JP2009245639A - Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell, method for manufacturing thereof, and membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】含水時の寸法安定性に優れ、抵抗が低く発電特性に優れた電解質膜、及びこれらの電解質膜を高い生産性で製造する製造方法を提供する。
【解決手段】フッ素樹脂の繊維からなり該繊維間の交点の少なくとも一部が固定化された不織布で補強されたイオン交換樹脂を主成分とする固体高分子形燃料電池用電解質膜であって、片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有し、前記フッ素樹脂は、融点が240℃以下のポリビニリデンフルオライド重合体であり、前記固定化が前記繊維同士の融着による固定化であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜。
【選択図】なしAn electrolyte membrane having excellent dimensional stability when containing water, low resistance and excellent power generation characteristics, and a manufacturing method for manufacturing these electrolyte membranes with high productivity are provided.
An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, the main component of which is an ion exchange resin made of a fluororesin fiber and reinforced with a nonwoven fabric in which at least a part of the intersections between the fibers is fixed, The outermost layer on one or both sides has an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be the same as or different from the ion exchange resin, and the fluororesin is a polyvinylidene fluoride polymer having a melting point of 240 ° C. or lower. There is provided an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the immobilization is immobilization by fusing the fibers together.
[Selection figure] None
Description
本発明は、不織布で補強された固体高分子形燃料電池用電解質膜、その製造方法及び当該電解質膜を有する固体高分子形燃料電池用膜電極接合体に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell reinforced with a nonwoven fabric, a production method thereof, and a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having the electrolyte membrane.
近年、プロトン伝導性の高分子膜を電解質膜として用いる固体高分子形燃料電池の研究が進んでいる。固体高分子形燃料電池は、低温で作動し、出力密度が高く、小型化できるという特徴を有し、車載用電源等の用途に対し有望視されている。 In recent years, research on polymer electrolyte fuel cells using proton-conductive polymer membranes as electrolyte membranes has been progressing. A polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature, has a high output density, and can be miniaturized, and is expected to be promising for uses such as an in-vehicle power source.
固体高分子形燃料電池用の電解質膜には、通常厚さ10〜200μmのプロトン伝導性イオン交換膜が用いられ、特にスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(以下、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体という。)からなる陽イオン交換膜が基本特性に優れるため広く検討されている。実際の車載を目的とした燃料電池用電解質膜は、膜オーム損が特に低いものが求められてきている。膜オーム損は、その用いられる電解質ポリマーの導電性に依存する。 As the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive ion exchange membrane having a thickness of 10 to 200 μm is usually used. In particular, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (hereinafter referred to as a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer). The cation exchange membrane consisting of) is widely studied because of its excellent basic properties. Fuel cell electrolyte membranes intended for actual in-vehicle use have been required to have particularly low membrane ohmic loss. The membrane ohmic loss depends on the conductivity of the electrolyte polymer used.
上記陽イオン交換膜の電気抵抗を低減する方法としては、スルホン酸基濃度の増加と膜厚の低減がある。しかし、スルホン酸基濃度が著しく増加すると膜の機械的強度が低下したり、燃料電池の長期運転において膜がクリープしやすくなり、燃料電池の耐久性が低下する等の問題が生じる。一方、膜厚を低減すると膜の機械的強度が低下し、膜をガス拡散電極と接合させて膜電極接合体を作製する場合に、加工しにくくなったり取扱いにくくなる等の問題が生じる。 Methods for reducing the electrical resistance of the cation exchange membrane include increasing the sulfonic acid group concentration and reducing the film thickness. However, when the concentration of the sulfonic acid group is remarkably increased, the mechanical strength of the membrane is lowered, and the membrane is likely to creep during the long-term operation of the fuel cell, resulting in a decrease in the durability of the fuel cell. On the other hand, when the film thickness is reduced, the mechanical strength of the film is lowered, and when a membrane electrode assembly is produced by joining the membrane to the gas diffusion electrode, problems such as difficulty in processing and handling are caused.
また、スルホン酸基濃度の高い電解質膜は含水時に膜の長さ方向に寸法が増大しやすく、様々な弊害を生じやすい。例えば、膜電極接合体を燃料電池セルに組込んで運転を行うと、反応により生成した水や燃料ガスとともに供給される水蒸気等により膜が膨潤し、膜の寸法が増大する。通常、膜と電極は接合しているので電極も膜の寸法変化に追従する。膜電極接合体は通常ガスの流路として溝が形成されたセパレータ等で拘束されているため、膜の寸法増大分は「しわ」となる。そして、そのしわがセパレータの溝を埋めてガスの流れを阻害することがある。 In addition, an electrolyte membrane having a high sulfonic acid group concentration tends to increase in dimension in the length direction of the membrane when it contains water, and easily causes various adverse effects. For example, when the membrane electrode assembly is assembled in a fuel cell and operated, the membrane swells due to water generated by the reaction, water vapor supplied together with the fuel gas, etc., and the size of the membrane increases. Usually, since the membrane and the electrode are joined, the electrode follows the dimensional change of the membrane. Since the membrane electrode assembly is usually restrained by a separator or the like in which grooves are formed as gas flow paths, the increase in the dimension of the membrane becomes “wrinkles”. And the wrinkle may fill the groove of the separator and obstruct the gas flow.
上記の問題を解決する方法として、特許文献1では、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEともいう。)からなる多孔質体にスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体を含浸する方法が提案されている。しかしPTFEの多孔質体はその材質に由来し比較的軟質であるために、延伸倍率の高い延伸操作をほどこすことが求められ、高生産性であるとは言いがたい。また、特許文献2では、ポリオレフィンからなる多孔質体にイオン交換樹脂を充填する方法も提案されているが、化学的な耐久性が不十分であり、長期的な安定性に問題があった。 As a method for solving the above problem, Patent Document 1 proposes a method of impregnating a porous material made of polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as PTFE) with a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer. However, since the porous body of PTFE is derived from the material and is relatively soft, it is required to perform a stretching operation with a high stretching ratio, and it is difficult to say that it is highly productive. Patent Document 2 also proposes a method of filling a porous body made of polyolefin with an ion exchange resin. However, chemical durability is insufficient, and there is a problem in long-term stability.
また、他の補強方法としてフッ素樹脂系繊維を用いる方法が提案されている。特許文献3では、フィブリル状フルオロカーボン重合体の補強材で補強された陽イオン交換膜の作製方法、特許文献4では、フッ素樹脂の短繊維によって補強された高分子膜の作製方法が開示されている。しかし、これらの製法で製造した電解質膜は、補強材自体は特に積極的な絡み合いや結合を有していないため、補強効率が低く、比較的多量の補強材を含有させる必要があった。その場合、電解質膜の賦形が困難になるとともに、膜抵抗の上昇を招くことがあった。 In addition, a method using a fluororesin fiber has been proposed as another reinforcing method. Patent Document 3 discloses a method for producing a cation exchange membrane reinforced with a reinforcing material of a fibrillar fluorocarbon polymer, and Patent Document 4 discloses a method for producing a polymer film reinforced with short fibers of fluororesin. . However, the electrolyte membrane manufactured by these manufacturing methods has a low reinforcing efficiency because the reinforcing material itself does not have particularly positive entanglement or bonding, and it is necessary to include a relatively large amount of the reinforcing material. In this case, it is difficult to shape the electrolyte membrane, and the membrane resistance may be increased.
また、特許文献5では、長さ15mm以下の不連続な短繊維であるフッ素繊維同士間がビスコース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等の結着剤で結合されたフッ素繊維シートにより補強された固体高分子形燃料電池用電解質膜が提案されている。これらの結着剤は燃料電池用電解質膜にとって不純物であり、結着剤の残留は燃料電池の耐久性能の低下を招く場合がある。また、特許文献5では、繊維径15μmという比較的大きな繊維径のものを用いて補強効果を高めているが、繊維間の十分な結着を実現するためには、補強体は繊維径の数倍以上の厚みとなることを要し、容易に膜抵抗の上昇を招くものと考えられる。また、不連続短繊維を抄紙法などの方法によって加工する方法においては、極端な極細繊維では事実上ハンドリングが難しいという薄膜化における課題も生じる。 In Patent Document 5, a solid fiber reinforced with a fluorine fiber sheet in which the discontinuous short fibers having a length of 15 mm or less are bonded together with a binder such as viscose, carboxymethyl cellulose, or polyvinyl alcohol. An electrolyte membrane for a molecular fuel cell has been proposed. These binders are impurities for the fuel cell electrolyte membrane, and the residual binder may cause a decrease in the durability of the fuel cell. In Patent Document 5, the reinforcing effect is enhanced by using a fiber having a relatively large fiber diameter of 15 μm. However, in order to realize sufficient binding between the fibers, the reinforcing body is the number of fiber diameters. It is necessary that the thickness be double or more, and it is considered that the film resistance is easily increased. Further, in the method of processing discontinuous short fibers by a method such as a papermaking method, there is a problem in thinning that it is practically difficult to handle with extremely fine fibers.
さらに、特許文献6では、これらの問題を解決できる当該不織布補強電解質膜の構成、ならびに製造方法について開示されている。これらの手法により、十分な発電特性と耐久性を併せ持つ高性能・高耐久燃料電池用電解質膜が得られるが、さらに生産性の改良が望まれていた。 Furthermore, Patent Document 6 discloses a configuration of the nonwoven fabric reinforced electrolyte membrane that can solve these problems and a manufacturing method. By these methods, an electrolyte membrane for a high performance and high durability fuel cell having sufficient power generation characteristics and durability can be obtained, but further improvement in productivity has been desired.
本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、含水時の寸法安定性に優れ、抵抗が低く発電特性に優れた固体高分子形燃料電池用電解質膜を生産性高く提供することを目的とする。さらに、これらの電解質膜を高い生産性で製造する製造方法を提供することを目的とする。さらに、これらの電解質膜を有することにより、出力が高く耐久性に優れる固体高分子形燃料電池用膜電極接合体を低コストで提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and the present invention provides a highly polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell with excellent dimensional stability when containing water, low resistance, and excellent power generation characteristics. The purpose is to do. Furthermore, it aims at providing the manufacturing method which manufactures these electrolyte membranes with high productivity. It is another object of the present invention to provide a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell having high output and excellent durability by having these electrolyte membranes at low cost.
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜は、フッ素樹脂の繊維からなり該繊維間の交点の少なくとも一部が固定化された不織布で補強されたイオン交換樹脂を主成分とする固体高分子形燃料電池用電解質膜であって、片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有し、前記フッ素樹脂は、融点が240℃以下のポリビニリデンフルオライド重合体であり、前記固定化が前記繊維同士の融着による固定化であることを特徴とする。 The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a solid polymer mainly composed of an ion exchange resin made of a fluororesin fiber and reinforced with a nonwoven fabric in which at least a part of an intersection between the fibers is fixed. An electrolyte membrane for a fuel cell having an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be the same as or different from the ion exchange resin as an outermost layer on one or both sides, and the fluororesin has a melting point of 240 A polyvinylidene fluoride polymer having a temperature of 0 ° C. or lower, wherein the immobilization is immobilization by fusion of the fibers.
