JP2016015287A - Separation membrane for liquid fuel cell and membrane-electrode assembly including the same - Google Patents

Separation membrane for liquid fuel cell and membrane-electrode assembly including the same Download PDF

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康壮 松田
Yasutake Matsuda
康壮 松田
武史 仲野
Takeshi Nakano
武史 仲野
西井 弘行
Hiroyuki Nishii
弘行 西井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel separation membrane for a liquid fuel cell, suitable for a liquid fuel cell, specifically for an alkaline liquid fuel cell.SOLUTION: A separation membrane for a liquid fuel cell has a percolation speed in a cross sectional direction of 40 mol/h g or higher and a pressure resistance between principal surfaces for air of 60 kPa or higher. The liquid fuel cell is preferably an alkaline type. The separation membrane preferably contains a hydrophilic functional group, and the hydrophilic functional group is, for example, a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, etc.

Description

本発明は、液体燃料電池用隔膜及びそれを備えた膜−電極接合体に関する。   The present invention relates to a diaphragm for a liquid fuel cell and a membrane-electrode assembly including the same.

高分子電解質型燃料電池(PEFC)は、燃料電池としては低い温度での動作が可能であるとともに、出力密度が高い等の利点を有し、将来の普及に期待が寄せられている。PEFCは、アノードとカソードとの間に隔膜を備えており、隔膜としてはイオン伝導性を有する高分子電解質膜が用いられる。この隔膜としては、カチオン交換膜が用いられてきた。近年では、白金を触媒に用いることなく発電が可能なアニオン交換膜を用いたPEFCが報告されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。   The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has the advantages of being able to operate at a low temperature as a fuel cell and having a high output density, and is expected to spread in the future. The PEFC includes a diaphragm between the anode and the cathode, and a polymer electrolyte membrane having ion conductivity is used as the diaphragm. As this diaphragm, a cation exchange membrane has been used. In recent years, PEFCs using an anion exchange membrane that can generate electricity without using platinum as a catalyst have been reported (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

一方、水素よりも取り扱いが容易なメタノール等の液体を燃料として用いた燃料電池(液体燃料電池)が検討されている。   On the other hand, a fuel cell (liquid fuel cell) using a liquid such as methanol that is easier to handle than hydrogen as a fuel has been studied.

特開2000−331693号公報JP 2000-331693 A 特表2010−516853号公報Special table 2010-51685 gazette

アニオンの移動を利用した液体燃料電池(以下、アルカリ形液体燃料電池)において、アノード側には燃料が、カソード側には空気等の酸化剤が供給される。カソード側での反応には酸化剤の他に水が必要である。一般に、この水は、加湿器等の補機類を用いて外部から加湿して供給される。しかし、燃料電池の小型化、単位容積当たりの発電容量の向上等の観点から、補機類は可能な限り省略することが望ましい。補機類を省略するためには、アノード側に燃料と共に供給され、カソード側へと隔膜を透過する水を利用することが考えられる。この場合、良好に水を透過することができる隔膜を使用することが望まれる。   In a liquid fuel cell (hereinafter referred to as an alkaline liquid fuel cell) utilizing anion movement, fuel is supplied to the anode side and an oxidant such as air is supplied to the cathode side. The reaction on the cathode side requires water in addition to the oxidizing agent. In general, this water is supplied by being humidified from the outside using an auxiliary device such as a humidifier. However, it is desirable to omit auxiliary equipment as much as possible from the viewpoint of miniaturization of the fuel cell and improvement of power generation capacity per unit volume. In order to omit the auxiliary machinery, it is conceivable to use water supplied together with fuel to the anode side and permeating the diaphragm to the cathode side. In this case, it is desired to use a diaphragm that can permeate water well.

一方、酸化剤と燃料が直接混合すると副反応が生じ、発電効率が低下する。隔膜には、酸化剤と燃料とを隔離する機能も求められる。酸化剤としては、空気等の気体が用いられるため、隔膜には気体に対する良好な耐圧性が必要となる。   On the other hand, when the oxidant and the fuel are directly mixed, a side reaction occurs and power generation efficiency decreases. The diaphragm is also required to have a function of separating the oxidant and the fuel. Since a gas such as air is used as the oxidizing agent, the diaphragm needs to have good pressure resistance against the gas.

本発明は、液体燃料電池、特にアルカリ形液体燃料電池に適した新たな液体燃料電池用隔膜を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a new diaphragm for a liquid fuel cell suitable for a liquid fuel cell, particularly an alkaline liquid fuel cell.

本発明は、
断面方向の透水速度が40mol/h・g以上であり、
かつ第一主面に水を供給しながら、前記第一主面と反対側の第二主面に空気を供給して、前記空気の圧力を上昇させて測定した主面間耐圧が80kPa以上である、
液体燃料電池用隔膜、を提供する。
The present invention
The water transmission rate in the cross-sectional direction is 40 mol / h · g or more,
And while supplying water to the first main surface, air is supplied to the second main surface opposite to the first main surface and the pressure between the main surfaces measured by increasing the pressure of the air is 80 kPa or more. is there,
A diaphragm for a liquid fuel cell is provided.

別の側面において、本発明は、
本発明の液体燃料電池用隔膜を備えた膜−電極接合体(MEA)、を提供する。
In another aspect, the present invention provides:
There is provided a membrane-electrode assembly (MEA) comprising a diaphragm for a liquid fuel cell of the present invention.

本発明による断面方向の透水速度が大きく主面間の耐圧性が良好である隔膜は、液体燃料電池、特にアルカリ形液体燃料電池の特性の向上に適している。本発明によれば、この隔膜の特性を活かした膜−電極接合体(MEA)を提供することができる。   The diaphragm having a high cross-sectional direction water permeability and good pressure resistance between the main surfaces according to the present invention is suitable for improving the characteristics of a liquid fuel cell, particularly an alkaline liquid fuel cell. According to the present invention, it is possible to provide a membrane-electrode assembly (MEA) utilizing the characteristics of this diaphragm.

本発明のMEAの一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of MEA of this invention. 透水速度試験及び耐圧性試験に用いる評価用セルを模式的に示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows typically the cell for evaluation used for a water transmission rate test and a pressure resistance test. 図2のIII−III面における模式的な評価用セルの縦断面図である。FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a schematic evaluation cell on the III-III plane in FIG. 2. 透水速度試験及び耐圧性試験に用いる評価用セルを模式的に示す正面図である。It is a front view which shows typically the cell for evaluation used for a water transmission rate test and a pressure | voltage resistance test.

本発明の一実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。   An embodiment of the present invention will be described, but the present invention is not limited to this.

本実施形態の膜−電極接合体(MEA)は、液体燃料電池内における使用に適している。この液体燃料電池は、MEA以外の部分に特に限定はなく、公知の部材を適用できる。   The membrane-electrode assembly (MEA) of this embodiment is suitable for use in a liquid fuel cell. This liquid fuel cell is not particularly limited to a portion other than the MEA, and a known member can be applied.

以下で述べる液体燃料電池は、本実施形態のMEAを備えたアルカリ形液体燃料電池であり、アノード側には液体燃料が、カソード側には酸化剤が供給される。酸化剤は、例えば空気である。   The liquid fuel cell described below is an alkaline liquid fuel cell provided with the MEA of the present embodiment, and a liquid fuel is supplied to the anode side and an oxidant is supplied to the cathode side. The oxidizing agent is air, for example.

液体燃料は水に溶解された燃料であり、電解質を溶解している。燃料は、水に溶解可能であれば特に限定はなく、例えば、メタノール、エタノール等の低級アルコール類;ヒドラジン(水和物)、アンモニア等のアミン類;水素化ホウ素ナトリウム等が挙げられ、反応性が高く、発電原理上CO2を発生しないことから、ヒドラジン(水和物)が好ましい。 The liquid fuel is a fuel dissolved in water and dissolves an electrolyte. The fuel is not particularly limited as long as it can be dissolved in water. Examples thereof include lower alcohols such as methanol and ethanol; amines such as hydrazine (hydrate) and ammonia; sodium borohydride and the like. Hydrazine (hydrate) is preferable because it is high and does not generate CO 2 on the principle of power generation.

