JP2008140774A - Method for manufacturing aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with seal material and aromatic hydrocarbon-based membrane electrode composite with seal material - Google Patents

Method for manufacturing aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with seal material and aromatic hydrocarbon-based membrane electrode composite with seal material Download PDF

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眞哉 足立
Naoki Shimoyama
直樹 下山
Masayuki Kidai
聖幸 希代
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with seal material and aromatic hydrocarbon-based membrane electrode composite with seal material, in which high sealability, safety, and durability are provided and cost can be reduced by simplifying manufacturing processes. <P>SOLUTION: The method for manufacturing aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with seal material includes the steps of: (1) boring a hole through the aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane; (2) setting the aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane in a mold used for forming the seal material; (3) pouring the seal material into the mold where the aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane is set; (4) heating the seal material at a temperature of 140°C or higher; (5) releasing the aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with the seal material from the mold; and (6) acidizing the aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with the seal material. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池用のシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜およびシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material and a method for producing an aromatic hydrocarbon membrane electrode assembly with a sealing material for a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、排出物が少なく、かつエネルギー効率が高く、環境への負担の低い発電装置である。このため、近年の地球環境保護への高まりの中で再び脚光を浴びている。従来の大規模発電施設に比べ、比較的小規模の分散型発電施設、自動車や船舶など移動体の発電装置として、将来的にも期待されている発電装置である。また、小型移動機器、携帯機器の電源としても注目されており、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池の代替として、あるいは二次電池の充電器として、またあるいは二次電池との併用(ハイブリッド)により、携帯電話などの携帯機器やパソコンなどへの搭載が期待されている。   A fuel cell is a power generation device with low emissions, high energy efficiency, and low burden on the environment. For this reason, it is in the spotlight again in recent years to the protection of the global environment. Compared to conventional large-scale power generation facilities, this is a power generation device expected in the future as a relatively small-scale distributed power generation facility, and as a power generation device for mobile objects such as automobiles and ships. It is also attracting attention as a power source for small mobile devices and portable devices, as an alternative to secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lithium ion batteries, as a charger for secondary batteries, or in combination with secondary batteries. (Hybrid) is expected to be installed in mobile devices such as mobile phones and personal computers.

固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下PEFCと記載する場合がある)においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFCに加えて、メタノールなどの燃料を直接供給する直接型燃料電池も注目されている。直接型燃料電池は、従来のPEFCに比べて出力が低いものの、燃料が液体で改質器を用いないために、エネルギー密度が高くなり、一充填あたりの携帯機器の使用時間が長時間になるという利点がある。   In a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to as PEFC), in addition to the conventional PEFC using hydrogen gas as a fuel, a direct fuel cell that directly supplies fuel such as methanol is also available. Attention has been paid. The direct fuel cell has a lower output than the conventional PEFC, but the fuel is liquid and does not use a reformer, so the energy density is high and the usage time of the portable device per filling is long. There is an advantage.

PEFCは通常、発電を担う反応の起こるアノードとカソードの電極と、アノードとカソードとの間でプロトン伝導体となる高分子電解質膜とが、膜電極複合体(以下MEAと記載する場合がある)を構成し、このMEAがセパレーターによって挟まれたセルをユニットとして構成されている。ここで、電極は、ガス拡散の促進と集(給)電を行う電極基材(ガス拡散電極あるいは集電体とも云う)と、実際に電気化学的反応場となる触媒層とから構成されている。たとえばPEFCのアノード電極では、水素ガスなどの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトンと電子を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質膜へと伝導する。このため、アノード電極には、ガスの拡散性、電子伝導性、プロトン伝導性が良好なことが要求される。一方、カソード電極では、酸素や空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、高分子電解質膜から伝導してきたプロトンと、電極基材から伝導してきた電子とが反応して水を生成する。このため、カソード電極においては、ガス拡散性、電子伝導性、プロトン伝導性とともに、生成した水を効率よく排出することも有効である。   In PEFC, an anode electrode and a cathode electrode in which a reaction responsible for power generation occurs, and a polymer electrolyte membrane serving as a proton conductor between the anode and the cathode are a membrane electrode composite (hereinafter sometimes referred to as MEA). A cell in which this MEA is sandwiched between separators is configured as a unit. Here, the electrode is composed of an electrode base material (also referred to as a gas diffusion electrode or a current collector) that promotes gas diffusion and collects (supply) electricity, and a catalyst layer that actually becomes an electrochemical reaction field. Yes. For example, in the anode electrode of PEFC, a fuel such as hydrogen gas reacts in the catalyst layer of the anode electrode to generate protons and electrons, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are conducted to the polymer electrolyte membrane. For this reason, the anode electrode is required to have good gas diffusivity, electron conductivity, and proton conductivity. On the other hand, in the cathode electrode, an oxidizing gas such as oxygen or air is reacted with protons conducted from the polymer electrolyte membrane and electrons conducted from the electrode base material in the catalyst layer of the cathode electrode to produce water. For this reason, in the cathode electrode, it is effective to efficiently discharge the generated water in addition to gas diffusibility, electron conductivity, and proton conductivity.

また、PEFCの中でも、メタノールなどを燃料とする直接型燃料電池においては、水素ガスを燃料とする従来のPEFCとは異なる性能が要求される。すなわち、直接型燃料電池においては、アノード電極ではメタノール水溶液などの燃料がアノード電極の触媒層で反応してプロトン、電子、二酸化炭素を生じ、電子は電極基材に伝導し、プロトンは高分子電解質に伝導し、二酸化炭素は電極基材を通過して系外へ放出される。このため、従来のPEFCのアノード電極の要求特性に加えて、メタノール水溶液などの燃料透過性や二酸化炭素の排出性も要求される。さらに、直接型燃料電池のカソード電極では、従来のPEFCと同様な反応に加えて、電解質膜を透過したメタノールなどの燃料と酸素あるいは空気などの酸化ガスがカソード電極の触媒層で、二酸化炭素と水を生成する反応も起こる。このため、従来のPEFCよりも生成水が多くなるため、さらに効率よく水を排出することが好ましい。   Among PEFCs, a direct fuel cell using methanol or the like as a fuel requires performance different from that of a conventional PEFC using hydrogen gas as a fuel. That is, in a direct type fuel cell, a fuel such as a methanol aqueous solution reacts with the catalyst layer of the anode electrode to produce protons, electrons, and carbon dioxide at the anode electrode, and the electrons are conducted to the electrode substrate, and the protons are polymer electrolyte. The carbon dioxide passes through the electrode substrate and is released out of the system. For this reason, in addition to the required characteristics of the anode electrode of the conventional PEFC, fuel permeability such as aqueous methanol solution and carbon dioxide emission are also required. Further, in the cathode electrode of the direct type fuel cell, in addition to the reaction similar to that of the conventional PEFC, fuel such as methanol that has permeated through the electrolyte membrane and oxidizing gas such as oxygen or air are mixed with carbon dioxide in the catalyst layer of the cathode electrode. Reactions that produce water also occur. For this reason, since produced water becomes more than conventional PEFC, it is preferable to discharge water more efficiently.

このような燃料電池の本格的な普及にあたっては性能向上、インフラ整備とともに製造コストを低減する必要があるが、燃料電池としての信頼性向上も重要である。特に、燃料のシール性は、性能および信頼性や寿命に大きく影響する要因の一つであり燃料電池システムとして軽視出来ない技術である。燃料漏れを起こせば、性能低下だけに留まらず、人体や環境への悪影響、火災や爆発などの危険がある。   In order to spread such fuel cells in earnest, it is necessary to reduce the manufacturing cost as well as improve the performance and infrastructure, but it is also important to improve the reliability of the fuel cell. In particular, the sealing performance of fuel is one of the factors that greatly affect performance, reliability, and life, and is a technology that cannot be ignored as a fuel cell system. If a fuel leak occurs, there is a risk of not only deterioration in performance but also adverse effects on the human body and the environment, fire and explosion.

従来、特許文献1〜8等に記載されているように、製造工程の簡略化、シール性向上および電解質膜の破損防止などを目的とした燃料電池のシール方法が提案されている。特許文献1、2、4によれば、電極を額縁状に囲うシール材やゴム状弾性体からなるガスケット(シール材)を使用し、該シール材と電解質膜間にフッ素樹脂シートやフィルムを配置してシール構造が提案されている。特許文献3では電解質膜とパッキン(シール材)をあらかじめ接着剤で接着して一体化する方法が提案されている。特許文献5、6ではガス拡散層にガスケット(シール材)接合し一体品にした方法が提案されている。特許文献7、8では、電解質膜とゴム材料を一体化した後、非加熱加硫を行う製造方法や電解質膜が高温にならないように工夫した金型を用いてシール材を成形するなど電解質膜の耐熱性不足を補う方法が提案されている。
特開平5−21077号公報 特開2003−68319号公報 特開平8−148169号公報 特開2005−11662号公報 国際公開第02/043172号パンフレット 国際公開第02/089240号パンフレット 国際公開第04/052614号パンフレット 国際公開第02/061869号パンフレット
Conventionally, as described in Patent Documents 1 to 8 and the like, fuel cell sealing methods have been proposed for the purpose of simplifying the manufacturing process, improving sealing performance, and preventing damage to the electrolyte membrane. According to Patent Documents 1, 2, and 4, a seal material that surrounds the electrode in a frame shape or a gasket (seal material) made of a rubber-like elastic body is used, and a fluororesin sheet or film is disposed between the seal material and the electrolyte membrane. Thus, a seal structure has been proposed. Patent Document 3 proposes a method in which an electrolyte membrane and a packing (seal material) are previously bonded with an adhesive and integrated. Patent Documents 5 and 6 propose a method in which a gasket (seal material) is joined to a gas diffusion layer to form an integrated product. In Patent Documents 7 and 8, the electrolyte membrane and the rubber material are integrated, and then a manufacturing method for performing non-heat vulcanization, and a sealing material is molded using a mold that is devised so that the electrolyte membrane does not become high temperature. A method to compensate for the lack of heat resistance in the water has been proposed.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-21077 JP 2003-68319 A JP-A-8-148169 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-11661 International Publication No. 02/043172 Pamphlet International Publication No. 02/0889240 Pamphlet International Publication No. 04/052614 Pamphlet International Publication No. 02/061869 Pamphlet

