JP2007335265A - Manufacturing method of polymer electrolyte membrane, as well as polymer electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method, and its utilization - Google Patents

Manufacturing method of polymer electrolyte membrane, as well as polymer electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method, and its utilization Download PDF

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友洋 好田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyelectrolyte membrane for expressing high proton conductivity and fuel shut-off property, and having high durability against water and methanol, and its manufacturing method, as well as a membrane electrode assembly utilizing it, and provide a fuel cell. <P>SOLUTION: The polyelectrolyte membrane is manufactured by the manufacturing method including a process in which a polymer film containing a polymer compound having an aromatic unit is brought into contact with a proton conductive functional group-introducing agent, and a process in which the polymer film with which the proton conductive functional group-introducing agent has been brought into contact is heated at 60°C or more and 150°C or less. By this, the polyelectrolyte membrane equipped with the high proton conductivity, the fuel shut-off property, and the high durability can be provided. The polyelectrolyte membrane can be used suitably for the fuel cell such as a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell, and a direct methanol fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高分子電解質膜、及びその製造方法、並びにその利用に関するものである。さらに詳しくは、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現し、水やメタノールに対して高い耐久性を有する高分子電解質膜、及びその製造方法、並びにそれを用いた膜−電極接合体、及び、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池などの燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane, a production method thereof, and use thereof. More specifically, a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel barrier properties and has high durability against water and methanol, a method for producing the same, and a membrane-electrode assembly using the same, and The present invention relates to a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell, a direct liquid fuel cell, and a direct methanol fuel cell.

スルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を含有する高分子電解質は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池などの燃料電池として使用される。また、高分子電解質は、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料としても使用される。   Polymer electrolytes containing proton conductive functional groups such as sulfonic acid groups are used as fuel cells such as solid polymer fuel cells, direct liquid fuel cells, and direct methanol fuel cells. The polymer electrolyte is also used as a raw material for electrochemical elements such as humidity sensors, gas sensors, and electrochromic display elements.

これらの中でも、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池などの燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。例えば、プロトン伝導性官能基を有する高分子化合物からなる電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴を有し、自動車などの移動体、家庭用コージェネレーションシステム、及び民生用小型携帯機器などへの適用が検討されている。また、直接液体形燃料電池、特に、メタノールを直接燃料に使用する直接メタノール形燃料電池は、単純な構造と燃料供給やメンテナンスの容易さ、さらには高エネルギー密度化が可能などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民生用小型携帯機器への応用が期待されている。   Among these, fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells, direct liquid fuel cells, and direct methanol fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. For example, a polymer electrolyte fuel cell using an electrolyte membrane made of a polymer compound having a proton-conducting functional group has features such as operation at a low temperature and reduction in size and weight. Application to consumer cogeneration systems and consumer small portable devices is under consideration. Direct liquid fuel cells, especially direct methanol fuel cells that use methanol directly as fuel, have features such as a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and high energy density. As an alternative to lithium-ion secondary batteries, it is expected to be applied to small consumer portable devices such as mobile phones and laptop computers.

固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜としては、1950年代に開発されたスチレン系の陽イオン交換膜があるが、燃料電池動作環境下における安定性に乏しく、充分な寿命を有する燃料電池を製造するには至っていない。   As an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell, there is a styrene-based cation exchange membrane developed in the 1950s. However, the fuel cell has poor stability under a fuel cell operating environment and has a sufficient lifetime. Has not yet been manufactured.

一方、実用的な安定性を有する電解質膜としては、ナフィオン(Nafion)(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸膜が広く検討されている。パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、高いプロトン伝導性を有し、耐酸性、耐酸化性などの化学的安定性に優れているとされている。   On the other hand, as an electrolyte membrane having practical stability, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane represented by Nafion (registered trademark) has been widely studied. Perfluorocarbon sulfonic acid membranes are said to have high proton conductivity and excellent chemical stability such as acid resistance and oxidation resistance.

しかしながらナフィオン(登録商標)は、使用原料のコストが高く、複雑な製造工程を必要とするため、非常に高価であるという欠点がある。   However, Nafion (registered trademark) is disadvantageous in that it is very expensive because the cost of raw materials used is high and a complicated manufacturing process is required.

また、電極反応で生じる過酸化水素やその副生物であるヒドロキシラジカルで劣化すると指摘されている。さらに直接液体形燃料電池の原料になるメタノールなどの水素含有液体などの透過(クロスオーバーともいう)が大きく、いわゆる化学ショート反応が起こる。これにより、カソード電位、燃料効率、セル特性などの低下が生じ、直接メタノール形燃料電池などの直接液体形燃料電池の電解質膜として用いることが困難である。またフッ素系電解質膜であるナフィオン(登録商標)は、未発電時にもクロスオーバーにより燃料が消失するという欠点が指摘されている。   In addition, it has been pointed out that it is deteriorated by hydrogen peroxide generated by the electrode reaction and by-product hydroxy radical. Further, the permeation (also referred to as crossover) of a hydrogen-containing liquid such as methanol which is a raw material of a direct liquid fuel cell is large, and so-called chemical short reaction occurs. As a result, cathode potential, fuel efficiency, cell characteristics and the like are lowered, and it is difficult to use as an electrolyte membrane of a direct liquid fuel cell such as a direct methanol fuel cell. In addition, Nafion (registered trademark), which is a fluorine-based electrolyte membrane, has been pointed out as having the disadvantage that fuel disappears due to crossover even when power is not generated.

このような背景から、非フッ素系電解質膜として、炭化水素系電解質膜など、種々の電解質膜が提案されている。   Against this background, various electrolyte membranes such as hydrocarbon electrolyte membranes have been proposed as non-fluorine electrolyte membranes.

例えば、特許文献1では、シアノ基を含有するイオン伝導膜に200℃以上の熱を加えることで、トリアジン環を形成し、安定性を向上させる方法が提案されている。   For example, Patent Document 1 proposes a method of improving the stability by forming a triazine ring by applying heat of 200 ° C. or higher to an ion conductive film containing a cyano group.

また、特許文献2では、150℃以上の熱処理によって、スルホン酸基を利用した架橋電解質膜が提案されている。
特開2005−243492号公報(平成17(2005)年9月8日公開) 特開2005−243493号公報(平成17(2005)年9月8日公開)
Patent Document 2 proposes a crosslinked electrolyte membrane using a sulfonic acid group by heat treatment at 150 ° C. or higher.
JP 2005-243492 A (published September 8, 2005) JP 2005-243493 A (published September 8, 2005)

しかしながら、上記従来の高分子電解質膜では、充分なプロトン伝導性を得ることができないという問題、メタノールなどの燃料に対する燃料遮断性が低いという問題、水やメタノールなどに対する耐久性に乏しいという問題を生じている。   However, the conventional polymer electrolyte membrane has problems such as insufficient proton conductivity, low fuel barrier property against fuel such as methanol, and poor durability against water and methanol. ing.

具体的には、特許文献1に係るイオン伝導膜の製造方法では、イオン伝導膜を加熱処理する温度が高温であるため、イオン交換性官能基の脱離や、イオン伝導膜の酸化が生じる。よって、イオン伝導膜が劣化する恐れがあり、水やメタノールなどに対する耐久性が低くなる。   Specifically, in the method for producing an ion conductive film according to Patent Document 1, since the temperature for heat-treating the ion conductive film is high, desorption of ion-exchange functional groups and oxidation of the ion conductive film occur. Therefore, the ion conductive membrane may be deteriorated, and the durability against water, methanol and the like is lowered.

また、特許文献2に係るイオン交換膜の製造方法では、酸性官能基としてスルホン酸基を用いている。スルホン酸基は水と親和し易く、イオン交換膜の膨潤の原因となる。そして、イオン交換膜が膨潤すると、メタノール等の燃料が透過(クロスオーバー)し易くなる。つまり、イオン交換膜の燃料遮断性が低下する。また、特許文献2に係るイオン交換膜は、スルホン酸基を架橋させている。架橋したスルホン酸基はプロトンを運ぶことができないため、イオン交換膜のプロトン伝導性が低下する。よって、この製造方法では充分なプロトン伝導性及び燃料遮断性を有する高分子電解質膜を得ることができない。   Moreover, in the manufacturing method of the ion exchange membrane which concerns on patent document 2, a sulfonic acid group is used as an acidic functional group. Sulfonic acid groups are easily compatible with water and cause swelling of the ion exchange membrane. And if an ion exchange membrane swells, it will become easy to permeate (cross-over) fuels, such as methanol. That is, the fuel barrier property of the ion exchange membrane is reduced. Moreover, the ion exchange membrane which concerns on patent document 2 bridge | crosslinks a sulfonic acid group. Since the crosslinked sulfonic acid group cannot carry a proton, the proton conductivity of the ion exchange membrane is lowered. Therefore, this production method cannot provide a polymer electrolyte membrane having sufficient proton conductivity and fuel barrier properties.

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現し、かつ水やメタノール性などに対して高い耐久性を有する高分子電解質膜及びそれを利用した膜−電極接合体及び燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel cutoff, and has high durability against water, methanol, and the like. An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly and a fuel cell using the same.

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行った。当該検討の過程において、本発明者らは、偶然にも、芳香族単位を有する高分子化合物、芳香族単位を有しない高分子化合物及びプロトン伝導性官能基を含む高分子フィルムを、加熱することにより、水やメタノールに対して高い耐久性を有する高分子電解質膜を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventor has intensively studied to solve the above problems. In the course of the study, the present inventors accidentally heated a polymer compound having an aromatic unit, a polymer compound having no aromatic unit, and a polymer film containing a proton conductive functional group. Thus, it was found that a polymer electrolyte membrane having high durability against water and methanol can be obtained, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、下記工程(X)及び(Y)を含むことを特徴としている:
(X)芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含む高分子フィルムを、プロトン伝導性官能基導入剤に接触させる工程;
(Y)上記プロトン伝導性官能基導入剤を接触させた高分子フィルムを60℃以上、150℃以下に加熱する工程。
That is, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention includes the following steps (X) and (Y) in order to solve the above problems:
(X) contacting a polymer film containing a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit with a proton conductive functional group introducing agent;
(Y) The process of heating the polymer film which contacted the said proton conductive functional group introducing agent to 60 degreeC or more and 150 degrees C or less.

上記の構成によれば、上記工程(X)により高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を高分子フィルムに付与した上で、上記工程(Y)により、高分子電解質膜の耐水性や耐メタノール耐久性を向上させ、高分子電解質膜を安定化させることができる。また、後述のようにイオン交換容量を減少させずに加熱しても耐久性向上の効果を得ることが可能であるため、引用文献2のような架橋反応は起こっていないことが分かる。よって、高分子電解質膜の耐久性を向上させつつも、プロトン伝導性を低下させることが無い。   According to said structure, after giving high proton conductivity and fuel blocking | blocking property to a polymer film by said process (X), water resistance and methanol resistance of a polymer electrolyte membrane are obtained by said process (Y). And the polymer electrolyte membrane can be stabilized. Moreover, since it can obtain the effect of durability improvement even if it heats without reducing an ion exchange capacity | capacitance as mentioned later, it turns out that the crosslinking reaction like the cited reference 2 has not occurred. Therefore, the proton conductivity is not lowered while the durability of the polymer electrolyte membrane is improved.

従って、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現し、水やメタノール性などに対して高い耐久性を有する高分子電解質膜を提供できる。   Therefore, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel barrier properties and has high durability against water and methanol.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記芳香族単位を有する高分子化合物が、下記の(i)〜(iii)から選択される1種のポリマー、またはこれらポリマーの混合物であることが好ましい。   In order to solve the above problems, a method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention is a polymer in which the polymer compound having an aromatic unit is selected from the following (i) to (iii): Or it is preferable that it is a mixture of these polymers.

(i)ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも1種のポリマー;
(ii)上記(i)に記載のポリマーを含む共重合体;
(iii)上記(i)および(ii)に記載のポリマーの誘導体。
(I) at least one polymer selected from the group of polymers consisting of polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, and polyphenylene sulfide;
(Ii) a copolymer comprising the polymer described in (i) above;
(Iii) Derivatives of the polymers described in (i) and (ii) above.

上記の構成によれば、プロトン伝導性官能基の導入が容易となるため、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的・熱的安定性をさらに向上させることができる。よって、高いプロトン伝導性を発現し、水やメタノール性などに対して高い耐久性を有する高分子電解質膜を提供できる。   According to said structure, since introduction | transduction of a proton conductive functional group becomes easy, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane obtained, methanol blocking | blocking property, and chemical / thermal stability can further be improved. Therefore, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and has high durability against water and methanol.

また、これらの高分子化合物を用いることは、高分子電解質膜に含まれる他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や、得られる高分子フィルムのハンドリング性を向上させるという更なる効果を奏する。   In addition, the use of these polymer compounds is compatible with other polymer compound components contained in the polymer electrolyte membrane, dispersibility, processability when producing polymer films, There is a further effect of improving handling.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記芳香族単位を有する高分子化合物が、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、およびポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体からなる群から選択される1種のポリマーまたはこれらポリマーの混合物であることが好ましい。   In order to solve the above problems, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention is characterized in that the polymer compound having an aromatic unit is polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, and a polyethylene-polystyrene graft copolymer. One polymer selected from the group consisting of these or a mixture of these polymers is preferred.