燃料の供給量は、液体燃料中の燃料の濃度や供給速度(流量)によって制御することが可能である。必要な燃料の量は、取り出す電流量に応じて変化する。従って、取り出す電流量に応じてアノード側に供給する燃料の供給量を制御することが好ましい。取り出す電流量に対して過剰の燃料を供給すると、燃料が隔膜を透過しやすくなる。透過した燃料がカソード、より具体的にはカソード触媒上に存在すると、カソード触媒上で酸化剤と燃料とが直接反応して副反応が生じることがあり、燃料電池の発電効率が低下する。これを防止するために液体燃料の供給量の制御が可能な燃料提供システムを用いてもよい。   The amount of fuel supplied can be controlled by the concentration of fuel in the liquid fuel and the supply speed (flow rate). The amount of fuel required varies depending on the amount of current to be extracted. Therefore, it is preferable to control the amount of fuel supplied to the anode side in accordance with the amount of current to be extracted. If an excessive amount of fuel is supplied with respect to the amount of current to be extracted, the fuel will easily pass through the diaphragm. When the permeated fuel is present on the cathode, more specifically, on the cathode catalyst, the oxidant and the fuel may directly react on the cathode catalyst to cause a side reaction, thereby reducing the power generation efficiency of the fuel cell. In order to prevent this, a fuel supply system capable of controlling the supply amount of liquid fuel may be used.

電解質は、水又は液体燃料に溶解でき、液体燃料電池反応においてイオン伝導体として機能する電解質であれば特に限定されない。例えば、アルカリ形液体燃料電池においてはアニオンがイオン伝導体として機能するため、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム等の水酸化物イオン(OH-イオン)の解離が可能な電解質を用いることが好ましい。二酸化炭素との反応物である炭酸カリウムが水に溶解しやすく、析出しにくいことから、電解質としては水酸化カリウムが特に好ましい。ただし、水に溶解可能であって水に溶解したときにイオンを供給できるその他の無機塩、イオン液体等を電解質として用いることもできる。 The electrolyte is not particularly limited as long as it is an electrolyte that can be dissolved in water or liquid fuel and functions as an ionic conductor in the liquid fuel cell reaction. For example, in an alkaline liquid fuel cell, an anion functions as an ionic conductor, so use an electrolyte that can dissociate hydroxide ions (OH - ions) such as potassium hydroxide, sodium hydroxide, and calcium hydroxide. Is preferred. Since potassium carbonate, which is a reaction product with carbon dioxide, is easily dissolved in water and hardly precipitated, potassium hydroxide is particularly preferable as the electrolyte. However, other inorganic salts, ionic liquids, etc. that can be dissolved in water and can supply ions when dissolved in water can also be used as the electrolyte.

液体燃料中の電解質の濃度は、特に限定されないが、例えば重量基準で0.5〜40%、特に1〜20%である。   The concentration of the electrolyte in the liquid fuel is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 40%, particularly 1 to 20% on a weight basis.

アルカリ形液体燃料電池では、カソード触媒における反応に水が必要である。この水は通常、加湿器等の補機類を用いて電池外部から加湿している。しかし、本実施形態のMEAは断面方向の透水速度が大きく、カソード触媒へ効率よく水を供給できる。従って、本実施形態のMEAを用いると、加湿のための補機類の省略が可能となり、液体燃料電池の小型化や単位容積当たりの発電容量の向上を図る上で有利である。   In an alkaline liquid fuel cell, water is required for the reaction at the cathode catalyst. This water is usually humidified from the outside of the battery using auxiliary equipment such as a humidifier. However, the MEA of the present embodiment has a high water transmission rate in the cross-sectional direction, and can efficiently supply water to the cathode catalyst. Therefore, use of the MEA of this embodiment makes it possible to omit auxiliary equipment for humidification, which is advantageous in reducing the size of the liquid fuel cell and improving the power generation capacity per unit volume.

上記の液体燃料電池は、アノード側からカソード側へと隔膜を透過した燃料や、カソード触媒上でこの燃料と酸化剤とが直接反応して生じた副生成物の排出を抑制する観点から、カソード側の出口から排出されるガスを処理する補機類を備えていてもよい。   From the viewpoint of suppressing the discharge of fuel that has permeated through the diaphragm from the anode side to the cathode side, and by-products generated by direct reaction of this fuel and oxidant on the cathode catalyst, You may provide the auxiliary machines which process the gas discharged | emitted from the exit of the side.

以下、膜−電極接合体(MEA)について詳細を述べる。   Hereinafter, the details of the membrane-electrode assembly (MEA) will be described.

本実施形態のMEAは、本発明の隔膜と、隔膜の表面に配置された触媒層とを備えている。   The MEA of the present embodiment includes the diaphragm of the present invention and a catalyst layer disposed on the surface of the diaphragm.

本実施形態のMEAでは、隔膜の表面に触媒層が配置されている。隔膜と触媒層とは、典型的には触媒インクのスプレー塗布等の加工工程を経て一体化されている。通常、触媒層は、アノード触媒層とカソード触媒層とを含んでいる。図1に、本実施形態のMEAの一例を示す。図1に示すMEAは、隔膜2とアノード触媒層3とカソード触媒層4とを備え、アノード触媒層3が隔膜の一方の主面に、カソード触媒層4が隔膜2の他方の主面にそれぞれ配置されている。   In the MEA of this embodiment, a catalyst layer is disposed on the surface of the diaphragm. The diaphragm and the catalyst layer are typically integrated through a processing step such as spray application of catalyst ink. Usually, the catalyst layer includes an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer. FIG. 1 shows an example of the MEA of this embodiment. The MEA shown in FIG. 1 includes a diaphragm 2, an anode catalyst layer 3, and a cathode catalyst layer 4. The anode catalyst layer 3 is on one main surface of the diaphragm, and the cathode catalyst layer 4 is on the other main surface of the diaphragm 2, respectively. Has been placed.

触媒層には、アルカリ形液体燃料電池に使用する公知のMEAが備える触媒層を用いることができる。触媒は、酸形燃料電池とは異なり、必ずしも白金のような貴金属である必要はなく、例えば、ニッケル、コバルト、鉄等の卑金属を使用できる。含まれる具体的な触媒等の触媒層の構成は、MEAのアノード側(アノード触媒層)とカソード側(カソード触媒層)とで異なっていても同一であってもよい。特にカソード触媒層は、隔膜を透過した燃料と酸化剤との反応を抑制して発電効率の低下を防ぎ、副反応による部材劣化を防ぐ観点から、酸化還元反応を選択的に促進する触媒を選択することが望ましい。   As the catalyst layer, a catalyst layer provided in a known MEA used in an alkaline liquid fuel cell can be used. Unlike an acid fuel cell, the catalyst does not necessarily need to be a noble metal such as platinum. For example, a base metal such as nickel, cobalt, or iron can be used. The structure of a catalyst layer such as a specific catalyst included may be different or the same on the anode side (anode catalyst layer) and cathode side (cathode catalyst layer) of the MEA. In particular, for the cathode catalyst layer, a catalyst that selectively promotes the redox reaction is selected from the viewpoint of preventing the deterioration of power generation efficiency by suppressing the reaction between the fuel that has permeated through the diaphragm and the oxidant, and preventing the deterioration of members due to side reactions. It is desirable to do.

触媒層の形成方法は特に限定されないが、触媒層を形成した隔膜とガス拡散層とを接合させるCCM(Catalyst Coated on Membrane)法又はガス拡散層に直接塗布した触媒層と隔膜とを接合させるCCS(Catalyst Coated on Substrate)法を用いることが好ましく、短絡防止等の観点からCCS法を用いることがより好ましい。   A method for forming the catalyst layer is not particularly limited, but a CCM (Catalyst Coated on Membrane) method in which the diaphragm on which the catalyst layer is formed and the gas diffusion layer are bonded, or CCS in which the catalyst layer directly applied to the gas diffusion layer is bonded to the diaphragm. It is preferable to use the (Catalyst Coated on Substrate) method, and it is more preferable to use the CCS method from the viewpoint of short circuit prevention.