しかしながら、特許文献1、2ではシール材と電解質膜の間にフィルムなどを挿入する必要があり製造工程が増え、コスト的に問題である。特許文献3では接着剤の耐久性が不十分であり長期試験での電解質膜の変形に追随できない部分が発生し燃料漏れを起こしやすい。特許文献5、6などではガス拡散層にゴムなどを含浸させる必要があり製造工程の増加によるコスト的な問題に加え、特許文献6では電極とセパレーターを接触させるために、セパレーターにもシール材と同じ形状の溝を設ける必要が生じ、燃料電池システムとしてのコストアップ要因となる。特許文献7、8ではシール材は低温で形成し放射線などで加硫しているが、架橋が不十分となり長期耐久性に問題があり、初期設備投資が大きくコストアップの要因となり、いずれもフッ素系電解質膜の耐熱性や剛性不足を補うための工夫である。   However, in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to insert a film or the like between the sealing material and the electrolyte membrane, which increases the number of manufacturing processes and is a problem in terms of cost. In Patent Document 3, the durability of the adhesive is insufficient, and a portion that cannot follow the deformation of the electrolyte membrane in a long-term test is generated, which easily causes fuel leakage. In Patent Documents 5 and 6, etc., it is necessary to impregnate the gas diffusion layer with rubber or the like, and in addition to the cost problem due to the increase in the manufacturing process, in Patent Document 6, the separator is also provided with a sealing material in order to bring the electrode into contact with the separator. It is necessary to provide grooves having the same shape, which increases the cost of the fuel cell system. In Patent Documents 7 and 8, the sealing material is formed at a low temperature and vulcanized with radiation or the like. However, the crosslinking is insufficient and there is a problem in long-term durability, and the initial equipment investment is large and the cost is increased. This is a device for compensating for the heat resistance and insufficient rigidity of the system electrolyte membrane.

本発明は、かかる背景技術に鑑み、シール性、耐久性、安全性が優れ、製造工程の簡略化によるコスト削減が可能なシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜およびシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法を提供せんとするものである。   In view of the background art, the present invention provides an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material and an aromatic hydrocarbon with a sealing material that are excellent in sealing performance, durability, and safety, and that can reduce costs by simplifying the manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a method for producing a membrane electrode assembly.

上記目的を達成するための本発明は、下記工程を有するシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜の製造方法であることを特徴とする。
(1)芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程
(2)シール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程
(3)シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程
(4)140℃以上でシール材を加熱する工程
(5)シール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程
(6)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程
また、シール材の内側に電解質膜を挟むように一対の電極を設けたシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法において、シール材と電極の間隔が2mm以下、または電極の端部がシール材に重なっており、下記工程を有するシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法であることを特徴とする。
(1)芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程
(2)シール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程
(3)シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程
(4)140℃以上でシール材を加熱する工程
(5)シール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程
(6)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程
(7)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材の内側にアノード電極とカソード電極をセットする工程
(8)加熱プレスする工程
The present invention for achieving the above object is a method for producing an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material having the following steps.
(1) A step of opening a through hole in an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane (2) A step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material (3) An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane as a sealing material (4) The step of heating the sealing material at 140 ° C. or higher (5) The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is released from the mold for molding the sealing material. Step (6) Step of acid-treating aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with sealing material Also, aromatic hydrocarbon-based membrane electrode assembly with sealing material provided with a pair of electrodes so as to sandwich the electrolyte membrane inside the sealing material In this manufacturing method, the distance between the sealing material and the electrode is 2 mm or less, or the end of the electrode overlaps the sealing material, and the manufacturing method of the aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with the sealing material has the following steps It is characterized by.
(1) A step of opening a through hole in an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane (2) A step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material (3) An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane as a sealing material (4) The step of heating the sealing material at 140 ° C. or higher (5) The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is released from the mold for molding the sealing material. Step (6) Step of acid treatment of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material (7) Step of setting anode electrode and cathode electrode inside sealing material of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material (8) Heat pressing process

そして本発明によれば、シール性、耐久性、安全性が優れ、製造工程の簡略化によるコスト削減が可能なシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜およびシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法を提供でき、燃料電池の普及に貢献できる。   According to the present invention, an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material and an aromatic hydrocarbon membrane electrode with a sealing material, which are excellent in sealing performance, durability, and safety, and can be reduced in cost by simplifying the production process A method for producing a composite can be provided, which can contribute to the spread of fuel cells.

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明は、下記工程を有するシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜の製造方法である。
(1)芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程
(2)シール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程
(3)シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程
(4)140℃以上でシール材を加熱する工程
(5)シール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程
(6)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程
また本発明は、シール材の内側に電解質膜を挟むように一対の電極を設けたシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法において、シール材と電極の間隔が2mm以下、または電極の端部がシール材に重なっており、下記工程を有するシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法である。
(1)芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程
(2)シール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程
(3)シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程
(4)140℃以上でシール材を加熱する工程
(5)シール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程
(6)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程
(7)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材の内側にアノード電極とカソード電極をセットする工程
(8)加熱プレスする工程
まず、本発明中の芳香族炭化水素系電解質膜とは、芳香環にイオン性基が導入されたユニットを有する高分子材料を膜状に成形したものであり、芳香環に直接ではなくアルキレン基などを介して結合していてもよい。膜厚としては1μm〜300μmの範囲が好ましく、イオン伝導度と機械的強度のバランスから5μm〜60μmが好ましい。
The present invention is a method for producing an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material, comprising the following steps.
(1) A step of opening a through hole in an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane (2) A step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material (3) An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane as a sealing material (4) The step of heating the sealing material at 140 ° C. or higher (5) The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is released from the mold for molding the sealing material. Step (6) Step of acid-treating aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material The present invention also provides an aromatic hydrocarbon membrane with sealing material in which a pair of electrodes are provided so as to sandwich the electrolyte membrane inside the sealing material. In the method for producing an electrode composite, the gap between the seal material and the electrode is 2 mm or less, or the end of the electrode overlaps the seal material, and the method for producing an aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a seal material having the following steps It is.
(1) A step of opening a through hole in an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane (2) A step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material (3) An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane as a sealing material (4) The step of heating the sealing material at 140 ° C. or higher (5) The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is released from the mold for molding the sealing material. Step (6) Step of acid treatment of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material (7) Step of setting anode electrode and cathode electrode inside sealing material of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material (8) Step of heating and pressing First, the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in the present invention is a polymer material having a unit in which an ionic group is introduced into an aromatic ring, which is formed into a film shape. Not alkylene It may be bonded via a group or the like. The film thickness is preferably in the range of 1 μm to 300 μm, and preferably 5 μm to 60 μm from the balance of ionic conductivity and mechanical strength.

本発明中の芳香族炭化水素系電解質膜中には様々な特性向上の目的で芳香族炭化水素系高分子材料以外の材料が含まれていてもよいが、の芳香族炭化水素系高分子材料の割合は70重量%以上であることが本発明の製造工程における耐熱性、機械的強度の観点から好ましい。80%重量以上がより好ましく、90重量%以上がさらに好ましい。   The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in the present invention may contain materials other than the aromatic hydrocarbon polymer material for the purpose of improving various characteristics. Is preferably 70% by weight or more from the viewpoint of heat resistance and mechanical strength in the production process of the present invention. 80% by weight or more is more preferable, and 90% by weight or more is more preferable.

係るイオン性基としては、負電荷を有する原子団が好ましく、プロトン交換能を有するものが好ましい。このような官能基としては、スルホン酸基( −SO(OH) )、硫酸基( −OSO(OH) )、スルホンイミド基( −SONHSOR(Rは有機基を表す。) )、ホスホン酸基( −PO(OH) )、リン酸基( −OPO(OH) )、カルボン酸基( −CO(OH) )、およびこれらの塩等を好ましく採用することができる。これらのイオン性基は前記高分子材料中に2種類以上含むことができ、組み合わせることにより好ましくなる場合がある。組み合わせはポリマーの構造などにより適宜決められる。中でも、高プロトン伝導度の点から少なくともスルホン酸基、スルホンイミド基、硫酸基のいずれかを有することがより好ましく、耐加水分解性の点から少なくともスルホン酸基を有することが最も好ましい。スルホン酸基を有する場合、そのスルホン酸基密度は、プロトン伝導性と耐水性の点から0.1〜5.0mmol/gが好ましく、より好ましくは0.5〜3.5mmol/g、さらに好ましくは1.0〜3.5mmol/gである。スルホン酸基密度を0.1mmol/g以上とすることにより、高出力な燃料電池を得ることができ、また5.0mmol/g以下とすることで、たとえば、直接メタノール型燃料電池など液体燃料が直接接触するような燃料電池に使用する際に、電解質膜が燃料により過度に膨潤し溶出したり流出したりするのを防ぐことができる。 As such an ionic group, an atomic group having a negative charge is preferable, and one having proton exchange ability is preferable. Examples of such a functional group, a sulfonic acid group (-SO 2 (OH)), a sulfuric acid group (-OSO 2 (OH)), a sulfonimide group (-SO 2 NHSO 2 R (R represents an organic group.) ), A phosphonic acid group (—PO (OH) 2 ), a phosphoric acid group (—OPO (OH) 2 ), a carboxylic acid group (—CO (OH) 2), and salts thereof can be preferably employed. Two or more kinds of these ionic groups can be contained in the polymer material, and may be preferable by combining them. The combination is appropriately determined depending on the structure of the polymer. Among them, it is more preferable to have at least one of a sulfonic acid group, a sulfonimide group, and a sulfuric acid group from the viewpoint of high proton conductivity, and most preferable to have at least a sulfonic acid group from the viewpoint of hydrolysis resistance. In the case of having a sulfonic acid group, the density of the sulfonic acid group is preferably 0.1 to 5.0 mmol / g, more preferably 0.5 to 3.5 mmol / g, still more preferably from the viewpoint of proton conductivity and water resistance. Is 1.0 to 3.5 mmol / g. By setting the sulfonic acid group density to 0.1 mmol / g or more, a high-power fuel cell can be obtained, and by setting it to 5.0 mmol / g or less, for example, a liquid fuel such as a direct methanol fuel cell can be obtained. When used in a fuel cell that is in direct contact, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being excessively swollen by the fuel and eluting or flowing out.