上記の構成によれば、上記プロトン伝導性官能基の導入が容易となる。また、上記高分子化合物は、プロトン伝導性及び燃料遮断性のバランスにも優れているため、これらの高分子化合物を用いることで得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的・熱的安定性をさらに向上させることができる。よって、さらに高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現し、かつ水やメタノール性などに対して高い耐久性を有する高分子電解質膜を提供することができる。   According to said structure, introduction | transduction of the said proton conductive functional group becomes easy. In addition, since the polymer compound has an excellent balance between proton conductivity and fuel blocking property, the proton conductivity, methanol blocking property, chemical property of the polymer electrolyte membrane obtained by using these polymer compounds -Thermal stability can be further improved. Therefore, it is possible to provide a polymer electrolyte membrane that exhibits higher proton conductivity and fuel barrier properties and has high durability against water, methanol, and the like.

また、これらの高分子化合物を用いることは、高分子電解質膜に含まれる他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や、得られる高分子フィルムのハンドリング性を向上させるという更なる効果を奏する。   In addition, the use of these polymer compounds is compatible with other polymer compound components contained in the polymer electrolyte membrane, dispersibility, processability when producing polymer films, There is a further effect of improving handling.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記芳香族単位を有しない高分子化合物が、下記一般式(1)
−(CX−CX)− ・・・(1)
(式中、X1〜4は、H、CH、Cl、F、OCOCH、CN、COOH、COOCH、OC、からなる群から選択されるいずれかであって、X1〜4は互いに独立で同一であっても異なっていてもよい。)の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される1種のポリマー、又はこれらの混合物であることが好ましい。
In order to solve the above-described problems, a method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention includes a polymer compound having no aromatic unit represented by the following general formula (1):
-(CX 1 X 2 -CX 3 X 4 )-(1)
(Wherein, X 1 to 4 is, H, based on any one of CH 3, Cl, F, OCOCH 3, CN, COOH, COOCH 3, OC 4 H 9, is selected from the group consisting of, X. 1 to 4 are independent of each other and may be the same or different. The polymer is preferably a polymer selected from polymer compounds having a repeating unit of the formula (1) or a mixture thereof.

上記の構成によれば、得られる高分子電解質膜における、メタノールなどの燃料に対する燃料遮断性、化学的・熱的安定性などが向上する。よって、芳香族単位を有しない高分子化合物として、これらを使用することによって、燃料遮断性に優れた高分子電解質膜を提供することができる。また、上記構成は、他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や得られる高分子フィルムのハンドリング性の向上という更なる効果を奏する。   According to said structure, the fuel-blocking property with respect to fuels, such as methanol, chemical-thermal stability, etc. in the obtained polymer electrolyte membrane improve. Therefore, a polymer electrolyte membrane excellent in fuel barrier properties can be provided by using these as polymer compounds having no aromatic unit. Moreover, the said structure has the further effect of the compatibility and dispersibility with respect to another polymer compound component, the workability at the time of manufacturing a polymer film, and the improvement of the handleability of the polymer film obtained.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記芳香族単位を有しない高分子化合物が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、及びそれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。   In order to solve the above problems, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention selects the polymer compound having no aromatic unit from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, and derivatives thereof. It is preferable that it is at least one kind.

上記の構成によれば、得られる高分子電解質膜における、メタノールなどの燃料に対する燃料遮断性、化学的・熱的安定性などが向上する。よって、芳香族単位を有しない高分子化合物として、これらを使用することによって、より高い燃料遮断性を発現する高耐久性の高分子電解質膜を提供することができる。また、上記高分子化合物は、他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や得られる高分子フィルムのハンドリング性にも優れており、工業的入手も容易である。そのため、上記構成は上記高分子電解質膜を簡易かつ安価に製造できるという更なる効果を奏する。   According to said structure, the fuel-blocking property with respect to fuels, such as methanol, chemical-thermal stability, etc. in the obtained polymer electrolyte membrane improve. Therefore, by using these as polymer compounds having no aromatic unit, it is possible to provide a highly durable polymer electrolyte membrane that exhibits higher fuel barrier properties. In addition, the polymer compound is excellent in compatibility and dispersibility with other polymer compound components, processability when producing a polymer film, and handleability of the resulting polymer film, and is also available industrially. Easy. Therefore, the said structure has the further effect that the said polymer electrolyte membrane can be manufactured simply and cheaply.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記工程(X)を有機溶媒存在下で行なうことが好ましい。   In order to solve the above problems, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention preferably performs the step (X) in the presence of an organic solvent.

上記の構成によれば、高分子電解質膜へプロトン伝導性官能基を均一に導入しやすくなる。よって、高いプロトン伝導性を発現する高分子電解質膜を提供することができる。   According to said structure, it becomes easy to introduce a proton conductive functional group into a polymer electrolyte membrane uniformly. Therefore, a polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記有機溶媒が、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン及び1−クロロブタンからなる群から選択される少なくとも1種の有機溶媒であることが好ましい。   In order to solve the above problems, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention is characterized in that the organic solvent is at least one organic solvent selected from the group consisting of dichloromethane, 1,2-dichloroethane and 1-chlorobutane. It is preferable that

上記の構成によれば、高分子電解質膜へプロトン伝導性官能基を導入しやすくなり、その均一性も向上する。また、これらを用いることで、得られる高分子電解質膜の燃料遮断性が向上する。よって、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を両立した高分子電解質膜を提供することができる。なお、上記有機溶媒は、工業的入手が容易であるため、当該高分子電解質膜を安価に製造できるという更なる効果を奏する。   According to said structure, it becomes easy to introduce a proton conductive functional group into a polymer electrolyte membrane, and the uniformity is also improved. Moreover, the fuel cutoff property of the obtained polymer electrolyte membrane improves by using these. Therefore, a polymer electrolyte membrane having both high proton conductivity and fuel cutoff can be provided. In addition, since the said organic solvent is easy to obtain industrially, there exists the further effect that the said polymer electrolyte membrane can be manufactured cheaply.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記プロトン伝導性官能基導入剤がスルホン化剤であることが好ましい。   In the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention, the proton conductive functional group introducing agent is preferably a sulfonating agent in order to solve the above problems.

上記の構成によれば、プロトン伝導性官能基としてスルホン酸基を導入することができる。スルホン酸基はプロトン伝導性に優れている。よって、高いプロトン伝導性を有する高分子電解質膜を提供することができる。   According to said structure, a sulfonic acid group can be introduce | transduced as a proton conductive functional group. The sulfonic acid group is excellent in proton conductivity. Therefore, a polymer electrolyte membrane having high proton conductivity can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記スルホン化剤がクロロスルホン酸であることが好ましい。   In the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention, the sulfonating agent is preferably chlorosulfonic acid in order to solve the above problems.

上記の構成によれば、スルホン酸基の導入が容易となる。よって、高いプロトン伝導性を有する高分子電解質を提供できる。また、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性、燃料遮断性、機械特性などの特性を向上させることができる。さらに上記クロロスルホン酸は、工業的入手が容易であるため、当該高分子電解質膜を安価に提供できるという効果を奏する。   According to said structure, introduction | transduction of a sulfonic acid group becomes easy. Therefore, a polymer electrolyte having high proton conductivity can be provided. In addition, it is possible to improve properties such as proton conductivity, fuel cutoff, and mechanical properties of the obtained polymer electrolyte membrane. Furthermore, since the chlorosulfonic acid is easily industrially available, the polymer electrolyte membrane can be provided at low cost.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、上記課題を解決するために、上記工程(Y)におけるイオン交換容量減少を20%以下の範囲で行なうことが好ましい。   In order to solve the above problems, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention preferably reduces the ion exchange capacity in the step (Y) within a range of 20% or less.

上記の構成によれば、高いプロトン伝導性を維持した上で、高耐久性の高分子電解質膜を提供することができる。   According to the above configuration, it is possible to provide a highly durable polymer electrolyte membrane while maintaining high proton conductivity.

本発明に係る高分子電解質膜は、上記課題を解決するために、上記のいずれかに記載の高分子電解質膜の製造方法によって製造された高分子電解質膜であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a polymer electrolyte membrane according to the present invention is a polymer electrolyte membrane manufactured by any one of the above-described methods for manufacturing a polymer electrolyte membrane.

上記の構成によれば、上記高分子電解質膜は、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現し、水やメタノール性などに対して高い耐久性を有する。よって、上記高分子電解質膜を用いれば、優れた発電特性や長期耐久性を備えた、膜−電極接合体や、例えば、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池を提供できる。   According to said structure, the said polymer electrolyte membrane expresses high proton conductivity and fuel interruption | blocking property, and has high durability with respect to water, methanol property, etc. Therefore, if the polymer electrolyte membrane is used, a membrane-electrode assembly having excellent power generation characteristics and long-term durability, such as a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, etc. Etc. can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜は、上記課題を解決するために、64重量%メタノール水溶液に、500時間、浸漬したときにおける重量保持率が99%以上100%以下であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is characterized by having a weight retention of 99% or more and 100% or less when immersed in a 64% by weight aqueous methanol solution for 500 hours.

上記の構成によれば、上記高分子電解質膜は、高い耐メタノール耐久性を有している。また、上記高分子電解質膜は、芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含むため、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現する。よって、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現した高耐久性の高分子電解質膜を提供できる。   According to said structure, the said polymer electrolyte membrane has high methanol durability. Moreover, since the polymer electrolyte membrane includes a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit, the polymer electrolyte membrane exhibits high proton conductivity and fuel blocking properties. Therefore, a highly durable polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel barrier properties can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜は、上記課題を解決するために、64重量%メタノール水溶液に、500時間、浸漬したときにおけるイオン交換容量の保持率が90%以上100%以下であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, the polymer electrolyte membrane according to the present invention is characterized in that the retention rate of ion exchange capacity when immersed in a 64 wt% methanol aqueous solution for 500 hours is 90% or more and 100% or less. It is said.

上記の構成によれば、上記高分子電解質膜は、高い耐メタノール耐久性を有している。また、上記高分子電解質膜は、芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含むため、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現する。よって、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現した高耐久性の高分子電解質膜を提供できる。   According to said structure, the said polymer electrolyte membrane has high methanol durability. Moreover, since the polymer electrolyte membrane includes a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit, the polymer electrolyte membrane exhibits high proton conductivity and fuel blocking properties. Therefore, a highly durable polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel barrier properties can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜は、上記課題を解決するために、芳香族単位を有する高分子化合物、芳香族単位を有しない高分子化合物及びプロトン伝導性官能基からなり、64重量%メタノール水溶液に、500時間、浸漬したときにおける重量保持率が99%以上100%以下であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises a polymer compound having an aromatic unit, a polymer compound not having an aromatic unit, and a proton conductive functional group, and is a 64 wt% aqueous methanol solution. In addition, the weight retention when immersed for 500 hours is 99% or more and 100% or less.

上記の構成によれば、上記高分子電解質膜は、高い耐メタノール耐久性を有している。また、上記高分子電解質膜は、芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含むため、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現する。よって、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現した高耐久性の高分子電解質膜を提供できる。   According to said structure, the said polymer electrolyte membrane has high methanol durability. Moreover, since the polymer electrolyte membrane includes a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit, the polymer electrolyte membrane exhibits high proton conductivity and fuel blocking properties. Therefore, a highly durable polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel barrier properties can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜は、上記課題を解決するために、芳香族単位を有する高分子化合物、芳香族単位を有しない高分子化合物及びプロトン伝導性官能基からなり、64重量%メタノール水溶液に、500時間、浸漬したときにおけるイオン交換容量の保持率が90%以上100%以下であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises a polymer compound having an aromatic unit, a polymer compound not having an aromatic unit, and a proton conductive functional group, and is a 64 wt% aqueous methanol solution. Further, the retention rate of the ion exchange capacity when immersed for 500 hours is from 90% to 100%.

上記の構成によれば、上記高分子電解質膜は、高い耐メタノール耐久性を有している。また、上記高分子電解質膜は、芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含むため、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現する。よって、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を発現した高耐久性の高分子電解質膜を提供できる。   According to said structure, the said polymer electrolyte membrane has high methanol durability. Moreover, since the polymer electrolyte membrane includes a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit, the polymer electrolyte membrane exhibits high proton conductivity and fuel blocking properties. Therefore, a highly durable polymer electrolyte membrane that exhibits high proton conductivity and fuel barrier properties can be provided.

本発明に係る膜−電極接合体は、上記課題を解決するために、上記高分子電解質膜を用いてなることを特徴としている。   The membrane-electrode assembly according to the present invention is characterized by using the above polymer electrolyte membrane in order to solve the above-mentioned problems.

