JP2006185849A - Solid polymer electrolyte film for fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents

Solid polymer electrolyte film for fuel cell and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer electrolyte film having excellent durability by suppressing the formation of pin holes in the solid polymer electrolyte film. <P>SOLUTION: In this solid polymer electrolyte film for a fuel cell, the distribution of the concentration of hydrophobic segments in the thickness direction of the solid polymer electrolyte film for the fuel cell is increased from its center toward both surfaces thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用固体高分子電解質膜に関し、より詳細には耐久性に優れる燃料電池用固体高分子電解質膜に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, and more particularly to a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell having excellent durability.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。燃料電池には、固体高分子型燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)などがある。なかでも、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動して高出力密度が得られることから、電気自動車用電源として期待されている。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and molten carbonate fuel cells (MCFC). )and so on. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature and obtains a high output density.

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的には、膜−電極接合体(以下、単に「MEA」とも記載する。)をセパレータで挟持した構造となっている。MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散層により挟持されてなるものである。   The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a membrane-electrode assembly (hereinafter also simply referred to as “MEA”) is sandwiched between separators. The MEA is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer.

電極触媒層は、固体高分子電解質と導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒との混合物により形成された多孔性のものである。また、ガス拡散層は、カーボンクロスなどのガス拡散基材表面にカーボン粒子および撥水剤などからなるカーボン撥水層が形成されてなるものが用いられている。   The electrode catalyst layer is a porous layer formed by a mixture of a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier. In addition, a gas diffusion layer is used in which a carbon water repellent layer composed of carbon particles, a water repellent and the like is formed on the surface of a gas diffusion base material such as carbon cloth.

固体高分子型燃料電池では、以下のような電気化学的反応が進行する。まず、アノード側電極触媒層に供給された燃料ガスに含まれる水素は、下記式(1)に示すように電極触媒により酸化されてプロトンおよび電子となる。次に、生成したプロトンは、アノード側電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらにアノード側電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、アノード側電極触媒層を構成している導電性材料、さらにアノード側電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子は、下記式(2)に示すように電極触媒によりカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。   In the polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction proceeds. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode-side electrode catalyst layer is oxidized by the electrode catalyst into protons and electrons as shown in the following formula (1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the anode-side electrode catalyst layer, and further through the solid polymer electrolyte membrane in contact with the anode-side electrode catalyst layer, and reach the cathode-side electrode catalyst layer. The electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include a conductive material constituting the anode-side electrode catalyst layer, and a gas diffusion layer in contact with a different side of the anode-side electrode catalyst layer from the solid polymer electrolyte membrane The cathode side electrode catalyst layer is reached through the separator and the external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side by the electrode catalyst as shown in the following formula (2) to generate water. In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.

Figure 2006185849
Figure 2006185849

固体高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性、および、電極に挟まれたセパレータとしての機能などを有することが求められる。   The solid polymer electrolyte membrane is required to have high proton conductivity and a function as a separator sandwiched between electrodes.

また、従来の固体高分子電解質膜は、電池の内部抵抗を小さくし、出力をより高くするという観点から、薄膜化が試みられている。しかしながら、薄膜化により固体高分子電解質膜自体の機械的強度が低下することに加え、固体高分子電解質膜の製造時にピンホールなどが発生し易くなる。ピンホールの発生は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの対極へのガスリークを招き、電池出力の低下につながる。   In addition, attempts have been made to reduce the thickness of conventional solid polymer electrolyte membranes from the viewpoint of reducing the internal resistance of the battery and increasing the output. However, in addition to the reduction in mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane itself due to the reduction in thickness, pinholes and the like are likely to occur during the production of the solid polymer electrolyte membrane. The occurrence of pinholes causes a gas leak to the counter electrode of fuel gas and oxidant gas, leading to a decrease in battery output.

そこで、特許文献1には、固体高分子電解質膜として、表面改質膜を含む複数の高分子膜を積層させてなるものが開示されている。表面改質膜は、具体的には、固体高分子電解質膜表面にイミド架橋処理、フッ素化処理などを行ったものが挙げられている。表面が改質処理されていることにより表面改質膜が強化され、膜厚が薄くても固体高分子電解質膜の機械的強度を向上させることが可能となり、ピンホール等の欠陥を生じることもなく、ガスリークを抑制することができる。
特開2003−272663号公報
Therefore, Patent Document 1 discloses a solid polymer electrolyte membrane in which a plurality of polymer membranes including a surface modified membrane are laminated. Specific examples of the surface modified membrane include those obtained by subjecting the surface of the solid polymer electrolyte membrane to imide crosslinking treatment, fluorination treatment, and the like. The surface modification film is strengthened by the surface modification treatment, and it becomes possible to improve the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane even if the film thickness is thin, and defects such as pinholes may be generated. In addition, gas leakage can be suppressed.
JP 2003-272663 A

固体高分子電解質膜のピンホールの発生機構としては、さらに、下記のものが挙げられる。すなわち、加湿されたガスが供給されることにより固体高分子電解質膜が湿潤されて膨潤している状態から、運転停止や負荷変化により加湿度合いの低いガスが供給された際に、電極触媒層に接する固体高分子電解質膜表面から水分が奪われて膜表面近傍のみが収縮する。このように、固体高分子電解質膜の表面と内部とで収縮が不均一であると引張応力により膜表面にひび割れが発生し易くなり、固体高分子電解質膜の湿潤/乾燥による膨潤/収縮の繰返しにより、ひび割れを起点としてピンホールが発生するのである。   Examples of the mechanism for generating pinholes in the solid polymer electrolyte membrane further include the following. That is, when a gas with low humidity is supplied due to operation stop or load change from a state in which the solid polymer electrolyte membrane is wetted and swollen by supplying a humidified gas, it is applied to the electrode catalyst layer. Moisture is deprived from the surface of the solid polymer electrolyte membrane in contact with it, and only the vicinity of the membrane surface contracts. Thus, if the shrinkage is not uniform between the surface and the inside of the solid polymer electrolyte membrane, cracks are likely to occur on the membrane surface due to tensile stress, and the swelling / shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane due to wetting / drying is repeated. As a result, a pinhole is generated starting from a crack.

特許文献1に記載される表面改質膜を複数積層させた固体高分子電解質膜では、燃料電池の運転初期の機械的強度は向上されている。しかしながら、自動車などに適用した場合に停止を含む過渡運転時において生じる上述したガス湿潤状態の変化の繰返しによって、固体高分子電解質膜の膨潤/収縮も繰返され、特許文献1による固体高分子電解質膜は機械的強度が徐々に低下してピンホールが発生するなど、十分な耐久性が得られていない恐れがあった。   In the solid polymer electrolyte membrane in which a plurality of surface-modified membranes described in Patent Document 1 are laminated, the mechanical strength at the initial stage of operation of the fuel cell is improved. However, the swelling / shrinking of the solid polymer electrolyte membrane is also repeated by repeating the above-described change in the gas wet state that occurs during transient operation including stopping when applied to an automobile or the like, and the solid polymer electrolyte membrane according to Patent Document 1 is repeated. However, there was a possibility that sufficient durability could not be obtained, such as pinholes due to a gradual decrease in mechanical strength.

本発明は、上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、固体高分子電解質膜のピンホールの発生を抑制することにより、耐久性に優れる固体高分子電解質膜を提供することにある。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and its object is to provide a solid polymer electrolyte membrane having excellent durability by suppressing the generation of pinholes in the solid polymer electrolyte membrane. It is to provide.

本発明は、燃料電池用固体高分子電解質膜であって、前記燃料電池用固体高分子電解質膜の厚さ方向における疎水性セグメントの濃度分布が、中心部から両表面に向かって高くなる燃料電池用固体高分子電解質膜により上記課題を解決する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the concentration distribution of hydrophobic segments in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell increases from the center toward both surfaces. The above-mentioned problems are solved by a solid polymer electrolyte membrane for use.

本発明によれば、ガス湿潤状態の変化による固体高分子電解質膜の収縮を、固体高分子電解質膜の内部と表面とで均一にさせることができる。これにより、固体高分子電解質膜の膨潤および収縮の繰り返しによる膜表面のひび割れおよびピンホールの発生を抑制することができ、耐久性に優れる固体高分子電解質膜を得ることができる。   According to the present invention, the shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane due to the change in the gas wet state can be made uniform between the inside and the surface of the solid polymer electrolyte membrane. As a result, the occurrence of cracks and pinholes on the membrane surface due to repeated swelling and shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed, and a solid polymer electrolyte membrane having excellent durability can be obtained.