ここで、スルホン酸基密度とは、高分子材料の単位乾燥重量当たりに導入されたスルホン酸基のモル量であり、この値が大きいほどスルホン化の度合いが高いことを示す。使用する高分子材料のスルホン酸基密度は、元素分析、中和滴定あるいは核磁気共鳴スペクトル法等により測定が可能である。スルホン酸基密度測定の容易さや精度の点で、元素分析が好ましく、通常はこの方法で分析を行う。ただし、スルホン酸基以外に硫黄源を含む場合など元素分析法では正確なスルホン酸基密度の算出が困難な場合には中和滴定法を用いるものとする。さらに、これらの方法でもスルホン酸基密度の決定が困難な場合においては、核磁気共鳴スペクトル法を用いることが可能である。   Here, the sulfonic acid group density is the molar amount of the sulfonic acid group introduced per unit dry weight of the polymer material, and the larger the value, the higher the degree of sulfonation. The sulfonic acid group density of the polymer material to be used can be measured by elemental analysis, neutralization titration, nuclear magnetic resonance spectroscopy or the like. Elemental analysis is preferable from the viewpoint of ease of measurement of sulfonic acid group density and accuracy, and analysis is usually performed by this method. However, the neutralization titration method is used when it is difficult to accurately calculate the sulfonic acid group density by the elemental analysis method such as when a sulfur source is included in addition to the sulfonic acid group. Furthermore, when it is difficult to determine the sulfonic acid group density by these methods, it is possible to use a nuclear magnetic resonance spectrum method.

芳香族炭化水素系電解質膜の具体例としては、機械的強度、燃料耐久性、耐熱性などの観点から、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリエーテルエーテルホスフィンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミダゾール、ポリオキサゾール、ポリフェニレンなどが挙げられる。2腫以上の混合物であっても差し支えない。   Specific examples of the aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane include polyphenylene oxide, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether sulfone, polyether ether sulfone, poly ether from the viewpoint of mechanical strength, fuel durability, heat resistance, and the like. Examples include ether phosphine oxide, polyether ether phosphine oxide, polyphenylene sulfide, polyamide, polyimide, polyetherimide, polyimidazole, polyoxazole, and polyphenylene. It can be a mixture of two or more tumors.

特に耐熱性や機械的強度の観点から芳香族炭化水素がポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミドであることが好ましい。   In particular, from the viewpoint of heat resistance and mechanical strength, the aromatic hydrocarbon is preferably polyether ketone, polyether sulfone, or polyimide.

また、これらのポリマーの一部にイオン性基を導入し電解質膜とする。これらの高分子材料にイオン性基を導入する方法については、重合体にイオン性基を導入してもよいし、イオン性基を有するモノマーを重合してもよい。重合体へのホスホン酸基の導入は、例えば、「ポリマー プレプリンツジャパン」(Polymer Preprints, Japan ), 51, 750 (2002). 等に記載の方法によって可能である。重合体へのリン酸基の導入は、例えば、ヒドロキシル基を有するポリマーのリン酸エステル化によって可能である。重合体へのカルボン酸基の導入は、例えば、アルキル基やヒドロキシアルキル基を有するポリマーを酸化することによって可能である。重合体へのスルホンイミド基の導入は、例えば、スルホン酸基を有するポリマーをアルキルスルホンアミドで処理するによって可能である。重合体への硫酸基の導入は、例えば、ヒドロキシル基を有するポリマーの硫酸エステル化によって可能である。重合体へのスルホン酸基の導入は例えば、重合体をクロロスルホン酸、濃硫酸、発煙硫酸と反応させる方法により行うことができる。これらの、イオン性基導入方法は、処理時間、濃度、温度などの条件を適宜選択することにより目的とするイオン性基密度に制御できる。   Moreover, an ionic group is introduced into a part of these polymers to form an electrolyte membrane. As for the method of introducing an ionic group into these polymer materials, an ionic group may be introduced into the polymer, or a monomer having an ionic group may be polymerized. Introduction of a phosphonic acid group into a polymer can be performed, for example, by a method described in “Polymer Preprints Japan”, 51, 750 (2002). Introduction of a phosphate group into the polymer is possible by, for example, phosphate esterification of a polymer having a hydroxyl group. Introduction of a carboxylic acid group into the polymer is possible by, for example, oxidizing a polymer having an alkyl group or a hydroxyalkyl group. Introduction of a sulfonimide group into the polymer is possible, for example, by treating a polymer having a sulfonic acid group with an alkylsulfonamide. The introduction of sulfate groups into the polymer is possible, for example, by sulfate esterification of a polymer having hydroxyl groups. The introduction of the sulfonic acid group into the polymer can be performed, for example, by a method in which the polymer is reacted with chlorosulfonic acid, concentrated sulfuric acid, or fuming sulfuric acid. These ionic group introduction methods can be controlled to a desired ionic group density by appropriately selecting conditions such as treatment time, concentration, and temperature.

また、イオン性基を有するモノマーを重合する方法としては、例えば、「ポリマー プレプリンツ」(Polymer Preprints), 41(1) (2000) 237. 等に記載の方法によって可能である。この方法により重合体を得る場合には、イオン性基の導入の度合いはイオン酸基を有するモノマーの仕込み比率により、容易に制御することができる。   In addition, as a method for polymerizing a monomer having an ionic group, for example, a method described in “Polymer Preprints”, 41 (1) (2000) 237. When a polymer is obtained by this method, the degree of introduction of ionic groups can be easily controlled by the charging ratio of monomers having ionic acid groups.

また使用する 香族炭化水素系電解質膜が非架橋構造を有する場合、重量平均分子量は1万〜500万が好ましく、より好ましくは3万〜100万である。重量平均分子量を1万以上とすることで、実用に供しうる機械的強度を得ることができる。該重量平均分子量はGPC法によって測定できる。   When the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane used has a non-crosslinked structure, the weight average molecular weight is preferably 10,000 to 5,000,000, more preferably 30,000 to 1,000,000. By setting the weight average molecular weight to 10,000 or more, it is possible to obtain mechanical strength that can be practically used. The weight average molecular weight can be measured by GPC method.

特にイオン性基としては、前述のようにスルホン酸基を有する芳香族炭化水素系電解質膜が最も好ましいが、スルホン酸基を有する高分子材料を使用する一例として、−SOM基(Mは金属)含有のポリマーを溶液状態より製膜し、その後高温で熱処理し溶媒を除去し、シール材を付与後、プロトン置換してシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜とする方法が挙げられる。前記の金属Mはスルホン酸と塩を形成しうるものであればよいが、価格および環境負荷の点からはLi、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Wなどが好ましく、これらの中でもLi、Na、K、Ca、Sr、Baがより好ましく、Li、Na、Kがさらに好ましい。これらの金属塩の状態で製膜することで高温での熱処理が可能となり、該方法は高ガラス転移点、低吸水率が得られる高分子材料系には好適である。 In particular, as the ionic group, an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane having a sulfonic acid group as described above is most preferable. However, as an example of using a polymer material having a sulfonic acid group, a —SO 3 M group (M is There is a method in which a polymer containing a metal) is formed from a solution state, then heat-treated at a high temperature to remove the solvent, and after providing a sealing material, proton substitution is performed to obtain an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material. The metal M may be any salt as long as it can form a salt with sulfonic acid, but Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, W, and the like are preferable. Among these, Li, Na, K, Ca, Sr, and Ba are more preferable, and Li, Na, and K are more preferable. Film formation in the state of these metal salts enables heat treatment at a high temperature, and this method is suitable for a polymer material system that can obtain a high glass transition point and a low water absorption rate.

また、イオン性基を含有しない高分子材料や微粒子、繊維、多孔質基材などと複合しても特に問題なく、耐熱性、耐水性から好ましい場合もある。   Further, there is no particular problem even if it is combined with a polymer material not containing an ionic group, fine particles, fibers, a porous base material, etc., and it may be preferable from heat resistance and water resistance.

次に本発明の製造工程について説明する。   Next, the manufacturing process of the present invention will be described.

芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程については、シール材を芳香族炭化水素系電解質膜と接着剤等を使用せずに一体化するために必要である。この貫通孔にシール材が充填され電解質膜の表裏でつながることにより一体化可能である。この貫通孔は芳香族炭化水素系電解質膜にシール材を付与する箇所、つまりシールする部分を囲むように設けるのが好ましいが、その間隔や直径および形状は使用するシール材や成形温度、シール部分の大きさなどによって適宜実験的に決定することが可能である。貫通孔を開ける手段としては従来公知の方法を用いる事ができ、打ち抜きポンチ、トムソン刃やカッティングプロッターなどが利用できる。   The step of opening the through hole in the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane is necessary to integrate the sealing material with the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane without using an adhesive or the like. The through holes can be integrated by being filled with a sealing material and connected to the front and back of the electrolyte membrane. This through hole is preferably provided so as to surround a portion where the sealing material is applied to the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane, that is, a portion to be sealed, but the interval, diameter and shape thereof are the sealing material used, molding temperature, and sealing portion. It can be determined experimentally as appropriate depending on the size of. As a means for opening the through hole, a conventionally known method can be used, and a punching punch, a Thomson blade, a cutting plotter, or the like can be used.

次にシール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程であるが、所定のシール材形状の凹部を有するシール材成形用の型を使用し、前記芳香族炭化水素系電解質膜に開けた貫通孔部分が凹部と重なるようにセットすることが好ましい。凹部の形状は特に限定されるものではなく目的に応じて決定できる。また上下の型の凹部が芳香族炭化水素系電解質膜に開けた貫通孔を覆うようにセットすることで凹部に流れ込んだシール材が電解質膜表裏に上に任意の形状の突起として形成される。シール材は貫通工を通して表裏でつながっておりシールする部分を囲むように形成すれば電解質が破れない限り、ずれたり、剥がれたりせず長期にわたるシール性を確保できる。またこの工程ではシール材成形用の型を100℃以上に加熱した状態で行うことが好ましい。加熱することで、後工程で必要な140℃以上に挙げる時間が短縮され、生産性が向上する。好ましくは、140℃以上であり、後工程での最高温度と同じ温度まで予熱しておくことがさらに好ましい。   Next, it is a step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material. The aromatic hydrocarbon electrolyte is used by using a mold for molding a sealing material having a recess having a predetermined sealing material shape. It is preferable to set so that the through-hole part opened in the film | membrane overlaps a recessed part. The shape of the recess is not particularly limited and can be determined according to the purpose. The upper and lower mold recesses are set so as to cover the through-holes opened in the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane, so that the sealing material that has flowed into the recesses is formed on the front and back surfaces of the electrolyte membrane as protrusions having an arbitrary shape. If the sealing material is connected to the front and back through a penetrating work so as to surround the portion to be sealed, the sealing material can be secured for a long time without slipping or peeling unless the electrolyte is broken. Moreover, it is preferable to carry out in this state in the state which heated the type | mold for sealing material formation to 100 degreeC or more. By heating, the time mentioned above 140 degreeC required in a post process is shortened, and productivity improves. The temperature is preferably 140 ° C. or higher, and more preferably preheated to the same temperature as the maximum temperature in the subsequent process.

シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程とは上記に記載した溝を有するシール材成型用型にシール材を任意の方法で流し込む工程のことであり通常公知の方法が利用できる。たとえば前述の特許文献WO−052614号公報に記載の圧力により吐出口からピストン方式で押し出すなどの方法が好ましい例として挙げられる。   The step of pouring the sealing material into the mold for molding the sealing material in which the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane is set refers to the step of pouring the sealing material into the sealing material molding die having the groove described above by an arbitrary method. There are usually known methods. For example, a preferable example is a method of pushing out from a discharge port by a piston method by the pressure described in the above-mentioned Patent Document WO-052614.

シール材としては、特に限定されないが、ジエン系もしくは非ジエン系の次のようなものを使用することができる。具体的には、天然ゴム、イソプレンゴム;合成天然ゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、イソブテンとイソプレンとのゴム状共重合体;ブチルゴム、スチレンとブタジエンとのゴム状共重合体、エチレンとプロピレンとのゴム状共重合体、エチレンとプロピレンとジエンとのゴム状共重合体、アクリロニトリルとブタジエンとのゴム状共重合体;ニトリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリル酸エチルまたは他のアクリル酸エステル類と加硫を可能にする少量の単量体とのゴム状共重合体;アクリルゴム、ポリクロロメチルオキシラン;エピクロロヒドリンゴム、エチレンオキシドとエピクロロヒドリンとのゴム状共重合体、フロオロ及びパーフルオロアルキルまたはパーフルオロアルコキシ基を側鎖に持つゴム状共重合体、四フッ化エチレンとプロピレンとのゴム状共重合体、ポリマー鎖にメチル置換基とビニル置換基とを持つシリコンゴム、ポリマー鎖にメチル置換基とビニルとフルオロ置換基とを持つシリコンゴム、ポリエステルウレタン、ポリエーテルウレタン、アクリル酸エチルまたは他のアクリル酸エステル類とエチレンとのゴム状共重合体、アクリル酸エチルまたは他のアクリル酸エステル類とアクリロニトリルとのゴム状共重合、水素化されたアクリロニトリルとブタジエンとのゴム状共重合体、カルボキシル化されたアクリロニトリルとブタジエンとのゴム状共重合体、ノルボルネンゴム、アクリルニトリルとブタジエンとイソプレンとのゴム状共重合体、臭素化されたイソブテンとイソプレンとのゴム状共重合体;臭素化ブチルゴム、塩素化されたイソブテンとイソプレンとのゴム状共重合体;塩素化ブチルゴム、エピクロロヒドリンとアリルグリシジルエーテルとのゴム状共重合体、エチレンオキシドとエピクロロヒドリンとアリルグリシジルエーテルとのゴム状共重合体、ポリマー鎖にメチル置換基を持つシリコンゴム;ポリジメチルシロキサン、ポリマー鎖にメチル置換基とフェニル置換基とを持つシリコンゴム、ポリマー鎖にメチル置換基ビニル置換基とフェニル置換基とを持つシリコンゴムなどがあげられる。   Although it does not specifically limit as a sealing material, The following things of a diene type or a non-diene type can be used. Specifically, natural rubber, isoprene rubber; synthetic natural rubber, butadiene rubber, chloroprene rubber, rubber-like copolymer of isobutene and isoprene; butyl rubber, rubber-like copolymer of styrene and butadiene, ethylene and propylene Rubbery copolymer, rubbery copolymer of ethylene, propylene and diene, rubbery copolymer of acrylonitrile and butadiene; added with nitrile rubber, chlorosulfonated polyethylene, ethyl acrylate or other acrylates Rubbery copolymer with a small amount of monomer enabling sulfurization; acrylic rubber, polychloromethyloxirane; epichlorohydrin rubber, rubbery copolymer of ethylene oxide and epichlorohydrin, fluoro and perfluoroalkyl Or a rubbery copolymer having a perfluoroalkoxy group in the side chain Rubber copolymer of tetrafluoroethylene and propylene, silicone rubber with methyl and vinyl substituents in the polymer chain, silicone rubber with methyl, vinyl and fluoro substituents in the polymer chain, polyester urethane , Polyether urethanes, rubbery copolymers of ethyl acrylate or other acrylic esters with ethylene, rubbery copolymers of ethyl acrylate or other acrylic esters with acrylonitrile, hydrogenated acrylonitrile and Rubber-like copolymer of butadiene, rubber-like copolymer of carboxylated acrylonitrile and butadiene, norbornene rubber, rubber-like copolymer of acrylonitrile, butadiene and isoprene, brominated isobutene and isoprene Rubbery copolymer; brominated butyl rubber, chlorinated Rubbery copolymer of isobutene and isoprene; chlorinated butyl rubber, rubbery copolymer of epichlorohydrin and allyl glycidyl ether, rubbery copolymer of ethylene oxide, epichlorohydrin and allyl glycidyl ether , Silicone rubber with methyl substituent in the polymer chain; Polydimethylsiloxane, Silicone rubber with methyl and phenyl substituents in the polymer chain, Silicone rubber with methyl and vinyl substituents and phenyl substituents in the polymer chain Etc.

これらのゴムは使用する燃料や使用条件によって適宜選択でき、2種以上の混合物や二層以上の積層で使用してもよい。コストとシール性、耐燃料性のバランスとしてはエチレンとプロピレンとジエン(EPDM)とのゴム状共重合体や四フッ化エチレンとプロピレンとのゴム状共重合体が好ましい例として挙げられる。   These rubbers can be appropriately selected depending on the fuel to be used and use conditions, and may be used in a mixture of two or more kinds or in a laminate of two or more layers. Preferred examples of the balance between cost, sealability and fuel resistance include rubbery copolymers of ethylene, propylene and diene (EPDM) and rubbery copolymers of ethylene tetrafluoride and propylene.

本発明においては、シール材成形用の型に流し込まれたシール材は、140℃以上で加熱する必要がある。これによりシール材の架橋などの反応が促進され、機械的強度、耐水性、耐久性が付与される。好ましくは150℃以上、さらに好ましは160℃以上が架橋を確実に行える点で好ましく、架橋時間を短時間にすることができ生産性の観点からも好ましい。ここでの架橋とは、熱に対しての流動性が実質的に無い状態か、溶剤に対して実質的に不溶の状態を意味する。本発明においての架橋の判定は、溶剤に対して実質的に不溶であるかどうかで行い、具体的には次の方法で判定できる。例えば、検体となる高分子電解質材(約0.1g)を純水で洗浄した後、40℃で24時間真空乾燥して重量を測定する。高分子電解質材を100倍重量の溶剤に浸漬し、密閉容器中、撹拌しながら70℃、40時間加熱する。次に、アドバンテック社製濾紙(No.2)を用いて濾過を行う。濾過時に100倍重量の同一溶剤で濾紙と残渣を洗浄し、十分に溶出物を溶剤中に溶出させる。濾液を乾固させ、溶出分の重量を求める。溶出重量が初期重量の10%未満の場合は、その溶剤に対して実質的に不溶と判定する。この試験を水、メタノールの2種類の溶剤について行い、全ての溶剤で実質的に不溶と判定された場合に、その高分子電解質材は架橋構造であると判定する。   In the present invention, the sealing material poured into the mold for molding the sealing material needs to be heated at 140 ° C. or higher. As a result, a reaction such as crosslinking of the sealing material is promoted, and mechanical strength, water resistance, and durability are imparted. It is preferably 150 ° C. or higher, more preferably 160 ° C. or higher in terms of reliably performing crosslinking, and the crosslinking time can be shortened, which is also preferable from the viewpoint of productivity. The term “crosslinking” as used herein means a state in which there is substantially no fluidity to heat or a state insoluble in a solvent. The determination of crosslinking in the present invention is performed based on whether or not it is substantially insoluble in a solvent, and can be specifically determined by the following method. For example, a polymer electrolyte material (about 0.1 g) serving as a specimen is washed with pure water and then vacuum-dried at 40 ° C. for 24 hours to measure the weight. The polymer electrolyte material is immersed in a 100-fold weight solvent and heated in a sealed container at 70 ° C. for 40 hours with stirring. Next, filtration is performed using filter paper (No. 2) manufactured by Advantech. During filtration, the filter paper and the residue are washed with the same solvent of 100 times weight, and the eluate is sufficiently eluted in the solvent. Dry the filtrate and determine the weight of the elution. When the elution weight is less than 10% of the initial weight, it is determined to be substantially insoluble in the solvent. This test is performed on two types of solvents, water and methanol, and when it is determined that all the solvents are substantially insoluble, it is determined that the polymer electrolyte material has a crosslinked structure.

また、シール材成形用の型から離型することなくシール材成形用の型ごと加熱することが生産性の観点から好ましいが、シール材成形用型から離型したのち架橋のための加熱を行ってもよいし、加熱に加え、放射線、紫外線、電子線などの照射を行っても良い。   In addition, it is preferable from the viewpoint of productivity that the entire mold for sealing material is heated without being released from the mold for molding the seal material, but after the mold is released from the mold for molding the seal material, heating for crosslinking is performed. Alternatively, in addition to heating, irradiation with radiation, ultraviolet rays, electron beams, or the like may be performed.

140℃以上での加熱時間は特に限定されないが生産性、および電解質膜の熱劣化防止の観点から30分以内が好ましく、15分以内が好ましい。30分以上の加熱は電解質膜の熱劣化を引き起こす可能性がある。   The heating time at 140 ° C. or higher is not particularly limited, but is preferably within 30 minutes, preferably within 15 minutes from the viewpoint of productivity and prevention of thermal deterioration of the electrolyte membrane. Heating for 30 minutes or more may cause thermal deterioration of the electrolyte membrane.

