JP2010103118A - Electrolyte film excellent in durability - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte film for a solid polymer fuel cell for maintaining battery characteristics after long hours of use (for example, several thousand hours), as is unattainable with a polymer ion exchange membrane including a fluorine system electrolyte film of prior art. <P>SOLUTION: In the electrolyte film for the solid polymer fuel cell and a membrane electrode assembly using the same with a monomer having a sulfone group as a cation exchange group grafted in a fluorine system polymer base material, a main chain of a graft chain is composed of hydrocarbon or hydrocarbon partially fluorinated and is combined with a sulfone group or a substituent having a sulfone group as a side chain, with an O/S value at least on one surface of the electrolyte film of 5.0 or more, and a surface element ratio of S of 0.4% or more and 5.0% or less in an element composition percentage by ESCA. An area change ratio of the electrolyte film at dipping in 40 wt.% methanol aqueous solution is to be 40% or less. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池において、長期の使用においても安定した特性を示すことを特徴とする電解質膜に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane characterized by exhibiting stable characteristics even in long-term use in a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子型燃料電池はエネルギー密度が高いことから、家庭用コージェネ電源や携帯機器用電源、電気自動車の電源、簡易補助電源等の広い分野での使用が期待されている。
固体高分子型燃料電池においては、電解質膜はプロトンを伝導するための電解質として機能し、同時に燃料である水素やメタノールと酸素とを直接混合させないための隔膜としての役割も有する。このような電解質膜としては、電解質としてイオン交換容量が高いこと、電流を長時間流すため電気的化学的に安定であり電気抵抗が低いこと、膜の力学的強度が強いこと、燃料である水素ガスやメタノールおよび酸素ガスについてガス透過性の低いこと等が要求される。
Since the polymer electrolyte fuel cell has a high energy density, it is expected to be used in a wide range of fields such as a household cogeneration power source, a power source for portable devices, a power source for electric vehicles, and a simple auxiliary power source.
In the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane functions as an electrolyte for conducting protons, and also has a role as a diaphragm for preventing direct mixing of hydrogen, methanol, and oxygen as fuels. As such an electrolyte membrane, it has a high ion exchange capacity as an electrolyte, is electrically and chemically stable and has a low electrical resistance because a current flows for a long time, has a strong mechanical strength, and hydrogen as a fuel. Gas, methanol, and oxygen gas are required to have low gas permeability.

この電解質膜としては、デュポン社により開発されたパーフルオロスルホン酸膜「ナフィオン(デュポン社登録商標)」等が一般に用いられてきた。しかしながら、「ナフィオン」をはじめとする従来のフッ素系高分子イオン交換膜は、化学的な安定性には優れているものの、イオン交換容量が低く、また保水性が不充分であるためイオン交換膜の乾燥が生じてプロトン導電性が低下するという問題があった。この対策としてスルホン酸基を多く導入すると、保水により膜強度が極端に低下して、膜が容易に破損してしまうため、プロトン導電性と膜強度とを両立させることは困難な課題であった。またナフィオンなどのフッ素系高分子電解質膜は、原料となるフッ素系モノマーの合成が複雑であるため、非常に高価であり、このことは固体高分子型燃料電池の実用化において大きな障害となっている。   As this electrolyte membrane, a perfluorosulfonic acid membrane “Nafion (registered trademark of DuPont)” developed by DuPont has been generally used. However, conventional fluorine-based polymer ion exchange membranes such as “Nafion” have excellent chemical stability, but have low ion exchange capacity and insufficient water retention, so that the ion exchange membrane There was a problem that the proton conductivity was lowered due to the drying. When many sulfonic acid groups are introduced as a countermeasure, the membrane strength is extremely lowered by water retention, and the membrane is easily damaged. Therefore, it is difficult to achieve both proton conductivity and membrane strength. . In addition, fluorine polymer electrolyte membranes such as Nafion are very expensive because of the complicated synthesis of fluorine monomers as raw materials, and this is a major obstacle to the practical application of polymer electrolyte fuel cells. Yes.

そのため、ナフィオンをはじめとするフッ素系電解質膜に替わる低コストで高性能な電解質膜の開発が進められている。その例として、炭化水素構造を含むエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜にスチレンモノマーを放射線グラフト反応により導入し、次いでスルホン化することにより合成した電解質膜(特許文献1参照)等が提案されている。   For this reason, development of low-cost and high-performance electrolyte membranes that replaces fluorinated electrolyte membranes such as Nafion is underway. As an example, an electrolyte membrane synthesized by introducing a styrene monomer into an ethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE) membrane containing a hydrocarbon structure by a radiation graft reaction and then sulfonating (see Patent Document 1) is proposed. Has been.

しかし、これらをはじめとする従来の電解質膜には、長期の使用に伴い出力が大きく低下してしまうという問題があった。この原因については、長期の使用により、電極と電解質膜との密着性が低下する、すなわち、電極と電解質膜との間に空間が生じるため、その部分でのプロトン伝導性が阻害されることにあった。   However, these and other conventional electrolyte membranes have a problem that the output is greatly reduced with long-term use. About this cause, the adhesiveness between the electrode and the electrolyte membrane is lowered by long-term use, that is, a space is formed between the electrode and the electrolyte membrane, so that proton conductivity in that portion is inhibited. there were.

ここで、電解質膜と電極との接着性向上を目的とする技術として、例えば、プラズマエッチング処理により、電解質膜の表面に1〜5μm程度の大きさの凹凸を付け、接触面積を増やす方法が開示されている(特許文献2参照)。しかし、この方法では、電解質膜表面に凹凸をつけることにより、電極との接触面積を高めることが可能になる反面、長期的な使用を考えた場合、電解質膜の保液量や温度の変化に伴い、膜の膨張、収縮といった応力が継続的に電解質膜に加わるので、凹凸が大きすぎると特に凹部を起点として膜が破損する(破ける)という問題がみられた。また、長期的使用の場合、耐久性という点でその効果は不十分であった。   Here, as a technique for improving the adhesion between the electrolyte membrane and the electrode, for example, a method of increasing the contact area by attaching unevenness of about 1 to 5 μm to the surface of the electrolyte membrane by plasma etching treatment is disclosed. (See Patent Document 2). However, with this method, it is possible to increase the contact area with the electrode by making the electrolyte membrane surface uneven, but when considering long-term use, the amount of liquid retained in the electrolyte membrane and changes in temperature Along with this, stresses such as expansion and contraction of the membrane are continuously applied to the electrolyte membrane. Therefore, there is a problem that the membrane is damaged (breaks) particularly from the concave portion when the irregularity is too large. Moreover, in the case of long-term use, the effect was inadequate in terms of durability.