上記の構成によれば、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を有する高分子電解質膜を用いているので、優れた発電特性や長期耐久性を備えた膜−電極接合体を提供できる。   According to said structure, since the polymer electrolyte membrane which has high proton conductivity and fuel cutoff property is used, the membrane-electrode assembly provided with the outstanding power generation characteristic and long-term durability can be provided.

本発明に係る燃料電池は、上記課題を解決するために、上記高分子電解質膜を用いてなることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a fuel cell according to the present invention is characterized by using the polymer electrolyte membrane.

上記の構成によれば、高いプロトン伝導性及び燃料遮断性を有する高分子電解質膜を用いているので、優れた発電特性や長期耐久性を備えた、例えば、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池を提供できる。   According to the above configuration, since the polymer electrolyte membrane having high proton conductivity and fuel cutoff is used, it has excellent power generation characteristics and long-term durability, for example, solid polymer fuel cell, direct liquid Fuel cells such as a fuel cell and a direct methanol fuel cell can be provided.

本発明に係る高分子電解質膜の製造方法は、以上のように、(X)芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含む高分子フィルムを、プロトン伝導性官能基導入剤に接触させる工程、及び(Y)上記プロトン伝導性官能基導入剤を接触させた高分子フィルムを60℃以上、150℃以下に加熱する工程を含む。   As described above, the method for producing a polymer electrolyte membrane according to the present invention comprises (X) a polymer compound containing an aromatic unit and a polymer film containing a polymer compound not having an aromatic unit as a proton conductive functional group. A step of bringing the polymer film into contact with the group-introducing agent and (Y) the proton-conductive functional group-introducing agent into contact with the group-introducing agent.

従って、高いプロトン伝導性と燃料遮断性を有し、耐水性や耐メタノール性などの高い高耐久性の高分子電解質膜を提供することができる。   Therefore, it is possible to provide a highly durable polymer electrolyte membrane having high proton conductivity and fuel blocking properties and high water resistance and methanol resistance.

さらに上記高分子電解質膜を用いることにより、優れた発電特性や長期耐久性を備えた、膜−電極接合体や、例えば、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池を提供できる。   Furthermore, by using the polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly having excellent power generation characteristics and long-term durability, for example, a solid polymer fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell Etc. can be provided.

本発明の一実施形態について説明すると以下の通りである。   An embodiment of the present invention will be described as follows.

なお、本実施の形態は、芳香族単位を有する高分子化合物と芳香族単位を有しない高分子化合物とを含む高分子フィルムを、有機溶媒存在下でプロトン伝導性官能基導入剤に接触させた後に、60℃以上150℃以下に加熱することにより、高分子電解質膜を得た後、燃料電池に利用するものである。しかし、本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更して実施することができる。   In the present embodiment, a polymer film containing a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit is brought into contact with the proton conductive functional group introducing agent in the presence of an organic solvent. Thereafter, the polymer electrolyte membrane is obtained by heating to 60 ° C. or more and 150 ° C. or less, and then used for a fuel cell. However, the scope of the present invention is not limited to these explanations, and other than the following examples, the scope of the present invention can be appropriately changed and implemented without departing from the spirit of the present invention.

<1.高分子電解質膜の組成>
本実施の形態における高分子フィルムは、芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含む限り限定されるものではない。
<1. Composition of polymer electrolyte membrane>
The polymer film in the present embodiment is not limited as long as it includes a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit.

芳香族単位を有する高分子化合物を含むことにより、当該芳香族単位に、スルホン酸基などのプロトン伝導性官能基を置換することができる。よって、上記芳香族単位を有する高分子化合物を含むことで、高分子電解質膜はプロトン伝導性を発現することが可能となる。一方で、芳香族単位を有しない高分子化合物は構造中に芳香族単位がないため、スルホン酸基などのプロトン伝導性官能基が導入されることはない。つまり、上記芳香族単位を有しない高分子化合物を含む高分子電解質膜は、当該高分子電解質膜に含まれる芳香族単位に、スルホン酸基などの親水性のプロトン伝導性官能基が導入された場合でも、燃料に含まれる水やメタノールなどの含水素液体による膨潤を抑制できる。よって、上記芳香族単位を有しない高分子化合物を用いることは、燃料や酸化剤の遮断性を高く維持することができる。   By including the polymer compound having an aromatic unit, the aromatic unit can be substituted with a proton conductive functional group such as a sulfonic acid group. Therefore, by including the polymer compound having the aromatic unit, the polymer electrolyte membrane can exhibit proton conductivity. On the other hand, since a polymer compound having no aromatic unit does not have an aromatic unit in its structure, a proton conductive functional group such as a sulfonic acid group is not introduced. That is, in the polymer electrolyte membrane containing the polymer compound having no aromatic unit, a hydrophilic proton conductive functional group such as a sulfonic acid group is introduced into the aromatic unit contained in the polymer electrolyte membrane. Even in this case, swelling due to hydrogen-containing liquid such as water or methanol contained in the fuel can be suppressed. Therefore, the use of the polymer compound having no aromatic unit can maintain high blocking performance of fuel and oxidant.

上記芳香族単位を有する高分子化合物としては、芳香環を備える高分子化合物である限り、限定されるものではないが、例えば、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリスルホン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルホキシド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリエーテルスルホン、ポリ1,4−ビフェニレンエーテルエーテルスルホン、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、シアン酸エステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、これらの誘導体及び共重合体、並びにポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体、ポリエチレン−ポリスチレンブロック共重合体、ポリプロピレン−ポリスチレングラフト共重合体、(エチレン−グリシジルメタクリレート)−ポリスチレングラフト共重合体、(エチレン−エチルアクリレート)−ポリスチレングラフト共重合体、ポリプロピレン−(アクリロニトリル−スチレン)グラフト共重合体、ポリカーボネート−ポリスチレングラフト共重合体、ポリカーボネート−(アクリロニトリル−スチレン)グラフト共重合体、酢酸ビニル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、アクリル樹脂−ポリスチレンブロック共重合体、モディパーシリーズ(日本油脂株式会社製、登録商標)、エポフレンドシリーズ(ダイセル化学株式会社製)が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   The polymer compound having an aromatic unit is not limited as long as it is a polymer compound having an aromatic ring. For example, polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyarylethersulfone, polyetherethersulfone, Polyether ketone, polyether ketone ketone, polysulfone, polyparaphenylene, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polyphenylene sulfoxide, polyphenylene sulfide sulfone, polyphenylene sulfone, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polyether sulfone , Poly 1,4-biphenylene ether ether sulfone, polyarylene ether sulfone, polyimide, polyether Imide, cyanate ester resin, polyetheretherketone, derivatives and copolymers thereof, polyethylene-polystyrene graft copolymer, polyethylene-polystyrene block copolymer, polypropylene-polystyrene graft copolymer, (ethylene-glycidyl methacrylate) ) -Polystyrene graft copolymer, (ethylene-ethyl acrylate) -polystyrene graft copolymer, polypropylene- (acrylonitrile-styrene) graft copolymer, polycarbonate-polystyrene graft copolymer, polycarbonate- (acrylonitrile-styrene) graft copolymer Polymer, vinyl acetate resin-polystyrene block copolymer, acrylic resin-polystyrene block copolymer, Modiper series (manufactured by NOF Corporation) Registered trademark), Epofriend series (manufactured by Daicel Chemical Co., Ltd.) and the like. These may use only 1 type and may use 2 or more types together.

ここで、本明細書において「誘導体」とは、当業者にとって従来公知の誘導体であればよく、特に限定されない。   Here, in the present specification, the “derivative” may be any derivative known to those skilled in the art and is not particularly limited.

また、本明細書において「共重合体」とは、当業者にとって従来公知の共重合体であればよく、特に限定されない。例えば、上記に記載の各種ポリマーを構成する各モノマー単位を含む2種以上のモノマーが重合してなるブロック共重合体、グラフト共重合体、ランダム共重合体などの共重合体を挙げることができる。   In the present specification, the “copolymer” is not particularly limited as long as it is a copolymer conventionally known to those skilled in the art. For example, a copolymer such as a block copolymer, a graft copolymer, or a random copolymer obtained by polymerizing two or more monomers including each monomer unit constituting the various polymers described above can be exemplified. .

また、上記芳香族単位を有する高分子化合物としては、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン及びポリフェニレンサルファイド、これらの誘導体及び共重合体、並びにポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体であることが好ましい。これらを用いることにより、高分子電解質膜に含まれる他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性を向上することができ、また、プロトン伝導性官能基の導入が容易となる。さらに、高分子フィルムを製造する際の加工性や、得られる高分子フィルムのハンドリング性、当該高分子フィルムから得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性やメタノール遮断性、化学的・熱的安定性を向上させることができる。   Examples of the polymer compound having the aromatic unit include polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone and polyphenylene sulfide, derivatives and copolymers thereof, In addition, a polyethylene-polystyrene graft copolymer is preferable. By using these, compatibility and dispersibility with respect to other polymer compound components contained in the polymer electrolyte membrane can be improved, and introduction of a proton conductive functional group is facilitated. Furthermore, processability when manufacturing polymer films, handling properties of the resulting polymer films, proton conductivity and methanol blocking properties of polymer electrolyte membranes obtained from the polymer films, chemical and thermal stability Can be improved.

さらに、上記芳香族単位を有する高分子化合物としては、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体であることが好ましい。上記の構成であれば、プロトン伝導性及び燃料遮断性のバランスに優れている。   Furthermore, the polymer compound having an aromatic unit is preferably polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, or polyethylene-polystyrene graft copolymer. If it is said structure, it is excellent in the balance of proton conductivity and fuel interruption | blocking property.

本発明において、芳香族単位を有しない高分子化合物とは、その分子中に芳香環を備えない構成の高分子化合物を言い、芳香環を備えるか否かは、例えばNMRなどの公知の技術・設備で確認することができる。そして本発明に用いる上記芳香族単位を有しない高分子化合物としては、上記構造の高分子化合物である限り、限定されるものではないが、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3−メチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、5−メチル−1−ヘプテンなどのα−オレフィンの単独重合体または共重合体などのポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニル−オレフィン共重合体などの塩化ビニル系樹脂、ナイロン6、ナイロン66などのポリアミド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−エキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルフルオライドなどのフッ素系樹脂などが例示できる。   In the present invention, the polymer compound having no aromatic unit refers to a polymer compound having no aromatic ring in the molecule, and whether or not it has an aromatic ring is, for example, known techniques such as NMR You can check with the equipment. The polymer compound having no aromatic unit used in the present invention is not limited as long as it is a polymer compound having the above structure. For example, ethylene, propylene, 1-butene, 1-pentene, Polyolefin resins such as homopolymers or copolymers of α-olefins such as 1-hexene, 3-methyl-1-butene, 4-methyl-1-pentene, 5-methyl-1-heptene, polyvinyl chloride, chloride Vinyl chloride resins such as vinyl-vinyl acetate copolymer, vinyl chloride-vinylidene chloride copolymer, vinyl chloride-olefin copolymer, polyamide resins such as nylon 6 and nylon 66, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene- Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-exafluoropropylene Emissions copolymer, tetrafluoroethylene - ethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluorine-based resins such as polyvinyl fluoride can be exemplified.

特に、上記芳香族単位を有しない高分子化合物としては、下記一般式(1)
−(CX−CX)− ・・・(1)
(式中、X1〜4は、H、CH、Cl、F、OCOCH、CN、COOH、COOCH、OC、からなる群から選択されるいずれかであって、X1〜4は互いに独立で同一であっても異なっていてもよい。)
の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される1種のポリマー、又はこれらの混合物であることが好ましい。これらを用いることにより、他の高分子化合物成分に対する相溶性や分散性、高分子フィルムを製造する際の加工性や得られる高分子フィルムのハンドリング性、さらにはそれから得られる高分子電解質のメタノール遮断性、化学的・熱的安定性などを向上させることができる。
In particular, as the polymer compound having no aromatic unit, the following general formula (1)
-(CX 1 X 2 -CX 3 X 4 )-(1)
(Wherein, X 1 to 4 is, H, based on any one of CH 3, Cl, F, OCOCH 3, CN, COOH, COOCH 3, OC 4 H 9, is selected from the group consisting of, X. 1 to 4 are mutually independent and may be the same or different.)
It is preferable that it is one polymer selected from the high molecular compound which has these repeating units, or these mixtures. By using these, compatibility and dispersibility with other polymer compound components, processability when producing polymer films, handling properties of the resulting polymer films, and methanol blocking of the polymer electrolyte obtained therefrom , Chemical and thermal stability can be improved.

さらに、工業的入手の容易さ、得られる高分子フィルムの機械的特性やハンドリング性、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性や燃料遮断性、化学的安定性などを考慮すると、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン又はこれらの誘導体であることが好ましい。   Furthermore, in consideration of industrial availability, mechanical properties and handling properties of the resulting polymer film, proton conductivity, fuel blocking property, chemical stability, etc. of the obtained polymer electrolyte membrane, polyethylene, polypropylene, Polymethylpentene or a derivative thereof is preferable.

