトラヒドロフラン(THF)、1,3−ジオキサン等のエーテル類が挙げられる。
これらの溶媒は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。特に重合体の溶解性および得られる組成物の粘度の面から、NMPが好ましい。
As a good solvent for the polymer contained in the composition, depending on the polymer used, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide, γ-butyrolactone, N, N— Aprotic polar solvents such as dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylurea, dimethylimidazolidinone, acetonitrile, etc., chlorinated solvents such as dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene and dichlorobenzene, methanol , Ethanol, propanol, iso-propyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol and other alcohols, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monoethyl Alkylene glycol monoalkyl ethers such as ether, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, ketones such as γ- butyrolactone, tetrahydrofuran (THF), ethers such as 1,3-dioxane.
These solvents can be used alone or in combination of two or more. In particular, NMP is preferable from the viewpoint of the solubility of the polymer and the viscosity of the resulting composition.
また、前記良溶媒として、非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との混合物を用いる場合、該混合物の組成は、非プロトン系極性溶剤が、好ましくは95〜25重量%、より好ましくは90〜25重量%、他の溶剤が、好ましくは5〜75重量%、より好ましくは10〜75重量%(但し、合計は100重量%)である。他の溶剤の配合量が前記範囲内にあると、得られる組成物の粘度を下げる効果に優れる。この場合の非プロトン系極性溶剤と他の溶剤との組み合わせとしては、非プロトン系極性溶剤としてNMP、他の溶剤として幅広い組成範囲で組成物の粘度を下げる効果があるメタノールが好ましい。 When a mixture of an aprotic polar solvent and another solvent is used as the good solvent, the composition of the mixture is preferably 95 to 25% by weight of an aprotic polar solvent, more preferably 90 to 25%. % By weight and other solvents are preferably 5 to 75% by weight, more preferably 10 to 75% by weight (however, the total is 100% by weight). When the blending amount of the other solvent is within the above range, the effect of lowering the viscosity of the resulting composition is excellent. As a combination of the aprotic polar solvent and the other solvent in this case, NMP is preferable as the aprotic polar solvent, and methanol having an effect of lowering the viscosity of the composition in a wide composition range is preferable as the other solvent.
前記組成物中の重合体の濃度は、該重合体の分子量にもより、また、形成したい膜や層の厚さ等にもよるが、好ましくは1〜40重量%、より好ましくは3〜25重量%である。重合体の含有量が前記範囲よりも少ないと、ピンホールが生じやすい傾向にある。一方、重合体の含有量が前記範囲を超えると、組成物の粘度が高すぎて塗膜を形成し難く、また、得られる電解質膜が表面平滑性に欠けることがある。 The concentration of the polymer in the composition is preferably 1 to 40% by weight, more preferably 3 to 25%, depending on the molecular weight of the polymer and the thickness of the film or layer to be formed. % By weight. If the polymer content is less than the above range, pinholes tend to occur. On the other hand, when the content of the polymer exceeds the above range, the viscosity of the composition is too high to form a coating film, and the obtained electrolyte membrane may lack surface smoothness.
前記組成物には、本発明の効果を損なわない範囲において、必要に応じて、白金親和度の高い化合物(例:硫黄原子などを含む化合物)、酸化スズやスズイオンなどの金属含有化合物および金属イオンからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属成分等の添加剤を配合してもよい。 In the composition, as long as the effects of the present invention are not impaired, a compound having a high platinum affinity (eg, a compound containing a sulfur atom), a metal-containing compound such as tin oxide or tin ion, and a metal ion, if necessary. You may mix | blend additives, such as at least 1 sort (s) of metal components chosen from the group which consists of.
前記組成物には、さらに、硫酸、リン酸などの無機酸;リン酸ガラス;タングステン酸;リン酸塩水和物;β−アルミナプロトン置換体;プロトン導入酸化物等の無機プロトン伝導体粒子;カルボン酸を含む有機酸;スルホン酸を含む有機酸;ホスホン酸を含む有機酸;適量の水などを配合してもよい。 The composition further includes inorganic acids such as sulfuric acid and phosphoric acid; phosphoric acid glass; tungstic acid; phosphate hydrate; β-alumina proton substitute; inorganic proton conductor particles such as proton-introduced oxide; An organic acid containing an acid; an organic acid containing a sulfonic acid; an organic acid containing a phosphonic acid;
前記工程(E)は、好ましくは、工程(C)で得られた塗膜から前記良溶媒を除去できる温度、より好ましくは前記良溶媒の沸点以上の温度、具体的には、50〜200℃の温度で、0.1〜10時間保持することにより行うことが望ましい。
なお、前記加熱は、1段階で行ってもよく、2段階以上、つまり、予め予備乾燥した後、本乾燥してもよい。
前記予備乾燥は、好ましくは30〜100℃、より好ましくは50〜100℃で、好ましくは3〜180分間、より好ましくは5〜60分間保持することにより行うことができる。
また、前記本乾燥は、好ましくは、前記予備乾燥温度以上の温度、より好ましくは50〜200℃の温度で、好ましくは0.1〜10時間保持することにより行うことができる。
The step (E) is preferably a temperature at which the good solvent can be removed from the coating film obtained in the step (C), more preferably a temperature equal to or higher than the boiling point of the good solvent, specifically, 50 to 200 ° C. It is desirable to carry out by hold | maintaining at the temperature of 0.1 to 10 hours.
The heating may be performed in one step, or may be performed in two or more steps, that is, after preliminary drying in advance, followed by main drying.
The preliminary drying is preferably performed at 30 to 100 ° C, more preferably 50 to 100 ° C, preferably 3 to 180 minutes, more preferably 5 to 60 minutes.
Moreover, the said main drying can be preferably performed by hold | maintaining at the temperature more than the said preliminary drying temperature, More preferably, the temperature of 50-200 degreeC, Preferably it is 0.1 to 10 hours.
前記予備乾燥の後または本乾燥の後に、得られた膜を水に浸漬すると、膜中の有機溶媒を水と置換することができ、得られる電解質膜中の残留有機溶媒量を低減することができる。 When the obtained membrane is immersed in water after the preliminary drying or after the main drying, the organic solvent in the membrane can be replaced with water, and the amount of residual organic solvent in the resulting electrolyte membrane can be reduced. it can.
このようにして得られる電解質膜の残存有機溶媒量は、通常5重量%以下である。また、浸漬条件によっては、得られる膜の残存有機溶媒量を1重量%以下にすることができる。このような条件としては、例えば、予備乾燥後または本乾燥後の膜1重量部に対する水の使用量が50重量部以上であり、浸漬する際の水の温度が10〜60℃、浸漬時間が10分〜10時間である。
このように膜を水に浸漬した後は、風乾することで原料膜を得ることが望ましい。
The amount of residual organic solvent in the electrolyte membrane thus obtained is usually 5% by weight or less. Further, depending on the immersion conditions, the amount of the remaining organic solvent in the obtained film can be reduced to 1% by weight or less. As such conditions, for example, the amount of water used relative to 1 part by weight of the membrane after preliminary drying or after main drying is 50 parts by weight or more, the temperature of the water when immersed is 10 to 60 ° C., and the immersion time 10 minutes to 10 hours.
Thus, after immersing a film | membrane in water, it is desirable to obtain a raw material film | membrane by air-drying.
なお、基材は、前記予備乾燥後剥離してもよいし、前記本乾燥後剥離してもよい。また、燃料電池の構成材料であり、電解質膜に接して積層されるもの、例えば、下記触媒層を前記基材として用いる場合には、得られた原料膜を基材から剥離せずに用いてもよい。 The base material may be peeled off after the preliminary drying or may be peeled off after the main drying. Further, it is a constituent material of a fuel cell and is laminated in contact with an electrolyte membrane, for example, when the following catalyst layer is used as the base material, the obtained raw material film is used without peeling from the base material. Also good.
前記工程(A)で用いられる重合体の良溶媒を含む溶媒としては、特に制限されず、前記組成物に用いられる良溶媒と同様の溶媒を含む溶媒が挙げられる。この良溶媒は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。 It does not restrict | limit especially as a solvent containing the good solvent of the polymer used by the said process (A), The solvent containing the solvent similar to the good solvent used for the said composition is mentioned. These good solvents can be used alone or in combination of two or more.
前記工程(A)において、重合体の良溶媒を含む溶媒を接触させるのは、通常、原料膜の最も面積の大きい面の全体またはその一部であり、該面の両面に該溶媒を接触させてもよいが、一方の面(アノード側となる最外部分)のみに該溶媒を接触させることが、よりプロトン伝導性に優れる電解質膜が得られる等の点から好ましい。 In the step (A), the solvent containing the good solvent for the polymer is usually brought into contact with the entire surface of the raw material film having the largest area or a part thereof, and the solvent is brought into contact with both surfaces of the surface. However, it is preferable that the solvent is brought into contact with only one surface (the outermost portion on the anode side) from the viewpoint of obtaining an electrolyte membrane having more excellent proton conductivity.
原料膜の最外部分に前記溶媒を接触させる方法としては特に制限されず、該層に、前記溶媒を従来公知の方法で塗布する方法、前記溶媒を吹き付ける方法、原料膜の最外部分を前記溶媒に浸漬する方法が挙げられる。 The method of bringing the solvent into contact with the outermost part of the raw material film is not particularly limited, and the method of applying the solvent to the layer by a conventionally known method, the method of spraying the solvent, and the outermost part of the raw material film as described above The method of immersing in a solvent is mentioned.
・工程(B)
前記工程(B)は、工程(A)で得られた電解質膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に曝露する工程であれば特に制限されないが、具体的には、
工程(A)で得られた電解質膜から、水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下で前記良溶媒を除去する工程(B1)、または、
工程(A)で得られた電解質膜を、水または前記重合体の貧溶媒に浸漬することで該電解質膜から前記良溶媒を除去する工程(B2)
が挙げられる。
・ Process (B)
The step (B) is not particularly limited as long as it is a step in which the electrolyte membrane obtained in the step (A) is exposed to an atmosphere of water or a poor solvent of the polymer. Specifically,
Removing the good solvent from the electrolyte membrane obtained in the step (A) in an atmosphere of water or a poor solvent of the polymer, (B1), or
The step (B2) of removing the good solvent from the electrolyte membrane by immersing the electrolyte membrane obtained in the step (A) in water or a poor solvent of the polymer.
Is mentioned.
・工程(B1)
工程(B1)は、工程(A)で得られた電解質膜から、水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下で前記良溶媒を除去する工程である。この工程(B1)を経ることで、最外層(部分)の吸水率が隣接する層(部分)の吸水率より大きくなった、好ましくはアノード側最外部分の吸水率がその隣接部分の吸水率より大きくなった電解質膜を得ることができる。
この工程(B1)は、具体的には、水蒸気および/または気体状の前記貧溶媒の存在下で、工程(A)で得られた電解質膜を加熱する方法が挙げられる。
・ Process (B1)
Step (B1) is a step of removing the good solvent from the electrolyte membrane obtained in step (A) in an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer. By passing through this step (B1), the water absorption rate of the outermost layer (part) is larger than the water absorption rate of the adjacent layer (part), preferably the water absorption rate of the anode outermost part is the water absorption rate of the adjacent portion A larger electrolyte membrane can be obtained.
Specifically, the step (B1) includes a method of heating the electrolyte membrane obtained in the step (A) in the presence of water vapor and / or the gaseous poor solvent.
