JP2005044610A - 複合イオン交換膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン伝導性、発電特性特に低温および高温発電性に優れた高分子固体電解質膜として使用するのに適した複合イオン交換膜ならびに、その製造方法を提供するものである。
【解決手段】連続多孔質膜、繊維状補強材の少なくとも１種からなる支持体を使用した複合イオン交換膜であって、該支持体にイオン交換容量０．９〜５．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換樹脂が含浸されてなる複合層と、該複合層に含浸されたイオン交換樹脂より低いイオン交換容量のイオン交換樹脂で複合層を挟む形で該複合層の両面に形成された表面層を有する複合イオン交換膜であって、該複合層に含浸されるイオン交換樹脂に主してポリアリーレンエーテル系共重合体が含まれ、該表面層のイオン交換樹脂にフッ素系イオン交換樹脂も含まれ、その表面層の厚みが１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする複合イオン交換膜を提供する。
【選択図】 無し

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械的強度、イオン伝導性および低加湿や高温環境での発電性に優れる複合イオン交換膜、特に高分子固体電解質膜に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、エネルギー効率や環境性に優れた新しい発電技術が注目を集めている。中でも高分子固体電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池はエネルギー密度が高く、また、他の方式の燃料電池に比べて運転温度が低いため起動、停止が容易であるなどの特徴を有し、電気自動車や分散発電等の電源装置としての開発が進んできている。また、同じく高分子固体電解質膜を使用し、燃料としてメタノールを直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池も携帯機器の電源などの用途に向けた開発が進んでいる。高分子固体電解質膜には通常プロトン伝導性のイオン交換樹脂膜が使用される。高分子固体電解質膜にはプロトン伝導性以外にも、燃料の水素等の透過を防ぐ燃料透過抑止性や機械的強度などの特性が必要である。このような高分子固体電解質膜としては例えば米国デュポン社製ナフィオン（商品名）に代表されるようなスルホン酸基を導入したパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー膜が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池の高出力化や高効率化のためには高分子固体電解質膜のイオン伝導抵抗を低減させることが有効であり、その方策のひとつとして膜厚の低減が挙げられる。ナフィオンに代表されるような高分子固体電解質膜でも膜厚を低減させる試みが行われている。しかしながら、膜厚を低減させると機械的強度が小さくなり、高分子固体電解質膜と電極をホットプレスで接合させる際などに膜が破損しやすくなったり、膜の寸法の変動により、高分子固体電解質膜に接合した電極がはがれて発電特性が低下したりするなどの問題点を有していた。さらに、膜厚を低減させることで燃料透過抑止性が低下し、起電力の低下や燃料の利用効率の低下を招くなどの問題点を有していた。一方、近年、低加湿での発電性や高温・低加湿環境で発電性が得られる高分子固体電解質膜の要求が高まっている。
【０００４】
高分子固体電解質膜は上記に示した燃料電池のイオン交換樹脂膜としての用途だけでなく、アルカリ電解や水からの水素製造のような電解用途、リチウム電池やニッケル水素電池などの種々の電池における電解質用途などの電気化学分野での用途、微小アクチュエータや人工筋肉のような機械的機能材料用途、イオンや分子等の認識・応答機能材料用途、分離・精製機能材料用途など幅広い用途にも適用が可能であり、それぞれの用途においても高分子固体電解質膜の高強度化や薄膜化を達成することでこれまでにない優れた機能を提供することができると考えられる。
【０００５】
高分子固体電解質膜の機械的強度を向上させ、寸法変化を抑制する方法として、高分子固体電解質膜に種々の補強材を組み合わせた複合高分子固体電解質膜が提案されている。特許文献１及び特許文献２には、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜の空隙部にイオン交換樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含浸し、一体化した複合高分子固体電解質膜が記載されている。これらの複合高分子固体電解質膜は、補強材にイオン交換容量の低いパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの溶液を含浸しているために特に低加湿での膜抵抗が大きくなり燃料電池の発電性能が得られない問題点がある。また、特許文献３には多孔質なポリテトラフルオロエチレンシートにパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを含浸させ析出させ、固体高分子電解質の少なくとも一方の面にスキン層として形成させた固体高分子固体電解質膜が記載されている。しかしながら、これらの固体高分子固体電解質膜もイオン交換容量が０．９ｍｅｑ／ｇのイオン交換樹脂を用いるため前記同様に低加湿での膜抵抗が大きくなり、また、１００℃以上及びまたは１３０℃での高温環境での発電性の要求に対して、含浸されたパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー自身の耐熱性の乏しさがあり発電性能が得られない問題点を有している。特許文献４にはパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーの膜内に補強材としてフィブリル化されたポリテトラフルオロエチレンが分散された複合高分子固体電解質膜が記載されている。しかしながら、このような複合高分子固体電解質膜は、補強材が不連続な構造のため十分な機械的強度が得られず、膜の変形が抑制できないために電極のはがれが生じるなどの問題点を有している。特許文献５にはポリエチレン繊維からなる不織布を補強材としてパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーに含浸させた複合高分子固体電解質膜が記載されている。しかしながら、前記同様イオン交換容量が低い事や耐熱性の乏しいイオン交換樹脂のため発電性能が乏しい問題点がある。特許文献６にはイオン交換容量の低いスルホン化高分子化合物の繊維状または多孔質膜を補強材とし、イオン交換容量の高いスルホン化高分子に含浸させた複合高分子固体電解質膜が記載されている。この場合、イオン交換容量の高いスルホン化高分子が複合高分子固体電解質膜の表面となるため電極との密着性が改善され、発電性は向上するものと思える。しかし、イオン交換容量の高いスルホン化高分子を用いると加湿下で膨潤しやすくなり、その結果発電性能が低下する問題点がある。特許文献７にはメタフェニレンイソフタルアミド系の多孔質膜にパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーを充填した高分子固体電解質複合膜が記載されている。この場合、アミド系の多孔質膜を用いるため高温環境での複合高分子固体電解質膜の形態保持性は向上するもののパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー由来の耐熱性不足を補うまでには至らない。
【０００６】
前記載の如く高分子固体電解質膜の機械的強度を向上させるために種々の補強材と組み合わせた複合高分子固体電解質膜が提案されている中で、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）やポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）のようなポリベンザゾール系ポリマーは高耐熱性、高強度、高弾性率の点で優れることから、高分子固体電解質膜の補強材料に適していることが期待される。特許文献８にはＰＢＯ多孔質膜と種々のイオン交換樹脂を複合化した高分子固体電解質膜が記載されている。しかしながら、これに記載されているような液晶性を示すドープから製膜したＰＢＯ溶液膜を直接水浴で凝固する方法で得られるＰＢＯ多孔質膜の表面には両面とも開孔部の少ない緻密な層が形成され、イオン交換樹脂を複合化させる際にイオン交換樹脂溶液が膜の内部に含浸されにくく、複合膜中のイオン交換樹脂の含有率が低くなり、イオン交換樹脂本来のイオン伝導性などの特性が大幅に低下するといった問題点を有していた。また、これに記載された複合イオン交換膜は表面のイオン交換樹脂層の形成やその厚みを特に規定していないが、複合イオン交換膜における表面層の存在やその厚みは、複合イオン交換膜の表面に電極を形成する場合などにバインダーとなるイオン交換樹脂と高分子固体電解質膜を形成するイオン交換樹脂との密着性などに影響し、これらを最適に制御することが重要である。
【０００７】
特許文献９にはＰＢＩ多孔質膜の空隙に酸をトラップした燃料電池用ポリマーフィルムの製造方法が記載されている。しかしながら、これに記載されているような方法で得られる遊離の酸をトラップしたフィルムは、１００℃以下といった低温領域でのイオン伝導性が先述のナフィオンのようなイオン交換膜に比べて低いほか、酸が漏出しやすいなどの問題点を有していた。さらに、特許文献１０には光学異方性のポリベンザゾール系ポリマー溶液を製膜してから吸湿による等方化の過程を経て凝固しポリベンザゾールフィルムを得る方法が開示されているが、これに記載されているような方法で得られるポリベンザゾールフィルムは透明な緻密性の高いフィルムであり、イオン交換樹脂を含浸してイオン交換膜とする目的には適していなかった。この様に、種々の補強材とイオン交換樹脂との組み合わせの複合イオン交換膜は、近年の高出力や高効率化および低温・低加湿や高温環境下で安定な満足する発電性を有するものがないのが現状である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２９０３２号公報
【特許文献２】
特開平８−１６２１３２号公報
【特許文献３】
特開２００２−３１３３６３号公報
【特許文献４】
特開２００１−３５５０８号公報
【特許文献５】
特開２０００−２３１９２８号公報
【特許文献６】
特開２００２−２１６８００号公報
【特許文献７】
特開２００２−３５８９７９号公報
【特許文献８】
国際公開第ＷＯ００／２２６８４号パンフレット
【特許文献９】
国際公開第ＷＯ９８／１４５０５号パンフレット
【特許文献１０】
特開２０００−２７３２１４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、機械的強度、イオン伝導性および低加湿や高温環境での発電性に優れた高分子固体電解質膜として使用するのに適した複合イオン交換膜ならびに、その製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、多孔質膜、繊維状補強材の少なくとも１種からなる支持体を使用した複合イオン交換膜であって、該支持体にイオン交換容量が０．９〜５．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換樹脂が含浸されてなる複合層と、該複合層に含浸されたイオン交換樹脂より低いイオン交換容量のイオン交換樹脂で該複合層を挟む形で両面に形成された表面層を有する複合イオン交換膜で、その支持体がポリベンザゾール系ポリマー、フッ素樹脂系、ポリイミド樹脂系、アミド樹脂系、ポリオレフィン樹脂系からなる多孔質支持体膜およびポリエチレン繊維からなる不織布の少なくとも何れかを用い、そして複合層に含浸されるイオン交換樹脂が、炭化水素系単位を主成分とするポリアリーレンエーテル系共重合体が含まれ、また、表面層に形成されるイオン交換樹脂には、フッ素系イオン交換樹脂も含まれることを特徴とする複合イオン交換膜である。また、本発明の複合イオン交換膜の複合層の厚みは全膜厚の５％以上９５％以下で、表面層のそれぞれの厚みは、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする複合イオン交換膜である。さらに本発明は、少なくとも一方の面の開孔率及び／または空隙率が４０％以上の連続した空隙を有する多孔質膜、繊維状補強材の少なくとも１種からなる支持体を使用した複合イオン交換膜の製造方法であって、主してポリアリーレンエーテル系共重合体からなるイオン交換容量の高いイオン交換樹脂を含浸させ複合膜を得た後、酸変換しスルホン化ポリアリーレンエーテル系共重合体とした後、フッ素系イオン交換樹脂を浸漬および塗工により表面層に付与し複合イオン交換膜を製造する方法および複合層へイオン交換容量の低いポリアリーレンエーテル系共重合体を塗工し表面層に付与した後、酸変換することを特徴とする複合イオン交換膜の製造方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の多孔質支持体膜として主して使用されるポリベンザゾール系ポリマーについて述べると、ポリマー鎖中にオキサゾー環、チアゾール環、イミダゾール環を含む構造のポリマーをいい、下記一般式で表される繰り返し単位をポリマー鎖中に含むものをいう。
【００１２】
【化１】