なお、高分子フィルムにおいて、上記芳香族単位を有する高分子化合物と上記芳香族単位を有しない高分子化合物との配合割合は、特に限定されるものではないが、高分子フィルム中の芳香族単位を有しない高分子化合物の含有量は、30重量%以上90重量%以下であることが好ましい。上記範囲内であれば、高分子電解質膜の水やメタノール水溶液に対する膨潤効果を充分に得ることができ、所望の燃料遮断性を発現させることができる。また、プロトン伝導性官能基も充分に導入可能であるため、所望のプロトン伝導性を発現させることができる。なお、芳香族単位を有する高分子化合物として、芳香族単位を有する高分子化合物と芳香族単位を有しない高分子化合物との共重合体を用いた場合は、上記高分子フィルム中の芳香族単位を有しない高分子化合物と、上記共重合体中の芳香族単位を有しない高分子化合物との総量が、30重量%以上90重量%以下であることが好ましい。上記範囲内であれば、高分子電解質膜の水やメタノール水溶液に対する膨潤効果を充分に得ることができ、所望の燃料遮断性を発現させることができる。また、プロトン伝導性官能基も充分に導入可能であるため、所望のプロトン伝導性を発現させることができる。   In the polymer film, the mixing ratio of the polymer compound having the aromatic unit and the polymer compound not having the aromatic unit is not particularly limited, but the aromatic unit in the polymer film is not limited. It is preferable that the content of the polymer compound that does not contain is 30% by weight or more and 90% by weight or less. If it is in the said range, the swelling effect with respect to the water and methanol aqueous solution of a polymer electrolyte membrane can fully be acquired, and desired fuel cutoff property can be expressed. Moreover, since a proton conductive functional group can be sufficiently introduced, desired proton conductivity can be exhibited. In the case where a copolymer of a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit is used as the polymer compound having an aromatic unit, the aromatic unit in the polymer film is used. It is preferable that the total amount of the polymer compound not having an aromatic group and the polymer compound having no aromatic unit in the copolymer is 30% by weight or more and 90% by weight or less. If it is in the said range, the swelling effect with respect to the water and methanol aqueous solution of a polymer electrolyte membrane can fully be acquired, and desired fuel cutoff property can be expressed. Moreover, since a proton conductive functional group can be sufficiently introduced, desired proton conductivity can be exhibited.

本発明の高分子電解質膜に含まれるプロトン伝導性官能基としては、含水状態でプロトンを解離するものであれば限定されるものではないが、例えば、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フェノール性水酸基などが例示できる。中でもスルホン酸基が好ましい。スルホン酸基は、上記高分子フィルムに対して導入が容易であり、これにより得られる高分子電解質のプロトン伝導性が優れているからである。   The proton conductive functional group contained in the polymer electrolyte membrane of the present invention is not limited as long as it dissociates protons in a water-containing state. For example, sulfonic acid group, phosphoric acid group, carboxylic acid group Examples thereof include phenolic hydroxyl groups. Of these, sulfonic acid groups are preferred. This is because the sulfonic acid group can be easily introduced into the polymer film, and the resulting polymer electrolyte has excellent proton conductivity.

すなわち、上記プロトン伝導性官能基導入剤は、上記プロトン伝導性官能基を導入可能であれば、限定されるものではないが、スルホン化剤であることが好ましい。   That is, the proton conductive functional group introducing agent is not limited as long as the proton conductive functional group can be introduced, but is preferably a sulfonating agent.

また、上記スルホン化剤としては、スルホン酸基を上記高分子フィルムに導入することが可能であれば、限定されるものではないが、例えば、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸を含む化合物、発煙硫酸、三酸化硫黄、三酸化硫黄−トリエチルフォスフェート、濃硫酸、トリメチルシリルクロロサルフェートなどの公知のスルホン化剤が好ましい。中でも、クロロスルホン酸、クロロスルホン酸を含む化合物がさらに好ましい。クロロスルホン酸、クロロスルホン酸を含む化合物は、工業的入手及びスルホン酸基の導入が容易であり、さらに得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性、燃料遮断性、機械特性などの特性を向上させることができる。   The sulfonating agent is not limited as long as a sulfonic acid group can be introduced into the polymer film. For example, chlorosulfonic acid, a compound containing chlorosulfonic acid, fuming sulfuric acid Known sulfonating agents such as sulfur trioxide, sulfur trioxide-triethyl phosphate, concentrated sulfuric acid, and trimethylsilyl chlorosulfate are preferable. Of these, compounds containing chlorosulfonic acid and chlorosulfonic acid are more preferable. Chlorosulfonic acid and compounds containing chlorosulfonic acid are industrially available and easy to introduce sulfonic acid groups, and further improve the proton conductivity, fuel barrier properties, mechanical properties, etc. of the resulting polymer electrolyte membrane. be able to.

スルホン化剤の使用量は、目標とするスルホン酸基の導入量や反応条件(温度・時間)等に応じて適宜設定すればよいが、上記高分子フィルムに対して、0.1〜100倍量(重量比)が好ましく、さらに好ましくは0.5〜50倍量(重量比)である。上記の範囲では、スルホン酸基を充分に導入することができ、得られる高分子電解質膜のプロトン伝導性などの特性を充分に得ることができる。また、得られる高分子フィルムが化学的に安定となり、機械的強度も向上し、ハンドリングが容易となる。また、燃料遮断性も充分に発現され、また、水溶性液体やメタノール水溶液に対する耐久性など、高分子電解質膜の実用的な特性を充分に得ることができる。   The amount of the sulfonating agent may be appropriately set according to the target introduction amount of the sulfonic acid group, reaction conditions (temperature / time), etc., but is 0.1 to 100 times that of the polymer film. The amount (weight ratio) is preferable, and more preferably 0.5 to 50 times (weight ratio). Within the above range, sulfonic acid groups can be sufficiently introduced, and characteristics such as proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be sufficiently obtained. In addition, the resulting polymer film is chemically stable, mechanical strength is improved, and handling is easy. In addition, the fuel barrier properties are sufficiently exhibited, and practical characteristics of the polymer electrolyte membrane such as durability against water-soluble liquids and methanol aqueous solutions can be sufficiently obtained.

なお、後述する有機溶媒を用いる場合、有機溶媒中における上記スルホン化剤の濃度は、目標とするスルホン酸基の導入量や反応条件(温度・時間)等に応じて適宜設定すればよいが、具体的には、0.05〜20重量%であることが好ましく、より好ましくは0.2〜10重量%である。上記の範囲内では、スルホン化剤と高分子フィルム中の芳香族単位とが接触が容易となるため、所望のスルホン酸基量を導入することができる。また、導入に要する時間を短縮することができる。スルホン酸基の導入を均一にすることができ、得られた高分子電解質膜の機械的特性が損なわれることがない。   In addition, when using the organic solvent described later, the concentration of the sulfonating agent in the organic solvent may be appropriately set according to the target introduction amount of the sulfonic acid group, reaction conditions (temperature / time), etc. Specifically, it is preferably 0.05 to 20% by weight, more preferably 0.2 to 10% by weight. Within the above range, the sulfonating agent and the aromatic unit in the polymer film can be easily contacted with each other, so that a desired amount of sulfonic acid group can be introduced. Further, the time required for introduction can be shortened. The introduction of the sulfonic acid group can be made uniform, and the mechanical properties of the obtained polymer electrolyte membrane are not impaired.

<2.本発明に係る高分子電解質膜の製造方法>
上記高分子フィルムの製造方法は、公知の方法が使用できる。例えば、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、カレンダー法、キャスト法、切削法、エマルション法、ホットプレス法、などが挙げられる。溶融押出成形による製造方法が好ましい。溶融押出成形は、生産性、得られる高分子フィルムの機械的特性、フィルム厚みの制御のし易さ、種々の樹脂への適用性、環境への負荷などに優れている。
<2. Production Method of Polymer Electrolyte Membrane According to the Present Invention>
A known method can be used as a method for producing the polymer film. Examples thereof include melt extrusion molding such as inflation method and T-die method, calendar method, cast method, cutting method, emulsion method, hot press method, and the like. A production method by melt extrusion is preferred. Melt extrusion molding is excellent in productivity, mechanical properties of the resulting polymer film, ease of control of film thickness, applicability to various resins, environmental load, and the like.

具体的には、例えば、高分子フィルムの主原料である芳香族単位を有する高分子共重合体と、芳香族単位を有しない高分子化合物のペレットやパウダーを所定の配合割合で予め混合し、Tダイをセットした押出機に投入し、溶融混練しながらフィルム化を行なう方法が挙げられる。このとき、使用する押出機が二軸押出機であれば、これらの成分を溶融して均一に分散させた高分子フィルムを得ることができる。さらに、予め所定の配合比になるように二軸押出機で溶融混練したペレットを使用してフィルム化を実施しても構わないし、マスターバッチ化したペレットを使用して、所定の配合比になるように溶融混練しながらフィルム化しても構わない。また、組み合わせる成分の分散性に問題がない場合には、Tダイをセットした単軸押出機でフィルム化を実施しても構わない。   Specifically, for example, a polymer copolymer having an aromatic unit, which is a main raw material of the polymer film, and a pellet or powder of a polymer compound not having an aromatic unit are mixed in advance at a predetermined blending ratio, A method in which a film is formed while being melt-kneaded is introduced into an extruder in which a T-die is set. At this time, if the extruder used is a twin screw extruder, a polymer film in which these components are melted and uniformly dispersed can be obtained. Further, the film may be formed using pellets melt-kneaded with a twin-screw extruder so as to have a predetermined blending ratio in advance, or a masterbatch pellet may be used to achieve a predetermined blending ratio. Thus, the film may be formed while melt-kneading. Moreover, when there is no problem in the dispersibility of the components to be combined, the film may be formed with a single screw extruder in which a T die is set.

高分子フィルムの厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減する場合は、当該高分子フィルムの厚みは薄い程良い。一方、得られる高分子電解質膜のメタノール遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子フィルムの厚みは薄すぎると好ましくない。これらを考慮すると、高分子フィルムの厚みは1.2μm〜350μmが好ましい。上記高分子フィルムの厚さが1.2μmより厚いと、フィルム化が容易であるとともに、プロトン伝導性官能基を導入する際における加工時や乾燥時のシワや破損を防ぐことができ、ハンドリング性を向上することができる。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性を充分に発現させることができる。   As the thickness of the polymer film, any thickness can be selected according to the application. For example, when reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the thinner the polymer film, the better. On the other hand, in view of methanol blocking property and handling property of the obtained polymer electrolyte membrane, it is not preferable that the thickness of the polymer film is too thin. Considering these, the thickness of the polymer film is preferably 1.2 μm to 350 μm. When the polymer film is thicker than 1.2 μm, it can be easily formed into a film, and can prevent wrinkles and breakage during processing and drying when introducing a proton conductive functional group. Can be improved. Moreover, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be sufficiently expressed.

さらに、高分子フィルムを得た後に、分子配向などを制御するため二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしても構わない。   Furthermore, after obtaining the polymer film, a treatment such as biaxial stretching may be performed to control the molecular orientation or the like, or a heat treatment may be performed to control the crystallinity.

また、必要に応じて、架橋剤や開始剤を添加して上記高分子フィルム中に架橋構造を導入すること、上記高分子フィルムの機械強度を上げるために各種フィラーを添加すること、ガラス不織布などの補強剤とプレスすることで複合化させることも本発明の範疇である。   Further, if necessary, a crosslinking agent or an initiator is added to introduce a crosslinked structure into the polymer film, various fillers are added to increase the mechanical strength of the polymer film, glass nonwoven fabric, etc. It is also within the scope of the present invention to form a composite by pressing with a reinforcing agent.

なお、高分子電解質膜の加工や性能に影響を及ぼさなければ、通常用いられる各種添加剤を適宜用いてもよい。例えば、本来、本発明に係る反応系の相溶性は良好であるが、より相溶性を向上するために相溶化剤を添加してもよい。また、樹脂劣化防止のための酸化防止剤、上記高分子フィルムの成型加工における取り扱いを向上するための帯電防止剤や滑剤等を添加してもよい。   In addition, as long as the processing and performance of the polymer electrolyte membrane are not affected, various commonly used additives may be appropriately used. For example, the compatibility of the reaction system according to the present invention is originally good, but a compatibilizing agent may be added in order to further improve the compatibility. Moreover, you may add the antioxidant for preventing resin degradation, the antistatic agent for improving the handling in the shaping | molding process of the said polymer film, a lubricant, etc.

上記高分子フィルムと上記プロトン伝導性官能基導入剤と接触させるときの反応温度、反応時間は、目標とするプロトン伝導性官能基の導入量や反応条件等に応じて適宜設定すればよい。   What is necessary is just to set suitably the reaction temperature and reaction time when making the said polymer film and the said proton conductive functional group introduction | transduction agent contact according to the introduction amount, reaction conditions, etc. of the target proton conductive functional group.