前記貧溶媒としては、工程(A)で得られた電解質膜に含まれる重合体に応じ適宜選択すればよいが、エタノール、n−ブタノールなどのアルコール類、酢酸ブチルなどのエステル類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテルなどのエーテル類、ヘキサン、トルエンなどの炭化水素類等が挙げられる。この貧溶媒は、1種単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。 The poor solvent may be appropriately selected according to the polymer contained in the electrolyte membrane obtained in the step (A), but alcohols such as ethanol and n-butanol, esters such as butyl acetate, acetone, and methyl ethyl ketone And ketones such as propylene glycol monoethyl ether and propylene glycol monopropyl ether, and hydrocarbons such as hexane and toluene. This poor solvent can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
工程(B1)を水蒸気および/または気体状の前記貧溶媒の存在下の雰囲気下で行う場合、好ましくは、該雰囲気中の該水蒸気または貧溶媒の濃度が40%以上、より好ましくは80%以上の条件下で行う。
なお、工程(A)で得られた電解質膜を加熱する条件は、例えば、前記工程(E)で説明した条件と同様の条件下で行うことができる。
When the step (B1) is performed in an atmosphere in the presence of water vapor and / or gaseous poor solvent, the concentration of the water vapor or the poor solvent in the atmosphere is preferably 40% or more, more preferably 80% or more. Under the conditions of
In addition, the conditions which heat the electrolyte membrane obtained at the process (A) can be performed on the conditions similar to the conditions demonstrated by the said process (E), for example.
・工程(B2)
工程(B2)は、工程(A)で得られた電解質膜を、水または前記重合体の貧溶媒に浸漬することで該電解質膜から前記良溶媒を除去する工程である。この工程(B2)を経ることで、最外層(部分)の吸水率が隣接する層(部分)の吸水率より大きくなった、好ましくはアノード側最外部分の吸水率がその隣接部分の吸水率より大きくなった電解質膜を得ることができる。
この際の浸漬時間および浸漬条件(温度等)は、特に制限されない。
また、前記浸漬後、得られた電解質膜を、風乾や前記工程(E)で説明した条件と同様の条件下で加熱することで乾燥させてもよい。
・ Process (B2)
Step (B2) is a step of removing the good solvent from the electrolyte membrane by immersing the electrolyte membrane obtained in the step (A) in water or a poor solvent of the polymer. By passing through this step (B2), the water absorption rate of the outermost layer (part) is larger than the water absorption rate of the adjacent layer (part), preferably the water absorption rate of the anode outermost part is the water absorption rate of the adjacent portion A larger electrolyte membrane can be obtained.
The immersion time and immersion conditions (temperature, etc.) at this time are not particularly limited.
Further, after the immersion, the obtained electrolyte membrane may be dried by air drying or heating under the same conditions as described in the step (E).
〈方法(ii)〉
方法(ii)によれば、得られる電解質膜の吸水特性を容易に調整できる。
方法(ii)としては、具体的には、
方法(1):
炭化水素系高分子電解質膜となる膜(積層体)の最外層に、該層を構成する重合体の良溶媒を含む溶媒を接触させる工程(A)、および、
工程(A)で得られた電解質膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に暴露する工程(B)
を含む方法、および、
方法(2):
少なくともアノード側最外層を、
重合体および該重合体の良溶媒を含む組成物より塗膜を形成する工程(C)、および、
工程(C)で得られた塗膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に暴露する工程(D)
を含む方法で形成する方法
が挙げられる。
<Method (ii)>
According to the method (ii), the water absorption characteristics of the obtained electrolyte membrane can be easily adjusted.
Specifically, as the method (ii),
Method (1):
A step (A) of bringing a solvent containing a good solvent for a polymer constituting the layer into contact with an outermost layer of a membrane (laminate) to be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane; and
Exposing the electrolyte membrane obtained in step (A) to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer (B)
Including, and
Method (2):
At least the anode outermost layer,
A step (C) of forming a coating film from a composition containing a polymer and a good solvent for the polymer; and
Step (D) in which the coating film obtained in Step (C) is exposed to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer.
The method of forming by the method containing is mentioned.
方法(1)は、前記方法(i)において、原料膜の代わりに、炭化水素系高分子電解質膜となる膜(積層体)を用いる。この「炭化水素系高分子電解質膜となる膜(積層体)」とは、方法(1)における工程(A)および工程(B)を経て得られる積層体が本発明の電解質膜となる原料積層体のことをいう。 In the method (1), a film (laminate) that becomes a hydrocarbon-based polymer electrolyte film is used instead of the raw material film in the method (i). This “membrane (laminate) to be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane” is a raw material laminate in which the laminate obtained through the steps (A) and (B) in the method (1) is the electrolyte membrane of the present invention. It means the body.
前記原料積層体の製造方法は、特に制限されないが、好ましくは、
前記組成物を用いて、前記工程(C)および工程(E)を経て得られる層の上に、該組成物と同一または異なる組成物を用いて前記工程(C)を行うことで塗膜を形成し、前記工程(E)を経て積層体を得る方法、
予め、前記工程(C)および工程(E)を経て2つ以上の層を形成し、これらの層を重ね合わせ(熱)プレスする方法、これらの層に該層を構成する重合体を溶解する溶媒や前記組成物を塗布して(熱)プレスする方法、または、これらの層間に従来公知の接着剤や架橋剤を塗布して(熱)プレスする方法等が挙げられる。
The method for producing the raw material laminate is not particularly limited, but preferably,
A coating film is formed by performing the step (C) on the layer obtained through the steps (C) and (E) using the composition and using the same or different composition as the composition. Forming and obtaining a laminate through the step (E),
A method in which two or more layers are formed in advance through the steps (C) and (E), and the layers are superposed (heated), and the polymer constituting the layers is dissolved in these layers. Examples thereof include a method in which a solvent and the composition are applied (hot) pressing, or a method in which a conventionally known adhesive or crosslinking agent is applied between these layers (hot) pressing.
なお、この原料積層体は、前記組成物を多孔質材料やシート状の繊維質物質などからなる補強層に含浸させたり、塗布したりすることで得られる、補強層を含む層を含有する積層体であってもよく、繊維、フィラー状の補強材などを含む層を含有する積層体であってもよい。 This raw material laminate is a laminate containing a layer including a reinforcing layer, which is obtained by impregnating or applying a reinforcing layer made of a porous material or a sheet-like fibrous substance with the composition. It may be a body, or may be a laminate containing a layer containing fibers, filler-like reinforcing materials and the like.
前記原料積層体の製造に使用される組成物には、架橋剤が含まれていてもよい。
このような架橋剤としては重合体を含む層を架橋できるものであれば特に制限なく使用することができるが、例えば下記構造を有する架橋剤が好ましい。
The composition used for manufacturing the raw material laminate may contain a crosslinking agent.
As such a crosslinking agent, any crosslinking agent can be used as long as it can crosslink a layer containing a polymer. For example, a crosslinking agent having the following structure is preferable.
前記架橋剤としては、具体的には、RESITOP C357(群栄化学工業(株)製)、DM−BI25X−F、46DMOC、46DMOIPP、46DMOEP(商品名、旭有機材工業(株)製)、DML−MBPC、DML−MBOC、MDL−OCHP、DML−PC、DML−PCHP、DML−PTBP、DML−34X、DML−EP、DML−POP、DML−OC、ジメチロール−Bis−C、ジメチロール−BisOC−P、DML−BisOC−Z、DML−BisOCHP−Z、DML−PFP、DML−PSBP、DML−MB25、DML−MTrisPC、DML−Bis25X−34XL、DML−Bis25X−PCHP(商品名、本州化学工業(株)製)、"ニカラック"(登録商標)MX−290(商品名、(株)三和ケミカル製)、2,6−ジメトキシメチル−4−t−ブチルフェノール、2,6−ジメトキシメチル−p−クレゾール、2,6−ジアセトキシメチル−p−クレゾール、TriML−P、TriML−35XL、TriML−TrisCR−HAP(商品名、本州化学工業(株)製)、TM−BIP−A(商品名、旭有機材工業(株)製)、TML−BP、TML−HQ、TML−pp−BPF、TML−BPA、TMOM−BP(商品名、本州化学工業(株)製)、"ニカラック"MX−280、"ニカラック"MX−270(商品名、(株)三和ケミカル製)、HML−TPPHBA、HML−TPHAP(商品名、本州化学工業(株)製)等が挙げられる。 Specific examples of the cross-linking agent include RESITOP C357 (manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd.), DM-BI25X-F, 46DMOC, 46DMOIPP, 46DMOEP (trade name, manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), DML. -MBPC, DML-MBOC, MDL-OCHP, DML-PC, DML-PCHP, DML-PTBP, DML-34X, DML-EP, DML-POP, DML-OC, dimethylol-Bis-C, dimethylol-BisOC-P , DML-BisOC-Z, DML-BisOCHP-Z, DML-PFP, DML-PSBP, DML-MB25, DML-MTrisPC, DML-Bis25X-34XL, DML-Bis25X-PCHP (trade name, Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) ), "Nikarak" (registered trademark) MX-290 (trade) Product name, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.), 2,6-dimethoxymethyl-4-t-butylphenol, 2,6-dimethoxymethyl-p-cresol, 2,6-diacetoxymethyl-p-cresol, TriML-P , TriML-35XL, TriML-TrisCR-HAP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), TM-BIP-A (trade name, manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.), TML-BP, TML-HQ, TML-pp-BPF, TML-BPA, TMOM-BP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), “Nikarak” MX-280, “Nikarak” MX-270 (trade name, manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) ), HML-TPPHBA, HML-TPHAP (trade name, manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.) and the like.
方法(2)は、具体的には、前記原料膜や原料積層体と同様の方法で得られた膜や積層体の面(膜や積層体の最外層の内、最も面積の大きい面)の少なくとも一方の全体または一部分に、前記工程(C)および工程(D)を経て、少なくともアノード側最外層を形成する方法である。
方法(2)は、具体的には、前記原料膜や原料積層体と同様の方法で得られた膜や積層体の面の両面に対し、工程(C)および工程(D)を行ってもよいが、一方の面(アノード側となる最外部分)のみに対し、工程(C)および工程(D)を行うことが、よりプロトン伝導性に優れる電解質膜が得られる等の点から好ましい。
Specifically, the method (2) is for the surface of the film or laminate obtained by the same method as the material film or material laminate (the surface having the largest area among the outermost layers of the film or laminate). In this method, at least the anode outermost layer is formed on the whole or a part of at least one through the steps (C) and (D).
In the method (2), specifically, the step (C) and the step (D) may be performed on both surfaces of the surface of the film or laminate obtained by the same method as the raw material film or raw material laminate. However, it is preferable to perform the step (C) and the step (D) only on one surface (the outermost portion on the anode side) from the viewpoint of obtaining an electrolyte membrane having more excellent proton conductivity.
この方法(2)における工程(C)は、前記工程(A)における工程(C)と同様の工程が挙げられる。 The process (C) in this method (2) includes the same process as the process (C) in the process (A).
なお、方法(2)における工程(C)で用いられる組成物に前記架橋剤が含まれる場合、該架橋剤の使用量は、前記吸水特性を示す電解質膜を容易に得る等の点から、最外層の吸水率が隣接する層の吸水率より小さくならない範囲であり、具体的には、該組成物に使用する重合体の使用量100重量部に対し、好ましくは1〜50重量部であり、より好ましくは3〜25重量部である。 When the composition used in step (C) in method (2) contains the cross-linking agent, the amount of the cross-linking agent used is most preferably from the viewpoint of easily obtaining an electrolyte membrane exhibiting the water absorption characteristics. The water absorption rate of the outer layer is a range that does not become smaller than the water absorption rate of the adjacent layer. Specifically, it is preferably 1 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polymer used in the composition, More preferably, it is 3 to 25 parts by weight.