前記固体高分子電解質膜を用いれば、長期に亘って安定した発電性能を示すことができる燃料電池を提供することが可能となる。   By using the solid polymer electrolyte membrane, it is possible to provide a fuel cell that can exhibit stable power generation performance over a long period of time.

本発明の第一は、燃料電池用固体高分子電解質膜であって、前記燃料電池用固体高分子電解質膜の厚さ方向における疎水性セグメントの濃度分布が、中心部から両表面に向かって高くなる燃料電池用固体高分子電解質膜(以下、単に「固体高分子電解質膜」とも記載する)である。   A first aspect of the present invention is a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the concentration distribution of the hydrophobic segment in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell is high from the center toward both surfaces. A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell (hereinafter also simply referred to as “solid polymer electrolyte membrane”).

本発明において、疎水性セグメントとは、第4級アンモニウム基、カルボキシル基、スルホン酸基、ホスホン酸基、リン酸基などの親水性官能基を骨格上に有さない原子団である。望ましくは、疎水性セグメントにおける親水性基の数は、疎水性セグメントを構成するモノマー単位1個あたり平均0.013個以下である。   In the present invention, the hydrophobic segment is an atomic group having no hydrophilic functional group such as a quaternary ammonium group, a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a phosphoric acid group on the skeleton. Desirably, the number of hydrophilic groups in the hydrophobic segment is an average of 0.013 or less per monomer unit constituting the hydrophobic segment.

疎水性セグメントは、フェニル基、アルキル基、アリル基等の疎水性の強い炭化水素基;アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等において炭素と結合している少なくとも1つの水素がフッ素で置換された疎水基;などを有しているものが望ましく挙げられる。疎水性セグメントにおいて、前記炭化水素基および/または前記疎水基は、同一のものが用いられていてもよく、異なるものであってもよい。なかでも、疎水性セグメントは、高い疎水性が得られることから、前記疎水基を有するのが好ましい。   The hydrophobic segment is a highly hydrophobic hydrocarbon group such as a phenyl group, an alkyl group, or an allyl group; at least one hydrogen bonded to carbon in the alkyl group, cycloalkyl group, aryl group, or the like is substituted with fluorine. Those having a hydrophobic group are desirable. In the hydrophobic segment, the hydrocarbon group and / or the hydrophobic group may be the same or different. Among them, the hydrophobic segment preferably has the hydrophobic group because high hydrophobicity is obtained.

また、前記疎水性セグメントに対して、親水性官能基を骨格上に有する原子団を、親水性セグメントとする。   Further, an atomic group having a hydrophilic functional group on the skeleton with respect to the hydrophobic segment is defined as a hydrophilic segment.

例えば、Nafion(登録商標)からなる固体高分子電解質膜において、疎水性セグメントとしては下記式(1)〜(3)などで示される原子団が挙げられ、   For example, in a polymer electrolyte membrane made of Nafion (registered trademark), examples of the hydrophobic segment include atomic groups represented by the following formulas (1) to (3),

Figure 2006185849
Figure 2006185849

親水性セグメントとしては、下記式(2)などで示される原子団が挙げられる。 Examples of the hydrophilic segment include an atomic group represented by the following formula (2).

Figure 2006185849
Figure 2006185849

図1に本発明の固体高分子電解質膜の模式図を示す。図1に示す固体高分子電解質膜100は、一方の面に疎水性セグメントを偏析させ、他方の面に親水性セグメントを偏析させた固体高分子電解質膜前駆体101を二枚用い、これらを疎水性セグメントが偏析した面を外側にして積層されてなるものである。なお、図1において、疎水性セグメントを単に「F」で示し、親水性セグメントを「SOH」で示しており、後述する図2および図3においても同様である。 FIG. 1 shows a schematic diagram of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention. The solid polymer electrolyte membrane 100 shown in FIG. 1 uses two solid polymer electrolyte membrane precursors 101 having a hydrophobic segment segregated on one surface and a hydrophilic segment segregated on the other surface. It is formed by laminating the segregated surface on the outer side. In FIG. 1, the hydrophobic segment is simply indicated by “F” and the hydrophilic segment is indicated by “SO 3 H”, and the same applies to FIGS. 2 and 3 described later.

本発明の固体高分子電解質膜は、図1に示すように、固体高分子電解質膜100の厚さ方向における疎水性セグメントの濃度分布が、中心部から両表面に向かって高くなり、膜表面の疎水性セグメント濃度が高くなることを特徴とするものである。   In the solid polymer electrolyte membrane of the present invention, as shown in FIG. 1, the concentration distribution of hydrophobic segments in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane 100 increases from the center toward both surfaces, and the membrane surface The hydrophobic segment concentration is high.

これにより固体高分子電解質膜表面の含水量を低減させ、ガスの湿潤状態の変化において固体高分子電解質膜の表面と内部とで収縮の違いを均一にさせることが可能となる。従って、ピンホールの起点となる固体高分子電解質膜表面のひび割れの発生を抑制することができるのである。   As a result, the water content on the surface of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced, and the difference in shrinkage between the surface and the inside of the solid polymer electrolyte membrane can be made uniform when the gas is wet. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks on the surface of the solid polymer electrolyte membrane that becomes the starting point of the pinhole.

さらに、固体高分子電解質膜表面の含水量が低減されることにより、ガスの湿潤状態の変化において膜表面から奪われる水分量を抑制することができ、膜全体の膨潤/収縮を大幅に抑制することも可能となる。   Furthermore, by reducing the water content on the surface of the solid polymer electrolyte membrane, it is possible to suppress the amount of water taken from the surface of the membrane when the gas is in a wet state, thereby greatly suppressing the swelling / shrinkage of the entire membrane. It is also possible.

従って、本発明によれば、ピンホールが発生し難くなり、耐久性に優れる固体高分子電解質膜を提供することが可能となる。   Therefore, according to the present invention, it becomes difficult to generate pinholes, and it is possible to provide a solid polymer electrolyte membrane having excellent durability.

本発明の固体高分子電解質膜の材質は、特に制限されず、従来公知のものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、ポリマー骨格の全部又は一部がフッ素化されたフッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質、または、ポリマー骨格にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質、などが挙げられる。   The material of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and any conventionally known material can be used without particular limitation. Specifically, the polymer skeleton is a fluorinated polymer in which all or a part of the polymer skeleton is fluorinated and has an ion exchange group, or a polymer polymer skeleton that does not contain fluorine. And solid polymer electrolytes having ion exchange groups.

前記イオン交換基としては、特に制限されないが、−SOH、−COOH、−PO(OH)、−POH(OH)、−SONHSO−、−Ph(OH)(Phはフェニル基を表す)等の陽イオン交換基、−NH、−NHR、−NRR’、−NRR’R’’、−NH 等(R、R’、R’’は、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表す)等の陰イオン交換基などが挙げられる。 Examples of the ion-exchange group is not particularly limited, -SO 3 H, -COOH, -PO (OH) 2, -POH (OH), - SO 2 NHSO 2 -, - Ph (OH) (Ph represents a phenyl group A cation exchange group such as —NH 2 , —NHR, —NRR ′, —NRR′R ″ + , —NH 3 + and the like (R, R ′, R ″ represent an alkyl group, cycloalkyl Anion exchange groups such as a group, an aryl group, and the like.

前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質として、具体的には、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン‐テトラフルオロエチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリフッ化ビニリデン−g−ポリスチレンスルホン酸系ポリマーなどが好適な一例として挙げられる。   Specific examples of solid polymer electrolytes that are fluorine-based polymers and have ion exchange groups include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Flemion (registered trademark). Perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Asahi Glass Co., Ltd., polytrifluorostyrene sulfonic acid polymers, perfluorocarbon phosphonic acid polymers, trifluorostyrene sulfonic acid polymers, ethylenetetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymers Suitable examples include polymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, polytetrafluoroethylene-g-polystyrene sulfonic acid polymers, and polyvinylidene fluoride-g-polystyrene sulfonic acid polymers.

前記炭化水素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質として、具体的には、ポリサルホンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルエーテルケトンスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルスルホン酸系ポリマー、ポリベンズイミダゾールアルキルホスホン酸系ポリマー、架橋ポリスチレンスルホン酸系ポリマー、ポリエーテルサルホンスルホン酸系ポリマー等が好適な一例として挙げられる。   Specific examples of the solid polymer electrolyte having the ion exchange group as the hydrocarbon polymer include polysulfone sulfonic acid polymer, polyether ether ketone sulfonic acid polymer, polybenzimidazole alkyl sulfonic acid polymer, Preferred examples include benzimidazole alkylphosphonic acid polymers, cross-linked polystyrene sulfonic acid polymers, polyethersulfone sulfonic acid polymers, and the like.