例えば、反応温度は、0〜100℃が好ましく、さらに好ましくは10〜30℃である。反応温度が0℃より高い場合は、冷却等を行なうための設備を要することなく、さらに、反応時間を短縮できる。また、反応の過度な進行や、副反応の発生を防ぎ、膜の特性を向上することができる。また上記反応温度は、有機溶媒を使用する場合、使用する有機溶媒の沸点以下であることが好ましい。反応温度が上記有機溶媒の沸点以下であると耐圧容器を用いる必要がないからである。   For example, the reaction temperature is preferably 0 to 100 ° C, more preferably 10 to 30 ° C. When the reaction temperature is higher than 0 ° C., the reaction time can be further shortened without requiring equipment for cooling or the like. Further, excessive progress of reaction and occurrence of side reactions can be prevented, and the characteristics of the film can be improved. Moreover, it is preferable that the said reaction temperature is below the boiling point of the organic solvent to be used, when using an organic solvent. This is because it is not necessary to use a pressure vessel when the reaction temperature is not higher than the boiling point of the organic solvent.

また、反応時間は、0.5時間以上が好ましく、さらに好ましくは2〜100時間である。0.5時間以上の場合、プロトン伝導性官能基導入剤と高分子フィルム中の芳香族単位との接触を充分に行なうことができ、目的とするプロトン伝導性官能基を導入し易くなる。また、反応時間が100時間以下の場合は、効率的な生産性を確保できるとともに、高分子電解質膜の特性が向上する。実際には、使用するプロトン伝導性官能基導入剤や有機溶媒などの反応雰囲気、目標とする生産量などを考慮して、所望の特性を有する高分子電解質膜を効率的に製造することができるように設定すればよい。   The reaction time is preferably 0.5 hours or longer, more preferably 2 to 100 hours. When the time is 0.5 hours or longer, the proton conductive functional group introducing agent can be sufficiently brought into contact with the aromatic unit in the polymer film, and the intended proton conductive functional group can be easily introduced. Moreover, when reaction time is 100 hours or less, while being able to ensure efficient productivity, the characteristic of a polymer electrolyte membrane improves. Actually, it is possible to efficiently produce a polymer electrolyte membrane having desired characteristics in consideration of a reaction atmosphere such as a proton conductive functional group introducing agent and an organic solvent to be used, and a target production amount. It should be set as follows.

以上の工程により得られる高分子電解質膜のイオン交換容量は、0.2〜5.0ミリ当量/gであることが好ましく、0.5〜3.0ミリ当量/gであるとより好ましい。イオン交換容量が0.2ミリ当量/g以上の場合は、目的とするプロトン伝導性を充分に発現させることができる。また、イオン交換容量が5.0ミリ当量/g以下の場合、水やメタノールなどに対する膨潤を充分に抑制することができるため、得られる高分子電解質膜の劣化あるいは溶解を防ぐことができる。   The ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane obtained by the above steps is preferably 0.2 to 5.0 meq / g, and more preferably 0.5 to 3.0 meq / g. When the ion exchange capacity is 0.2 meq / g or more, the desired proton conductivity can be sufficiently exhibited. In addition, when the ion exchange capacity is 5.0 meq / g or less, swelling with respect to water, methanol, or the like can be sufficiently suppressed, so that deterioration or dissolution of the obtained polymer electrolyte membrane can be prevented.

上記高分子フィルムと上記プロトン伝導性官能基導入剤と接触させる方法は、限定されるものではないが、有機溶媒存在下で行なうことが好ましい。   The method for bringing the polymer film into contact with the proton conductive functional group introducing agent is not limited, but is preferably performed in the presence of an organic solvent.

有機溶媒存在下で高分子フィルムとプロトン伝導性官能基導入剤を接触させることで、高分子フィルムがプロトン伝導性官能基導入剤と直接接触することによる劣化を抑制しつつ、目的とする量のプロトン伝導性官能基を導入することが可能となる。   By bringing the polymer film into contact with the proton conductive functional group introducing agent in the presence of an organic solvent, the polymer film is prevented from being directly contacted with the proton conductive functional group introducing agent, while maintaining the target amount. It becomes possible to introduce a proton conductive functional group.

上記有機溶媒は、プロトン伝導性官能基導入剤を分解することなく、芳香族単位に対するプロトン伝導性官能基の導入を阻害せずに、上記高分子フィルム中の熱可塑性高分子や酸化防止剤の分解などの劣化を引き起こさないものであれば使用可能である。有機溶媒を使用することによって、高分子フィルムが膨潤しやすくなり、高分子フィルム内部までプロトン伝導性官能基導入剤を拡散させることができる。また、プロトン伝導性官能基導入剤と高分子フィルムが直接接触して過度の反応が生じることによる、高分子フィルムの劣化を抑制することができる。   The organic solvent does not decompose the proton conductive functional group introducing agent, does not inhibit the introduction of the proton conductive functional group into the aromatic unit, and does not inhibit the thermoplastic polymer or the antioxidant in the polymer film. Anything that does not cause degradation such as decomposition can be used. By using an organic solvent, the polymer film can easily swell, and the proton conductive functional group introducing agent can be diffused into the polymer film. In addition, it is possible to suppress degradation of the polymer film due to an excessive reaction caused by direct contact between the proton conductive functional group introducing agent and the polymer film.

本発明に係る上記有機溶媒としては、プロトン伝導性官能基の導入のし易さや、得られる高分子電解質膜の特性を考慮すると、ハロゲン化炭化水素が好ましく、例えばジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、クロロフォルム、1−クロロプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1,4−ジクロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、1−クロロペンタン、1−クロロヘキサン、クロロシクロヘキサンなどが挙げられる。特に、工業的入手の容易さ、プロトン伝導性官能基の導入のし易さ、得られる電解質膜の特性を考慮すると、ハロゲン化炭化水素は、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン及び1−クロロブタンが好ましい。なお、これらの有機溶媒は、単独で用いても良く、適宜2種以上を混合して用いても良い。   The organic solvent according to the present invention is preferably a halogenated hydrocarbon in view of the ease of introduction of proton conductive functional groups and the properties of the obtained polymer electrolyte membrane, such as dichloromethane, 1,2-dichloroethane, Examples include chloroform, 1-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1,4-dichlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, 1-chloropentane, 1-chlorohexane, chlorocyclohexane and the like. In particular, the halogenated hydrocarbons are preferably dichloromethane, 1,2-dichloroethane and 1-chlorobutane in view of industrial availability, ease of introduction of proton conductive functional groups, and characteristics of the obtained electrolyte membrane. . In addition, these organic solvents may be used independently and may mix and use 2 or more types suitably.

上記プロトン伝導性官能基導入剤に接触させた上記高分子フィルムに対する加熱処理の温度は、60℃以上、150℃以下であれば限定されるものではないが、好ましくは80℃以上、150℃以下である。上記加熱処理を行なうことで、高分子電解質膜を安定化し、耐水性や耐メタノール性などの耐久性に優れた電解質膜が得られる。なお、上記加熱処理の温度が60℃以上の場合、本発明の効果を得ることができ、効率的な生産性を確保できる。また、加熱処理温度が、150℃以下で加熱を行なうことで、高分子骨格を劣化や溶融を防ぐことができる。また、スルホン酸基の脱離や、架橋反応を抑制することができる。そのため、イオン交換容量の低下を防ぎ、プロトン伝導性に悪い影響を与える恐れがない。   The temperature of the heat treatment for the polymer film brought into contact with the proton conductive functional group introducing agent is not limited as long as it is 60 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, but preferably 80 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. It is. By performing the heat treatment, the polymer electrolyte membrane is stabilized, and an electrolyte membrane excellent in durability such as water resistance and methanol resistance can be obtained. In addition, when the temperature of the said heat processing is 60 degreeC or more, the effect of this invention can be acquired and efficient productivity can be ensured. In addition, by heating at a heat treatment temperature of 150 ° C. or lower, the polymer skeleton can be prevented from being deteriorated or melted. Further, elimination of sulfonic acid groups and crosslinking reaction can be suppressed. Therefore, the ion exchange capacity is prevented from being lowered and there is no possibility of adversely affecting proton conductivity.

加熱時間は、求める高分子電解質膜の特性等により適宜設定すればよいが、1分以上30時間以下が好ましく、さらに好ましくは10分以上10時間以下が好ましい。上記加熱時間が1分以上の場合、耐水性や耐メタノール性などの耐久性に優れた電解質膜が得られ、30時間以下で行なうことにより、効率的な生産性を確保できるとともに、得られる高分子電解質膜が劣化を防ぐことができる。   The heating time may be appropriately set depending on the characteristics of the polymer electrolyte membrane to be obtained, but is preferably 1 minute to 30 hours, more preferably 10 minutes to 10 hours. When the heating time is 1 minute or longer, an electrolyte membrane having excellent durability such as water resistance and methanol resistance can be obtained. By performing the heating in 30 hours or less, efficient productivity can be ensured and the obtained high The molecular electrolyte membrane can prevent deterioration.

上記加熱処理条件は、加熱処理前後におけるイオン交換容量の減少が20%以下となるように設定されることが好ましい。イオン交換容量の減少を20%以下とする加熱処理条件は、これを達成するものである限り限定されるものではないが、例えば、上述した好ましい加熱温度及び加熱時間により達成できる。なお、上記イオン交換容量の減少は少ないほど良いが、20%以下であれば、本発明による高いプロトン伝導性を維持できる。   The heat treatment conditions are preferably set such that the decrease in ion exchange capacity before and after the heat treatment is 20% or less. The heat treatment conditions for reducing the ion exchange capacity to 20% or less are not limited as long as this can be achieved. For example, the heat treatment conditions can be achieved by the preferred heating temperature and heating time described above. In addition, although the reduction | decrease of the said ion exchange capacity is so good that it is small, if it is 20% or less, the high proton conductivity by this invention can be maintained.

<3.本発明に係る高分子電解質膜の利用>
つぎに、本発明の高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の一実施形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明するが、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても同様に実施可能である。
<3. Use of Polymer Electrolyte Membrane According to the Present Invention>
Next, an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a solid polymer fuel cell will be described as an example, but the present invention can be similarly applied to a direct liquid fuel cell and a direct methanol fuel cell.

図1は、本実施の形態に係る高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane according to the present embodiment.

図1に示すように、本実施の形態に係る固体高分子形燃料電池10は、高分子電解質膜1、触媒層2・2、拡散層3・3、セパレーター4・4を備えている。   As shown in FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell 10 according to the present embodiment includes a polymer electrolyte membrane 1, catalyst layers 2 and 2, diffusion layers 3 and 3, and separators 4 and 4.

触媒層2は、高分子電解質膜1に接触している。拡散層3は、触媒層2における触媒層2と高分子電解質膜1との接触面の裏面に接触している。セパレーター4は、拡散層3における触媒層2と拡散層3との接触面の裏面に接触している。セパレーター4には、燃料ガス又は液体(メタノール水溶液など)、及び酸化剤を送るための流路5が形成されている。これらの部材により固体高分子形燃料電池10のセルが構成されていると換言できる。   The catalyst layer 2 is in contact with the polymer electrolyte membrane 1. The diffusion layer 3 is in contact with the back surface of the contact surface between the catalyst layer 2 and the polymer electrolyte membrane 1 in the catalyst layer 2. The separator 4 is in contact with the back surface of the contact surface between the catalyst layer 2 and the diffusion layer 3 in the diffusion layer 3. The separator 4 is formed with a flow path 5 for sending fuel gas or liquid (such as aqueous methanol solution) and an oxidant. In other words, the cells of the polymer electrolyte fuel cell 10 are constituted by these members.

一般的に、高分子電解質膜1に触媒層2を接合したものや、高分子電解質膜1に触媒層2と拡散層3とを接合したものは、膜−電極接合体(以下、「MEA」と表記)といわれ、固体高分子形燃料電池(直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池)の基本部材として使用される。   Generally, a polymer electrolyte membrane 1 joined with a catalyst layer 2 or a polymer electrolyte membrane 1 joined with a catalyst layer 2 and a diffusion layer 3 is a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”). And is used as a basic member of a polymer electrolyte fuel cell (direct liquid fuel cell, direct methanol fuel cell).

MEAを作製する方法は、従来検討されているパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜やその他の炭化水素系高分子電解質膜(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)で行われる公知の方法が適用可能である。   The MEA is produced by a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid and other hydrocarbon polymer electrolyte membranes (for example, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated) that have been studied in the past. Polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, etc.) can be used.

MEAの具体的作製方法の一例を以下に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。   An example of a specific method for producing MEA is shown below, but the present invention is not limited to this.

触媒層2は、触媒層形成用の分散溶液を、ポリテトラフルオロエチレンなどの離型フィルム上にスプレーで塗布して分散溶液中の溶媒を乾燥・除去することで、上記離型フィルム上に形成する。上記触媒層形成用の分散溶液は、高分子電解質の溶液又は分散液に、金属担持触媒を分散させて調合したものである。   The catalyst layer 2 is formed on the release film by applying the dispersion solution for forming the catalyst layer on a release film such as polytetrafluoroethylene by spraying and drying and removing the solvent in the dispersion solution. To do. The dispersion for forming the catalyst layer is prepared by dispersing a metal-supported catalyst in a polymer electrolyte solution or dispersion.

