JP2010153186A - Proton conductive electrolyte membrane and membrane-electrode assembly using the same, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Proton conductive electrolyte membrane and membrane-electrode assembly using the same, and polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive electrolyte membrane (graft electrolyte membrane) in which a polymer chain having a proton conductive group is graft-polymerized onto a base substance and in which oxidation resistance is more increased than a conventional graft electrolyte membrane. <P>SOLUTION: The electrolyte film is formed by graft-polymerizing a polymer chain having a proton conductive group onto a base substance made of fluororesin or olefin resin, wherein the polymer chain has a styrene derivative unit, in which a tert-butyl group and a proton conductive group are an aromatic ring substituent, as a constituent unit. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性高分子電解質膜と、それを用いた膜−電極接合体(MEA)および高分子電解質型燃料電池(PEFC)とに関する。   The present invention relates to a proton conductive polymer electrolyte membrane, and a membrane-electrode assembly (MEA) and a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using the same.

近年、次世代のエネルギー源として燃料電池が脚光を浴びている。特に、プロトン伝導性を有する高分子膜を電解質に用いたPEFCは、エネルギー密度が高く、家庭用コージェネレーションシステム、携帯機器用電源、自動車用電源などの幅広い分野での使用が期待される。   In recent years, fuel cells have attracted attention as the next-generation energy source. In particular, PEFC using a proton conductive polymer membrane as an electrolyte has a high energy density and is expected to be used in a wide range of fields such as household cogeneration systems, power supplies for portable devices, and power supplies for automobiles.

電解質膜に用いる高分子として、パーフルオロカーボンスルホン酸(例えば、デュポン製「ナフィオン(登録商標)」)が一般的である。パーフルオロカーボンスルホン酸からなる膜は化学的な耐久性に優れるが、原料となるフッ素樹脂は汎用品ではなく、その合成過程も複雑であることから非常に高価である。電解質膜が高価であることは、PEFCの実用化に対する大きな障害となる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸膜はメタノールを透過しやすいため、PEFCの1種であり、メタノールを含む溶液が燃料極に供給されるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)の電解質膜に用いることは難しい。   As a polymer used for the electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid (for example, “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont) is generally used. A membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid is excellent in chemical durability, but a fluororesin as a raw material is not a general-purpose product and is very expensive because its synthesis process is complicated. The high cost of the electrolyte membrane is a major obstacle to the practical use of PEFC. In addition, since the perfluorocarbon sulfonic acid membrane easily permeates methanol, it is a kind of PEFC and is difficult to use as an electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell (DMFC) in which a solution containing methanol is supplied to the fuel electrode.

このような状況を背景として、現在、低コストかつメタノールの透過が抑制された炭化水素系高分子電解質膜の開発が進められている。当該電解質膜の一つに、プロトン伝導基を有するポリマー鎖が樹脂の基体にグラフト重合されたグラフト膜(例えば特許文献1)がある。グラフト膜では、一般的なフッ素樹脂またはオレフィン樹脂を基体とすることで低コスト化およびメタノール透過の抑制が図られている。基体に用いる樹脂の選択により、電解質膜としての強度向上も容易である。プロトンは、基体にグラフト重合されたポリマー鎖(グラフト鎖)により伝導される。   Against this background, development of hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes that are low in cost and suppressed in permeation of methanol is currently underway. As one of the electrolyte membranes, there is a graft membrane (for example, Patent Document 1) in which a polymer chain having a proton conductive group is graft-polymerized on a resin substrate. In the graft membrane, the cost is reduced and methanol permeation is suppressed by using a general fluororesin or olefin resin as a base. By selecting the resin used for the substrate, the strength of the electrolyte membrane can be easily improved. Protons are conducted by polymer chains (graft chains) graft-polymerized on the substrate.

ところでPEFCの運転時には、カソードにおいて過酸化水素および過酸化ラジカルが生成する。電解質膜を透過した酸素の一部が、アノードでヒドロキシラジカルに変化するとの報告もある。このため耐酸化性に優れる電解質膜が望まれるが、一般的なグラフト膜の耐酸化性はパーフルオロカーボンスルホン酸膜に比べて低く、グラフト膜を高分子電解質膜として用いた場合、経時的なプロトン伝導性の低下、即ち、発電特性の低下が生じやすい。   By the way, during operation of PEFC, hydrogen peroxide and peroxide radicals are generated at the cathode. There is also a report that a part of oxygen that has permeated through the electrolyte membrane is converted into hydroxy radicals at the anode. For this reason, an electrolyte membrane with excellent oxidation resistance is desired, but the oxidation resistance of a general graft membrane is lower than that of a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, and when the graft membrane is used as a polymer electrolyte membrane, A decrease in conductivity, that is, a decrease in power generation characteristics tends to occur.

特許文献2には、ラジカルを捕捉し不活性化させる作用を有するキノン化合物の分散配合により、電解質膜の耐酸化性を向上させる技術が開示されている。しかし、キノン化合物をグラフト鎖に配合することはできないため、この技術をグラフト膜に適用することは困難である。仮にグラフト膜の基体にキノン化合物を分散配合したとしても、プロトン伝導を担うグラフト鎖はキノン化合物の恩恵を受けることなく、ラジカルなどの酸化作用により切断されてしまう。   Patent Document 2 discloses a technique for improving the oxidation resistance of an electrolyte membrane by dispersing and blending a quinone compound having an action of trapping and inactivating radicals. However, since the quinone compound cannot be blended with the graft chain, it is difficult to apply this technique to the graft membrane. Even if the quinone compound is dispersed and blended into the base of the graft membrane, the graft chain responsible for proton conduction is cut by an oxidizing action such as a radical without receiving the benefits of the quinone compound.

一方、特許文献3では、架橋剤であるビスビニルフェニルエタン(BVPE)によってグラフト鎖を架橋している。架橋は、過酸化水素やラジカルによるグラフト鎖の切断を防ぎ、膜の耐酸化性を向上させる。なお、特許文献3の電解質膜におけるグラフト鎖は、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、トリフルオロスチレンなどのスチレン誘導体からなる単位を構成単位として有する。   On the other hand, in Patent Document 3, the graft chain is crosslinked by bisvinylphenylethane (BVPE) which is a crosslinking agent. Crosslinking prevents graft chain breakage by hydrogen peroxide or radicals and improves the oxidation resistance of the film. In addition, the graft chain in the electrolyte membrane of patent document 3 has as a structural unit the unit which consists of styrene derivatives, such as styrene, (alpha) -methylstyrene, vinyltoluene, and trifluorostyrene.