前記繊維の平均繊維径が、0.01μm〜7μmであることが好ましい。 It is preferable that the average fiber diameter of the said fiber is 0.01 micrometer-7 micrometers.
前記固体高分子形燃料電池用電解質膜全体の厚みが7.5μm〜25μmであることが好ましい。 The total thickness of the polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is preferably 7.5 μm to 25 μm.
前記補強されない層の厚みが前記繊維の平均繊維径の半径以上であることが好ましい。 The thickness of the unreinforced layer is preferably equal to or greater than the radius of the average fiber diameter of the fibers.
また、本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法は、前記固体高分子形燃料電池用電解質膜が、融点が240℃以下のポリビニリデンフルオライド重合体の繊維からなり該繊維間の交点の少なくとも一部が繊維同士の融着により固定化された不織布で補強されたイオン交換樹脂を主成分とする電解質膜であり、片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有し、前記不織布は、樹脂支持体上を用いたロールツーロール方式の加熱ロールプレス法で厚み調整を行う工程を経て形成されることを特徴とする。 Further, in the method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is composed of a polyvinylidene fluoride polymer fiber having a melting point of 240 ° C. or less. Is an electrolyte membrane mainly composed of an ion exchange resin reinforced with a nonwoven fabric in which at least a part of the intersection is fixed by fusion of fibers, and the outermost layer on one or both sides is the same as the ion exchange resin. It has an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be different, and the nonwoven fabric is formed through a step of adjusting the thickness by a roll-to-roll heated roll press method using a resin support. Features.
電界紡糸法によって紡糸することにより前記繊維を得て前記不織布を形成することが好ましい。 It is preferable that the non-woven fabric is formed by obtaining the fibers by spinning by an electrospinning method.
溶融成形可能なフッ素樹脂を溶融状態で紡糸ノズルより吐出し、紡糸ノズル近傍に配設された気体放出ノズルから放出される気体によって延伸、紡糸することにより前記繊維を得て前記不織布を形成することが好ましい。 A melt-formable fluororesin is discharged from a spinning nozzle in a molten state, and the nonwoven fabric is formed by obtaining the fibers by drawing and spinning with a gas discharged from a gas discharge nozzle disposed in the vicinity of the spinning nozzle. Is preferred.
前記繊維の平均繊維径が、0.01μm〜7μmであることが好ましい。 It is preferable that the average fiber diameter of the said fiber is 0.01 micrometer-7 micrometers.
前記固体高分子形燃料電池用電解質膜全体の厚みが7.5μm〜25μmであることが好ましい。 The total thickness of the polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is preferably 7.5 μm to 25 μm.
前記補強されない層の厚みが前記繊維の平均繊維径の半径以上であることが好ましい。 The thickness of the unreinforced layer is preferably equal to or greater than the radius of the average fiber diameter of the fibers.
また、本発明の固体高分子型燃料電池用膜電極接合体は、触媒とイオン交換樹脂とを含む触媒層を有するカソード及びアノードと、該カソードと該アノードとの間に配置される高分子電解質膜と、を備える固体高分子形燃料電池用膜電極接合体において、前記高分子電解質膜は本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜からなることを特徴とする。 The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a cathode and an anode having a catalyst layer containing a catalyst and an ion exchange resin, and a polymer electrolyte disposed between the cathode and the anode. A membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane, wherein the polymer electrolyte membrane comprises the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜は、含水時の寸法安定性がよく、低抵抗で発電特性に優れ、生産性が高く低コストである。 The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has good dimensional stability when containing water, low resistance, excellent power generation characteristics, high productivity, and low cost.
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法によれば、本発明の電解質膜を高い生産性で製造することができる。 According to the method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the electrolyte membrane of the present invention can be produced with high productivity.
本発明の膜電極接合体は、低コストで出力が高く耐久性に優れる。 The membrane electrode assembly of the present invention is low in cost, high in output and excellent in durability.
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう。)フッ素樹脂の繊維からなり、繊維間の交点の少なくとも一部が固定化された不織布で補強されたイオン交換樹脂を主成分とする電解質膜であって、片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有し、前記フッ素樹脂の融点が240℃以下のポリビニリデンフルオライド重合体であり、繊維間の交点の少なくとも一部の固定化が繊維同士の融着により固定化されている。 Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter also simply referred to as electrolyte membrane) An ion exchange resin reinforced with a non-woven fabric made of fluororesin and having at least some of the intersections between the fibers immobilized The outermost layer on one or both sides has an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be the same as or different from the ion exchange resin, and the melting point of the fluororesin is 240. It is a polyvinylidene fluoride polymer having a temperature of 0 ° C. or lower, and at least a part of the intersections between the fibers is fixed by fusion of the fibers.
本発明の電解質膜は、上記不織布で補強されているため、補強による抵抗の上昇が少なく、また膜厚が薄くても充分に高い強度を有し、含水時の寸法安定性に優れる。また、片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有することにより、固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜として使用するときに、電解質膜と電極の接合部における抵抗を低下させることができる。 Since the electrolyte membrane of the present invention is reinforced with the above-mentioned nonwoven fabric, there is little increase in resistance due to reinforcement, it has a sufficiently high strength even when the film thickness is thin, and is excellent in dimensional stability when containing water. Further, as an outermost layer on one side or both sides, it has a non-reinforced layer made of an ion exchange resin which may be the same as or different from the ion exchange resin, so that it can be used as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell. Sometimes the resistance at the junction of the electrolyte membrane and the electrode can be reduced.
従って、この電解質膜を用いた膜電極接合体を有する固体高分子形燃料電池は、長期間運転しても安定して高出力を得ることができる。さらに、融点が240℃以下のフッ素樹脂を用いていることから、240℃以下という低い温度で不織布の厚み調整(厚密化)を行うことができるので、ポリエチレンテレフタレートフィルム(以下、PETともいう。)などのフレキシブルの安価な樹脂支持体を用いてロールツーロール方式の連続プロセスにて電解質膜を製造することが可能となることから、非常に高い生産性を実現できる。 Therefore, a polymer electrolyte fuel cell having a membrane electrode assembly using this electrolyte membrane can stably obtain a high output even if it is operated for a long period of time. Further, since a fluororesin having a melting point of 240 ° C. or lower is used, the thickness of the nonwoven fabric can be adjusted (thickened) at a temperature as low as 240 ° C. or lower, so a polyethylene terephthalate film (hereinafter also referred to as PET). It is possible to manufacture an electrolyte membrane by a roll-to-roll continuous process using a flexible and inexpensive resin support such as), so that extremely high productivity can be realized.
本発明の電解質膜に用いられる不織布は、繊維間の交点の少なくとも一部が固定化された不織布であり、繊維間の交点の少なくとも一部の固定化が繊維同士の融着により固定化されている。なお、本発明における繊維間の交点とは、一つの繊維の繊維間の交点、異なる繊維同士の繊維の交点の両方が含まれる。 The nonwoven fabric used for the electrolyte membrane of the present invention is a nonwoven fabric in which at least some of the intersections between the fibers are immobilized, and at least some of the intersections between the fibers are immobilized by fusion of the fibers. Yes. In addition, the intersection between the fibers in this invention includes both the intersection between the fibers of one fiber and the intersection of the fibers of different fibers.
本発明における不織布は、フッ素樹脂の繊維からなるが、本発明における繊維とは、アスペクト比10000以上を有することを意味する。繊維長は20mm以上であることが望ましい。 Although the nonwoven fabric in this invention consists of a fiber of a fluororesin, the fiber in this invention means having an aspect ratio of 10,000 or more. The fiber length is desirably 20 mm or more.
繊維の平均繊維径(直径)は0.01μm〜7μmであることが好ましく、0.01μm〜3μmであることが特に好ましい。繊維の平均繊維径を5μmより小さくすることで、プロトン移動がより円滑に行われるため、補強による抵抗の上昇を抑えることができる。また、平均繊維径を0.01μmより大きくすることで、同一膜厚における繊維間の交点の固定化領域を増すことができるため、不織布の強度をさらに増強でき、電解質膜の寸法安定性を向上させることができる。一方、繊維径が細すぎると、繊維1本あたりの引張強度が弱くなり、ハンドリングの点で実用上使用することが困難となる。なお、本発明における平均繊維径は、電子顕微鏡観察において、繊維200本の繊維径を測定し、データのうち最も細い10本のデータと太いデータ10本を除いた平均値を平均繊維径とする。 The average fiber diameter (diameter) of the fiber is preferably 0.01 μm to 7 μm, and particularly preferably 0.01 μm to 3 μm. By making the average fiber diameter of the fibers smaller than 5 μm, proton transfer can be performed more smoothly, so that an increase in resistance due to reinforcement can be suppressed. In addition, by increasing the average fiber diameter from 0.01 μm, it is possible to increase the fixing area of the intersections between fibers in the same film thickness, so that the strength of the nonwoven fabric can be further increased and the dimensional stability of the electrolyte membrane is improved. Can be made. On the other hand, if the fiber diameter is too thin, the tensile strength per fiber becomes weak, making it difficult to use practically in terms of handling. In addition, the average fiber diameter in this invention measures the fiber diameter of 200 fibers in electron microscope observation, and makes the average fiber diameter the average value except 10 data and 10 thick data among data. .
また、繊維の平均繊維径が細い繊維を用いて不織布を製造したとしても、一般にかさ高い不織布しかえられず、厚密化プロセスを用いた厚み調整工程を行う必要がある。この場合、薄い不織布のみを厚み調整するのは取り扱いの点で困難であり、安価で寸法安定性や耐熱性が十分な支持体上で厚み調整の工程を行う必要がある。 Moreover, even if a nonwoven fabric is manufactured using fibers having a thin average fiber diameter, generally only a bulky nonwoven fabric is obtained, and it is necessary to perform a thickness adjustment step using a densification process. In this case, it is difficult to adjust the thickness of only a thin nonwoven fabric in terms of handling, and it is necessary to perform a thickness adjusting step on a support that is inexpensive and has sufficient dimensional stability and heat resistance.
このとき、ロールツーロール方式のような連続的な製造プロセスにより厚み調整を行うことで、電解質膜の生産性を格段に高めることができる。 At this time, by adjusting the thickness by a continuous manufacturing process such as a roll-to-roll method, the productivity of the electrolyte membrane can be significantly increased.