この離型フィルム上に形成した触媒層2を高分子電解質膜1の両面に配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスし、高分子電解質膜1と触媒層2を接合し、離型フィルムをはがすことによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2が形成されたMEAを作製できる。   The catalyst layer 2 formed on the release film is disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, and hot-pressed under predetermined heating and pressurizing conditions to join the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 and release them. By peeling the mold film, an MEA in which the catalyst layers 2 are formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 can be produced.

また、上記分散溶液を、コーターなどを用いて拡散層3上に塗工して、分散溶液中の溶媒を乾燥・除去することで、拡散層3上に触媒層2が形成された触媒担持ガス拡散電極を作製し、高分子電解質膜1の両側にその触媒担持ガス拡散電極の触媒層2側を配置し、所定の加熱・加圧条件下でホットプレスすることによって、高分子電解質膜1の両面に触媒層2と拡散層3とが形成されたMEAを製造できる。なお、上記触媒担持ガス拡散電極には、市販のガス拡散電極(米国E−TEK社製、など)を使用しても構わない。   Further, the catalyst-supported gas in which the catalyst layer 2 is formed on the diffusion layer 3 by applying the dispersion solution onto the diffusion layer 3 using a coater or the like, and drying and removing the solvent in the dispersion solution. A diffusion electrode is produced, the catalyst layer 2 side of the catalyst-carrying gas diffusion electrode is disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1, and hot pressing is performed under predetermined heating and pressurizing conditions. An MEA having the catalyst layer 2 and the diffusion layer 3 formed on both sides can be manufactured. In addition, you may use a commercially available gas diffusion electrode (made by USA E-TEK company etc.) for the said catalyst carrying | support gas diffusion electrode.

上記高分子電解質の溶液としては、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子化合物のアルコール溶液(アルドリッチ社製ナフィオン(登録商標)溶液など)やスルホン化された芳香族高分子化合物(例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリフェニレンサルファイドなど)の有機溶媒溶液などが使用できる。   Examples of the polymer electrolyte solution include an alcohol solution of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer compound (such as Nafion (registered trademark) solution manufactured by Aldrich) or a sulfonated aromatic polymer compound (eg, sulfonated polyether ether ketone). , Sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyimide, sulfonated polyphenylene sulfide, and the like) can be used.

上記金属担持触媒における担体としては、高比表面積の導電性粒子が担体として使用可能であり、例えば活性炭、カーボンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素材料が例示できる。また、上記金属担持触媒における金属触媒としては、燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を促進するものであれば使用可能であり、燃料極と酸化剤極とで同じであっても異なっていても構わない。例えば、白金、ルテニウムなどの貴金属あるいはそれらの合金などが例示でき、それらの触媒活性の促進や、反応副生物による被毒を抑制するための助触媒を添加しても構わない。   As the carrier in the metal-supported catalyst, conductive particles having a high specific surface area can be used as the carrier, and examples thereof include carbon materials such as activated carbon, carbon black, ketjen black, vulcan, carbon nanohorn, fullerene, and carbon nanotube. . In addition, as the metal catalyst in the metal-supported catalyst, any metal catalyst that promotes the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of oxygen can be used, and the fuel electrode and the oxidant electrode may be the same or different. I do not care. For example, noble metals such as platinum and ruthenium or alloys thereof can be exemplified, and a promoter for promoting their catalytic activity or suppressing poisoning by reaction by-products may be added.

上記触媒層形成用の分散溶液は、スプレーで塗布したり、コーターで塗工しやすい粘度に調整するため、水や有機溶媒で適宜希釈したりしても構わない。また、必要に応じて触媒層2に撥水性を付与するため、テトラフルオロエチレンなどのフッ素系化合物を混合してもよい。   The dispersion solution for forming the catalyst layer may be applied by spraying or may be appropriately diluted with water or an organic solvent in order to adjust the viscosity to be easily applied with a coater. Moreover, you may mix fluorine-type compounds, such as tetrafluoroethylene, in order to provide water repellency to the catalyst layer 2 as needed.

上記拡散層3としては、カーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔質の導電性材料が使用可能である。これらは、燃料や酸化剤の拡散性、及び反応副生物や未反応物質の排出性を促進するため、テトラフルオロエチレンなどで被覆して撥水性を付与したものを使用することが好ましい。また、高分子電解質膜1と触媒層2との間に、必要に応じて上記高分子電解質などからなる接着層を設けてもよい。   As the diffusion layer 3, a porous conductive material such as carbon cloth or carbon paper can be used. In order to promote the diffusibility of fuel and oxidant and the discharge of reaction by-products and unreacted substances, it is preferable to use those that are coated with tetrafluoroethylene or the like to impart water repellency. Further, an adhesive layer made of the polymer electrolyte or the like may be provided between the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 as necessary.

高分子電解質膜1と触媒層2とを加熱・加圧条件下でホットプレスする条件は、使用する高分子電解質膜1や触媒層2に含まれる高分子電解質の種類に応じて適宜設定すればよい。   The conditions for hot pressing the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 under heating and pressurizing conditions may be appropriately set according to the type of polymer electrolyte contained in the polymer electrolyte membrane 1 or the catalyst layer 2 to be used. Good.

一般的には、加熱温度は、高分子電解質膜や高分子電解質の熱劣化や熱分解温度以下であって、高分子電解質膜1又は高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度、さらには高分子電解質膜1及び高分子電解質のガラス転移点や軟化点以上の温度条件下で行なうことが好ましい。   Generally, the heating temperature is equal to or lower than the thermal degradation or thermal decomposition temperature of the polymer electrolyte membrane or the polymer electrolyte, and is a temperature higher than the glass transition point or the softening point of the polymer electrolyte membrane 1 or the polymer electrolyte. Is preferably carried out under temperature conditions above the glass transition point and softening point of the polymer electrolyte membrane 1 and the polymer electrolyte.

また、加圧条件は、0.1MPa〜20MPaの範囲であることが好ましい。これにより、高分子電解質膜1と触媒層2とが充分に接触するとともに、使用材料の著しい変形にともなう特性低下がない。特にMEAが、高分子電解質膜1と触媒層2とからのみ形成される場合には、拡散層3を触媒層2の外側に配置して、特に接合することなく接触させるのみで使用しても構わない。   Moreover, it is preferable that pressurization conditions are the range of 0.1MPa-20MPa. As a result, the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2 are sufficiently in contact with each other, and there is no deterioration in characteristics due to significant deformation of the material used. In particular, when the MEA is formed only from the polymer electrolyte membrane 1 and the catalyst layer 2, the diffusion layer 3 may be disposed outside the catalyst layer 2 and used only by contacting without being particularly bonded. I do not care.

上記のような方法で得られたMEAを、燃料ガス又は液体、並びに、酸化剤を送り込む流路5が形成された一対のセパレーター4などの間に挿入することにより、本実施の形態に係る高分子電解質膜からなる固体高分子形燃料電池が得られる。   The MEA obtained by the method as described above is inserted between a pair of separators 4 in which a flow path 5 for feeding fuel gas or liquid and an oxidant is formed, and the like according to the present embodiment. A polymer electrolyte fuel cell comprising a molecular electrolyte membrane can be obtained.

上記セパレーター4としては、カーボングラファイトやステンレス鋼の導電性材料のものが使用できる。特にステンレス鋼などの金属製材料を使用する場合は、耐腐食性の処理を施していることが好ましい。   As the separator 4, a conductive material such as carbon graphite or stainless steel can be used. In particular, when a metal material such as stainless steel is used, it is preferable to perform a corrosion resistance treatment.

これに、燃料ガス又は液体として、水素を主たる成分とするガスあるいはメタノールを主たる成分とするガス又は液体、酸化剤として酸素を含むガス(酸素又は空気)を、それぞれ別個の流路5より、拡散層3を経由して触媒層2に供給することにより、固体高分子形燃料電池は発電する。このとき燃料として含水素液体を使用する場合には直接液体形燃料電池となるし、メタノールを使用する場合には直接メタノール形燃料電池となる。つまり、本実施の形態では、固体高分子形燃料電池について説明したが、本実施形態はそのまま直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池についても適用可能である。   A gas or liquid mainly containing hydrogen or a gas or liquid mainly containing methanol or a gas containing oxygen as an oxidant (oxygen or air) is diffused as a fuel gas or liquid from separate flow paths 5. By supplying the catalyst layer 2 via the layer 3, the polymer electrolyte fuel cell generates power. At this time, when a hydrogen-containing liquid is used as a fuel, a direct liquid fuel cell is obtained, and when methanol is used, a direct methanol fuel cell is obtained. That is, in the present embodiment, the polymer electrolyte fuel cell has been described. However, the present embodiment can be applied to a direct liquid fuel cell and a direct methanol fuel cell as they are.

なお、本発明の固体高分子形燃料電池を単独で、あるいは複数積層して、スタックを形成し、使用することや、それらを組み込んだ燃料電池システムとすることもできる。   In addition, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be used alone or in a stack to form a stack, or a fuel cell system incorporating them can be used.

次に、本発明の高分子電解質膜を使用した直接メタノール形燃料電池の一実施形態について、図面に基づき説明する。   Next, an embodiment of a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described with reference to the drawings.

図2は、本実施の形態に係る高分子電解質膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a direct methanol fuel cell made of the polymer electrolyte membrane according to the present embodiment.

図2に示すように、本実施の形態に係る直接メタノール形燃料電池20は、MEA16、燃料(メタノールあるいはメタノール水溶液)タンク17、燃料充填部(供給部)18、支持体19を備える。   As shown in FIG. 2, the direct methanol fuel cell 20 according to the present embodiment includes an MEA 16, a fuel (methanol or methanol aqueous solution) tank 17, a fuel filling unit (supply unit) 18, and a support 19.

燃料タンク17の両側に必要数のMEA16が平面状に配置される。なお、MEA16は上述した方法で得たものを用いればよい。さらに、MEA16の外側には、支持体19が配置される。支持体19には、酸化剤流路15が形成されている。上記支持体19に狭持されることにより、直接メタノール形燃料電池のセル、スタックが構成される。   A required number of MEAs 16 are arranged on both sides of the fuel tank 17 in a planar shape. The MEA 16 may be obtained by the method described above. Further, a support body 19 is disposed outside the MEA 16. An oxidant flow path 15 is formed in the support 19. By sandwiching the support 19, a direct methanol fuel cell cell and stack are formed.

なお、上記の例以外にも、本発明の高分子電解質膜は、特開2001−313046号公報、特開2001−313047号公報、特開2001−93551号公報、特開2001−93558号公報、特開2001−93561号公報、特開2001−102069号公報、特開2001−102070号公報、特開2001−283888号公報、特開2000−268835号公報、特開2000−268836号公報、特開2001−283892号公報などで公知になっている固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池の電解質膜として使用可能である。これらの公知文献に基づけば、当業者であれば、本発明の高分子電解質膜を用いて容易に固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池を構成することができる。   In addition to the above examples, the polymer electrolyte membrane of the present invention is disclosed in JP 2001-313046, JP 2001-313047, JP 2001-93551, JP 2001-93558, JP 2001-93561 A, JP 2001-102069 A, JP 2001-102070 A, JP 2001-283888 A, JP 2000-268835 A, JP 2000-268836 A, JP It can be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell, which is publicly known in JP-A-2838992. Based on these known documents, those skilled in the art can easily construct a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell using the polymer electrolyte membrane of the present invention.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible in the range shown to the claim. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.

(実施例1)
<高分子フィルムの調製>
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド(大日本インキ化学工業株式会社製、LD10p11)、芳香族単位を有しない高分子化合物として高密度ポリエチレン(三井化学株式会社製、HI−ZEX 3300F)を使用した。
(Example 1)
<Preparation of polymer film>
Polyphenylene sulfide (manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, LD10p11) as a polymer compound having an aromatic unit, and high-density polyethylene (HI-ZEX 3300F, manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) as a polymer compound having no aromatic unit. used.

まず、ポリフェニレンサルファイドのペレット30重量部、高密度ポリエチレンのペレット70重量部とをドライブレンドした。   First, 30 parts by weight of polyphenylene sulfide pellets and 70 parts by weight of high density polyethylene pellets were dry blended.

次に、Tダイをセットした二軸押出機を用いて、上記ドライブレンドしたペレット混合物を溶融押出成形し、高分子フィルムを得た(高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを70重量%含有する)。なお、上記溶融押出成形は、スクリュー温度290℃、Tダイ温度290℃の条件で行なった。   Next, the dry blended pellet mixture was melt-extruded using a twin-screw extruder with a T-die set to obtain a polymer film (containing 70% by weight of high-density polyethylene in the polymer film). . The melt extrusion molding was performed under the conditions of a screw temperature of 290 ° C. and a T die temperature of 290 ° C.