特許文献4には、一官能性モノマーおよび多官能性モノマーを順にグラフト重合させたグラフト膜が開示されている。一官能性モノマーは、例えばスチレン、α−メチルスチレン、トリフルオロスチレンであり、多官能性モノマーは、例えばジビニルベンゼン(DVB)である。
特開平9−102322号公報 特開2004−247155号公報 特開2006−140086号公報 特開2006−290159号公報
Patent Document 4 discloses a graft film in which a monofunctional monomer and a polyfunctional monomer are sequentially graft-polymerized. The monofunctional monomer is, for example, styrene, α-methylstyrene, trifluorostyrene, and the polyfunctional monomer is, for example, divinylbenzene (DVB).
JP-A-9-102322 JP 2004-247155 A Japanese Patent Laid-Open No. 2006-140086 JP 2006-290159 A

本発明は、プロトン伝導基を有するポリマー鎖が基体にグラフト重合されたプロトン伝導性高分子電解質膜(グラフト電解質膜)であって、従来のグラフト電解質膜に比べて耐酸化性が向上した電解質膜の提供を目的とする。   The present invention relates to a proton conductive polymer electrolyte membrane (graft electrolyte membrane) in which a polymer chain having a proton conductive group is graft-polymerized on a substrate, and an electrolyte membrane having improved oxidation resistance compared to a conventional graft electrolyte membrane The purpose is to provide.

本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜は、フッ素樹脂またはオレフィン樹脂の基体に、プロトン伝導基を有するポリマー鎖がグラフト重合された膜であって、前記ポリマー鎖は、tert-ブチル基およびプロトン伝導基を芳香環の置換基とするスチレン誘導体単位(単位(A))を構成単位として有する。   The proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention is a membrane in which a polymer chain having a proton conductive group is graft-polymerized on a fluororesin or olefin resin substrate, and the polymer chain has a tert-butyl group and a proton conductive group. A styrene derivative unit (unit (A)) having a group as an aromatic ring substituent is included as a structural unit.

本発明の膜−電極接合体は、高分子電解質膜と、前記電解質膜を狭持するように配置された一対の電極とを備え、前記電解質膜が上記本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜である。   The membrane-electrode assembly of the present invention includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention. It is.

本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と、前記電解質膜を挟持するように配置された一対の電極と、前記一対の電極を狭持するように配置された一対のセパレータとを備え、前記電解質膜が上記本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜である。   A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes arranged to sandwich the electrolyte membrane, and a pair of separators arranged to sandwich the pair of electrodes. The electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention.

本発明の電解質膜では、グラフト鎖が、tert-ブチル基およびプロトン伝導基を芳香環の置換基とするスチレン誘導体単位(A)を構成単位として有する。これにより本発明の電解質膜は、従来のグラフト電解質膜に比べて高い耐酸化性を示す。   In the electrolyte membrane of the present invention, the graft chain has, as a structural unit, a styrene derivative unit (A) having a tert-butyl group and a proton conducting group as a substituent of an aromatic ring. As a result, the electrolyte membrane of the present invention exhibits higher oxidation resistance than conventional graft electrolyte membranes.

グラフト電解質膜では、過酸化水素やラジカルの酸化作用によるグラフト鎖の切断が生じやすく、このことがグラフト電解質膜の耐酸化性がパーフルオロカーボンスルホン酸膜よりも低い要因の一つとなっている。ポリスチレンスルホン酸単位など、tert-ブチル基を芳香環の置換基として有さないスチレン誘導体単位では、酸化によって芳香環が分解し、この分解がグラフト鎖の切断につながる。一方、tert-ブチル基を芳香環の置換基として有する単位(A)では、酸化によって芳香環が分解するよりも先にtert-ブチル基のC−C結合が切断されると考えられ、tert-ブチル基を有さない場合に比べて芳香環の分解およびグラフト鎖の切断の進行が遅くなる。即ち、tert-ブチル基は一種のラジカル捕捉基として作用すると考えられ、この作用により、本発明の電解質膜の耐酸化性が向上すると推定される。   In the graft electrolyte membrane, the graft chain is easily broken by the oxidizing action of hydrogen peroxide and radicals, which is one of the factors that cause the oxidation resistance of the graft electrolyte membrane to be lower than that of the perfluorocarbon sulfonic acid membrane. In a styrene derivative unit that does not have a tert-butyl group as an aromatic ring substituent, such as a polystyrene sulfonic acid unit, the aromatic ring is decomposed by oxidation, and this decomposition leads to graft chain breakage. On the other hand, in the unit (A) having a tert-butyl group as an aromatic ring substituent, it is considered that the CC bond of the tert-butyl group is cleaved before the aromatic ring is decomposed by oxidation. Compared with the case where there is no butyl group, the progress of the decomposition of the aromatic ring and the cleavage of the graft chain is delayed. That is, the tert-butyl group is considered to act as a kind of radical scavenging group, and this action is presumed to improve the oxidation resistance of the electrolyte membrane of the present invention.

従来、グラフト鎖への架橋構造の導入により、酸化によるグラフト鎖の切断の抑制が試みられてきた。本発明の電解質膜は、スチレン誘導体単位にラジカル捕捉基を導入するという新たな発想に基づくものであり、従来のグラフト電解質膜とは、その技術的思想において全く異なっている。   Conventionally, attempts have been made to suppress graft chain breakage due to oxidation by introducing a crosslinked structure into the graft chain. The electrolyte membrane of the present invention is based on a new idea of introducing a radical scavenging group into a styrene derivative unit, and is completely different from the conventional graft electrolyte membrane in its technical idea.

[プロトン伝導性高分子電解質膜]
(単位(A))
スチレン誘導体単位(A)は、tert-ブチル基およびプロトン伝導基を、芳香環の置換基として有する。単位(A)は、典型的には、当該単位の芳香環における1つの水素原子がtert-ブチル基により置換され、芳香環におけるこの水素原子とは異なる1つの水素原子がプロトン伝導基により置換された構造を有する。
[Proton conducting polymer electrolyte membrane]
(Unit (A))
The styrene derivative unit (A) has a tert-butyl group and a proton conductive group as substituents of the aromatic ring. In the unit (A), typically, one hydrogen atom in the aromatic ring of the unit is substituted by a tert-butyl group, and one hydrogen atom different from this hydrogen atom in the aromatic ring is substituted by a proton conducting group. Has a structure.