また、芳香族炭化水素系電解質膜でないパーフルオロ系電解質膜などではこの加熱工程で劣化したり、変形したりし、予熱したシール材成形用の型にセットするような工程をとるのは不可能である。   In addition, perfluoro electrolyte membranes that are not aromatic hydrocarbon electrolyte membranes cannot be subjected to a process that deteriorates or deforms in this heating process and is set in a preheated sealing material mold. It is.

次にシール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程であるが、型からの離型する方法は特に限定されず通常公知の方法が使用できる。この時シール材が型と密着して離型しにくい場合は圧搾空気や水など使用したり、あらかじめシール材が触れる部分に離型剤を塗布したり離型フィルムを貼り付けたりするなどの方法をとってもよい。   Next, it is a step of releasing the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material from the mold for forming the sealing material, but the method of releasing from the mold is not particularly limited, and generally known methods can be used. At this time, if the sealing material is in close contact with the mold and is difficult to release, use compressed air or water, or apply a release agent or attach a release film to the part that the sealing material touches in advance You may take

シール材成形用の型は加熱した状態のままでも、冷却した後でもよいが、生産性の観点からはシール材成形用の型は加熱した状態が好ましい。   The sealing material molding die may remain in the heated state or after cooling, but from the viewpoint of productivity, the sealing material molding die is preferably in a heated state.

次にシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程について説明する。   Next, the process of acid-treating the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material will be described.

具体的にはシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を塩酸、硫酸、硝酸、酢酸などと接触させる工程である。接触方法は通常公知の方法が採用でき、シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸溶液に浸漬してもよいし、酸溶液をシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜に散布してもよい。この工程は、たとえばスルホン酸基をアルカリ金属塩のままシール材を付与した場合のプロトン交換や、シール材成形用の型やシール材から付着、溶出した不純物を取り除くのに有効である。ここでの処理温度や酸濃度、処理時間、処理方法などは適宜実験的に決めることができ、酸処理を促進する目的で、加熱したりアルコール類などの有機溶剤を添加したりしてもよい。   Specifically, this is a step of bringing an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material into contact with hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, acetic acid or the like. As the contact method, a generally known method can be adopted, and the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material may be immersed in an acid solution, or the acid solution may be sprayed onto the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material. Good. This step is effective for, for example, proton exchange when a sealing material is applied with an alkali metal salt of a sulfonic acid group, and for removing impurities adhering to and eluting from a mold for molding a sealing material or a sealing material. The treatment temperature, acid concentration, treatment time, treatment method, and the like here can be appropriately determined experimentally, and may be heated or an organic solvent such as alcohols may be added for the purpose of promoting acid treatment. .

また、酸処理後は酸が残留しないように水などで洗浄することが好ましく、洗浄液のpHが6以上までが次工程の酸腐食の観点から好ましい。   Moreover, it is preferable to wash with water or the like so that no acid remains after the acid treatment, and the pH of the cleaning liquid is preferably up to 6 or more from the viewpoint of acid corrosion in the next step.

本発明のシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材を額縁上に形成し、その内側に電解質膜を挟むように一対の電極を接合することによりシール材付き膜電極複合体を作製できる。   A sealing material for an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material of the present invention is formed on a frame, and a pair of electrodes are joined so as to sandwich the electrolyte membrane inside the membrane electrode composite with a sealing material can be produced. .

次に、本発明のシート付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を説明する。   Next, the aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a sheet of the present invention will be described.

電極の形成は公知の方法を利用できるが、シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材と電極の間隔は2mm以下である。2mm以下とは、電極の端部がシール材に重なった状態も含む。シール材と電極の間隔が2mm以下であれば、電解質膜が燃料によって膨潤しても変形によって電解質膜が破れにくく耐久性が向上する。好ましくは1mm以下さらに好ましくは0mmであり、0mmでは電解質膜部分が直接、燃料に暴露されないため、さらに耐久性が向上する。0mmにするのが製造工程上困難な場合、電極の端部がシール材に重なってもよい。この場合、シール材の形状は、電極が重なる部分を他の箇所より薄くする設計が好ましい。   A known method can be used to form the electrode, but the distance between the sealing material and the electrode of the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is 2 mm or less. The term “2 mm or less” includes a state in which the end of the electrode overlaps the sealing material. If the distance between the sealing material and the electrode is 2 mm or less, even if the electrolyte membrane swells with fuel, the electrolyte membrane is hardly broken by deformation and durability is improved. The thickness is preferably 1 mm or less, more preferably 0 mm. At 0 mm, the electrolyte membrane portion is not directly exposed to the fuel, so that the durability is further improved. If it is difficult to make the thickness 0 mm in the manufacturing process, the end of the electrode may overlap the sealing material. In this case, the shape of the sealing material is preferably designed so that the portion where the electrodes overlap is thinner than the other portions.

電極の形成は、触媒転写シートや直接塗工により触媒層をシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜に設けてからガス拡散電極基材を積層してもよいし、触媒層を設けたガス拡散電極基材を直接シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜に貼り付けてもよい。また、触媒層とシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜の間に発電時の界面抵抗を低減するための接着層を設けてもよい。   The electrode may be formed by stacking the gas diffusion electrode substrate after the catalyst layer is provided on the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material by catalyst transfer sheet or direct coating, or gas diffusion with the catalyst layer provided. The electrode base material may be directly attached to the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material. Further, an adhesive layer for reducing the interface resistance during power generation may be provided between the catalyst layer and the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material.

かかる電極は、触媒層および電極基材からなるものである。ここでいう触媒層は、電極反応を促進する触媒、電子伝導体、イオン伝導体などを含む層である。かかる触媒層に含まれる触媒としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金などの貴金属触媒が好ましく用いられる。これらの内の1種類を単独で用いてもよいし、合金、混合物など、2種類以上を併用してもよい。   Such an electrode comprises a catalyst layer and an electrode substrate. The catalyst layer here is a layer containing a catalyst for promoting an electrode reaction, an electron conductor, an ion conductor, and the like. As the catalyst contained in the catalyst layer, for example, a noble metal catalyst such as platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold is preferably used. One of these may be used alone, or two or more of them, such as alloys and mixtures, may be used in combination.

また、触媒層に電子伝導体(導電材)を使用する場合は、電子伝導性や化学的な安定性の点から炭素材料、無機導電材料が好ましく用いられる。なかでも、非晶質、結晶質の炭素材料が挙げられる。例えば、チャネルブラック、サーマルブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが電子伝導性と比表面積の大きさから好ましく用いられる。ファーネスブラックとしては、キャボット社製バルカン(登録商標)XC−72R、バルカン(登録商標)P、ブラックパールズ(登録商標)880、ブラックパールズ(登録商標)1100、ブラックパールズ(登録商標)1300、ブラックパールズ(登録商標)2000、リーガル(登録商標)400、ケッチェンブラック・インターナショナル社製ケッチェンブラック(登録商標)EC、EC600JD、三菱化学社製#3150、#3250などが挙げられ、アセチレンブラックとしては電気化学工業社製デンカブラック(登録商標)などが挙げられる。またカーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素なども使用することができる。これらの炭素材料の形態としては、不定形粒子状のほか繊維状、鱗片状、チューブ状、円錐状、メガホン状のものも用いることができる。また、これら炭素材料を後処理加工したものを用いてもよい。   Moreover, when using an electronic conductor (conductive material) for a catalyst layer, a carbon material and an inorganic conductive material are preferably used from the point of electronic conductivity or chemical stability. Among these, amorphous and crystalline carbon materials are mentioned. For example, carbon black such as channel black, thermal black, furnace black, and acetylene black is preferably used because of its electron conductivity and specific surface area. Furnace Black includes Vulcan (registered trademark) XC-72R, Vulcan (registered trademark) P, Black Pearls (registered trademark) 880, Black Pearls (registered trademark) 1100, Black Pearls (registered trademark) 1300, Black Pearls manufactured by Cabot Corporation. (Registered Trademark) 2000, Regal (Registered Trademark) 400, Ketjen Black International (trademark) EC, EC600JD, Mitsubishi Chemical Corporation # 3150, # 3250, and the like are listed. Examples include Denka Black (registered trademark) manufactured by Chemical Industries. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, and furan resin can also be used. As the form of these carbon materials, in addition to irregular particles, fibers, scales, tubes, cones, and megaphones can also be used. Moreover, you may use what post-processed these carbon materials.

また、電子伝導体を使用する場合は、触媒粒子と均一に分散していることが電極性能の点で好ましい。このため、触媒粒子と電子伝導体は予め塗液として良く分散しておくことが好ましい。さらに、触媒層として、触媒と電子伝導体とが一体化した触媒担持カーボン等を用いることも好ましい実施態様である。この触媒担持カーボンを用いることにより、触媒の利用効率が向上し、電池性能の向上および低コスト化に寄与できる。ここで、触媒層に触媒担持カーボンを用いた場合においても、電子伝導性をさらに高めるために導電剤を添加することも可能である。このような導電剤としては、上述のカーボンブラックが好ましく用いられる。   Moreover, when using an electronic conductor, it is preferable from the point of electrode performance that it is disperse | distributing uniformly with a catalyst particle. For this reason, it is preferable that the catalyst particles and the electron conductor are well dispersed in advance as a coating liquid. Furthermore, it is also a preferred embodiment to use catalyst-supporting carbon or the like in which the catalyst and the electron conductor are integrated as the catalyst layer. By using this catalyst-supporting carbon, the utilization efficiency of the catalyst is improved, which can contribute to the improvement of battery performance and cost reduction. Here, even when catalyst-supported carbon is used for the catalyst layer, a conductive agent can be added to further increase the electron conductivity. As such a conductive agent, the above-described carbon black is preferably used.