特開平9−102322号公報JP-A-9-102322 特開平4−220957号公報JP-A-4-220957

本発明は、従来のフッ素系電解質膜をはじめとする高分子イオン交換膜の欠点を抑制した、長期間(例えば数千時間)使用しても電池特性を維持することのできる、固体高分子型燃料電池用の電解質膜を提供することを課題とする。   The present invention is a solid polymer type that can maintain the battery characteristics even when used for a long period of time (for example, several thousand hours), which suppresses the drawbacks of polymer ion exchange membranes including conventional fluorine-based electrolyte membranes. An object is to provide an electrolyte membrane for a fuel cell.

本発明者らは、長期の使用に伴う電池特性(例えば、出力、耐久性など)の低下は、電極材に対する電解質膜の接着性の不足および電解質膜の寸法変化が原因であることをつきとめた。   The present inventors have found that the deterioration of battery characteristics (for example, output, durability, etc.) associated with long-term use is caused by insufficient adhesion of the electrolyte membrane to the electrode material and dimensional change of the electrolyte membrane. .

具体的には、電解質膜は、電池の内部において、水分やダイレクトメタノール型燃料電池で燃料として使用されるメタノール等の液体を保液した状態にあるが、この保液量が電池の運転状況に依存して変化することにより、電解質膜の寸法変化(膨潤および収縮)が起こる。また、運転時と停止時の温度変化に伴う寸法変化等も起こる。このような現象が長期の使用において、繰り返し起きており、初期の段階で電極と電解質膜が接着した状態にあっても、徐々に界面で剥離が生じ、それに伴い電池特性が低下していくことをつきとめた。   Specifically, the electrolyte membrane is in a state in which moisture or liquid such as methanol used as fuel in the direct methanol fuel cell is retained inside the battery. Depending on the change, dimensional changes (swelling and shrinking) of the electrolyte membrane occur. In addition, a dimensional change accompanying a temperature change during operation and stoppage also occurs. Such a phenomenon occurs repeatedly in long-term use, and even if the electrode and the electrolyte membrane are bonded in the initial stage, peeling occurs gradually at the interface, and the battery characteristics deteriorate accordingly. I found out.

したがって、本発明は、特に燃料電池における使用において、使用状況や環境の変化によっても電極材に対する密着性を維持することのできる電解質膜を提供するものである。
すなわち、本発明の固体高分子型燃料電池の電解質膜は、フッ素系高分子基材に陽イオン交換基としてスルホン基を有するモノマーがグラフトされた電解質膜であって、グラフト鎖の主鎖が、炭化水素または、部分的にフッ素化された炭化水素から構成され、その側鎖としてスルホン基またはスルホン基を有する置換基が結合したものであり、ESCAによる元素組成比において、電解質膜の少なくとも一の表面のO/S値が5.0以上であり、Sの表面元素比率が0.4以上5.0%以下であることを特徴とする、電解質膜である。
Accordingly, the present invention provides an electrolyte membrane that can maintain adhesion to an electrode material even when used in a fuel cell, even when the usage situation or environment changes.
That is, the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is an electrolyte membrane in which a monomer having a sulfone group as a cation exchange group is grafted to a fluorine-based polymer substrate, and the main chain of the graft chain is It is composed of a hydrocarbon or a partially fluorinated hydrocarbon, and has a sulfone group or a substituent having a sulfone group as its side chain, and at least one of the electrolyte membranes in terms of elemental composition ratio by ESCA The electrolyte membrane is characterized in that the surface O / S value is 5.0 or more and the surface element ratio of S is 0.4 or more and 5.0% or less.

また、上記の電解質膜において、40重量%メタノール水溶液中に液温25℃±2℃で24時間浸漬したあとの面積変化率が40%以下であることを特徴とする電解質膜である。   The electrolyte membrane is characterized in that the area change rate after being immersed in a 40 wt% methanol aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C. ± 2 ° C. for 24 hours is 40% or less.

本発明の高分子電解質膜は、基材およびグラフト鎖の材質を限定し、更には膜にイオン伝導性が付与された以降に表面処理を行ったものである。これを固体高分子型燃料電池用の電解質膜として用いることにより、電極に対する接着性を向上させ、燃料電池として長期(例えば数千時間)の使用において安定した特性を示すことが可能となる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention is obtained by limiting the material of the base material and the graft chain, and further performing surface treatment after imparting ion conductivity to the membrane. By using this as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to improve adhesion to the electrode and to exhibit stable characteristics as a fuel cell over a long period of time (for example, several thousand hours).

本発明の電解質膜は、フッ素系高分子膜または、放射線反応等により架橋構造を付与したフッ素系高分子膜を基材とし、この基材に陽イオン交換基を有するモノマーをグラフト反応により導入し、この膜の少なくとも一の表面を放電処理により改質することにより製造することができる。これにより、燃料電池として長期(例えば数千時間)の使用を行っても特性を維持することのできる電解質膜を提供することができる。   The electrolyte membrane of the present invention uses a fluoropolymer membrane or a fluoropolymer membrane to which a cross-linked structure is given by radiation reaction or the like as a base material, and a monomer having a cation exchange group is introduced into the base material by a graft reaction. The film can be produced by modifying at least one surface of the film by a discharge treatment. Thereby, it is possible to provide an electrolyte membrane capable of maintaining the characteristics even when the fuel cell is used for a long time (for example, several thousand hours).

本発明において使用できる基材としては、電池内部での電気化学反応等に対して耐久性の高いフッ素系高分子を用いることが好ましい。フッ素系高分子としては、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」と略す)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(以下、「FEP」と略す)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(以下、「PFA」と略す)、ポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」と略す)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(以下、「ETFE」と略す)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等を使用することができる。またこれらの基材は、予め架橋をしておくと、保液に伴う面積変化率を小さくすることができる。基材の架橋は既知の方法により行うことができ、例えば、PTFEの架橋方法については特開平6-116423号公報に、FEPやPFAの架橋方法については特開2001-348439号公報に開示されている。高分子基材の形態は、固体高分子型燃料電池の電解質膜としての利用の要請から、膜(フィルム)の形態であり、その大きさ、厚さは適宜決定することができる。   As a base material that can be used in the present invention, it is preferable to use a fluorine-based polymer that is highly durable against an electrochemical reaction or the like inside the battery. Specific examples of the fluorine-based polymer include polytetrafluoroethylene (hereinafter abbreviated as “PTFE”), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (hereinafter abbreviated as “FEP”), tetrafluoroethylene- Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (hereinafter abbreviated as “PFA”), polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as “PVDF”), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (hereinafter abbreviated as “ETFE”), ethylene- A chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) etc. can be used. Moreover, when these base materials are previously crosslinked, the area change rate accompanying the liquid retention can be reduced. The cross-linking of the substrate can be performed by a known method. For example, the cross-linking method of PTFE is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-164423, and the cross-linking method of FEP and PFA is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-348439. Yes. The form of the polymer substrate is a form of a film (film) from the request for use as an electrolyte membrane of a solid polymer fuel cell, and its size and thickness can be appropriately determined.