【００１３】
ここで、Ａｒ_１，Ａｒ_２，Ａｒ_３は、芳香族単位を示し、各種脂肪族基、芳香族基、ハロゲン基、水酸基、ニトロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基等の置換基を有していても良い。これら芳香族単位は、ベンゼン環などの単環系単位、ナフタレン、アントラセン、ピレンなどの縮合環系単位、それらの芳香族単位が２個以上任意の結合を介してつながった多環系芳香族単位でも良い。また、芳香族単位におけるＮおよびＸの位置はベンザゾール環を形成できる配置であれば特に限定されるものではない。さらに、これらは炭化水素系芳香族単位だけでなく、芳香環内にＮ，Ｏ，Ｓ等を含んだヘテロ環系芳香族単位でも良い。ＸはＯ，Ｓ，ＮＨを示す。
上記Ａｒ_１は、下記一般式で表されるものが好ましい。
【００１４】
【化２】

【００１５】
ここで、Ｙ_１、Ｙ_２はＣＨまたはＮを示し、Ｚは直接結合、−Ｏ−，−Ｓ−，−ＳＯ_２−，−Ｃ（ＣＨ_３）_２−，−Ｃ（ＣＦ_３）_２−，−ＣＯ−を示す。
Ａｒ_２は、下記一般式で表されるものが好ましい。
【００１６】
【化３】

【００１７】
ここで、Ｗは−Ｏ−，−Ｓ−，−ＳＯ_２−，−Ｃ（ＣＨ_３）_２−，−Ｃ（ＣＨ_３）_２−，−ＣＯ−を示す。
Ａｒ_３は、下記一般式で表されるものが好ましい。
【００１８】
【化４】

【００１９】
これらポリベンザゾール系ポリマーは、上述の繰り返し単位を有するホモポリマーであっても良いが、上記構造単位を組み合わせたランダム、交互あるいはブロック共重合体であっても良く、例えば米国特許第４７０３１０３号、米国特許第４５３３６９２号、米国特許第４５３３７２４号、米国特許第４５３３６９３号、米国特許第４５３９５６７号、米国特許第４５７８４３２号等に記載されたものなども例示される。
【００２０】
これらポリベンザゾール系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００２１】
【化５】

【００２２】
【化６】

【００２３】
【化７】

【００２４】
【化８】

【００２５】
【化９】

【００２６】
【化１０】

【００２７】
【化１１】

【００２８】
さらに、これらポリベンザゾール系構成単位だけでなく、他のポリマー構成単位とのランダム、交互あるいはブロック共重合体であっても良い。この時、他のポリマー構成単位としては耐熱性に優れた芳香族系ポリマー構成単位から選ばれることが好ましい。具体的には、ポリイミド系構成単位、ポリアミド系構成単位、ポリアミドイミド系構成単位、ポリオキシジアゾール系構成単位、ポリアゾメチン系構成単位、ポリベンザゾールイミド系構成単位、ポリエーテルケトン系構成単位、ポリエーテルスルホン系構成単位などを挙げることができる。
【００２９】
ポリイミド系構成単位の例としては、下記一般式で表されるものが挙げられる。
【００３０】
【化１２】

【００３１】
ここで、Ａｒ_４は４価の芳香族単位で表されるが、下記構造で表されるものが好ましい。
【００３２】
【化１３】

【００３３】
また、Ａｒ_５は二価の芳香族単位であり、下記構造で表されるものが好ましい。ここで示される芳香環上には、メチル基、メトキシ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、水酸基、ニトロ基、シアノ基等の各種置換基が存在していても良い。
【００３４】
【化１４】

【００３５】
これらポリイミド系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００３６】
【化１５】

【００３７】
【化１６】

【００３８】
ポリアミド系構成単位の例としては、下記構造式で表されるのもが挙げられる。
【００３９】
【化１７】

【００４０】
ここで、Ａｒ_６，Ａｒ_７，Ａｒ_８はそれぞれ独立に下記構造から選ばれるものが好ましい。ここで示される芳香環上には、メチル基、メトキシ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、水酸基、ニトロ基、シアノ基等の各種置換基が存在していても良い。
【００４１】
【化１８】

【００４２】
これらポリアミド系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００４３】
【化１９】

【００４４】
ポリアミドイミド系構成単位の例としては、下記構造で表されるものが挙げられる。
【００４５】
【化２０】

【００４６】
ここで、Ａｒ_９は上記Ａｒ_５の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００４７】
これらポリアミドイミド構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００４８】
【化２１】

【００４９】
ポリオキシジアゾール系構成単位の例としては、下記構造式で表されるものが挙げられる。
【００５０】
【化２２】

【００５１】
ここで、Ａｒ_１０は上記Ａｒ_５の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００５２】
これらポリオキシジアゾール系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００５３】
【化２３】

【００５４】
ポリアゾメチン系構成単位の例としては、下記構造で表されるものが挙げられる。
【００５５】
【化２４】

【００５６】
ここで、Ａｒ_１１，Ａｒ_１２は、上記Ａｒ_６の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００５７】
これらポリアゾメチン系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００５８】
【化２５】