本実施形態のMEAは、本実施形態の効果を阻害しない限り、隔膜及び触媒層以外の任意の部材を有することができる。   The MEA of the present embodiment can have any member other than the diaphragm and the catalyst layer as long as the effects of the present embodiment are not impaired.

以下、MEAに備えられている隔膜について詳細を述べる。   Hereinafter, details of the diaphragm provided in the MEA will be described.

本実施形態の液体燃料電池用隔膜は、断面方向の透水速度が40mol/h・g以上であり、第一主面に水を供給しながら、第一主面と反対側の第二主面に空気を供給して、空気の圧力を上昇させて測定した主面間耐圧が80kPa以上である。   The diaphragm for a liquid fuel cell of the present embodiment has a water permeability rate of 40 mol / h · g or more in the cross-sectional direction, and supplies water to the first main surface while supplying water to the second main surface opposite to the first main surface. The pressure resistance between the main surfaces measured by supplying air and increasing the pressure of the air is 80 kPa or more.

隔膜の断面方向の透水速度は、40mol/h・g以上であり、40〜120mol/h・gであることが好ましく、50〜110mol/h・gであることがより好ましい。隔膜の断面方向の透水速度が小さくなりすぎると、カソード触媒上での反応に必要な水が充分に透過せず、カソード触媒における反応の効率が低下することがある。断面方向の透水速度が特定の範囲にある本実施形態の隔膜を用いることによって、アノード側からカソード側へと隔膜を透過した水を、カソード触媒に適切に供給できる。その結果、カソード触媒上での反応効率の向上に寄与でき、さらに電池の発電効率の向上に寄与できる。隔膜の断面方向の透水速度は、後述する試験により測定することができる。   The water transmission rate in the cross-sectional direction of the diaphragm is 40 mol / h · g or more, preferably 40 to 120 mol / h · g, and more preferably 50 to 110 mol / h · g. If the water permeation rate in the cross-sectional direction of the diaphragm becomes too small, water necessary for the reaction on the cathode catalyst may not permeate sufficiently, and the reaction efficiency in the cathode catalyst may be reduced. By using the diaphragm of the present embodiment in which the water permeation speed in the cross-sectional direction is in a specific range, water that has permeated the diaphragm from the anode side to the cathode side can be appropriately supplied to the cathode catalyst. As a result, the reaction efficiency on the cathode catalyst can be improved, and the power generation efficiency of the battery can be further improved. The water transmission rate in the cross-sectional direction of the diaphragm can be measured by a test described later.

隔膜の断面方向の透水速度は、具体的には、図2〜4に示す評価用セル100を用いて以下の方法により測定することができる。   Specifically, the water transmission rate in the cross-sectional direction of the diaphragm can be measured by the following method using the evaluation cell 100 shown in FIGS.

第一主面及び第一主面と反対側の第二主面を有する隔膜2を準備し、一辺の長さが2cmの正方形の開口部11a、21aを有する、一対のガスケット11、21で隔膜2を挟持する。ガスケット11、21の外側に、サーペンタイン構造の流路12a、22a付きの一対のセパレータ12、22、一対の集電板13、23、一対のエンドプレート14、24をこの順に配置して隔膜2を挟持する。部材の各接触面から空気、水が漏洩しないように、ボルト等の固定部品(図示せず)を用いて各部材を締結し、評価用セル100を形成する。
評価用セル100は、流路18、19、28、29を有する。流路18、19はそれぞれ水の供給、吐出用の流路であり、流路28、29はそれぞれ乾燥空気の供給、吐出用の流路である。各流路18、19、28、29はエンドプレートに開口を有する。流路18、19はエンドプレート14、集電板13及びセパレータ12を貫通し、流路12aと連結する。
A diaphragm 2 having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface is prepared, and a diaphragm is formed by a pair of gaskets 11 and 21 having square openings 11a and 21a each having a side length of 2 cm. 2 is pinched. On the outside of the gaskets 11 and 21, a pair of separators 12 and 22 with serpentine-structured flow channels 12a and 22a, a pair of current collector plates 13 and 23, and a pair of end plates 14 and 24 are arranged in this order to form the diaphragm 2 Hold it. Each member is fastened using a fixing part (not shown) such as a bolt so that air and water do not leak from each contact surface of the member, and the evaluation cell 100 is formed.
The evaluation cell 100 has flow paths 18, 19, 28, and 29. The channels 18 and 19 are channels for supplying and discharging water, respectively, and the channels 28 and 29 are channels for supplying and discharging dry air, respectively. Each flow path 18, 19, 28, 29 has an opening in the end plate. The flow paths 18 and 19 penetrate the end plate 14, the current collector plate 13, and the separator 12, and are connected to the flow path 12a.

隔膜2の第一主面及び第二主面が鉛直方向に沿うように評価用セル100を設置し、この状態の評価用セル100に水及び乾燥空気の供給を開始する。第一主面へは毎分2mlの水を流路18に接続した配管38を介して供給し、第二主面へは毎分500mlの乾燥空気を流路28に接続した配管48を介して供給する。上記のように水を供給し続けることによって、セル100の第一主面側の内部は供給された水で満たされ、隔膜2の第一主面は常に水と接触する。この際、エンドプレート14、24に設けたラバーヒーター15、25を用いて評価用セル100の温度が80℃になるように評価用セル100を加熱する。水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、流路19に接続した配管39から排出される水を30分間回収する(W2)。   The evaluation cell 100 is installed so that the first main surface and the second main surface of the diaphragm 2 are along the vertical direction, and supply of water and dry air to the evaluation cell 100 in this state is started. 2 ml of water per minute is supplied to the first main surface via a pipe 38 connected to the flow path 18, and 500 ml of dry air per minute is supplied to the second main face via a pipe 48 connected to the flow path 28. Supply. By continuing to supply water as described above, the inside of the first main surface side of the cell 100 is filled with the supplied water, and the first main surface of the diaphragm 2 is always in contact with water. At this time, the evaluation cell 100 is heated using the rubber heaters 15 and 25 provided on the end plates 14 and 24 so that the temperature of the evaluation cell 100 becomes 80 ° C. Water and dry air are continuously supplied as described above, and water discharged from the pipe 39 connected to the flow path 19 is collected for 30 minutes while maintaining the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. (W2).

W1は、評価セル100へ30分間供給した水の重量であり、W2は、配管39から排出される水を30分間回収した水の重量である。また、W3は、隔膜2とは別に準備した隔膜2と同一種類のW3測定用隔膜を、23℃相対湿度55%雰囲気下で24時間放静置後測定した重量から計算した、隔膜の1cm2あたりの重量である。
隔膜の断面方向の透水速度は、これらの値を用いて、以下の式によって計算される値である。
隔膜の断面方向の透水速度[mol/h・g]=60[分]/30[分]×(W1−W2)[g]/18[g/mol]/4[cm2]/W3[g/cm2
W1 is the weight of water supplied to the evaluation cell 100 for 30 minutes, and W2 is the weight of water recovered from the pipe 39 for 30 minutes. Also, W3 is the W3 measuring diaphragm of the same type and the membrane 2 was prepared separately from the diaphragm 2, were calculated from the weight measured 24 hours Hosei after standing in an atmosphere 23 ° C. relative humidity 55%, 1 cm of the membrane 2 It is per weight.
The water transmission rate in the cross-sectional direction of the diaphragm is a value calculated by the following formula using these values.
Water permeability rate [mol / h · g] = 60 [min] / 30 [min] × (W1-W2) [g] / 18 [g / mol] / 4 [cm 2 ] / W3 [g / cm 2 ]

本実施形態の隔膜は、第一主面に水を供給しながら、第一主面と反対側の第二主面に空気を供給して、空気の圧力を上昇させて測定した主面間耐圧(隔膜の主面間耐圧)が80kPa以上であり、100kPa以上であることが好ましい。隔膜の主面間耐圧とは、隔膜が維持できる主面間の圧力の最大値であり、具体的には後述する試験によって測定できる。隔膜の主面間耐圧が小さくなりすぎると、気体である酸化剤の圧力を保てないことがあり、酸化剤がアノードへリークすることがある。酸化剤がアノードへリークし、燃料と酸化剤とが直接混合すると、発電効率が低下し得る。   The diaphragm of the present embodiment is a pressure resistance between main surfaces measured by supplying air to the second main surface opposite to the first main surface while increasing the pressure of the air while supplying water to the first main surface. (Pressure resistance between main surfaces of the diaphragm) is 80 kPa or more, and preferably 100 kPa or more. The pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm is the maximum value of the pressure between the main surfaces that can maintain the diaphragm, and can be specifically measured by a test described later. If the pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm is too small, the pressure of the oxidizing agent that is a gas may not be maintained, and the oxidizing agent may leak to the anode. If the oxidant leaks to the anode and the fuel and the oxidant are mixed directly, the power generation efficiency can be reduced.