本発明においてグラフト鎖は、例えば放射線を使用し、モノマーを上記の基材にグラフト反応させることにより得ることができる。本発明において使用できるモノマーとしては、ビニル基を有するモノマー、もしくはビニル基に結合している一部の水素が他の原子または官能基等に置換されたモノマーが挙げられる(以下、これを「ビニル系モノマー」と称する)。モノマーは、単一種であってもよく、また複数種のモノマーを混合して使用してもよい。グラフト鎖を形成するモノマーをH2C=CXRとの一般式で表した場合、本発明ではH2C=CX−の部分が主鎖に該当し、XはH、炭化水素またはFである。R−は側鎖に該当し、後述するスルホン化処理によってスルホン化される。モノマーは、具体的には化学式(1)で示されるものを用いることが好ましい。 In the present invention, the graft chain can be obtained, for example, by using radiation and grafting the monomer to the substrate. The monomer that can be used in the present invention includes a monomer having a vinyl group, or a monomer in which a part of hydrogen bonded to the vinyl group is substituted with another atom or a functional group (hereinafter referred to as “vinyl”). System monomers)). The monomer may be a single kind or a mixture of plural kinds of monomers. When representing the monomers forming the graft chain in the general formula of H 2 C = CXR, H 2 C = CX- part of the present invention corresponds to the main chain, X is H, a hydrocarbon or F. R- corresponds to a side chain and is sulfonated by a sulfonation treatment described later. Specifically, it is preferable to use a monomer represented by the chemical formula (1).

Figure 2010103118
Figure 2010103118

化学式(1)のモノマーのうち、後述するスルホン化処理を行い易いという観点から、R1がベンゼン環を含んでいる芳香族系モノマーを用いることがより好ましい。
また、ビニル系モノマーとして、分子中にグラフト反応性のある不飽和結合を複数有する架橋剤を用いることも可能である。ビニル系モノマーとしては、これらに限定されないが、具体的には、1,2-ビス(p-ビニルフェニル)、ジビニルスルホン、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ジビニルベンゼン、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、フェニルアセチレン、ジフェニルアセチレン、1,4-ジフェニル-1,3-ブタジエン、ジアリルエーテル、2,4,6-トリアリルオキシ-1,3,5-トリアジン、トリアリル-1,2,4-ベンゼントリカルボキシレート、トリアリル-1,3,5-トリアジン-2,4,6-トリオン、ブタジエン、イソブテンなどを挙げることができる。このような架橋剤を用いることにより、グラフト鎖を架橋させることができる。グラフト鎖に架橋構造を形成することにより、膜の膨潤を抑制することができる。
Of the monomers represented by the chemical formula (1), it is more preferable to use an aromatic monomer in which R 1 contains a benzene ring from the viewpoint that the sulfonation treatment described later can be easily performed.
Moreover, it is also possible to use a crosslinking agent having a plurality of unsaturated bonds having graft reactivity in the molecule as the vinyl monomer. Specific examples of vinyl monomers include, but are not limited to, 1,2-bis (p-vinylphenyl), divinyl sulfone, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, divinylbenzene, Cyclohexanedimethanol divinyl ether, phenylacetylene, diphenylacetylene, 1,4-diphenyl-1,3-butadiene, diallyl ether, 2,4,6-triallyloxy-1,3,5-triazine, triallyl-1,2 , 4-benzenetricarboxylate, triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6-trione, butadiene, isobutene and the like. By using such a crosslinking agent, the graft chain can be crosslinked. By forming a crosslinked structure in the graft chain, swelling of the membrane can be suppressed.

高分子基材への上記モノマーのグラフト重合は、基材に放射線を照射したあとモノマーと反応させる、いわゆる前照射法か、または基材とモノマーに同時に放射線を照射して重合させる、いわゆる同時照射法のいずれによっても行うことができる。基材にグラフトしないホモポリマーの生成量が少ないことから、前照射法をもちいることが好ましい。前照射法については2通りの方法があり、高分子基材を不活性ガス中で照射するポリマーラジカル法と、基材を酸素の存在する雰囲気下で照射するパーオキサイド法とがあり、いずれも本発明において用いることができる。   Graft polymerization of the above-mentioned monomer on the polymer substrate is a so-called pre-irradiation method in which the substrate is irradiated with radiation and then reacted with the monomer, or so-called simultaneous irradiation in which the substrate and the monomer are simultaneously irradiated with radiation to polymerize. It can be done by any of the methods. The pre-irradiation method is preferably used because the amount of homopolymer that does not graft onto the substrate is small. There are two types of pre-irradiation methods: a polymer radical method for irradiating a polymer substrate in an inert gas and a peroxide method for irradiating the substrate in an atmosphere in which oxygen is present. It can be used in the present invention.

前照射法の一例を以下に説明する。まず、高分子基材をガラス容器中に挿入したあと、この容器を真空脱気し、不活性ガス雰囲気に置換する。次いで、この基材を含む容器に電子線やγ線を、-10〜80℃、好ましくは室温付近で、1〜500kGy照射する。次いで、この容器内にモノマーを充填してグラフト反応を行う。モノマーに含まれている酸素ガスは、酸素を含まない不活性ガスによるバブリングや凍結脱気などにより予め除去しておく。モノマーは、単一種であっても複数種を混合したものであってもよく、適する溶媒に溶解または希釈したものであってもよい。予め架橋した高分子基材を使用する場合には、通常、30〜150℃、好ましくは40〜80℃でグラフト反応を行う。   An example of the pre-irradiation method will be described below. First, after inserting the polymer substrate into a glass container, the container is vacuum degassed and replaced with an inert gas atmosphere. Next, the container containing the substrate is irradiated with an electron beam or γ-ray at 1 to 500 kGy at −10 to 80 ° C., preferably near room temperature. Next, the container is filled with a monomer to perform a graft reaction. The oxygen gas contained in the monomer is previously removed by bubbling with an inert gas not containing oxygen, freeze degassing, or the like. The monomer may be a single species or a mixture of plural species, or may be dissolved or diluted in a suitable solvent. When using a pre-crosslinked polymer substrate, the grafting reaction is usually carried out at 30 to 150 ° C, preferably 40 to 80 ° C.