固体高分子電解質膜の材質は、高いイオン交換能を有し、化学的耐久性・力学的耐久性、などに優れることから、前記フッ素系ポリマーであってイオン交換基を備えた固体高分子電解質を用いるのが好ましく、なかでも、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)がより好ましい。   The material of the solid polymer electrolyte membrane has a high ion exchange ability, and is excellent in chemical durability and mechanical durability. Therefore, the solid polymer electrolyte having the ion exchange group is the above-mentioned fluorine-based polymer. Among them, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) are more preferable.

本発明の固体高分子電解質膜は、疎水性セグメントの濃度が、中心部から両表面にむかって高くなるように変化する濃度分布を有する。このとき、疎水性セグメントは、中心部から両表面にむかって、図1に示すように明確な境界線を持たずに漸増するように増加していてもよく、少なくとも二段階で段階的に増加してもよい。また、前記固体高分子電解質膜における中心部から両表面への濃度勾配の傾斜角度は、特に制限されず、耐久性など所望する特性を有する固体高分子電解質膜が得られるように適宜決定すればよい。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention has a concentration distribution that changes so that the concentration of the hydrophobic segment increases from the center toward both surfaces. At this time, the hydrophobic segment may increase from the central part to both surfaces so as to gradually increase without having a clear boundary line as shown in FIG. 1, and increases stepwise in at least two stages. May be. In addition, the inclination angle of the concentration gradient from the central portion to both surfaces in the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and may be appropriately determined so as to obtain a solid polymer electrolyte membrane having desired characteristics such as durability. Good.

前記固体高分子電解質膜の表面部における疎水性セグメントの含有量は、固体高分子電解質膜を構成する全セグメントに対して、好ましくは50〜99.99質量%、より好ましくは90〜99.99質量%とするのがよい。なお、前記固体高分子電解質膜の表面部とは、固体高分子電解質膜表面から深さ0.001〜1μm、好ましくは0.001〜0.01μmの部分をいう。   The content of the hydrophobic segment in the surface portion of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 50 to 99.99 mass%, more preferably 90 to 99.99, with respect to all segments constituting the solid polymer electrolyte membrane. It is good to set it as the mass%. The surface portion of the solid polymer electrolyte membrane refers to a portion having a depth of 0.001 to 1 μm, preferably 0.001 to 0.01 μm from the surface of the solid polymer electrolyte membrane.

前記含有量が、50質量%未満であると固体高分子電解質膜表面の含水量を十分に低減させることができずにひび割れなどが生じる恐れがあり、99.99質量%を超えると固体高分子電解質膜のプロトン伝導性などが低下する恐れがある。   If the content is less than 50% by mass, the water content on the surface of the solid polymer electrolyte membrane may not be sufficiently reduced, and cracks may occur, and if it exceeds 99.99% by mass, the solid polymer electrolyte The proton conductivity of the electrolyte membrane may be lowered.

また、前記固体高分子電解質膜の表面部における親水性セグメントの含有量は、固体高分子電解質膜を構成する全セグメントに対して、好ましくは50質量%以下、より好ましくは0.01質量%以下とするのがよい。   The content of the hydrophilic segment in the surface portion of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 50% by mass or less, more preferably 0.01% by mass or less, with respect to all segments constituting the solid polymer electrolyte membrane. It is good to do.

前記固体高分子電解質膜の中心部では、疎水性セグメントの含有量を、固体高分子電解質膜を構成する全セグメントに対して、好ましくは0.01〜50質量%、より好ましくは0.01〜10質量%とするのがよい。前記含有量が、0.01質量%未満であると中心部と表面部の膨潤率の差が大きくなり、欠陥などが発生する恐れがあり、50質量%を超えるとプロトン伝導性などが低下する恐れがある。なお、固体高分子電解質膜における前記中心部とは、疎水性セグメント濃度が最も低く、親水性セグメント濃度が高くなる部分である。   In the central part of the solid polymer electrolyte membrane, the content of the hydrophobic segment is preferably 0.01 to 50% by mass, more preferably 0.01 to 5%, based on all segments constituting the solid polymer electrolyte membrane. It is good to set it as 10 mass%. If the content is less than 0.01% by mass, the difference in the swelling ratio between the central part and the surface part becomes large, which may cause defects and the like, and if it exceeds 50% by mass, proton conductivity and the like decrease. There is a fear. The central portion of the solid polymer electrolyte membrane is a portion where the hydrophobic segment concentration is the lowest and the hydrophilic segment concentration is high.

前記中心部の厚さ、すなわち、固体高分子電解質膜内部で疎水性セグメントの含有量が上記範囲内となる厚さは、0.001〜20μm、好ましくは0.001〜1μm程度とするのがよい。   The thickness of the central portion, that is, the thickness in which the content of the hydrophobic segment within the solid polymer electrolyte membrane is within the above range is about 0.001 to 20 μm, preferably about 0.001 to 1 μm. Good.

前記固体高分子電解質膜の中心部における親水性セグメントの含有量は、固体高分子電解質膜を構成する全セグメントに対して、好ましくは50〜99.99質量%、より好ましくは90〜99.99質量%とするのがよい。前記含有量が、50質量%未満であるとプロトン伝導性などが低下する恐れがあり、99.99質量%を超えると中心部と表面部の膨潤率の差が大きくなり、欠陥などが発生する恐れがある。   The content of the hydrophilic segment at the center of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 50 to 99.99% by mass, more preferably 90 to 99.99, based on all segments constituting the solid polymer electrolyte membrane. It is good to set it as the mass%. If the content is less than 50% by mass, the proton conductivity may decrease, and if it exceeds 99.99% by mass, the difference in the swelling ratio between the central part and the surface part increases, and defects and the like are generated. There is a fear.

なお、固体高分子電解質膜における、疎水性セグメントおよび親水性セグメントの厚み方向の濃度勾配は、固体高分子電解質膜の断面を、電子線プローブ微小部分分析法(EPMA)、X線光電子分光法(XPS)などを用いた元素分析により測定することができる。   The concentration gradient in the thickness direction of the hydrophobic segment and the hydrophilic segment in the solid polymer electrolyte membrane is determined by measuring the cross-section of the solid polymer electrolyte membrane using electron probe micro-partial analysis (EPMA), X-ray photoelectron spectroscopy ( It can be measured by elemental analysis using XPS).

かような濃度勾配を有する固体高分子電解質膜は、図1に示すように、前記疎水性セグメントの濃度分布が厚さ方向に向かって高くなる少なくとも二枚の固体高分子電解質膜前駆体101を、前記疎水性セグメントの濃度が高い方の面を外側にして積層されてなるものであってもよい。   As shown in FIG. 1, the solid polymer electrolyte membrane having such a concentration gradient includes at least two solid polymer electrolyte membrane precursors 101 in which the concentration distribution of the hydrophobic segment increases in the thickness direction. , And may be laminated with the surface with the higher concentration of the hydrophobic segment facing outward.

また、得られる固体高分子電解質膜が疎水性セグメントの所望する濃度勾配を有するように、二枚の固体高分子電解質膜前駆体101の間に別の固体高分子電解質膜前駆体をさらに挟持したり、積層させた二枚の固体高分子電解質膜前駆体101の両側に別の固体高分子電解質膜前駆体を配置したりするなど、固体高分子電解質膜が複数の固体高分子電解質膜前駆体が積層されてなるものであってもよい。   Further, another solid polymer electrolyte membrane precursor is further sandwiched between the two solid polymer electrolyte membrane precursors 101 so that the obtained solid polymer electrolyte membrane has a desired concentration gradient of the hydrophobic segment. Or a solid polymer electrolyte membrane having a plurality of solid polymer electrolyte membrane precursors, such as disposing another solid polymer electrolyte membrane precursor on both sides of two laminated solid polymer electrolyte membrane precursors 101. May be laminated.

前記固体高分子電解質膜前駆体101の間に挟持される別の固体高分子電解質膜前駆体としては、特に制限されないが、前記高分子固体電解質膜前駆体101よりも疎水性が低いセグメント等を含有するものなどが挙げられる。また、積層させた二枚の固体高分子電解質膜前駆体101の両側に配置される別の固体高分子電解質膜前駆体としては、特に制限されないが、前記高分子固体電解質膜前駆体101よりも疎水性が高いセグメント等を含有するものなどが挙げられる。   Another solid polymer electrolyte membrane precursor sandwiched between the solid polymer electrolyte membrane precursors 101 is not particularly limited, but includes a segment having a lower hydrophobicity than the polymer solid electrolyte membrane precursor 101. What is contained is mentioned. Further, another solid polymer electrolyte membrane precursor disposed on both sides of the two laminated solid polymer electrolyte membrane precursors 101 is not particularly limited, but more than the polymer solid electrolyte membrane precursor 101. Examples include those containing segments with high hydrophobicity.