前記工程(D)は、工程(C)で得られた塗膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に暴露する工程であれば特に制限されないが、具体的には、
工程(C)で得られた塗膜から、水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下で前記良溶媒を除去する工程(D1)、または、
工程(C)で得られた塗膜を、水または前記重合体の貧溶媒に浸漬することで該塗膜から前記良溶媒を除去する工程(D2)
が挙げられる。
The step (D) is not particularly limited as long as it is a step in which the coating film obtained in the step (C) is exposed to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer.
Removing the good solvent from the coating film obtained in the step (C) in an atmosphere of water or a poor solvent of the polymer (D1), or
The step (D2) of removing the good solvent from the coating film by immersing the coating film obtained in the step (C) in water or a poor solvent of the polymer.
Is mentioned.
前記工程(D1)および(D2)としては、前記良溶媒を除去する対象が工程(C)で得られた塗膜に変わった以外は、前記工程(B1)および(B2)と同様の工程が挙げられる。 The steps (D1) and (D2) include the same steps as the steps (B1) and (B2) except that the object for removing the good solvent is changed to the coating film obtained in the step (C). Can be mentioned.
[イオン交換基含有炭化水素系重合体]
前記重合体は、イオン交換基を有している。
該イオン交換基としては、公知のものであればよく、特に限定されないが、ホスホン酸基、スルホン酸基等が挙げられる。中でも、スルホン酸基を有する重合体を用いることで、発電性能に優れる電解質膜を得ることができる。
[Hydrocarbon polymer containing ion exchange groups]
The polymer has an ion exchange group.
The ion exchange group may be any known one, and is not particularly limited, and examples thereof include a phosphonic acid group and a sulfonic acid group. Especially, the electrolyte membrane which is excellent in power generation performance can be obtained by using the polymer which has a sulfonic acid group.
前記重合体のガラス転移温度(Tg)は、耐久性に優れる電解質膜を得ることができるなどの点から、100℃以上であり、より好ましくは120℃以上、特に好ましくは150℃以上である。該Tgの上限は特に制限されないが、例えば、250℃であればよい。
前記Tgは、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。
The glass transition temperature (Tg) of the polymer is 100 ° C. or higher, more preferably 120 ° C. or higher, particularly preferably 150 ° C. or higher, from the viewpoint that an electrolyte membrane having excellent durability can be obtained. The upper limit of the Tg is not particularly limited, but may be, for example, 250 ° C.
Specifically, the Tg can be measured by the method described in the examples below.
前記重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算の、重量平均分子量(Mw)は、好ましくは1万〜100万、より好ましくは2万〜80万、さらに好ましくは5万〜30万であり、数平均分子量(Mn)は、好ましくは3000〜100万、より好ましくは6000〜80万、さらに好ましくは15000〜30万である。
前記平均分子量は、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。
The weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene by gel permeation chromatography (GPC) of the polymer is preferably 10,000 to 1,000,000, more preferably 20,000 to 800,000, still more preferably 50,000 to 300,000. The number average molecular weight (Mn) is preferably 3,000 to 1,000,000, more preferably 6,000 to 800,000, and still more preferably 15,000 to 300,000.
Specifically, the average molecular weight can be measured by the method described in the Examples below.
前記重合体のイオン交換容量は、好ましくは0.5〜3.5meq/g、より好ましくは0.5〜3.0meq/gである。イオン交換容量が0.5meq/g以上であれば、プロトン伝導度が高く、かつ発電性能の高い電解質膜が得られるため好ましい。一方、3.5meq/g以下であれば、充分に高い耐水性を有する電解質膜となるため好ましい。
重合体のイオン交換容量は、具体的には、下記実施例に記載の方法で測定することができる。
The ion exchange capacity of the polymer is preferably 0.5 to 3.5 meq / g, more preferably 0.5 to 3.0 meq / g. An ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more is preferable because an electrolyte membrane having high proton conductivity and high power generation performance can be obtained. On the other hand, if it is 3.5 meq / g or less, it becomes an electrolyte membrane having sufficiently high water resistance, which is preferable.
Specifically, the ion exchange capacity of the polymer can be measured by the method described in the Examples below.
前記イオン交換容量は、重合体に含まれる構造単位の種類、その割合、組み合わせなどを変更することにより、調整することができる。したがって、重合時に構造単位を誘導する前駆体(モノマー・オリゴマー)の仕込み量比、種類等を変えれば調整することができる。
概して、イオン交換基を含む構造単位の存在割合が重合体中に多くなると、得られる重合体のイオン交換容量が増えプロトン伝導性が高くなるが、耐水性が低下する傾向にあり、一方、該構造単位の存在割合が少なくなると、得られる重合体のイオン交換容量が小さくなり、耐水性が高まるが、プロトン伝導性が低下する傾向にある。
The ion exchange capacity can be adjusted by changing the type, ratio, combination, etc. of the structural units contained in the polymer. Therefore, it can be adjusted by changing the charge amount ratio, type, etc. of the precursor (monomer / oligomer) that induces the structural unit during the polymerization.
In general, when the proportion of the structural unit containing an ion exchange group increases in the polymer, the ion exchange capacity of the resulting polymer increases and proton conductivity increases, but the water resistance tends to decrease, When the proportion of the structural units is reduced, the ion exchange capacity of the resulting polymer is reduced and the water resistance is increased, but the proton conductivity tends to be lowered.
前記重合体としては、例えば、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル系重合体、ポリスチレン、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリスチレン−グラフト−ポリテトラフルオロエチレン、脂肪族ポリカーボネート等の脂肪族系重合体にスルホン酸基が導入された重合体、ポリエステル、ポリスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾイミダゾール等の主鎖の一部または全部に芳香族環を有する芳香族系重合体にスルホン酸基が導入された重合体が挙げられる。
また、これらの重合体に導入する基を、スルホン酸基からホスホン酸基等のイオン交換基に変えた重合体、またはこれらの基が共存する重合体等が挙げられる。
Examples of the polymer include aliphatic systems such as polyacetal, polyethylene, polypropylene, acrylic polymer, polystyrene, polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polystyrene-graft-polytetrafluoroethylene, and aliphatic polycarbonate. Polymer in which sulfonic acid group is introduced into polymer, polyester, polysulfone, polyphenylene ether, polyetherimide, aromatic polycarbonate, polyether ether ketone, polyether ketone, polyether ketone ketone, polyether ether sulfone, polyether sulfone , Polycarbonate, polyphenylene sulfide, aromatic polyamide, aromatic polyamideimide, aromatic polyimide, polybenzoxazole, polybenzothiazole Sulfonic acid aromatic polymer having an aromatic ring in a part or the whole of the main chain of polybenzimidazole or the like is introduced polymers.
Moreover, the polymer which changed the group introduce | transduced into these polymers into ion exchange groups, such as a phosphonic acid group from a sulfonic acid group, the polymer in which these groups coexist, etc. are mentioned.
前記重合体としては、公知の重合体を用いることができ、特に限定されないが、例えば、国際公開第2013/018677号、特開2012−067216号公報、特開2007−284653号公報、特開2008−181882号公報、特開2004−345997号公報等に記載の重合体が好ましく、下記重合体(1)がより好ましい。 As the polymer, a known polymer can be used, and is not particularly limited. For example, International Publication No. 2013/018677, JP2012-067216, JP2007-284653, JP2008. Polymers described in JP-A Nos. 181882 and JP-A No. 2004-345997 are preferable, and the following polymer (1) is more preferable.
・重合体(1)
前記重合体(1)は、イオン交換基を有する構造単位と疎水性構造単位とを有する重合体であり、ポリマーまたはオリゴマーである。
本発明において、イオン交換基を有する構造単位は、単にイオン交換基であってもよく、イオン交換基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシ基、ビススルホニルイミド基などが挙げられ、スルホン酸基が好ましい。
・ Polymer (1)
The polymer (1) is a polymer having a structural unit having an ion exchange group and a hydrophobic structural unit, and is a polymer or an oligomer.
In the present invention, the structural unit having an ion exchange group may be simply an ion exchange group, and examples of the ion exchange group include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a carboxy group, and a bissulfonylimide group. Acid groups are preferred.
前記重合体(1)は、具体的には、イオン交換基を有する構造単位となる親水性セグメント(A1)と、疎水性構造単位となる疎水性セグメント(B1)とからなる重合体であることが好ましい。この場合、該重合体(1)は、ブロック体であってもよく、ランダム体であってもよいが、より発電性能および乾湿サイクル時の寸法安定性に優れる電解質膜が得られる等の点から、親水性セグメント(A1)と疎水性セグメント(B1)とのブロック共重合体が好ましい。 Specifically, the polymer (1) is a polymer comprising a hydrophilic segment (A1) as a structural unit having an ion exchange group and a hydrophobic segment (B1) as a hydrophobic structural unit. Is preferred. In this case, the polymer (1) may be a block body or a random body, but from the viewpoint of obtaining an electrolyte membrane that is more excellent in power generation performance and dimensional stability during a dry and wet cycle. A block copolymer of a hydrophilic segment (A1) and a hydrophobic segment (B1) is preferred.
・親水性セグメント(A1)
親水性セグメント(A1)としては、イオン交換基を有し、親水性を示すセグメントであれば特に制限されないが、例えば、主鎖に芳香環を有し、スルホン酸基などのイオン交換基を含有する親水性セグメントが挙げられ、親水性セグメントの連続性が高く、プロトン伝導度が高い電解質膜が得られるなどの点から、下記式(5)で表される構造単位(以下「構造単位(5)」ともいう。)を含むセグメントであることが好ましく、構造単位(5)からなるセグメントであることがより好ましい。
親水性セグメント(A1)は、1種類の構造単位のみからなってもよく、2種類以上の構造単位を含んでもよい。
・ Hydrophilic segment (A1)
The hydrophilic segment (A1) is not particularly limited as long as it has an ion exchange group and shows hydrophilicity. For example, it has an aromatic ring in the main chain and contains an ion exchange group such as a sulfonic acid group. The structural unit represented by the following formula (5) (hereinafter referred to as “structural unit (5)” from the viewpoint that an electrolyte membrane having high continuity of the hydrophilic segment and high proton conductivity can be obtained. It is preferable that it is a segment including the structural unit (5).
The hydrophilic segment (A1) may consist of only one type of structural unit or may contain two or more types of structural units.