これにより得られたポリマーのグラフト率、すなわち重合前の高分子基材に対するグラフト鎖の重量パーセントは、8〜70重量%、より好ましくは10〜50重量%である。グラフト率は、照射線量、重合温度、重合時間等に依存して適宜変化させることができる。   The graft ratio of the polymer thus obtained, that is, the weight percentage of the graft chain with respect to the polymer substrate before polymerization, is 8 to 70% by weight, more preferably 10 to 50% by weight. The graft ratio can be appropriately changed depending on the irradiation dose, polymerization temperature, polymerization time and the like.

グラフト鎖を導入した高分子基材には、次の段階としてスルホン基等の陽イオン交換基を導入する。グラフト鎖への陽イオン交換基の導入は、既知の方法により行うことができる。例えば、スルホン基導入について、その条件は特開2001-348439号公報に開示されている。具体的には、1,2-ジクロロエタンを溶媒として用いた0.2〜0.5モル/Lの濃度のクロロスルホン酸溶液にグラフト処理フィルムを浸漬し、10〜80℃で1〜48時間反応させる。反応後、膜を十分に水洗する。スルホン化反応に必要なスルホン化剤としては、濃硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、チオ硫酸ナトリウムなども使用することができ、スルホン基を導入できるものであれば種類を問わない。   A cation exchange group such as a sulfone group is introduced into the polymer substrate into which the graft chain has been introduced as the next step. Introduction of a cation exchange group into the graft chain can be performed by a known method. For example, the conditions for introducing a sulfone group are disclosed in JP-A-2001-348439. Specifically, the grafted film is immersed in a chlorosulfonic acid solution having a concentration of 0.2 to 0.5 mol / L using 1,2-dichloroethane as a solvent, and reacted at 10 to 80 ° C. for 1 to 48 hours. After the reaction, the membrane is thoroughly washed with water. As a sulfonating agent necessary for the sulfonation reaction, concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, sodium thiosulfate and the like can be used, and any kind can be used as long as it can introduce a sulfone group.

導入する陽イオン交換基としては、プロトン伝導性が向上することから、強酸基であるスルホン基が好ましいがこれに限定されない。また、導入する陽イオン交換基は、単一種であっても複数種であってもよい。複数種を導入する場合は、スルホン基と他の陽イオン交換基とを導入することが好ましく、他の陽イオン交換基としては、例えば、カルボキシル基やホスホン基が挙げられる。   The cation exchange group to be introduced is preferably a sulfone group which is a strong acid group because proton conductivity is improved, but is not limited thereto. The cation exchange group to be introduced may be a single species or a plurality of species. In the case of introducing a plurality of species, it is preferable to introduce a sulfone group and another cation exchange group, and examples of the other cation exchange group include a carboxyl group and a phosphone group.

本発明の電解質膜の元素組成は、膜の少なくとも一の表面のO/S(酸素の原子パーセント/硫黄の原子パーセント)値が5.0以上、Sの表面元素比率が0.2以上5.0%以下であり、好ましくは、膜の少なくとも一の表面のO/S値が7.0以上、Sの表面元素比率が0.5以上3.0%以下である。また、膜の両面がこれらの特性を満足していることが好ましい。上記のように、グラフト鎖にスルホン基、またはスルホン基と他のイオン交換基とを有する電解質膜の場合、グラフト率を増加させることにより、陽イオン交換基の導入量を高くする、すなわちO/S値を高くすることが可能である。陽イオン交換基の導入量を高くするに従い、親水性基の導入量が増えるため接着性に関して有利に作用するが、一方で、水などを吸収し膨潤した際の面積変化率も比例して大きくなり、結果として、接着状態にある電極と電解質膜との界面に働く応力が大きくなってしまう。したがって、電解質膜として必要なプロトン伝導性などの特性を満足するのに必要な量の陽イオン交換基を導入し、かつ、電極との接着性に寄与する電解質膜表面においてのみ親水性官能基の導入量を多くすることが重要である。すなわち、プロトン導電性と電極との接着性とを両立させるという目的のためには、スルホン基に由来するSの元素比率を規定し、かつ、O/S値を高くすることが非常に重要となる。   The elemental composition of the electrolyte membrane of the present invention is that the O / S (atomic percent of oxygen / atomic percent of sulfur) value of at least one surface of the membrane is 5.0 or more, and the surface element ratio of S is 0.2 to 5.0%, Preferably, the O / S value of at least one surface of the film is 7.0 or more, and the surface element ratio of S is 0.5 or more and 3.0% or less. Moreover, it is preferable that both surfaces of the film satisfy these characteristics. As described above, in the case of an electrolyte membrane having a sulfone group or a sulfone group and another ion exchange group in the graft chain, the amount of cation exchange groups introduced is increased by increasing the graft ratio, that is, O / It is possible to increase the S value. As the amount of cation exchange groups introduced is increased, the amount of hydrophilic groups introduced is increased, which has an advantageous effect on adhesiveness. On the other hand, the area change rate when water is absorbed and swollen is also proportionally increased. As a result, the stress acting on the interface between the electrode in the bonded state and the electrolyte membrane increases. Therefore, a hydrophilic functional group is introduced only on the surface of the electrolyte membrane that introduces a cation exchange group in an amount necessary for satisfying characteristics such as proton conductivity required for the electrolyte membrane and contributes to adhesion with the electrode. It is important to increase the amount of introduction. That is, for the purpose of achieving both proton conductivity and adhesion to the electrode, it is very important to define the element ratio of S derived from the sulfone group and to increase the O / S value. Become.

