JP2011216264A - Solid polymer electrolyte membrane, solid polymer electrolyte membrane electrode assembly, solid polymer electrolyte membrane fuel cell, and method of manufacturing solid polymer electrolyte membrane - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane electrode assembly having excellent adhesiveness between a solid polymer electrolyte and an electrode catalyst layer, to provide a method of manufacturing the same, and to provide a polymer electrolyte fuel cell including the membrane electrode assembly.SOLUTION: A cross-linked polymer electrolyte membrane includes a cross-linked polymer obtained by cross-linking reaction between a proton-conducting polymer and a cross-linking agent through a part except for a proton acid group. The cross-linked polymer electrolyte membrane includes at least one recessed part 11 or protruded part 12 on at least one surface, and the proton-conducting polymer includes a constituent unit represented by general formula (1).

Description

本発明は、固体高分子形電解質膜の製造方法およびその膜電極接合体を備えてなる固体高分子形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte membrane and a polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly.

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、イオン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。   A fuel cell is a power generation system that generates electricity simultaneously with heat by causing a hydrogen gas-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas to undergo reverse reaction of water electrolysis at an electrode including a catalyst. This power generation system has features such as high efficiency, low environmental load, and low noise as compared with conventional power generation systems, and is attracting attention as a clean energy source in the future. There are several types depending on the type of ion conductor used, and those using an ion conductive polymer membrane are called solid polymer fuel cells.

燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車搭載源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体(Membrance and Electrolyte Assembly;以下、MEAと称することがある)と呼ばれる高分子電解質の両面に一対の電極触媒層を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレータ板で挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼んでいる。これらの電極は、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層とガス通気性と電子伝導性を兼ね備えたガス拡散層からなる。   Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells can be used near room temperature, so they are considered promising for use in on-vehicle sources and household stationary power sources. In recent years, various research and development have been conducted. Yes. The polymer electrolyte fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA), a polymer electrolyte having a pair of electrode catalyst layers disposed on both sides of the polymer electrolyte. A battery sandwiched between a pair of separator plates in which a gas flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes and supplying an oxidant gas containing oxygen to the other electrode is formed. Here, the electrode for supplying the fuel gas is called a fuel electrode, and the electrode for supplying the oxidant is called an air electrode. These electrodes are composed of an electrode catalyst layer formed by laminating carbon particles carrying a catalyst material such as a platinum-based noble metal and a polymer electrolyte, and a gas diffusion layer having both gas permeability and electron conductivity.

MEAは、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層により挟持されてなるものであり、場合によっては上記電極触媒層がさらに一対のガス拡散層により挟持されてなるものである。このような構成を有するMEAは、従来、導電性材料の表面に触媒成分を担持させた電極触媒及びプロトン伝導性を有するフッ素系ポリマー等の電解質を、水や低級アルコールの溶剤中に分散した触媒インクを固体高分子電解質膜に直接塗布した後、乾燥する直接塗布法や、このような触媒インクを、転写用台紙に塗布・乾燥して、電極触媒層を形成させた後、ホットプレスにより固体高分子電解質膜に電極触媒層を転写させる転写法により作製されている。   In MEA, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers, and in some cases, the electrode catalyst layer is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers. The MEA having such a configuration is a catalyst in which an electrode catalyst having a catalyst component supported on the surface of a conductive material and an electrolyte such as a fluorine-based polymer having proton conductivity dispersed in water or a solvent of a lower alcohol. The ink is directly applied to the solid polymer electrolyte membrane and then dried, or the catalyst ink is applied and dried on a transfer mount to form an electrode catalyst layer, and then solidified by hot pressing. It is produced by a transfer method in which an electrode catalyst layer is transferred to a polymer electrolyte membrane.

上記方法のうち、現在主流となっている転写法では、電極触媒層をホットプレスにより転写する場合、固体高分子電解質膜に対して相溶性の悪い材料を電極触媒層に使用すると、固体高分子電解質膜と電極触媒層間に良好な密着性が得られないという問題が生じる場合がある。このため、このような固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、電極触媒層が固体高分子電解質膜より剥がれるなどにより、固体高分子電解質膜と電極触媒層との接触抵抗が大きくなり、十分な発電特性が得られない問題が生じる場合がある。また、固体高分子電解質膜にガラス転移温度の高い材料を使用する場合には、充分な熱をかけなければ良好な接着性を得ることができず、このような高温での処理は電極触媒層、さらには固体高分子電解質膜自体に対してもダメージを与えてしまう恐れがある。   Among the above methods, in the transfer method which is currently the mainstream, when the electrode catalyst layer is transferred by hot pressing, if a material having poor compatibility with the solid polymer electrolyte membrane is used for the electrode catalyst layer, the solid polymer There may be a problem that good adhesion cannot be obtained between the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. For this reason, in a fuel cell using such a solid polymer electrolyte membrane, the contact resistance between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer increases because the electrode catalyst layer is peeled off from the solid polymer electrolyte membrane. There is a case where a problem that a proper power generation characteristic cannot be obtained may occur. In addition, when a material having a high glass transition temperature is used for the solid polymer electrolyte membrane, good adhesion cannot be obtained unless sufficient heat is applied. Furthermore, there is a risk of damaging the solid polymer electrolyte membrane itself.

特開2007−184141号公報JP 2007-184141 A

この問題を解決するために特許文献1では、(ア)表面に凹凸加工が施してあるシート状物やフィルムなどを固体高分子電解質膜上に置き、この凹凸形状を固体高分子電解質膜に転写する方法、(イ)固体高分子電解質膜表面に剛性微粒子等を塗布した後、これを金属板などに挟んで圧着する方法などが記載されているが、固体高分子電解質膜に目的とする形状を転写しにくいため、電極触媒層との密着性を向上させることができない課題があった。   In order to solve this problem, in Patent Document 1, (a) a sheet-like material or film having a concavo-convex surface is placed on a solid polymer electrolyte membrane, and the concavo-convex shape is transferred to the solid polymer electrolyte membrane. And (a) a method in which a rigid fine particle or the like is applied to the surface of the solid polymer electrolyte membrane and then crimped by sandwiching it between a metal plate or the like. Since it was difficult to transfer, there was a problem that the adhesion with the electrode catalyst layer could not be improved.

そこで、本発明は、切削刃を用いてガラス基材を機械加工することにより、3次元構造ラインパターンを作製し、その機械加工されたガラス基材に固体高分子電解質を塗布、乾燥、剥離することにより固体高分子電解質膜を作製し、この固体高分子電解質膜を用いて作製した膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と電極触媒層との密着性が優れ、このMEAを用いることで、良好な密着性と良好な発電特性を有する固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention creates a three-dimensional structure line pattern by machining a glass substrate using a cutting blade, and applies, dries, and peels a solid polymer electrolyte to the machined glass substrate. The membrane / electrode assembly produced by using the solid polymer electrolyte membrane has excellent adhesion between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. By using this MEA, An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having good adhesion and good power generation characteristics.

本発明の請求項1記載の固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を含む架橋高分子電解質膜において、少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有し、前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1)で表せる構成単位を有することを特徴とするものである。   The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1 of the present invention is a crosslinked polymer electrolyte membrane comprising a crosslinked polymer obtained by crosslinking a proton conducting polymer and a crosslinking agent via a portion other than a proton acid group. In which at least one surface has at least one concave portion or convex portion, and the proton conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (1).

Figure 2011216264
Figure 2011216264

[前記一般式(1)中、Aは電子吸引基を示し、Bは電子供与基を示す。X、Y、Zはそれぞれ0または1であり、XとYとZとの和が1から3のいずれかの整数であることを示す。]
このような構成であれば、プロトン伝導性高分子は剛直な骨格を有するので、固体高分子電解質膜の面に有する、少なくとも一つの凹部または凸部の形状を保持することができる。このため、例えば本発明の固体高分子電解質膜と同様に少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有する電極触媒層と、本発明の固体高分子電解質膜と、を貼り合わせた場合において、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積を増加させることができる。よって、本発明の固体高分子電解質膜であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させることができる。
[In the general formula (1), A represents an electron-withdrawing group, and B represents an electron-donating group. X, Y, and Z are each 0 or 1, indicating that the sum of X, Y, and Z is an integer from 1 to 3. ]
With such a configuration, since the proton conductive polymer has a rigid skeleton, it is possible to maintain the shape of at least one recess or protrusion on the surface of the solid polymer electrolyte membrane. For this reason, for example, when the electrode catalyst layer having at least one concave portion or convex portion on at least one surface is bonded to the solid polymer electrolyte membrane of the present invention in the same manner as the solid polymer electrolyte membrane of the present invention The contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be increased. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention can improve the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane.