単位(A)の芳香環におけるtert-ブチル基の置換位置は特に限定されない。典型的にはビニル基に対するp(パラ)位である。このときプロトン伝導基は、tert-ブチル基とは別の置換位置をとればよく、通常、ビニル基に対するo(オルト)位に位置する。このような単位(A)は、p-tert-ブチルスチレンを含む単量体群をグラフト重合させた後、重合により生成したp-tert-ブチルスチレン単位にプロトン伝導基を導入して形成できる。   The substitution position of the tert-butyl group in the aromatic ring of the unit (A) is not particularly limited. Typically, it is the p (para) position relative to the vinyl group. At this time, the proton conducting group may be located at a different substitution position from the tert-butyl group, and is usually located at the o (ortho) position with respect to the vinyl group. Such a unit (A) can be formed by graft polymerization of a monomer group containing p-tert-butylstyrene and then introducing a proton conductive group into the p-tert-butylstyrene unit produced by polymerization.

プロトン伝導基は特に限定されず、例えばスルホン酸基またはリン酸基であり、プロトン伝導性およびハンドリング性に優れる電解質膜となることから、スルホン酸基が好ましい。   The proton conductive group is not particularly limited, and is, for example, a sulfonic acid group or a phosphoric acid group, and a sulfonic acid group is preferable because it provides an electrolyte membrane excellent in proton conductivity and handling properties.

(グラフト鎖)
本発明の電解質膜におけるグラフト鎖は、単位(A)を構成単位として有する。このようなグラフト鎖は、重合およびプロトン伝導基の導入により単位(A)となる単量体(単量体(B))を含む単量体群を基体にグラフト重合させて形成できる。
(Graft chain)
The graft chain in the electrolyte membrane of the present invention has a unit (A) as a structural unit. Such a graft chain can be formed by graft polymerization of a monomer group containing a monomer (monomer (B)) that becomes a unit (A) by polymerization and introduction of a proton conductive group onto a substrate.

単量体(B)は、例えば、p-tert-ブチルスチレンである。   The monomer (B) is, for example, p-tert-butylstyrene.

グラフト鎖は、電解質膜としての機能を維持できる限り、単位(A)以外の構成単位を含んでいてもよく、例えば、多官能性モノマーに由来する構成単位を有してもよい。この場合、多官能性モノマーの種類によっては、近接するグラフト鎖間に架橋構造が形成され、電解質膜の耐酸化性がより向上する。また、架橋構造により膜の膨潤が抑制されるため、電解質膜のメタノール透過率がより低下するとともに、その熱安定性が向上する。   The graft chain may contain a structural unit other than the unit (A) as long as the function as an electrolyte membrane can be maintained, and may have a structural unit derived from a polyfunctional monomer, for example. In this case, depending on the type of the polyfunctional monomer, a crosslinked structure is formed between adjacent graft chains, and the oxidation resistance of the electrolyte membrane is further improved. In addition, since the swelling of the membrane is suppressed by the cross-linked structure, the methanol permeability of the electrolyte membrane is further reduced, and the thermal stability thereof is improved.

多官能性モノマーは特に限定されず、例えばジビニルスルホン、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(DVB)、1,2-ビス(p-ビニルフェニル)エタン、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、イソブテンである。   The polyfunctional monomer is not particularly limited. For example, divinyl sulfone, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, divinylbenzene (DVB), 1,2-bis (p-vinylphenyl) ethane, cyclohexanedi Methanol divinyl ether, phenylacetylene, diphenylacetylene, 1,4-diphenyl-1,3-butadiene, diallyl ether, 2,4,6-triallyloxy-1,3,5-triazine, triallyl-1,2,4 -Benzene tricarboxylate, triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6-trione, butadiene, isobutene.

グラフト鎖が多官能性モノマーに由来する構成単位(単位(C))を有する場合、グラフト鎖を構成する全構成単位に占める単位(C)の割合は、例えば0.5〜20モル%であり、1.0〜10モル%が好ましい。   When the graft chain has a structural unit derived from a polyfunctional monomer (unit (C)), the proportion of the unit (C) in all the structural units constituting the graft chain is, for example, 0.5 to 20 mol%. 1.0 to 10 mol% is preferable.

(基体)
本発明の電解質膜における基体は、フッ素樹脂またはオレフィン樹脂からなる。フッ素樹脂およびオレフィン樹脂は化学的な耐久性に優れ、これらの樹脂を基体とするグラフト電解質膜は、燃料電池用高分子電解質膜としての用途に好適である。
(Substrate)
The substrate in the electrolyte membrane of the present invention is made of a fluororesin or an olefin resin. Fluororesin and olefin resin are excellent in chemical durability, and a graft electrolyte membrane based on these resins is suitable for use as a polymer electrolyte membrane for fuel cells.

フッ素樹脂は、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、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(PFA)およびエチレン−クロロトリフルオロエチレン(ECTFE)から選ばれる少なくとも1種である。   Examples of fluororesins include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene. -Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) and at least one selected from ethylene-chlorotrifluoroethylene (ECTFE).

オレフィン樹脂は、例えば、ポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)から選ばれる少なくとも1種である。   The olefin resin is at least one selected from, for example, polyethylene (PE) and polypropylene (PP).

基体はこれらの樹脂の架橋構造を有してもよく、この場合、電解質膜の耐酸化性がより向上する。また、架橋構造により膜の膨潤が抑制されるため、電解質膜のメタノール透過率がより低下するとともに、その熱安定性が向上する。   The substrate may have a crosslinked structure of these resins, and in this case, the oxidation resistance of the electrolyte membrane is further improved. In addition, since the swelling of the membrane is suppressed by the cross-linked structure, the methanol permeability of the electrolyte membrane is further reduced, and the thermal stability thereof is improved.

この架橋構造は、公知の手法により形成できる。例えば、PTFEの架橋方法は特開平6−116432号公報に、FEPおよびPFAの架橋方法は特開平11−49867号公報に開示がある。   This crosslinked structure can be formed by a known method. For example, a method for crosslinking PTFE is disclosed in JP-A-6-116432, and a method for crosslinking FEP and PFA is disclosed in JP-A-11-49867.

基体の形状は膜であるが、その厚さならびに主面に垂直な方向から見たサイズは、電解質膜として望む厚さおよびサイズに基づいて適宜決定できる。   The shape of the substrate is a film, but the thickness and the size viewed from the direction perpendicular to the main surface can be appropriately determined based on the desired thickness and size of the electrolyte film.