ここで、Sの元素比率を規定した上で、O/S値を高くする方法としては、グラフトさせるモノマーとして含酸素ビニル系モノマーを使用する方法や、電解質膜の少なくとも一の表面を放電処理する方法が挙げられる。ここで、「含酸素ビニル系モノマー」とは、ビニル系モノマーであって、そのビニル基に結合している置換基が酸素を含むモノマーである。具体例としては、上記化学式(1)のモノマーのR1に酸素を含むものが挙げられる。電解質膜のバルクに含酸素ビニル系モノマーがグラフトされると、モノマーの含酸素官能基の影響で親水化しやすく、結果として、膜の膨潤性が大きくなりやすくなる。したがって、O/S値を高くする目的が電極材に対する電解質膜の接着性向上であることを考慮すると、放電処理により、電解質膜の表面のみの改質を行うことが好ましい。放電処理を行い膜の表面に水酸基、カルボニル基、カルボキシル基といった親水性の官能基を導入することにより、電極に含まれる成分との化学的な結合力を高めることができ、密着性を長期にわたり保持することが可能となる。 Here, as a method for increasing the O / S value after defining the element ratio of S, a method of using an oxygen-containing vinyl monomer as a monomer to be grafted, or a discharge treatment on at least one surface of the electrolyte membrane A method is mentioned. Here, the “oxygen-containing vinyl-based monomer” is a vinyl-based monomer in which a substituent bonded to the vinyl group contains oxygen. Specific examples include those containing oxygen in R 1 of the monomer represented by the chemical formula (1). When the oxygen-containing vinyl monomer is grafted on the bulk of the electrolyte membrane, the membrane is easily hydrophilized due to the influence of the oxygen-containing functional group of the monomer, and as a result, the swelling property of the membrane tends to increase. Therefore, considering that the purpose of increasing the O / S value is to improve the adhesion of the electrolyte membrane to the electrode material, it is preferable to modify only the surface of the electrolyte membrane by discharge treatment. By introducing a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group, a carbonyl group, or a carboxyl group on the surface of the film by performing a discharge treatment, the chemical bond strength with the components contained in the electrode can be increased, and the adhesion can be maintained over a long period of time. It becomes possible to hold.

放電処理は、グロー放電によるプラズマ処理、スパッタエッチング処理、常圧プラズマ処理、コロナ処理等により行うことができる。このうち、特にグロー放電によるプラズマ処理およびスパッタエッチング処理については、減圧下特定のガス雰囲気中での処理が可能で、ガス種を選択することにより安定かつ効果的な処理を行うことができる点で好ましい。ガス種に関し、プラズマ処理の場合は、酸素、水、二酸化炭素等の酸素原子を含むもの、またはこれらを含む混合ガスであることが好ましく、スパッタエッチング処理の場合は、これらに加え、アルゴン、窒素等を使用することもできる。スパッタエッチング処理の場合、荷電周波数は、工業用割当周波数である13.56MHzが用いられ、処理時間と放電電力との積から算出される放電エネルギーは1〜1000J/cm2か好ましく、5〜200J/cm2がより好ましい。また、処理時の雰囲気圧は、0.05〜200Paが好ましく、1〜100Paがより好ましい。 The discharge treatment can be performed by plasma treatment using glow discharge, sputter etching treatment, atmospheric pressure plasma treatment, corona treatment, or the like. Among these, especially plasma processing by glow discharge and sputter etching processing can be performed in a specific gas atmosphere under reduced pressure, and stable and effective processing can be performed by selecting a gas type. preferable. Regarding the gas type, in the case of plasma treatment, it is preferably a gas containing oxygen atoms such as oxygen, water, carbon dioxide, or a mixed gas containing these. In the case of sputter etching, in addition to these, argon, nitrogen Etc. can also be used. In the case of sputter etching treatment, the charge frequency is 13.56 MHz which is an industrially assigned frequency, and the discharge energy calculated from the product of the treatment time and the discharge power is preferably 1 to 1000 J / cm 2, preferably 5 to 200 J / cm 2 is more preferred. Moreover, 0.05-200 Pa is preferable and the atmospheric pressure at the time of a process has more preferable 1-100 Pa.

この手順で電解質膜を作製していくと、放電処理により基材とグラフト鎖の両方が処理されるが、とりわけ炭化水素もしくは、部分的にフッ素化された炭化水素からなるグラフト鎖の改質効果が高くなるため、フッ素系の基材自体の改質効果よりもグラフト鎖の改質により、格段に高い処理効果が得られる。特にPTFE、PFA、FEPといったいわゆるパーフルオロ系の基材の場合にはより顕著なものとなり、ナフィオンをはじめとするパーフルオロ系電解質膜を改質する場合に比べて、より高い密着性を可能にすることができる。本発明においては、炭化水素または部分的にフッ素化された炭化水素からなるグラフト鎖を有するため、この部分での改質効果がより有効に得られることによるものである。   When an electrolyte membrane is prepared by this procedure, both the base material and the graft chain are treated by the discharge treatment, but in particular, the graft chain modification effect consisting of hydrocarbons or partially fluorinated hydrocarbons. Therefore, a markedly higher treatment effect can be obtained by the graft chain modification than the modification effect of the fluorine-based substrate itself. Especially in the case of so-called perfluoro-based substrates such as PTFE, PFA, and FEP, it becomes more prominent and enables higher adhesion than when modifying perfluoro-based electrolyte membranes such as Nafion. can do. In the present invention, since it has a graft chain made of hydrocarbon or partially fluorinated hydrocarbon, the reforming effect at this portion can be obtained more effectively.

この表面形態について、電解質膜の少なくとも一の表面のみを処理すれば効果は得られるが、両面を処理することによりその効果は大きくなるため、両面を処理することが好ましい。   With respect to this surface form, an effect can be obtained if only at least one surface of the electrolyte membrane is treated, but it is preferable to treat both surfaces because the effect is enhanced by treating both surfaces.

また本発明による電解質膜は、40重量%メタノール水溶液中に液温25℃±2℃で24時間浸漬したあとの面積変化率が40%以下である必要がある。ここで、「面積変化率」とは、保液前と比較して、保液が飽和状態に達したときの膜の面積の変化率である。面積変化率が40%を超えると、電解質膜表面の元素比を規定することにより得られる電極との密着性を維持することが困難になる場合があるためである。この特性については、電解質膜のグラフト率、スルホン基をはじめとするイオン交換基の導入量、架橋度(基材の架橋、架橋剤の添加量)などにより制御することができる。   The electrolyte membrane according to the present invention needs to have an area change rate of 40% or less after being immersed in a 40 wt% methanol aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C. ± 2 ° C. for 24 hours. Here, the “area change rate” is the rate of change of the area of the film when the liquid retention reaches a saturated state as compared to before the liquid retention. This is because if the area change rate exceeds 40%, it may be difficult to maintain the adhesion to the electrode obtained by defining the element ratio on the electrolyte membrane surface. This characteristic can be controlled by the graft ratio of the electrolyte membrane, the amount of ion exchange groups such as sulfone groups introduced, the degree of crosslinking (crosslinking of the substrate, the amount of crosslinking agent added), and the like.