本発明において、不織布を構成する融点が240℃以下のフッ素樹脂としては、ポリビニリデンフルオライド重合体(以下単に「PVDF」ということがある。)、ポリビニルフルオライド重合体(以下単に「PVF」ということがある。)等、これらのポリマーを構成するモノマー単位複数からなる共重合体、これらのポリマーのブレンド物等が好ましい。特に、不織布を構成する融点が240℃以下のフッ素樹脂としてPVDFを用いた場合は、機械的強度、成形性に格段に優れることから好ましい。一般的に知られているフッ素樹脂は、融点がおおよそ260〜270℃の範囲のものが中心と融点が高い。 In the present invention, as the fluororesin having a melting point of 240 ° C. or lower constituting the nonwoven fabric, a polyvinylidene fluoride polymer (hereinafter sometimes simply referred to as “PVDF”), a polyvinyl fluoride polymer (hereinafter simply referred to as “PVF”). A copolymer composed of a plurality of monomer units constituting these polymers, a blend of these polymers, and the like are preferred. In particular, when PVDF is used as a fluororesin having a melting point of 240 ° C. or less that constitutes the nonwoven fabric, it is preferable because it is remarkably excellent in mechanical strength and moldability. A generally known fluororesin has a melting point in the range of approximately 260 to 270 ° C. and a high melting point.
PVDFはETFEの構造異性体であるが、全く異なる特性を示す。極性が強いためにジメチルアセトアミド(DMAc)やジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトンなどの極性溶媒に溶けやすく、比較的容易に溶液化することができる。特にDMAcに対しては、室温で混合することで溶液化できる。 PVDF is a structural isomer of ETFE, but exhibits completely different properties. Due to its strong polarity, it is easily soluble in polar solvents such as dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), and acetone, and can be made into a solution relatively easily. In particular, DMAc can be made into a solution by mixing at room temperature.
本発明においては、電解質膜の膨潤による寸法変化を抑制するという目的から、引張強度、伸度など機械物性が良好であることが好ましく、PVDFの分子量としては20万〜55万が好ましい。分子量が55万より大きくなると、溶解性が落ち、溶液化しにくくなる。 In the present invention, in order to suppress dimensional change due to swelling of the electrolyte membrane, it is preferable that mechanical properties such as tensile strength and elongation are good, and the molecular weight of PVDF is preferably 200,000 to 550,000. When the molecular weight is larger than 550,000, the solubility is lowered and it is difficult to make a solution.
また、PVDFは他のフッ素樹脂に比べ低い融点を有するが、本発明おいては、固体高分子形燃料電池の電解質膜として使用が想定される温度範囲が−40℃〜120℃であることなどから、融点が150〜175℃のものが好ましく、さらには、160〜175℃のものが好ましい。なお、融点は、後記実施例に示すように、走査型示差熱分析器(セイコーインスツルメンツ社製、DSC220CU)を用いて、空気雰囲気下に室温から300℃まで10℃/分で加熱した際の吸熱ピークから求めることができる。 PVDF has a lower melting point than other fluororesins, but in the present invention, the temperature range expected to be used as an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell is −40 ° C. to 120 ° C. Therefore, those having a melting point of 150 to 175 ° C are preferable, and those having a melting point of 160 to 175 ° C are more preferable. The melting point is an endotherm when heated at 10 ° C./min from room temperature to 300 ° C. in an air atmosphere using a scanning differential thermal analyzer (DSC220CU, manufactured by Seiko Instruments Inc.) as shown in the Examples below. It can be obtained from the peak.
上述したフッ素樹脂の繊維を製造する方法としては、メルトブローン法を採用することが好ましい。 As a method for producing the above-mentioned fluororesin fiber, it is preferable to employ a melt blown method.
メルトブローン法は、溶融成型可能なフッ素樹脂を溶融状態で紡糸ノズルより吐出し、紡糸ノズル近傍に配設された気体放出ノズルから放出される気体によって延伸、紡糸することにより連続繊維を得て、不織布を形成するという製造方法であり、極細の繊維を形成することができる。 In the melt blown method, a melt-moldable fluororesin is discharged from a spinning nozzle in a molten state, and a continuous fiber is obtained by drawing and spinning with a gas released from a gas discharge nozzle disposed in the vicinity of the spinning nozzle, and a nonwoven fabric. Is a manufacturing method in which ultrafine fibers can be formed.
樹脂から繊維を形成した後、それを原料として布状に不織布を製造する他の不織布製造法に比べ、該メルトブローン法は、繊維の形成と布状物の形成をほぼ同時に実施できることから生産性が高い。また、不織布を構成する繊維を非常に細くすることができ、補強による電解質膜の抵抗の上昇を抑えられるため、特に燃料電池用の電解質膜の補強材として最適な不織布を形成することができる。 Compared to other nonwoven fabric manufacturing methods in which fibers are formed from a resin and then used as a raw material to fabricate the nonwoven fabric, the meltblown method is capable of forming fibers and fabrics at almost the same time. high. Moreover, since the fiber which comprises a nonwoven fabric can be made very thin and the raise of the resistance of the electrolyte membrane by reinforcement can be suppressed, the nonwoven fabric most suitable as a reinforcing material of the electrolyte membrane for fuel cells can be formed especially.
この種の直接不織布製法としては、他にスパンボンド法が知られるが、一般的にスパンボンド法も比較的極細繊維で構成される不織布が得られやすいとされるが、メルトブローン法のほうが、一般に細い繊維が得られやすいとされる。 As this type of direct nonwoven fabric manufacturing method, other methods such as the spunbond method are known. Generally, it is said that the spunbond method is also easy to obtain a nonwoven fabric composed of relatively fine fibers, but the meltblown method is generally more suitable. It is said that fine fibers are easily obtained.
図1は、メルトブローン不織布製造装置で用いられるノズル断面の一形態を示す断面図である。メルトブローン法においては、溶融成形可能なフッ素樹脂1を溶融状態で紡糸ノズルの吐出孔3より吐出し、紡糸ノズル近傍に配設された気体放出ノズルの吐出孔4から放出される気体2によって延伸、紡糸することにより連続繊維を得ることができる。その連続繊維を吸着機能を有する面上に捕集して、不織布を形成することができる。 Drawing 1 is a sectional view showing one form of a nozzle section used with a melt blown nonwoven fabric manufacturing device. In the melt blown method, the melt-moldable fluororesin 1 is discharged from the discharge hole 3 of the spinning nozzle in a molten state and stretched by the gas 2 discharged from the discharge hole 4 of the gas discharge nozzle disposed in the vicinity of the spinning nozzle. A continuous fiber can be obtained by spinning. The continuous fibers can be collected on a surface having an adsorption function to form a nonwoven fabric.
吸着機能を有する面とは、例えば、通気性を有するフィルム状基材の片側を減圧状態に維持することにより、吐出されてくる極細繊維を布状に形成することができる装置をさす。通気性を有するフィルム状基材としては、特に制限はないがメッシュ、布、多孔体などが挙げられ、材質についても特に制限はない。 The surface having an adsorption function refers to a device that can form discharged ultrafine fibers in a cloth shape by maintaining one side of a film-like substrate having air permeability in a reduced pressure state, for example. Although there is no restriction | limiting in particular as a film-form base material which has air permeability, A mesh, cloth, a porous body etc. are mentioned, There is no restriction | limiting in particular also about a material.
吸着機能としては、紡糸された連続繊維を布状物の形態で充分に吸着維持することが可能な吸着能力を有することが望まれる。よって吸着機能を有する面は、その表面から1cm以内の距離において0.1m/秒以上の風速を有することが好ましい。また、吸着を保持する面の目開きがあまり大きいと、繊維自体がメッシュ内部にひきこまれ、剥がせなくなる、もしくは、平滑性が失われるおそれがある。そのため、メッシュの目開きは好ましくは2mm以下であり、より好ましくは0.15mm以下、さらに好ましくは0.06mm以下、特に好ましくは0.03mm以下である。 As an adsorption function, it is desired to have an adsorption ability capable of sufficiently adsorbing and maintaining the spun continuous fiber in the form of a cloth. Therefore, it is preferable that the surface having the adsorption function has a wind speed of 0.1 m / second or more at a distance within 1 cm from the surface. In addition, if the surface holding the adsorption is too large, the fibers themselves are drawn inside the mesh and cannot be peeled off or the smoothness may be lost. Therefore, the mesh opening is preferably 2 mm or less, more preferably 0.15 mm or less, still more preferably 0.06 mm or less, and particularly preferably 0.03 mm or less.
通気性を有するフィルム状基材が可とう性を有する場合は、それを連続的に回転させ得るコンベアーに載せることで、吸着機能を有した捕集用コンベアーとして使用できる。例えば、フィルム状基材をロール状に巻き取ったものを連続的に繰り出し、その片面上に不織布を形成し、分離し、巻き取る等の方法も可能となり、製造手法をより簡素化し得る。 When the film-like base material having air permeability has flexibility, it can be used as a collection conveyor having an adsorption function by placing it on a conveyor that can be continuously rotated. For example, it is possible to continuously roll out a film-like base material in a roll shape, form a non-woven fabric on one side, separate and wind up, and simplify the manufacturing method.
得られる不織布の嵩密度は、使用する樹脂の硬さや熱的な性質により左右される。メルトブローン法では、一般に低粘度の樹脂を用いることによって、繊維同士の交点が一部融着した不織布を直接得ることができる。また、場合によっては、上記融着が起こらず、綿状の不織布前駆体様のものが得られるが、吸着機能を有する捕集用コンベアーに捕集し、そのまま加熱プレス法等により厚み調整を行うことにより所定の嵩密度を有する不織布を得ることができる。 The bulk density of the resulting nonwoven fabric depends on the hardness and thermal properties of the resin used. In the melt blown method, it is generally possible to directly obtain a nonwoven fabric in which the intersections of fibers are partially fused by using a low-viscosity resin. In some cases, the above-mentioned fusion does not occur, and a cotton-like nonwoven fabric precursor-like material is obtained, but it is collected on a collection conveyor having an adsorption function, and the thickness is adjusted by a hot press method or the like as it is. Thus, a nonwoven fabric having a predetermined bulk density can be obtained.
上述の不織布を形成する製法では、繊維間の交点が固定化されていない場合は、巻き取り等の操作やハンドリングが困難である。繊維間の交点の少なくとも一部が固定化されているとき、不織布単体として弾性率、強度を発現できる。その結果、不織布自体に自立性が発現し、ハンドリング性が向上し、不織布を有する電解質膜の製造が容易となる。 In the manufacturing method for forming the above-described nonwoven fabric, when the intersections between the fibers are not fixed, operations such as winding and handling are difficult. When at least some of the intersections between the fibers are fixed, the elastic modulus and strength can be expressed as a nonwoven fabric alone. As a result, the nonwoven fabric itself is self-supporting, handling properties are improved, and an electrolyte membrane having the nonwoven fabric can be easily manufactured.
また、フッ素樹脂の繊維からなる不織布を製造する他の方法としては、電界紡糸法が挙げられる。 Another method for producing a nonwoven fabric made of fluororesin fibers is an electrospinning method.
電界紡糸法とは、紡糸原液に高電圧を印加することによって電気的に繊維を紡糸する方法である。 The electrospinning method is a method of spinning fibers electrically by applying a high voltage to the spinning dope.
電界紡糸法は、下記特徴を有する。 The electrospinning method has the following characteristics.