また、このような構成であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させた場合には、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触抵抗が小さくなり、発電特性を向上させることができる。
本発明の請求項2記載の固体高分子電解質膜は、前記凹部の溝部または前記凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状を有していることを特徴とするものである。
このような構成であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積をさらに増加させることができるので、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させることができる。
Also, with such a configuration, when the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is improved, the contact resistance between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is reduced, and the power generation characteristics Can be improved.
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 2 of the present invention is characterized in that the groove portion of the concave portion or the protruding portion of the convex portion has a shape extending linearly in plan view.
With such a configuration, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be further increased, so that the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be improved.

本発明の請求項3記載の固体高分子電解質膜は、前記線状に伸びた形状を有する前記凹部または前記線状に伸びた形状を有する前記凸部が繰り返して配列されることを特徴とするものである。
このような構成であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積を一層増加させることができるので、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させることができる。
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 3 of the present invention is characterized in that the concave portions having the linearly extending shape or the convex portions having the linearly extending shape are repeatedly arranged. Is.
With such a configuration, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be further increased, so that the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be improved.

本発明の請求項4記載の固体高分子電解質膜は、前記一般式(1)中、Aが−O−であることを特徴とするものである。
このような構成であれば、Aが−O−でない場合と比較して、膜抵抗が低下するので、固体高分子電解質膜の発電特性を向上させることができる。
本発明の請求項5記載の固体高分子電解質膜は、前記一般式(1)中、Bが−CO−であることを特徴とするものである。
このような構成であれば、Bが−CO−でない場合と比較して、膜抵抗がさらに低下するので、固体高分子電解質膜の発電特性をより向上させることができる。
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 4 of the present invention is characterized in that, in the general formula (1), A is -O-.
With such a configuration, since the membrane resistance is reduced as compared with the case where A is not -O-, the power generation characteristics of the solid polymer electrolyte membrane can be improved.
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 5 of the present invention is characterized in that, in the general formula (1), B is -CO-.
With such a configuration, the membrane resistance is further reduced as compared with the case where B is not —CO—, so that the power generation characteristics of the solid polymer electrolyte membrane can be further improved.

本発明の請求項6記載の固体高分子電解質膜は、前記プロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量が、0.5meq/g以上5meq/g以下であることを特徴とするものである。
このような構成であれば、水素イオン交換容量が0.5meq/g未満5meq/gより大きい場合と比較して、プロトン伝導性が優れているので、本発明の固体高分子電解質膜を燃料電池に使用する際に内部抵抗が増大することがない。このため、例えば燃料電池に使用する際、電力の出力密度の低下を抑制できる。よって、本発明の固体高分子電解質膜であれば、固体高分子電解質膜の発電特性を向上させることができる。
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 6 of the present invention is characterized in that the proton conductive polymer has a hydrogen ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 5 meq / g or less.
With such a configuration, proton conductivity is excellent as compared with the case where the hydrogen ion exchange capacity is less than 0.5 meq / g and greater than 5 meq / g. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane of the present invention is used as a fuel cell. The internal resistance does not increase when used for the above. For this reason, when using for a fuel cell, for example, the fall of the output density of electric power can be suppressed. Therefore, if it is the solid polymer electrolyte membrane of this invention, the electric power generation characteristic of a solid polymer electrolyte membrane can be improved.

本発明の請求項7記載の固体高分子電解質膜は、前記架橋剤が、前記架橋剤の分子内に少なくとも2つのメチロール基を有することを特徴とするものである。
このような構成であれば、プロトン伝導性高分子のプロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で反応が進行するので、反応によってプロトン伝導性高分子のプロトン伝導性が損なわれることがない。このため、本発明の固体高分子電解質膜であれば、例えば燃料電池に使用する際、電力の出力密度の低下を抑制することができるので発電特性をさらに向上させることができる。
The solid polymer electrolyte membrane according to claim 7 of the present invention is characterized in that the cross-linking agent has at least two methylol groups in the molecule of the cross-linking agent.
With such a configuration, the reaction proceeds at a portion other than the protonic acid group without passing through the protonic acid group of the proton conductive polymer, so that the proton conductivity of the proton conductive polymer may be impaired by the reaction. Absent. For this reason, if it is a solid polymer electrolyte membrane of this invention, when using for a fuel cell, for example, since the fall of the output density of electric power can be suppressed, a power generation characteristic can be improved further.

本発明の請求項8記載の固体高分子電解質膜は、前記凹部の深さまたは前記凸部の高さが、1μm以上あり、前記固体高分子電解質膜の厚みの1/5以下であることを特徴とするものである。
このような構成であれば、凹部の深さまたは凸部の高さが、1μmより小さく、固体高分子電解質膜の厚みの1/5より大きい場合と比較して、固体高分子電解質膜の面に有する凹部または凸部の機械強度を十分に保持することができる。これにより、例えば電極触媒層と本発明の固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積をより増加させることができる。このため、本発明の固体高分子電解質膜であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を一層向上させることができる。
In the solid polymer electrolyte membrane according to claim 8 of the present invention, the depth of the concave portion or the height of the convex portion is 1 μm or more, and is 1/5 or less of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane. It is a feature.
With such a configuration, the surface of the solid polymer electrolyte membrane is smaller than the case where the depth of the concave portion or the height of the convex portion is smaller than 1 μm and larger than 1/5 of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane. Can sufficiently retain the mechanical strength of the concave portion or convex portion. Thereby, for example, when the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane of the present invention are bonded together, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be further increased. For this reason, if it is the solid polymer electrolyte membrane of this invention, the adhesiveness of an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane can be improved further.

本発明の請求項9記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有する基材の面に、下記一般式(2)で表わされるプロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を含む塗液を塗布して塗膜を形成する工程と、前記塗膜を加熱して固体高分子電解質膜を形成する工程と、前記固体高分子電解質膜を前記基材から剥離する工程と、を具備することを特徴とするものである。   In the method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 9 of the present invention, the proton conduction represented by the following general formula (2) is provided on the surface of the substrate having at least one concave portion or convex portion on at least one surface. Forming a coating film by applying a coating liquid containing a crosslinking polymer obtained by crosslinking reaction of a functional polymer and a crosslinking agent via a portion other than a protonic acid group, and heating the coating film to form a solid The method includes a step of forming a polymer electrolyte membrane, and a step of peeling the solid polymer electrolyte membrane from the substrate.

Figure 2011216264
Figure 2011216264

[前記一般式(2)中、Aは電子吸引基を示し、Bは電子供与基を示す。X、Y、Zはそれぞれ0または1であり、XとYとZとの和が1から3のいずれかの整数であることを示す。]
このような方法であれば、少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有する固体高分子電解質膜を製造することができる。さらに、剛直な骨格を有するプロトン伝導性高分子を用いることで、凹部または凸部の機械強度を十分に保持した固体高分子電解質膜を製造することができる。このため、例えば本発明により製造された固体高分子電解質膜と同様に少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有する電極触媒層と、本発明により製造された固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積は増加する。よって、本発明の製造方法であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させることのできる固体高分子電解質膜を製造できる。
[In the general formula (2), A represents an electron-withdrawing group, and B represents an electron-donating group. X, Y, and Z are each 0 or 1, indicating that the sum of X, Y, and Z is an integer from 1 to 3. ]
With such a method, a solid polymer electrolyte membrane having at least one concave portion or convex portion on at least one surface can be produced. Furthermore, by using a proton conductive polymer having a rigid skeleton, it is possible to produce a solid polymer electrolyte membrane that sufficiently retains the mechanical strength of the concave portion or the convex portion. Therefore, for example, an electrode catalyst layer having at least one concave or convex portion on at least one surface in the same manner as the solid polymer electrolyte membrane produced according to the present invention, and the solid polymer electrolyte membrane produced according to the present invention When is bonded, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane increases. Therefore, according to the production method of the present invention, a solid polymer electrolyte membrane capable of improving the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be produced.

また、例えば電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させた場合には、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触抵抗は小さくなる。よって、本発明の製造方法であれば、発電特性を向上させることのできる固体高分子電解質膜を製造できる。
本発明の請求項10記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、前記凹部の溝部または前記凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状を有することを特徴とするものである。
このような方法であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積はさらに増加させることができる。よって、本発明の製造方法であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させることのできる固体高分子電解質膜を製造できる。
Further, for example, when the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is improved, the contact resistance between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is reduced. Therefore, the production method of the present invention can produce a solid polymer electrolyte membrane capable of improving power generation characteristics.
The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 10 of the present invention is characterized in that the groove portion of the concave portion or the protruding portion of the convex portion has a shape extending linearly in plan view.
With such a method, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be further increased. Therefore, according to the production method of the present invention, a solid polymer electrolyte membrane capable of improving the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be produced.