なお、電解質膜の重要な特性の一つに膜抵抗(プロトン伝導に対する抵抗)がある。膜抵抗を低くするためには電解質膜を薄くするとよい。しかし過度に薄くすると、膜の強度が低下して、破損あるいはピンホールが生じやすくなる。このため、電解質膜の厚さは10〜200μm程度が好ましく、20〜150μm程度がより好ましい。基体にポリマー鎖がグラフト重合され、かつ当該ポリマー鎖にプロトン伝導基が導入されることで、最終的に得られる電解質膜は基体よりも厚くなる。これを考慮すると、基体の厚さは8〜180μm程度が好ましく、18〜135μm程度がより好ましい。   One important characteristic of the electrolyte membrane is membrane resistance (resistance to proton conduction). In order to reduce the membrane resistance, the electrolyte membrane should be thin. However, if it is excessively thin, the strength of the film is reduced, and breakage or pinholes are likely to occur. For this reason, the thickness of the electrolyte membrane is preferably about 10 to 200 μm, more preferably about 20 to 150 μm. When a polymer chain is graft-polymerized on the substrate and a proton conductive group is introduced into the polymer chain, the finally obtained electrolyte membrane becomes thicker than the substrate. Considering this, the thickness of the substrate is preferably about 8 to 180 μm, more preferably about 18 to 135 μm.

本発明の電解質膜におけるグラフト率は、例えば5〜70重量%であり、8〜40重量%が好ましい。グラフト率は、後述の製造方法において、基体への放射線の照射線量、単量体群の重合温度および/または重合時間、単量体群の溶媒(重合溶媒)の種類を変化させて調整できる。   The graft ratio in the electrolyte membrane of this invention is 5-70 weight%, for example, and 8-40 weight% is preferable. In the production method described later, the graft ratio can be adjusted by changing the radiation dose to the substrate, the polymerization temperature and / or polymerization time of the monomer group, and the type of solvent (polymerization solvent) of the monomer group.

本発明の電解質膜のプロトン伝導度(25℃)は、通常0.03S/cm以上であり、膜の構成によっては0.90S/cm以上となる。なお、電解質膜のプロトン伝導度は当該膜におけるグラフト鎖の導入量に影響されるため、望むプロトン伝導度に応じて、膜のグラフト率を適切に制御する必要がある。   The proton conductivity (25 ° C.) of the electrolyte membrane of the present invention is usually 0.03 S / cm or more, and is 0.90 S / cm or more depending on the configuration of the membrane. Since the proton conductivity of the electrolyte membrane is affected by the amount of graft chains introduced into the membrane, it is necessary to appropriately control the membrane graft rate in accordance with the desired proton conductivity.

本発明の電解質膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸膜よりもメタノール透過率が低く、DMFCにも好適に使用できる。   The electrolyte membrane of the present invention has a methanol permeability lower than that of a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, and can be suitably used for DMFC.

(製造方法)
本発明の電解質膜の製造方法は特に限定されず、グラフト電解質膜を製造する公知の方法を応用できる。
(Production method)
The method for producing the electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited, and a known method for producing a graft electrolyte membrane can be applied.

具体的な例を以下に示す。   Specific examples are shown below.

最初に、フッ素樹脂またはオレフィン樹脂からなる基体に放射線を照射する。放射線は、電子線またはγ線が一般的である。照射温度は−10〜80℃程度であり、室温が好ましい。照射線量は、例えば1〜500kGyである。放射線は空気中で照射してもよいが、不活性ガスの雰囲気下で照射することが好ましい。   First, a substrate made of a fluororesin or an olefin resin is irradiated with radiation. The radiation is generally an electron beam or γ-ray. The irradiation temperature is about −10 to 80 ° C., preferably room temperature. The irradiation dose is, for example, 1 to 500 kGy. Radiation may be irradiated in air, but irradiation is preferably performed in an inert gas atmosphere.

次に、単量体(B)を含む単量体群を基体にグラフト重合させる。グラフト重合の方法は特に限定されず、例えば、凍結、煮沸あるいは不活性ガスのバブリングにより酸素を除去した単量体群に、放射線照射後の基体を浸漬すればよい。グラフト重合させる単量体群は、単量体(B)以外に、上述した多官能性モノマーを含むことが好ましい。この場合、架橋構造を有するグラフト鎖を形成できる。   Next, the monomer group containing the monomer (B) is graft-polymerized on the substrate. The method of graft polymerization is not particularly limited, and for example, the substrate after irradiation may be immersed in a monomer group from which oxygen has been removed by freezing, boiling or bubbling with an inert gas. The monomer group to be graft-polymerized preferably contains the above-described polyfunctional monomer in addition to the monomer (B). In this case, a graft chain having a crosslinked structure can be formed.

放射線照射後すぐにグラフト重合を実施しない場合は、照射後の基体を、当該基体を構成する樹脂のガラス転移温度以下の温度で一時的に保管してもよい。   When graft polymerization is not performed immediately after irradiation, the substrate after irradiation may be temporarily stored at a temperature lower than the glass transition temperature of the resin constituting the substrate.

グラフト重合に際して単量体群の溶媒(重合溶媒)は、単量体がラジカル重合する際の連鎖移動定数、基体に対する溶解および膨潤性ならびに当該溶媒の沸点などを考慮して、適切に選択する必要がある。本発明の電解質膜では、グラフト重合時の溶媒が、炭素数4以下のアルコール(溶媒1)と芳香族炭化水素および/または塩素化炭化水素(溶媒2)との混合溶媒であることが好ましい。溶媒1は、例えばメタノール、エタノールおよびイソプロピルアルコールから選ばれる少なくとも1種である。溶媒2は、キシレン、トルエン、エチルベンゼン、クロロホルムおよびo-ジクロロベンゼンから選ばれる少なくとも1種である。溶媒2は、単量体群における単量体の総量の10〜200重量%が好ましく、混合溶媒における溶媒1および溶媒2の総量の5〜90重量%が好ましい。混合溶媒における溶媒2の含有量が過度に小さくなると、基体にグラフト重合しないポリマー(ホモポリマー)の生成量が増大して、安定したグラフト重合の進行が困難となる。一方、混合溶媒における溶媒2の含有量が過度に大きくなると、グラフト重合が阻害される。   In graft polymerization, the monomer group solvent (polymerization solvent) should be selected appropriately in consideration of chain transfer constants when the monomer undergoes radical polymerization, solubility and swelling in the substrate, and the boiling point of the solvent. There is. In the electrolyte membrane of the present invention, the solvent during graft polymerization is preferably a mixed solvent of an alcohol having 4 or less carbon atoms (solvent 1) and an aromatic hydrocarbon and / or chlorinated hydrocarbon (solvent 2). The solvent 1 is at least one selected from, for example, methanol, ethanol, and isopropyl alcohol. The solvent 2 is at least one selected from xylene, toluene, ethylbenzene, chloroform and o-dichlorobenzene. The solvent 2 is preferably 10 to 200% by weight of the total amount of the monomers in the monomer group, and preferably 5 to 90% by weight of the total amount of the solvent 1 and the solvent 2 in the mixed solvent. If the content of the solvent 2 in the mixed solvent becomes excessively small, the amount of polymer (homopolymer) that is not graft-polymerized on the substrate increases, making it difficult to proceed with stable graft polymerization. On the other hand, when the content of the solvent 2 in the mixed solvent becomes excessively large, graft polymerization is inhibited.