【００５９】
ポリベンザゾールイミド系構成単位の例としては、下記構造式で表されるものが挙げられる。
【００６０】
【化２６】

【００６１】
ここで、Ａｒ_１３、Ａｒ_１４は上記Ａｒ_４の具体例として示される構造から選ばれるものが好ましい。
【００６２】
これらポリベンザゾールイミド系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００６３】
【化２７】

【００６４】
ポリエーテルケトン系構成単位、ポリエーテルスルホン系構成単位は、一般に芳香族ユニットをエーテル結合とともにケトン結合やスルホン結合で連結した構造を有するものであり、下記構造式から選択される構造成分を含む。
【００６５】
【化２８】

【００６６】
ここで、Ａｒ_１５〜Ａｒ_２３はそれぞれ独立に下記構造で表されるものが好ましい。ここで示される芳香環上には、メチル基、メトキシ基、ハロゲン基、トリフルオロメチル基、水酸基、ニトロ基、シアノ基等の各種置換基が存在していても良い。
【００６７】
【化２９】

【００６８】
これらポリエーテルケトン系構成単位の具体例としては、下記構造式で表すものを例示することができる。
【００６９】
【化３０】

【００７０】
これらポリベンザゾール系ポリマー構成単位と共に共重合できる芳香族ポリマー構成単位は、厳密にポリマー鎖内の繰り返し単位を指しているのではなく、ポリマー主鎖中にポリベンザゾール系構成単位と共に存在できる構成単位を示しているものである。これら共重合できる芳香族ポリマー構成単位は一種だけでなく二種以上を組み合わせて共重合することもできる。このような共重合体を合成するには、ポリベンザゾール系ポリマー構成単位からなるユニット末端にアミノ基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基等を導入して、これらの芳香族系ポリマーの合成における反応成分として重合しても良いし、これらの芳香族系ポリマー構成単位を含むユニット末端にカルボキシル基を導入してポリベンザゾール系ポリマーの合成における反応成分として重合しても良い。
【００７１】
前記ポリベンザゾール系ポリマーは、ポリ燐酸溶媒中で縮合重合されポリマーが得られる。ポリマーの重合度は極限粘度で表され、１５ｄＬ／ｇ以上が好ましく、より好ましくは２０ｄＬ／ｇ以上である。この範囲を下回った場合、得られる支持体膜の強度が低く好ましくない。また極限粘度は、３５ｄＬ／ｇ以下が好ましく、２６ｄＬ／ｇ以下がより好ましい。この範囲を上回った場合、等方性の溶液が得られるポリベンザゾール系ポリマー溶液の濃度範囲が限られ、等方性の条件での製膜が困難となるため好ましくない。
【００７２】
ポリベンザゾール系ポリマー溶液の製膜方法としては、ドクターブレード等を用いてポリマー溶液を基体上にキャスティングする流延法と呼ばれる製膜方法のほかにも、直線状スリットダイから押し出す方法や円周状スリットダイからブロー押し出しする方法、二枚の基体に挟んだポリマー溶液をローラーでプレスするサンドイッチ法、スピンコート法など、溶液を膜状に成型するあらゆる方法が使用できる。本発明の目的に適した好ましい製膜方法は流延法、サンドイッチ法である。流延法の基板やサンドイッチ法の基体にはガラス板や金属板、樹脂フィルム等の他、凝固時の支持体膜の空隙構造を制御する等の目的で種々の多孔質材料を基板、基体として好ましく用いることができる。
【００７３】
本発明で主して用いるポリベンザゾール系ポリマー溶液は、均一でかつ空隙率の大きな支持体膜を得るために等方性条件の組成で製膜することが重要であり、ポリベンザゾール系ポリマー溶液の好ましい濃度範囲は、０．５重量％、さらに好ましくは０．８重量％である。この範囲よりも濃度が低いとポリマー溶液の粘度が小さくなり、適用できる製膜方法が限られるほか、得られる支持体膜の強度が小さくなるため好ましくない。またさらに、濃度範囲は、２重量％以下が好ましく、より好ましくは１．５重量％以下である。この範囲よりも濃度が高いと空隙率の大きな支持体膜が得られないばかりか、ポリベンザゾール系ポリマーのポリマー組成や重合度によっては溶液が異方性を示すため好ましくない。
【００７４】
ポリベンザゾール系ポリマー溶液の濃度を上記で示したような範囲に調整するには次に示すような方法をとる事ができる。すなわち、重合されたポリベンザゾール系ポリマー溶液から一旦ポリマー固体を分離し、再度溶媒を加えて溶解することで濃度調整を行なう方法。さらには、ポリ燐酸中で縮合重合されたままのポリマー溶液からポリマー固体を分離することなく、そのポリマー溶液に溶媒を加えて希釈し、濃度調整を行なう方法。さらにはポリマーの重合組成を調整することで上記濃度範囲のポリマー溶液を直接得る方法などである。
【００７５】
ポリマー溶液の濃度調整に用いるのに好ましい溶媒としては、メタンスルホン酸、ジメチル硫酸、ポリ燐酸、硫酸、トリフルオロ酢酸などがあげられ、あるいはこれらの溶媒を組み合わせた混合溶媒を用いることもできる。中でも特にメタンスルホン酸、ポリリン酸が好ましい。
【００７６】
支持体膜の多孔質構造を実現する手段としては、製膜された等方性のポリベンザゾール系ポリマー溶液を、貧溶媒と接触させて凝固する方法を用いる。貧溶媒はポリマー溶液の溶媒と混和できる溶媒であって、液相状態であっても気相状態であっても良い。さらに、気相状態の貧溶媒による凝固と液相状態の貧溶媒による凝固を組み合わせることも好ましく用いることができる。凝固に用いる貧溶媒としては、水、酸水溶液や無機塩水溶液の他、アルコール類、グリコール類、グリセリンなどの有機溶媒等を利用することができるが、使用するポリベンザゾール系ポリマー溶液との組み合わせによっては、支持体膜の表面開孔率や空隙率が小さくなったり、支持体膜の内部に不連続な空洞ができたりするなどの問題が生じるため、凝固に用いる貧溶媒の選択には特に注意が必要である。本発明における等方性のポリベンザゾール系ポリマー溶液の凝固においては、水蒸気、メタンスルホン酸水溶液、リン酸水溶液、グリセリン水溶液の他、塩化マグネシウム水溶液などの無機塩水溶液などの中から貧溶媒と凝固条件を選択することにより支持体膜表面および内部の構造、空隙率を制御するに至った。特に好ましい凝固の手段は水蒸気と接触させて凝固する方法や、凝固の初期において水蒸気に短時間接触させた後に水に接触させて凝固する方法、メタンスルホン酸水溶液に接触させて凝固する方法などである。
【００７７】
ポリマーの凝固が進むと、支持体膜は収縮しようとする。凝固が進行する間は支持体膜の不均一な収縮によるシワの発生などを抑制する目的でテンターや固定枠を用いる場合もある。また、ガラス板などの基板上に成型したポリマー溶液を凝固する場合には、基板面の粗さを制御することで基板上での収縮を制御する場合もある。
【００７８】
上記のようにして凝固された支持体膜は、残留する溶媒によるポリマーの分解の促進や、複合電解質膜を使用する際に残留溶媒が流出するなどの問題を避ける目的で、十分に洗浄することが望ましい。洗浄は支持体膜を洗浄液に浸漬することで行なうことができる。特に好ましい洗浄液は水である。水による洗浄は、支持体膜を水中に浸漬したときの洗液のｐＨが５〜８の範囲になるまで行なうことが好ましく、さらに好ましくはｐＨが６．５〜７．５の範囲である。
【００７９】
上記に述べた特定の濃度範囲のポリベンザゾール系ポリマー等方性溶液を用い、上記に述べたような方法から選ばれた適当な凝固手段を用いることにより本発明の目的に適した構造を有するポリベンザゾール系ポリマーよりなる支持体膜が得られる。すなわち、支持体膜の少なくとも一方の表面に開口部を持つ連続した空隙を有する多孔質の支持体膜である。支持体膜はポリベンザゾール系ポリマーのフィブリル状繊維から形成される立体網目構造からなり、三次元的に連続した空隙を有する。特開２００２−２０３５７６には膜の厚さ方向に貫通する連通孔を有する膜支持体にイオン伝導性物質が導入された電解質膜が記載されているが、これに記載されているような連通孔の方向性が主に膜の厚さ方向に限定されている支持体を燃料電池の電解質膜に用いた場合、膜の面方向のイオン伝導性物質の連続性が小さいために燃料電池のイオン交換膜に用いた場合に燃料ガスの濃度分布や電極触媒の付着量など面方向に不均一な状態が生じるとイオン交換膜の局所的な劣化が生じやすいなどの問題があるため好ましくない。
【００８０】
本発明に使用される支持体膜の空隙率は７０体積％以上であることが好ましく、さらに好ましくは９０体積％以上である。空隙率がこの範囲よりも小さいと、イオン交換樹脂を複合化させた場合のイオン交換樹脂の含有率が小さく、イオン導電性が低下するため好ましくない。
【００８１】
本発明の支持体膜は、少なくとも一方の面の開孔率が４０％以上であることが好ましく、さらに好ましくは５０％以上、特に好ましくは６０％以上である。少なくとも一方の面の開孔率がこの範囲よりも小さいと、支持体膜とイオン交換樹脂を複合化させる際に支持体膜の空隙内部にイオン交換樹脂が含浸されにくくなるため好ましくない。
【００８２】