この時、得られる固体高分子電解質膜が厚さ方向に向かって疎水性セグメントの所定の濃度勾配を有していればよく、それぞれの固体高分子電解質膜前駆体を構成する固体高分子電解質の種類が異なっていてもよく、同一のものが用いられていてもよい。   At this time, it is only necessary that the obtained solid polymer electrolyte membrane has a predetermined concentration gradient of the hydrophobic segment in the thickness direction, and the solid polymer electrolytes constituting the respective solid polymer electrolyte membrane precursors The types may be different and the same may be used.

本発明の固体高分子電解質膜の厚さは、得られる固体高分子電解質膜のプロトン伝導性、機械的強度などを考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜200μm、特に好ましくは15〜150μmとするのがよい。製膜時の強度や耐久性の観点から5μm以上であることが好ましく、プロトン伝導性の観点から300μm以下であることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane of the present invention may be appropriately determined in consideration of proton conductivity, mechanical strength, etc. of the obtained solid polymer electrolyte membrane, preferably 5 to 300 μm, more preferably 10 It is good to set it as -200 micrometers, Most preferably, it is 15-150 micrometers. From the viewpoint of strength and durability during film formation, the thickness is preferably 5 μm or more, and from the viewpoint of proton conductivity, it is preferably 300 μm or less.

本発明の第二は、上述した本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いた燃料電池用MEA(以下、単に「MEA」とも記載する)である。   A second aspect of the present invention is a fuel cell MEA (hereinafter also simply referred to as “MEA”) using the above-described first solid polymer electrolyte membrane of the present invention.

MEAの構成としては、固体高分子電解質膜の両側に、アノード側電極触媒層およびアノード側ガス拡散層を有するアノード側ガス拡散電極と、カソード側電極触媒層およびカソード側ガス拡散層を有するカソード側ガス拡散電極とが、それぞれ対向して配置された構成など、従来公知のものであれば特に制限されない。   The structure of the MEA includes an anode side gas diffusion electrode having an anode side electrode catalyst layer and an anode side gas diffusion layer on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode side having a cathode side electrode catalyst layer and a cathode side gas diffusion layer. The gas diffusion electrode is not particularly limited as long as it is a conventionally known one such as a configuration in which the gas diffusion electrodes are arranged to face each other.

本発明のMEAは、固体高分子電解質膜として、本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とするものである。本発明の第一の固体高分子電解質膜は、膜表面に疎水性セグメントが偏析された構成を有することにより、膜表面の含水量が低減され、ガスの湿潤状態の変化による固体高分子電解質膜の表面と内部とで収縮の違いを均一にさせることが可能となる。さらに、固体高分子電解質膜の疎水性セグメントが偏析された面と電極触媒層とを隣接させて配置させることにより、MEAが乾燥し易い環境においても電極触媒層が固体高分子電解質膜から水分を奪うことを防止することができる。これにより、固体高分子電解質膜の膨潤/収縮を抑制することができ、固体高分子電解質膜のひび割れによるピンホールの発生を大幅に抑制することが可能となり、耐久性に優れるMEAとすることが可能となる。   The MEA of the present invention is characterized in that the first solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used as the solid polymer electrolyte membrane. The first solid polymer electrolyte membrane of the present invention has a structure in which hydrophobic segments are segregated on the membrane surface, so that the moisture content on the membrane surface is reduced and the solid polymer electrolyte membrane due to a change in the wet state of the gas It is possible to make the difference in shrinkage uniform between the surface and the inside. Furthermore, by arranging the surface where the hydrophobic segment of the solid polymer electrolyte membrane is segregated and the electrode catalyst layer adjacent to each other, the electrode catalyst layer can remove moisture from the solid polymer electrolyte membrane even in an environment where the MEA is easily dried. It can be prevented from taking away. As a result, swelling / shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane can be suppressed, generation of pinholes due to cracks in the solid polymer electrolyte membrane can be significantly suppressed, and an MEA having excellent durability can be obtained. It becomes possible.

本発明のMEAは、本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とするものである。従って、MEAの構成は、本発明の第一の固体高分子電解質膜を用いる以外は、特に限定されることはなく従来公知の各種技術を適宜参照すればよい。従って、アノードおよびカソードにおける電極触媒層およびガス拡散層に関する詳細な説明はここでは省略する。   The MEA of the present invention is characterized by using the first solid polymer electrolyte membrane of the present invention. Therefore, the structure of the MEA is not particularly limited except that the first solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used, and various conventionally known techniques may be referred to as appropriate. Therefore, the detailed description regarding the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer in the anode and the cathode is omitted here.

本発明の第三は、上述した本発明の第二のMEAを用いた燃料電池である。上述した本発明のMEAによれば、優れた発電性能を長期に亘って発揮することができる燃料電池を提供することが可能となる。   A third aspect of the present invention is a fuel cell using the above-described second MEA of the present invention. According to the above-described MEA of the present invention, it is possible to provide a fuel cell that can exhibit excellent power generation performance over a long period of time.

燃料電池の種類としては、所望する電池特性が得られるのであれば特に限定されないが、実用性・安全性などの観点から固体高分子型燃料電池(PEFC)として用いるのが好ましい。これにより、移動体用電源、定置用電源として信頼性の高い燃料電池が得られる。   The type of fuel cell is not particularly limited as long as desired cell characteristics can be obtained, but it is preferably used as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) from the viewpoints of practicality and safety. Thereby, a highly reliable fuel cell can be obtained as a power source for moving bodies and a stationary power source.

燃料電池の構造は、特に限定されず、MEAをセパレータなどで挟持した構造などが挙げられる。   The structure of the fuel cell is not particularly limited, and examples thereof include a structure in which MEA is sandwiched between separators.

セパレータは、空気と燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、従来一般的なものであれば特に制限なく用いることができる。前記セパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものを特に制限なく用いることができる。また、空気と燃料ガスの流路を確保するためにガス流通溝が形成されてもよく、従来公知の技術を適宜利用することができる。セパレータの形状は、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。   The separator has a function of separating air and fuel gas, and any conventional separator can be used without particular limitation. As the separator, conventionally known separators such as those made of carbon such as dense carbon graphite and a carbon plate and those made of metal such as stainless steel can be used without particular limitation. Moreover, in order to ensure the flow path of air and fuel gas, a gas distribution groove | channel may be formed and a conventionally well-known technique can be utilized suitably. The shape of the separator is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the output characteristics of the obtained fuel cell.

さらに、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介してMEAを複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a stack in which a plurality of MEAs are stacked via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can obtain a desired voltage or the like. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本発明の第四は、本発明の第一の固体高分子電解質膜の製造方法である。すなわち、固体高分子電解質溶液を疎水性の支持体上に塗布および乾燥させることにより固体高分子電解質膜前駆体を作製する工程と、少なくとも2枚の前記固体高分子電解質膜前駆体を前記疎水性の支持体と接している面を外側にして積層する工程と、を含む燃料電池用固体高分子電解質膜の製造方法である。   4th of this invention is a manufacturing method of the 1st solid polymer electrolyte membrane of this invention. That is, a step of producing a solid polymer electrolyte membrane precursor by coating and drying a solid polymer electrolyte solution on a hydrophobic support, and at least two sheets of the solid polymer electrolyte membrane precursor And a step of laminating the surface in contact with the support on the outside, and a method for producing a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

まず、固体高分子電解質溶液を疎水性の支持体上に塗布および乾燥させることにより固体高分子電解質膜前駆体を作製する工程について説明する。前記工程において、固体高分子電解質膜前駆体は、固体高分子電解質溶液を用いた溶液キャスト法を用いて作製するのが好ましい。   First, a process for producing a solid polymer electrolyte membrane precursor by applying and drying a solid polymer electrolyte solution on a hydrophobic support will be described. In the above step, the solid polymer electrolyte membrane precursor is preferably prepared by a solution casting method using a solid polymer electrolyte solution.

前記固体高分子電解質溶液とは、固体高分子電解質を含む溶液のことであり、固体高分子電解質を通常は溶媒に溶解させることにより得られる。前記固体高分子電解質としては、本発明の第一において固体高分子電解質膜の材質として列挙したものと同様のものを用いればよい。   The solid polymer electrolyte solution is a solution containing a solid polymer electrolyte, and is usually obtained by dissolving the solid polymer electrolyte in a solvent. As the solid polymer electrolyte, the same materials as those listed as materials for the solid polymer electrolyte membrane in the first aspect of the present invention may be used.