隔膜の主面間耐圧は、具体的には図2〜4に示す評価用セル100を用いて以下の方法により測定することができる。この評価用セル100は、上述した隔膜の断面方向の透水速度の測定に用いる評価用セル100と同様に形成する。   Specifically, the withstand pressure between the main surfaces of the diaphragm can be measured by the following method using the evaluation cell 100 shown in FIGS. This evaluation cell 100 is formed in the same manner as the evaluation cell 100 used for the measurement of the water transmission rate in the cross-sectional direction of the diaphragm described above.

隔膜2の第一主面及び第二主面が鉛直方向に沿うように評価用セル100を設置し、この状態の評価用セル100に水及び乾燥空気の供給を開始する。第一主面へは毎分2mlの水を流路18に接続した配管38を介して供給し、第二主面へは毎分500mlの乾燥空気を流路28に接続した配管48を介して供給する。上記のように水を供給し続けることによって、セル100の第一主面側の内部は供給された水で満たされ、隔膜2の第一主面は常に水と接触する。この際、エンドプレート14、24に設けたラバーヒーター15、25を用いて評価用セル100の温度が80℃になるように評価用セル100を加熱する。   The evaluation cell 100 is installed so that the first main surface and the second main surface of the diaphragm 2 are along the vertical direction, and supply of water and dry air to the evaluation cell 100 in this state is started. 2 ml of water per minute is supplied to the first main surface via a pipe 38 connected to the flow path 18, and 500 ml of dry air per minute is supplied to the second main face via a pipe 48 connected to the flow path 28. Supply. By continuing to supply water as described above, the inside of the first main surface side of the cell 100 is filled with the supplied water, and the first main surface of the diaphragm 2 is always in contact with water. At this time, the evaluation cell 100 is heated using the rubber heaters 15 and 25 provided on the end plates 14 and 24 so that the temperature of the evaluation cell 100 becomes 80 ° C.

次に、水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、流路29に接続した配管49に設けた圧力調整装置43(例えば、バルブ)の開度を調整し、隔膜2の第二主面への乾燥空気の圧力が20kPaになるように、第二主面への乾燥空気の圧力を昇圧する。乾燥空気の圧力は配管49に設けた圧力計42で測定する。その後、水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、第二主面への乾燥空気の圧力を20kPaに維持できるように圧力調整装置43の開度を調整する。上記の水及び乾燥空気の供給速度、評価用セル100の温度、圧力調整装置43の開度を維持した状態で、第二主面への乾燥空気の圧力を10分間測定する。20kPaを10分間維持できなかった場合には、隔膜の主面間耐圧は0kPaと評価する。20kPaを10分間維持できた場合には、第二主面への乾燥空気の圧力を昇圧し、40kPa、60kPa、80kPa、100kPaの順に同様の測定を行う。第二主面への乾燥空気の圧力を100kPaに昇圧後10分間維持できた場合には、隔膜の主面間耐圧は100kPaとする。ここで、圧力を維持できた場合とは、第二主面への乾燥空気の圧力の変化が、10分間において1kPa以下であることをいう。   Next, the pressure adjusting device 43 (for example, a valve) provided in the pipe 49 connected to the flow path 29 while maintaining the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. while continuing to supply water and dry air as described above. And the pressure of the dry air to the second main surface is increased so that the pressure of the dry air to the second main surface of the diaphragm 2 is 20 kPa. The pressure of the dry air is measured with a pressure gauge 42 provided in the pipe 49. Thereafter, the pressure regulator 43 continues to supply water and dry air as described above, and maintains the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. so that the pressure of the dry air to the second main surface can be maintained at 20 kPa. Adjust the opening. The pressure of the dry air to the second main surface is measured for 10 minutes while maintaining the supply rate of water and dry air, the temperature of the evaluation cell 100, and the opening degree of the pressure adjusting device 43. When 20 kPa cannot be maintained for 10 minutes, the withstand pressure between the main surfaces of the diaphragm is evaluated as 0 kPa. When 20 kPa can be maintained for 10 minutes, the pressure of the dry air to the second main surface is increased, and the same measurement is performed in the order of 40 kPa, 60 kPa, 80 kPa, and 100 kPa. When the pressure of the dry air to the second main surface can be maintained for 10 minutes after increasing the pressure to 100 kPa, the pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm is set to 100 kPa. Here, the case where the pressure can be maintained means that the change in the pressure of the dry air to the second main surface is 1 kPa or less in 10 minutes.

液体燃料電池用隔膜は、膜厚が5μm〜130μmの範囲にあることが好ましく、10μm〜70μmの範囲にあることがより好ましい。膜厚が薄くなりすぎると、膜強度が低下することがあり、膜の破損やピンホール等の欠陥が生じることがある。また、カソード側への燃料の透過量及び透水量が多くなることがある。膜厚が厚くなりすぎると、隔膜内での膜としての抵抗(膜抵抗)が高くなることがあり、透水量が少なくなりすぎることがある。透水量が少なくなりすぎると、カソード触媒における反応に必要な水が不足し、発電効率が低下することがある。   The liquid fuel cell membrane preferably has a thickness in the range of 5 μm to 130 μm, and more preferably in the range of 10 μm to 70 μm. If the film thickness becomes too thin, the film strength may decrease, and defects such as film breakage and pinholes may occur. Moreover, the amount of fuel permeating to the cathode side and the amount of water permeation may increase. When the film thickness becomes too thick, the resistance (film resistance) as a film in the diaphragm may be increased, and the water permeability may be decreased too much. If the water permeation amount is too small, water required for the reaction in the cathode catalyst may be insufficient, and power generation efficiency may be reduced.

本発明の一実施形態では、このような特性を有する隔膜は、高分子基材と、高分子基材上に存在する親水性官能基とを備える。   In one embodiment of the present invention, a diaphragm having such characteristics comprises a polymer substrate and hydrophilic functional groups present on the polymer substrate.

本実施形態の隔膜に含まれる高分子基材の材質は特に限定されず、発明の効果を阻害しない範囲内で公知の樹脂を用いることができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ビスフェノールA型エポキシポリマー等のエポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド等のポリサルファイド系樹脂、ポリエーテルケトン等のポリエーテル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリテトラフフルオロエチレン等のフッ素系樹脂等を挙げることができる。これらの樹脂の中でも、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ビスフェノールA型エポキシポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン及びポリテトラフフルオロエチレンからなる群より選ばれる少なくとも1種が含まれることが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド及びポリエーテルケトンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリスチレンからなる群より選ばれる少なくとも1種が含まれることがさらに好ましい。耐汚染性、耐腐食性、高分子基材の製造価格等の観点から、ポリエチレンが好ましく、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンがより好ましい。高分子基材の強度及び、耐熱性向上の観点から、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンが特に好ましい。なかでも、高強度の高分子基材を得る観点から、重量平均分子量50万以上、特に100万以上の超高分子量ポリエチレンが好ましい。これらの樹脂は、単独で又は2種以上を混合して使用してもよい。   The material of the polymer base material contained in the diaphragm of the present embodiment is not particularly limited, and a known resin can be used as long as the effects of the invention are not impaired. For example, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, polystyrene resins, epoxy resins such as bisphenol A type epoxy polymers, polysulfide resins such as polyphenylene sulfide, polyether resins such as polyether ketone, polyvinylidene fluoride, ethylene tetrafluoro Fluorine resins such as ethylene and polytetrafluoroethylene can be exemplified. Among these resins, at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, bisphenol A type epoxy polymer, polyphenylene sulfide, polyether ketone, polyvinylidene fluoride, ethylene tetrafluoroethylene, and polytetrafluoroethylene is included. It is preferable that at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyphenylene sulfide and polyether ketone is included, and at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene and polystyrene is included. More preferably. From the viewpoints of contamination resistance, corrosion resistance, production cost of the polymer base material, etc., polyethylene is preferable, and low density polyethylene, high density polyethylene, and ultrahigh molecular weight polyethylene are more preferable. High-density polyethylene and ultrahigh molecular weight polyethylene are particularly preferable from the viewpoints of the strength of the polymer substrate and the improvement of heat resistance. Among these, from the viewpoint of obtaining a high-strength polymer base material, ultra high molecular weight polyethylene having a weight average molecular weight of 500,000 or more, particularly 1,000,000 or more is preferable. These resins may be used alone or in admixture of two or more.