(i)他の方法に比べ、簡便な装置で製造できる。 (I) Compared with other methods, it can be manufactured with a simple apparatus.
不織布を製造する方法としては、メルトブローン法の他にもスパンボンド法、抄紙法等が知られているが、いずれも大掛かりな不織布製造装置が必要となる、原料繊維を準備するために別に繊維製造装置が必要である等、装置コストがかかる。 In addition to the melt-blown method, the spunbond method, papermaking method, etc. are known as methods for producing nonwoven fabrics, but all of them require large-scale nonwoven fabric production equipment. The equipment cost is high, such as the necessity of the equipment.
(ii)極細の連続繊維の集積体が得られる。 (Ii) An ultrafine continuous fiber aggregate is obtained.
通常の不織布設備を用いて極細の繊維で構成される不織布を製造することは、条件的にも厳しく、原料の粘度、延伸性等、多くの制約がある。一方、電界紡糸法は、溶液を用いた紡糸法であるため、その乾燥過程において体積収縮が起こること、及び原料自体が低粘度であるため、極細ノズルでの成形が可能であることにより、極細の連続繊維を得やすい。 Manufacturing a non-woven fabric composed of ultrafine fibers using a normal non-woven fabric facility is severe in terms of conditions and has many limitations such as the viscosity of the raw material and stretchability. On the other hand, since the electrospinning method is a spinning method using a solution, volume shrinkage occurs during the drying process, and since the raw material itself has a low viscosity, molding with an ultrafine nozzle is possible. Easy to obtain continuous fiber.
(iii)繊維集積体は、通常、繊維同志が結合した不織布として得られる。 (Iii) The fiber assembly is usually obtained as a nonwoven fabric in which fibers are combined.
電界紡糸法においては、溶液からの固化と延伸による紡糸とが同時に、または、逐次的に起こるため、繊維集積体は、繊維同士が融着した不織布として得られる。 In the electrospinning method, since solidification from a solution and spinning by stretching occur simultaneously or sequentially, the fiber aggregate is obtained as a nonwoven fabric in which fibers are fused.
図2は、電界紡糸法による不織布製造装置の一例を示す概略構成図である。不織布製造装置10は、紡糸原液が充填されるシリンジ12と、シリンジ12の針14に対向するように設置された、回転自在のドラム16と、針14とドラム16との間に高電圧を印加する高電圧電源18と、シリンジ12のプランジャー部分を吐出方向に一定速度で動かすことで一定の流量で紡糸原液をシリンジから吐出させるシリンジポンプ(図示略)とを具備する。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a nonwoven fabric manufacturing apparatus using an electrospinning method. The nonwoven fabric manufacturing apparatus 10 applies a high voltage between the syringe 12 filled with the spinning dope, the rotatable drum 16 disposed so as to face the needle 14 of the syringe 12, and the needle 14 and the drum 16. And a syringe pump (not shown) for discharging the spinning solution from the syringe at a constant flow rate by moving the plunger portion of the syringe 12 at a constant speed in the discharge direction.
まず、シリンジ12内に紡糸原液を充填する。ドラム16を回転させながら、高電圧電源18によって針14とドラム16との間に高電圧を印加する。シリンジポンプを作動させ、シリンジ12の先の針14から紡糸原液を一定の速度で吐出させる。針14の先端に電圧を印加した際、静電的な引力が紡糸原液の表面張力を超えると、紡糸原液が針14の先端においてTaylor coneと呼ばれる円錐状に変形し、さらに該coneの先端は引き伸ばされる。引き伸ばされた紡糸原液は、正に帯電した紡糸原液の静電反発により微細化する。微細化した紡糸原液から溶媒が瞬時に蒸発し、極細の繊維が形成される。正に帯電した繊維は、負に帯電したドラム16に付着する。該繊維が回転するドラム16上にしだいに堆積することにより、ドラム16上にフッ素系不織布が形成される。
フッ素樹脂を用いた電界紡糸法によるナノファイバー、もしくはその不織布形態のものを製造する例として、PVDFを用いた例がよく知られている。例えば、Polymer journal.Vol.39,No.7,pp670−674(2007), J.Phys.Chem.B.2006,110,23351−23364等に開示されている。
First, the spinning solution is filled into the syringe 12. While rotating the drum 16, a high voltage is applied between the needle 14 and the drum 16 by the high voltage power source 18. The syringe pump is operated, and the spinning solution is discharged from the needle 14 at the tip of the syringe 12 at a constant speed. When a voltage is applied to the tip of the needle 14 and the electrostatic attractive force exceeds the surface tension of the spinning stock solution, the spinning stock solution is deformed into a conical shape called Taylor cone at the tip of the needle 14, and the tip of the cone is Stretched. The stretched spinning dope is refined by electrostatic repulsion of the positively charged spinning dope. The solvent instantly evaporates from the refined spinning dope, and ultrafine fibers are formed. Positively charged fibers adhere to the negatively charged drum 16. As the fibers gradually accumulate on the rotating drum 16, a fluorine-based nonwoven fabric is formed on the drum 16.
An example using PVDF is well known as an example of producing nanofibers by an electrospinning method using a fluororesin or a non-woven fabric form thereof. For example, Polymer journal. Vol. 39, no. 7, pp 670-674 (2007), J. MoI. Phys. Chem. B. 2006, 110, 23351-23364, and the like.
主鎖に脂肪族環を有する含フッ素ポリマーとしては、例えば旭硝子社製アモルファスフッ素樹脂(商品名:CYTOP)等を用いることができる。 As the fluorine-containing polymer having an aliphatic ring in the main chain, for example, an amorphous fluororesin (trade name: CYTOP) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. can be used.
含フッ素オレフィン系ポリマーとしては、例えば旭硝子社製の含フッ素オレフィン系ポリマー(商品名:Lumiflon)等をも散ることができる。 As the fluorine-containing olefin polymer, for example, a fluorine-containing olefin polymer (trade name: Lumiflon) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. can be scattered.
溶剤可溶型フッ素樹脂の中では、マトリックスの電解質ポリマーとの複合化プロセスに高温プロセスが適用できる点で、ポリフッ化ビニリデンやデュポン社製(商品名:テフロン(登録商標)AF)が特に好ましい。 Among the solvent-soluble fluororesins, polyvinylidene fluoride and DuPont (trade name: Teflon (registered trademark) AF) are particularly preferable because a high-temperature process can be applied to the composite process of the matrix with the electrolyte polymer.
これらの溶剤可溶型フッ素樹脂においても本発明に適用することができるが、マトリックスの電解質ポリマーとの複合化プロセスは一般に120℃以上である場合が多く、上記のポリマー材料のうちではポリフッ化ビニリデンやデュポン社製(商品名:テフロン(登録商標)AF)が望ましい。 Although these solvent-soluble fluororesins can also be applied to the present invention, the composite process of the matrix with the electrolyte polymer is generally at 120 ° C. or higher, and among the above polymer materials, polyvinylidene fluoride is often used. Or DuPont (trade name: Teflon (registered trademark) AF) is desirable.
フッ素樹脂を含む溶液を電界紡糸にかける場合、紡糸原液の溶液濃度としては、一般に 1wt%〜30wt%の範囲が好ましい。電界紡糸法における紡糸原液の吐出量は、吐出口1本につき、0.1〜50mL/時が好ましい。また、針14の先端の内径は、0.1〜2mmが好ましい。針14の先端からドラム16までの距離は、5〜40cmが好ましい。針14とドラム16との間に印加する電圧は、1〜40kVが好ましい。 When the solution containing a fluororesin is subjected to electrospinning, the solution concentration of the spinning dope is generally preferably in the range of 1 wt% to 30 wt%. The discharge amount of the spinning dope in the electrospinning method is preferably 0.1 to 50 mL / hour per discharge port. The inner diameter of the tip of the needle 14 is preferably 0.1 to 2 mm. The distance from the tip of the needle 14 to the drum 16 is preferably 5 to 40 cm. The voltage applied between the needle 14 and the drum 16 is preferably 1 to 40 kV.
PVDFを用いる場合、分子量の範囲としては、Mw=6万〜55万が電界紡糸方法においては好ましい。この範囲に含まれるPVDFを溶解する溶媒としては、ジメチルアセトアミド(DMAc)やジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトンなどが挙げられる。電界紡糸法が紡糸と乾燥を同時に行うプロセスであることから、好ましい溶媒としては沸点が100〜200℃の範囲にあるものが好ましく、特に、120℃から160℃の範囲のものが特に好ましい。紡糸原液の濃度は、5wt〜25wt%が好ましく、紡糸原液の吐出量は、吐出口1本につき、0.2〜2mL/hrが特に好ましい。 When PVDF is used, the molecular weight range is preferably Mw = 60,000 to 550,000 in the electrospinning method. Examples of the solvent for dissolving PVDF included in this range include dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetone, and the like. Since the electrospinning process is a process in which spinning and drying are performed simultaneously, a preferable solvent has a boiling point in the range of 100 to 200 ° C, particularly preferably in the range of 120 ° C to 160 ° C. The concentration of the spinning dope is preferably 5 wt% to 25 wt%, and the discharge amount of the spinning dope is particularly preferably 0.2 to 2 mL / hr per discharge port.
本発明に用いることができる不織布に対しては、放射線照射、プラズマ照射及び金属ナトリウムによる化学処理からなる群から選ばれる1種以上の処理を行うことが好ましい。これらの処理を行うことにより、繊維表面に−COOH基、−OH基、−COF基等の極性基が導入され、マトリックスとなるイオン交換樹脂と補強材となる不織布との界面の密着性を高めることができ、その結果補強効果を高められる。 The nonwoven fabric that can be used in the present invention is preferably subjected to at least one treatment selected from the group consisting of radiation irradiation, plasma irradiation, and chemical treatment with metallic sodium. By performing these treatments, polar groups such as —COOH groups, —OH groups, and —COF groups are introduced on the fiber surface, and the adhesion at the interface between the ion exchange resin as a matrix and the nonwoven fabric as a reinforcing material is improved. As a result, the reinforcing effect can be enhanced.
上述した製造方法で製造した繊維は、繊維を非常に細くすることができ、補強による電解質膜の抵抗の上昇を抑えられるため、燃料電池用の電解質膜の補強材として最適な不織布を形成することができる。 The fibers manufactured by the above-described manufacturing method can be made very thin, and the increase in resistance of the electrolyte membrane due to reinforcement can be suppressed. Therefore, an optimal nonwoven fabric can be formed as a reinforcing material for the electrolyte membrane for fuel cells. Can do.