上述のような方法で得られたポリベンザゾール系ポリマーよりなる多孔質の該多孔質支持体膜にイオン交換容量の高いイオン交換樹脂を含浸させてなる複合層と、該複合層を挟む形で該複合層の両面に形成されたイオン交換容量の低いイオン交換樹脂からなる表面層を有する複合イオン交換膜を得る方法について説明する。即ち、含水した支持体膜を乾燥させずにイオン交換樹脂溶液の溶媒組成と異なる場合、その溶媒組成にあわせてあらかじめ内部の液を置換した後、イオン交換樹脂溶液に浸漬し、その後、乾燥させることによってイオン交換容量の高いイオン交換樹脂を含む複合層が得られる。この場合、該支持体膜の内部にイオン交換樹脂を含浸させ乾燥させる時に、予め支持体膜を金属の枠などで固定して行う方法とかポリエチレンフィルム等の支持体に固定して浸漬する方法等がありこの方法に限定するものではない。前記載の方法で得られた複合層の厚みは、複合イオン交換膜全厚みの５％以上９５％以下であることが好ましく、より好ましくは２０％以上９０％以下、さらに好ましくは３０％以上８５％以下である。該複合層の厚みが複合イオン交換膜全厚みに占める割合がこの範囲より大きい場合、発電時の内部抵抗が大きくなり発電性能が低下し、また、この範囲よりも小さい場合には内部抵抗が小さくなり発電性能は向上するものの支持体膜の補強効果が小さくなるため好ましくない。
【００８３】
本発明の複合層に含浸されるイオン交換容量の高いイオン交換樹脂としては、炭化水素系構成単位を主成分とする非フッ素系イオン交換樹脂を主として使用することができる。この場合、部分的に水素原子がフッ素原子に置き換わっている構造が含まれていても構わない。非フッ素系イオン交換樹脂としては、例えばポリスチレンスルホン酸、ポリ（トリフルオロスチレン）スルホン酸、ポリビニルホスホン酸、ポリビニルカルボン酸、ポリビニルスルホン酸成分の少なくとも１種を含むアイオノマーが挙げられる。さらに、芳香族系のポリマーとして、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン系ポリマー、ポリフェニルキノキサリン、ポリアリールケトン、ポリエーテルケトン、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド等の構成成分の少なくとも１種を含むポリマーに、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボキシル基、およびそれらの誘導体の少なくとも１種が導入されているポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合を有しているポリマーの総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含むとともに、特定のポリマー構造に限定するものではない。
【００８４】
上記酸性基を含有するポリマーのうち、芳香環上にスルホン酸基を持つポリマーは、上記例のような骨格を持つポリマーに対して適当なスルホン化剤を反応させることにより得ることができる。このようなスルホン化剤としては、例えば、芳香族環含有ポリマーにスルホン酸基を導入する例として報告されている、濃硫酸や発煙硫酸を使用するもの（例えば、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ，１０６，Ｐ．２１９（１９９８））、クロル硫酸を使用するもの（例えば、Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．，２２，Ｐ．２９５（１９８４））、無水硫酸錯体を使用するもの（例えば、Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．，２２，Ｐ．７２１（１９８４）、Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．，２３，Ｐ．１２３１（１９８５））等が有効である。これらの試薬を用い、それぞれのポリマーに応じた反応条件を選定することにより目的のスルホン化ポリマーを得ることができる。また、特許第２８８４１８９号に記載のスルホン化剤等を用いることも可能である。これら芳香環がスルホン化されたポリマーの構造は特に限定されることはないが、例えば、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１４７，Ｐ．１６７７（２０００）、ＷＯ２０００−１５６９１国際公開特許公報、ＷＯ００／２４７９６国際公開特許公報、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｓｙｍｐ．，Ｖｏｌ．１８８，Ｐ．７３（２００２）、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｒａｐｉｄ．Ｃｏｍｍｕｎ．Ｖｏｌ．２３，Ｐ．７５３（２００２），Ｊ．Ｍｅｍｂ．Ｓｃｉ．，Ｖｏｌ．１８５，Ｐ．７３（２００１），Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ．３９，Ｐ．３２１１（２００１）、Ｊ．Ｍｅｍｂ．Ｓｃｉ．，Ｖｏｌ．１７３，Ｐ．１７（２０００）、等に記載されているものが例示される。
【００８５】
また、上記酸性基含有ポリマーは、重合に用いるモノマーの中の少なくとも１種に酸性基を含むモノマーを用いて合成することもできる。例えば、芳香族ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物から合成されるポリイミドにおいては、芳香族ジアミンの少なくとも１種にスルホン酸基含有ジアミンを用いてスルホン酸基含有ポリイミドとすることが出来る。スルホン酸基含有ジアミンの例としては、１，３−ジアミノベンゼン−５−スルホン酸、１，４−ジアミノベンゼン−２−スルホン酸、１，３−ジアミノベンゼン−４−スルホン酸、ベンジジン−３，３’−ジスルホン酸、等が例示される。ポリイミド合成に使用されるテトラカルボン酸無水物は、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸無水物や、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸無水物などの六員環酸無水物を含んでいることが好ましい。これらスルホン酸基含有ポリイミドの構造は特に限定されるわけではないが、例えば、Ｐｏｌｙｍｅｒ，Ｖｏｌ．４２、Ｐ．３５９（２００１）、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，Ｖｏｌ．３５，Ｐ．６７０７（２００２）、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，Ｖｏｌ．３５，Ｐ．９０２２（２００２）、ＵＳ２００２／００９１２２５特許公報、等に記載されているものが例示される。
【００８６】
芳香族ジアミンジオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズオキサゾール、芳香族ジアミンジチオールと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズチアゾール、芳香族テトラミンと芳香族ジカルボン酸から合成されるポリベンズイミダゾールの場合は、芳香族ジカルボン酸の少なくとも１種にスルホン酸基含有ジカルボン酸やホスホン酸基含有ジカルボン酸を使用することにより酸性基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾールとすることが出来る。ここで使用されるスルホン酸基含有ジカルボン酸としては、２，５−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、３，５−ジカルボキシベンゼンスルホン酸、２，５−ジカルボキシ−１，４−ベンゼンジスルホン酸、４，６−ジカルボキシ−１，３−ベンゼンジスルホン酸、２，２’−ジスルホ−４，４’−ビフェニルジカルボン酸、３，３’−ジスルホ−４，４’−ビフェニルジカルボン酸などのスルホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を挙げることができる。また、２，５−ジカルボキシフェニルホスホン酸、３，５−ジカルボキシフェニルホスホン酸、２，５−ビスホスホノテレフタル酸、などのホスホン酸基を有する芳香族ジカルボン酸およびこれらの誘導体を用いることにより、ホスホン酸基含有ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾールとすることが出来る。