高分子基材は、多孔膜であることが好ましい。多孔膜の平均孔径は1nm〜1000nmの範囲にあることが好ましく、2nm〜500nmの範囲にあることがより好ましく、5nm〜300nmの範囲にあることがさらに好ましい。平均孔径が大きくなりすぎると、電極間の短絡が生じることがある。また隔膜の気体に対する耐圧性が低下し、酸化剤の圧力に耐えることが困難になることがある。また、カソード側への燃料の透過量が多くなることがある。平均孔径が小さくなりすぎると、透水量が少なくなることがある。透水量が少なくなりすぎると、カソード触媒における反応に必要な水が不足し、発電効率が低下することがある。後程実施する親水化処理によって、隔膜全体の平均孔径は変動するので、その変動を想定して多孔膜の平均孔径を調整することが好ましい。   The polymer substrate is preferably a porous film. The average pore diameter of the porous membrane is preferably in the range of 1 nm to 1000 nm, more preferably in the range of 2 nm to 500 nm, and still more preferably in the range of 5 nm to 300 nm. If the average pore diameter becomes too large, a short circuit between the electrodes may occur. In addition, the pressure resistance of the diaphragm against gas may be reduced, making it difficult to withstand the pressure of the oxidant. Also, the amount of fuel permeating to the cathode side may increase. If the average pore diameter becomes too small, the water permeability may be reduced. If the water permeation amount is too small, water required for the reaction in the cathode catalyst may be insufficient, and power generation efficiency may be reduced. Since the average pore diameter of the entire diaphragm varies depending on the hydrophilization treatment to be performed later, it is preferable to adjust the average pore diameter of the porous membrane in consideration of the variation.

本実施形態の隔膜に含まれる親水性官能基は、親水性を有すれば特に限定されないが、例えば水酸基、カルボキシル基、アミノ基、スルホン酸基及びリン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1つであり、特にカルボキシル基である。   The hydrophilic functional group contained in the diaphragm of the present embodiment is not particularly limited as long as it has hydrophilicity. For example, at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a sulfonic acid group, and a phosphoric acid group. In particular, it is a carboxyl group.

親水性官能基は、親水化処理を実施することによって得られることが好ましい。本発明の効果を阻害しない限り、親水化処理の種類は特に限定されず、グラフト重合処理、コロナ処理、プラズマ処理、スパッタ処理、スルホン化処理、界面活性剤又は親水性ポリマーを用いた処理等を用いてもよい。   The hydrophilic functional group is preferably obtained by performing a hydrophilic treatment. As long as the effect of the present invention is not impaired, the type of hydrophilic treatment is not particularly limited, and graft polymerization treatment, corona treatment, plasma treatment, sputtering treatment, sulfonation treatment, treatment using a surfactant or a hydrophilic polymer, etc. It may be used.

例えば、親水性ポリマーを用いた親水化処理においては、親水性ポリマーを含む溶液を高分子多孔膜に塗工し、高分子多孔膜の表面及び細孔壁に親水性ポリマー膜を形成することによって、多孔膜の表面に親水性官能基を付加できる。この方法では、親水性ポリマーを塗布して形成された膜の厚みによって、親水性官能基の量を調整することができ、また膜の厚みによって被膜中の隔膜の孔径の調整が可能となる。   For example, in a hydrophilic treatment using a hydrophilic polymer, a solution containing the hydrophilic polymer is applied to the polymer porous membrane, and the hydrophilic polymer membrane is formed on the surface of the polymer porous membrane and the pore walls. A hydrophilic functional group can be added to the surface of the porous membrane. In this method, the amount of the hydrophilic functional group can be adjusted by the thickness of the film formed by applying the hydrophilic polymer, and the pore diameter of the diaphragm in the film can be adjusted by the thickness of the film.

好ましい一実施形態では、親水化処理はグラフト重合法を用いて実施される。グラフト重合法は、均一系で処理できる観点から好ましい。グラフト重合法では、グラフト鎖を形成するモノマー(以下、「グラフトモノマー(M)」)を高分子基材に導入する。すなわち、本実施形態の液体燃料電池用隔膜は、高分子基材と、高分子基材に導入されたグラフト鎖とを備え、グラフト鎖は親水性官能基を有する。   In a preferred embodiment, the hydrophilization treatment is performed using a graft polymerization method. The graft polymerization method is preferable from the viewpoint that it can be processed in a homogeneous system. In the graft polymerization method, a monomer for forming a graft chain (hereinafter referred to as “graft monomer (M)”) is introduced into a polymer substrate. That is, the liquid fuel cell membrane of this embodiment includes a polymer substrate and a graft chain introduced into the polymer substrate, and the graft chain has a hydrophilic functional group.

グラフトモノマー(M)は、親水性官能基を有していてもよく、親水性官能基を導入し得る部位を有していてもよい。すなわち、親水性官能基は、グラフトモノマー(M)が有していてもよく、グラフト重合後にグラフト鎖に導入されてもよい。   The graft monomer (M) may have a hydrophilic functional group or may have a site where a hydrophilic functional group can be introduced. That is, the hydrophilic functional group may be contained in the graft monomer (M) and may be introduced into the graft chain after the graft polymerization.

好ましい一実施形態において、グラフトモノマー(M)は炭素−炭素不飽和結合と親水性官能基とを有する。グラフトモノマー(M)は、特に限定されないが、例えばアクリル酸、メタクリル酸等のカルボン酸モノマー、アクリルアミド、メタクリルアミド、2−ヒドロキシメチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、3−ヒドロキシプロピルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシメチルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート等の(メタ)アクリル酸の誘導体モノマー、酢酸ビニル等の酢酸ビニル系モノマー、アリルアミン、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−ビニルピロリドン、N−ビニルピリジン等の窒素含有モノマー、スチレンスルホン酸ナトリウム等のスチレン誘導体モノマーが挙げられる。これらの中でもアクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−ビニルピロリドン、N−ビニルピリジン、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、及びスチレン誘導体モノマーからなる群より選ばれる少なくとも1つが含まれることが好ましく、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−ビニルピロリドン、N−ビニルピリジン、及び2−ヒドロキシエチルメタクリレートからなる群より選ばれる少なくとも1つが含まれることが好ましい。   In a preferred embodiment, the graft monomer (M) has a carbon-carbon unsaturated bond and a hydrophilic functional group. Although the graft monomer (M) is not particularly limited, for example, carboxylic acid monomers such as acrylic acid and methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, 2-hydroxymethyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 3-hydroxy (Meth) acrylic acid derivative monomers such as propyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, 2-hydroxymethyl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, vinyl acetate monomers such as vinyl acetate, allylamine, acrylamide, methacrylamide, N-vinyl Examples thereof include nitrogen-containing monomers such as pyrrolidone and N-vinylpyridine, and styrene derivative monomers such as sodium styrenesulfonate. Among these, it is preferable that at least one selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, N-vinyl pyrrolidone, N-vinyl pyridine, 2-hydroxyethyl methacrylate, and a styrene derivative monomer is included. It is preferable that at least one selected from the group consisting of acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, N-vinylpyrrolidone, N-vinylpyridine, and 2-hydroxyethyl methacrylate is included.