なお、上述の例では、放射線の照射とグラフト重合とを別個に実施している(前照射法)。前照射法ではホモポリマーの生成量を低減できる。また、前照射法には、主に2通りの方法(ポリマーラジカル法およびパーオキサイド法)があるが、いずれの方法を用いてもよい。ポリマーラジカル法は、放射線照射により基体に生成したアルキルラジカルを、そのままグラフト重合の活性点として用いる手法である。パーオキサイド法は、放射線照射により生成したアルキルラジカルを、一時的に基体を酸素含有雰囲気に晒すことでパーオキサイドに変化させ、それをグラフト重合の活性点として用いる手法である。   In the above example, radiation irradiation and graft polymerization are performed separately (pre-irradiation method). Pre-irradiation can reduce the amount of homopolymer produced. The pre-irradiation method mainly includes two methods (polymer radical method and peroxide method), and any method may be used. The polymer radical method is a method in which an alkyl radical generated on a substrate by radiation irradiation is used as it is as an active point of graft polymerization. The peroxide method is a method in which an alkyl radical generated by irradiation with radiation is changed to peroxide by temporarily exposing the substrate to an oxygen-containing atmosphere and used as an active point for graft polymerization.

次に、グラフト重合後の基体をトルエンなどの溶剤により洗浄し、当該基体に残留する未反応の単量体群を除去する。   Next, the substrate after graft polymerization is washed with a solvent such as toluene to remove the unreacted monomer group remaining on the substrate.

次に、グラフト鎖に、より具体的には単量体(B)に由来する構成単位に、プロトン伝導基を導入する。プロトン伝導基の導入は、公知の手法に従えばよい。プロトン伝導基としてスルホン酸基を導入する方法は、特開2001−348439号公報に開示がある。具体的には、1,2-ジクロロエタンを溶媒とする濃度0.2〜0.5モル/Lのクロロスルホン酸溶液に、グラフト重合後の基体を浸漬し、10〜80℃の反応温度で1〜48時間反応させる。反応後は、水により基体を十分に洗浄し、未反応のクロロスルホン酸を除去する。スルホン化剤はクロロスルホン酸のジクロロエタン溶液に限定されず、濃硫酸、発煙硫酸、三酸化硫黄、チオ硫酸ナトリウム、メシチレンスルホン酸など、プロトン伝導基としてスルホン酸基を導入できる物質であればよい。   Next, a proton conductive group is introduced into the graft chain, more specifically into the structural unit derived from the monomer (B). The introduction of the proton conductive group may be performed according to a known method. JP-A-2001-348439 discloses a method for introducing a sulfonic acid group as a proton conducting group. Specifically, the substrate after graft polymerization 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 the reaction temperature is 10 to 80 ° C. React for ~ 48 hours. After the reaction, the substrate is sufficiently washed with water to remove unreacted chlorosulfonic acid. The sulfonating agent is not limited to a dichloroethane solution of chlorosulfonic acid, but may be any substance that can introduce a sulfonic acid group as a proton conductive group, such as concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, sulfur trioxide, sodium thiosulfate, and mesitylenesulfonic acid.

[膜−電極接合体]
本発明の膜−電極接合体(MEA)の一例を、図1に示す。
[Membrane-electrode assembly]
An example of the membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention is shown in FIG.

図1に示すMEA1は、電解質膜2と、電解質膜2を狭持するように配置された一対の電極(アノード電極3、カソード電極4)とを備え、電解質膜2と電極3,4とは互いに接合されている。ここで電解質膜2は上述した本発明の電解質膜であり、MEA1は高い耐酸化性を有する。よってMEA1をPEFCに組み込むことにより、PEFCの長寿命化および発電特性の向上を実現できる。また、そのメタノール透過率の低さから、MEA1はDMFCに好適である。   The MEA 1 shown in FIG. 1 includes an electrolyte membrane 2 and a pair of electrodes (an anode electrode 3 and a cathode electrode 4) arranged so as to sandwich the electrolyte membrane 2. The electrolyte membrane 2 and the electrodes 3 and 4 are Are joined together. Here, the electrolyte membrane 2 is the above-described electrolyte membrane of the present invention, and the MEA 1 has high oxidation resistance. Therefore, by incorporating the MEA 1 into the PEFC, it is possible to extend the life of the PEFC and improve the power generation characteristics. Moreover, MEA1 is suitable for DMFC because of its low methanol permeability.

アノード電極(燃料極)3およびカソード電極(酸化極)4の構成は、それぞれ、一般的なMEAのアノード電極、カソード電極と同様であればよい。   The configurations of the anode electrode (fuel electrode) 3 and the cathode electrode (oxidation electrode) 4 may be the same as those of a general MEA anode electrode and cathode electrode, respectively.

MEA1は、電解質膜2と電極3,4とを熱プレスするなど、公知の手法により形成できる。   The MEA 1 can be formed by a known method such as hot pressing the electrolyte membrane 2 and the electrodes 3 and 4.

[高分子電解質型燃料電池]
本発明の高分子電解質型燃料電池(PEFC)の一例を、図2に示す。
[Polymer electrolyte fuel cell]
An example of the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) of the present invention is shown in FIG.

図2に示す燃料電池11は、電解質膜2と、電解質膜2を狭持するように配置された一対の電極(アノード電極3、カソード電極4)と、上記一対の電極を狭持するように配置された一対のセパレータ(アノードセパレータ5、カソードセパレータ6)とを備え、各部材は、当該部材の主面に垂直な方向に圧力が印加された状態で接合されている。電解質膜2および電極3,4は、MEA1を構成している。ここで電解質膜2は上述した本発明の電解質膜であり、これにより、長寿命かつ発電特性が向上した燃料電池11となる。   The fuel cell 11 shown in FIG. 2 sandwiches the electrolyte membrane 2, a pair of electrodes (anode electrode 3 and cathode electrode 4) disposed so as to sandwich the electrolyte membrane 2, and the pair of electrodes. It is provided with a pair of separators (anode separator 5 and cathode separator 6) arranged, and each member is joined in a state where pressure is applied in a direction perpendicular to the main surface of the member. The electrolyte membrane 2 and the electrodes 3 and 4 constitute the MEA 1. Here, the electrolyte membrane 2 is the above-described electrolyte membrane of the present invention, whereby the fuel cell 11 has a long life and improved power generation characteristics.