式(5)中、Ar11、Ar12およびAr13はそれぞれ独立に、ハロゲン原子、ニトリル基、炭素数1〜20の1価の炭化水素基もしくは炭素数1〜20の1価のハロゲン化炭化水素基で置換されていてもよい、ベンゼン環、縮合芳香環または含窒素複素環を有する芳香族基を示し、YおよびZはそれぞれ独立に、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−(CH2)u−、−(CF2)u−(uは1〜10の整数である。)、−C(CH3)2−または−C(CF3)2−を示し、R17は独立に、直接結合、−O(CH2)p−、−O(CF2)p−、−(CH2)p−または−(CF2)p−(pは1〜12の整数を示す。)を示し、R18およびR19はそれぞれ独立に、水素原子または保護基を示す。ただし、前記構造単位(5)中に含まれる全てのR18およびR19のうち少なくとも1個は水素原子である。
x1は独立に、0〜6の整数を示し、x2は1〜7の整数を示し、aは0または1を示し、bは0〜20の整数を示す。
In the formula (5), Ar 11 , Ar 12 and Ar 13 are each independently a halogen atom, a nitrile group, a monovalent hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a monovalent halogenated carbonization having 1 to 20 carbon atoms. An aromatic group having a benzene ring, a condensed aromatic ring or a nitrogen-containing heterocyclic ring, which may be substituted with a hydrogen group, and Y and Z are each independently a direct bond, -O-, -S-, -CO -, - SO 2 -, - SO -, - (CH 2) u -, - (CF 2) u - (u is an integer of 1 to 10.), - C (CH 3 ) 2 - or -C (CF 3 ) 2 — and R 17 is independently a direct bond, —O (CH 2 ) p —, —O (CF 2 ) p —, — (CH 2 ) p — or — (CF 2 ) p. -(P represents an integer of 1 to 12), and R 18 and R 19 each independently represent a hydrogen atom or a protecting group. However, at least one of all R 18 and R 19 contained in the structural unit (5) is a hydrogen atom.
x 1 independently represents an integer of 0 to 6, x 2 represents an integer of 1 to 7, a represents 0 or 1, and b represents an integer of 0 to 20.
前記保護基とは、反応性の基(−SO3−または−SO3 -)を一時的に保護する目的で使用されるイオン、原子または原子団等のことをいう。具体的には、アルカリ金属原子、脂肪族炭化水素基、脂環基、含酸素複素環基および含窒素カチオンなどが挙げられる。 The protecting group refers to an ion, atom or atomic group used for the purpose of temporarily protecting a reactive group (—SO 3 — or —SO 3 − ). Specific examples include an alkali metal atom, an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic group, an oxygen-containing heterocyclic group, and a nitrogen-containing cation.
親水性セグメント(A1)は、スルホン酸基を有する前記構造単位(5)以外にも、スルホン酸基以外のイオン交換基を有する構造単位として、例えば、ホスホン酸基を有する構造単位や、特開2011−089036号公報および国際公開第2007/010731号等に記載の含窒素複素環を有する芳香族系構造単位などを含んでもよい。 The hydrophilic segment (A1) includes, in addition to the structural unit (5) having a sulfonic acid group, as a structural unit having an ion exchange group other than the sulfonic acid group, for example, a structural unit having a phosphonic acid group, An aromatic structural unit having a nitrogen-containing heterocycle described in JP2011-089036A and WO2007 / 010731 may be included.
・疎水性セグメント(B1)
疎水性セグメント(B1)としては、疎水性を示すセグメントであれば特に制限されない。
親水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位のみからなってもよく、2種類以上の構造単位を含んでもよい。
・ Hydrophobic segment (B1)
The hydrophobic segment (B1) is not particularly limited as long as it is a hydrophobic segment.
The hydrophilic segment (B1) may be composed of only one type of structural unit or may include two or more types of structural units.
疎水性セグメント(B1)としては、好ましくは、主鎖に芳香環を有し、スルホン酸基などのイオン交換基を含有しない疎水性セグメントが挙げられ、より熱水膨潤抑制に優れる電解質膜が得られるなどの点から、下記式(1)で表される構造単位(以下「構造単位(1)」ともいう。)、下記式(2)で表される構造単位(以下「構造単位(2)」ともいう。)および下記式(3')で表される構造単位(以下「構造単位(3')」ともいう。)からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造単位を含むセグメントであることが好ましく、構造単位(1)および構造単位(2)からなる群より選ばれる少なくとも1種の構造単位からなるセグメントであることがより好ましい。 The hydrophobic segment (B1) is preferably a hydrophobic segment that has an aromatic ring in the main chain and does not contain an ion exchange group such as a sulfonic acid group, and an electrolyte membrane that is more excellent in suppressing hot water swelling is obtained. The structural unit represented by the following formula (1) (hereinafter also referred to as “structural unit (1)”) and the structural unit represented by the following formula (2) (hereinafter “structural unit (2)”) And a segment including at least one structural unit selected from the group consisting of structural units represented by the following formula (3 ′) (hereinafter also referred to as “structural unit (3 ′)”). Are preferable, and a segment composed of at least one structural unit selected from the group consisting of the structural unit (1) and the structural unit (2) is more preferable.
前記重合体(1)が、構造単位(1)〜(3')のいずれか、特には、構造単位(1)または(2)を含有することにより、該重合体の疎水性が著しく向上する。このため、従来と同様のプロトン伝導性を具備しながら、優れた熱水耐性を有する電解質膜を得ることができる。また、セグメント(B1)がニトリル基を含む場合は、靭性および機械的強度の高い電解質膜を製造できる。 When the polymer (1) contains any one of the structural units (1) to (3 ′), in particular, the structural unit (1) or (2), the hydrophobicity of the polymer is remarkably improved. . Therefore, it is possible to obtain an electrolyte membrane having excellent hot water resistance while having proton conductivity similar to the conventional one. Moreover, when segment (B1) contains a nitrile group, an electrolyte membrane with high toughness and mechanical strength can be produced.
・構造単位(1)
疎水性セグメント(B1)が、構造単位(1)を含有することにより、該セグメント(B1)の剛直性が高くなり、かつ芳香環密度が高くなることで、得られる重合体(1)を含む電解質膜の熱水耐性、過酸化物に対するラジカル耐性、ガスバリア性、機械的強度および寸法安定性等を向上させることができる。
前記疎水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位(1)を含んでもよく、2種類以上の構造単位(1)を含んでもよい。
・ Structural unit (1)
When the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (1), the segment (B1) includes the polymer (1) obtained by increasing the rigidity and increasing the aromatic ring density. The hot water resistance, radical resistance to peroxide, gas barrier properties, mechanical strength, dimensional stability, etc. of the electrolyte membrane can be improved.
The hydrophobic segment (B1) may include one type of structural unit (1), or may include two or more types of structural units (1).
式(1)中、芳香環を構成する少なくとも1つの置換可能な炭素原子は窒素原子に置き換えられてもよく、R21は独立に、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基またはR22−E−(Eは、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−CONH−、−COO−、−CF2−、−CH2−、−C(CF3)2−または−C(CH3)2−を示し;R22は、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、アリール基、ハロゲン化アリール基または含窒素複素環を示し、これらの基の少なくとも1つの水素原子は、さらにヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基およびR22−E−からなる群より選ばれる少なくとも1種の基で置換されていてもよい。)を示し、複数のR21が結合して環構造を形成してもよい。
なお、R21がR22−E−であり、かつ、該R22がさらにR22−E−で置換される場合、複数のEは同一でも異なっていてもよく、複数のR22(ただし、置換によって生じる構造の差異を除く部分の構造)も同一でも異なっていてもよい。このことは、他の式中の符号においても同様である。
c1およびc2は独立に0または1以上の整数を示し、dは1以上の整数を示し、eは独立に、0〜(2c1+2c2+4)の整数を示す。
In the formula (1), at least one substitutable carbon atom constituting the aromatic ring may be replaced with a nitrogen atom, and R 21 is independently a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a nitrile group or R 22 —. E- (E is a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —CONH—, —COO—, —CF 2 —, —CH 2 —, —C (CF 3 ) 2- or -C (CH 3 ) 2- ; R 22 represents an alkyl group, a halogenated alkyl group, an alkenyl group, an aryl group, a halogenated aryl group or a nitrogen-containing heterocycle, and at least one of these groups one of the hydrogen atoms, further hydroxy group, a nitro group, may be substituted with at least one group selected from the group consisting of nitrile group, and R 22 -E-.) shows a plurality of R 21 is bonded To form a ring structure.
When R 21 is R 22 -E- and R 22 is further substituted with R 22 -E-, the plurality of E may be the same or different, and a plurality of R 22 (provided that The structure of the portion excluding the structural difference caused by the substitution may be the same or different. The same applies to the symbols in the other equations.
c 1 and c 2 independently represent an integer of 0 or 1 or more, d represents an integer of 1 or more, and e independently represents an integer of 0 to (2c 1 + 2c 2 +4).
・構造単位(2)
前記疎水性セグメント(B1)が構造単位(2)を含むと、過酸化物などに対するラジカル耐性が向上し、発電耐久性に優れる電解質膜が得られると考えられるため好ましい。
また、前記疎水性セグメント(B1)が構造単位(2)を含有することにより、該セグメント(B1)に適度な屈曲性(柔軟性)を付与することができ、得られる重合体を含む電解質膜の靭性を向上させることができる。
前記疎水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位(2)を含んでもよく、2種類以上の構造単位(2)を含んでもよい。
・ Structural unit (2)
It is preferable that the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (2) because radical resistance to peroxide and the like is improved and an electrolyte membrane excellent in power generation durability can be obtained.
Moreover, when the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (2), an appropriate flexibility (flexibility) can be imparted to the segment (B1), and the electrolyte membrane containing the resulting polymer Toughness can be improved.
The hydrophobic segment (B1) may include one type of structural unit (2), or may include two or more types of structural units (2).
式(2)中、芳香環を構成する少なくとも1つの置換可能な炭素原子は窒素原子に置き換えられてもよく、R31は独立に、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基またはR22−E−(EおよびR22はそれぞれ独立に、前記式(1)中のEおよびR22と同義である。)を示し、複数のR31が結合して環構造を形成してもよい。
fは0または1以上の整数を示し、gは0〜(2f+4)の整数を示す。ただし、式(2)で表される構造単位は、式(1)で表される構造単位以外の構造単位である。
In the formula (2), at least one substitutable carbon atom constituting the aromatic ring may be replaced with a nitrogen atom, and R 31 is independently a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a nitrile group or R 22 —. E- (E and R 22 are each independently synonymous with E and R 22 in the formula (1)), and a plurality of R 31 may be bonded to form a ring structure.
f represents 0 or an integer of 1 or more, and g represents an integer of 0 to (2f + 4). However, the structural unit represented by Formula (2) is a structural unit other than the structural unit represented by Formula (1).
・構造単位(3')
前記疎水性セグメント(B1)が構造単位(3')を含有することにより、該セグメント(B1)に適度な屈曲性(柔軟性)を付与することができ、得られる重合体を含む電解質膜の靭性を向上させることができる。
前記疎水性セグメント(B1)は、1種類の構造単位(3')を含んでもよく、2種類以上の構造単位(3')を含んでもよい。
・ Structural unit (3 ')
When the hydrophobic segment (B1) contains the structural unit (3 ′), an appropriate flexibility (flexibility) can be imparted to the segment (B1), and an electrolyte membrane containing the resulting polymer can be obtained. Toughness can be improved.
The hydrophobic segment (B1) may include one type of structural unit (3 ′) or may include two or more types of structural units (3 ′).