グラフトモノマー(M)は、グラフトモノマー(M)単独で重合に供してもよく、グラフトモノマー(M)を溶媒に溶解させた溶液(グラフトモノマー(M)溶液)として準備してもよい。   The graft monomer (M) may be used for polymerization alone or may be prepared as a solution (graft monomer (M) solution) in which the graft monomer (M) is dissolved in a solvent.

グラフトモノマー(M)を溶解させる溶媒に特に限定はないが、グラフトモノマー(M)は溶解するが、高分子基材は溶解しない溶媒を用いると、グラフトモノマー(M)と高分子基材との分離が容易である。また、副生成物であるグラフトモノマー(M)のみから形成されたポリマーの溶解が可能である溶媒を用いると、重合液を均一に保つことができる。なお、グラフトモノマー(M)、グラフトモノマー(M)のみから形成されたポリマー及び高分子基材の溶媒への溶解性は、グラフトモノマー(M)、グラフトモノマー(M)のみから形成されたポリマー及び高分子基材の構造又は極性等によって異なることがあるため、これらの化合物の溶解性に応じて適宜溶媒を選択してもよい。また、2種以上の化合物を混合して溶媒として用いてもよい。   The solvent for dissolving the graft monomer (M) is not particularly limited, but if a solvent that dissolves the graft monomer (M) but not the polymer base material is used, the graft monomer (M) and the polymer base material Easy to separate. In addition, when a solvent capable of dissolving a polymer formed only from the graft monomer (M) as a by-product is used, the polymerization solution can be kept uniform. The solubility of the graft monomer (M), the polymer formed only from the graft monomer (M), and the polymer base material in the solvent is as follows: the graft monomer (M), the polymer formed only from the graft monomer (M), and Since it may vary depending on the structure or polarity of the polymer substrate, a solvent may be appropriately selected according to the solubility of these compounds. Two or more compounds may be mixed and used as a solvent.

グラフトモノマー(M)溶液に含まれる溶媒は具体的には、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、フェノール、クレゾール等のフェノール類等の芳香族化合物を挙げることができる。このような溶媒を用いることによって、グラフト率の高い隔膜を得ることができる。また、芳香族化合物は、副生成物であるグラフトモノマー(M)のみからなるポリマーを溶解するため、重合液を均一に保つことができる。   Specific examples of the solvent contained in the graft monomer (M) solution include aromatic compounds such as aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, and phenols such as phenol and cresol. By using such a solvent, a diaphragm having a high graft rate can be obtained. In addition, since the aromatic compound dissolves the polymer composed only of the graft monomer (M) as a by-product, the polymerization solution can be kept uniform.

このグラフトモノマー(M)溶液中のグラフトモノマー(M)の濃度は、グラフトモノマー(M)の重合性や目標とするグラフト率に応じて定めればよいが、例えばグラフトモノマー(M)溶液全体の重量に対して20重量%以上のグラフトモノマー(M)を含ませることが好ましい。グラフトモノマー(M)の濃度が20重量%以上の溶液を用いることによって、グラフト反応が充分に進行しない事態を回避しやすくする。   The concentration of the graft monomer (M) in the graft monomer (M) solution may be determined according to the polymerizability of the graft monomer (M) and the target graft ratio. It is preferable to include 20% by weight or more of the graft monomer (M) based on the weight. By using a solution having a concentration of the graft monomer (M) of 20% by weight or more, it is easy to avoid a situation in which the graft reaction does not proceed sufficiently.

グラフト重合法は、均一系で処理できる観点から、放射線グラフト重合処理法を用いることが好ましい。具体的には、高分子基材に放射線を照射し、放射線照射後の高分子基材とグラフトモノマー(M)又はグラフトモノマー(M)溶液とを接触させてグラフト重合反応をさせることによって形成されることが好ましい。   As the graft polymerization method, it is preferable to use a radiation graft polymerization treatment method from the viewpoint that it can be treated in a homogeneous system. Specifically, it is formed by irradiating a polymer substrate with radiation, bringing the polymer substrate after irradiation and the graft monomer (M) or graft monomer (M) solution into contact with each other to cause a graft polymerization reaction. It is preferable.

高分子基材に照射される放射線としては、α線、β線、γ線、電子線、紫外線等の電離放射線があり、特にγ線又は電子線が好ましい。照射線量は、好ましくは1kGy〜400kGyの範囲にあり、より好ましくは10kGy〜300kGyの範囲にある。グラフト率は、放射線の照射量によって制御することができる。照射線量が低すぎるとグラフト率が低くなることがある。照射線量が多くなりすぎると、高分子基材の劣化や過剰な重合反応によって隔膜の機械的強度の低下が生じることがある。   Examples of radiation applied to the polymer substrate include ionizing radiation such as α rays, β rays, γ rays, electron beams, and ultraviolet rays, and γ rays or electron beams are particularly preferable. The irradiation dose is preferably in the range of 1 kGy to 400 kGy, more preferably in the range of 10 kGy to 300 kGy. The graft rate can be controlled by the radiation dose. If the irradiation dose is too low, the graft rate may be lowered. When the irradiation dose becomes too large, the mechanical strength of the diaphragm may be lowered due to deterioration of the polymer base material or excessive polymerization reaction.

放射線照射後の高分子基材は、低温(例えば−30℃以下)で保持してもよい。   The polymer substrate after irradiation may be held at a low temperature (for example, −30 ° C. or lower).

酸素の存在によってグラフト重合反応が阻害されることを防ぐため、グラフト重合は、酸素濃度ができる限り低い雰囲気下で行うことが好ましく、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で実施することがより好ましい。グラフトモノマー(M)又はグラフトモノマー(M)溶液中の酸素は、凍結脱気や窒素ガス等を用いたバブリング等の公知の方法を用いて除去することが好ましい。   In order to prevent the graft polymerization reaction from being hindered by the presence of oxygen, the graft polymerization is preferably performed in an atmosphere where the oxygen concentration is as low as possible, and is performed in an inert gas atmosphere such as argon gas or nitrogen gas. Is more preferable. The oxygen in the graft monomer (M) or the graft monomer (M) solution is preferably removed using a known method such as freeze degassing or bubbling using nitrogen gas or the like.

グラフト重合を実施する温度は、例えば0℃〜100℃であり、特に40〜80℃である。グラフト重合を実施する反応時間は、例えば2分〜12時間程度である。グラフト率は、これらの反応温度、反応時間によって制御することが可能である。   The temperature at which the graft polymerization is performed is, for example, 0 ° C. to 100 ° C., particularly 40 to 80 ° C. The reaction time for carrying out the graft polymerization is, for example, about 2 minutes to 12 hours. The graft ratio can be controlled by these reaction temperature and reaction time.

グラフト率は、例えば5〜200%の範囲にあり、15%〜100%の範囲にあることが好ましい。このようなグラフト率を有することにより、透水性が良好な多孔膜を得ることが可能となる。また、隔膜の耐圧性が得られないことがある。なお、グラフト率とは、グラフト重合前の膜(高分子基材)の重量に対する、グラフト重合後の膜(グラフト膜)の重量とグラフト重合前の膜の重量の重量差の比率を示す。   The graft ratio is, for example, in the range of 5 to 200%, and preferably in the range of 15% to 100%. By having such a graft ratio, it becomes possible to obtain a porous membrane with good water permeability. Moreover, the pressure resistance of the diaphragm may not be obtained. The graft ratio indicates the ratio of the weight difference between the weight of the film after graft polymerization (graft film) and the weight of the film before graft polymerization to the weight of the film (polymer base material) before graft polymerization.