本発明における電解質膜の製造方法としては、樹脂支持体上を用いたロールツーロール方式の加熱ロールプレス法で厚み調整を行う工程を経て形成されることが好ましい。本発明の電解質膜は、融点が240℃以下のフッ素樹脂を用いていることから、240℃以下の温度で不織布の厚み調整(厚密化)を行うことができるので、汎用のポリエチレンテレフタレートフィルム(以下、PETともいう)などのフレキシブルで安価の樹脂支持体を用いてロールツーロール方式で電解質膜を連続的に製造することが可能となることから、非常に高い生産性を実現できる。 The method for producing an electrolyte membrane in the present invention is preferably formed through a step of adjusting the thickness by a roll-to-roll heating roll press method using a resin support. Since the electrolyte membrane of the present invention uses a fluororesin having a melting point of 240 ° C. or lower, the thickness of the nonwoven fabric can be adjusted (thickened) at a temperature of 240 ° C. or lower, so that a general-purpose polyethylene terephthalate film ( The electrolyte membrane can be continuously manufactured by a roll-to-roll method using a flexible and inexpensive resin support such as PET (hereinafter, also referred to as PET), so that extremely high productivity can be realized.
上記ロールツーロール方式の加熱ロールプレス法は、繊維が溶融変形せず、かつ融着性を有する温度範囲で行うことが望ましい。繊維を構成するフッ素樹脂の熱物性に依存するが、結晶性のフッ素樹脂の場合、(融点−50℃)〜融点の温度範囲が望ましく、(融点−20℃)〜融点の温度範囲がより望ましい。非晶性のフッ素樹脂の場合は、(ガラス転移温度−50℃)〜ガラス転移点の温度範囲が望ましく、(ガラス転移温度−20℃)〜ガラス転移点の温度範囲がより望ましい。また、熱プレス時の圧力は上述の温度条件にもよるが、一般的には0.5〜10MPaの圧力範囲で成形すれば、繊維に大きな変形を生じずに厚み調整を行うことができる。 The roll-to-roll heated roll press method is desirably performed in a temperature range in which the fibers are not melted and deformed and have fusion properties. Depending on the thermophysical properties of the fluororesin constituting the fiber, in the case of a crystalline fluororesin, the temperature range from (melting point−50 ° C.) to the melting point is desirable, and the temperature range from (melting point−20 ° C.) to the melting point is more desirable. . In the case of an amorphous fluororesin, the temperature range from (glass transition temperature −50 ° C.) to glass transition point is desirable, and the temperature range from (glass transition temperature −20 ° C.) to glass transition point is more desirable. Moreover, although the pressure at the time of a hot press is based also on the above-mentioned temperature conditions, generally, if it shape | molds in the pressure range of 0.5-10 MPa, thickness adjustment can be performed, without producing a big deformation | transformation to a fiber.
また、加熱ロールプレス法において、耐熱性があるが装置コストの高い、金属ロール―金属ロールの2本で構成されるカレンダリングロールを用いることなく、金属ロール―ゴムロールの2本で構成される汎用の安価なロールプレス積層装置を用いて、フッ素樹脂の連続繊維の繊維間の交点を繊維同士の融着により固定化して厚密化することができる。これにより、目付け量の少ない不織布前駆体であっても、ハンドリング等における変形を最小限に抑えながら種々の後加工を施すことができるようになる。 Moreover, in the heated roll press method, a general purpose composed of two metal rolls-rubber rolls without using a calendering roll composed of two metal rolls-metal rolls, which has high heat resistance but high equipment cost. Using an inexpensive roll press laminating apparatus, the intersections between the continuous fibers of the fluororesin can be fixed and thickened by fusing the fibers together. Thereby, even if it is a nonwoven fabric precursor with a small basis weight, it becomes possible to perform various post-processing while minimizing deformation in handling and the like.
本発明において電解質膜の主成分であるイオン交換樹脂としては、陽イオン交換樹脂であればよく、炭化水素系重合体や部分フッ素化された炭化水素系重合体からなる陽イオン交換樹脂等が使用できる。燃料電池に使用する場合は、耐久性に優れるスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換樹脂が好ましい。電解質膜中のイオン交換樹脂は、単一のイオン交換樹脂からなってもよいし、2種以上のイオン交換樹脂を混合したものであってもよい。 In the present invention, the ion exchange resin that is the main component of the electrolyte membrane may be a cation exchange resin, such as a cation exchange resin made of a hydrocarbon polymer or a partially fluorinated hydrocarbon polymer. it can. When used in a fuel cell, a cation exchange resin comprising a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer having excellent durability is preferred. The ion exchange resin in the electrolyte membrane may consist of a single ion exchange resin or a mixture of two or more ion exchange resins.
スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体としては、従来より公知の重合体が広く採用される。例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体は、末端がSO2Fである樹脂からなる前駆体を加水分解及び酸型化処理して得られる。なお、本明細書において、パーフルオロカーボン重合体は、エーテル結合性の酸素原子等を含んでいてもよい。 As the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer, conventionally known polymers are widely used. For example, a sulfonic acid type perfluorocarbon polymer can be obtained by hydrolyzing and acidifying a precursor composed of a resin having a terminal SO 2 F. In the present specification, the perfluorocarbon polymer may contain an etheric oxygen atom or the like.
上記末端がSO2Fである樹脂からなる前駆体としては、CF2=CF−(OCF2CFX)m−Op−(CF2)n−SO2Fで表されるパーフルオロ化合物(式中、Xはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、mは0〜3の整数、nは0〜12の整数、pは0又は1であり、n=0の場合はp=0かつm=1〜3である。)に基づくモノマー単位とテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンのようなパーフルオロオレフィン、クロロトリフルオロエチレン、又はパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)に基づくモノマー単位とを含む共重合体が好ましい。特に上記パーフルオロ化合物に基づくモノマー単位とテトラフルオロエチレンに基づくモノマー単位とを含む共重合体が特に好ましい。 Precursors which the terminal is made of resin which is SO 2 F, CF 2 = CF- (OCF 2 CFX) m -O p - (CF 2) perfluoro compound represented by n -SO 2 F (wherein , X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, m is an integer of 0 to 3, n is an integer of 0 to 12, p is 0 or 1, and when n = 0, p = 0 and m = 1 Preferred are copolymers comprising monomer units based on ˜3) and monomer units based on perfluoroolefins such as tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, chlorotrifluoroethylene or perfluoro (alkyl vinyl ether). Particularly preferred is a copolymer comprising a monomer unit based on the perfluoro compound and a monomer unit based on tetrafluoroethylene.
上記パーフルオロ化合物の好ましい例としては、以下のいずれかの式で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、qは1〜8の整数、rは1〜8の整数、sは1〜8の整数、tは1〜5の整数を示す。
CF2=CFO(CF2)qSO2F
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)rSO2F
CF2=CF(CF2)sSO2F
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2SO2F。
Preferable examples of the perfluoro compound include compounds represented by any of the following formulas. However, in the following formula, q is an integer of 1 to 8, r is an integer of 1 to 8, s is an integer of 1 to 8, and t is an integer of 1 to 5.
CF 2 = CFO (CF 2 ) q SO 2 F
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) r SO 2 F
CF 2 = CF (CF 2 ) s SO 2 F
CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3)) t O (CF 2) 2 SO 2 F.
また、パーフルオロカーボン重合体以外の重合体の陽イオン交換樹脂としては、例えば下記式(1)で表されるモノマー単位と下記式(2)で表されるモノマー単位とを含む重合体が挙げられる。ここで、P1はフェニルトリール基、ビフェニルトリール基、ナフタレントリール基、フェナントレントリール基、アントラセントリール基であり、P2はフェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、フェナントリレン基、アントラシレン基であり、A1は−SO3M2基(M2は水素原子又はアルカリ金属原子、以下同じ。)、−COOM2基又は加水分解によりこれらの基に転換する基であり、B1、B2はそれぞれ独立に酸素原子、イオウ原子、スルホニル基又はイソプロピリデン基である。P1及びP2の構造異性は特に限定されず、P1及びP2の水素原子の1個以上がフッ素原子、塩素原子、臭素原子又は炭素数1〜3のアルキル基に置換されていてもよい。 Moreover, as a cation exchange resin of polymers other than a perfluorocarbon polymer, the polymer containing the monomer unit represented, for example by following formula (1), and the monomer unit represented by following formula (2) is mentioned. . Here, P 1 is a phenyltolyl group, a biphenyltolyl group, a naphthalene reel group, a phenanthrene reel group, and an anthracylene group, P 2 is a phenylene group, a biphenylene group, a naphthylene group, a phenanthrylene group, and an anthracylene group, and A 1 is a —SO 3 M 2 group (M 2 is a hydrogen atom or an alkali metal atom, the same shall apply hereinafter), a —COOM 2 group or a group which is converted into these groups by hydrolysis, and B 1 and B 2 are each independently And an oxygen atom, a sulfur atom, a sulfonyl group, or an isopropylidene group. Structural isomers of P 1 and P 2 is not particularly limited, one or more fluorine atoms of the hydrogen atom of the P 1 and P 2, a chlorine atom, be substituted by a bromine atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms Good.
本発明におけるイオン交換樹脂のイオン交換容量としては、燃料電池用の高分子電解質膜として使用する場合は0.5〜2.0ミリ当量/グラム乾燥樹脂、特に0.7〜1.6ミリ当量/グラム乾燥樹脂であることが好ましい。イオン交換容量が低すぎると抵抗が大きくなる。一方、イオン交換容量が高すぎると水に対する親和性が強すぎるため、発電時に電解質膜が溶解するおそれがある。 The ion exchange capacity of the ion exchange resin in the present invention is 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, particularly 0.7 to 1.6 meq when used as a polymer electrolyte membrane for a fuel cell. / G dry resin is preferred. If the ion exchange capacity is too low, the resistance increases. On the other hand, if the ion exchange capacity is too high, the affinity for water is too strong, and thus the electrolyte membrane may be dissolved during power generation.
本発明の電解質膜の厚さは、7.5μm〜25μmが好ましい。電解質膜の膜厚が厚すぎると、膜の抵抗が大きくなる。また、燃料電池の高分子電解質膜として使用する場合、薄いほうがカソード側で生成する生成水の逆拡散を起こし易く好ましい。一方、電解質膜の膜厚が薄すぎると力学的強度の発現が困難となり、ガス漏れ等の障害を起こし易くなる。よって本発明の電解質膜の膜厚は、上限は好ましくは25μm以下であり、下限は、燃料電池の両極の原料ガスのクロスオーバー等が著しく増加するため、好ましくは7.5μm以上である。より好ましくは、7.5μm〜20μmである。 The thickness of the electrolyte membrane of the present invention is preferably 7.5 μm to 25 μm. If the thickness of the electrolyte membrane is too thick, the resistance of the membrane increases. Further, when used as a polymer electrolyte membrane of a fuel cell, a thinner one is preferable because it tends to cause reverse diffusion of generated water generated on the cathode side. On the other hand, if the thickness of the electrolyte membrane is too thin, it will be difficult to develop mechanical strength, and problems such as gas leakage will easily occur. Therefore, the upper limit of the thickness of the electrolyte membrane of the present invention is preferably 25 μm or less, and the lower limit is preferably 7.5 μm or more because the crossover of the raw material gas at both electrodes of the fuel cell is remarkably increased. More preferably, it is 7.5 micrometers-20 micrometers.