本発明の請求項11記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、前記線状に伸びた形状を有する前記凹部または前記線状に伸びた形状を有する前記凸部が繰り返して配列されることを特徴とするものである。
このような方法であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積はさらに増加させることができる。よって、本発明の製造方法であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を向上させることのできる固体高分子電解質膜を製造できる。
In the method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 11 of the present invention, the concave portion having the linearly extending shape or the convex portion having the linearly extending shape is repeatedly arranged. It is a feature.
With such a method, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be further increased. Therefore, according to the production method of the present invention, a solid polymer electrolyte membrane capable of improving the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane can be produced.

本発明の請求項12記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、前記塗膜を加熱する温度が60℃以上250℃以下であることを特徴とするものである。
このような方法であれば、塗膜を加熱する温度を60℃より低く250℃より高い場合と比較して、固体高分子電解質膜表面の平滑性を向上させることができる。このため、電極触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積がより増大する。よって、本発明の製造方法であれば、これら2つの密着性をさらに向上させることができる固体高分子電解質膜を製造できる。
The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 12 of the present invention is characterized in that the temperature at which the coating film is heated is 60 ° C. or higher and 250 ° C. or lower.
If it is such a method, compared with the case where the temperature which heats a coating film is lower than 60 degreeC and higher than 250 degreeC, the smoothness of the solid polymer electrolyte membrane surface can be improved. For this reason, when the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded together, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is further increased. Therefore, if it is the manufacturing method of this invention, the solid polymer electrolyte membrane which can improve these two adhesiveness further can be manufactured.

本発明の請求項13記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、前記凹部または前記凸部の幅が50μm以上であり、前記凹部の深さまたは前記凸部の高さが1μm以上1000μm以下であることを特徴とするものである。
このような方法であれば、凹部または凸部の幅を50μmより小さく、凹部の深さまたは凸部の高さを1μmより小さく1000μmより大きい場合と比較して、基材に凹部または凸部の形状を安定して形成することができる。これにより、基材に施した凹部または凸部の微細形状を再現良く固体高分子電解質膜に転写することができ、かつその形状を維持することができる。このため、例えば電極触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積がより増大する。よって、本発明の製造方法であれば、これら2つの密着性を一層向上させることができる固体高分子電解質膜を製造できる。
In the method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 13 of the present invention, the width of the concave portion or the convex portion is 50 μm or more, and the depth of the concave portion or the height of the convex portion is 1 μm or more and 1,000 μm or less. It is characterized by being.
With such a method, the width of the concave or convex portion is smaller than 50 μm, and the depth of the concave portion or the height of the convex portion is smaller than 1 μm and larger than 1000 μm. The shape can be formed stably. Thereby, the fine shape of the recessed part or convex part given to the base material can be transferred to the solid polymer electrolyte membrane with good reproducibility, and the shape can be maintained. For this reason, for example, when the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded together, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is further increased. Therefore, if it is the manufacturing method of this invention, the solid polymer electrolyte membrane which can improve these two adhesiveness further can be manufactured.

本発明の請求項14記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、前記凹部または前記凸部が、切削刃を用いた機械加工により形成されることを特徴とするものである。
このような方法であれば、切削刃を用いて凹部または凸部を基材に形成することができるので、アスペクト比の高い3次元構造のパターンを基材に形成することができる。このため、アスペクト比を高めた凹部または凸部の微細形状を再現良く固体高分子電解質膜に転写することができ、かつその形状を維持することができる。このため、例えば電極触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積がより増大する。よって、本発明の製造方法であれば、これら2つの密着性をさらに向上させることができる固体高分子電解質膜を製造できる。
The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 14 of the present invention is characterized in that the concave portion or the convex portion is formed by machining using a cutting blade.
If it is such a method, since a recessed part or a convex part can be formed in a base material using a cutting blade, the pattern of a three-dimensional structure with a high aspect ratio can be formed in a base material. For this reason, the fine shape of the concave portion or the convex portion having an increased aspect ratio can be transferred to the solid polymer electrolyte membrane with good reproducibility, and the shape can be maintained. For this reason, for example, when the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded together, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is further increased. Therefore, if it is the manufacturing method of this invention, the solid polymer electrolyte membrane which can improve these two adhesiveness further can be manufactured.

本発明の請求項15記載の固体高分子電解質膜の製造方法は、前記基材が、ガラス基材もしくはシリコンウエハであることを特徴とするものである。
このような方法であれば、ガラス基材もしくはシリコンウエハ以外の基材を用いた場合と比較して、基材に所望の微細形状を精度よく形成することができる。このため、例えば電極触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触面積がより増大する。よって、本発明の製造方法であれば、これら2つの密着性をさらに向上させることができる固体高分子電解質膜を製造できる。
The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 15 of the present invention is characterized in that the substrate is a glass substrate or a silicon wafer.
If it is such a method, compared with the case where base materials other than a glass base material or a silicon wafer are used, a desired fine shape can be accurately formed in a base material. For this reason, for example, when the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded together, the contact area between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is further increased. Therefore, if it is the manufacturing method of this invention, the solid polymer electrolyte membrane which can improve these two adhesiveness further can be manufactured.

本発明の請求項16記載の膜電極接合体は、請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とするものである。
このような構成であれば、例えば電極触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、相互の接触面積を増大させた膜電極接合体となる。このため、本発明の膜電極接合体であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を増大させることができる。
A membrane electrode assembly according to a sixteenth aspect of the present invention is characterized by using the solid polymer electrolyte membrane according to any one of the first to fifteenth aspects.
If it is such a structure, when an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane are bonded together, it will become a membrane electrode assembly which increased the mutual contact area, for example. For this reason, if it is a membrane electrode assembly of this invention, the adhesiveness of an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane can be increased.

また、このような構成であれば、例えば電極触媒層と本発明により製造された固体高分子電解質膜との密着性を向上させた場合には、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触抵抗を小さくすることができる。よって、本発明の膜電極接合体であれば、発電性能を向上させることができる。
本発明の請求項17記載の燃料電池は、請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とするものである。
このような構成であれば、例えば電極触媒層と固体高分子電解質膜とを貼り合わせた場合に、相互の接触面積を増大させた燃料電池となる。このため、本発明の燃料電池であれば、電極触媒層と固体高分子電解質膜との密着性を増大させることができる。
Further, with such a configuration, for example, when the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane produced according to the present invention is improved, the contact between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is improved. Resistance can be reduced. Therefore, the membrane electrode assembly of the present invention can improve the power generation performance.
A fuel cell according to claim 17 of the present invention is characterized in that the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 16 is used.
With such a configuration, for example, when the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded together, a fuel cell having an increased mutual contact area is obtained. For this reason, if it is a fuel cell of this invention, the adhesiveness of an electrode catalyst layer and a solid polymer electrolyte membrane can be increased.

また、このような構成であれば、例えば電極触媒層と本発明により製造された固体高分子電解質膜との密着性を向上させた場合には、電極触媒層と固体高分子電解質膜との接触抵抗を小さくすることができる。よって、本発明の燃料電池であれば、発電性能を向上させることができる。   Further, with such a configuration, for example, when the adhesion between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane produced according to the present invention is improved, the contact between the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane is improved. Resistance can be reduced. Therefore, the power generation performance can be improved with the fuel cell of the present invention.

本発明によれば、切削刃を用いてガラス基材もしくはシリコンウエハを機械加工することにより、3次元構造のパターンを作製し、その機械加工されたガラス基材などに固体高分子電解質を塗布、乾燥、剥離することにより固体高分子電解質膜を作製でき、この固体高分子電解質膜を用いて作製した膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と電極触媒層との密着性に優れ、かつ良好な発電特性を有する。   According to the present invention, a glass substrate or silicon wafer is machined using a cutting blade to produce a three-dimensional structure pattern, and a solid polymer electrolyte is applied to the machined glass substrate, A solid polymer electrolyte membrane can be produced by drying and peeling, and the membrane / electrode assembly produced using this solid polymer electrolyte membrane has excellent and excellent adhesion between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode catalyst layer. It has excellent power generation characteristics.

本発明の切削刃によって機械加工されたガラス基材の説明図である。It is explanatory drawing of the glass base material machined with the cutting blade of this invention. 本発明の固体高分子電解質膜の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明の固体高分子電解質膜を用いた膜電極接合体の断面図である。It is sectional drawing of the membrane electrode assembly using the solid polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明の固体高分子形燃料電池の分解模式図である。1 is an exploded schematic view of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention.

以下に、本発明に係る固体高分子電解質膜、固体高分子電解質膜の製造方法、固体高分子電解質膜を用いた膜電極接合体、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池のそれぞれについて説明する。なお、本発明は、以下に記載する各実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   Hereinafter, each of the solid polymer electrolyte membrane, the method for producing the solid polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly using the solid polymer electrolyte membrane, and the fuel cell using the solid polymer electrolyte membrane according to the present invention will be described. . Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and modifications such as design changes can be made based on the knowledge of those skilled in the art, and such modifications are added. The embodiments may be included in the scope of the present invention.