また、面積変化率が40%以下である場合は、電極との密着性を維持できることに加え、膨潤を抑制でき、ダイレクトメタノール型燃料電池の場合に、燃料であるメタノールのクロスリークも抑制する効果が得られることから好ましい。   In addition, when the area change rate is 40% or less, in addition to being able to maintain adhesion with the electrode, it is possible to suppress swelling, and in the case of a direct methanol fuel cell, the effect of suppressing cross-leakage of methanol as a fuel Is preferable.

本発明による高分子電解質膜は、25℃における電気伝導度が0.03Ω-1cm-1以上であることが好ましく、0.1Ω-1cm-1以上であることがより好ましい。電気伝導度が0.03Ω-1cm-1未満であると、膜抵抗が大きく十分な出力を得られ難くなるためである。 The polymer electrolyte membrane according to the present invention preferably has an electric conductivity at 25 ° C. is 0.03Ω -1 cm -1 or more, and more preferably 0.1 [Omega -1 cm -1 or more. This is because if the electric conductivity is less than 0.03Ω −1 cm −1 , the membrane resistance is large and it becomes difficult to obtain a sufficient output.

ここで、膜抵抗に関連する特性として、電解質膜の厚さを挙げることができ、膜抵抗を低くするには膜厚を薄くすることが好ましい。しかし、薄くしすぎた場合には膜強度が低下し破損しやすくなり、またピンホール等の膜の欠陥も発生しやすくなるといった問題につながることから、5〜300μmであることが好ましく、20〜150μmであることがより好ましい。   Here, as the characteristic relating to the membrane resistance, the thickness of the electrolyte membrane can be cited, and in order to reduce the membrane resistance, it is preferable to reduce the thickness. However, if the thickness is too thin, the film strength is reduced and easily broken, and it also leads to problems such as pinholes and other film defects. Therefore, the thickness is preferably 5 to 300 μm, More preferably, it is 150 μm.

また、特開平04-220957号公報や特開2001-229936号公報においては、接着性向上を目的として電解質表面に積極的に凹凸を形成することを提案しているが、これは既に説明したように、長期の使用に際し、電解質膜の破損につながり、局所的な膜厚のバラツキ等に結びつくことから、凹凸が大きすぎることは好ましくなく、具体的にはRa(算術平均粗さ;JIS B 0601)で1μm、さらには0.5μm以下であることが好ましい。   In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-220957 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-229936 propose to positively form irregularities on the electrolyte surface for the purpose of improving adhesion, as already described. In addition, when used for a long time, it leads to damage of the electrolyte membrane and local variations in film thickness, etc., so it is not preferable that the unevenness is too large. Specifically, Ra (arithmetic mean roughness; JIS B 0601 ) Is preferably 1 μm, more preferably 0.5 μm or less.

以下に本発明の実施例および比較例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
PTFEフィルム(日東電工製、品番No900;厚さ50μm)を10cm角に切断し、ヒーター付のSUS製オートクレーブ照射容器(内径4cm、高さ30cm)に入れ、容器内を1×10-2Torr(1.3Pa)に脱気したあと、容器内に内圧が1気圧となるようにアルゴンガスを充填した。次いで、容器ヒーターを加熱して容器内の温度を340℃とし、60Co-γ線を線量率3kGy/hrで線量120kGy照射した。照射後、容器を冷却して、フィルムを取り出し架橋PTFEを得た。
Examples and Comparative Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited to these.
Example 1
Cut PTFE film (Nitto Denko, product number: No.900; thickness: 50μm) into 10cm square, put it in a SUS autoclave irradiation container (inner diameter 4cm, height 30cm) with a heater, and place 1 × 10-2 Torr ( After degassing to 1.3 Pa), the container was filled with argon gas so that the internal pressure was 1 atm. Next, the container heater was heated to 340 ° C., and 60 Co-γ rays were irradiated at a dose rate of 3 kGy / hr and a dose of 120 kGy. After irradiation, the container was cooled, and the film was taken out to obtain crosslinked PTFE.

この架橋PTFEフィルムをコック付のガラス製セパラブル容器(内径3cm、高さ20cm)に入れて脱気したあと、1気圧のアルゴンガスを充填した。この状態で再び室温下で60Co-γ線を線量率10kGy/hrで線量60kGy照射した。次いで、あらかじめ脱気しておいたスチレン・トルエン混合液(スチレン50体積%とトルエン50体積%の混合液)約100gをこの容器中にアルゴン雰囲気下で投入した。なお、ここでフィルムは完全に混合液に浸漬した状態にあった。混合液を投入したあと、容器を60℃で15時間加熱してグラフト反応を行い、反応後トルエンで十分洗浄、乾燥してグラフト膜を得た。 This cross-linked PTFE film was put in a glass separable container with a cock (inner diameter 3 cm, height 20 cm) and deaerated, and then filled with 1 atm of argon gas. In this state, 60 Co-γ rays were again irradiated at a dose rate of 10 kGy / hr and a dose of 60 kGy at room temperature. Next, about 100 g of a styrene / toluene mixed liquid (mixed liquid of 50% by volume of styrene and 50% by volume of toluene) that had been degassed in advance was put into this container under an argon atmosphere. Here, the film was completely immersed in the mixed solution. After introducing the mixed solution, the vessel was heated at 60 ° C. for 15 hours to carry out a graft reaction. After the reaction, the vessel was sufficiently washed with toluene and dried to obtain a graft membrane.

このグラフト重合した架橋PTFEフィルムを1,2-ジクロロエタンで希釈した0.3Mクロルスルホン酸溶液中に浸漬し、密封した状態で60℃で24時間加熱したあと、水洗、乾燥して、スルホン化したグラフト膜、すなわち電解質膜を得た。   This graft-polymerized crosslinked PTFE film was immersed in a 0.3M chlorosulfonic acid solution diluted with 1,2-dichloroethane, heated in a sealed state at 60 ° C. for 24 hours, washed with water, dried, and sulfonated graft. A membrane, ie an electrolyte membrane, was obtained.