式(3')中、A'およびD'はそれぞれ独立に、直接結合、−O−、−S−、−CO−、−SO2−、−SO−、−CONH−、−COO−、−(CF2)i−(iは1〜10の整数である)、−(CH2)j−(jは1〜10の整数である)、−CR'2−(R'は脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基またはハロゲン化炭化水素基を示す。)、シクロヘキシリデン基またはフルオレニリデン基を示し、B'は独立に、酸素原子または硫黄原子を示し、R1〜R16はそれぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、ニトリル基またはR22−E−(EおよびR22はそれぞれ独立に、式(1)中のEおよびR22と同義である。)を示し、R1〜R16のうちの複数の基が結合して環構造を形成してもよい。
sおよびtはそれぞれ独立に、0〜4の整数を示し、rは0または1以上の整数を示す。
In formula (3 ′), A ′ and D ′ are each independently a direct bond, —O—, —S—, —CO—, —SO 2 —, —SO—, —CONH—, —COO—, — (CF 2) i - (i is an integer of 1 to 10), - (CH 2) j - (j is an integer of 1 to 10), - CR '2 - ( R' is an aliphatic hydrocarbon Group, an aromatic hydrocarbon group or a halogenated hydrocarbon group.), A cyclohexylidene group or a fluorenylidene group, B ′ independently represents an oxygen atom or a sulfur atom, and R 1 to R 16 each independently represent represent hydrogen atom, halogen atom, hydroxy group, nitro group, nitrile group or R 22 -E- (E and R 22 are independently the same as E and R 22 in the formula (1).) shows the , R 1 to R 16 may combine to form a ring structure.
s and t each independently represent an integer of 0 to 4, and r represents 0 or an integer of 1 or more.
・重合体(1)の合成方法
前記重合体(1)は、従来公知の方法で合成することができ、特に制限されないが、例えば、前記構造単位となる化合物を触媒や溶媒の存在下で反応させ、必要によりスルホン酸エステル基などをスルホン酸基に変換する、または、スルホン化剤を用いてスルホン化する等の方法でイオン交換基を導入することにより合成することができる。
-Synthesis method of polymer (1) The polymer (1) can be synthesized by a conventionally known method and is not particularly limited. For example, the compound serving as the structural unit is reacted in the presence of a catalyst or a solvent. Then, if necessary, it can be synthesized by introducing an ion exchange group by a method such as conversion of a sulfonic acid ester group or the like to a sulfonic acid group, or sulfonation using a sulfonating agent.
≪膜−電極接合体≫
本発明の膜−電極接合体は、例えば、ガス拡散層、触媒層、本発明の電解質膜、触媒層およびガス拡散層がこの順で積層された積層体である。具体的には、本発明の電解質膜の一方の面にはカソード電極用の触媒層が、他方の面にはアノード電極用の触媒層が設けられており、さらにカソード電極用およびアノード電極用の各触媒層の電解質膜と反対側に接して、それぞれガス拡散層が設けられたものであることが好ましい。
≪Membrane-electrode assembly≫
The membrane-electrode assembly of the present invention is, for example, a laminate in which a gas diffusion layer, a catalyst layer, an electrolyte membrane of the present invention, a catalyst layer, and a gas diffusion layer are laminated in this order. Specifically, a cathode electrode catalyst layer is provided on one surface of the electrolyte membrane of the present invention, and an anode electrode catalyst layer is provided on the other surface. It is preferable that a gas diffusion layer is provided in contact with the opposite side of each catalyst layer to the electrolyte membrane.
前記ガス拡散層としては、特に制限されず公知のものを使用することができるが、多孔性基材または多孔性基材と微多孔層との積層構造体等が挙げられる。ガス拡散層が多孔性基材と微多孔層との積層構造体からなる場合には、微多孔層が触媒層に接することが好ましい。また、前記ガス拡散層は、撥水性を付与するために含フッ素重合体を含んでいることが好ましい。 The gas diffusion layer is not particularly limited and a known one can be used, and examples thereof include a porous substrate or a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer. When the gas diffusion layer is composed of a laminated structure of a porous substrate and a microporous layer, the microporous layer is preferably in contact with the catalyst layer. The gas diffusion layer preferably contains a fluoropolymer in order to impart water repellency.
前記ガス拡散層の厚みは、燃料電池に通常用いられるガス拡散層と同程度の厚みであればよいが、好ましくは50〜400μm、より好ましくは100〜300μmである。 Although the thickness of the said gas diffusion layer should just be the same thickness as the gas diffusion layer normally used for a fuel cell, Preferably it is 50-400 micrometers, More preferably, it is 100-300 micrometers.
前記触媒層は、特に制限されず公知のものを使用することができるが、例えば、触媒、イオン交換樹脂電解質などから構成される。
触媒としては、白金、パラジウム、金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属触媒が好ましく用いられる。また、貴金属触媒は、合金や混合物などのように、2種以上の元素を含むものであってもよい。このような貴金属触媒は、高比表面積カーボン微粒子に担持したものを用いてもよい。
The catalyst layer is not particularly limited, and a known layer can be used. For example, the catalyst layer includes a catalyst, an ion exchange resin electrolyte, and the like.
As the catalyst, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, gold, ruthenium or iridium is preferably used. The noble metal catalyst may contain two or more elements such as an alloy or a mixture. As such a precious metal catalyst, a catalyst supported on high specific surface area carbon fine particles may be used.
イオン交換樹脂電解質は、前記触媒を結着させるバインダー成分として働くとともに、アノード極では触媒上の反応によって発生したイオンを電解質膜へ効率的に供給し、また、カソード極では電解質膜から供給されたイオンを触媒へ効率的に供給する物質であることが好ましい。 The ion exchange resin electrolyte acts as a binder component for binding the catalyst, and efficiently supplies ions generated by the reaction on the catalyst to the electrolyte membrane at the anode electrode, and is supplied from the electrolyte membrane at the cathode electrode. A substance that efficiently supplies ions to the catalyst is preferable.
前記イオン交換樹脂電解質としては、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるためにプロトン交換基を有するポリマーが好ましい。プロトン交換基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などが挙げられるが特に限定されるものではない。 The ion exchange resin electrolyte is preferably a polymer having a proton exchange group in order to improve proton conductivity in the catalyst layer. Examples of proton exchange groups include, but are not particularly limited to, sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, and phosphoric acid groups.
このようなプロトン交換基を有するポリマーは、特に限定されないが、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるプロトン交換基を有するポリマーや、スルホン酸基を有する芳香族炭化水素系重合体などが好ましく用いられる。また、前記イオン交換基含有炭化水素系重合体をイオン交換樹脂電解質として使用してもよく、さらに、プロトン交換基を有し、フッ素原子を含むポリマー、エチレンやスチレンなどから得られる他のポリマーや、これらの共重合体やブレンドであっても構わない。
また、前記イオン交換樹脂電解質は、公知のものを特に制限なく使用可能であり、例えば、Nafionであってもよい。
The polymer having such a proton exchange group is not particularly limited, but a polymer having a proton exchange group composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or an aromatic hydrocarbon-based polymer having a sulfonic acid group. A coalescence or the like is preferably used. Further, the ion exchange group-containing hydrocarbon polymer may be used as an ion exchange resin electrolyte, and further, a polymer having a proton exchange group and containing a fluorine atom, another polymer obtained from ethylene, styrene, etc. These copolymers or blends may be used.
Moreover, the said ion exchange resin electrolyte can use a well-known thing without a restriction | limiting in particular, For example, Nafion may be sufficient.
前記触媒層は、必要に応じてさらに、炭素繊維、イオン交換基を有しない樹脂等の添加剤を含んでもよい。この添加剤としては撥水性の高い成分であることが好ましく、例えば、含フッ素共重合体、シランカップリング剤、シリコーン樹脂、ワックス、ポリホスファゼンなどを挙げることができるが、好ましくは含フッ素共重合体である。 The catalyst layer may further contain an additive such as a carbon fiber or a resin having no ion exchange group, if necessary. This additive is preferably a component having high water repellency, and examples thereof include a fluorine-containing copolymer, a silane coupling agent, a silicone resin, a wax, and polyphosphazene. It is a coalescence.
前記触媒層の厚みは、燃料電池等に通常用いられる触媒層と同程度の厚みであればよいが、好ましくは1〜100μm、より好ましくは3〜50μmである。 Although the thickness of the said catalyst layer should just be the same thickness as the catalyst layer normally used for a fuel cell etc., Preferably it is 1-100 micrometers, More preferably, it is 3-50 micrometers.
≪燃料電池≫
本発明の燃料電池は、前記膜−電極接合体を含む。このような燃料電池は、特に発電性および耐久性に優れ、発電性能の経時的な低下が抑制され、長期にわたって安定な発電が可能である。
≪Fuel cell≫
The fuel cell of the present invention includes the membrane-electrode assembly. Such a fuel cell is particularly excellent in power generation and durability, suppresses a decrease in power generation performance over time, and enables stable power generation over a long period of time.
前記燃料電池は、具体的には、少なくとも一つの膜−電極接合体の両外側に位置する、セパレータを含む少なくとも一つの電気発生部;燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;および酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む燃料電池であることが好ましい。 Specifically, the fuel cell includes at least one electricity generation unit including a separator, located on both outer sides of at least one membrane-electrode assembly; a fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit; and oxidation Preferably, the fuel cell includes an oxidant supply unit that supplies the agent to the electricity generation unit.
前記セパレータとしては、通常の燃料電池に使用されるものを用いることができる。具体的にはカーボンタイプのセパレータ、金属タイプのセパレータ等が挙げられる。 As said separator, what is used for a normal fuel cell can be used. Specifically, a carbon type separator, a metal type separator, etc. are mentioned.
また、燃料電池を構成する部材としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能である。前記燃料電池は単セルであってもよいし、複数の単セルを直列に繋いだスタックセルであってもよい。スタックの方法としては公知の方法を用いることができる。具体的には単セルを平面状に並べた平面スタッキングであってもよいし、および燃料または酸化剤の流路が、セパレータの裏表面にそれぞれ形成されているセパレータを介して単セルを積み重ねるバイポーラースタッキングであってもよい。 Moreover, as a member which comprises a fuel cell, it is possible to use a well-known thing without a restriction | limiting in particular. The fuel cell may be a single cell or a stack cell in which a plurality of single cells are connected in series. A known method can be used as the stacking method. Specifically, it may be flat stacking in which single cells are arranged in a plane, and a fuel or oxidant flow path is a stack in which single cells are stacked via separators formed on the back surface of the separator. Polar stacking may be used.
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to these Examples.
以下、合成例で得られた化合物の評価は以下のように行った。 Hereinafter, evaluation of the compounds obtained in the synthesis examples was performed as follows.
〔スルホン酸基を有する重合体のイオン交換容量〕
下記合成例で得られた重合体から試料膜を作成し、該試料膜を脱イオン水に浸漬することで、該膜中に残存している酸を完全に除去した後、重合体1mg当たり2mLの2N食塩水に浸漬してイオン交換させることにより塩酸水溶液を調製した。この塩酸水溶液を、フェノールフタレインを指示薬として、0.001N水酸化ナトリウム標準水溶液にて中和滴定した。イオン交換後の重合体を脱イオン水で洗浄し、110℃で2時間真空乾燥させて乾燥重量を測定した。下記式に示すように、水酸化ナトリウムの滴定量と重合体の乾燥重量とから、スルホン酸基の当量(以下「イオン交換容量」という。)を求めた。
イオン交換容量(meq/g)=水酸化ナトリウムの滴定量(mmol)/膜の乾燥重量(g)
[Ion exchange capacity of polymer having sulfonic acid group]
A sample film was prepared from the polymer obtained in the following synthesis example, and the sample film was immersed in deionized water to completely remove the acid remaining in the film, and then 2 mL per 1 mg of the polymer. An aqueous hydrochloric acid solution was prepared by immersing in 2N saline solution and performing ion exchange. This hydrochloric acid aqueous solution was neutralized and titrated with 0.001N sodium hydroxide standard aqueous solution using phenolphthalein as an indicator. The polymer after ion exchange was washed with deionized water, dried in vacuum at 110 ° C. for 2 hours, and the dry weight was measured. As shown in the following formula, an equivalent amount of sulfonic acid group (hereinafter referred to as “ion exchange capacity”) was determined from the titration amount of sodium hydroxide and the dry weight of the polymer.