また、上記の電解質膜の膜厚の観点から、不織布の厚さは好ましくは1μm以上15μm以下、より好ましくは1μm〜10μmである。このときの不織布の目付け量としては、補強効果と膜抵抗低減の両立の観点から、0.5cc/m2〜5cc/m2であることが好ましい。例えばポリエチレンテレフタレートフィルムのような支持体上での厚密化を行うことにより、厚み領域を均一に作製することができる。 Moreover, from the viewpoint of the film thickness of the electrolyte membrane, the thickness of the nonwoven fabric is preferably 1 μm or more and 15 μm or less, more preferably 1 μm to 10 μm. The basis weight of the nonwoven fabric of this time, it is preferable from the viewpoint of compatibility of reinforcing effect and film resistance reduction is 0.5cc / m 2 ~5cc / m 2 . For example, by performing densification on a support such as a polyethylene terephthalate film, the thickness region can be formed uniformly.
不織布で補強されたイオン交換樹脂を主成分とする電解質膜を作製する方法としては、例えば、(1)不織布に、イオン交換樹脂の溶液又は分散液を塗工又は含浸させた後、乾燥し造膜するキャスト法、(2)不織布に、あらかじめ形成しておいたイオン交換樹脂の膜状物を加熱積層して一体化する方法等が挙げられる。この不織布とイオン交換樹脂との複合膜を延伸処理等によって強化してもよい。 Examples of a method for producing an electrolyte membrane mainly composed of an ion exchange resin reinforced with a non-woven fabric include (1) coating or impregnating a non-woven fabric with a solution or dispersion of an ion exchange resin, followed by drying and manufacturing. Examples thereof include a casting method for forming a film, and (2) a method in which an ion-exchange resin film-form formed in advance is laminated on a non-woven fabric by heat lamination. You may reinforce the composite film of this nonwoven fabric and ion exchange resin by an extending | stretching process etc.
本発明の電解質膜は、片面又は両面の最外層として、上述の不織布で補強されたイオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有する。これにより、本発明の電解質膜を固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜として使用するとき、電解質膜と電極の接合部における抵抗を低下させることができる。上述のように不織布とイオン交換樹脂との複合膜を形成した時点で、その最外層としてイオン交換樹脂からなる補強されない層が形成されていることもある。また、複合膜の形成に続いて、該複合膜の表面にイオン交換樹脂の溶液又は分散液をコーティングしたり、イオン交換樹脂の単膜を積層したりすることによってもイオン交換樹脂からなる補強されない層を形成することができる。両面の最外層として、補強されない層を有することが好ましい。なお、イオン交換樹脂からなる補強されない層は、イオン交換樹脂に若干の他の成分を含んでいてもよい。 The electrolyte membrane of the present invention has an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be the same as or different from the ion exchange resin reinforced with the above-mentioned nonwoven fabric as the outermost layer on one or both sides. Thereby, when using the electrolyte membrane of this invention as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, the resistance in the junction part of an electrolyte membrane and an electrode can be reduced. As described above, when the composite membrane of the nonwoven fabric and the ion exchange resin is formed, an unreinforced layer made of the ion exchange resin may be formed as the outermost layer. In addition, after the formation of the composite membrane, the surface of the composite membrane is not reinforced with an ion exchange resin by coating with a solution or dispersion of the ion exchange resin or by laminating a single membrane of the ion exchange resin. A layer can be formed. It is preferable to have an unreinforced layer as the outermost layer on both sides. Note that the non-reinforced layer made of the ion exchange resin may contain some other component in the ion exchange resin.
イオン交換樹脂からなる補強されない層の厚みは、片側につき1〜10μmであることが好ましい。燃料電池の燃料ガスのバリアー性に優れ、かつ、膜抵抗を抑えることができるからである。より好ましくは2〜5μmである。なお、本明細書において補強されない層の厚みは、光学顕微鏡、レーザー顕微鏡、SEM等の断面観察より測定することできる。補強されない層の厚みは、電解質膜表面と不織布の繊維との最短距離を意味する。 The thickness of the non-reinforced layer made of ion exchange resin is preferably 1 to 10 μm per side. This is because the fuel cell has excellent fuel gas barrier properties and membrane resistance can be suppressed. More preferably, it is 2-5 micrometers. In addition, the thickness of the layer which is not reinforced in this specification can be measured by cross-sectional observations such as an optical microscope, a laser microscope, and an SEM. The thickness of the unreinforced layer means the shortest distance between the electrolyte membrane surface and the nonwoven fabric fibers.
本発明の電解質膜を固体高分子形燃料電池用の高分子電解質膜として使用するとき、プロトンの移動は不織布の繊維に遮蔽される。補強されない層の厚みが薄すぎると、電流が繊維を回避して迂回するための距離が大きくなり、不要な抵抗上昇の要因となり得る。 When the electrolyte membrane of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, proton movement is shielded by non-woven fibers. If the thickness of the layer that is not reinforced is too thin, the distance for the current to bypass the fiber and bypass it becomes large, which may cause an unnecessary increase in resistance.
本発明の電解質膜は、補強されない層の厚みがフッ素樹脂の繊維の平均繊維径の半径以上であることが好ましい。特に補強されない層の厚みがフッ素樹脂の繊維の平均繊維径の半分より小さい場合は、その抵抗上昇が著しい。補強されない層の厚みが連続繊維の平均繊維半径以上の値である場合には、電流の迂回距離が小さく済み、結果として抵抗の不要な上昇を避けられ好ましい。 In the electrolyte membrane of the present invention, the thickness of the unreinforced layer is preferably equal to or greater than the radius of the average fiber diameter of the fluororesin fibers. In particular, when the thickness of the unreinforced layer is smaller than half of the average fiber diameter of the fluororesin fibers, the resistance increase is significant. When the thickness of the layer that is not reinforced is equal to or greater than the average fiber radius of the continuous fibers, it is preferable to reduce the current detour distance and consequently avoid unnecessary increase in resistance.
本発明の電解質膜は、固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の高分子電解質膜として用いられる。固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は、触媒とイオン交換樹脂とを含む触媒層を有するカソード及びアノードと、該カソードと該アノードとの間に配置される高分子電解質膜とを備える。 The electrolyte membrane of the present invention is used as a polymer electrolyte membrane of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. The membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell includes a cathode and an anode having a catalyst layer containing a catalyst and an ion exchange resin, and a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode.
固体高分子形燃料電池用膜電極接合体は通常の手法に従い、例えば以下のようにして得られる。まず、白金触媒又は白金合金触媒微粒子を担持させた導電性のカーボンブラック粉末と電解質材料とを含む液状組成物からなる均一な分散液を得て、以下のいずれかの方法でガス拡散電極を形成して膜電極接合体を得る。 The membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell can be obtained in the following manner, for example, according to a usual method. First, obtain a uniform dispersion composed of a liquid composition containing a conductive carbon black powder carrying platinum catalyst or platinum alloy catalyst fine particles and an electrolyte material, and form a gas diffusion electrode by one of the following methods: Thus, a membrane electrode assembly is obtained.
第1の方法は、電解質膜の両面に上記分散液を塗布し乾燥後、両面を2枚のカーボンクロス又はカーボンペーパーで密着する方法である。第2の方法は、上記分散液を2枚のカーボンクロス又はカーボンペーパー上に塗布乾燥後、分散液が塗布された面が電解質膜と密着するように、電解質膜の両面から挟みこむ方法である。第3の方法は、上記分散液を別途用意した基材フィルム上に塗布、乾燥して触媒層を形成した後、電解質膜の両面に電極層を転写し、さらに2枚のカーボンクロス又はカーボンペーパーで両面を密着する方法である。なお、ここでカーボンクロス又はカーボンペーパーは触媒を含む層により均一にガスを拡散させるためのガス拡散層としての機能と集電体としての機能を有するものである。 The first method is a method in which the dispersion liquid is applied to both surfaces of the electrolyte membrane, dried, and then both surfaces are adhered to each other with two carbon cloths or carbon paper. The second method is a method in which the dispersion liquid is applied and dried on two sheets of carbon cloth or carbon paper and then sandwiched from both surfaces of the electrolyte membrane so that the surface to which the dispersion solution is applied is in close contact with the electrolyte membrane. . The third method is to apply the above dispersion on a separately prepared substrate film and dry it to form a catalyst layer, then transfer the electrode layer to both sides of the electrolyte membrane, and then add two sheets of carbon cloth or carbon paper This is a method of sticking both sides together. Here, the carbon cloth or the carbon paper has a function as a gas diffusion layer and a function as a current collector for diffusing the gas uniformly by the layer containing the catalyst.
得られた膜電極接合体は、燃料ガス又は酸化剤ガスの通路となる溝が形成されセパレータの間に挟まれ、膜電極接合体のアノード側には水素ガスが供給され、カソード側には酸素又は空気が供給され固体高分子形燃料電池が得られる。 The obtained membrane electrode assembly is formed with a groove serving as a passage for fuel gas or oxidant gas, and is sandwiched between separators. Hydrogen gas is supplied to the anode side of the membrane electrode assembly, and oxygen is supplied to the cathode side. Or air is supplied and a polymer electrolyte fuel cell is obtained.
以下に、実施例及び比較例により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
〔実施例1〕
〔溶液調整〕
市販の粉状のポリビニリデンフロリド(ALDRICH社製:Mw約534000、融点171℃)を用い、ジメチルアセトアミドを80gに対し、ポリビニリデンフロリド20gを投入し、室温で16時間攪拌し、透明な溶液を得た。これを電界紡糸用紡糸原液とした。
[Example 1]
(Solution adjustment)
Using commercially available powdered polyvinylidene fluoride (ALDRICH, Mw: about 534000, melting point 171 ° C.), 80 g of dimethylacetamide was added to 20 g of polyvinylidene fluoride, stirred at room temperature for 16 hours, and transparent. A solution was obtained. This was used as a spinning dope for electrospinning.