まず、本発明に係る固体高分子電解質膜についての実施の形態を説明する。
[固体高分子電解質膜]
固体高分子電解質膜の材料としては、機械強度、耐溶剤性、耐酸化性の観点から、エンジアリングプラスチックがスルホン化された材料が好ましい。具体的には、芳香族ポリエーテル、芳香族ポリエーテルケトン、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリエーテルスルホン、芳香族ポリスルホン、芳香族ポリエーテルニトリル、芳香族ポリエーテルピリジン、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミドイミド、芳香族ポリアゾール、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネートなどを挙げることができる。
First, an embodiment of the solid polymer electrolyte membrane according to the present invention will be described.
[Solid polymer electrolyte membrane]
The material of the solid polymer electrolyte membrane is preferably a material in which engineering plastic is sulfonated from the viewpoints of mechanical strength, solvent resistance, and oxidation resistance. Specifically, aromatic polyether, aromatic polyether ketone, aromatic polyether ether ketone, aromatic polyether sulfone, aromatic polysulfone, aromatic polyether nitrile, aromatic polyether pyridine, aromatic polyimide, aromatic An aromatic polyamide, an aromatic polyamideimide, an aromatic polyazole, an aromatic polyester, an aromatic polycarbonate and the like can be mentioned.

発電特性を向上させるための手段の一つとして、膜抵抗を低下させることが考えられるが、これらの材料は、膜厚10μm程度に薄膜化しても十分な機械強度を有し、ハンドリングが良好である。ナフィオンは、膜厚10μm程度になると機械強度が低下してしまう(つまり、十分な機械強度が得られない)ことからも有用である。
この材料は、プロトン伝導性高分子であり、下記一般式(3)で表せる構成単位を有する。
As one of the means for improving the power generation characteristics, it is conceivable to reduce the film resistance. However, these materials have sufficient mechanical strength even when the film thickness is reduced to about 10 μm, and the handling is good. is there. Nafion is useful because the mechanical strength decreases when the film thickness is about 10 μm (that is, sufficient mechanical strength cannot be obtained).
This material is a proton conductive polymer and has a structural unit represented by the following general formula (3).

Figure 2011216264
Figure 2011216264

ただし、一般式(3)中、Aは電子吸引基を示し、Bは電子供与基を示す。X、Y、Zはそれぞれ0または1であり、XとYとZとの和が1から3のいずれかの整数であることを示す。
上記構造は、剛直な骨格であり、10μm程度に薄膜化しても機械特性を有する(つまり、機械特性が優れている)特徴がある。炭化水素系電解質膜は、特に低加湿条件下において、プロトン伝導性がフッ素系電解質膜と比較して低い。しかしながら、薄膜化しても機械特性を有するため、膜抵抗の低下と水の逆拡散により性能向上が期待できる。
However, in General formula (3), A shows an electron withdrawing group and B shows an electron donating group. X, Y, and Z are each 0 or 1, indicating that the sum of X, Y, and Z is an integer from 1 to 3.
The above structure is a rigid skeleton and has mechanical characteristics (that is, excellent mechanical characteristics) even if it is thinned to about 10 μm. Hydrocarbon electrolyte membranes have a lower proton conductivity than fluorine electrolyte membranes, particularly under low humidification conditions. However, since it has mechanical characteristics even when it is thinned, it can be expected to improve performance by reducing the film resistance and back-diffusion of water.

特に、一般式(3)中、Aが−O−であることが好ましい。また、一般式(3)中、Bが−CO−であることが好ましい。
プロトン伝導性を有するプロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量としては、イオン伝導性を考慮すると、0.5meq/g以上5meq/g以下が好ましい。
水素イオン交換容量が0.5meq/g未満ではプロトン伝導性が劣り、燃料電池に使用の際に内部抵抗が大きく出力密度が低下する恐れがあり、5meq/gを超えると仮に架橋しても膨潤しやすくなり、ハンドリングが低下するため好ましくない。
In particular, in general formula (3), it is preferable that A is -O-. Moreover, in General formula (3), it is preferable that B is -CO-.
The hydrogen ion exchange capacity of the proton conducting polymer having proton conductivity is preferably 0.5 meq / g or more and 5 meq / g or less in consideration of ion conductivity.
When the hydrogen ion exchange capacity is less than 0.5 meq / g, proton conductivity is inferior, and when used in a fuel cell, the internal resistance is large and the output density may be lowered. This is not preferable because it is easy to handle and the handling is reduced.

固体高分子電解質膜の表面には凹部の溝部または凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状が形成されており、凹部の深さまたは凸部の高さが1μm以上であり、固体高分子電解質膜の膜厚の1/5以下であることが好ましい。この範囲を満たすことにより、固体高分子電解質膜を10μm程度に薄膜化しても機械強度を保持することができ、電極触媒層との密着性を確保することができる。さらに、凸部と凸部の距離(つまり、凸部と凸部の中心間距離)または凹部と凹部の距離(つまり、凹部と凹部の中心間距離)が、100μm以上5000μm以下であることが好ましい。この範囲を満たすことにより、さらに、固体高分子電解質膜の機械強度の保持や電極触媒層との密着性確保を図ることができる。なお、固体高分子電解質膜の表面に形成された凹部または凸部については、固体高分子電解質膜の表面の少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有していればよく、凹部の溝部または凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状をしていてもよい。   On the surface of the solid polymer electrolyte membrane, a groove portion of the concave portion or a protruding portion of the convex portion is formed in a linear shape in plan view, and the depth of the concave portion or the height of the convex portion is 1 μm or more, The thickness is preferably 1/5 or less of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane. By satisfying this range, the mechanical strength can be maintained even when the solid polymer electrolyte membrane is thinned to about 10 μm, and adhesion with the electrode catalyst layer can be ensured. Further, the distance between the convex part and the convex part (that is, the distance between the centers of the convex part and the convex part) or the distance between the concave part and the concave part (that is, the distance between the centers of the concave part and the concave part) is preferably 100 μm or more and 5000 μm or less. . By satisfying this range, it is possible to further maintain the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane and ensure adhesion with the electrode catalyst layer. In addition, about the recessed part or convex part formed in the surface of the solid polymer electrolyte membrane, it is sufficient to have at least one concave part or convex part on at least one surface of the surface of the solid polymer electrolyte membrane. The groove portion or the protruding portion of the convex portion may have a shape extending linearly in plan view.

固体高分子電解質膜は、前述の基材を用いて表面に線状に伸びた形状を有する凹部と凸部とを交互に繰り返して配列した形状を形成することが好ましい。固体高分子電解質膜は、前述のような極微細なパターンを有する基材を用いても、その微細形状を再現よく転写でき、かつその形状を維持したまま電極触媒層と貼り合わせることができるため、電極触媒層との密着性を十分向上させることができる。   The solid polymer electrolyte membrane preferably has a shape in which concave portions and convex portions having a shape extending linearly on the surface are alternately and repeatedly arranged using the above-described base material. The solid polymer electrolyte membrane can transfer the fine shape with good reproducibility and can be bonded to the electrode catalyst layer while maintaining the shape, even when using a substrate having an extremely fine pattern as described above. Adhesiveness with the electrode catalyst layer can be sufficiently improved.

次に、本発明に係る固体高分子電解質膜の製造方法についての実施の形態を、切削刃を用いた加工した基材及び加工方法及び架橋剤について順次説明した後に説明する。
まず、切削刃を用いた加工した基材及び加工方法について説明する。
[切削刃を用いた加工した基材及び加工方法]
基材としては、金属、樹脂、ガラスなどからなる板状の基材やシート状の基材などが挙げられるが、樹脂は、金属やガラスと比べて熱変形しやすいため、加工した構造を維持しにくく、また、金属は高価であるものも多い。このため、表面に少なくとも1つの凹部または凸部を形成することができるものとして、機械強度に優れ、安価なガラスまたはシリコンウエハからなる板状の基材を用いることが好ましい。ガラスまたはシリコンウエハからなる板状の基材を用いることで、所望の微細パターンを精度よく形成することができる。なお、表面には、少なくとも1つの凹部または凸部を形成すればよく、表面に形成した微細な凹部の溝部または凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状をしていてもよい。また、それらの線状に伸びた形状を配列して形成してもよい。さらに線状に伸びた形状を有する凹部と凸部とを交互に繰り返して配列してもよい(つまり、凹部と凸部とからなる線形状を形成してもいい)。
Next, an embodiment of a method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to the present invention will be described after sequentially explaining a processed substrate using a cutting blade, a processing method, and a crosslinking agent.
First, a processed base material using a cutting blade and a processing method will be described.
[Processed base material using cutting blade and processing method]
Examples of base materials include plate-like base materials and sheet-like base materials made of metal, resin, glass, etc., but resin is more susceptible to thermal deformation than metal and glass, so the processed structure is maintained. In many cases, the metal is expensive. For this reason, it is preferable to use a plate-like base material made of glass or silicon wafer, which is excellent in mechanical strength and inexpensive, so that at least one concave portion or convex portion can be formed on the surface. By using a plate-like substrate made of glass or a silicon wafer, a desired fine pattern can be formed with high accuracy. Note that at least one recess or protrusion may be formed on the surface, and the groove or protrusion of the minute recess formed on the surface may have a shape extending linearly in plan view. . Moreover, you may form and form those linearly extended shapes. Furthermore, the concave portions and the convex portions having a linearly extending shape may be alternately and repeatedly arranged (that is, a linear shape including the concave portions and the convex portions may be formed).