Ion exchange capacity (meq / g) = titration amount of sodium hydroxide (mmol) / dry weight of membrane (g)
〔数平均および重量平均分子量の測定〕
下記合成例で得られた重合体をN−メチル−2−ピロリドン緩衝溶液(以下「NMP緩衝溶液」という。)に溶解し、NMP緩衝溶液を溶離液として、装置としてTOSOH HLC−8220(東ソー(株)製)を、カラムとしてTSKgel α−M(東ソー(株)製)を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって、ポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)を求めた。
NMP緩衝溶液は、NMP(3L)/リン酸(3.3mL)/臭化リチウム(7.83g)の比率で調製した。
(Measurement of number average and weight average molecular weight)
The polymer obtained in the following synthesis example was dissolved in an N-methyl-2-pyrrolidone buffer solution (hereinafter referred to as “NMP buffer solution”), and the NMP buffer solution was used as an eluent, and TOSOH HLC-8220 (Tosoh ( The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene are obtained by gel permeation chromatography (GPC) using TSKgel α-M (manufactured by Tosoh Corporation) as a column. It was.
The NMP buffer solution was prepared at a ratio of NMP (3 L) / phosphoric acid (3.3 mL) / lithium bromide (7.83 g).
[合成例1]
親水性ユニットの合成
3,5−ジクロロベンゼンスルホニルクロライド(114.65g、467mmol)を、ネオペンチルアルコール(45.30g、514mmol)のピリジン(300mL)溶液に、少量ずつ撹拌しながら15分かけて添加した。この間、反応温度は18〜20℃に保った。反応混合物を冷却しながら、さらに30分撹拌した後、氷冷した10wt%HCl水溶液(1600mL)を添加した。水に不溶の成分を700mLの酢酸エチルで抽出し、1N HCl水溶液で2回(各700mL)洗浄し、次いで、5wt%NaHCO3水溶液で2回(各700mL)洗浄し、MgSO4で乾燥させた。回転乾燥機を用いて溶媒を除去し、残渣を500mLのメタノールから再結晶させた。その結果、式(1−1)で表される3,5−ジクロロベンゼンスルホン酸ネオペンチルを、光沢のある無色の結晶(1H−NMRで99%を超える純度)として得た。収量は105.98g、収率は76%であった。
[Synthesis Example 1]
Synthesis of hydrophilic unit 3,5-Dichlorobenzenesulfonyl chloride (114.65 g, 467 mmol) was added to a solution of neopentyl alcohol (45.30 g, 514 mmol) in pyridine (300 mL) over 15 minutes while stirring little by little. did. During this time, the reaction temperature was kept at 18-20 ° C. The reaction mixture was stirred for an additional 30 minutes while cooling, and then ice-cooled 10 wt% aqueous HCl (1600 mL) was added. Insoluble components in water were extracted with 700 mL of ethyl acetate, washed twice with 1N HCl aqueous solution (700 mL each), then twice with 5 wt% aqueous NaHCO 3 solution (700 mL each) and dried over MgSO 4 . . The solvent was removed using a rotary dryer and the residue was recrystallized from 500 mL methanol. As a result, neopentyl 3,5-dichlorobenzenesulfonate represented by the formula (1-1) was obtained as glossy colorless crystals (purity exceeding 99% by 1 H-NMR). The yield was 105.98 g, and the yield was 76%.
[合成例2]
疎水性オリゴマーの合成
攪拌機、温度計、Dean−stark管、窒素導入管および冷却管をとりつけた1Lの三つ口フラスコに、2,6−ジクロロベンゾニトリル90.1g(0.52mol)、2,5−ジ−tert−ブチルハイドロキノン26.6g(0.12mol)、2−tert−ブチルハイドロキノン59.4g(0.36mol)、炭酸カリウム85.6g(0.62mol)を量り取った。該フラスコを窒素置換後、スルホラン600mLおよびトルエン300mLを加えて攪拌した。攪拌後、得られたフラスコをオイルバスにつけ、反応液を150℃で加熱還流させた。反応によって生成する水はDean−stark管にトラップした。3時間後、水の生成がほとんど認められなくなったところで、トルエンをDean−stark管から系外に除去した。反応温度を徐々に180〜190℃まで上げ、当該温度で3時間攪拌を続けた後、2,6−ジクロロベンゾニトリル24.6g(0.14mol)を加え、さらに5時間反応させた。
[Synthesis Example 2]
Synthesis of hydrophobic oligomer To a 1 L three-necked flask equipped with a stirrer, thermometer, Dean-stark tube, nitrogen inlet tube and condenser tube, 90.1 g (0.52 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile, 2, 26.6 g (0.12 mol) of 5-di-tert-butylhydroquinone, 59.4 g (0.36 mol) of 2-tert-butylhydroquinone, and 85.6 g (0.62 mol) of potassium carbonate were weighed. After the flask was purged with nitrogen, 600 mL of sulfolane and 300 mL of toluene were added and stirred. After stirring, the obtained flask was placed in an oil bath, and the reaction solution was heated to reflux at 150 ° C. Water produced by the reaction was trapped in a Dean-stark tube. After 3 hours, when almost no water was observed, toluene was removed from the Dean-stark tube out of the system. The reaction temperature was gradually raised to 180 to 190 ° C., and stirring was continued at that temperature for 3 hours. Then, 24.6 g (0.14 mol) of 2,6-dichlorobenzonitrile was added, and the reaction was further continued for 5 hours.
反応液を放冷後、メタノール/4wt%硫酸水溶液(5/1(体積比))2401mL中で凝固させた。沈殿した生成物を濾過し、濾物を水2401mL中に入れ、55℃で1時間攪拌した。濾過後、濾物を再度水2401mL中に入れ、55℃で1時間攪拌した。濾過後、濾物をメタノール2401mL中に入れ、55℃で1時間攪拌した後、濾過し、濾物を再度メタノール2401mL中に入れ、55℃で1時間攪拌し濾過した。濾物を風乾後、80℃で真空乾燥し、目的物125g(収率90%)を得た。GPCで測定したMnは7,000、Mw15000であった。得られた化合物は式(1−2)で表されるオリゴマーであることを確認した。 The reaction solution was allowed to cool and then coagulated in 2401 mL of a methanol / 4 wt% aqueous sulfuric acid solution (5/1 (volume ratio)). The precipitated product was filtered and the filtrate was placed in 2401 mL of water and stirred at 55 ° C. for 1 hour. After filtration, the filtrate was again placed in 2401 mL of water and stirred at 55 ° C. for 1 hour. After filtration, the filtrate was put into 2401 mL of methanol and stirred at 55 ° C. for 1 hour, and then filtered. The filtrate was again put into 2401 mL of methanol, stirred at 55 ° C. for 1 hour and filtered. The filtered product was air-dried and then vacuum-dried at 80 ° C. to obtain 125 g of the desired product (yield 90%). Mn measured by GPC was 7,000 and Mw 15000. It was confirmed that the obtained compound was an oligomer represented by the formula (1-2).
[合成例3]
スルホン酸基含有ポリマー(I)の合成
前記式(1−1)で表される化合物289.57g、前記式(1−2)で表される化合物164.22g、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド26.17g、トリフェニルホスフィン20.98g、および、亜鉛156.89gの混合物中に、乾燥したジメチルアセトアミド(DMAc)1448.3mLを窒素下で加えた。
[Synthesis Example 3]
Synthesis of sulfonic acid group-containing polymer (I) Compound 289.57 g represented by formula (1-1), compound 164.22 g represented by formula (1-2), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride In a mixture of 26.17 g, triphenylphosphine 20.98 g, and zinc 156.89 g, 1448.3 mL of dry dimethylacetamide (DMAc) was added under nitrogen.
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。得られた反応溶液をDMAc 2510mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。
濾液に臭化リチウム423.11gを加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、反応液を室温まで冷却し、水35Lに注ぎ、凝固させた。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し、濾物を洗浄した。洗浄物を1N硫酸水溶液7658g中で攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物を、洗浄液のpHが5以上になるまでイオン交換水で洗浄した。得られたポリマーのMnは52000、Mwは12万であり、イオン交換容量は2.6meq/gであった。得られたポリマーは、下記式で表される化合物であった。
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The obtained reaction solution was diluted with 2510 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
To the filtrate was added 423.11 g of lithium bromide, and the mixture was reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, poured into 35 L of water and solidified. The coagulated product was immersed in acetone, filtered, and the filtrate was washed. The washed product was washed with stirring in 7658 g of 1N aqueous sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher. Mn of the obtained polymer was 52000, Mw was 120,000, and the ion exchange capacity was 2.6 meq / g. The obtained polymer was a compound represented by the following formula.
[合成例4]
スルホン酸基含有ポリマー(II)の合成
前記式(1−1)で表される化合物2910.2g、前記(1−2)で表される化合物133.03g、ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケルジクロリド26.17g、トリフェニルホスフィン20.98g、および、亜鉛156.89gの混合物中に乾燥したDMAc 1272mLを窒素下で加えた。
[Synthesis Example 4]
Synthesis of sulfonic acid group-containing polymer (II) Compound 2910.2 g represented by formula (1-1), compound 13.3.03 g represented by formula (1-2), bis (triphenylphosphine) nickel dichloride 26 1272 mL of dried DMAc in a mixture of .17 g, 20.98 g of triphenylphosphine, and 156.89 g of zinc was added under nitrogen.
反応系を撹拌下に加熱し(最終的には79℃まで加温)、3時間反応させた。反応途中で系中の粘度上昇が観察された。得られた反応溶液をDMAc 2299mLで希釈し、30分撹拌し、セライトを濾過助剤に用い、濾過した。
濾液に臭化リチウム425.22gを加え、内温120℃で7時間、窒素雰囲気下で反応させた。反応後、反応液を室温まで冷却し、水32Lに注ぎ、凝固させた。凝固物をアセトンに浸漬し、濾過し、濾物を洗浄した。洗浄物を1N硫酸水溶液7063g中で攪拌しながら洗浄を行った。濾過後、生成物を、洗浄液のpHが5以上になるまでイオン交換水で洗浄した。得られたポリマーのMnは58000、Mwは13万であり、イオン交換容量は2.9meq/gであった。得られたポリマーは、下記式で表される化合物であった。
The reaction system was heated with stirring (finally heated to 79 ° C.) and reacted for 3 hours. An increase in viscosity in the system was observed during the reaction. The obtained reaction solution was diluted with 2299 mL of DMAc, stirred for 30 minutes, and filtered using Celite as a filter aid.
425.22 g of lithium bromide was added to the filtrate, and the mixture was reacted at an internal temperature of 120 ° C. for 7 hours under a nitrogen atmosphere. After the reaction, the reaction solution was cooled to room temperature, poured into 32 L of water and solidified. The coagulated product was immersed in acetone, filtered, and the filtrate was washed. The washed product was washed with stirring in 7063 g of 1N aqueous sulfuric acid. After filtration, the product was washed with ion exchanged water until the pH of the washing solution reached 5 or higher. Mn of the obtained polymer was 58000, Mw was 130,000, and the ion exchange capacity was 2.9 meq / g. The obtained polymer was a compound represented by the following formula.