〔電界延伸〕
電界紡糸法による不織布製造装置(井内製作所社製)を用意した。容量10mLのディスポーザブルシリンジの先端に25G(内径:0.25mm、外径:0.5mm、長さ5cm)のステンレス製注射針を装着した。前記不織布製造装置及び紡糸原液を用い、針の先端からドラムまでの距離:7.5cm、印加電圧:20kV、吐出量:0.20mL/時の条件で電界紡糸を行った。ドラム上に繊維径0.3〜0.7μm(平均繊維径0.4μm)の繊維で構成される不織布連続体RA1を得た。不織布連続体RA2のアスペクト比は、すべて10000以上であった。不織布連続体RA1の2.6cm×2.6cmの面積を顕微鏡にて観察したところ、繊維長13mm以下の繊維は観察されなかった。単位面積あたりの布重量は、2g/m2であった。
[Electric field stretching]
A non-woven fabric production apparatus (manufactured by Iuchi Seisakusho Co., Ltd.) using an electrospinning method was prepared. A stainless syringe needle of 25 G (inner diameter: 0.25 mm, outer diameter: 0.5 mm, length 5 cm) was attached to the tip of a disposable syringe with a capacity of 10 mL. Using the nonwoven fabric manufacturing apparatus and the spinning solution, electrospinning was performed under the conditions of the distance from the tip of the needle to the drum: 7.5 cm, the applied voltage: 20 kV, and the discharge rate: 0.20 mL / hour. A nonwoven fabric continuous body RA1 composed of fibers having a fiber diameter of 0.3 to 0.7 μm (average fiber diameter of 0.4 μm) was obtained on the drum. The aspect ratios of the nonwoven fabric continuous body RA2 were all 10,000 or more. When an area of 2.6 cm × 2.6 cm of the nonwoven fabric continuous body RA1 was observed with a microscope, fibers having a fiber length of 13 mm or less were not observed. The fabric weight per unit area was 2 g / m 2 .
〔厚み調整(厚密化)〕
次に、図3に示す簡易積層装置(TAISEI LAMINATOR社製VAII−700)を用いて、不織布連続体RA1(41)を市販の厚さ100μmの連続ポリエチレンテレフタレート支持体42と積層、厚密化して、連続PET支持体/厚密化不織布連続体RAP1(43)を得た。厚密化不織布連続体RAP1の接触式マイクロメータ(キーエンス社製:AT−005V 5mmΦ円形Tip)による厚み測定をしたところ、平均5μmであった。なお、厚密化の際の金属ロール44の温度及びゴムロール45の温度は140℃、ロール加圧の力は600mmのロール面長に対して0.026MPa/mであり、連続PET支持体の送り速度は0.15m/分であった。
[Thickness adjustment (thickening)]
Next, the non-woven fabric continuum RA1 (41) was laminated with a commercially available continuous polyethylene terephthalate support 42 having a thickness of 100 μm and thickened by using a simple laminating apparatus (VAII-700 manufactured by TAISEI LAMINATOR) shown in FIG. A continuous PET support / thickened nonwoven fabric continuum RAP1 (43) was obtained. When the thickness of the thickened nonwoven fabric continuous body RAP1 was measured with a contact-type micrometer (manufactured by Keyence Corporation: AT-005V 5 mmΦ circular Tip), the average was 5 μm. Note that the temperature of the
得られた連続PET支持体/厚密化不織布RAP1(43)の仮圧着品は、ハンドリング性に優れていた。 The obtained temporary pressure-bonded product of continuous PET support / thickened nonwoven fabric RAP1 (43) was excellent in handling properties.
〔イオン交換樹脂からなる補強されない層の製造〕
次にイオン交換樹脂(旭硝子社製:Flemion)のエタノール溶液(FSS−2 固形分9%)の溶液を用いて、ダイコートによりフッ素樹脂フィルム(旭硝子社製:アフレックス(登録商標)(100N(厚み100μm)))の上に流延し、80℃5分間乾燥し、上記イオン交換樹脂からなる厚み1.5μmの補強されない層を得た。
[Production of unreinforced layer made of ion exchange resin]
Next, using a solution of an ion exchange resin (Asahi Glass Co., Ltd .: Flemion) ethanol solution (FSS-2 solid content 9%) by die coating, a fluororesin film (Asahi Glass Co., Ltd .: Aflex (registered trademark) (100N (thickness)) 100 μm))) and dried at 80 ° C. for 5 minutes to obtain a 1.5 μm-thick unreinforced layer made of the above ion exchange resin.
〔電解質膜形成方法〕
次に、図3の簡易積層装置(TAISEI LAMINATOR社製VAII−700)を用いて、表面処理された連続PET支持体/厚密化不織布RAP1と、厚さ1.5μmの補強されない層とを熱圧着せしめ、連続PET支持体/中間積層体P1を得た。なお、厚密化の際の金属ロール温度及びゴムロール温度は120℃、ロール加圧の圧力は600mmのロール面長に対して0.026MPa/mであり、連続PET支持体の挿入速度は0.15m/分であった。
[Electrolyte film forming method]
Next, using the simple laminating apparatus of FIG. 3 (VAII-700 manufactured by TAISEI LAMINATOR), the surface-treated continuous PET support / thickened nonwoven fabric RAP1 and the unreinforced layer having a thickness of 1.5 μm were heated. Crimping was performed to obtain a continuous PET support / intermediate laminate P1. The metal roll temperature and rubber roll temperature during densification are 120 ° C., the pressure of the roll pressurization is 0.026 MPa / m for a roll surface length of 600 mm, and the insertion speed of the continuous PET support is 0.00. It was 15 m / min.
次に、図4に示す連続コーティングシステムを用いて、連続PET支持体/中間積層体P1から連続PET支持体を剥がした中間積層体P1(51)を用いて、その面にイオン交換樹脂(旭硝子社製:Flemion(登録商標))エタノール溶液(FSS−2 固形分9%)の溶液を用いて、ダイコーター52により塗工し乾燥炉53にて乾燥させ、さらに金属ロール54、ゴムロール55にて加圧を行った。その後、枚葉に切断し、140℃30分の条件で、さらに残留溶媒等を乾燥させて、電解質膜全体の厚みが8μmの電解質膜R1を得た。なお、電子顕微鏡の断面観察から、表面の補強されない層の厚みは両側約1.5μmであった。
Next, using the continuous coating system shown in FIG. 4, using the intermediate laminate P1 (51) obtained by peeling the continuous PET support from the continuous PET support / intermediate laminate P1, an ion exchange resin (Asahi Glass) is provided on the surface. Co., Ltd .: Flemion (registered trademark) ethanol solution (FSS-2 solid content 9%), using a die coater 52, dried in a drying
[含水時の寸法変化率測定]
電解質膜R1を200mm角に切り出し、温度25℃、湿度50%の雰囲気に16時間曝し、サンプルの縦と横の長さを測定する。次に、90℃のイオン交換水にサンプルを1時間浸漬した後、同様にして縦と横の長さを測定する。サンプルの縦方向の伸びと横方向の伸びの平均値を求め、寸法変化率とした。
[Measurement of dimensional change rate when water is contained]
The electrolyte membrane R1 is cut into a 200 mm square, exposed to an atmosphere of a temperature of 25 ° C. and a humidity of 50% for 16 hours, and the vertical and horizontal lengths of the sample are measured. Next, after immersing the sample in ion-exchanged water at 90 ° C. for 1 hour, the vertical and horizontal lengths are measured in the same manner. An average value of the elongation in the vertical direction and the elongation in the horizontal direction of the sample was obtained and used as a dimensional change rate.
[固体高分子形燃料電池の作製及び電気抵抗測定]
白金担持カーボンを水、エタノールの順で逐次添加することにより、エタノールと水の混合分散媒(質量比で1:1)に分散した触媒分散液(固形分9質量%)を得る。その後、イオン交換樹脂(旭硝子社製:Flemion(登録商標))のエタノール溶液(FSS−2 固形分9%)と触媒分散液を11:3の質量比で混合し、塗工液を作製する。次にこの塗工液を電解質膜R1の両面にダイコート法で塗工し、乾燥して厚さ10μm、白金担持量0.5mg/cm2の触媒層を膜の両面に形成する。さらにその両外側にカーボンクロスをガス拡散層として配置することにより、膜電極接合体が得られる。この膜電極接合体の両外側にガス通路用の細溝をジグザグ状に切削加工したカーボン板製のセパレータ、さらにその外側にヒータを配置することにより、有効膜面積25cm2の固体高分子形燃料電池が組み立てられる。
[Production of solid polymer fuel cell and measurement of electric resistance]
By sequentially adding platinum-supporting carbon in the order of water and ethanol, a catalyst dispersion (solid content 9 mass%) dispersed in a mixed dispersion medium (mass ratio of 1: 1) of ethanol and water is obtained. Thereafter, an ethanol solution (FSS-2 solid content 9%) of an ion exchange resin (Asahi Glass Co., Ltd .: Flemion (registered trademark)) and a catalyst dispersion are mixed at a mass ratio of 11: 3 to prepare a coating solution. Next, this coating solution is applied to both surfaces of the electrolyte membrane R1 by a die coating method, and dried to form a catalyst layer having a thickness of 10 μm and a platinum carrying amount of 0.5 mg / cm 2 on both surfaces of the membrane. Furthermore, a membrane electrode assembly is obtained by disposing carbon cloth as a gas diffusion layer on both outer sides. A solid polymer fuel having an effective membrane area of 25 cm 2 by disposing a carbon plate separator having zigzag cuts on the gas channel narrow grooves on both outer sides of the membrane electrode assembly, and a heater on the outer side. The battery is assembled.
燃料電池の温度を80℃に保ち、カソードに窒素、アノードに水素をそれぞれ0.15MPaで供給する。このとき、両側ガスの湿度はともに100%RHであった。この状態で、Determination of electrode sheet resistance in cathode catalyst layer by AC impedance.Liu, Y.;Murphy,M.W.;Baker,D.R.;Gu,W.;Ji,C.;Jorne,J.;Gasteiger,H.A.Department of Chemical Engineering,University of Rochester,Rochester,NY,USA.ECS Transactions(2007),11(1,Part1,Proton Exchange Membrane Fuel Cells 7,Part1),473−484.Publisher:Electrochemical Society,で例示されているインピーダンス測定を行い、膜の厚み方向の電気抵抗を測定した。これらの結果を表1に示した。なお、接触抵抗等については、厚みの異なる無補強膜を用いて、厚み0への外挿により求め、各測定におけるセル抵抗分からこれを差し引くことにより、膜単体の厚み方向の電気抵抗を算出した。結果を表1に示す。 The temperature of the fuel cell is maintained at 80 ° C., and nitrogen is supplied to the cathode and hydrogen is supplied to the anode at 0.15 MPa, respectively. At this time, the humidity of both side gases was 100% RH. In this state, the determination of electrode sheet resistance in cathode catalyst layer by AC imped. Liu, Y .; Murphy, M .; W. Baker, D .; R. Gu, W .; Ji, C .; Jorne, J .; Gasteiger, H .; A. Department of Chemical Engineering, University of Rochester, Rochester, NY, USA. ECS Transactions (2007), 11 (1, Part 1, Proton Exchange Membrane Fuel Cells 7, Part 1), 473-484. Impedance measurement exemplified by Publisher: Electrochemical Society was performed to measure the electric resistance in the thickness direction of the film. These results are shown in Table 1. In addition, about contact resistance etc., it calculated | required by extrapolating to thickness 0 using the unreinforced film | membrane from which thickness differs, and subtracted this from the cell resistance part in each measurement, and computed the electrical resistance of the thickness direction of the film | membrane single body. . The results are shown in Table 1.