また、ここで用いる芳香族テトラミン類、芳香族ジアミンジオール類、芳香族ジアミンジチオール類およびそれらの誘導体としては、特に限定されるものではないが、たとえば、２，５−ジヒドロキシパラフェニレンジアミン、４，６−ジヒドロキシメタフェニレンジアミン、２，５−ジアミノ−１，４−ベンゼンジチオール、４，６−ジアミノ−１，３−ベンゼンジチオール、２，５−ジアミノ−３，６−ジメチル−１，４−ベンゼンジチオール、１，２，４，５−テトラアミノベンゼン、３，３’−ジヒドロキシベンジジン、３，３’−ジアミノ−４，４’−ジフェニルベンゼンジオール、３，３’−ジメルカプトベンジジン、３，３’−ジアミノ−４，４’−ジフェニルベンゼンジチオール、３，３’−ジアミノベンジジン、ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）エーテル、ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）エーテル、ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）エーテル、ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）エーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノジフェニルエーテル、ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）チオエーテル、ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）チオエーテル、ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）チオエーテル、ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）チオエーテル、３，３’，４，４’−テトラアミノジフェニルチオエーテル、ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）スルホン、ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）スルホン、ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）スルホン、ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）スルホン、３，３’，４，４’−テトラアミノジフェニルスルホン、２，２−ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）プロパン、２，２−ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）プロパン、２，２−ビス（３，４−ジアミノフェニル）プロパン、ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）メタン、ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）メタン、ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）メタン、ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）メタン、ビス（３，４−ジアミノフェニル）メタン、２，２−ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス（３，４−ジアミノフェニル）ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェニル）ケトン、２，２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）ケトン、２，２−ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェニル）ケトン、２，２−ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェニル）ケトン、２，２−ビス（３，４−ジアミノフェニル）ケトン、ビス（４−アミノ−３−ヒドロキシフェノキシ）ベンゼン、ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェノキシ）ベンゼン、ビス（４−アミノ−３−メルカプトフェノキシ）ベンゼン、ビス（３−アミノ−４−メルカプトフェノキシ）ベンゼン、ビス（３，４，−ジアミノフェノキシ）ベンゼンなどおよびこれらの誘導体が挙げられる。これら酸性基含有ポリベンザゾールの構造は特に限定されることはないが、例えば、Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ．１５，Ｐ．１３０９（１９７７）、ＵＳＰ−５，３１２，８９５号公報、ＷＯ０２／３８６５０国際公開公報、等に記載されているものが例示される。
【００８７】
芳香族ジハライドと芳香族ジオールから合成されるポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンなどは、モノマーの少なくとも１種にスルホン酸基含有芳香族ジハライドやスルホン酸基含有芳香族ジオールを用いることで合成することが出来る。この際、スルホン酸基含有ジオールを用いるよりも、スルホン酸基含有ジハライドを用いる方が、重合度が高くなりやすいとともに、得られた酸性基含有ポリマーの熱安定性が高くなるので好ましいと言える。スルホン酸基含有ジハライドの例としては、３，３’−ジスルホ−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、３，３’−ジスルホ−４，４’−ジフルオロジフェニルスルホン、３，３’−ジスルホ−４，４’−ジクロロジフェニルケトン、３，３’−ジスルホ−４，４’−ジフルオロジフェニルスルホン、およびそれらのスルホン酸基が１価カチオン種との塩になったものが挙げられる。これらのスルホン酸基含有ジハライドは、スルホン酸基導入量をコントロールするためにスルホン酸基を有さない芳香族ジハライドと併用することができる。これらスルホン酸基を有さない芳香族時ハライドとしては、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン、４，４’−ジフルオロジフェニルスルホン、４，４’−ジフルオロベンゾフェノン、４，４’−ジクロロベンゾフェノン、２，６−ジクロロベンゾニトリル、２，６−ジフルオロベンゾニトリル等が例示される。また、これらの芳香族ジハライドとともに重合に使用される芳香族ジオールとしては、例えば、４，４’−ビフェノール、ビス（４−ヒドロキシフェニル）スルホン、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）エタン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、ビス（４−ヒドロキシフェニル）メタン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）ブタン、３，３−ビス（４−ヒドロキシフェニル）ペンタン、２，２−ビス（４−ヒドロキシ−３，５−ジメチルフェニル）プロパン、ビス（４−ヒドロキシ−３，５−ジメチルフェニル）メタン、ビス（４−ヒドロキシ−２，５−ジメチルフェニル）メタン、ビス（４−ヒドロキシフェニル）フェニルメタン、ビス（４−ヒドロキシフェニル）ジフェニルメタン、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン、９，９−ビス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）フルオレン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン、ハイドロキノン、レゾルシン等があげられるが、この他にも芳香族求核置換反応によるポリアリーレンエーテル系化合物の重合に用いることができる各種芳香族ジオールを使用することもできる。これらより合成されるスルホン酸基含有ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンの構造は特に限定されることはないが、例えば、ＵＳ２００２／００９１２２５特許公報、Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．１９９，Ｐ．１４２１（１９９８）、Ｐｏｌｙｍｅｒ，Ｖｏｌ．４０，Ｐ．７９５（１９９９）、等に記載されているものが例示される。
【００８８】
本発明の該支持体膜に含浸される複合層のイオン交換樹脂は、表面層を形成するイオン交換樹脂のイオン交換容量より高ければ例えパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなるフッ素系イオン交換樹脂でも使用ができ特に限定するものではない。
【００８９】
本発明の該支持体膜に含浸される複合層に主として使用されるポリアリーレンエーテル共重合体からなる非フッ素系イオン交換樹脂は、イオン交換容量（ＩＥＣ）０．９〜５．５ｍｅｑ／ｇ、好ましくは１．０〜５．０ｍｅｑ／ｇ、更に好ましくは、１．５〜３．０ｍｅｑ／ｇである。イオン交換容量が０．９ｍｅｑ／ｇ以下の場合、膜抵抗が大きくなり発電性能が低下し、イオン交換容量が５．５ｍｅｑ／ｇ以上では水溶性が強くなり複合層中のイオン交換樹脂が膨潤し発電性能が低下するので好ましくない。
また、表面層を形成するイオン交換樹脂は、上記複合層に含浸されたイオン交換樹脂のイオン交換容量より低いイオン交換容量を有することが望ましく、複合層に含浸されたイオン交換樹脂のイオン交換容量の２０％以上８０％以下が最適に使用可能であり、特に望ましくは３５％以上７０％以下である。そのイオン交容量の絶対値としては、０．４〜４．０ｍｅｑ／ｇ、好ましくは０．８〜２．５ｍｅｑ／ｇである。イオン交換容量０．５ｍｅｑ／ｇ以下の場合、電極との密着性が悪く発電性能が低下し、イオン交換容量３．０ｍｅｑ／ｇ以上では長期加湿の発電時に表面層のイオン交換樹脂が膨潤しガスリークによる発電性の低下が起こり好ましくない。
またイオン交換樹脂のポリマー対数粘度（ｄｌ／ｇ）が０．３〜２．５、好ましくは０．６〜１．８、更に好ましくは１．０〜１．６のものが好ましく使用でき、イオン交換樹脂溶液濃度は、０．５〜２５ｗｔ％、好ましくは１０〜１８ｗｔ％、更に好ましくは１３〜１５ｗｔ％が好ましく使用できる。またこの時のイオン交換樹脂溶液粘度（Ｐａ．ｓ＠３０℃）は、０．２〜４．０、好ましくは０．３〜２．０、更に好ましくは０．４〜１．５が好ましく使用できる。ポリマー対数粘度が２．５以上、樹脂溶液濃度２５ｗｔ％以上及び樹脂溶液粘度が４．０以上であると、支持体膜への含浸性が不充分で含浸斑が発生しその結果発電性能が低下するので好ましくない。一方、ポリマー対数が０．３以下で樹脂溶液濃度が０．５ｗｔ％以下及び樹脂溶液粘度が０．２以下の場合、支持体膜中のイオン交換樹脂含有量が減少しその結果発電性能が得にくくなるので好ましくない。