[評価方法]
(1)<熱水面内寸法変化、積層膜界面の剥離の有無、吸水率の評価>
下記実施例および比較例で得られた電解質膜を2.0cm×3.0cmにカットし、試験片とした。得られた試験片を24℃、相対湿度(RH)50%条件下にて状態調整した後、試験片重量(初期重量)を測定し、この試験片を150mLバイアル瓶に入れ、そこに約100mLの脱イオン水を加え、恒温乾燥器(アズワン(株)製、SONW−450)を用いて、95℃で24時間加温した。加温終了後、試験片を熱水中から取り出し、下記式から、面内寸法変化率を求めた。
面内寸法変化率(%)=(含水時の2cm辺の寸法/2cm+含水時の3cm辺の寸法/3cm)×100/2
[Evaluation method]
(1) <Hot water surface dimensional change, presence / absence of peeling of laminated film interface, evaluation of water absorption>
The electrolyte membranes obtained in the following examples and comparative examples were cut into 2.0 cm × 3.0 cm to obtain test pieces. The obtained test piece was conditioned under conditions of 24 ° C. and relative humidity (RH) 50%, and then the weight of the test piece (initial weight) was measured. The test piece was placed in a 150 mL vial, and about 100 mL was placed there. Of deionized water was added, and the mixture was heated at 95 ° C. for 24 hours using a thermostatic dryer (manufactured by ASONE, SONW-450). After heating, the test piece was taken out from the hot water, and the in-plane dimensional change rate was determined from the following formula.
In-plane dimensional change rate (%) = (size of 2 cm side when containing water / 2 cm + size of 3 cm side when containing water / 3 cm) × 100/2
また、前記加温終了後、前記試験片を熱水中から取り出した際に、電解質膜(積層膜)の積層界面の剥離の有無を目視で確認した。 Moreover, when the said test piece was taken out from hot water after completion | finish of the said heating, the presence or absence of peeling of the lamination | stacking interface of an electrolyte membrane (laminated film) was confirmed visually.
下記実施例および比較例で得られた電解質膜の各層の吸水率(%)は、以下のようにして測定した。
得られる膜厚が20μmとなるように、PET基材上にキャスト塗工した以外は、下記実施例および比較例で得られた電解質膜を構成する各層と同様の方法で電解質膜付基材を作成した。つまり、例えば、実施例1の電解質膜の各層の吸水率を測定するために、ポリマー(I)を含む膜厚20μmの電解質膜付基材と、ポリマー(II)を含む膜厚20μmの電解質膜付基材とを作成した。
次いで、得られた電解質膜付基材から電解質膜を剥離し、剥離した電解質膜を2.0cm×3.0cmにカットし、試験片とした。得られた試験片を24℃、相対湿度(RH)50%条件下にて状態調整した後、試験片重量(初期重量)を測定し、この試験片を150mLバイアル瓶に入れ、そこに約100mLの脱イオン水を加え、恒温乾燥器(アズワン(株)製、SONW−450)を用いて、95℃で24時間加温した。加温終了後、試験片を熱水中から取り出し、その試験片表面の水を軽くキムワイプで拭き取り、熱水に浸漬後の試験片重量(吸水後重量)を測定した。下記式から、吸水率を算出した。
吸水率(%)=(吸水後重量/初期重量)×100
The water absorption (%) of each layer of the electrolyte membrane obtained in the following examples and comparative examples was measured as follows.
Except for cast coating on a PET substrate so that the film thickness obtained is 20 μm, the substrate with an electrolyte membrane was formed in the same manner as each layer constituting the electrolyte membrane obtained in the following Examples and Comparative Examples. Created. That is, for example, in order to measure the water absorption rate of each layer of the electrolyte membrane of Example 1, the substrate with an electrolyte membrane having a thickness of 20 μm containing the polymer (I) and the electrolyte membrane having a thickness of 20 μm containing the polymer (II) A base material was prepared.
Next, the electrolyte membrane was peeled from the obtained substrate with electrolyte membrane, and the peeled electrolyte membrane was cut into 2.0 cm × 3.0 cm to obtain a test piece. The obtained test piece was conditioned under conditions of 24 ° C. and relative humidity (RH) 50%, and then the weight of the test piece (initial weight) was measured. The test piece was placed in a 150 mL vial, and about 100 mL was placed there. Of deionized water was added, and the mixture was heated at 95 ° C. for 24 hours using a thermostatic dryer (manufactured by ASONE, SONW-450). After completion of heating, the test piece was taken out from the hot water, the water on the surface of the test piece was lightly wiped with Kimwipe, and the weight of the test piece after immersion in hot water (weight after water absorption) was measured. The water absorption was calculated from the following formula.
Water absorption rate (%) = (weight after water absorption / initial weight) × 100
なお、吸水率は電解質膜の厚みにより変化しない。 The water absorption rate does not change with the thickness of the electrolyte membrane.
(2)<発電抵抗測定>
〔ガス拡散層の下地層ペーストの調製〕
80mLのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール(ニッカトー(株)製「YTZボール」)80gを入れ、ケッチェンブラックEC(ライオン(株)製)0.48g、蒸留水12.21g、n−プロピルアルコール4.14gおよびNafion(登録商標) D2020(DuPont社製、ポリマー濃度21%分散液、イオン交換容量1.08meq/g)3.16gを加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌した後、ジルコニアボールを除去することでガス拡散層の下地層ペーストを得た。
(2) <Generation resistance measurement>
[Preparation of base layer paste for gas diffusion layer]
80 g of zirconia balls ("YTZ balls" manufactured by Nikkato Co., Ltd.) with a diameter of 5 mm are placed in an 80 mL plastic bottle, 0.48 g of ketjen black EC (manufactured by Lion Corporation), 12.21 g of distilled water, n-propyl alcohol 4 .14 g and 3.16 g of Nafion (registered trademark) D2020 (manufactured by DuPont, polymer concentration 21% dispersion, ion exchange capacity 1.08 meq / g) are stirred for 60 minutes with a paint shaker, and then the zirconia balls are removed. Thus, an underlayer paste for the gas diffusion layer was obtained.
〔アノード触媒層ペーストの調製〕
80mLのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール(YTZボール)80gを入れ、白金ルテニウム担持カーボン粒子(田中貴金属工業(株)製「TEC61E54」、Pt:29.8質量%担持、Ru:23.2質量%担持)1.23g、蒸留水3.49g、n−プロピルアルコール11.59gおよびNafion D2020(3.69g)を加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌した後、ジルコニアボールを除去することでアノード電極ペーストを得た。
[Preparation of anode catalyst layer paste]
80 g of zirconia balls (YTZ balls) with a diameter of 5 mm are put into an 80 mL plastic bottle, and platinum ruthenium-supported carbon particles (“TEC61E54” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt: 29.8 mass% supported, Ru: 23.2 mass%) Support) 1.23 g, distilled water 3.49 g, n-propyl alcohol 11.59 g and Nafion D2020 (3.69 g) were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a paint shaker. Obtained.
〔カソード触媒層ペーストの調製〕
次に、80mLのポリボトルに直径5mmのジルコニアボール(YTZボール)80gを入れ、白金担持カーボン粒子(田中貴金属工業(株)製「TEC10E50E」、Pt:45.6質量%担持)1.18g、蒸留水3.46g、n−プロピルアルコール11.26gおよびNafion D2020(4.09g)を加え、ペイントシェーカーで60分間攪拌した後、ジルコニアボールを除去することでカソード電極ペーストを得た。
[Preparation of cathode catalyst layer paste]
Next, 80 g of zirconia balls (YTZ balls) having a diameter of 5 mm are put into an 80 mL plastic bottle, and platinum-supported carbon particles (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Pt: 45.6% by mass) 1.18 g, distilled 3.46 g of water, 11.26 g of n-propyl alcohol and Nafion D2020 (4.09 g) were added, and the mixture was stirred for 60 minutes with a paint shaker, and then zirconia balls were removed to obtain a cathode electrode paste.
〔アノード側触媒層の作製〕
SGL CARBON社製のガス拡散層GDL34EEを5cm×5cmにカットし、その微多孔層側の上に、前記ガス拡散層の下地層ペーストを塗布し、120℃で60分間乾燥した。下地層の担持量は0.30mg/cm2であった。さらに、その下地層上に、アノード触媒層ペーストを塗布し、120℃で60分間乾燥した。触媒塗布量は0.50mg/cm2であった。
[Preparation of anode side catalyst layer]
A gas diffusion layer GDL34EE manufactured by SGL CARBON was cut into 5 cm × 5 cm, and the base layer paste of the gas diffusion layer was applied on the microporous layer side and dried at 120 ° C. for 60 minutes. The carrying amount of the underlayer was 0.30 mg / cm 2 . Further, an anode catalyst layer paste was applied on the underlayer and dried at 120 ° C. for 60 minutes. The amount of catalyst applied was 0.50 mg / cm 2 .
〔カソード側触媒層の作製〕
SGL CARBON社製のガス拡散層GDL34EEを5cm×5cmにカットし、その微多孔層側の上に、前記ガス拡散層の下地層ペーストを塗布し、120℃で60分間乾燥した。下地層の担持量は0.30mg/cm2であった。さらに、その下地層上に、カソード触媒層ペーストを塗布し、120℃で60分間乾燥した。触媒塗布量は0.50mg/cm2であった。
[Production of cathode-side catalyst layer]
A gas diffusion layer GDL34EE manufactured by SGL CARBON was cut into 5 cm × 5 cm, and the base layer paste of the gas diffusion layer was applied on the microporous layer side and dried at 120 ° C. for 60 minutes. The carrying amount of the underlayer was 0.30 mg / cm 2 . Further, a cathode catalyst layer paste was applied on the underlayer and dried at 120 ° C. for 60 minutes. The amount of catalyst applied was 0.50 mg / cm 2 .
〔固体高分子型燃料電池の作製〕
下記実施例および比較例で得られた電解質膜を、アノード側触媒層付ガス拡散層とカソード側触媒層付ガス拡散層で、それぞれのガス拡散層の触媒層ペースト塗布面が、電解質膜に接するように挟み、圧力60kg/cm2下、160℃で10分間ホットプレスし、膜−電極接合体を作製した。得られた膜−電極接合体のガス拡散層上にガス流路を兼ねるセパレータを積層し、これを2枚のチタン製の集電体で挟み、さらにその外側にヒーターを配置し、有効面積25cm2の評価用燃料電池を作製した。
但し、電解質膜をガス拡散層で挟み込む場合、表1に記載のように、実施例1〜3、5、および、比較例1〜2では、電解質膜の2層目膜側にアノード側触媒層付ガス拡散層が接するようにした。
[Production of polymer electrolyte fuel cells]
The electrolyte membranes obtained in the following examples and comparative examples are the anode-side catalyst layer-attached gas diffusion layer and the cathode-side catalyst layer-attached gas diffusion layer, and the catalyst layer paste application surface of each gas diffusion layer is in contact with the electrolyte membrane. The membrane-electrode assembly was manufactured by hot pressing at 160 ° C. for 10 minutes under a pressure of 60 kg / cm 2 . A separator also serving as a gas flow path is laminated on the gas diffusion layer of the obtained membrane-electrode assembly, which is sandwiched between two titanium current collectors, and a heater is disposed on the outside thereof, with an effective area of 25 cm. Two evaluation fuel cells were prepared.