アノード電極(燃料極)3、カソード電極(酸化極)4、アノードセパレータ5およびカソードセパレータ6の構成は、それぞれ、一般的なPEFCにおける各部材と同様であればよい。   The configurations of the anode electrode (fuel electrode) 3, the cathode electrode (oxidation electrode) 4, the anode separator 5 and the cathode separator 6 may be the same as those of each member in a general PEFC.

本発明の燃料電池は、必要に応じて、図2に示す部材以外の部材を備えてもよい。   The fuel cell of the present invention may include members other than the members shown in FIG. 2 as necessary.

図2に示すPEFC11はいわゆる単セルであるが、本発明の燃料電池は、このような単セルを複数積層したスタックであってもよい。   The PEFC 11 shown in FIG. 2 is a so-called single cell, but the fuel cell of the present invention may be a stack in which a plurality of such single cells are stacked.

本発明の燃料電池は、公知の手法により形成できる。   The fuel cell of the present invention can be formed by a known method.

実施例により、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下に示す実施例に限定されない。   The examples illustrate the invention in more detail. The present invention is not limited to the examples shown below.

最初に、本実施例において作製した電解質膜の評価方法を示す。   First, an evaluation method of the electrolyte membrane produced in this example is shown.

(グラフト率)
以下の式(1)により、電解質膜のグラフト率を求めた。
グラフト率(重量%)=(W2−W1)/W1×100 (1)
(Graft rate)
The graft ratio of the electrolyte membrane was determined by the following formula (1).
Graft ratio (wt%) = (W 2 -W 1 ) / W 1 × 100 (1)

式(1)におけるW1はグラフト重合前の基体の乾燥重量(g)、W2はグラフト重合後かつプロトン伝導基導入前の基体の乾燥重量(g)である。 In formula (1), W 1 is the dry weight (g) of the substrate before graft polymerization, and W 2 is the dry weight (g) of the substrate after graft polymerization and before introduction of the proton conductive group.

(プロトン伝導度:σ)
作製した電解質膜を隔壁として、同一形状(円筒状)の一対のガラスセルを、その開口部において互いに連結した。それぞれのセルの内部には、測定電極を配置した。次に、双方のセルを濃度1モル/Lの硫酸水溶液で満たし、電解質膜が硫酸水溶液になじむまで数分間放置した後、ポテンショスタット(北斗電工製HABF−5001)により測定電極間に電流を印加して、その際に生じる測定電極間の電位差を電圧計(HE−104)を用いて測定した。印加した電流の値および測定した電位差の値から、測定電極間の抵抗値R1を得た。次に、電解質膜を配置しない状態で一対のガラスセルを連結し、上記と同じ方法により、測定電極間の抵抗値R2を得た。得られた抵抗値R1からR2を引いた値を、電解質膜の膜抵抗値Rmとした。なお、抵抗値R1、R2の測定は、室温(25℃)にて行った。
(Proton conductivity: σ)
A pair of glass cells having the same shape (cylindrical shape) were connected to each other at the opening using the produced electrolyte membrane as a partition wall. A measurement electrode was disposed inside each cell. Next, both cells were filled with a 1 mol / L sulfuric acid aqueous solution and allowed to stand for several minutes until the electrolyte membrane became compatible with the sulfuric acid aqueous solution, and then a current was applied between the measuring electrodes using a potentiostat (HABF-5001 manufactured by Hokuto Denko). Then, the potential difference between the measurement electrodes generated at that time was measured using a voltmeter (HE-104). A resistance value R 1 between the measurement electrodes was obtained from the value of the applied current and the value of the measured potential difference. Next, a pair of glass cells were connected in a state where no electrolyte membrane was disposed, and a resistance value R 2 between the measurement electrodes was obtained by the same method as described above. The value obtained by subtracting R 2 from the obtained resistance value R 1 was defined as the membrane resistance value R m of the electrolyte membrane. The resistance values R 1 and R 2 were measured at room temperature (25 ° C.).

電解質膜のプロトン伝導度(S/cm2)は、以下の式(2)から求めた。式(2)におけるXは、電解質膜における隔壁部分の面積(測定面積:cm2)である。
プロトン伝導度(S/cm2)=1/Rm/X (2)
The proton conductivity (S / cm 2 ) of the electrolyte membrane was determined from the following formula (2). X in Formula (2) is the area of the partition wall in the electrolyte membrane (measurement area: cm 2 ).
Proton conductivity (S / cm 2 ) = 1 / R m / X (2)

(メタノール透過率)
作製した電解質膜を隔壁として、同一形状の一対のガラスセルを、その開口部において互いに連結した。電解質膜における隔壁部分の面積Yは、9.61cm2とした。次に、一方のセルPに140gの水を、他方のセルQに200gの水を注ぎ入れ、電解質膜の表面を水になじませるとともに、恒温槽により全体を60℃に安定させた。次に、60℃のメタノール60gをセルPに素早く投入し、投入時を0時として、電解質膜を介してセルQ側に透過したメタノールの量を一定時間ごとに定量した。メタノールの定量はガスクロマトグラフィ(GC)により行い、定量には、所定の濃度のメタノール水溶液に対するGC測定から作製した検量線を用いた。定量したメタノール量を経過時間に対してプロットし、当該プロットの傾きから、以下の式(3)により電解質膜のメタノール透過率(mmol/cm2/Hr)を求めた。
メタノール透過率=プロットの傾き(mmol/hr)/面積Y (3)
(Methanol permeability)
A pair of glass cells having the same shape were connected to each other at the opening using the manufactured electrolyte membrane as a partition. The area Y of the partition wall in the electrolyte membrane was 9.61 cm 2 . Next, 140 g of water was poured into one cell P and 200 g of water was poured into the other cell Q, and the surface of the electrolyte membrane was made to conform to water, and the whole was stabilized at 60 ° C. by a thermostatic bath. Next, 60 g of methanol at 60 ° C. was quickly charged into the cell P, and the amount of methanol permeated through the electrolyte membrane to the cell Q side was quantified at regular intervals, with the time of charging being set to 0:00. Methanol was quantified by gas chromatography (GC), and a calibration curve prepared from GC measurement on a methanol aqueous solution having a predetermined concentration was used for quantification. The quantified amount of methanol was plotted against the elapsed time, and the methanol permeability (mmol / cm 2 / Hr) of the electrolyte membrane was determined from the slope of the plot by the following formula (3).
Methanol permeability = slope of plot (mmol / hr) / area Y (3)

(耐酸化性)
電解質膜の耐酸化性は、その重量半減時間(Hr)により評価した。重量半減時間は、以下のように求めた。
(Oxidation resistance)
The oxidation resistance of the electrolyte membrane was evaluated by its weight half time (Hr). The half weight time was determined as follows.