ここで、線状に伸びた形状を有する凹部と凸部とを交互に繰り返して配列した形状とは、3次元構造を有するラインパターンのことをいい、具体的には図1に示すような形状のことをいう。凹部11または凸部12からなる線形状は、面内の一方向に線状に伸びる凹部11と凸部12とを有していればよく、凹部11の底面や凸部12の上面が水平であっても曲率を有していてもよい。また、凸部12と凸部12との距離(以下、ピッチと称することがある)が基材10の深さ方向で小さくなっても、逆に大きくなってもよい。   Here, the shape in which concave portions and convex portions having linearly extending shapes are alternately arranged means a line pattern having a three-dimensional structure, specifically, a shape as shown in FIG. I mean. The linear shape composed of the concave portion 11 or the convex portion 12 only needs to have the concave portion 11 and the convex portion 12 extending linearly in one direction in the plane, and the bottom surface of the concave portion 11 and the top surface of the convex portion 12 are horizontal. Even if it exists, it may have a curvature. Further, the distance between the convex portions 12 and the convex portions 12 (hereinafter sometimes referred to as a pitch) may be decreased in the depth direction of the substrate 10 or may be increased conversely.

ガラスまたはシリコンウエハからなる基材10の表面に線状に伸びた形状を有する凹部11と凸部12とを交互に繰り返して配列した形状を形成する方法としては、公知の表面加工方法を用いることができる。例えば、リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行う方法がある。
光または電子線リソグラフィーを用いれば、微細かつ任意のパターン形状を有するエッチングマスクを形成することができるため、エッチングにより、1μm以上のミクロンオーダーの3次元構造パターンを加工することができる。また、半導体素子の製造工程で用いられるレベルの微細加工が可能であり、トレンチエッチングなどの手法を適用することにより、極微細なパターンまたはピッチでアスペクト比の高い3次元構造パターンを加工することができる。エッチング方法としては、ドライまたはウェットが挙げられる。
As a method of forming a shape in which concave portions 11 and convex portions 12 having a linearly extending shape are alternately arranged on the surface of a substrate 10 made of glass or a silicon wafer, a known surface processing method is used. Can do. For example, there is a method of performing etching by forming a mask by lithography.
If light or electron beam lithography is used, an etching mask having a fine and arbitrary pattern shape can be formed. Therefore, a three-dimensional structure pattern of micron order of 1 μm or more can be processed by etching. In addition, fine processing at the level used in the manufacturing process of semiconductor elements is possible, and by applying a technique such as trench etching, a three-dimensional structure pattern having a high aspect ratio can be processed with an extremely fine pattern or pitch. it can. Examples of the etching method include dry or wet.

表面加工方法としては、上記のようなエッチング方法を用いることもできるが、加工工程がより簡略である切削刃を用いた機械加工方法を用いることが好ましい。切削刃を用いた機械加工方法は、切削刃を1方向に移動させることにより、該方向に沿った線状の溝を形成することができるため、表面に凹凸構造を有する固体高分子電解質膜の3次元構造ラインパターンの形成方法として好適である。また、切削刃を用いた機械加工を用いると、アスペクト比の高い3次元構造ラインパターンを形成することができる。なお、表面には必ずしも線状の溝を形成する必要はなく、少なくとも一つの凹部11または凸部12を形成すればよい。   As the surface processing method, the etching method as described above can be used, but it is preferable to use a machining method using a cutting blade with a simpler processing step. In the machining method using the cutting blade, since the linear groove along the direction can be formed by moving the cutting blade in one direction, the solid polymer electrolyte membrane having an uneven structure on the surface can be formed. It is suitable as a method for forming a three-dimensional structure line pattern. Further, when machining using a cutting blade is used, a three-dimensional structure line pattern having a high aspect ratio can be formed. Note that it is not always necessary to form a linear groove on the surface, and at least one concave portion 11 or convex portion 12 may be formed.

基材10の表面に形成された凹部11と凸部12とは、固体高分子電解質膜の表面に有する凹部の深さまたは凸部12の高さが1μm以上になり、固体高分子電解質膜の厚みの1/5以下になるように設計する。
具体的には、基材10に形成した凹部11または凸部12の幅が50μm以上、凹部11の深さまたは凸部12の高さが1μm以上1000μm以下であることが好ましく、また、凹部11または凸部12のアスペクト比は、0.02以上20以下であることが好ましい。上記範囲を満たすことにより、凹部11または凸部12の形状が安定し、繰り返し母型として使用することができる。
The concave portion 11 and the convex portion 12 formed on the surface of the base material 10 are such that the depth of the concave portion or the height of the convex portion 12 on the surface of the solid polymer electrolyte membrane is 1 μm or more. Design to be 1/5 or less of the thickness.
Specifically, the width of the concave portion 11 or the convex portion 12 formed on the base material 10 is preferably 50 μm or more, the depth of the concave portion 11 or the height of the convex portion 12 is preferably 1 μm or more and 1,000 μm or less. Or it is preferable that the aspect ratio of the convex part 12 is 0.02 or more and 20 or less. By satisfy | filling the said range, the shape of the recessed part 11 or the convex part 12 is stabilized, and it can be used repeatedly as a mother mold.

[架橋剤]
架橋剤は、プロトン伝導性高分子のプロトン酸基を介さずにプロトン酸基以外の部分で反応を進行させることができ、反応前後においてプロトン伝導性材料のプロトン伝導性に変化を及ぼさない架橋剤であればよく、特に限定されるものではない。架橋剤としては、芳香環に−CHCl基、−CHOCH基、−CHOH基を有する材料などが挙げられるが、芳香環にメチロール基が結合した構造を有する架橋剤は、加熱により容易に反応が進行するので、より好まれる。
[Crosslinking agent]
The crosslinking agent can cause the reaction to proceed at a portion other than the protonic acid group without going through the protonic acid group of the proton conductive polymer, and does not change the proton conductivity of the proton conductive material before and after the reaction. There is no particular limitation as long as it is sufficient. Examples of the crosslinking agent include materials having a —CH 2 Cl group, a —CHOCH 3 group, and a —CH 2 OH group on the aromatic ring. A crosslinking agent having a structure in which a methylol group is bonded to the aromatic ring can be heated. It is preferred because the reaction proceeds easily.

芳香環に−CHCl基、−CHOCH基、−CHOH基を有する架橋としては、−CHCl基、−CHOCH基、−CHOH基を有する芳香環を分子内に少なくとも2つ以上有する化合物が、プロトン伝導性高分子に含まれるプロトン酸基を介さずに反応が進行するので、反応によってプロトン伝導性高分子のプロトン伝導性が損なわれず、かつ加熱により容易に反応が進行するので、好ましく使用できる。
また、イオン伝導性を高めるために架橋剤がスルホン化されていてもよい。スルホン化された架橋剤は、すべてスルホン化された架橋剤でも問題ないが、スルホン化された架橋剤の割合は、50mol%以下であることが望ましい。その理由は、スルホン化された架橋剤の量が多すぎると、膨潤しやすくなるためである。
反応方法としては、光照射法、加熱法、pH調整法などを用いることができる。
-CH 2 Cl group to an aromatic ring, -CHOCH2 3 group, at least as a bridge having a -CH 2 OH group, -CH 2 Cl group, -CHOCH2 3 group, an aromatic ring having a -CH 2 OH group in the molecule Since the reaction of a compound having two or more compounds proceeds without passing through the protonic acid group contained in the proton conductive polymer, the reaction does not impair the proton conductivity of the proton conductive polymer and can be easily reacted by heating. Since it progresses, it can be preferably used.
Moreover, in order to improve ion conductivity, the crosslinking agent may be sulfonated. The sulfonated crosslinking agent may be any sulfonated crosslinking agent, but the proportion of the sulfonated crosslinking agent is preferably 50 mol% or less. The reason is that if the amount of the sulfonated cross-linking agent is too large, it becomes easy to swell.
As the reaction method, a light irradiation method, a heating method, a pH adjustment method, or the like can be used.