However, when the electrolyte membrane is sandwiched between the gas diffusion layers, as shown in Table 1, in Examples 1 to 3, and Comparative Examples 1 and 2, the anode side catalyst layer is disposed on the second membrane side of the electrolyte membrane. The attached gas diffusion layer was in contact.
〔発電抵抗測定〕
得られた評価用燃料電池のカソード電極側に利用率40%で空気を供給し、アノード電極側に利用率53%で純水素を供給し、セル温度を80℃、カソード電極側相対湿度を0%、アノード電極側相対湿度を43%として、電流密度0.25A/cm2で、12時間保持した後のセル抵抗を測定した。
[Measurement of power generation resistance]
Air was supplied to the cathode electrode side of the obtained fuel cell for evaluation at a utilization rate of 40%, pure hydrogen was supplied to the anode electrode side at a utilization rate of 53%, the cell temperature was 80 ° C., and the relative humidity on the cathode electrode side was 0. %, The anode electrode side relative humidity was 43%, and the cell resistance after holding for 12 hours at a current density of 0.25 A / cm 2 was measured.
〔実施例1〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が19μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、合成例4で得られたポリマー(II)1gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液を前記1層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、総膜厚が20μmである電解質膜(1層目膜+2層目膜)付PETフィルムを得た。2層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
[Example 1]
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried. The PET film with an electrolyte film having a film thickness of 19 μm (first layer film) Got. Further, a solution obtained by dissolving 1 g of the polymer (II) obtained in Synthesis Example 4 in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on the first layer film with a bar coater. After drying in the atmosphere at 80 ° C. for 40 minutes, it was dried in the atmosphere at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove the remaining NMP in the coating film, and then air-dried, and an electrolyte membrane having a total film thickness of 20 μm (first layer film + second layer) A PET film with a film) was obtained. It was found that the thickness of the second layer film was 1 μm by subtracting the thickness of the first layer film from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔実施例2〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が19μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、合成例3で得られたポリマー(I)1gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液を前記1層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、80℃、相対湿度90%RHで40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、総膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。2層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
[Example 2]
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried. The PET film with an electrolyte film having a film thickness of 19 μm (first layer film) Got. Further, a solution obtained by dissolving 1 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on the first layer film with a bar coater. After drying at 80 ° C. and a relative humidity of 90% RH for 40 minutes, it was dried at 120 ° C. in the atmosphere for 40 minutes. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried to obtain a PET film with an electrolyte film having a total film thickness of 20 μm. It was found that the thickness of the second layer film was 1 μm by subtracting the thickness of the first layer film from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔実施例3〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が19μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、合成例3で得られたポリマー(I)1gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液を前記1層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、塗工後のPETフィルムを蒸留水中に5分間浸漬した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、総膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。2層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
Example 3
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried. The PET film with an electrolyte film having a film thickness of 19 μm (first layer film) Got. Further, a solution obtained by dissolving 1 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on the first layer film with a bar coater. The coated PET film was immersed in distilled water for 5 minutes and then dried at 120 ° C. in the atmosphere for 40 minutes. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried to obtain a PET film with an electrolyte film having a total film thickness of 20 μm. It was found that the thickness of the second layer film was 1 μm by subtracting the thickness of the first layer film from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔実施例4〕
合成例3で得られたポリマー(I)1gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液をPETフィルム上にバーコーターにてキャスト塗工し、塗工後のPETフィルムを蒸留水中に5分間浸漬した後、大気中120℃で40分乾燥することで、膜厚が1μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、前記1層目膜上に、合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、総膜厚が19μmで、2層目膜の厚みが18μmである電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、合成例3で得られたポリマー(I)1gをメタノール/NMP=40/60(質量比)(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液を前記2層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、塗工後のPETフィルムを蒸留水中に5分間浸漬した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、総膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。3層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1、2層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
Example 4
A solution obtained by dissolving 1 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a bar coater. After immersing the PET film in distilled water for 5 minutes, the PET film with an electrolyte membrane having a film thickness of 1 μm (first layer film) was obtained by drying at 120 ° C. for 40 minutes in the air. Further, on the first layer film, a solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast coated with a die coater. After drying in the atmosphere at 80 ° C. for 40 minutes, it was dried in the atmosphere at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film and then air-dried. The total film thickness is 19 μm and the thickness of the second layer film is 18 μm. A PET film with an electrolyte membrane was obtained. Furthermore, a solution obtained by dissolving 1 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) (mass ratio) was placed on the second layer film with a bar coater. After cast coating, the coated PET film was immersed in distilled water for 5 minutes, and then dried in air at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried to obtain a PET film with an electrolyte film having a total film thickness of 20 μm. The thickness of the third layer film was found to be 1 μm by subtracting the thickness of the first and second layer films from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔実施例5〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が19μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、合成例4で得られたポリマー(II)1gと架橋剤としてp−キシレングリコール0.05gとをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液を前記1層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、架橋反応のため、大気中160℃で30分加熱し、総膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。2層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
Example 5
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried. The PET film with an electrolyte film having a film thickness of 19 μm (first layer film) Got. Further, a solution obtained by dissolving 1 g of the polymer (II) obtained in Synthesis Example 4 and 0.05 g of p-xylene glycol as a crosslinking agent in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was used as the one layer. The cast film was cast on the eye coat with a bar coater, dried in air at 80 ° C. for 40 minutes, and then dried in air at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film is immersed overnight in a large amount of distilled water to remove the remaining NMP in the coating film, and then heated at 160 ° C. in the atmosphere for 30 minutes for a crosslinking reaction. The total film thickness is 20 μm. A PET film with an electrolyte membrane was obtained. It was found that the thickness of the second layer film was 1 μm by subtracting the thickness of the first layer film from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔比較例1〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が19μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、Nafion D2020(10g)をn−プロピルアルコール42gに溶解した溶液を前記1層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥し、総膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。2層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried. The PET film with an electrolyte film having a film thickness of 19 μm (first layer film) Got. Further, a solution obtained by dissolving Nafion D2020 (10 g) in 42 g of n-propyl alcohol was cast-coated on the first layer film with a bar coater, dried at 80 ° C. for 40 minutes in the atmosphere, and then at 120 ° C. in the atmosphere. It dried for 40 minutes and obtained PET film with an electrolyte membrane whose total film thickness is 20 micrometers. It was found that the thickness of the second layer film was 1 μm by subtracting the thickness of the first layer film from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔比較例2〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が19μm(1層目膜)である電解質膜付PETフィルムを得た。さらに、合成例4で得られたポリマー(II)1gと架橋剤としてp−キシレングリコール0.15gとをメタノール/NMP=40/60(質量比)(質量比)の混合溶媒24gに溶解した溶液を前記1層目膜上にバーコーターにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、架橋反応のため、大気中160℃で30分加熱し、総膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。2層目膜の厚みは、得られた電解質膜全体の厚みから1層目膜の厚みを差引くことで、1μmであることがわかった。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film is immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried. The PET film with an electrolyte film having a film thickness of 19 μm (first layer film) Got. Further, 1 g of the polymer (II) obtained in Synthesis Example 4 and 0.15 g of p-xylene glycol as a crosslinking agent were dissolved in 24 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) (mass ratio). Was coated on the first layer film with a bar coater, dried in air at 80 ° C. for 40 minutes, and then dried in air at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film is immersed overnight in a large amount of distilled water to remove the remaining NMP in the coating film, and then heated at 160 ° C. in the atmosphere for 30 minutes for a crosslinking reaction. The total film thickness is 20 μm. A PET film with an electrolyte membrane was obtained. It was found that the thickness of the second layer film was 1 μm by subtracting the thickness of the first layer film from the total thickness of the obtained electrolyte membrane. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔比較例3〕
合成例3で得られたポリマー(I)10gをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
A solution obtained by dissolving 10 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) was cast-coated on a PET film with a die coater, and 80 ° C. in the atmosphere. And dried for 40 minutes at 120 ° C. in the atmosphere. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried to obtain a PET film with an electrolyte film having a film thickness of 20 μm. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
〔比較例4〕
合成例3で得られたポリマー(I)5gと合成例4で得られたポリマー(II)5gとをメタノール/NMP=40/60(質量比)の混合溶媒57gに溶解した溶液をPETフィルムの上にダイコータにてキャスト塗工し、大気中80℃で40分乾燥した後、大気中120℃で40分乾燥した。乾燥後の塗膜付PETフィルムを大量の蒸留水に一晩浸漬し、塗膜中の残存NMPを取り除いた後、風乾し、膜厚が20μmである電解質膜付PETフィルムを得た。得られた電解質膜付PETフィルムからPETフィルムを剥離することで得た電解質膜を用いて、前記(1)〜(2)の評価を実施した。結果を表1に示す。
[Comparative Example 4]
A solution of 5 g of the polymer (I) obtained in Synthesis Example 3 and 5 g of the polymer (II) obtained in Synthesis Example 4 in 57 g of a mixed solvent of methanol / NMP = 40/60 (mass ratio) It was cast-coated on a die coater and dried in the atmosphere at 80 ° C. for 40 minutes, and then dried in the atmosphere at 120 ° C. for 40 minutes. The dried PET film with a coating film was immersed in a large amount of distilled water overnight to remove residual NMP in the coating film, and then air-dried to obtain a PET film with an electrolyte film having a film thickness of 20 μm. Evaluation of said (1)-(2) was implemented using the electrolyte membrane obtained by peeling a PET film from the obtained PET film with electrolyte membrane. The results are shown in Table 1.
Claims (12)
イオン交換基含有炭化水素系重合体および該重合体の良溶媒を含む組成物より塗膜を形成する工程(C)、および、
工程(C)で得られた塗膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に暴露する工程(D)
を含む方法で得られた層である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭化水素系高分子電解質膜。 Of the polymer electrolyte membrane, at least the anode outermost layer is
A step (C) of forming a coating film from a composition containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer and a good solvent for the polymer; and
Step (D) in which the coating film obtained in Step (C) is exposed to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer.
The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, which is a layer obtained by a method comprising:
前記高分子電解質膜となる膜の最外部分または最外層に、該部分または層を構成するイオン交換基含有炭化水素系重合体の良溶媒を含む溶媒を接触させる工程(A)、および、
工程(A)で得られた高分子電解質膜を水または前記重合体の貧溶媒の雰囲気下に曝露する工程(B)
を含む方法で得られた層である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭化水素系高分子電解質膜。 Among the polymer electrolyte membranes, at least the anode-side outermost layer contains an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer, and the outermost layer comprises:
A step of bringing the outermost part or outermost layer of the membrane to be the polymer electrolyte membrane into contact with a solvent containing a good solvent for the ion-exchange group-containing hydrocarbon-based polymer constituting the part or layer (A), and
Exposing the polymer electrolyte membrane obtained in step (A) to an atmosphere of water or a poor solvent for the polymer (B)
The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, which is a layer obtained by a method comprising:
イオン交換基含有炭化水素系重合体および該重合体の良溶媒を含む組成物より塗膜を形成する工程(C)、および、
工程(C)で得られた塗膜を、大気または真空下で加熱する工程(E)を含む方法で得られた層である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化水素系高分子電解質膜。 Among the polymer electrolyte membranes, at least the cathode-side outermost layer is
A step (C) of forming a coating film from a composition containing an ion exchange group-containing hydrocarbon polymer and a good solvent for the polymer; and
The hydrocarbon system according to any one of claims 1 to 8, which is a layer obtained by a method comprising the step (E) of heating the coating film obtained in the step (C) in air or under vacuum. Polymer electrolyte membrane.
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