〔実施例2〕
実施例1で作製した電解質膜R1を図3に示す簡易積層装置を用いて、電解質膜R1同士を積層して電解質膜の全体の厚みを16μmとした電解質膜R2を作製した。このときのロール温度は、上下ともに140℃、電解質膜R2の送り速度は0.15m/分であった。2つのロールの押し圧力は、約200N/cmであった。電解質膜R2を用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[Example 2]
The electrolyte membrane R1 produced in Example 1 was laminated using the simple lamination apparatus shown in FIG. 3 to produce an electrolyte membrane R2 in which the total thickness of the electrolyte membrane was 16 μm. The roll temperature at this time was 140 ° C. both in the upper and lower directions, and the feed rate of the electrolyte membrane R2 was 0.15 m / min. The pressing force of the two rolls was about 200 N / cm. Evaluation similar to Example 1 was performed using electrolyte membrane R2. The results are shown in Table 1.
〔比較例1〕
融点が300℃のフッ素樹脂(旭硝子社製:アフロンPFA(登録商標)(MFR40g/10分))を用いて実施例1の不織布連続体形成方法と同様にして繊維を形成し、フッ素樹脂(旭硝子社製:Cytop(登録商標)の2%溶液(溶媒:CTL−100))を霧状に吹き付け結着させた不織布R−comp1を作製し、実施例1の厚さ調整(厚密化)方法と同様の条件(ロール温度140℃)で、連続PET支持体上で厚密化と仮圧着を試みたが、同条件では十分に厚密化されず、連続PET支持体への仮圧着もできなかった。このときの不織布の厚みは22μmと厚かった。
[Comparative Example 1]
Using a fluororesin having a melting point of 300 ° C. (Asahi Glass Co., Ltd .: Aflon PFA (registered trademark) (MFR 40 g / 10 min)), fibers were formed in the same manner as in the nonwoven fabric continuous body forming method of Example 1, and fluororesin (Asahi Glass) A non-woven fabric R-comp1 produced by spraying and binding a 2% solution of Cytop (registered trademark) (solvent: CTL-100) in a mist form and making a thickness adjustment (thickening) method of Example 1 At the same conditions (roll temperature 140 ° C), thickening and temporary pressure bonding were attempted on a continuous PET support, but under the same conditions, it was not sufficiently thickened and temporary pressure bonding to a continuous PET support was possible. There wasn't. The thickness of the nonwoven fabric at this time was as thick as 22 μm.
ロール温度を上昇させても状況は改善されず、ロール温度が230℃を超えた時点で、ポリエチレンテレフタレートフィルムが変形し始め、ポリエチレンテレフタレートフィルムを用いたロールプレス法が不可能となることが分かった。 Increasing the roll temperature did not improve the situation, and when the roll temperature exceeded 230 ° C, the polyethylene terephthalate film began to deform, and it was found that the roll press method using the polyethylene terephthalate film became impossible. .
そこで、不織布R−comp1の厚密化を断念し、不織布R−comp1を枚葉に切断し、粘着剤つきポリイミドテープを用いて枚葉に切断した不織布R−comp1を連続PET支持体に貼り付けて固定して連続PET支持体/不織布R−comp1を作製し、これを連続PET支持体/厚密化不織布RAP1の代わりに用いた以外は、実施例1の電解質膜形成方法と同様にして電解質膜R5を作製した。電解質膜R5を用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。 Therefore, the thickness of the non-woven fabric R-comp1 was abandoned, the non-woven fabric R-comp1 was cut into single sheets, and the non-woven fabric R-comp1 cut into single sheets using an adhesive-attached polyimide tape was attached to a continuous PET support. The continuous PET support / nonwoven fabric R-comp1 was prepared and fixed in the same manner as in the electrolyte membrane forming method of Example 1, except that this was used instead of the continuous PET support / thickened nonwoven fabric RAP1. A membrane R5 was produced. Evaluation similar to Example 1 was performed using electrolyte membrane R5. The results are shown in Table 1.
〔比較例2〕
融点が260℃のフッ素樹脂(旭硝子社製:アフロンETFE(登録商標)(MFR40g/10分))を用いて実施例1の不織布連続体形成方法と同様にして繊維を形成した(不織布連続体RA3)。この不織布連続体RA3を実施例1の厚さ調整(厚密化)方法と同様の条件(ロール温度140℃)で、連続PET支持体上で厚密化と仮圧着を試みたが、同条件では十分に厚密化されず、連続PET支持体への仮圧着もできなかった。このときの不織布の厚みは21μmと厚かった。
[Comparative Example 2]
Using a fluororesin having a melting point of 260 ° C. (Asahi Glass Co., Ltd .: Aflon ETFE (registered trademark) (MFR 40 g / 10 min)), fibers were formed in the same manner as in the nonwoven fabric continuous body forming method of Example 1 (nonwoven fabric continuous body RA3 ). This nonwoven fabric continuum RA3 was tried to be densified and temporarily pressed on a continuous PET support under the same conditions (roll temperature 140 ° C.) as the thickness adjustment (thickening) method of Example 1. However, it was not sufficiently thickened, and temporary pressing to a continuous PET support was not possible. The thickness of the nonwoven fabric at this time was as thick as 21 μm.
そこで、不織布連続体RA3の厚密化を断念し、不織布連続体RA3を枚葉に切断し、粘着剤つきポリイミドテープを用いて枚葉に切断した不織布連続体RA3を連続PET支持体に貼り付けて固定して連続PET支持体/不織布連続体RA3を作製し、これを連続PET支持体/厚密化不織布RAP1の代わりに用いた以外は、実施例1の電解質膜形成方法と同様にして電解質膜R6を作製した。電解質膜R6を用いて実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。 Therefore, the density of the nonwoven fabric continuum RA3 was abandoned, the nonwoven fabric continuum RA3 was cut into single sheets, and the nonwoven fabric continuum RA3 cut into single sheets using an adhesive-attached polyimide tape was attached to a continuous PET support. To prepare a continuous PET support / nonwoven fabric continuity RA3, which was used in place of the continuous PET support / thickened non-woven fabric RAP1, in the same manner as in the electrolyte membrane formation method of Example 1. A film R6 was prepared. Evaluation similar to Example 1 was performed using electrolyte membrane R6. The results are shown in Table 1.
〔比較例3〕
イオン交換樹脂(旭硝子社製:Flemion(登録商標))のエタノール溶液(FSS−2 固形分9%)の溶液を用いて、ダイコートによりフッ素樹脂フィルム(旭硝子社製:アフレックス(登録商標)品番100N(厚み100μm))の上に流延し、80℃5分間乾燥したのち、160℃で30分乾燥して、残留溶媒を除去し、上記イオン交換樹脂からなる厚み25μmの電解質膜R7を得た。これを実施例1と同様に評価を行った。結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
Using a solution of an ion exchange resin (Asahi Glass Co., Ltd .: Flemion (registered trademark)) ethanol solution (FSS-2 solid content 9%) by die coating, a fluororesin film (Asahi Glass Co., Ltd .: Aflex (registered trademark) product number 100N (100 μm thickness)), dried at 80 ° C. for 5 minutes, and then dried at 160 ° C. for 30 minutes to remove the residual solvent, to obtain an electrolyte membrane R7 made of the above ion exchange resin and having a thickness of 25 μm. . This was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
本発明によれば、補強に用いられる不織布を効率よく生産することができ、厚さが薄くても機械的強度が高く、含水時の寸法安定性に優れ、抵抗の低い電解質膜を得ることができる。そしてこの電解質膜を用いて得られた膜電極接合体は、電気特性が高く高耐久性能を有する固体高分子形燃料電池が得られる。 According to the present invention, it is possible to efficiently produce a nonwoven fabric used for reinforcement, and it is possible to obtain an electrolyte membrane having high mechanical strength even when the thickness is thin, excellent dimensional stability when containing water, and low resistance. it can. The membrane / electrode assembly obtained using this electrolyte membrane provides a polymer electrolyte fuel cell having high electrical properties and high durability.
1:フッ素樹脂
2:気体
3:紡糸ノズルの吐出孔
4:気体放出ノズルの吐出孔
10:不織布製造装置
12:シリンジ
14:針
16:ドラム
18:高電圧電源
31:単軸押出機
32:特殊ダイ
33:メルトブローン不織布製造法特殊ノズル
34:不織布A1
35:ステンレスメッシュ
36:延伸用ホットエアー
37:駆動ステージ
38:エアー吸引装置
39:余剰樹脂排出口
41:不織布連続体RA1
42:連続PET支持体
43:連続PET支持体/厚密化不織布連続体RAP1
44、54:金属ロール
45、55:ゴムロール
51:中間積層体P1
52:ダイコーター
53:乾燥炉
1: Fluororesin 2: Gas 3: Discharge hole of spinning nozzle 4: Discharge hole of gas discharge nozzle 10: Non-woven fabric production apparatus 12: Syringe 14: Needle 16: Drum 18: High voltage power supply 31: Single screw extruder 32: Special Die 33: Melt blown nonwoven fabric manufacturing method special nozzle 34: Nonwoven fabric A1
35: Stainless steel mesh 36: Hot air for stretching 37: Drive stage 38: Air suction device 39: Excess resin outlet 41: Non-woven fabric continuum RA1
42: Continuous PET support 43: Continuous PET support / thickened non-woven fabric RAP1
44, 54: Metal roll 45, 55: Rubber roll 51: Intermediate laminate P1
52: Die coater 53: Drying furnace
Claims (11)
片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有し、
前記フッ素樹脂は、融点が240℃以下のポリビニリデンフルオライド重合体であり、
前記固定化が前記繊維同士の融着による固定化であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜。 An electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, the main component of which is an ion exchange resin made of a fluororesin fiber and reinforced with a nonwoven fabric in which at least a part of the intersections between the fibers is fixed,
As an outermost layer on one or both sides, it has an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be the same as or different from the ion exchange resin,
The fluororesin is a polyvinylidene fluoride polymer having a melting point of 240 ° C. or lower,
The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the immobilization is immobilization by fusion of the fibers.
前記固体高分子形燃料電池用電解質膜が、融点が240℃以下のポリビニリデンフルオライド重合体の繊維からなり該繊維間の交点の少なくとも一部が繊維同士の融着により固定化された不織布で補強されたイオン交換樹脂を主成分とする電解質膜であり、片面又は両面の最外層として、前記イオン交換樹脂と同じでも異なっていてもよいイオン交換樹脂からなる補強されない層を有し、
前記不織布は、樹脂支持体上を用いたロールツーロール方式の加熱ロールプレス法で厚み調整を行う工程を経て形成されることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is a non-woven fabric made of polyvinylidene fluoride polymer fibers having a melting point of 240 ° C. or less, and at least some of the intersections between the fibers are fixed by fusion of the fibers. It is an electrolyte membrane mainly composed of a reinforced ion exchange resin, and has an unreinforced layer made of an ion exchange resin that may be the same as or different from the ion exchange resin as an outermost layer on one or both sides,
The method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the nonwoven fabric is formed through a step of adjusting the thickness by a roll-to-roll heating roll press method using a resin support.
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