前記固体高分子電解質溶液に用いられる溶媒としては、前記固体高分子電解質を溶解することが可能であり、その後に除去し得るものであれば特に制限なく用いることができる。具体的には、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒、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媒、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピ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メチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテルが好適に用いられる。これらは単独で用いることもできるが、必要に応じて2種以上の溶媒を混合して用いることもできる。   As the solvent used in the solid polymer electrolyte solution, any solvent can be used without particular limitation as long as it can dissolve the solid polymer electrolyte and can be removed thereafter. Specifically, aprotic polar solvents such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethyl sulfoxide, dichloromethane, chloroform, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, di- Chlorinated solvents such as chlorobenzene, alcohols such as methanol, ethanol, propanol and isopropyl alcohol, and alkylene glycol monoalkyl ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monomethyl ether and propylene glycol monoethyl ether are suitable. Used for. These can be used singly, but two or more solvents can be mixed and used as necessary.

前記固体高分子電解質溶液において、固体高分子電解質の濃度が高すぎると得られる溶液の粘度が高くなり所望する疎水性セグメントの濃度勾配を有する固体高分子電解質膜が得られない恐れがあり、固体高分子電解質の濃度が低すぎると得られる固体高分子電解質膜のプロトン伝導性、機械的強度などが低下する恐れがある。従って、前記固体高分子電解質溶液における固体高分子電解質の濃度は、1〜20質量%、好ましくは5〜10質量%程度とするのがよい。   In the solid polymer electrolyte solution, if the concentration of the solid polymer electrolyte is too high, the resulting solution has a high viscosity, and there is a possibility that a solid polymer electrolyte membrane having a desired concentration gradient of hydrophobic segments may not be obtained. If the concentration of the polymer electrolyte is too low, the proton conductivity, mechanical strength, etc. of the obtained solid polymer electrolyte membrane may be lowered. Therefore, the concentration of the solid polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte solution is 1 to 20% by mass, preferably about 5 to 10% by mass.

前記固体高分子電解質溶液には、必要に応じて、通常使用される可塑剤、安定剤、酸化防止剤、相溶化剤などの添加剤が、疎水性セグメントの濃度勾配の形成などを妨げない範囲で含まれていてもよい。   The solid polymer electrolyte solution has a range in which additives such as plasticizers, stabilizers, antioxidants, and compatibilizers that are usually used do not interfere with the formation of a concentration gradient of the hydrophobic segment, if necessary. May be included.

本発明の方法において、所望する疎水性セグメントの濃度勾配を有する固体高分子電解質膜を作製するには、前記固体高分子電解質溶液を塗布する支持体として、疎水性の支持体を用いる。   In the method of the present invention, in order to produce a solid polymer electrolyte membrane having a desired concentration gradient of hydrophobic segments, a hydrophobic support is used as a support on which the solid polymer electrolyte solution is applied.

前記疎水性を有する支持体上に固体高分子電解質溶液を塗布することにより、支持体側に疎水性セグメントを偏析させることが可能となる。すなわち、図2に模式的に示すように、疎水性を有する支持体210上に、流延塗布された固体高分子電解質溶液201において、固体高分子電解質に含まれる得る疎水性セグメント(F)が親和作用により支持体210側に偏析するとともに、これと相対的に親水性セグメント(SOH)が支持体210と反対側に偏析させることができるのである。 By applying the solid polymer electrolyte solution on the hydrophobic support, it is possible to segregate the hydrophobic segment on the support side. That is, as schematically shown in FIG. 2, the hydrophobic segment (F) that can be contained in the solid polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte solution 201 cast and applied on the hydrophobic support 210. In addition to segregation on the support 210 side due to the affinity action, the hydrophilic segment (SO 3 H) can be segregated on the opposite side of the support 210 relative to the segregation.

前記疎水性を有する支持体とは、少なくとも固体高分子電解質溶液が塗布される面が疎水性を有する支持体のことであり、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素樹脂製の支持体、ウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、マレイン酸樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ノルボルネン樹脂などの支持体などが挙げられる。また、前記支持体としては、ガラス板、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム、ステンレス板、ステンレスベルト、シリコンウエハ等の従来一般的に用いられている支持体表面に、前記フッ素樹脂がコーティングされているものも用いてもよい。   The hydrophobic support is a support in which at least the surface to which the solid polymer electrolyte solution is applied is hydrophobic. Specifically, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride ( PVDF), polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) and other fluororesin support, urethane resin, polystyrene resin, epoxy resin, acrylic resin, vinyl ester resin, maleic acid resin, Examples of the support include urea resin, melamine resin, and norbornene resin. In addition, as the support, a surface of a support generally used such as a glass plate, a PET (polyethylene terephthalate) film, a stainless steel plate, a stainless steel belt, or a silicon wafer is coated with the fluororesin. May also be used.

前記疎水性を有する支持体上に、固体高分子電解質溶液を塗布する方法としては、スプレー法を用いても良いが、バーコーター法やスピンコーター法を用いると均一な層ができるためこれらの方法が好ましい。   As a method of applying the solid polymer electrolyte solution onto the hydrophobic support, a spray method may be used, but these methods can be obtained because a uniform layer can be formed by using a bar coater method or a spin coater method. Is preferred.

この時、疎水性セグメントの偏析状態を所望の状態に調整するには、特に制限されないが、疎水性セグメントの偏析させる際に静止した状態で行うなどするのが望ましい。   At this time, the segregation state of the hydrophobic segment is not particularly limited, but it is preferable to perform the segregation of the hydrophobic segment in a stationary state.

前記疎水性を有する支持体上に固体高分子電解質溶液を塗布した後、乾燥させて溶媒を除去することにより、固体高分子電解質膜前駆体を得る。乾燥温度は、溶媒を除去し製膜できれば特に制限されないが、通常は、溶媒の融点以上、溶媒の沸点未満であればよい。乾燥を行う際の湿度は、大気圧の相対湿度以下である。また、乾燥時の雰囲気は、特に制限されないが、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気が好ましく用いられる。   After applying a solid polymer electrolyte solution on the hydrophobic support, the solid polymer electrolyte membrane precursor is obtained by drying to remove the solvent. The drying temperature is not particularly limited as long as the solvent can be removed to form a film, but it is usually sufficient if it is not lower than the melting point of the solvent and lower than the boiling point of the solvent. The humidity at the time of drying is below the relative humidity of atmospheric pressure. Moreover, the atmosphere at the time of drying is not particularly limited, but an inert gas atmosphere such as nitrogen, argon or helium is preferably used.

次に、本発明の方法において、上述の通りにして一方の面に疎水性セグメントが偏析した固体高分子電解質膜前駆体を作製した後は、前記固体高分子電解質膜前駆体を少なくとも2枚用いて、これらを前記疎水性の支持体と接している面を外側にして積層する。その後、前記疎水性の支持体を剥がすことにより、図1に模式的に示すように、固体高分子電解質膜の厚さ方向における疎水性セグメントの濃度分布が、中心部から両表面に向かって向上する固体高分子電解質膜が得られるのである。   Next, in the method of the present invention, after preparing a solid polymer electrolyte membrane precursor having a hydrophobic segment segregated on one surface as described above, at least two of the solid polymer electrolyte membrane precursors were used. These are laminated with the surface in contact with the hydrophobic support facing outside. Thereafter, by removing the hydrophobic support, the concentration distribution of the hydrophobic segment in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane is improved from the center toward both surfaces as schematically shown in FIG. Thus, a solid polymer electrolyte membrane is obtained.

なお、前記疎水性の支持体から剥がした後に、前記疎水性の支持体と接していた面を外側にして前記固体高分子電解質膜前駆体を積層させてもよい。   In addition, after peeling off from the hydrophobic support, the solid polymer electrolyte membrane precursor may be laminated with the surface in contact with the hydrophobic support facing outside.

前記固体高分子電解質膜前駆体を積層する際に、得られる固体高分子電解質膜が所望の疎水性セグメントの濃度勾配を有するように、前記固体高分子電解質膜前駆体の間に、さらに別の固体高分子電解質膜前駆体を挟持したり、積層させた二枚の固体高分子電解質膜前駆体の両側に別の固体高分子電解質膜前駆体を配置したりするなどしてもよい。   When laminating the solid polymer electrolyte membrane precursor, another solid polymer electrolyte membrane precursor is further interposed between the solid polymer electrolyte membrane precursors so that the obtained solid polymer electrolyte membrane has a desired hydrophobic segment concentration gradient. A solid polymer electrolyte membrane precursor may be sandwiched, or another solid polymer electrolyte membrane precursor may be disposed on both sides of two laminated solid polymer electrolyte membrane precursors.