触媒層に用いられるイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)としては、一般的に、種々の有機、無機材料が公知であるが、燃料電池に用いる場合には、イオン伝導性を向上するスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン性基を有するポリマー(イオン伝導性ポリマー)が好ましく用いられる。なかでも、イオン性基の安定性の観点から、フルオロアルキルエーテル側鎖とフルオロアルキル主鎖とから構成されるイオン伝導性を有するポリマー、あるいは本発明の高分子電解質材料が好ましく用いられる。パーフルオロ系イオン伝導性ポリマーとしては、例えばデュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭化成社製のAciplex(登録商標)、旭硝子社製フレミオン(登録商標)などが好ましく用いられる。これらのイオン伝導性ポリマーは、溶液または分散液の状態で触媒層中に設ける。この際に、ポリマーを溶解あるいは分散化する溶媒は特に限定されるものではないが、イオン伝導性ポリマーの溶解性の点から極性溶媒が好ましい。また、前述した電解質膜として好ましい炭化水素系高分子材料も、触媒層中のイオン伝導性を有する物質(イオン伝導体)に好適に使用できる。特に、メタノール水溶液やメタノールを燃料にする燃料電池の場合、耐メタノール性の観点から前述した炭化水素系高分子材料が耐久性などに効果的な場合がある。   As the substance having ion conductivity (ion conductor) used in the catalyst layer, various organic and inorganic materials are generally known. However, when used in a fuel cell, sulfone which improves ion conductivity. A polymer having an ionic group such as an acid group, a carboxylic acid group, or a phosphoric acid group (ion conductive polymer) is preferably used. Among these, from the viewpoint of the stability of the ionic group, a polymer having ion conductivity composed of a fluoroalkyl ether side chain and a fluoroalkyl main chain, or the polymer electrolyte material of the present invention is preferably used. As the perfluoro-based ion conductive polymer, for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and the like are preferably used. These ion conductive polymers are provided in the catalyst layer in a solution or dispersion state. At this time, the solvent for dissolving or dispersing the polymer is not particularly limited, but a polar solvent is preferable from the viewpoint of the solubility of the ion conductive polymer. Moreover, the hydrocarbon-based polymer material preferable as the electrolyte membrane described above can also be suitably used as a substance (ion conductor) having ion conductivity in the catalyst layer. In particular, in the case of a fuel cell using methanol aqueous solution or methanol as a fuel, the above-described hydrocarbon polymer material may be effective in durability from the viewpoint of methanol resistance.

前記、触媒と電子伝導体類は通常粉体であるので、イオン伝導体はこれらを固める役割を担うことが通常である。イオン伝導体は、触媒層を作製する際に触媒粒子と電子伝導体とを主たる構成物質とする塗液に予め添加し、均一に分散した状態で塗布することが電極性能の点から好ましいものである。触媒層に含まれるイオン伝導体の量としては、要求される電極特性や用いられるイオン伝導体の伝導度などに応じて適宜決められるべきものであり、特に限定されるものではないが、重量比で1〜80%の範囲が好ましく、5〜50%の範囲がさらに好ましい。イオン伝導体は、少な過ぎる場合はイオン伝導度が低く、多過ぎる場合はガス透過性を阻害する点で、いずれも電極性能を低下させることがある。   Since the catalyst and the electronic conductors are usually powders, the ionic conductor usually plays a role of solidifying them. It is preferable from the viewpoint of electrode performance that the ionic conductor is added in advance to a coating liquid containing catalyst particles and an electronic conductor as main constituents when the catalyst layer is prepared, and is applied in a uniformly dispersed state. is there. The amount of the ionic conductor contained in the catalyst layer should be appropriately determined according to the required electrode characteristics and the conductivity of the ionic conductor used, and is not particularly limited, but the weight ratio The range of 1 to 80% is preferable, and the range of 5 to 50% is more preferable. When the ion conductor is too small, the ion conductivity is low, and when it is too much, the gas permeability may be hindered.

かかる触媒層には、上記の触媒、電子伝導体、イオン伝導体の他に、種々の物質を含んでいてもよい。特に、触媒層中に含まれる物質の結着性を高めるために、上述のイオン伝導性ポリマー以外のポリマーを含んでもよい。このようなポリマーとしては例えば、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)などのフッ素原子を含むポリマー、これらの共重合体、これらのポリマーを構成するモノマー単位とエチレンやスチレンなどの他のモノマーとの共重合体、あるいは、ブレンドポリマーなどを用いることができる。これらポリマーの触媒層中の含有量としては、重量比で5〜40%の範囲が好ましい。ポリマー含有量が多すぎる場合、電子およびイオン抵抗が増大し電極性能が低下する傾向がある。   Such a catalyst layer may contain various substances in addition to the catalyst, the electron conductor, and the ionic conductor. In particular, in order to improve the binding property of the substance contained in the catalyst layer, a polymer other than the above-described ion conductive polymer may be included. Examples of such a polymer include fluorine atoms such as polyvinyl fluoride (PVF), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene (FEP), polytetrafluoroethylene, and polyperfluoroalkyl vinyl ether (PFA). These copolymers, copolymers of monomer units constituting these polymers and other monomers such as ethylene and styrene, or blend polymers can be used. The content of these polymers in the catalyst layer is preferably in the range of 5 to 40% by weight. When there is too much polymer content, there exists a tendency for an electronic and ionic resistance to increase and for electrode performance to fall.

また、触媒層は、燃料が液体や気体の場合には、その液体や気体が透過しやすい構造を有していることが好ましく、電極反応に伴う副生成物質の排出も促す構造が好ましい。   In addition, when the fuel is a liquid or gas, the catalyst layer preferably has a structure in which the liquid or gas easily permeates, and preferably has a structure that promotes the discharge of by-products due to the electrode reaction.

また、電極基材としては、電気抵抗が低く、集電あるいは給電を行えるものを用いることができる。また、前記触媒層を集電体兼用で使用する場合は、特に電極基材を用いなくてもよい。電極基材の構成材としては、たとえば、炭素質、導電性無機物質が挙げられ、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどが例示される。これらの、形態は特に限定されず、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、燃料透過性の点から炭素繊維などの繊維状導電性物質(導電性繊維)が好ましい。導電性繊維を用いた電極基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造も使用可能である。たとえば、東レ(株)製カーボンペーパーTGPシリーズ、SOシリーズ、E-TEK社製カーボンクロスなどが用いられる。かかる織布としては、平織、斜文織、朱子織、紋織、綴織など、特に限定されること無く用いられる。また、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、スパンボンド法、ウォータージェットパンチ法、メルトブロー法によるものなど特に限定されること無く用いられる。また編物であってもよい。これらの布帛において、特に炭素繊維を用いた場合、耐炎化紡績糸を用いた平織物を炭化あるいは黒鉛化した織布、耐炎化糸をニードルパンチ法やウォータージェットパンチ法などによる不織布加工した後に炭化あるいは黒鉛化した不織布、耐炎化糸あるいは炭化糸あるいは黒鉛化糸を用いた抄紙法によるマット不織布などが好ましく用いられる。特に、薄く強度のある布帛が得られる点から不織布、やクロスを用いるのが好ましい。   Moreover, as an electrode base material, an electrical resistance is low and what can collect or supply electric power can be used. Further, when the catalyst layer is used also as a current collector, it is not necessary to use an electrode substrate. Examples of the constituent material of the electrode base material include carbonaceous and conductive inorganic substances. For example, a fired body from polyacrylonitrile, a fired body from pitch, a carbon material such as graphite and expanded graphite, stainless steel, molybdenum And titanium. These forms are not particularly limited, and are used, for example, in the form of fibers or particles. From the viewpoint of fuel permeability, fibrous conductive materials (conductive fibers) such as carbon fibers are preferable. As an electrode base material using conductive fibers, either a woven fabric or a non-woven fabric structure can be used. For example, carbon paper TGP series, SO series manufactured by Toray Industries, Inc., carbon cloth manufactured by E-TEK, etc. are used. Examples of the woven fabric include plain weave, oblique weaving, satin weaving, crest weaving, binding weaving, and the like. Moreover, as a nonwoven fabric, it does not specifically limit, such as a paper making method, a needle punch method, a spun bond method, a water jet punch method, and a melt blow method. It may also be a knitted fabric. In these fabrics, especially when carbon fibers are used, a plain fabric using flame-resistant spun yarn is carbonized or graphitized woven fabric, and the flame-resistant yarn is carbonized after being processed into a nonwoven fabric by the needle punch method or water jet punch method. Alternatively, a graphitized nonwoven fabric, a flameproof yarn, a carbonized yarn, or a mat nonwoven fabric by a paper making method using a graphitized yarn is preferably used. In particular, it is preferable to use a nonwoven fabric or cloth from the viewpoint of obtaining a thin and strong fabric.

かかる電極基材に用いられる炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などがあげられる。   Examples of the carbon fiber used for the electrode substrate include polyacrylonitrile (PAN) carbon fiber, phenolic carbon fiber, pitch carbon fiber, and rayon carbon fiber.

また、かかる電極基材には、水の滞留によるガス拡散・透過性の低下を防ぐための撥水処理や、水の排出路を形成するための部分的撥水、親水処理や、抵抗を下げるための炭素粉末の添加等を行うこともできる。また、電極基材と触媒層の間に、少なくとも無機導電性物質と疎水性ポリマーを含む導電性中間層を設けることもできる。特に、電極基材が空隙率の大きい炭素繊維織物や不織布である場合、導電性中間層を設けることで、触媒層が電極基材にしみ込むことによる性能低下を抑えることができる。   In addition, the electrode base material has a water repellent treatment for preventing gas diffusion / permeability deterioration due to water retention, a partial water repellent treatment for forming a water discharge path, a hydrophilic treatment, and a resistance reduction. For example, carbon powder can be added. Further, a conductive intermediate layer containing at least an inorganic conductive substance and a hydrophobic polymer can be provided between the electrode substrate and the catalyst layer. In particular, when the electrode base material is a carbon fiber woven fabric or a nonwoven fabric having a large porosity, by providing the conductive intermediate layer, it is possible to suppress performance degradation due to the catalyst layer soaking into the electrode base material.

本発明のシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を燃料流路や燃料取り込み口を設けたセパレーターや集電体で挟み、これらをネジによる締め付けや、かしめることで固定することにより燃料電池が作製できる。燃料は電極部分に流れるがその燃料が電解質膜と一体化されたシール材によりシールされる。   The aromatic hydrocarbon membrane electrode assembly with a sealing material of the present invention is sandwiched between a separator and a current collector provided with a fuel flow path and a fuel intake port, and these are fixed by tightening with screws or caulking. A battery can be produced. The fuel flows to the electrode portion, but the fuel is sealed by a sealing material integrated with the electrolyte membrane.