最初に、作製した電解質膜をおよそ3cm×4cmのサイズに裁断し、その乾燥重量W3を求めた。 First, the produced electrolyte membrane was cut into a size of about 3 cm × 4 cm, and its dry weight W 3 was determined.

次に、秤量後の電解質膜を、16.3gの過酸化水素水溶液(濃度3重量%、濃度30重量ppmの硫酸鉄(I)を含む)に浸漬し、全体を恒温槽により60℃に保持して、浸漬後、一定時間ごとに電解質膜の乾燥重量W4を測定した。乾燥重量W4は、電解質膜をRO水(逆浸透膜処理水)でよく洗浄した後、乾燥させて測定した。 Next, the weighed electrolyte membrane is immersed in 16.3 g of an aqueous hydrogen peroxide solution (containing iron sulfate (I) having a concentration of 3% by weight and a concentration of 30 ppm by weight), and the whole is maintained at 60 ° C. by a thermostatic bath. Then, after the immersion, the dry weight W 4 of the electrolyte membrane was measured every predetermined time. The dry weight W 4 was measured after the electrolyte membrane was thoroughly washed with RO water (reverse osmosis membrane treated water) and then dried.

次に、それぞれの乾燥重量W4の測定タイミングにおける電解質膜の重量維持率(=(W3−W4)/W3)を求めて、各々の値を以下の式(4)に近似したときの係数Zを、電解質膜の重量半減時間とした。式(4)におけるtは、浸漬開始からの経過時間である。
(時間t経過時の重量減少率)=1−1/(1+EXP(−(t−Z))) (4)
Next, when the weight retention rate (= (W 3 −W 4 ) / W 3 ) of the electrolyte membrane at the measurement timing of each dry weight W 4 is obtained, and each value is approximated to the following equation (4) The coefficient Z was defined as the weight half time of the electrolyte membrane. T in Formula (4) is the elapsed time from the start of immersion.
(Weight reduction rate at time t) = 1−1 / (1 + EXP (− (t−Z))) (4)

(実施例1)
基体としてPVdFフィルム(厚さ50μm)をサイズ10cm角に裁断し、当該フィルムに、室温、大気中において線量30kGyの電子線(加速電圧250kV)を照射した。照射後のフィルムは、ドライアイス温度(−79℃)に冷却し、当該温度においてグラフト重合開始まで保存した。
Example 1
A PVdF film (thickness 50 μm) as a substrate was cut into a 10 cm square, and the film was irradiated with an electron beam (acceleration voltage 250 kV) with a dose of 30 kGy at room temperature in the air. The irradiated film was cooled to a dry ice temperature (−79 ° C.) and stored at that temperature until the start of graft polymerization.

これとは別に、基体にグラフト重合させる単量体群として、p-tert-ブチルスチレン160g、ジビニルベンゼン(DVB)5.55g、メタノール48gおよびエチルベンゼン112gを混合した重合溶液を調製した。   Separately, a polymerization solution was prepared by mixing 160 g of p-tert-butylstyrene, 5.55 g of divinylbenzene (DVB), 48 g of methanol and 112 g of ethylbenzene as a monomer group to be graft-polymerized on the substrate.

次に、調製した重合溶液を、環流管を取り付けたセパラブルフラスコに投入し、大気圧下で加熱環流させ、ここに放射線照射後のフィルムを270分浸漬して、p-tert-ブチルスチレンおよびDVBをグラフト重合させた。   Next, the prepared polymerization solution is put into a separable flask equipped with a reflux tube, heated and refluxed under atmospheric pressure, and the film after irradiation is immersed in this for 270 minutes, and p-tert-butylstyrene and DVB was graft polymerized.

重合完了後、フィルムをフラスコから取り出し、トルエンで1時間およびメタノールで10分洗浄した後、60℃に保持した乾燥機で乾燥させて、PVdFの基体に、p-tert-ブチルスチレン単位およびDVB単位を構成単位として有するポリマー鎖がグラフト重合したグラフト膜を得た。この膜のグラフト率は29重量%であった。   After the completion of the polymerization, the film was taken out from the flask, washed with toluene for 1 hour and methanol for 10 minutes, and then dried with a drier maintained at 60 ° C. to give a PVdF substrate with p-tert-butylstyrene units and DVB units. A graft film was obtained in which a polymer chain having a structural unit as a structural unit was graft-polymerized. The graft ratio of this membrane was 29% by weight.

次に、得られたグラフト膜を、1,3,5-トリメチルベンゼン-2-スルホン酸のo-ジクロロベンゼン溶液(濃度0.2モル/L)に135℃で30分浸漬して、ポリマー鎖へスルホン酸基を導入した。その後、スルホン酸基を導入したフィルムを、イソプロピルアルコールで2回(1回あたり30分)および60℃の温水で30分洗浄した後、60℃に保持した乾燥機で乾燥させて、プロトン伝導基としてスルホン酸基が導入されたグラフト膜を得た。   Next, the obtained graft membrane was immersed in an o-dichlorobenzene solution (concentration 0.2 mol / L) of 1,3,5-trimethylbenzene-2-sulfonic acid at 135 ° C. for 30 minutes to form a polymer chain. A sulfonic acid group was introduced. Thereafter, the sulfonic acid group-introduced film was washed twice with isopropyl alcohol (30 minutes per time) and with warm water at 60 ° C. for 30 minutes, and then dried with a drier kept at 60 ° C. As a result, a graft membrane having a sulfonic acid group introduced therein was obtained.

次に、得られたグラフト膜をHCl水溶液(濃度1N)に室温で3時間浸漬することで、グラフト電解質膜(実施例1)を得た。   Next, a graft electrolyte membrane (Example 1) was obtained by immersing the obtained graft membrane in an aqueous HCl solution (concentration 1N) at room temperature for 3 hours.

(比較例1)
p-tert-ブチルスチレンの代わりにp-メチルスチレンを用い、グラフト重合の時間を45分とした以外は実施例1と同様にして、電解質膜(比較例1)を得た。
(Comparative Example 1)
An electrolyte membrane (Comparative Example 1) was obtained in the same manner as in Example 1 except that p-methylstyrene was used in place of p-tert-butylstyrene and the graft polymerization time was 45 minutes.