【００９０】
前記載の主として使用できるポリアリーレンエーテル共重合体からなる非フッ素系イオン交換樹脂溶液の支持体膜への含浸条件は、支持体膜の厚みやイオン交換樹脂溶液特性に大きく依存するが、含浸時間は５分以上が好ましく、更に好ましくは１０分から１５分である。含浸時間５分以下では発電特性が乏しい結果となる場合があり、１５分以上含浸時間を延ばしても必ずしも発電特性が向上するものではない。尚、フッ素系イオン交換樹脂溶液を用いた場合も同様な含浸条件が採用できる。この様にして含浸・乾燥した複合層の複合層中に占めるイオン交換樹脂の含有率は５０重量％以上であることが好ましい。さらに好ましくは８０重量％以上である。この範囲より小さい含有率の場合、充分な発電性能が得られない。
【００９１】
次に、前述した含浸条件で得られた複合層を挟む形で両面に形成する表面層の付与形成方法について述べる。該支持体膜に主としてイオン交換容量の高いポリアリーレンエーテル共重合体からなるイオン交換樹脂を含浸・乾燥して得た複合層上に、フッ素系イオン交換樹脂からなる表面層を形成する場合、前記複合層中のイオン交換樹脂を酸変換しスルホン化ポリアリーレンエーテル共重合体とした後、フッ素系イオン交換樹脂溶液を用いて浸漬或いは塗工・乾燥することが重要である。複合層中のイオン交換樹脂がスルホン化されていない場合は、複合層と表面層の間の接着性が乏しく水洗処理等すると複合層面からフッ素系イオン交換樹脂層が剥離する問題がある。
【００９２】
更に、複合層中のイオン交換樹脂より低いイオン交換容量のポリアリーレンエーテル共重合体からなるイオン交換樹脂を用いて表面層を付与形成する方法では、含浸・乾燥して得られた複合層へイオン交換容量の低いイオン交換樹脂を塗工し乾燥した後、酸変換することによって得ることができる。この場合、複合層と表面層の間の接着性は水洗処理等で剥離することはない。
【００９３】
前述した複合層の形成や表面層の付与形成の具体例として、含浸方法はオープン含浸装置、減圧含浸装置、含浸回転ロール装置等の装置を用いて含浸し絞りロール等の方法で厚み調整した後乾燥し得る方法とか、また、塗工方法はワイヤーバーコート、スキージーコート、グラビアコーター、リバースコーター、スプレーコーターのコーティング方式やスクリーン印刷で塗工する方法等が例示として挙げられこれ等に限定するものではない。
【００９４】
本発明の複合イオン交換膜に形成された表面層の厚みは、１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、更に好ましくは５μ以上３０μ以下が好ましい。１μｍ以下の場合、電極との接合性が不充分で発電性能が得られず、５０μｍ以上の場合、支持体膜の補強効果が小さくなるため好ましくない。
【００９５】
本発明の方法で得られた複合イオン交換膜は、充分に熱処理して置くことが好ましい。熱処理温度は、イオン交換樹脂の耐熱性によるが、１００〜１５０℃、３０〜６０分の窒素雰囲気下で熱処理する方法等が好ましい例示として挙げられる。
【００９６】
本発明の複合イオン交換膜は、前述したポリベンザゾール系ポリマーからなる多孔質膜を支持体とする以外に、フッ素樹脂系、ポリイミド樹脂系、アミド樹脂系、ポリオレフィン樹脂系等からなる多孔質膜を支持体として使用できる。フッ素樹脂系としては特許文献１中に記載のフルオロカーボン重合体からなり、その具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロプロピルビニルエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンーパーフルオルー２，２−ジメチル−１，３−ジオキザール、ポリパーフルオロブテニルビニルエーテル等が挙げられる。ポリイミド樹脂系としては、電気化学会講演（２００３．４）要旨記載（Ｐ２９０）の方法によって得られたポリイミド多孔質膜や特許文献７記載による方法によって得られるアミド系多孔質膜等が挙げられる。また、ポリオレフィン樹脂系の具体例としてポリエチレン、ポリプロピレン等から成る超高分子ポリオレフィン樹脂から成る多孔質膜が好ましい例示として挙げられる。
【００９７】
更に、本発明では特許文献５記載のポリエチレン繊維からなる不織布も支持体として使用できる好ましい例示として挙げられる。
【００９８】
本発明の複合イオン交換膜は、イオン交換容量の高いイオン交換樹脂を支持体に、特にポリアリーレンエーテル系共重合体からなるイオン交換樹脂を含浸させ複合層とし、この複合層の両面に複合層に含浸されたイオン交換樹脂のイオン交換容量より低いイオン交換樹脂からなる表面層を形成することによって、まず複合層のプロトン伝導性を向上させ、更に電極との接合性を一層向上させる為に表面層を設けることによって、固体高分子形燃料電池の高出力化や高効率化のための発電要求に対してその性能を発現することができ、更に低温・低湿や高温環境でもその性能を発現し、機械的強度も有した固体高分子型燃料電池の高分子電解質膜として利用できるものである。
【００９９】
実施例
以下に本発明を実施例を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、各種測定は次のようにおこなった。
【０１００】
評価法・測定法
＜支持体膜の表面開孔率＞
支持体膜の表面開孔率は次の方法により測定した。支持体膜の表面の撮影倍率１万倍の走査型電子顕微鏡写真上で５μｍ角に相当する視野を選び、膜の最外表面に相当するポリマー部分を白、それ以外の部分を黒に色分けした後、イメージスキャナーを用いて画像をコンピューターに取り込み、米国Ｓｃｉｏｎ社製の画像解析ソフトＳｃｉｏｎ Ｉｍａｇｅを用いて画像中の黒部分が占める比率を測定した。この操作を一つのサンプルに対して３回行い、その平均を表面開孔率とした。
【０１０１】
＜支持体膜の空隙率＞
支持体膜の空隙率は次の方法により測定した。含水状態の支持体膜の重量と絶乾状態の支持体膜の重量の差から求められた水の重量を水の密度で除して膜内の空隙を満たす水の体積Ｖｗ［ｍＬ］が得られる。Ｖｗと含水状態の膜の体積Ｖｍ［ｍＬ］から以下の計算により支持体膜の空隙率を求めた。
支持体膜の空隙率［％］＝Ｖｗ／Ｖｍ×１００
【０１０２】
＜複合イオン交換膜の厚さおよび、それを構成する層の厚さ＞
該複合イオン交換膜を構成する複合層および該複合層を挟む形で複合層の両面に形成されたイオン交換樹脂からなる表面層の厚さは、幅３００μｍ×長さ５ｍｍに切り出した複合膜片を、ルベアック８１２（ナカライテスク製）／ルベアックＮＭＡ（ナカライテスク製）／ＤＭＰ３０（ＴＡＡＢ製）＝１００／８９／４の組成とした樹脂で包埋し、６０℃で１２時間硬化させて試料ブロックを作製した。ウルトラミクロトーム（ＬＫＢ製２０８８ＵＬＴＲＯＴＯＭＥ ５）を用いて平滑な断面が露出するようブロックの先端をダイヤモンドナイフ（住友電工製ＳＫ２０４５）で切削した。このようにして露出させた複合膜の断面を光学顕微鏡で写真撮影し、既知の長さのスケールを同倍率で撮影したものと比較することで測定した。
【０１０３】
＜複合イオン交換膜のイオン交換樹脂（ＩＣＰ）含有率＞
複合イオン交換膜のイオン交換樹脂含有率は以下の方法により測定した。１１０℃で６時間真空乾燥させた複合イオン交換膜の目付けＤｃ［ｇ／ｍ^２］を測定し、複合イオン交換膜の作製に用いたのと同じ製造条件の支持体膜をイオン交換樹脂を複合化させずに乾燥させて測定した乾燥支持体膜の目付けＤｓ［ｇ／ｍ^２］とから、以下の計算によりイオン交換樹脂含有率を求めた。
イオン交換樹脂含有率［重量％］＝（Ｄｃ−Ｄｓ）／Ｄｃ×１００
また、複合イオン交換膜のイオン交換樹脂含有率は以下の方法によって測定することもできる。すなわち、複合イオン交換膜を複合イオン交換膜中の支持体膜成分あるいは、イオン交換樹脂成分のいずれかのみを溶解可能な溶剤に浸漬して一方の成分を抽出、除去した後、元の複合イオン交換膜との重量変化を測定することでイオン交換樹脂の含有率を求めることができる。
【０１０４】
＜イオン導電率＞
イオン導電率σは次のようにして測定した。自作測定用プローブ（ポリテトラフルオロエチレン製）上で幅１０ｍｍの短冊状膜試料の表面に白金線（直径：０．２ｍｍ）を押しあて、８０℃、相対湿度９５％の恒温恒湿槽中に試料を保持し、白金線間の１０ｋＨｚにおける交流インピーダンスをＳＯＬＡＲＴＲＯＮ社１２５０ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＲＥＳＰＯＮＳＥ ＡＮＡＬＹＳＥＲにより測定した。極間距離を１０ｍｍから４０ｍｍまで１０ｍｍ間隔で変化させて測定し、極間距離と抵抗測定値をプロットした直線の勾配Ｄ_ｒ［Ω／ｃｍ］から下記の式により膜と白金線間の接触抵抗をキャンセルして算出した。
σ［Ｓ／ｃｍ］＝１／（膜幅×膜厚［ｃｍ］×Ｄ_ｒ）
【０１０５】
＜イオン交換膜のイオン交換容量（ＩＥＣ）＞
乾燥試料を５０〜６０ｍｇ秤量し２．５ｍｍｏｌ／１水酸化ナトリウム水溶液１１０ｍｌに浸漬し１時間攪拌する。この液を濾過し、濾液１００ｍｌを分取りして０．０１ｍｏｌ／１塩酸標準溶液により逆滴定する。また、同操作を試料のない状態で行いブランクとする。