<高分子電解質膜の調製>
ガラス容器に、ジクロロメタン868g、クロロスルホン酸8.7gを秤量し、1重量%のクロロスルホン酸溶液を調製した。上記高分子フィルムを2.0g秤量し、上記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、25℃で20時間、放置した(クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して4.3倍量)。上記放置の後、上記高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
<Preparation of polymer electrolyte membrane>
In a glass container, 868 g of dichloromethane and 8.7 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a 1% by weight chlorosulfonic acid solution. 2.0 g of the polymer film was weighed, immersed in the chlorosulfonic acid solution, and allowed to stand at 25 ° C. for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 4.3 times the weight of the polymer film). . After the standing, the polymer film was collected and washed with ion exchange water until neutral.

上記洗浄後の高分子フィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%及び50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置して高分子フィルムを乾燥し、高分子電解質膜を得た。   The polymer film after washing is left in a thermo-hygrostat whose temperature is adjusted to 23 ° C. for 30 minutes under humidity control of relative humidity 98%, 80%, 60% and 50%, respectively. The polymer electrolyte membrane was obtained by drying.

<高分子電解質膜の加熱処理>
次に、得られた高分子電解質膜を80℃の真空オーブンで3時間加熱処理をし、加熱処理を施した高分子電解質膜を得た。なお、当該加熱処理前後におけるイオン交換容量の減少は3.6%であった。
<Polymer electrolyte membrane heat treatment>
Next, the obtained polymer electrolyte membrane was heat-treated in a vacuum oven at 80 ° C. for 3 hours to obtain a polymer electrolyte membrane subjected to the heat treatment. The decrease in ion exchange capacity before and after the heat treatment was 3.6%.

<イオン交換容量の測定方法>
高分子電解質膜サンプル(約10mm×40mm)を、25℃の塩化ナトリウム飽和水溶液20mLに浸漬し、次に、ウォーターバス中で60℃、3時間イオン交換反応させた。
<Measurement method of ion exchange capacity>
A polymer electrolyte membrane sample (about 10 mm × 40 mm) was immersed in 20 mL of a saturated aqueous solution of sodium chloride at 25 ° C., and then subjected to an ion exchange reaction at 60 ° C. for 3 hours in a water bath.

上記イオン交換反応の後、25℃まで冷却した。次に、高分子電解質膜サンプルをイオン交換水で充分に洗浄し、塩化ナトリウム飽和水溶液及び洗浄水をすべて回収した。この回収した溶液に、指示薬としてフェノールフタレイン溶液を加え、0.01Nの水酸化ナトリウム水溶液で中和滴定し、イオン交換容量を算出した。このイオン交換容量の測定方法に、上記加熱処理前後の高分子電解質膜を供した結果を表1に示す。   It cooled to 25 degreeC after the said ion exchange reaction. Next, the polymer electrolyte membrane sample was sufficiently washed with ion-exchanged water, and all of the saturated aqueous sodium chloride solution and the washing water were collected. To this recovered solution, a phenolphthalein solution was added as an indicator, and neutralization titration was performed with a 0.01N sodium hydroxide aqueous solution to calculate the ion exchange capacity. Table 1 shows the results of applying the polymer electrolyte membrane before and after the heat treatment to this ion exchange capacity measurement method.

<プロトン伝導度の測定方法>
イオン交換水中に保管した高分子電解質膜サンプル(約10mm×40mm)を取り出し、高分子電解質膜表面の水をろ紙で拭き取った。次に、2極非密閉系のポリテトラフルオロエチレン製のセルに高分子電解質膜サンプルを設置し、さらに白金電極を電極間距離30mmとなるように、高分子電解質膜サンプル表面(同一側)に設置した。23℃における膜抵抗を、交流インピーダンス法(周波数:42Hz〜5MHz、印可電圧:0.2V、日置電機製LCRメーター 3531Z HITESTER)により測定し、プロトン伝導度を算出した。このプロトン伝導度の測定方法に、上記加熱処理後の高分子電解質膜を供した結果を表1に示す。
<Measurement method of proton conductivity>
A polymer electrolyte membrane sample (about 10 mm × 40 mm) stored in ion-exchanged water was taken out, and water on the surface of the polymer electrolyte membrane was wiped off with a filter paper. Next, a polymer electrolyte membrane sample is placed in a bipolar non-sealed polytetrafluoroethylene cell, and the platinum electrode is placed on the surface of the polymer electrolyte membrane sample (on the same side) so that the distance between the electrodes is 30 mm. installed. Membrane resistance at 23 ° C. was measured by an alternating current impedance method (frequency: 42 Hz to 5 MHz, applied voltage: 0.2 V, Hioki LCR meter 3531Z HITESTER), and proton conductivity was calculated. Table 1 shows the results of applying the polymer electrolyte membrane after the heat treatment to this proton conductivity measurement method.

<メタノール遮断性の測定方法>
25℃の環境下で、膜透過実験装置(ビードレックス社製 KH−5PS)を使用して、電解質膜でイオン交換水と64重量%のメタノール水溶液を隔離した。所定時間(2時間)経過後にイオン交換水側に透過したメタノールを含む溶液を採取し、ガスクロマトグラフ(島津製作所製 ガスクロマトグラフィーGC−2010)で透過したメタノール量を定量した。この定量結果から、メタノール透過速度を求め、メタノ−ル透過係数を算出した。メタノール透過係数は、以下の数式1にしたがって算出した。
<Measurement method of methanol barrier properties>
In an environment of 25 ° C., ion exchange water and a 64 wt% aqueous methanol solution were isolated by an electrolyte membrane using a membrane permeation experiment apparatus (KH-5PS manufactured by Beadrex). A solution containing methanol permeated to the ion-exchanged water after a predetermined time (2 hours) was collected, and the amount of methanol permeated with a gas chromatograph (Gas Chromatography GC-2010, manufactured by Shimadzu Corporation) was quantified. From this quantitative result, the methanol permeation rate was determined, and the methanol permeation coefficient was calculated. The methanol permeability coefficient was calculated according to the following formula 1.

〔数式1〕
メタノール透過係数(μmol/(cm・日))
=メタノール透過量(μmol)×膜厚(cm)/(膜面積(cm2)×透過時間(日))
上記加熱処理後の高分子電解質膜のメタノール透過係数を表1に示す。
[Formula 1]
Methanol permeability coefficient (μmol / (cm ・ day))
= Methanol permeation amount (μmol) × film thickness (cm) / (membrane area (cm 2 ) × permeation time (days))
Table 1 shows the methanol permeability coefficient of the polymer electrolyte membrane after the heat treatment.

<耐メタノール耐久性試験>
高分子電解質膜を64重量%メタノール水溶液に浸漬し、60℃のオーブン中に静置した。所定時間経過後、電解質膜を回収し、イオン交換水で洗浄した。
<Methanol resistance test>
The polymer electrolyte membrane was immersed in a 64 wt% aqueous methanol solution and allowed to stand in an oven at 60 ° C. After a predetermined time, the electrolyte membrane was collected and washed with ion exchange water.

洗浄後の高分子電解質膜を23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%及び50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置して乾燥し、膜重量及びイオン交換容量を測定した。   The polymer electrolyte membrane after washing is dried in a constant temperature and humidity chamber adjusted to 23 ° C. for 30 minutes under humidity control of relative humidity of 98%, 80%, 60% and 50%, respectively. The weight and ion exchange capacity were measured.

図3は、上記耐メタノール耐久性試験の結果であって、浸漬時間と重量保持率との関係を示す図である。   FIG. 3 shows the relationship between the immersion time and the weight retention rate as a result of the methanol resistance test.

また、図4は、上記耐メタノール耐久性試験の結果であって、浸漬時間とイオン交換容量との関係を示す図である。   FIG. 4 shows the relationship between the immersion time and the ion exchange capacity as a result of the methanol durability test.

なお、本発明において重量保持率とは、以下の数式2により算出される値である。   In the present invention, the weight retention is a value calculated by the following mathematical formula 2.

〔数式2〕
重量保持率(%)
=64重量%メタノール水溶液に浸漬して所定時間経過後の高分子電解質膜(g)×100/64重量%メタノール水溶液に浸漬する直前の高分子電解質膜(g)
また、本発明においてイオン交換容量の保持率とは、以下の数式3により算出される値である。
[Formula 2]
Weight retention (%)
= Polymer electrolyte membrane (g) after immersing in 64% by weight methanol aqueous solution and elapse of a predetermined time × Polymer electrolyte membrane (g) immediately before immersing in 100/64% by weight methanol aqueous solution
In the present invention, the retention rate of the ion exchange capacity is a value calculated by the following mathematical formula 3.

〔数式3〕
イオン交換容量の保持率(%)
=64重量%メタノール水溶液に浸漬して所定時間経過後のイオン交換容量(ミリ当量/g)×100/64重量%メタノール水溶液に浸漬する直前のイオン交換容量(ミリ当量/g)
本実施例により得た上記加熱処理後の高分子電解質膜を、上記耐メタノール耐久性試験に供した結果を、図3及び図4において、白四角のシンボルにより示す。なお、本実施例に係る高分子電解質膜の耐メタノール耐久性試験の500時間後における、重量保持率は99%であり、イオン交換容量の保持率は100%であった。
[Formula 3]
Retention rate of ion exchange capacity (%)
= Ion exchange capacity (milli equivalent / g) after immersing in a 64% by weight methanol aqueous solution after elapse of a predetermined time × Ion exchange capacity (milli equivalent / g) immediately before being immersed in a 100/64% by weight methanol aqueous solution
The results obtained by subjecting the polymer electrolyte membrane after the heat treatment obtained in this example to the methanol durability test are indicated by white square symbols in FIGS. 3 and 4. The weight retention rate of the polymer electrolyte membrane according to the present example after 99 hours of the methanol resistance test was 99%, and the retention rate of the ion exchange capacity was 100%.

(実施例2)
<高分子フィルムの調製>
芳香族単位を有する高分子化合物としてポリフェニレンサルファイド(大日本インキ化学工業株式会社製、LD10p11)、芳香族単位を有しない高分子化合物として高密度ポリエチレン(三井化学株式会社製、HI−ZEX 3300F)を使用した。
(Example 2)
<Preparation of polymer film>
Polyphenylene sulfide (manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, LD10p11) as a polymer compound having an aromatic unit, and high-density polyethylene (HI-ZEX 3300F, manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) as a polymer compound having no aromatic unit. used.

ポリフェニレンサルファイドのペレット50重量部、高密度ポリエチレンのペレット50重量部とをドライブレンドした。次に、Tダイをセットした二軸押出機を用いて、上記ドライブレンドしたペレット混合物を溶融押出成形し、高分子フィルムを得た(高分子フィルム中に高密度ポリエチレンを50重量%含有する)。なお、上記溶融押出成形は、スクリュー温度290℃、Tダイ温度290℃の条件で行なった。   50 parts by weight of polyphenylene sulfide pellets and 50 parts by weight of high density polyethylene pellets were dry blended. Next, using a twin-screw extruder with a T-die set, the dry blended pellet mixture was melt-extruded to obtain a polymer film (containing 50% by weight of high-density polyethylene in the polymer film). . The melt extrusion molding was performed under the conditions of a screw temperature of 290 ° C. and a T die temperature of 290 ° C.

<高分子電解質膜の調製>
ガラス容器に、ジクロロメタン856g、クロロスルホン酸4.3gを秤量し、0.5重量%のクロロスルホン酸溶液を調製した。上記高分子フィルムを2.0g秤量し、上記クロロスルホン酸溶液に浸漬し、25℃で20時間、放置した(クロロスルホン酸添加量は、高分子フィルムの重量に対して2.1倍量)上記放置の後、上記高分子フィルムを回収し、イオン交換水で中性になるまで洗浄した。
<Preparation of polymer electrolyte membrane>
In a glass container, 856 g of dichloromethane and 4.3 g of chlorosulfonic acid were weighed to prepare a 0.5 wt% chlorosulfonic acid solution. 2.0 g of the polymer film was weighed, immersed in the chlorosulfonic acid solution and allowed to stand at 25 ° C. for 20 hours (the amount of chlorosulfonic acid added was 2.1 times the weight of the polymer film). After the standing, the polymer film was collected and washed with ion exchange water until neutral.

上記洗浄後の高分子フィルムを23℃に調温した恒温恒湿器内で、相対湿度98%、80%、60%及び50%の湿度調節下で、それぞれ30分間放置して高分子フィルムを乾燥し、高分子電解質膜を得た。   The polymer film after washing is left in a thermo-hygrostat whose temperature is adjusted to 23 ° C. for 30 minutes under humidity control of relative humidity 98%, 80%, 60% and 50%, respectively. The polymer electrolyte membrane was obtained by drying.

次に、実施例1と同様の条件で、加熱処理を行った。なお、当該加熱処理前後におけるイオン交換容量の減少は0.8%であった。   Next, heat treatment was performed under the same conditions as in Example 1. The decrease in ion exchange capacity before and after the heat treatment was 0.8%.

本実施例における上記加熱後の高分子電解質膜について、イオン交換容量、プロトン伝導度、メタノ−ル透過係数を測定した結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of measuring the ion exchange capacity, proton conductivity, and methanol permeability coefficient of the polymer electrolyte membrane after heating in the present example.