さらに、この電解質膜を、平行平板電極を有するスパッタ処理装置の電極表面に配し、この状態で減圧し、系内にH2Oガスを導入して13Paに調整した。この雰囲気下で周波数13.56MHz、処理エネルギー20J/cm2の条件でスパッタリング処理を行い、一旦処理槽内を大気圧に戻した後、フィルムを裏返して固定し、上記と同様の操作を行って、両面スパッタリング処理を行った電解質膜1を得た。
(実施例2)
基材としてPVDFフィルム(厚さ50μm)を使用したこと、重合前にフィルムの架橋処理を行わなかったこと、そしてグラフト反応の際に処理混合液投入後60℃で2時間加熱したこと以外は上記実施例1の手順に従い、電解質膜2を得た。
(実施例3)
モノマーとしてスチレンではなく4-メチルスチレンを使用したこと以外は上記実施例2の手順に従い、電解質膜3を得た。
(実施例4)
スパッタリング処理の処理エネルギーを3J/cm2としたこと以外は上記実施例2の手順に従い、電解質膜4を得た。
(実施例5)
グラフト反応の際に処理混合液投入後60℃で5時間加熱したこと以外は上記実施例2の手順に従い、電解質膜5を得た。
(実施例6)
グラフト反応の際に処理混合液投入後60℃で2時間加熱したこと以外は上記実施例1の手順に従い、電解質膜6を得た。
(比較例1)
スパッタリング処理を行わなかったこと以外は上記実施例2の手順に従い、電解質膜11を得た。
(比較例2)
スパッタ処理時の処理エネルギーを3J/cm2としたこと以外は上記実施例5の手順に従い、電解質膜12を得た。
(比較例3)
グラフト反応の際に処理混合液投入後60℃で30分間加熱したこと以外は上記実施例1の手順に従い、電解質膜13を得た。
(比較例4)
グラフト反応処理を行わなかったこと以外は上記実施例2の手順に従い、電解質膜14を得た。
(特性の評価方法)
(1)グラフト率(Xds
下式によりグラフト率を算出した。
Furthermore, this electrolyte membrane was placed on the electrode surface of a sputtering apparatus having parallel plate electrodes, and the pressure was reduced in this state, and H 2 O gas was introduced into the system to adjust to 13 Pa. In this atmosphere, the sputtering process was performed under conditions of a frequency of 13.56 MHz and a processing energy of 20 J / cm 2 , and once the inside of the processing tank was returned to atmospheric pressure, the film was turned over and fixed, and the same operation as above was performed. An electrolyte membrane 1 subjected to double-sided sputtering treatment was obtained.
(Example 2)
The above except that PVDF film (thickness 50 μm) was used as the substrate, the film was not crosslinked before polymerization, and heated at 60 ° C. for 2 hours after charging the treatment mixture during the grafting reaction. In accordance with the procedure of Example 1, an electrolyte membrane 2 was obtained.
(Example 3)
An electrolyte membrane 3 was obtained according to the procedure of Example 2 except that 4-methylstyrene was used instead of styrene as the monomer.
Example 4
An electrolyte membrane 4 was obtained according to the procedure of Example 2 except that the processing energy of the sputtering treatment was 3 J / cm 2 .
(Example 5)
The electrolyte membrane 5 was obtained according to the procedure of Example 2 except that the treatment mixture was charged at the time of grafting reaction and heated at 60 ° C. for 5 hours.
(Example 6)
The electrolyte membrane 6 was obtained according to the procedure of Example 1 except that the treatment mixture was charged at 60 ° C. for 2 hours after the grafting reaction.
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane 11 was obtained according to the procedure of Example 2 except that the sputtering treatment was not performed.
(Comparative Example 2)
An electrolyte membrane 12 was obtained according to the procedure of Example 5 except that the processing energy at the time of sputtering was 3 J / cm 2 .
(Comparative Example 3)
An electrolyte membrane 13 was obtained according to the procedure of Example 1 except that the treatment mixture was charged at the time of grafting reaction and heated at 60 ° C. for 30 minutes.
(Comparative Example 4)
An electrolyte membrane 14 was obtained according to the procedure of Example 2 except that the graft reaction treatment was not performed.
(Characteristic evaluation method)
(1) graft ratio (X ds)
The graft ratio was calculated by the following formula.

Xds=(W2−W1)×100/W1
W1:グラフト前の高分子基材の重量(g)
W2:グラフト後の高分子基材の重量(g)
(2)電気伝導度(κ)
電解質膜の電気伝導度は、交流法による測定(新実験化学講座19,高分子化学<II>,
p992,丸善)で、通常の膜抵抗測定セルとLCRメーター(E-4925A;ヒューレットパッカード製)を使用し、膜抵抗(Rm)の測定を行った。1M硫酸水溶液をセルに満たして膜の有無による白金電極間(距離5mm)の抵抗を測定し、下式を用いて膜の電気伝導度(比伝導度)を算出した。
X ds = (W2-W1) x 100 / W1
W1: Weight of polymer base material before grafting (g)
W2: Weight of polymer base material after grafting (g)
(2) Electrical conductivity (κ)
The electrical conductivity of the electrolyte membrane was measured by the AC method (New Experimental Chemistry Course 19, Polymer Chemistry <II>,
p992, Maruzen) measured the membrane resistance (Rm) using a normal membrane resistance measuring cell and an LCR meter (E-4925A; manufactured by Hewlett Packard). The cell was filled with 1M aqueous sulfuric acid solution, the resistance between the platinum electrodes (distance 5 mm) with or without the membrane was measured, and the electrical conductivity (specific conductivity) of the membrane was calculated using the following equation.

κ=1/Rm・d/S(Ω-1cm-1
(3)面積変化率(S)
電解質膜を50mm×50mmに裁断し、それを乾燥機中に放置し十分乾燥させたあとの面積をS1、このサンプルを40重量%メタノール水溶液中に液温25℃±2℃で24時間浸漬したあとの面積をS2とし、これらの値を基に下式により面積変化率Lを算出した。
κ = 1 / Rm · d / S (Ω -1 cm -1 )
(3) Area change rate (S)
The electrolyte membrane was cut to 50 mm x 50 mm, and after leaving it in a dryer to dry sufficiently, the area was S1, and this sample was immersed in a 40 wt% methanol aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C ± 2 ° C for 24 hours The subsequent area was set to S2, and based on these values, the area change rate L was calculated by the following equation.