前記固体高分子電解質膜前駆体の間に挟持される別の固体高分子電解質膜前駆体としては、特に制限されないが、前記高分子固体電解質膜前駆体101よりも疎水性が低いセグメント等を含有するものなどが挙げられる。また、積層させた二枚の固体高分子電解質膜前駆体の両側に配置される別の固体高分子電解質膜前駆体としては、特に制限されないが、前記高分子固体電解質膜前駆体101よりも疎水性が高いセグメント等を含有するものなどが挙げられる。   Another solid polymer electrolyte membrane precursor sandwiched between the solid polymer electrolyte membrane precursors is not particularly limited, but includes a segment having a lower hydrophobicity than the polymer solid electrolyte membrane precursor 101 And what to do. Further, another solid polymer electrolyte membrane precursor disposed on both sides of the two laminated polymer electrolyte membrane precursors is not particularly limited, but is more hydrophobic than the polymer solid electrolyte membrane precursor 101. And those containing segments having high properties.

本発明の方法において、固体高分子電解質膜前駆体を積層させた後、ホットプレスなどを行うのが好ましく、これにより各固体高分子電解質膜前駆体の接合性を向上させることができる。前記ホットプレスは、特に制限されないが、好ましくは110〜170℃で、1〜5MPaのプレス圧力で、3〜10分、行うのがよい。   In the method of the present invention, it is preferable to perform hot pressing after laminating the solid polymer electrolyte membrane precursors, whereby the bondability of each solid polymer electrolyte membrane precursor can be improved. The hot pressing is not particularly limited, but is preferably performed at 110 to 170 ° C. and a pressing pressure of 1 to 5 MPa for 3 to 10 minutes.

また、ホットプレスする時期は、特に制限されず、固体高分子電解質膜前駆体を積層させた直後に行ってもよく、固体高分子電解質膜前駆体を積層させて、これを用いてMEAを作製した後に行ってもよい。   The time for hot pressing is not particularly limited, and may be performed immediately after the solid polymer electrolyte membrane precursor is laminated. The MEA is produced by laminating the solid polymer electrolyte membrane precursor. You may go after.

上述した本発明の固体高分子電解質膜の製造方法では、固体高分子電解質膜前駆体を作製する際に疎水性の支持体を用いた方法であった。しかしながら、本発明の方法は、上記方法に限定されず、固体高分子電解質膜前駆体を作製する際に、親水性の支持体を用いた方法も好ましく用いられる。   In the above-described method for producing a solid polymer electrolyte membrane of the present invention, a hydrophobic support was used when producing the solid polymer electrolyte membrane precursor. However, the method of the present invention is not limited to the above method, and a method using a hydrophilic support is also preferably used when producing the solid polymer electrolyte membrane precursor.

すなわち、本発明の第五は、固体高分子電解質溶液を親水性の支持体上に塗布および乾燥させることにより固体高分子電解質膜前駆体を作製する工程と、前記親水性の支持体から前記固体高分子電解質膜前駆体を剥離した後、少なくとも2枚の前記固体高分子電解質膜前駆体を前記親水性の支持体と接していた面を内側にして積層する工程と、を含む固体高分子電解質膜の製造方法である。   That is, the fifth of the present invention is a step of producing a solid polymer electrolyte membrane precursor by applying and drying a solid polymer electrolyte solution on a hydrophilic support, and the solid support from the hydrophilic support. And after laminating the polymer electrolyte membrane precursor, laminating at least two of the solid polymer electrolyte membrane precursors with the surface in contact with the hydrophilic support inside, the solid polymer electrolyte comprising It is a manufacturing method of a film | membrane.

まず、固体高分子電解質溶液を親水性の支持体上に塗布および乾燥させることにより固体高分子電解質膜前駆体を作製する工程について説明する。前記工程において、支持体として疎水性の支持体に代わって親水性の支持体を用いる以外は、上述した本発明の第四の方法と同様にして行うことができる。従って、以下では、親水性の支持体のみについて説明する。   First, a process for producing a solid polymer electrolyte membrane precursor by applying and drying a solid polymer electrolyte solution on a hydrophilic support will be described. In the said process, it can carry out similarly to the 4th method of this invention mentioned above except using a hydrophilic support instead of a hydrophobic support as a support. Accordingly, only the hydrophilic support will be described below.

前記親水性の支持体上に固体高分子電解質溶液を流延塗布することにより、支持体側に親水性セグメントを偏析させることが可能となる。すなわち、図3に模式的に示すように、親水性の支持体310上に、流延塗布された固体高分子電解質溶液301において、固体高分子電解質に含まれる得る親水性セグメント(SOH)が親和作用により支持体310側に偏析するとともに、これと相対的に疎水性セグメント(F)を支持体310と反対側に偏析させることができるのである。 By casting the solid polymer electrolyte solution on the hydrophilic support, the hydrophilic segment can be segregated on the support side. That is, as schematically shown in FIG. 3, the hydrophilic segment (SO 3 H) that can be contained in the solid polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte solution 301 cast on the hydrophilic support 310. Is segregated to the support 310 side by the affinity action, and the hydrophobic segment (F) can be segregated to the opposite side of the support 310 relative to the segregation.

前記親水性の支持体とは、少なくとも固体高分子電解質溶液が塗布される面が親水性を有する支持体であり、具体的には、第4級アンモニウム基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、水酸基、フェノール基などの親水性官能基を有する親水性樹脂製の支持体が挙げられる。   The hydrophilic support is a support having hydrophilicity on at least the surface to which the solid polymer electrolyte solution is applied. Specifically, the quaternary ammonium group, carboxyl group, sulfonic acid group, phosphoric acid is used. And a support made of a hydrophilic resin having a hydrophilic functional group such as a group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, and a phenol group.

前記親水性樹脂製の支持体として、具体的には、本発明の第一において固体高分子電解質膜の材質として列挙した固体高分子電解質、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリル酸、ポリメチルメタクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニル安息香酸、ポリビニル安息香酸ナトリウム、ポリ(2−ヒドロキシエチル)アクリレート、ポリ−N−ビニルピロリドン、ポリ−N−ビニルアセトアミド、などの親水性高分子からなるものが挙げられる。   As the support made of the hydrophilic resin, specifically, the solid polymer electrolyte listed as the material of the solid polymer electrolyte membrane in the first of the present invention, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, sodium polymethyl methacrylate, Containing hydrophilic polymers such as polyacrylic acid, sodium polyacrylate, polyvinylbenzoic acid, sodium polyvinylbenzoate, poly (2-hydroxyethyl) acrylate, poly-N-vinylpyrrolidone, poly-N-vinylacetamide Is mentioned.

また、前記親水性樹脂製の支持体としては、前記親水性の構成単位を含む共重合体からなるものも好適に用いられる。前記共重合体に使用可能なモノマーとしては、エチレン、プロピレン、メチルビニルエーテル、スチレン、酢酸ビニル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリロニトリルなどのαーオレフィン、ビニル化合物、ビニリデン化合物などが挙げられる。また、これらのビニル系ポリマーの他にポリエチレンオキサイド、などのポリアルキレン基を含む重合体、またデンプン−アクリル酸系グラフト重合体、カルボキシル化メチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、アラビヤガム、コラーゲンなどの天然の親水性高分子化合物からなるものであってもよい。   In addition, as the support made of the hydrophilic resin, a support made of a copolymer containing the hydrophilic structural unit is also preferably used. Examples of monomers that can be used in the copolymer include α-olefins such as ethylene, propylene, methyl vinyl ether, styrene, vinyl acetate, acrylic acid ester, methacrylic acid ester, and acrylonitrile, vinyl compounds, and vinylidene compounds. In addition to these vinyl polymers, polymers containing polyalkylene groups such as polyethylene oxide, starch-acrylic acid graft polymers, carboxylated methylcellulose, sodium alginate, arabic gum, collagen, etc. It may consist of molecular compounds.

また、前記親水性を有する支持体として、ガラス板、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム、ステンレス板、ステンレスベルト、シリコンウエハ等の従来一般的に用いられている支持体表面に、上記した高分子膜などが形成されてなるものであってもよい。   Further, as the above-mentioned hydrophilic support, the above-described polymer film or the like on the surface of a conventionally used support such as a glass plate, a PET (polyethylene terephthalate) film, a stainless steel plate, a stainless steel belt, or a silicon wafer. May be formed.