次に、固体高分子電解質膜の製造方法について説明する。
[固体高分子電解質膜の製造方法]
まず初めに、図2(a)に示すように、線状に伸びた形状を有する凹部と凸部とを交互に繰り返して配列した形状を有するガラス基材21の一方の面に、上述したプロトン伝導性高分子と上述した架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得た架橋高分子を含む溶液22を塗布する。なお、ガラス基材21は、上述した、切削刃を用いた加工した基材を用いることができる。
Next, the manufacturing method of a solid polymer electrolyte membrane is demonstrated.
[Method for producing solid polymer electrolyte membrane]
First, as shown in FIG. 2 (a), the proton described above is formed on one surface of a glass substrate 21 having a shape in which concave portions and convex portions having linearly extending shapes are alternately arranged. A solution 22 containing a cross-linked polymer obtained by a cross-linking reaction between the conductive polymer and the above-described cross-linking agent via a portion other than the protonic acid group is applied. In addition, the glass base material 21 can use the base material processed using the cutting blade mentioned above.

次に、図2(b)に示すように、ガラス基材21上に塗布した溶液22を加熱して乾燥させ、固体高分子電解質膜を形成する。乾燥方法としては、溶媒をゆっくり乾燥させるのが好ましい。具体的には、初期乾燥温度を40℃で1h、二次乾燥を90℃で1h程度行うのが望ましい。初期乾燥温度を高くし過ぎると、膜の平滑性が乏しくなるためである。
次に、図2(c) に示すように、固体高分子電解質膜23をガラス基材21上から剥離する。ガラス基材21から固体高分子電解質膜23を剥離するには、ピンセットなどを用いて剥離することや、水やアルコール、具体的にはメタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどを低級アルコールに含浸させ、膨潤させて剥離するのが好ましい。こうして、図2(d)に示す固体高分子電解質膜23を製造する。
Next, as shown in FIG.2 (b), the solution 22 apply | coated on the glass base material 21 is heated and dried, and a solid polymer electrolyte membrane is formed. As a drying method, it is preferable to slowly dry the solvent. Specifically, it is desirable to perform the initial drying temperature at 40 ° C. for 1 h and the secondary drying at 90 ° C. for about 1 h. This is because if the initial drying temperature is too high, the smoothness of the film becomes poor.
Next, as shown in FIG. 2 (c), the solid polymer electrolyte membrane 23 is peeled off from the glass substrate 21. In order to peel off the solid polymer electrolyte membrane 23 from the glass substrate 21, it is peeled off using tweezers or the like, or impregnated with water or alcohol, specifically methanol, ethanol, isopropyl alcohol or the like in lower alcohol. It is preferable to peel off. In this way, the solid polymer electrolyte membrane 23 shown in FIG.

次に固体高分子電解質膜を用いた膜電極接合体について説明する。
[膜電極接合体]
図3に本発明の実施の形態に係る膜電極接合体の分解模式図を示す。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と後述する電極触媒層とで構成されており、さらに固体高分子電解質膜の両面を後述する電極触媒層で貼り合わせることで形成される。
Next, a membrane electrode assembly using a solid polymer electrolyte membrane will be described.
[Membrane electrode assembly]
FIG. 3 shows an exploded schematic view of the membrane electrode assembly according to the embodiment of the present invention. The membrane / electrode assembly is composed of a solid polymer electrolyte membrane and an electrode catalyst layer described later, and is formed by bonding both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane with an electrode catalyst layer described later.

[膜電極接合体の製造方法]
(触媒)
反応触媒としては、白金やパラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、オスミウムの白金族元素の他、鉄、鉛、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウムなどの金属またはこれらの合金、または酸化物、複酸化物等が使用できる。また、これらの触媒の粒径は、大きすぎると触媒の活性が低下し、小さすぎると触媒の安定性が低下するため、0.5〜20nmが好ましい。更に好ましくは、1〜5nmが良い。
[Production method of membrane electrode assembly]
(catalyst)
As the reaction catalyst, platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, platinum group elements, metals such as iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or these metals An alloy, an oxide, a double oxide, or the like can be used. Moreover, since the activity of a catalyst will fall when the particle size of these catalysts is too large, and stability of a catalyst will fall when too small, 0.5-20 nm is preferable. More preferably, 1-5 nm is good.

これらの反応触媒を担持する電子伝導性の導電剤は、一般的に、カーボン粒子が使用される。カーボン粒子の種類は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。カーボン粒子の粒径は、小さすぎると電子伝導パスを形成されにくくなり、また大きすぎると電極触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下したりするので、10〜1000nm程度が好ましい。更に好ましくは、10〜100nmが良い。   In general, carbon particles are used as the electron conductive conductive agent supporting these reaction catalysts. Any carbon particles can be used as long as they are in the form of fine particles, have conductivity and are not affected by the catalyst, but carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, and fullerene are used. it can. If the particle size of the carbon particles is too small, it will be difficult to form an electron conduction path, and if it is too large, the gas diffusibility of the electrode catalyst layer will decrease or the utilization factor of the catalyst will decrease. Is preferred. More preferably, 10-100 nm is good.

(電極触媒インク)
電極触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や高分子電解質を侵食することなく、高分子電解質の流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるもので特に制限はない。しかし、揮発性の液体有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましく、特に限定されるものではないが、メタノール、エタノール、1−プロパノ―ル、2−プロパノ―ル、1−ブタノ−ル、2−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、tert−ブチルアルコール、ペンタノ−ル等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテル等のエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール等の極性溶剤等が使用される。また、これらの溶剤のうち二種以上を混合させたものも使用できる。
(Electrocatalyst ink)
The solvent used as a dispersion medium for the electrode catalyst ink is not particularly limited and can be dissolved or dispersed as a fine gel in a highly fluid state of the polymer electrolyte without eroding the catalyst particles and the polymer electrolyte. However, it is desirable to include at least a volatile liquid organic solvent, and is not particularly limited, but is not limited to methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol. Alcohols such as alcohol, isobutyl alcohol, tert-butyl alcohol, pentanole, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, pentanone, methyl isobutyl ketone, heptanone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, acetonyl acetone, diisobutyl ketone, tetrahydrofuran , Dioxane, diethylene glycol dimethyl ether, anisole, methoxytoluene, dibutyl ether and other ether solvents, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, ethylene glycol Le, diethylene glycol, diacetone alcohol, 1-methoxy-2-propanol polar solvents is used. Moreover, what mixed 2 or more types of these solvents can also be used.

また、溶媒として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。
電極触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると電極触媒インクの粘度が高くなるため、電極触媒層表面にクラックが入りやすくなり、また逆に少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまうため、1〜50質量%であることが好ましい
In addition, those using lower alcohol as the solvent have a high risk of ignition, and when using such a solvent, it is preferable to use a mixed solvent with water. Water that is compatible with the polymer electrolyte may be contained. The amount of water added is not particularly limited as long as the polymer electrolyte is not separated to cause white turbidity or gelation.
If the content of the solid content in the electrode catalyst ink is too high, the viscosity of the electrode catalyst ink will be high, so that the surface of the electrode catalyst layer will be prone to cracks. 1% to 50% by mass is preferable because the properties are reduced.

(電極触媒層)
固体高分子電解質膜を用いて作製した膜電極接合体の製造方法において、高分子電解質で包埋した触媒担持炭素粒子は、触媒担持炭素粒子と、高分子電解質を溶媒に分散させた電極触媒インクを転写シートに塗布し、乾燥させることで得られる。
このとき、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いることができる。
(Electrode catalyst layer)
In a method for producing a membrane electrode assembly produced using a solid polymer electrolyte membrane, catalyst-carrying carbon particles embedded with a polymer electrolyte include catalyst-carrying carbon particles and an electrode catalyst ink in which the polymer electrolyte is dispersed in a solvent. Is applied to a transfer sheet and dried.
At this time, as a coating method, a doctor blade method, a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, a spray method, or the like can be used.

電極触媒層の製造方法における基材としては、ガス拡散層、転写シートを用いることができる。ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものを用いることができる。また転写シートとしては、転写性がよい材質であればよい。また、固体高分子電解質膜に直接電極触媒層を形成しても良い。
基材として転写シートを用いた場合には、固体高分子電解質膜に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離し、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を備える膜電極接合体とすることができる。膜電極接合体は、図3に示すように固体高分子電解質膜31に凸構造31aを有しているため、電極触媒層33との密着性が良い。
As a substrate in the method for producing an electrode catalyst layer, a gas diffusion layer and a transfer sheet can be used. As the gas diffusion layer, a material having gas diffusibility and conductivity can be used. The transfer sheet may be any material that has good transferability. Moreover, you may form an electrode catalyst layer directly in a solid polymer electrolyte membrane.
When a transfer sheet is used as the substrate, the electrode catalyst layer is bonded to the solid polymer electrolyte membrane, and then the transfer sheet is peeled off to form a membrane electrode assembly having electrode catalyst layers on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. Can do. Since the membrane / electrode assembly has a convex structure 31a on the solid polymer electrolyte membrane 31, as shown in FIG.