(比較例2)
p-tert-ブチルスチレンの代わりにスチレンを用い、グラフト重合の時間を20分とした以外は実施例1と同様にして、電解質膜(比較例2)を得た。
(Comparative Example 2)
An electrolyte membrane (Comparative Example 2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that styrene was used in place of p-tert-butylstyrene and the graft polymerization time was 20 minutes.

(比較例3)
p-tert-ブチルスチレンの代わりに4-アセトキシスチレンを用い、グラフト重合の時間を20分とした以外は実施例1と同様にして、電解質膜(比較例3)を得た。
(Comparative Example 3)
An electrolyte membrane (Comparative Example 3) was obtained in the same manner as in Example 1 except that 4-acetoxystyrene was used in place of p-tert-butylstyrene and the graft polymerization time was 20 minutes.

実施例1、比較例1〜3の電解質膜に対し、そのプロトン伝導度、メタノール透過率および耐酸化性の指標となる重量半減時間を評価した結果を、以下の表1に示す。また、表1には、パーフルオロカーボンスルホン酸であるナフィオン112(デュポン製)からなる電解質膜に対してプロトン伝導度およびメタノール透過率を評価した結果を、参照例として併せて示す。   Table 1 below shows the results of evaluation of the proton conductivity, methanol permeability, and weight half-life, which are indicators of oxidation resistance, of the electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Table 1 also shows the results of evaluating proton conductivity and methanol permeability for an electrolyte membrane made of Nafion 112 (manufactured by DuPont), which is perfluorocarbon sulfonic acid, as a reference example.

Figure 2010153186
Figure 2010153186

表1に示すように、比較例1〜3に比べて実施例1の重量半減時間は大きくなり、耐酸化性に優れる電解質膜が実現できた。また、実施例1のメタノール透過率は、比較例1〜3および参照例に比べて小さくなった。メタノール透過率に対するプロトン伝導度の比(=プロトン伝導度/メタノール透過率)で示されるプロトン/メタノール選択透過性を見てみると、実施例1の値は、比較例1〜3および参照例の値に比べてかなり大きく、実施例1の電解質膜はDMFCに好適であることがわかった。   As shown in Table 1, the weight half time of Example 1 was larger than that of Comparative Examples 1 to 3, and an electrolyte membrane excellent in oxidation resistance could be realized. Moreover, the methanol transmittance | permeability of Example 1 became small compared with Comparative Examples 1-3 and the reference example. Looking at the proton / methanol selective permeability represented by the ratio of proton conductivity to methanol permeability (= proton conductivity / methanol permeability), the value of Example 1 is the value of Comparative Examples 1 to 3 and the reference example. The electrolyte membrane of Example 1 was found to be suitable for DMFC, which was considerably larger than the value.

本発明のプロトン伝導性高分子電解質膜は、PEFC(特にメタノールを含む溶液を燃料とするDMFC)に好適に使用できる。   The proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention can be suitably used for PEFC (particularly DMFC using methanol-containing solution as fuel).

本発明の膜−電極接合体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the membrane-electrode assembly of this invention. 本発明の燃料電池の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 膜−電極接合体(MEA)
2 高分子電解質膜(PEM)
3 アノード電極
4 カソード電極
5 アノードセパレータ
6 カソードセパレータ
11 高分子電解質型燃料電池(PEFC)
1 Membrane-electrode assembly (MEA)
2 Polymer electrolyte membrane (PEM)
3 Anode electrode 4 Cathode electrode 5 Anode separator 6 Cathode separator 11 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC)

Claims (6)

フッ素樹脂またはオレフィン樹脂の基体に、プロトン伝導基を有するポリマー鎖がグラフト重合されたプロトン伝導性高分子電解質膜であって、
前記ポリマー鎖は、tert-ブチル基およびプロトン伝導基を芳香環の置換基とするスチレン誘導体単位を構成単位として有するプロトン伝導性高分子電解質膜。
A proton conductive polymer electrolyte membrane in which a polymer chain having a proton conductive group is graft-polymerized to a fluororesin or olefin resin substrate,
The proton conductive polymer electrolyte membrane, wherein the polymer chain has a styrene derivative unit having a tert-butyl group and a proton conductive group as a substituent of an aromatic ring as a constituent unit.
前記フッ素樹脂が、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、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(PFA)およびエチレン−クロロトリフルオロエチレン(ECTFE)から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The fluororesin is polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene- 2. The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 1, which is at least one selected from a perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA) and ethylene-chlorotrifluoroethylene (ECTFE). 前記オレフィン樹脂が、ポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the olefin resin is at least one selected from polyethylene (PE) and polypropylene (PP). 前記プロトン伝導基が、スルホン酸基またはリン酸基である請求項1に記載のプロトン伝導性高分子電解質膜。   The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the proton conductive group is a sulfonic acid group or a phosphoric acid group. 高分子電解質膜と、前記電解質膜を挟持するように配置された一対の電極とを備え、
前記電解質膜が、請求項1〜4のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子電解質膜である膜−電極接合体。
A polymer electrolyte membrane, and a pair of electrodes arranged to sandwich the electrolyte membrane,
The membrane-electrode assembly in which the electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4.
高分子電解質膜と、
前記電解質膜を狭持するように配置された一対の電極と、
前記一対の電極を狭持するように配置された一対のセパレータと、を備え、
前記電解質膜が、請求項1〜4のいずれかに記載のプロトン伝導性高分子電解質膜である高分子電解質型燃料電池。
A polymer electrolyte membrane;
A pair of electrodes arranged to sandwich the electrolyte membrane;
A pair of separators arranged to sandwich the pair of electrodes, and
A polymer electrolyte fuel cell, wherein the electrolyte membrane is the proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006090898A1 (en) * 2005-02-24 2006-08-31 Japan Atomic Energy Agency Functional membrane and process for production thereof, and electrolyte membrane for fuel cell and process for production thereof
JP2008097868A (en) * 2006-10-06 2008-04-24 Japan Atomic Energy Agency Fuel-cell polymer electrolyte membrane imparted with silane cross-linked structure and fuel-cell membrane/electrode assembly including the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006090898A1 (en) * 2005-02-24 2006-08-31 Japan Atomic Energy Agency Functional membrane and process for production thereof, and electrolyte membrane for fuel cell and process for production thereof
JP2008097868A (en) * 2006-10-06 2008-04-24 Japan Atomic Energy Agency Fuel-cell polymer electrolyte membrane imparted with silane cross-linked structure and fuel-cell membrane/electrode assembly including the same

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