親水性官能基を有する高分子膜を用いた場合、支持体における親水性官能基の表面被覆率が、好ましくは50〜100%、より好ましくは90〜100%となるようにするのがよい。前記含有量が、50%未満であると固体高分子電解質膜において所望する疎水性セグメントの濃度勾配を形成できない恐れがある。   When a polymer film having a hydrophilic functional group is used, the surface coverage of the hydrophilic functional group on the support is preferably 50 to 100%, more preferably 90 to 100%. If the content is less than 50%, a desired concentration gradient of the hydrophobic segment in the solid polymer electrolyte membrane may not be formed.

上述の通りにして一方の面に親水性セグメントが偏析した固体高分子電解質膜前駆体を作製した後は、前記親水性の支持体から前記固体高分子電解質膜前駆体を剥離した後、前記固体高分子電解質膜前駆体を少なくとも2枚用いて、これらを前記親水性の支持体と接していた面を内側にして積層する。   After producing the solid polymer electrolyte membrane precursor having a hydrophilic segment segregated on one side as described above, the solid polymer electrolyte membrane precursor was peeled from the hydrophilic support, and then the solid At least two polymer electrolyte membrane precursors are used and laminated with the surface in contact with the hydrophilic support inside.

これにより、図1に模式的に示すように、固体高分子電解質膜の厚さ方向における疎水性セグメントの濃度分布が、中心部から両表面に向かって向上する固体高分子電解質膜が得られるのである。   As a result, as schematically shown in FIG. 1, a solid polymer electrolyte membrane is obtained in which the concentration distribution of hydrophobic segments in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane is improved from the center toward both surfaces. is there.

前記親水性の支持体から前記固体高分子電解質膜前駆体を剥離するには、従来の溶液キャスト法等において用いられている方法であれば特に制限なく用いられ、例えば、スパチュラ、ピンセット、針などを用いて剥離することができる。   In order to peel off the solid polymer electrolyte membrane precursor from the hydrophilic support, any method used in the conventional solution casting method can be used without particular limitation. For example, a spatula, tweezers, a needle, etc. It can peel using.

得られた前記固体高分子電解質膜前駆体を積層するには、前記親水性の支持体と接していた面を内側にする以外は、疎水性の支持体を用いた本発明の第四の方法と同様にして行えばよい。   To laminate the obtained solid polymer electrolyte membrane precursor, the fourth method of the present invention using a hydrophobic support, except that the surface in contact with the hydrophilic support is inside. You can do it in the same way.

なお、本発明の固体高分子電解質膜は、上述した方法により、親水性の支持体を用いて作製した固体高分子電解質膜前駆体と、疎水性の支持体を用いて作製した固体高分子電解質膜前駆体とを積層させることにより製造してもよい。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is obtained by the above-described method using a solid polymer electrolyte membrane precursor produced using a hydrophilic support and a solid polymer electrolyte produced using a hydrophobic support. You may manufacture by laminating | stacking a film | membrane precursor.

以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明する。なお、本発明が下記実施例に限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.

<実施例1>
固体高分子電解質溶液としてNafion溶液(登録商標 DuPont社製 DE520、Nafion含量5wt%)を、支持体としてPTFE製シート(ニチアス社製ナフロンシート)上に流延塗布し、大気雰囲気下、25℃で24時間かけて溶媒を除去し、固体高分子電解質膜前駆体1(厚さ25μm、面積10cm×10cm)を作製した。
<Example 1>
A Nafion solution (registered trademark: DuPont DE520, Nafion content: 5 wt%) as a solid polymer electrolyte solution was cast on a PTFE sheet (Nitrous Naflon sheet) as a support, and the atmosphere was 25 ° C. in an air atmosphere. The solvent was removed over 24 hours to prepare a solid polymer electrolyte membrane precursor 1 (thickness 25 μm, area 10 cm × 10 cm).

前記固体高分子電解質膜前駆体1を二枚用い、PTFE製シートと接していた面を外側にして積層させ、3MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスした後にPTFE製シートを剥がすことにより、固体高分子電解質膜1を得た。   By using two sheets of the solid polymer electrolyte membrane precursor 1 and laminating with the surface in contact with the PTFE sheet facing outside, and hot-pressing at 130 ° C. for 10 minutes at a pressure of 3 MPa, and then peeling the PTFE sheet A solid polymer electrolyte membrane 1 was obtained.

<実施例2>
固体高分子電解質溶液としてNafion溶液(登録商標 DuPont社製 DE520、Nafion含量5wt%)を、支持体として親水化処理シリコンウエハ上に流延塗布し、大気中、25℃で24時間かけて溶媒を除去し、固体高分子電解質膜前駆体2(厚さ25μm、面積10cm×10cm)を作製した。
<Example 2>
As a solid polymer electrolyte solution, Nafion solution (registered trademark: DuPont DE520, Nafion content: 5 wt%) was cast on a hydrophilized silicon wafer as a support, and the solvent was used in the atmosphere at 25 ° C. for 24 hours. The solid polymer electrolyte membrane precursor 2 (thickness 25 μm, area 10 cm × 10 cm) was produced.

なお、前記支持体は、シリコン基板を過酸化水素水:濃硫酸(質量比)=3:7の混合溶液を熱したものに浸漬することにより作製した。前記支持体における親水性官能基である水酸基の表面被覆率は80%であった。   In addition, the said support body was produced by immersing a silicon substrate in what heated the mixed solution of hydrogen peroxide solution: concentrated sulfuric acid (mass ratio) = 3: 7. The surface coverage of the hydroxyl group, which is a hydrophilic functional group, in the support was 80%.

前記固体高分子電解質膜前駆体2をピンセットにより支持体から剥離した後、前記固体高分子電解質膜前駆体2を二枚用い、支持体と接していた面を内側にして積層させることにより、固体高分子電解質膜2を得た。   After the solid polymer electrolyte membrane precursor 2 is peeled from the support with tweezers, two solid polymer electrolyte membrane precursors 2 are used and laminated with the surface in contact with the support facing inward. A polymer electrolyte membrane 2 was obtained.

<比較例1>
Nafion(登録商標)/イソプロピルアルコール溶液(デュポン社製、Nafion5wt%含有)をイソプロピルアルコールにより濃度5wt%に調整した固体高分子電解質溶液を、支持体としてPETフィルムに流延塗布し、大気中、25℃で24時間かけて溶媒を除去し、固体高分子電解質膜1’(厚さ100μm、面積10cm×10cm)を作製した。
<Comparative Example 1>
A solid polymer electrolyte solution prepared by adjusting Nafion (registered trademark) / isopropyl alcohol solution (manufactured by DuPont, containing 5% by weight of Nafion) to a concentration of 5% by weight with isopropyl alcohol was cast and applied to a PET film as a support. The solvent was removed at 24 ° C. for 24 hours to produce a solid polymer electrolyte membrane 1 ′ (thickness 100 μm, area 10 cm × 10 cm).

<評価>
上記実施例1〜2および比較例1で作製した固体高分子電解質膜の評価は、各固体高分子電解質膜を用いて評価用単セルを作製し、これらの耐久性を測定することにより行った。
<Evaluation>
Evaluation of the solid polymer electrolyte membrane produced in the said Examples 1-2 and the comparative example 1 was performed by producing the single cell for evaluation using each solid polymer electrolyte membrane, and measuring these durability. .

(1)評価用単セルの作製
厚さ270μmのカーボンペーパー(東レ株式会社製 TGP−H−090)を、100cm×100cmに打ち抜き、PTFE分散液(ダイキン工業社製ポリフロンD−1E、60wt%)に浸漬させた後、オーブン内にて80℃、1時間乾燥させることにより、カーボンペーパー中にPTFEを分散させた。このとき、PTFE含有量は25wt%であった。これにより撥水処理されてなるガス拡散層を得た。
(1) Production of single cell for evaluation A carbon paper having a thickness of 270 μm (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc.) was punched into 100 cm × 100 cm, and a PTFE dispersion (polyflon D-1E manufactured by Daikin Industries, 60 wt%) Then, PTFE was dispersed in the carbon paper by drying in an oven at 80 ° C. for 1 hour. At this time, the PTFE content was 25 wt%. As a result, a gas diffusion layer subjected to a water repellent treatment was obtained.