また、本実施例における上記加熱後の高分子電解質膜について、耐メタノール耐久性試験を行なった結果を、図3及び図4において黒四角のシンボルにより示す。なお、本実施例に係る高分子電解質膜の耐メタノール耐久性試験の500時間後における、重量保持率は99%であり、イオン交換容量の保持率は100%であった。   In addition, the results of the methanol resistance test on the heated polymer electrolyte membrane in this example are indicated by black square symbols in FIGS. 3 and 4. The weight retention rate of the polymer electrolyte membrane according to the present example after 99 hours of the methanol resistance test was 99%, and the retention rate of the ion exchange capacity was 100%.

(比較例1)
高分子電解質膜として、ナフィオン(登録商標)115(デュポン社製)を使用した。
(Comparative Example 1)
Nafion (registered trademark) 115 (manufactured by DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane.

上記実施例1及び2に記載の加熱処理は行なわなかった。   The heat treatment described in Examples 1 and 2 was not performed.

本比較例に係る高分子電解質膜について、実施例1と同様に、イオン交換容量、プロトン伝導度、メタノール透過係数を測定した結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of measuring the ion exchange capacity, proton conductivity, and methanol permeability coefficient of the polymer electrolyte membrane according to this comparative example, as in Example 1.

また、本比較例に係る高分子電解質膜について、耐メタノール耐久性試験を行なった結果を、図3及び図4において白三角のシンボルにより示す。   Further, the results of the methanol durability test on the polymer electrolyte membrane according to this comparative example are indicated by white triangle symbols in FIGS. 3 and 4.

(比較例2)
<高分子電解質膜の作製>
メカニカルスターラーと窒素導入管、滴下ロートを備えた反応容器に、PEEK450P(ビクトレックス・エムシー社製、分子量約10万)を3.7g入れた。上記反応器中に、滴下ロートを用いて濃硫酸92gを加え、室温で3日間撹拌した。
(Comparative Example 2)
<Production of polymer electrolyte membrane>
In a reaction vessel equipped with a mechanical stirrer, a nitrogen introduction tube, and a dropping funnel, 3.7 g of PEEK450P (manufactured by Victorex MC Ltd., molecular weight of about 100,000) was put. In the reactor, 92 g of concentrated sulfuric acid was added using a dropping funnel and stirred at room temperature for 3 days.

上記攪拌終了後、得られた反応液を、3リットルの純水中にあけ、ろ液が中性になるまで、3リットルの純水による洗浄を10回行なった。得られた反応生成物を、1Torr(1.3332hPa)の真空下、90℃で10時間乾燥し、黄色固体4.5gを得た。この黄色固体2.14gをN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)26.4gに溶解し、内径60mmのシャーレに入れた。さらに、真空オーブンで、1Torr(1.3332hPa)の真空下、3時間、110℃で乾燥した。   After the completion of the stirring, the obtained reaction solution was poured into 3 liters of pure water, and washed with 3 liters of pure water 10 times until the filtrate became neutral. The obtained reaction product was dried at 90 ° C. for 10 hours under a vacuum of 1 Torr (1.3332 hPa) to obtain 4.5 g of a yellow solid. 2.14 g of this yellow solid was dissolved in 26.4 g of N, N-dimethylformamide (DMF) and placed in a petri dish having an inner diameter of 60 mm. Furthermore, it was dried at 110 ° C. for 3 hours under a vacuum of 1 Torr (1.3332 hPa) in a vacuum oven.

上記乾燥により得られた乾燥膜を水で膨潤させた後、シャーレから剥がし取り、1Torr(1.3332hPa)の真空下、110℃、5時間乾燥した。これにより高分子電解質膜を得た。   The dried film obtained by the above drying was swollen with water and then peeled off from the petri dish and dried at 110 ° C. for 5 hours under a vacuum of 1 Torr (1.3332 hPa). Thereby, a polymer electrolyte membrane was obtained.

<高分子電解質膜の加熱処理>
次に、得られた高分子電解質膜を170℃の真空オーブンで3時間加熱処理して、加熱処理を施した高分子電解質膜を得た。
<Polymer electrolyte membrane heat treatment>
Next, the obtained polymer electrolyte membrane was heat-treated in a vacuum oven at 170 ° C. for 3 hours to obtain a heat-treated polymer electrolyte membrane.

本比較例に係る上記高分子電解質膜を、実施例1と同様に、イオン交換容量を測定した結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of measuring the ion exchange capacity of the polymer electrolyte membrane according to this comparative example in the same manner as in Example 1.

Figure 2007335265
Figure 2007335265

表1において、実施例1〜2と比較例1との比較より、本発明の電解質膜は公知の燃料電池用電解質膜と同オーダーのプロトン伝導性を発現し、燃料電池用の電解質膜として有用であることが示された。さらに、実施例1〜2のメタノール透過係数は、比較例1より低いことから、本発明に係る高分子電解質膜は、高いメタノール遮断性を有し、直接メタノール形燃料電池用の電解質膜として特に有用であることが示された。さらに、実施例1〜2と比較例2との比較により、本発明に係る高分子電解質膜は、加熱処理前後におけるイオン交換容量の減少が20%以内で、プロトン伝導性を維持していた。このことから本発明に係る高分子電解質膜は、燃料電池用の高分子電解質膜として有用であることが示された。   In Table 1, the comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 reveals that the electrolyte membrane of the present invention exhibits proton conductivity in the same order as known electrolyte membranes for fuel cells and is useful as an electrolyte membrane for fuel cells. It was shown that. Furthermore, since the methanol permeability coefficient of Examples 1 and 2 is lower than that of Comparative Example 1, the polymer electrolyte membrane according to the present invention has a high methanol barrier property and is particularly suitable as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell. It has been shown to be useful. Furthermore, the comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 showed that the polymer electrolyte membrane according to the present invention maintained proton conductivity within a 20% decrease in ion exchange capacity before and after heat treatment. From this, it was shown that the polymer electrolyte membrane according to the present invention is useful as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

図3における実施例1〜2と比較例1との比較により、本発明に係る高分子電解質膜は、64重量%メタノール水溶液浸漬下において、高い重量保持率を示した。このことから、本発明に係る高分子電解質膜は、耐メタノール耐久性に優れ、直接メタノール形燃料電池用の電解質膜として特に有用であることが示された。   As a result of comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 in FIG. 3, the polymer electrolyte membrane according to the present invention exhibited high weight retention under immersion in a 64 wt% methanol aqueous solution. From this, it was shown that the polymer electrolyte membrane according to the present invention is excellent in methanol resistance and is particularly useful as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell.

図4における実施例1〜2と比較例1との比較により、本発明に係る高分子電解質膜は、64重量%メタノール水溶液浸漬下において、イオン交換容量の低下がないことが示された。このことから本発明に係る高分子電解質膜は、耐メタノール耐久性に優れ、直接メタノール形燃料電池用の電解質膜として特に有用であることが示された。   A comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 in FIG. 4 showed that the polymer electrolyte membrane according to the present invention was not reduced in ion exchange capacity when immersed in a 64 wt% methanol aqueous solution. From this, it was shown that the polymer electrolyte membrane according to the present invention has excellent durability against methanol and is particularly useful as an electrolyte membrane for a direct methanol fuel cell.

本発明に係る高分子電解質膜は、固体高分子形燃料電池、直接液体形燃料電池、直接メタノール形燃料電池等の燃料電池をはじめとして、様々な産業上の利用可能性がある。   The polymer electrolyte membrane according to the present invention has various industrial applicability including fuel cells such as solid polymer fuel cells, direct liquid fuel cells, and direct methanol fuel cells.

図1は、本実施の形態に係る高分子電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane according to the present embodiment. 図2は、本実施の形態に係る高分子電解質膜からなる直接メタノール形燃料電池の要部断面の構造を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a main part of a direct methanol fuel cell made of the polymer electrolyte membrane according to the present embodiment. 図3は、耐メタノール耐久性試験の結果であって、浸漬時間と重量保持率との関係を示す図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the immersion time and the weight retention rate as a result of the methanol durability test. 図4は、耐メタノール耐久性試験の結果であって、浸漬時間とイオン交換容量との関係を示す図である。FIG. 4 shows the relationship between the immersion time and the ion exchange capacity as a result of the methanol durability test.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 触媒層
3 拡散層
4 セパレーター
5 流路
10 固体分子形燃料電池
15 酸化剤流路
16 膜−電極接合体(MEA)
17 燃料タンク
18 燃料充填部
19 支持体
20 直接メタノール形燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Diffusion layer 4 Separator 5 Channel 10 Solid molecular fuel cell 15 Oxidant channel 16 Membrane-electrode assembly (MEA)
17 Fuel tank 18 Fuel filling part 19 Support body 20 Direct methanol fuel cell

Claims (13)

下記工程(X)及び(Y)を含むことを特徴とする高分子電解質膜の製造方法:
(X)芳香族単位を有する高分子化合物及び芳香族単位を有しない高分子化合物を含む高分子フィルムを、上記高分子フィルムにプロトン伝導性官能基を導入するためのプロトン伝導性官能基導入剤に接触させる工程;
(Y)上記プロトン伝導性官能基導入剤を接触させた高分子フィルムを、60℃以上、150℃以下に加熱する工程。
A method for producing a polymer electrolyte membrane comprising the following steps (X) and (Y):
(X) A proton conductive functional group introducing agent for introducing a proton conductive functional group into a polymer film containing a polymer compound having an aromatic unit and a polymer compound not having an aromatic unit into the polymer film Contacting with
(Y) The process of heating the polymer film which contacted the said proton conductive functional group introducing agent to 60 degreeC or more and 150 degrees C or less.
上記芳香族単位を有する高分子化合物が、下記の(i)〜(iii)から選択される1種のポリマー、またはこれらポリマーの混合物であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質膜の製造方法:
(i)ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリフェニレンサルファイドからなるポリマーの群より選択される、少なくとも1種のポリマー;
(ii)上記(i)に記載のポリマーを含む共重合体;
(iii)上記(i)および(ii)に記載のポリマーの誘導体。
2. The polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polymer compound having an aromatic unit is one polymer selected from the following (i) to (iii), or a mixture of these polymers: Membrane manufacturing method:
(I) at least one polymer selected from the group of polymers consisting of polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene ether, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, and polyphenylene sulfide;
(Ii) a copolymer comprising the polymer described in (i) above;
(Iii) Derivatives of the polymers described in (i) and (ii) above.
上記芳香族単位を有する高分子化合物が、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、およびポリエチレン−ポリスチレングラフト共重合体からなる群から選択される1種のポリマーまたはこれらポリマーの混合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The polymer compound having an aromatic unit is one polymer selected from the group consisting of polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, and polyethylene-polystyrene graft copolymer, or a mixture of these polymers. The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2. 上記芳香族単位を有しない高分子化合物が、下記一般式(1)
−(CX−CX)− ・・・(1)
(式中、X1〜4は、H、CH、Cl、F、OCOCH、CN、COOH、COOCH、OC、からなる群から選択されるいずれかであって、X1〜4は互いに独立で同一であっても異なっていてもよい。)の繰り返し単位を有する高分子化合物から選択される1種のポリマー、又はこれらの混合物であること特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。
The polymer compound having no aromatic unit is represented by the following general formula (1):
-(CX 1 X 2 -CX 3 X 4 )-(1)
(Wherein, X 1 to 4 is, H, based on any one of CH 3, Cl, F, OCOCH 3, CN, COOH, COOCH 3, OC 4 H 9, is selected from the group consisting of, X. 1 to 4 are independent of each other and may be the same or different from each other.) The polymer according to claim 1, which is a polymer selected from polymer compounds having a repeating unit, or a mixture thereof. The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of any one of Claims 1.
上記芳香族単位を有しない高分子化合物が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、及びそれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The polymer compound having no aromatic unit is at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, and derivatives thereof. 2. A method for producing a polymer electrolyte membrane according to item 1. 上記工程(X)を有機溶媒存在下で行なうことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 5, wherein the step (X) is performed in the presence of an organic solvent. 上記有機溶媒が、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン及び1−クロロブタンからなる群から選択される少なくとも1種の有機溶媒であることを特徴とする請求項6に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 6, wherein the organic solvent is at least one organic solvent selected from the group consisting of dichloromethane, 1,2-dichloroethane and 1-chlorobutane. 上記プロトン伝導性官能基導入剤がスルホン化剤であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the proton conductive functional group introducing agent is a sulfonating agent. 上記スルホン化剤がクロロスルホン酸であることを特徴とする請求項8に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to claim 8, wherein the sulfonating agent is chlorosulfonic acid. 上記工程(Y)におけるイオン交換容量の減少を20%以下の範囲で行なうことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 9, wherein the ion exchange capacity in the step (Y) is reduced within a range of 20% or less. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の高分子電解質膜の製造方法によって製造された高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method of the polymer electrolyte membrane of any one of Claims 1-10. 請求項11に記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする膜−電極接合体。   A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 11. 請求項11に記載の高分子電解質膜を用いてなることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to claim 11.
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