本発明のシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜および本発明のシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を使用した燃料電池の用途としては、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ(カムコーダー)、デジタルカメラ、ハンディターミナル、RFIDリーダー、デジタルオーディオプレーヤー、各種ディスプレー類などの携帯機器、電動シェーバー、掃除機等の家電、電動工具、家庭用電力供給機、乗用車、バスおよびトラックなどの自動車、二輪車、電動アシスト付自転車、電動カート、電動車椅子や船舶および鉄道などの移動体、各種ロボットなどの電力供給源として好ましく用いられる。特に携帯用機器では、電力供給源だけではなく、携帯機器に搭載した二次電池の充電用にも使用され、さらには二次電池やキャパシタ、太陽電池と併用するハイブリッド型電力供給源としても好適に利用できる。   Applications of the fuel cell using the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material of the present invention and the aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a sealing material of the present invention include cell phones, personal computers, PDAs, video cameras (camcorders). ), Portable devices such as digital cameras, handy terminals, RFID readers, digital audio players, various displays, home appliances such as electric shavers and vacuum cleaners, electric tools, household power supply machines, cars such as passenger cars, buses and trucks, It is preferably used as a power supply source for motorcycles, bicycles with electric assist, electric carts, electric wheelchairs, moving bodies such as ships and railways, and various robots. Especially in portable devices, it is used not only for power supply sources, but also for charging secondary batteries installed in portable devices, and also suitable as a hybrid power supply source used in combination with secondary batteries, capacitors, and solar cells. Available to:

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、これらの例は本発明をよりよく理解するためのものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, these examples are for understanding this invention better, and this invention is not limited to these.

実施例中の物性は下記に示す方法で測定した。   The physical properties in the examples were measured by the following methods.

(1)スルホン酸基密度
25℃の純水中で24時間以上撹拌洗浄したのち、100℃で24時間真空乾燥した後精製、乾燥後のポリマーについて、元素分析により測定した。C、H、Nの分析は、全自動元素分析装置varioELで、また、Sの分析はフラスコ燃焼法・酢酸バリウム滴定、Pの分析についてはフラスコ燃焼法・リンバナドモリブデン酸比色法で実施した。それぞれのポリマーの組成比から単位グラムあたりのスルホン酸基密度(mmol/g)を算出した。
(1) Density of sulfonic acid group After stirring and washing in pure water at 25 ° C. for 24 hours or more, vacuum drying was performed at 100 ° C. for 24 hours, and then the purified and dried polymer was measured by elemental analysis. Analysis of C, H, and N was performed by a fully automatic elemental analyzer varioEL, analysis of S was performed by flask combustion method / barium acetate titration, and analysis of P was performed by flask combustion method / phosphovanadomolybdic acid colorimetric method. . The sulfonic acid group density per unit gram (mmol / g) was calculated from the composition ratio of each polymer.

(2)重量平均分子量
ポリマーの重量平均分子量をGPCにより測定した。紫外検出器と示差屈折計の一体型装置として東ソー製HLC−8022GPCを、またGPCカラムとして東ソー製TSK gel SuperHM−H(内径6.0mm、長さ15cm)2本を用い、N−メチル−2−ピロリドン溶媒(臭化リチウムを10mmol/L含有するN−メチル−2−ピロリドン溶媒)にて、流量0.2mL/minで測定し、標準ポリスチレン換算により重量平均分子量を求めた。
(2) Weight average molecular weight The weight average molecular weight of the polymer was measured by GPC. Using Tosoh HLC-8022GPC as an integrated device of ultraviolet detector and differential refractometer, and two Tosoh TSK gel SuperHM-H (inner diameter 6.0 mm, length 15 cm) as GPC columns, N-methyl-2 -Measured with a pyrrolidone solvent (N-methyl-2-pyrrolidone solvent containing 10 mmol / L of lithium bromide) at a flow rate of 0.2 mL / min, and the weight average molecular weight was determined in terms of standard polystyrene.

(3)膜厚
ミツトヨ製グラナイトコンパレータスタンドBSG−20にセットしたミツトヨ製ID−C112型を用いて測定した。
(3) Film thickness It measured using Mitutoyo ID-C112 type | mold set to Mitutoyo granite comparator stand BSG-20.

実施例1
芳香族炭化水素系電解質膜としてスルホン酸化ポリエーテルケトンのK塩からなる膜(スルホン酸基密度1.5mmol/g相当、重量平均分子量20万、膜厚30μm)を準備し、トムソン型で図1のように電解質膜1に貫通孔2を開けた。
Example 1
As an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane, a membrane made of a sulfonated polyetherketone K salt (equivalent to a sulfonic acid group density of 1.5 mmol / g, a weight average molecular weight of 200,000, a film thickness of 30 μm) was prepared. The through-hole 2 was opened in the electrolyte membrane 1 as described above.

次に、シール材形成用の型に貫通孔を開けた芳香族炭化水素系電解質膜をセットしたイメージ断面図(図2)を用いて説明する。160℃に予熱した一対のシール材成形用の下型4およびシール材成形用の上型5で、電解質膜1に開けた貫通孔2がシール材形成用溝3の上に来るよう挟み込んだ。シール材成形用の上型にはシール材原料7を溜める窪み部分を設け、その窪み部分とシール材形成用の溝がシール材原料供給口8でつながっている。   Next, description will be made with reference to an image cross-sectional view (FIG. 2) in which an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane having through holes is set in a mold for forming a sealing material. The pair of lower mold 4 for sealing material molding and upper mold 5 for molding the sealing material preheated to 160 ° C. was sandwiched so that the through-hole 2 opened in the electrolyte membrane 1 was on the sealing material forming groove 3. The upper mold for molding the sealing material is provided with a recessed portion for storing the sealing material raw material 7, and the recessed portion and the groove for forming the sealing material are connected by the sealing material raw material supply port 8.

次に、シール材として未架橋のEPDMを該窪みに投入し流動化させた後、窪み部分をピストン状に押すことのできる、シール材原料を押さえる型6をセットし、プレス機に投入しプレス圧50MPaで5分間保持することでEPDMを架橋した。   Next, after putting uncrosslinked EPDM as a sealing material into the recess and fluidizing it, a mold 6 that can press the recess portion into a piston shape and holding the raw material of the sealing material is set and put into a press machine. The EPDM was crosslinked by holding at a pressure of 50 MPa for 5 minutes.

次に、プレス機よりシール材成形用の型を取り出し、シール材成形用の型シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を取り出した。   Next, the mold for molding the sealing material was taken out from the press machine, and the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the mold sealing material for molding the sealing material was taken out.

次に、該シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を25℃の1Nの塩酸に12時間浸漬しプロトン交換した後、洗浄液が中性になるまで水で洗浄した。   Next, the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material was immersed in 1N hydrochloric acid at 25 ° C. for 12 hours for proton exchange, and then washed with water until the washing solution became neutral.

次に、2枚の炭素繊維クロス基材に20%四フッ化エチレン溶液にて撥水処理を行ったのち、四フッ化エチレンを20%含むカーボンブラック分散液を塗工し、焼成して電極基材を作製した。   Next, two carbon fiber cloth base materials were subjected to a water repellent treatment with a 20% ethylene tetrafluoride solution, and then a carbon black dispersion containing 20% ethylene tetrafluoride was applied and baked to form an electrode. A substrate was prepared.

1枚の電極基材上に、Pt−Ru担持カーボンと“ナフィオン(登録商標)”溶液とからなるアノード電極触媒塗液を塗工し、乾燥してアノード電極を作製した。   On one electrode substrate, an anode electrode catalyst coating solution composed of Pt—Ru-supported carbon and “Nafion (registered trademark)” solution was applied and dried to prepare an anode electrode.

また、もう1枚の電極基材上に、Pt担持カーボンと“ナフィオン(登録商標)”溶液とからなるカソード電極触媒塗液を塗工し、乾燥して、カソード電極を作製した。   On the other electrode substrate, a cathode electrode catalyst coating solution composed of Pt-supported carbon and a “Nafion (registered trademark)” solution was applied and dried to prepare a cathode electrode.

上記で得られたシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材の内側にアノード電極とカソード電極をセットし100℃、3MPaで5分間加熱プレスすることでシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を作製した。このときのシール材と電極の間隔は0mmに設定した。   An aromatic hydrocarbon membrane with a sealant is prepared by setting an anode electrode and a cathode electrode inside the sealant of an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealant obtained above and heating and pressing at 100 ° C. and 3 MPa for 5 minutes. An electrode composite was prepared. The distance between the sealing material and the electrode at this time was set to 0 mm.

膜電極複合体をセパレーターに挟み、アノード側に1Mメタノール水溶液を1ml/minの速度で供給し、カソード側は自然吸気で燃料を供給したところ燃料漏れは観察されず、6ヶ月後も燃料漏れが発生せず、良好なシール性を示した。   When a membrane electrode assembly is sandwiched between separators, 1M methanol aqueous solution is supplied to the anode side at a rate of 1 ml / min, and fuel is supplied to the cathode side by natural aspiration, no fuel leakage is observed, and fuel leakage occurs after 6 months. It did not occur and showed good sealing properties.

実施例2
実施例1の芳香族炭化水素系電解質膜をスルホン酸化ポリエーテルスルホンのNa塩からなる膜(スルホン酸基密度1.0mmol/g相当、重量平均分子量20万、膜厚30μm)に変更し、カッティングプロッターで貫通孔を開けた以外は同様にシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を得た。得られたシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材の内側にアノード電極とカソード電極をセットし100℃、3MPaで5分間加熱プレスすることでシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を作製した。このときのシール材と電極の間隔は2.0mmに設定した。
Example 2
The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane of Example 1 was changed to a membrane made of Na salt of sulfonated polyethersulfone (sulfonic acid group density equivalent to 1.0 mmol / g, weight average molecular weight 200,000, film thickness 30 μm) and cutting. An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealant was obtained in the same manner except that the through hole was opened with a plotter. An anode electrode and a cathode electrode are set inside the sealing material of the obtained aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material, and heated and pressed at 100 ° C. and 3 MPa for 5 minutes to provide an aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a sealing material. The body was made. The distance between the sealing material and the electrode at this time was set to 2.0 mm.