グラフト重合反応の一例として、固液二相系における反応例を述べる。まず、グラフトモノマー(M)と溶媒とを含むグラフトモノマー(M)溶液をガラスやステンレス等の容器に入れる。次に、グラフト反応を阻害する溶存酸素を除去するために、グラフトモノマー(M)溶液中の減圧脱気及び不活性ガス(窒素ガス等)によるバブリングを行う。その後、放射線照射後の高分子基材をグラフトモノマー(M)溶液に投入してグラフト重合を行う。グラフト重合によって高分子基材を構成するポリマーにグラフト鎖が導入される。次に、得られた膜を反応溶液から取り出して濾別する。さらに、溶媒、未反応のグラフトモノマー(M)、及びグラフトモノマー(M)のみからなるポリマーを除去するために、得られた膜を適量の溶剤で3〜6回洗浄した後、乾燥させる。溶剤としては、グラフトモノマー(M)及びグラフトモノマー(M)のみからなるポリマーが容易に溶解し、グラフト膜が溶解しない溶剤を用いればよい。例えば、溶剤として、水、トルエンやアセトン等を用いることも可能である。   As an example of the graft polymerization reaction, a reaction example in a solid-liquid two-phase system will be described. First, a graft monomer (M) solution containing a graft monomer (M) and a solvent is placed in a container such as glass or stainless steel. Next, in order to remove the dissolved oxygen that inhibits the graft reaction, vacuum degassing in the graft monomer (M) solution and bubbling with an inert gas (nitrogen gas or the like) are performed. Thereafter, the polymer substrate after irradiation is charged into the graft monomer (M) solution to perform graft polymerization. A graft chain is introduced into the polymer constituting the polymer substrate by graft polymerization. Next, the obtained membrane is removed from the reaction solution and filtered. Furthermore, in order to remove the polymer consisting only of the solvent, the unreacted graft monomer (M), and the graft monomer (M), the obtained film is washed 3 to 6 times with an appropriate amount of solvent and then dried. As the solvent, a solvent that can easily dissolve the graft monomer (M) and the polymer composed only of the graft monomer (M) and does not dissolve the graft film may be used. For example, water, toluene, acetone or the like can be used as the solvent.

好ましい一実施形態において、隔膜は、アニオン交換能を有する官能基を実質的に有しない。実質的に有しないとは、隔膜の重量に対するアニオン交換能を有する官能基の量が0.1mmol/g以下であることを言い、好ましくは0.05mmol/g以下であることを言う。アニオン交換能を有する官能基とは、例えば4級アンモニウム塩基、4級ホスホニウム塩基等が挙げられる。   In a preferred embodiment, the diaphragm is substantially free of functional groups with anion exchange capacity. “Substantially free” means that the amount of the functional group having anion exchange capacity relative to the weight of the diaphragm is 0.1 mmol / g or less, preferably 0.05 mmol / g or less. Examples of functional groups having anion exchange ability include quaternary ammonium bases and quaternary phosphonium bases.

本実施形態のMEAを有する液体燃料電池においては、液体燃料に溶解された電解質がイオン伝導性を担う。一般に用いられる液体燃料電池では、隔膜にアニオン交換膜を用いており、このアニオン交換膜の有するアニオン交換基がイオン伝導性を担う。従って、アニオン交換基が劣化すると、液体燃料電池の性能が低下する。これに対し、アニオン交換基を有しない本実施形態のMEAでは、アニオン交換基の劣化は考慮する必要が無い。   In the liquid fuel cell having the MEA of the present embodiment, the electrolyte dissolved in the liquid fuel bears ionic conductivity. In the liquid fuel cell generally used, an anion exchange membrane is used for the diaphragm, and the anion exchange group of the anion exchange membrane bears ion conductivity. Therefore, when the anion exchange group is deteriorated, the performance of the liquid fuel cell is lowered. On the other hand, in the MEA of this embodiment having no anion exchange group, it is not necessary to consider the deterioration of the anion exchange group.

別の実施形態において、グラフトモノマー(M)は、炭素−炭素不飽和結合と親水性官能基を導入しえる部位とを有する。親水性官能基を導入しえる部位とは、例えばハロゲン化メチル基、ハロゲン化エチル基、ハロゲン化プロピル基、ハロゲン化ブチル基等のハロゲン化アルキル基、スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸又はアクリルホスホン酸等のアルキルエステル等が挙げられる。グラフトモノマー(M)は、スチレン、クロロメチルスチレン、ブロモブチルスチレン等のスチレン誘導体が挙げられる。これらのモノマー(M)は単独で又は2種以上を混合して使用してもよい。   In another embodiment, the graft monomer (M) has a carbon-carbon unsaturated bond and a site capable of introducing a hydrophilic functional group. The site capable of introducing a hydrophilic functional group is, for example, a halogenated alkyl group such as a halogenated methyl group, a halogenated ethyl group, a halogenated propyl group or a halogenated butyl group, styrene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid or acrylic phosphonic acid. And alkyl esters. Examples of the graft monomer (M) include styrene derivatives such as styrene, chloromethylstyrene, and bromobutylstyrene. These monomers (M) may be used alone or in admixture of two or more.

本実施形態において、グラフトモノマー(M)はアニオン交換能を有する官能基を有しないことが好ましい。   In this embodiment, it is preferable that the graft monomer (M) does not have a functional group having anion exchange ability.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples.

実施例及び比較例における物性は以下の方法を用いて測定した。   The physical properties in Examples and Comparative Examples were measured using the following methods.

(A)フィルム厚
1/10000直読ダイヤル式膜厚測定器により測定した。
(A) Film thickness It measured with the 1/10000 direct reading dial type film thickness measuring device.

(B)空孔率
1/10000直読ダイヤル式膜厚測定器により測定した厚みを用い、フィルムの単位面積Sあたりの重量W、平均厚みt、密度dから下式により算出した値を使用した。
空孔率(%)=(1−(104×W/S/t/d))×100
(B) Porosity Using the thickness measured with a 1/10000 direct reading dial type film thickness measuring device, the value calculated from the weight W per unit area S of the film, the average thickness t, and the density d by the following formula was used.
Porosity (%) = (1− (10 4 × W / S / t / d)) × 100

(C)透水速度
測定は、図2〜4に示す燃料電池用評価セルを評価用セルとして用いて以下の手順に従って実施した。
測定用の隔膜として、一辺4cmの正方形の主面を有する透水速度測定用の隔膜2と、短辺2cm長辺3cmの矩形の主面を有するW3測定用隔膜と、を準備した。
(C) Water permeation rate The measurement was carried out according to the following procedure using the evaluation cell for fuel cell shown in FIGS.
As a measurement diaphragm, a water permeability measurement diaphragm 2 having a square main surface with a side of 4 cm and a W3 measurement diaphragm having a rectangular main surface with a short side of 2 cm and a long side of 3 cm were prepared.

一辺の長さが2cmの正方形の開口部11a、21aを有する、一対のガスケット11、21で透水速度測定用の隔膜2を挟持した。ガスケット11、21の外側に、サーペンタイン構造の流路12a、22a付きの一対のセパレータ12、22、一対の集電板13、23、一対のエンドプレート14、24をこの順に配置して隔膜2挟持した。部材の各接触面から空気、水が漏洩しないように、ボルト等の固定部品(図示せず)を用いて各部材を締結し、評価用セル100を形成した。
評価用セル100は、流路18、19、28、29を有する。流路18、19はそれぞれ水の供給、吐出用の流路であり、流路28、29はそれぞれ乾燥空気の供給、吐出用の流路である。各流路18、19、28、29はエンドプレートに開口を有する。流路18、19はエンドプレート14、集電板13及びセパレータ12を貫通し、流路12aと連結する。流路28、29も同様である。
The diaphragm 2 for measuring the water transmission rate was sandwiched between a pair of gaskets 11 and 21 having square openings 11a and 21a each having a length of 2 cm. A pair of separators 12 and 22 with flow paths 12a and 22a having a serpentine structure, a pair of current collector plates 13 and 23, and a pair of end plates 14 and 24 are arranged in this order on the outside of the gaskets 11 and 21 so as to sandwich the diaphragm 2 did. Each member was fastened using a fixing component (not shown) such as a bolt so that air and water did not leak from each contact surface of the member, and the evaluation cell 100 was formed.
The evaluation cell 100 has flow paths 18, 19, 28, and 29. The channels 18 and 19 are channels for supplying and discharging water, respectively, and the channels 28 and 29 are channels for supplying and discharging dry air, respectively. Each flow path 18, 19, 28, 29 has an opening in the end plate. The flow paths 18 and 19 penetrate the end plate 14, the current collector plate 13, and the separator 12, and are connected to the flow path 12a. The same applies to the flow paths 28 and 29.