【０１０６】
＜発電特性＞
デュポン社製２０％ナフィオン（商品名）溶液（品番：ＳＥ−２０１９２）に、白金担持カーボン（カーボン：Ｃａｂｏｔ社製ＶａｌｃａｎＸＣ−７２、白金担持量：４０重量％）を、白金とナフィオンの重量比が２．７：１になるように加え、撹拌して触媒ペーストを調製した。この触媒ペーストを、東レ製カーボンペーパーＴＧＰＨ−０６０に白金の付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２になるように塗布、乾燥して、電極触媒層付きガス拡散層を作成した。２枚の電極触媒層付きガス拡散層の間に、膜試料を、電極触媒層が膜試料に接するように挟み、ホットプレス法により１２０℃、２ＭＰａにて３分間加圧、加熱することにより、膜−電極接合体とした。この接合体をＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ社製評価用燃料電池セルＦＣ２５−０２ＳＰに組み込んで１電極面積９ｃｍ^２、セル温度８０℃、ガス加湿温度６
０℃、）２）電極面積９ｃｍ^２、セル温度８０℃、ガス加湿温度７５℃、３）電極面積９ｃｍ^２、セル温度１３０℃、ガス加湿温度１２０℃で、１）、２）、３）共に電極面積燃料ガスとして水素１００ｍＬ／ｍｉｎ、酸化ガスとして酸素１００ｍＬ／ｍｉｎのガス流量において発電特性評価を行った。
【０１０７】
＜溶液粘度＞
ポリマー粉末を０．５ｇ／ｄｌの濃度でＮ−メチルピロリドンに溶解し、３０℃の恒温槽中でウベローデ型粘度計を用いて粘度測定を行い、対数粘度ｌｎ［ｔａ／ｔｂ］／ｃ）で評価した（ｔａは試料溶液の落下秒数、ｔｂは溶媒のみの落下秒数、ｃはポリマー濃度）。
【０１０８】
本発明の実施例および比較例に用いる支持体膜を以下の方法で作成した。
＜ポリベンザゾール系支持体膜ａの作成＞
ポリ燐酸中にＩＶ＝２４ｄＬ／ｇのポリパラフェニレンシスベンゾビスオキサゾールポリマーを１４重量％含んだドープにメタンスルホン酸を加えて希釈し、ポリパラフェニレンシスベンゾビスオキサゾール濃度１重量％の等方性溶液を調製した。この溶液を、７０℃に加熱したガラス板上にクリアランス３００μｍのアプリケータを用いて製膜速度５ｍｍ／秒で製膜した。このようにしてガラス板上に製膜したドープ膜をそのまま２５℃、相対湿度８０％の恒温恒湿槽中に置いて１時間凝固し、生成した膜を洗液がｐＨ７±０．５を示すまで水洗を行って支持体膜を作成した。
【０１０９】
本発明の実施例に用いるイオン交換樹脂を、以下の方法で合成した。
＜イオン交換樹脂Ａの合成＞
９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン２０．０００ｇ（０．０５７０８ｍｏｌｅ）、３，３’−ジスルホ−４，４’−ジクロロジフェニルスルホン２ナトリウム塩（略号：Ｓ−ＤＣＤＰＳ）１１．２１５ｇ（０．０２２８３ｍｏｌｅ）、４，４’−ジクロロジフェニルスルホン９．８３４ｇ（０．０３４２５ｍｏｌｅ）、炭酸カリウム９．０７２ｇ（０．０６５６３ｍｏｌｅ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）１２０ｍｌを、３００ｍｌ四つ口フラスコに仕込んだ。この混合物を窒素気流下１５０℃に加熱して撹拌した後、１７５℃、２００℃と順次昇温して２００℃で６時間重合を続けた。冷却後、この溶液を９００ｍｌメタノール中に注ぎポリマーを析出させた後、ポリマーを水洗した後、乾燥した。収率９１％。その結果対数粘度０．９８ｄｌ／ｇのポリマーが得られた。このポリマーを濃硫酸２ｌとともに３０℃で２時間撹拌した。反応後、過剰の塩酸水溶液中に注いで生成した沈殿を濾取し、乾燥することでスルホン化ポリマーを得た。得られたポリマーの対数粘度は１．１４ｄｌ／ｇであった。本試料の滴定でもとめたＩＥＣは、５．０２ｍｅｑ／ｇを示した。
【０１１０】
＜イオン交換樹脂Ｂの作成＞
Ｓ−ＤＣＤＰＳ２５．０００ｇ（０．０５０８９ｍｏｌｅ）、２，６−ジシアノベンゾニトリル（略号：ＤＣＢＮ）２．９１８ｇ（０．０１６９６ｍｏｌｅ）、４，４’−ビフェノール１２．６３５１ｇ（０．０６７８５ｍｏｌｅ）、炭酸カルシウム１０．７８４８ｇ（０．０７８０３ｍｏｌｅ）を３００ｍｌ四つ口フラスコに計り取り、窒素を流した。１２０ｍｌのＮＭＰを入れて、１５０℃で一時間撹拌した後、反応温度を１９５−２００℃に上昇させて系の粘性が十分上がるのを目安に反応を続けた（約１０時間）。放冷の後、水中にストランド状に沈殿させた。得られたポリマーは、水中で１時間洗浄した後、乾燥した。ポリマーの対数粘度は０．７９を示した。本試料の滴定でもとめたＩＥＣは、２．９８ｍｅｑ／ｇを示した。
【０１１１】
＜イオン交換樹脂Ｃの作成＞
Ｓ−ＤＣＤＰＳを１０．０００ｇ（０．０２０３６ｍｏｌｅ）、ＤＣＢＮを１５．９５１ｇ（０．０９２７３ｍｏｌｅ）、４，４’−ビフェノール２１．０５８５ｇ（０．１１３１ｍｏｌｅ）、炭酸カルシウム１７．９７５ｇ（０．１３０ｍｏｌｅ）とする以外は、ポリマーＢの合成と同様にして反応を行った（反応時間６時間）。ポリマーの対数粘度は１．２８を示した。本試料の滴定でもとめたＩＥＣは、０．９９ｍｅｑ／ｇを示した
【０１１２】
＜実施例１＞
作製したポリベンザゾール系支持体膜ａを前記載の方法の観察によって、両面に開孔部を持つ連続した空孔を有する多孔質膜であることを確認した。その開孔率は６９％であった。空隙率は９８％であった。
また、未乾燥の支持体膜の厚みは９０μｍであった。
【０１１３】
次に、合成して得られたイオン交換樹脂ＡのポリマーをＮＭＰで溶解し１３ｗｔ％濃度樹脂溶液２Ｌ作成し、オープン含浸槽に投入し準備した。予め支持体膜ａを水中でステンレス製のフレームに固定し、含まれる水をＮＭＰで置換した後支持体膜ａを室温下含浸槽に投入し１０分間浸漬し、引上げた後１５０℃設定の遠赤外線セラミックヒーターからなる乾燥機にセットし、１５分間溶媒の蒸発・乾燥を行った。そして得られた複合膜を８０℃の１ｍｏｌ／Ｌ硫酸水溶液で３０分間処理し酸型に置換し、酸が検出できなくなるまで超純水で洗浄し、１００℃で乾燥しイオン交換樹脂Ａを含浸してなる複合層を作成した。
【０１１４】
続いて、別に準備したデュポン製２０％ナフィオン溶液（品番：ＳＥ−２０１９２）含浸槽に前記載の複合膜をステンレス製のフレームに固定した後、室温下５分間浸漬し、引上げた後１００℃設定の遠赤外線セラミックヒーター乾燥機にセットし、１０分間溶媒の蒸発・乾燥を実施した。そしてＮａｆｉｏｎ表面層を両面に有する複合膜を窒素雰囲気下１３０℃６０分で熱処理し複合イオン交換膜を得た。
【０１１５】
＜実施例２＞
次に、イオン交換樹脂Ｂを用いた以外実施例１と同様な方法で複合層を作成した後、デュポン製２０％ナフィオンを用いてブレード付簡易コーターで塗工しＮａｆｉｏｎ表面層を両面に有する複合膜を作成し得られた複合膜を実施例１と同様な方法で熱処理し複合イオン交換膜を得た。
【０１１６】
＜実施例３＞
次に、イオン交換樹脂Ａを含浸してなる複合層と、予め１５ｗｔ％濃度樹脂溶液に作製したイオン交換樹脂Ｂ溶液をブレード付簡易コーターで塗工し得られた複合膜を酸置換し、１００℃で乾燥しイオン交換樹脂Ｂ表面層を両面に有する複合イオン交換膜を得た。
【０１１７】
＜実施例４＞
次に、イオン交換樹脂Ａを含浸してなる複合層と、予め１５ｗｔ％濃度樹脂溶液に作製したイオン交換樹脂Ｃ溶液をブレード付簡易コーターで塗工し得られた複合膜を酸置換し、１００℃で乾燥しイオン交換樹脂Ｃ表面層を両面に有する複合イオン交換膜を得た。
【０１１８】
＜実施例５＞
次に、イオン交換樹脂Ｂを含浸してなる複合層と、予め１５ｗｔ％濃度樹脂溶液に作製したイオン交換樹脂Ｃ溶液をブレード付簡易コーターで塗工し得られた複合膜を酸置換し、１００℃で乾燥しイオン交換樹脂Ｃ表面層を両面に有する複合イオン交換膜を得た。
【０１１９】
＜実施例６＞
厚さが２０μｍ、空隙率が８９％の延伸多孔質膜ＰＴＦＥ（ジャパンゴアテック製）からなる支持体に、イオン交換樹脂Ａからなる１３ｗｔ％濃度溶液を２０分間含浸し、溶媒乾燥により複合膜を作製した。次に１５ｗｔ％樹脂溶液に作製したイオン交換樹脂Ｃ溶液をブレード付簡易コーターで塗工し得られた複合膜を酸置換し、１００℃で乾燥しイオン交換樹脂Ｃ表面層を両面に有する複合イオン交換膜を得た。
【０１２０】
＜実施例７＞
１０デニールのポリエチレン繊維からなる不織布（東洋紡製）を用いた以外、実施例４と同様な方法で複合イオン交換膜を得た。
【０１２１】
＜実施例８＞
厚み２０μｍ、空孔率８０％のポリイミド多孔質膜（宇部興産製）からなる支持体に、イオン交換樹脂Ａからなる１３ｗｔ％濃度溶液を３０分間含浸し、溶媒乾燥により複合膜を作製した。次に１５ｗｔ％樹脂溶液に作製したイオン交換樹脂Ｃ溶液をブレード付簡易コーターで塗工し得られた複合膜を酸置換し、１００℃で乾燥しイオン交換樹脂Ｃ表面層を両面に有する複合イオン交換膜を得た。
【０１２２】
＜比較例１＞
実施例４で複合層に含浸するイオン交換樹脂を表面層へ、表面層を形成するイオン交換樹脂を複合層に各々交換し複合膜を作成し酸置換・乾燥し複合イオン交換膜を調整した。複合イオン交換膜は、イオン導電率が得られたので発電特性評価２）の条件でスタートしたところ暫くしたら膜破れが発生し発電性が低下した。
【０１２３】
＜比較例２＞
実施例１で作製した複合膜を酸置換・乾燥し、２０％ナフィオン溶液に浸漬することをやめた以外実施例１と同方法で複合イオン交換膜を調整した。複合イオン交換膜のイオン導電率が低く発電性能が得られなかった。
【０１２４】
＜比較例３＞
実施例７と同じ支持体を用いて２０％ナフィオン溶液に浸漬させ乾燥して複合膜を作成した後、表面層を形成せずに窒素雰囲気下１３０℃６０分で熱処理し複合イオン交換膜を調整した。複合イオン交換膜のイオン導電率が低く発電性能が得られなかった。
【０１２５】
実施例１〜８、比較例１〜３の特性値を表１に示す。
【表１】