次に固体高分子電解質膜を用いた燃料電池について説明する。
[固体高分子形燃料電池]
図4に本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の分解模式図を示す。固体高分子形燃料電池にあっては、膜電極接合体411の電極触媒層402および電極触媒層403と対向して空気極側のガス拡散層405および燃料極側のガス拡散層404が配置される。これによりそれぞれ空気極(以下、カソードと称することがある)407及び燃料極(以下、アノードと称することがある)406が構成される。そしてガス流通用のガス流路408を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路409を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる一組のセパレータ410が配置される。燃料極側のセパレータ410のガス流路408からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極側のセパレータ410のガス流路408からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。
Next, a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane will be described.
[Polymer fuel cell]
FIG. 4 shows an exploded schematic view of the polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment of the present invention. In the polymer electrolyte fuel cell, the gas diffusion layer 405 on the air electrode side and the gas diffusion layer 404 on the fuel electrode side are arranged to face the electrode catalyst layer 402 and the electrode catalyst layer 403 of the membrane electrode assembly 411. The Thus, an air electrode (hereinafter sometimes referred to as a cathode) 407 and a fuel electrode (hereinafter also referred to as an anode) 406 are formed. A pair of separators 410 made of a conductive and impervious material is disposed, which includes a gas flow passage 408 for gas flow and a cooling water flow passage 409 for cooling water flow on the opposing main surface. For example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas from the gas flow path 408 of the separator 410 on the fuel electrode side. On the other hand, from the gas flow path 408 of the separator 410 on the air electrode side, for example, a gas containing oxygen is supplied as the oxidant gas. An electromotive force can be generated between the fuel electrode and the air electrode by causing an electrode reaction between hydrogen and oxygen gas of the fuel gas in the presence of the catalyst.

凹凸構造を有する固体高分子電解質膜401は、その凹凸構造をカソード407側にして配置してもアノード406側にして配置してもどちらでもよいが、好ましくは、アノード406側に配置することが好ましい。アノード406は、随伴水によって水分がカソード側に移動するため乾燥しやすく、固体高分子電解質膜401とアノード406側の電極触媒層402が剥離しやすいためである。   The solid polymer electrolyte membrane 401 having a concavo-convex structure may be arranged on the cathode 407 side or the anode 406 side, but is preferably arranged on the anode 406 side. preferable. This is because the anode 406 is easily dried because moisture moves to the cathode side due to the accompanying water, and the solid polymer electrolyte membrane 401 and the electrode catalyst layer 402 on the anode 406 side are easily separated.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン2.1gと、架橋剤の1,4−ベンゼンメタノール(東京化成工業株式会社)0.315gをγ−ブチロラクトン中で混合させて溶解させた。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
2.1 g of sulfonated polyetheretherketone and 0.315 g of 1,4-benzenemethanol (Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) as a crosslinking agent were mixed and dissolved in γ-butyrolactone.

(実施例)
(凹凸構造を有する固体高分子電解質膜の作製)
機械加工により、25cmのガラス基材の中央5cmの領域に高さ5μm、ピッチ1mmの三次元構造ラインパターンを作製する。その機械加工されたガラス基材の上に、γ−ブチロラクトン中に溶解しているスルホン化ポリエーテルエーテルケトン溶液をキャストする。40℃で1h、90℃で1h、120℃で3h真空乾燥させた後、得られた膜を加熱プレスすることにより、反応を進行させてプロトン伝導性高分子電解質を得た。
熱プレスの条件は、プレス温度を120℃、プレス時間を3h、プレス圧力を80kgf/cmとした。得られた固体高分子電解質膜を剥離し、γ−ブチロラクトンに浸漬したところ、溶解しなかったことから架橋していることを確認した。膜厚は、25μmに調整した。
(Example)
(Preparation of solid polymer electrolyte membrane with uneven structure)
By machining, a three-dimensional structure line pattern having a height of 5 μm and a pitch of 1 mm is prepared in a central 5 cm 2 region of a 25 cm 2 glass substrate. On the machined glass substrate, a sulfonated polyetheretherketone solution dissolved in γ-butyrolactone is cast. After vacuum drying at 40 ° C. for 1 h, 90 ° C. for 1 h, and 120 ° C. for 3 h, the resulting membrane was heated and pressed to proceed the reaction to obtain a proton conductive polymer electrolyte.
The hot pressing conditions were a press temperature of 120 ° C., a press time of 3 hours, and a press pressure of 80 kgf / cm 2 . When the obtained solid polymer electrolyte membrane was peeled off and immersed in γ-butyrolactone, it was confirmed that it was crosslinked because it did not dissolve. The film thickness was adjusted to 25 μm.

(比較例)
(凹凸構造を有しない固体高分子電解質膜の作製)
25cmのガラス基材の上に、γ−ブチロラクトン中に溶解しているスルホン化ポリエーテルエーテルケトン溶液をキャストする。40℃で1h、90℃で1h、120℃で3h真空乾燥させた後、得られた膜を加熱プレスすることにより、反応を進行させてプロトン伝導性高分子電解質を得た。
熱プレスの条件は、プレス温度130℃、プレス時間3h、プレス圧力80kgf/cmとした。得られた固体高分子電解質膜を剥離し、γ−ブチロラクトンに浸漬したところ、溶解しなかったことから架橋していることを確認した。膜厚は、25μmに調整した。
(Comparative example)
(Preparation of a solid polymer electrolyte membrane having no uneven structure)
A sulfonated polyetheretherketone solution dissolved in γ-butyrolactone is cast on a 25 cm 2 glass substrate. After vacuum drying at 40 ° C. for 1 h, 90 ° C. for 1 h, and 120 ° C. for 3 h, the resulting membrane was heated and pressed to proceed the reaction to obtain a proton conductive polymer electrolyte.
The hot pressing conditions were a press temperature of 130 ° C., a press time of 3 hours, and a press pressure of 80 kgf / cm 2 . When the obtained solid polymer electrolyte membrane was peeled off and immersed in γ-butyrolactone, it was confirmed that it was crosslinked because it did not dissolve. The film thickness was adjusted to 25 μm.

(電極触媒インクの調整)
白金担持量が50質量%である白金担持カーボン触媒(商品名:TEC10E50E、田中貴金属工業製)と、20質量%高分子電解質分散溶液(ナフィオン:登録商標、Dupont社製)を溶媒中で混合し、遊星ボールミル(商品名:Pulverisette7、Fritsch社製)で分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。
出発原料の組成比を白金担持カーボン粒子とナフィオン(登録商標、Dupont社製)の質量比で2:1としたものを電極触媒インクとした。
(Adjustment of electrode catalyst ink)
A platinum-supported carbon catalyst (trade name: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) having a platinum support amount of 50% by mass and a 20% by mass polymer electrolyte dispersion solution (Nafion: registered trademark, manufactured by Dupont) are mixed in a solvent. Then, the dispersion treatment was performed using a planetary ball mill (trade name: Pulverisette 7, manufactured by Fritsch). Ball mill pots and balls made of zirconia were used.
An electrode catalyst ink was prepared by setting the composition ratio of the starting material to 2: 1 by mass ratio of platinum-supported carbon particles and Nafion (registered trademark, manufactured by Dupont).

(電極触媒層の作製)
電極触媒層用インクをPTFE(Polytetrafluoroethylene;ポリテトラフルオロエチレン)基材上に塗布し、ドクターブレードにより塗工した。塗工した電極触媒層を60℃で5分間乾燥させて作製した。
また、電極触媒層の厚さは、白金担持量が約0.3mg/cmになるように調整し、電極触媒層の電極面積は5cmの正方形になるようにカッティングした。
(Production of electrode catalyst layer)
The electrode catalyst layer ink was applied on a PTFE (Polytetrafluoroethylene; polytetrafluoroethylene) substrate and coated with a doctor blade. The coated electrode catalyst layer was produced by drying at 60 ° C. for 5 minutes.
The thickness of the electrode catalyst layer was adjusted so that the amount of platinum supported was about 0.3 mg / cm 2, and the electrode area of the electrode catalyst layer was cut so as to be a square of 5 cm 2 .