膜電極複合体をセパレーターに挟み、アノード側に1Mメタノール水溶液を1ml/minの速度で供給し、カソード側は自然吸気で燃料を供給したところ燃料漏れは観察されず、6ヶ月後も燃料漏れが発生せず、良好なシール性を示した。   When a membrane electrode assembly is sandwiched between separators, 1M methanol aqueous solution is supplied to the anode side at a rate of 1 ml / min, and fuel is supplied to the cathode side by natural aspiration, no fuel leakage is observed, and fuel leakage occurs after 6 months. It did not occur and showed good sealing properties.

実施例3
実施例1の芳香族炭化水素系電解質膜を、スルホン酸化ポリエーテルケトンのK塩と(スルホン酸基密度1.5mmol/g相当、重量平均分子量20万)ポリイミド(東レ製 “トレニース#3000”)を固形分重量比で90:10となるようにN−メチル−2−ピロリドンに溶解して均一にブレンドし膜厚30μmとなるように製膜した後、さらに300℃で10分間熱処理した電解質膜に変更した以外は実施例1と同様におこない。シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を得た。得られたシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材の内側にアノード電極とカソード電極をセットし100℃、3MPaで5分間加熱プレスすることでシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を作製した。このときのシール材と電極の間隔は0.1mmに設定した。
Example 3
The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane of Example 1 was prepared by using a sulfonated polyether ketone K salt (equivalent to a sulfonic acid group density of 1.5 mmol / g, a weight average molecular weight of 200,000) polyimide ("Toray Nice # 3000" manufactured by Toray). Was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone so that the weight ratio of the solid content was 90:10, and was uniformly blended to form a film thickness of 30 μm, followed by heat treatment at 300 ° C. for 10 minutes. The procedure is the same as in Example 1 except that the change is made. An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material was obtained. An anode electrode and a cathode electrode are set inside the sealing material of the obtained aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material, and heated and pressed at 100 ° C. and 3 MPa for 5 minutes to provide an aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a sealing material. The body was made. The distance between the sealing material and the electrode at this time was set to 0.1 mm.

膜電極複合体をセパレーターに挟み、アノード側に1Mメタノール水溶液を1ml/minの速度で供給し、カソード側は自然吸気で燃料を供給したところ燃料漏れは観察されず、6ヶ月後も燃料漏れが発生せず、良好なシール性を示した。   When the membrane electrode assembly is sandwiched between separators, 1M methanol aqueous solution is supplied to the anode side at a rate of 1 ml / min, and fuel is supplied to the cathode side by natural aspiration, no fuel leakage is observed, and fuel leakage occurs after 6 months. It did not occur and showed good sealing properties.

実施例4
実施例1で得られたシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理せずに使用し、電極としてBASF社製ガス拡散電極 LT120EN(Pt5g/m)を両極に使用し、該電極の端部0.2mmがシール材と重なるようにカットした電極をシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜にセットし150℃、5MPaで5分間加熱プレスすることでシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を作製した。次に、50℃1M硫酸にシール材付き膜電極複合体ごと2時間浸漬し、芳香族炭化水素系電解質膜部分をプロトン交換した後、洗浄液が中性になるまで水で洗浄した。
Example 4
The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material obtained in Example 1 was used without acid treatment, and a gas diffusion electrode LT120EN (Pt5 g / m 2 ) manufactured by BASF was used as an electrode for both electrodes. Set the electrode cut so that the end 0.2mm overlaps with the sealing material on the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material, and heat-press at 15 ° C, 5MPa for 5 minutes, then the aromatic hydrocarbon membrane with the sealing material An electrode composite was prepared. Next, the membrane electrode assembly with the sealant was immersed in 1 M sulfuric acid at 50 ° C. for 2 hours, and the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane portion was proton-exchanged, and then washed with water until the washing solution became neutral.

このシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体をセパレーターに挟み、セル温度80℃、アノード側に相対湿度70%の水素、カソード側に相対湿度60%の空気を、理論消費量に対する利用率がアノード70%、カソード40%となるように燃料を供給した。
4ヶ月水素漏れが発生せず、0.5A/cm時の出力保持率も95%であった。
This aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a sealing material is sandwiched between separators, cell temperature 80 ° C., hydrogen with a relative humidity of 70% on the anode side, and air with a relative humidity of 60% on the cathode side. The fuel was supplied so that the anode was 70% and the cathode was 40%.
Hydrogen leakage did not occur for 4 months, and the output retention rate at 0.5 A / cm 2 was 95%.

比較例1
実施例1の芳香族炭化水素系電解質膜をデュポン社製“ナフィオン(登録商標)117”に変更し、実施例1と同様に行ったところ、160℃に予熱した一対のシール材成形用の型に “ナフィオン(登録商標)117”をセットしようとしたところ、熱による変形が大きくセットできなかった。
Comparative Example 1
When the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane of Example 1 was changed to “Nafion (registered trademark) 117” manufactured by DuPont and performed in the same manner as in Example 1, a pair of molds for molding a sealing material preheated to 160 ° C. When trying to set “Nafion (registered trademark) 117”, the deformation due to heat could not be set greatly.

本発明のシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜およびシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法は、種々の電気化学装置(例えば、燃料電池、水電解装置、クロロアルカリ電解装置、各種蓄電池等)に使用される電解質膜の製造に適用可能である。   The process for producing an aromatic hydrocarbon-based electrolyte membrane with a sealing material and an aromatic hydrocarbon-based membrane electrode assembly with a sealing material according to the present invention includes various electrochemical devices (for example, fuel cells, water electrolysis devices, chloroalkali electrolysis devices). It can be applied to the manufacture of electrolyte membranes used in various storage batteries.

本発明のシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜およびシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体を使用した燃料電池の用途としては、特に限定されないが、携帯電話、パソコン、PDA、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯テレビ、デジタルオーディオプレーヤー、ハードディスクプレイヤーなどの携帯機器、コードレス掃除機等の家電、玩具類、電動自転車、電動車椅子、自動二輪、自動車、バス、トラックなどの車両や船舶、鉄道などの移動体、ロボットやサイボーグの電力供給源、据え置き型の発電機など、従来の一次電池、二次電池の代替、もしくはこれらや太陽電池とのハイブリッド電源、もしくは充電用として好ましく用いられる。   Although it does not specifically limit as a use of the fuel cell which uses the aromatic hydrocarbon type electrolyte membrane with a sealing material of this invention and the aromatic hydrocarbon type membrane electrode composite with a sealing material, A mobile phone, a personal computer, PDA, a video camera , Digital cameras, portable TVs, digital audio players, hard disk players and other portable devices, cordless vacuum cleaners and other home appliances, toys, electric bicycles, electric wheelchairs, motorcycles, automobiles, buses, trucks and other vehicles and ships, railways, etc. It is preferably used as an alternative to conventional primary batteries and secondary batteries, such as a mobile power source for robots, robots and cyborgs, and stationary generators, or as a hybrid power source with these or solar cells, or for charging.

貫通孔を開けた芳香族炭化水素系電解質膜のイメージ図Image of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with through holes シール材成型用の型に貫通孔を開けた芳香族炭化水素系電解質膜をセットしたイメージ断面図Cross-sectional image of an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with through holes set in a mold for sealing material molding

符号の説明Explanation of symbols

1 :電解質膜
2 :貫通孔
3 :シール材形成用溝
4 :シール材成形用の下型
5 :シール材成形用の上型
6 :シール材原料を押さえる型
7 :シール材原料
8 :シール材原料供給口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Electrolyte membrane 2: Through-hole 3: Sealing material formation groove | channel 4: Lower mold | type for sealing material shaping | molding 5: Upper mold | type for sealing material shaping | molding 6: Mold | die 7 which suppresses sealing material raw material 7: Sealing material raw material 8: Sealing material Raw material supply port

Claims (3)

下記工程をこの順に行うことを特徴とするシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜の製造方法。
(1)芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程
(2)シール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程
(3)シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程
(4)140℃以上でシール材を加熱する工程
(5)シール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程
(6)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程
The manufacturing method of the aromatic hydrocarbon type electrolyte membrane with a sealing material characterized by performing the following process in this order.
(1) A step of opening a through hole in an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane (2) A step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material (3) An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane as a sealing material (4) The step of heating the sealing material at 140 ° C. or higher (5) The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is released from the mold for molding the sealing material. Step (6) Step of acid-treating aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material
芳香族炭化水素系電解質膜がポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリイミドの何れかを含む請求項1記載のシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜の製造方法。   The method for producing an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with a sealing material according to claim 1, wherein the aromatic hydrocarbon electrolyte membrane contains any one of polyether ketone, polyether sulfone, and polyimide. シール材の内側に電解質膜を挟むように一対の電極を設けたシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法において、シール材と電極の間隔が2mm以下であり、下記工程をこの順に行うことを特徴とするシール材付き芳香族炭化水素系膜電極複合体の製造方法。
(1)芳香族炭化水素系電解質膜に貫通孔を開ける工程
(2)シール材成形用の型に芳香族炭化水素系電解質膜をセットする工程
(3)シール材を芳香族炭化水素系電解質膜がセットされたシール材成形用の型に流し込む工程
(4)140℃以上でシール材を加熱する工程
(5)シール材成形用の型からシール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を離型する工程
(6)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜を酸処理する工程
(7)シール材付き芳香族炭化水素系電解質膜のシール材の内側にアノード電極とカソード電極をセットする工程
(8)加熱プレスする工程
In the method for producing an aromatic hydrocarbon membrane electrode composite with a sealing material in which a pair of electrodes are provided so as to sandwich an electrolyte membrane inside the sealing material, the distance between the sealing material and the electrode is 2 mm or less, and the following steps are performed. A process for producing an aromatic hydrocarbon-based membrane electrode composite with a sealing material, which is performed in order.
(1) A step of opening a through hole in an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane (2) A step of setting an aromatic hydrocarbon electrolyte membrane in a mold for molding a sealing material (3) An aromatic hydrocarbon electrolyte membrane as a sealing material (4) The step of heating the sealing material at 140 ° C. or higher (5) The aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with the sealing material is released from the mold for molding the sealing material. Step (6) Step of acid treatment of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material (7) Step of setting anode electrode and cathode electrode inside sealing material of aromatic hydrocarbon electrolyte membrane with sealing material (8) Heat pressing process
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012031526A (en) * 2010-07-28 2012-02-16 Shinshu Univ Carbon fiber multi-ply woven fabric and method of manufacturing the same, and seat-like fuel cell

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