【０１２６】
実施例１から８の複合イオン交換膜は、比較例１から３の複合イオン交換膜と対比して特に低加湿及び高温時の発電性能に優れ、燃料電池の高分子固体電解質膜として有用で優れた特性を備えていることが明らかとなった。
【０１２７】
【発明の効果】
上記の結果より、本発明の複合イオン交換膜は発電性特に低加湿及び高温発電性に優れる複合イオン交換膜である。

Claims (14)

1. 多孔質膜、繊維状補強材の少なくとも１種からなる支持体を使用した複合イオン交換膜であって、該支持体にイオン交換容量０．９〜５．５ｍｅｑ／ｇであるイオン交換樹脂が含浸されてなる複合層と、該複合層に含浸されたイオン交換樹脂より低いイオン交換容量を有するイオン交換樹脂で該複合層挟む形で両面に形成された表面層を有することを特徴とする複合イオン交換膜。
2. 低いイオン交換容量を有するイオン交換樹脂のイオン交換容量が、複合層に含浸されたイオン交換樹脂のイオン交換容量の２０％以上８０％以下であることを特徴とする、請求項１の範囲の複合イオン交換膜。
3. 該複合層の厚みが全膜厚の５％以上９５％以下であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の複合イオン交換膜。
4. 表面層のそれぞれの厚みが、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合イオン交換膜。
5. 支持体が、ポリベンザゾール系ポリマーからなる多孔質支持体膜であって、複合層に含浸されるイオン交換樹脂に、ポリアリーレンエーテル系共重合体が含まれることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の複合イオン交換膜。
6. 該表面層のイオン交換樹脂が、フッ素系イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の複合イオン交換膜。
7. フッ素樹脂系、ポリイミド樹脂系、アミド樹脂系、ポリオレフィン樹脂系から成る多孔質膜、またはポリエチレン繊維からなる不織布の少なくとも１種を支持体として使用されたことを特徴とする請求項１乃６のいずれかに記載の複合イオン交換膜。
8. 多孔質膜、繊維状補強材の少なくとも１種からなる支持体を使用した複合イオン交換膜の製造方法であって、該支持体へ主してイオン交換容量の高いポリアリーレン系共重合体からなるイオン交換樹脂を含浸させ複合層を得た後、フッ素系イオン交換樹脂を表面層に付与する事を特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の複合イオン交換膜の製造方法。
9. 該複合層を得た後、酸変換しスルホン化ポリアリーレンエーテル系共重合体とした後、フッ素系イオン交換樹脂を表面層に付与する事を特徴とする請求項６記載の複合イオン交換膜の製造方法。
10. 該複合層をフッ素系イオン交換樹脂に浸漬させ表面層を付与することを特徴とする請求項６に記載の複合イオン交換膜の製造方法。
11. 該複合層にフッ素系イオン交換樹脂を塗工し表面層を付与することを特徴とする請求項６に記載の複合イオン交換膜の製造方法。
12. 該複合層を得た後、イオン交換容量の低いポリアリーレンエーテル系共重合体からなるイオン交換樹脂を表面層に付与する事を特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の複合イオン交換膜の製造方法。
13. 該複合層にイオン交換容量の低いポリアリーレンエーテル系共重合体からなるイオン交換樹脂を塗工し表面層を付与することを特徴とする請求項１２に記載の複合イオン交換膜の製造方法。
14. 該複合層に表面層を付与した後、酸変換することを特徴とする請求項８至１３いずれかに記載の複合イオン交換膜の製造方法。