(膜電極接合体の作製)
5cmの正方形に切り抜かれた電極触媒層を凹凸構造を有する固体高分子電解質膜の両面に対面するように転写シートを配置し、140℃、150kgf/cmの条件で30分間ホットプレスして膜電極接合体を作製した。
(凹凸構造を有する固体高分子電解質膜との比較)
膜電極接合体にガス拡散層としてのカーボンクロスを挟むように貼り合わせ、発電評価セル(エヌエフ回路設計ブロック社製)内に設置した。これを燃料電池測定装置(エヌエフ回路設計ブロック社製)を用いて、セル温度80℃で、以下に示す運転条件で電流電圧測定を行った。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を、それぞれ500cc/min、1000cc/minで行った。加湿器は、アノード100%RH、カソード100%RHとした。
その結果、凹凸構造を有する固体高分子電解質膜を用いた膜電極接合体の方が、界面の抵抗が下がったため、セル抵抗が下がり、また発電特性が向上した。
(Production of membrane electrode assembly)
A transfer sheet is placed so that the electrode catalyst layer cut into a 5 cm 2 square faces both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane having a concavo-convex structure, and hot pressing is performed for 30 minutes at 140 ° C. and 150 kgf / cm 2. A membrane electrode assembly was produced.
(Comparison with a solid polymer electrolyte membrane having an uneven structure)
The membrane electrode assembly was bonded so as to sandwich a carbon cloth as a gas diffusion layer, and installed in a power generation evaluation cell (manufactured by NF Circuit Design Block). This was measured using a fuel cell measuring apparatus (manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.) at a cell temperature of 80 ° C. under the following operating conditions. Hydrogen was used as the fuel gas and air was used as the oxidant gas at 500 cc / min and 1000 cc / min, respectively. The humidifier was an anode 100% RH and a cathode 100% RH.
As a result, in the membrane / electrode assembly using the solid polymer electrolyte membrane having the concavo-convex structure, the resistance at the interface was lowered, the cell resistance was lowered, and the power generation characteristics were improved.

本発明は、電気自動車、携帯電話、自動販売機、水中ロボット、潜水艦、宇宙船、水中航走体、水中基地用電源等に用いる固体高分子形燃料電池に利用できる。特に低加湿での発電特性を要求される車載用固体高分子電解質膜に有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a polymer electrolyte fuel cell used for an electric vehicle, a mobile phone, a vending machine, an underwater robot, a submarine, a spacecraft, an underwater vehicle, a power source for an underwater base, and the like. It is particularly useful for in-vehicle solid polymer electrolyte membranes that require power generation characteristics with low humidification.

10 基材
11 基材の凹部
12 基材の凸部
21 ガラス基材
22 塗膜
23 凸部を有する固体高分子電解質膜
31 凸部を有する固体高分子電解質膜
31a 固体高分子電解質膜に含まれる凸部
32 電極触媒層
33 電極触媒層
401 固体高分子電解質膜
402 電極触媒層
403 電極触媒層
404 ガス拡散層
405 ガス拡散層
406 燃料極(アノード)
407 空気極(カソード)
408 ガス流路
409 冷却水流路
410 セパレータ
411 膜電極接合体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Base material 11 Concave part of base material 12 Convex part of base material 21 Glass base material 22 Coating film 23 Solid polymer electrolyte membrane 31 having a convex part 31 Solid polymer electrolyte film 31a having a convex part Convex part 32 Electrode catalyst layer 33 Electrode catalyst layer 401 Solid polymer electrolyte membrane 402 Electrode catalyst layer 403 Electrode catalyst layer 404 Gas diffusion layer 405 Gas diffusion layer 406 Fuel electrode (anode)
407 Air electrode (cathode)
408 Gas channel 409 Cooling water channel 410 Separator 411 Membrane electrode assembly

Claims (17)

プロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を含む架橋高分子電解質膜において、
少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有し、前記プロトン伝導性高分子が下記一般式(1)で表せる構成単位を有することを特徴とする固体高分子電解質膜。
Figure 2011216264
[前記一般式(1)中、Aは電子吸引基を示し、Bは電子供与基を示す。X、Y、Zはそれぞれ0または1であり、XとYとZとの和が1から3のいずれかの整数であることを示す。]
In a crosslinked polymer electrolyte membrane containing a crosslinked polymer obtained by crosslinking reaction of a proton conductive polymer and a crosslinking agent via a portion other than a proton acid group,
A solid polymer electrolyte membrane comprising at least one concave portion or convex portion on at least one surface, wherein the proton-conductive polymer has a structural unit represented by the following general formula (1).
Figure 2011216264
[In the general formula (1), A represents an electron-withdrawing group, and B represents an electron-donating group. X, Y, and Z are each 0 or 1, indicating that the sum of X, Y, and Z is an integer from 1 to 3. ]
前記凹部の溝部または前記凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状を有していることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the groove portion of the concave portion or the protruding portion of the convex portion has a shape extending linearly in plan view. 前記線状に伸びた形状を有する前記凹部または前記線状に伸びた形状を有する前記凸部が繰り返して配列されることを特徴とする請求項2に記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the concave portion having the linearly extending shape or the convex portion having the linearly extending shape is repeatedly arranged. 前記一般式(1)中、Aが−O−であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 3, wherein A in the general formula (1) is -O-. 前記一般式(1)中、Bが−CO−であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   In the said General formula (1), B is -CO-, The solid polymer electrolyte membrane as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記プロトン伝導性高分子の水素イオン交換容量が、0.5meq/g以上5meq/g以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   6. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the proton-conducting polymer has a hydrogen ion exchange capacity of 0.5 meq / g or more and 5 meq / g or less. . 前記架橋剤が、前記架橋剤の分子内に少なくとも2つのメチロール基を有することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   The solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein the crosslinking agent has at least two methylol groups in the molecule of the crosslinking agent. 前記凹部の深さまたは前記凸部の高さが、1μm以上あり、前記固体高分子電解質膜の厚みの1/5以下であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜。   8. The depth of the concave portion or the height of the convex portion is 1 μm or more, and is 1/5 or less of the thickness of the solid polymer electrolyte membrane. The solid polymer electrolyte membrane described in 1. 少なくとも一方の面に、少なくとも一つの凹部または凸部を有する基材の面に、下記一般式(2)で表わされるプロトン伝導性高分子と架橋剤とをプロトン酸基以外の部分を介して架橋反応させて得られる架橋高分子を含む塗液を塗布して塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を加熱して固体高分子電解質膜を形成する工程と、
前記固体高分子電解質膜を前記基材から剥離する工程と、を具備することを特徴とする固体高分子電解質膜の製造方法。
Figure 2011216264
[前記一般式(2)中、Aは電子吸引基を示し、Bは電子供与基を示す。X、Y、Zはそれぞれ0または1であり、XとYとZとの和が1から3のいずれかの整数であることを示す。]
Crosslinking the proton conductive polymer represented by the following general formula (2) and the crosslinking agent to the surface of the base material having at least one concave portion or convex portion on at least one surface through a portion other than the proton acid group. Applying a coating liquid containing a crosslinked polymer obtained by reaction to form a coating film;
Heating the coating film to form a solid polymer electrolyte membrane;
And a step of peeling the solid polymer electrolyte membrane from the base material. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane, comprising:
Figure 2011216264
[In the general formula (2), A represents an electron-withdrawing group, and B represents an electron-donating group. X, Y, and Z are each 0 or 1, indicating that the sum of X, Y, and Z is an integer from 1 to 3. ]
前記凹部の溝部または前記凸部の突出部が平面視で線状に伸びた形状を有することを特徴とする請求項9に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 9, wherein the groove portion of the concave portion or the protruding portion of the convex portion has a shape extending linearly in plan view. 前記線状に伸びた形状を有する前記凹部または前記線状に伸びた形状を有する前記凸部が繰り返して配列されることを特徴とする請求項10に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to claim 10, wherein the concave portion having the linearly extending shape or the convex portion having the linearly extending shape is repeatedly arranged. 前記塗膜を加熱する温度が60℃以上250℃以下であることを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか一項に記載に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 9 to 11, wherein a temperature for heating the coating film is 60 ° C or higher and 250 ° C or lower. 前記凹部または前記凸部の幅が50μm以上であり、前記凹部の深さまたは前記凸部の高さが1μm以上1000μm以下であることを特徴とする請求項9から請求項12のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。   13. The width of the concave portion or the convex portion is 50 μm or more, and the depth of the concave portion or the height of the convex portion is 1 μm or more and 1000 μm or less. 13. A method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to the above. 前記凹部または前記凸部が、切削刃を用いた機械加工により形成されることを特徴とする請求項9から請求項13のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 9 to 13, wherein the concave portion or the convex portion is formed by machining using a cutting blade. 前記基材が、ガラス基材もしくはシリコンウエハであることを特徴とする請求項9から請求項14のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 9 to 14, wherein the substrate is a glass substrate or a silicon wafer. 請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とする膜電極接合体。   A membrane electrode assembly comprising the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 15. 請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の固体高分子電解質膜を用いたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the solid polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 15.
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