L=(S2−S1)×100/S1
(4)O/S値、Sの表面元素比率
分析機器としてESCA(X線光電子分光分析装置)を用い、下記条件にて表面元素比率を測定し、この結果を基に算出した。
L = (S2-S1) x 100 / S1
(4) O / S value, surface element ratio of S Using ESCA (X-ray photoelectron spectrometer) as an analytical instrument, the surface element ratio was measured under the following conditions, and the calculation was performed based on the results.

測定機:アルバックファイ社Quantum2000
測定面積:φ200μm
X線出力:30W(15kV)
X線源:モノクロAlKα
光電子取出し角:45°
中和条件:中和銃とイオン銃(中和モード)の併用
(O/S値)=(Oの表面元素比率;Atomic%)/(Sの表面元素比率;Atomic%)
(5)接着性
以下に示す方法で、電解質膜の電極に対する接着性試験を行った。
Measuring instrument: ULVAC-PHI Quantum2000
Measurement area: φ200μm
X-ray output: 30W (15kV)
X-ray source: Monochrome AlK α
Photoelectron extraction angle: 45 °
Neutralization condition: Combined use of neutralizing gun and ion gun (neutralization mode) (O / S value) = (O surface element ratio; Atomic%) / (S surface element ratio; Atomic%)
(5) Adhesiveness The adhesiveness test with respect to the electrode of an electrolyte membrane was done by the method shown below.

まず、実施例および比較例により得られた電解質膜を用い、膜・電極積層体を作製した。具体的には、白金担持カーボン5gを、イソプロパノール中に溶解したナフィオン溶液(5重量%)100ml中に分散させた。次いで、この分散液をスクリーン印刷により電解質膜表面に塗布後、100℃で20分間乾燥させた。同様の操作で裏面にも分散液を塗布し、乾燥させて、電解質膜の両面に電極成分の形成を行った。これをさらに、120℃、100kg/cm2の条件で2分間保持し、電解質膜・電極積層体を作製した。 First, a membrane / electrode laminate was produced using the electrolyte membranes obtained in Examples and Comparative Examples. Specifically, 5 g of platinum-supporting carbon was dispersed in 100 ml of a Nafion solution (5% by weight) dissolved in isopropanol. Next, this dispersion was applied to the surface of the electrolyte membrane by screen printing and then dried at 100 ° C. for 20 minutes. In the same manner, the dispersion was applied to the back surface and dried to form electrode components on both surfaces of the electrolyte membrane. This was further held at 120 ° C. and 100 kg / cm 2 for 2 minutes to produce an electrolyte membrane / electrode laminate.

次いで、この積層体を40重量%メタノール水溶液中に浸漬し、密封容器内で60℃で30分加熱し、電解質膜が膨潤した状態にした。次いで、積層体を取り出し、60℃の雰囲気下で30分間送風加熱乾燥させ、乾燥状態にして室温雰囲気下に戻した。これを1サイクルとして、合計10サイクル試験し、電極と電解質膜が完全に剥離するまでのサイクル数と、10サイクル終了時点での接着状態の確認を行った。
(評価結果)
結果を次の表に示す。
Next, this laminate was immersed in a 40% by weight aqueous methanol solution and heated in a sealed container at 60 ° C. for 30 minutes, so that the electrolyte membrane was swollen. Next, the laminate was taken out and dried by blowing with air in an atmosphere of 60 ° C. for 30 minutes to return to a room temperature atmosphere. This was regarded as one cycle, and a total of 10 cycles were tested, and the number of cycles until the electrode and the electrolyte membrane were completely peeled and the adhesion state at the end of the 10 cycles were confirmed.
(Evaluation results)
The results are shown in the following table.

Figure 2010103118
Figure 2010103118

表に示すように、実施例1〜6では10サイクルの接着性試験後も接着状態をほぼ維持していたのに対し、比較例1,2ではいずれも試験中に電極と電解質膜とが完全に剥離してしまう結果となった。また比較例3,4については、接着性は良好であるものの、導電性が極めて低く、電解質膜として機能しないことが確認された。以上の評価結果より、本発明の電解質膜の有効性が確認された。   As shown in the table, in Examples 1 to 6, the adhesion state was substantially maintained after 10 cycles of the adhesion test, whereas in Comparative Examples 1 and 2, the electrode and the electrolyte membrane were completely in the test. As a result, it was peeled off. Moreover, about Comparative Examples 3 and 4, although adhesiveness was favorable, it was confirmed that electroconductivity is very low and it does not function as an electrolyte membrane. From the above evaluation results, the effectiveness of the electrolyte membrane of the present invention was confirmed.

Claims (2)

ポリテトラフルオロエチレンまたはポリフッ化ビニリデンからなるフッ素系高分子基材に、陽イオン交換基としてスルホン基を有するグラフト鎖が導入された固体高分子型燃料電池の電解質膜と、電極とが接合された膜電極接合体であって、
前記グラフト鎖が、以下:
Figure 2010103118
で表される式から選択される少なくとも1つのビニル系モノマーを前記フッ素系高分子基材にグラフト反応させて形成したグラフト鎖にスルホン基が導入されたものであり、
膜の少なくとも一の表面に放電処理が施され、
ESCAによる元素組成比において、電解質膜の少なくとも一の表面のO/S値が5.0以上であり、Sの表面元素比率が0.4以上5.0%以下であり、そして
前記放電処理を行った電解質膜表面と電極とを接合させたことを特徴とする、膜電極接合体。
An electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell in which a graft chain having a sulfone group as a cation exchange group is introduced to a fluorine-based polymer base material made of polytetrafluoroethylene or polyvinylidene fluoride, and an electrode are joined A membrane electrode assembly,
The graft chain is:
Figure 2010103118
A sulfone group is introduced into a graft chain formed by graft-reacting at least one vinyl monomer selected from the formula represented by
A discharge treatment is applied to at least one surface of the membrane;
In the elemental composition ratio by ESCA, the O / S value of at least one surface of the electrolyte membrane is 5.0 or more, the surface element ratio of S is 0.4 or more and 5.0% or less, and the surface of the electrolyte membrane subjected to the discharge treatment is A membrane electrode assembly comprising an electrode and an electrode.
40重量%メタノール水溶液中に液温25℃±2℃で24時間浸漬したあとの電解質膜の面積変化率が、40%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の膜電極接合体。   2. The membrane / electrode assembly according to claim 1, wherein an area change rate of the electrolyte membrane after being immersed in a 40 wt% methanol aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C. ± 2 ° C. for 24 hours is 40% or less. .
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