白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量46.5wt%)10g、Nafion(登録商標)/イソプロピルアルコール溶液(デュポン社製、Nafion5wt%含有)4.5g、純水50g、1−プロパノール(和光純薬工業社株式会社製特級試薬)40g、2−プロパノール(和光純薬工業社株式会社製特級試薬)40gを、25℃で保持するよう設定したウォーターバス中のガラス容器にて、ホモジナイザーを用いて3時間混合分散することで、触媒インクを調製した。次に、前記触媒層インクを、先に撥水処理を行ったガス拡散層の片面上に、スクリーンプリンターを用いて塗布し、オーブン中で100℃、30分間乾燥させた。これにより、ガス拡散層上に厚さ10μmの電極触媒層(面積1cmあたりの白金重量は0.40mg)を作製した。 Platinum-supported carbon (TEC10E50E, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum content 46.5 wt%) 10 g, Nafion (registered trademark) / isopropyl alcohol solution (DuPont, Nafion 5 wt% content) 4.5 g, pure water 50 g, 1-propanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd. special grade reagent) 40g, 2-propanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd. special grade reagent) 40g, in a glass container in a water bath set to hold at 25 ℃, homogenizer The catalyst ink was prepared by mixing and dispersing for 3 hours. Next, the catalyst layer ink was applied on one side of the gas diffusion layer that had been previously subjected to water repellent treatment using a screen printer, and dried in an oven at 100 ° C. for 30 minutes. Thus, an electrode catalyst layer having a thickness of 10 μm (the platinum weight per 1 cm 2 area was 0.40 mg) was produced on the gas diffusion layer.

前記ガス拡散層を二枚用い、上記実施例1〜2および比較例1で作製した各固体高分子電解質膜を挟んで、電極触媒層形成側が対向するように重ねて、3.8MPaの圧力で、130℃、10分間ホットプレスすることにより、MEAを作製した。さらに、前記MEAをグラファイト製セパレータで挟持し、金メッキしたステンレス製集電板で挟持し、評価用単セルとした。   Two gas diffusion layers were used and sandwiched between the polymer electrolyte membranes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 so that the electrode catalyst layer forming sides were opposed to each other, and the pressure was 3.8 MPa. The MEA was manufactured by hot pressing at 130 ° C. for 10 minutes. Further, the MEA was sandwiched between graphite separators, and sandwiched between gold-plated stainless steel current collector plates to obtain evaluation single cells.

(2)耐久性の評価
各評価用単セルの、アノード側に燃料として水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気を供給した。両ガスともセル出口圧力は大気圧とし、水素は70℃および相対湿度100%、空気は70℃および相対湿度100%、セル温度は70℃に設定し、水素利用率は67%、空気利用率は40%とした。この条件下で、電流密度1A/cmにて3分発電した後、発電を停止した。停止後、水素および空気の供給を停止し、乾燥空気を単セルに供給しセル内を2分間置換した後、1分間アノード側に水素ガスを上記利用率で供給した。その後、カソード側に空気を上記と同様の利用率で供給し、再度発電した。この発電/停止動作を繰り返す発電/停止サイクル試験を行った。
(2) Evaluation of durability Hydrogen was supplied as fuel to the anode side of each evaluation single cell, and air was supplied as an oxidant to the cathode side. For both gases, the cell outlet pressure is set to atmospheric pressure, hydrogen is set to 70 ° C. and relative humidity 100%, air is set to 70 ° C. and relative humidity 100%, cell temperature is set to 70 ° C., hydrogen utilization rate is 67%, and air utilization rate. Was 40%. Under this condition, power generation was stopped after 3 minutes of power generation at a current density of 1 A / cm 2 . After stopping, the supply of hydrogen and air was stopped, dry air was supplied to the single cell, the inside of the cell was replaced for 2 minutes, and then hydrogen gas was supplied to the anode side for 1 minute at the above utilization rate. Thereafter, air was supplied to the cathode side at the same utilization rate as above, and power was generated again. A power generation / stop cycle test was repeated for repeating this power generation / stop operation.

比較例1で作製した固体高分子電解質膜を用いた評価用単セルでは200サイクル経過時に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの対極へのガスリークを招くピンホールが発生し始め、電池出力の低下をきたしたのに対し、実施例1および2で製作した固体高分子電解質膜を用いた評価用単セルではこれが300サイクルまで延長され、ピンホール生成による性能低下までのサイクル数が向上していた。   In the single cell for evaluation using the solid polymer electrolyte membrane produced in Comparative Example 1, pinholes that cause gas leakage to the counter electrode of the fuel gas and the oxidant gas began to occur after 200 cycles, and the battery output decreased. On the other hand, in the evaluation single cell using the solid polymer electrolyte membrane produced in Examples 1 and 2, this was extended to 300 cycles, and the number of cycles until the performance was lowered due to the generation of pinholes was improved.

上記結果より実施例1および2で作製した固体高分子電解質膜を用いた評価用単セルは、比較例1で作製した固体高分子電解質膜を用いた評価用単セルと比較すると、耐久性に優れることが示される。これにより本発明の固体高分子電解質膜は、ガスの湿潤状態の変化による固体高分子電解質膜の膨潤/収縮が抑制されひび割れおよびピンホールが発生し難くなり、前記固体高分子電解質膜を用いた評価用単セルの方が耐久性が向上したと考えられる。   From the above results, the evaluation unit cell using the solid polymer electrolyte membrane prepared in Examples 1 and 2 is more durable than the evaluation unit cell using the solid polymer electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1. It is shown to be excellent. As a result, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is less susceptible to cracking and pinholes due to suppression of swelling / shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane due to changes in the wet state of the gas. The evaluation single cell is considered to have improved durability.

本発明の固体高分子電解質膜はピンホールの発生が抑制されることにより耐久性に優れ、前記固体高分子電解質膜を用いることにより長期に亘って安定した発電性能を発揮し得る燃料電池を提供することが可能となる。   The solid polymer electrolyte membrane of the present invention is excellent in durability by suppressing the generation of pinholes, and provides a fuel cell that can exhibit stable power generation performance over a long period of time by using the solid polymer electrolyte membrane It becomes possible to do.

本発明の固体高分子電解質膜における親水性セグメントと疎水性セグメントの状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of the hydrophilic segment in the solid polymer electrolyte membrane of this invention, and a hydrophobic segment. 疎水性の支持体上に塗布された固体高分子電解質溶液における親水性セグメントと疎水性セグメントの状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of the hydrophilic segment in the solid polymer electrolyte solution apply | coated on the hydrophobic support body, and a hydrophobic segment. 親水性の支持体上に塗布された固体高分子電解質溶液における親水性セグメントと疎水性セグメントの状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of the hydrophilic segment in the solid polymer electrolyte solution apply | coated on the hydrophilic support body, and the hydrophobic segment.

符号の説明Explanation of symbols

100…固体高分子電解質膜、101…固体高分子電解質膜前駆体、201…固体高分子電解質溶液、210…疎水性の支持体、301…固体高分子電解質溶液、310…親水性の支持体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Solid polymer electrolyte membrane, 101 ... Solid polymer electrolyte membrane precursor, 201 ... Solid polymer electrolyte solution, 210 ... Hydrophobic support, 301 ... Solid polymer electrolyte solution, 310 ... Hydrophilic support

Claims (5)

燃料電池用固体高分子電解質膜であって、
前記燃料電池用固体高分子電解質膜の厚さ方向における疎水性セグメントの濃度分布が、中心部から両表面に向かって高くなる燃料電池用固体高分子電解質膜。
A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell,
A solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell in which the concentration distribution of hydrophobic segments in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell increases from the center toward both surfaces.
請求項1記載の燃料電池用固体高分子電解質膜を用いた燃料電池用MEA。   A MEA for a fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1. 請求項2記載の燃料電池用MEAを用いた燃料電池。   A fuel cell using the fuel cell MEA according to claim 2. 固体高分子電解質溶液を疎水性の支持体上に塗布および乾燥させることにより固体高分子電解質膜前駆体を作製する工程と、
少なくとも2枚の前記固体高分子電解質膜前駆体を、前記疎水性の支持体と接している面を外側にして積層する工程と、
を含む燃料電池用固体高分子電解質膜の製造方法。
Producing a solid polymer electrolyte membrane precursor by applying and drying the solid polymer electrolyte solution on a hydrophobic support; and
Laminating at least two sheets of the solid polymer electrolyte membrane precursor with the surface in contact with the hydrophobic support facing outside;
A method for producing a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising:
固体高分子電解質溶液を親水性の支持体上に塗布および乾燥させることにより固体高分子電解質膜前駆体を作製する工程と、
前記親水性の支持体から前記固体高分子電解質膜前駆体を剥離した後、少なくとも2枚の前記固体高分子電解質膜前駆体を、前記親水性の支持体と接していた面を内側にして積層する工程と、
を含む燃料電池用固体高分子電解質膜の製造方法。
Producing a solid polymer electrolyte membrane precursor by applying and drying the solid polymer electrolyte solution on a hydrophilic support; and
After peeling off the solid polymer electrolyte membrane precursor from the hydrophilic support, at least two of the solid polymer electrolyte membrane precursors are laminated with the surface in contact with the hydrophilic support inside And the process of
A method for producing a solid polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising:
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