隔膜2の主面が鉛直方向に沿うように評価用セル100を設置した。この状態の評価用セル100に水及び乾燥空気の供給を開始した。第一主面へは毎分2mlの水を流路18に接続した配管38を介して供給し、第二主面へは毎分500mlの乾燥空気を流路28に接続した配管48を介して供給した。この際、エンドプレート14、24に設けたラバーヒーター15、25を用いて評価用セル100の温度が80℃になるように評価用セル100を加熱した。評価用セル100の温度は、セパレータ22に設置した熱電対41を用いて測定した。評価用セル100に水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に1時間維持した。   The evaluation cell 100 was installed so that the main surface of the diaphragm 2 was along the vertical direction. Supply of water and dry air to the evaluation cell 100 in this state was started. 2 ml of water per minute is supplied to the first main surface via a pipe 38 connected to the flow path 18, and 500 ml of dry air per minute is supplied to the second main face via a pipe 48 connected to the flow path 28. Supplied. At this time, the evaluation cell 100 was heated using the rubber heaters 15 and 25 provided on the end plates 14 and 24 so that the temperature of the evaluation cell 100 became 80 ° C. The temperature of the evaluation cell 100 was measured using a thermocouple 41 installed in the separator 22. Water and dry air were continuously supplied to the evaluation cell 100 as described above, and the temperature of the evaluation cell 100 was maintained at 80 ° C. for 1 hour.

その後、上記のように水及び乾燥空気の供給を続け、かつ評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、アノード側の流路19に接続した配管39から排出された水を30分間回収した。回収した水の重量をW2とした。評価セル100に30分間供給した水の重量をW1とした。また、W3測定用隔膜を23℃相対湿度55%雰囲気下で24時間放静置後、測定した重量から計算した隔膜1cm2あたりの重量をW3とした。
これらの値を用いて、以下の式に従って隔膜の断面方向の透水速度を計算した。
隔膜の断面方向の透水速度[mol/h・g]=
60[分]/30[分]×(W1−W2)[g]/18[g/mol]/4[cm2]/W3[g/cm2
Thereafter, the water and dry air are continuously supplied as described above, and the water discharged from the pipe 39 connected to the anode-side flow path 19 is collected for 30 minutes while maintaining the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. did. The weight of the collected water was W2. The weight of water supplied to the evaluation cell 100 for 30 minutes was defined as W1. Further, after leaving the diaphragm for W3 measurement to stand for 24 hours in an atmosphere of 23 ° C. and 55% relative humidity, the weight per cm 2 of the diaphragm calculated from the measured weight was defined as W3.
Using these values, the water transmission rate in the cross-sectional direction of the diaphragm was calculated according to the following formula.
Water permeation rate [mol / h · g] =
60 [min] / 30 [min] × (W1-W2) [g] / 18 [g / mol] / 4 [cm 2 ] / W3 [g / cm 2 ]

(D)耐圧性試験
図2〜4に示す燃料電池用評価セルを評価用セルとして用いて耐圧性試験を行い、隔膜の主面間耐圧を評価した。
主面が一辺4cmの正方形である隔膜2を準備した。一辺の長さが2cmの正方形の開口部11a、21aを有する、一対のガスケット11、21で隔膜2を挟持した。ガスケット11、21の外側に、サーペンタイン構造の流路12a、22a付きの一対のセパレータ12、22、一対の集電板13、23、一対のエンドプレート14、24をこの順に配置して挟持した。部材の各接触面から空気、水が漏洩しないように、ボルト等の固定部品(図示せず)を用いて各部材を締結し、評価用セル100を形成した。
評価用セル100は、流路18、19、28、29を有する。流路18、19はそれぞれ水の供給、吐出用の流路であり、流路28、29はそれぞれ乾燥空気の供給、吐出用の流路である。各流路18、19、28、29はエンドプレートに開口を有する。流路18、19はエンドプレート14、集電板13及びセパレータ12を貫通し、流路12aと連結する。流路28、29も同様である。
(D) Pressure resistance test A pressure resistance test was performed using the evaluation cell for fuel cell shown in FIGS. 2 to 4 as an evaluation cell, and the pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm was evaluated.
A diaphragm 2 having a main surface of a square having a side of 4 cm was prepared. The diaphragm 2 was sandwiched between a pair of gaskets 11 and 21 having square openings 11a and 21a each having a length of 2 cm. A pair of separators 12 and 22 with serpentine-structured flow channels 12a and 22a, a pair of current collector plates 13 and 23, and a pair of end plates 14 and 24 are arranged and sandwiched in this order on the outside of the gaskets 11 and 21. Each member was fastened using a fixing component (not shown) such as a bolt so that air and water did not leak from each contact surface of the member, and the evaluation cell 100 was formed.
The evaluation cell 100 has flow paths 18, 19, 28, and 29. The channels 18 and 19 are channels for supplying and discharging water, respectively, and the channels 28 and 29 are channels for supplying and discharging dry air, respectively. Each flow path 18, 19, 28, 29 has an opening in the end plate. The flow paths 18 and 19 penetrate the end plate 14, the current collector plate 13, and the separator 12, and are connected to the flow path 12a. The same applies to the flow paths 28 and 29.

隔膜2の主面が鉛直方向に沿うように評価用セル100を設置した。この状態の評価用セル100に水及び乾燥空気の供給を開始した。アノード側の主面(第一主面)へは毎分2mlの水を流路18に接続した配管38を介し供給し、カソード側の主面(第二主面)へは毎分500mlの乾燥空気を流路28に接続した配管48を介して供給した。この際、エンドプレート14、24に設けたラバーヒーター15、25を用いて評価用セル100の温度が80℃になるように評価用セル100を加熱した。評価用セル100の温度は、セパレータ22に設置した熱電対41を用いて測定した。水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に1時間維持した。   The evaluation cell 100 was installed so that the main surface of the diaphragm 2 was along the vertical direction. Supply of water and dry air to the evaluation cell 100 in this state was started. 2 ml of water per minute is supplied to the main surface (first main surface) on the anode side through a pipe 38 connected to the flow path 18, and 500 ml per minute is dried to the main surface (second main surface) on the cathode side. Air was supplied through a pipe 48 connected to the flow path 28. At this time, the evaluation cell 100 was heated using the rubber heaters 15 and 25 provided on the end plates 14 and 24 so that the temperature of the evaluation cell 100 became 80 ° C. The temperature of the evaluation cell 100 was measured using a thermocouple 41 installed in the separator 22. Water and dry air were continuously supplied as described above, and the temperature of the evaluation cell 100 was maintained at 80 ° C. for 1 hour.

上記状態を1時間維持した後、上記のように水、乾燥空気の供給を続け、かつ評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、流路29に接続した配管49に設けた圧力調整装置43の開度を調整し、隔膜2の第二主面への乾燥空気の圧力が20kPaになるように、第二主面への乾燥空気の圧力を昇圧した。乾燥空気の圧力は配管49に設けた圧力計42で測定した。その後、水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、第二主面への乾燥空気の圧力を20kPaに維持できるように圧力調整装置43の開度を調整した。上記の水及び乾燥空気の供給速度、評価用セル100の温度、圧力調整装置43の開度を維持した状態で、第二主面への乾燥空気の圧力を10分間測定した。20kPaを10分間維持できなかった場合には、隔膜の主面間耐圧は0kPaと評価した。20kPaを10分間維持できた場合、上記のように水及び乾燥空気を供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、圧力調整装置43の開度を調整し、第二主面への乾燥空気の圧力が40kPaになるように、第二主面への乾燥空気の圧力を昇圧した。その後、水及び乾燥空気を上記のように供給し続け、評価用セル100の温度を80℃に維持しながら、第二主面への乾燥空気の圧力を40kPaに維持できるように圧力調整装置43の開度を調整した。上記の水及び乾燥空気の供給速度、評価用セル100の温度、圧力調整装置43の開度を維持した状態で、第二主面への乾燥空気の圧力を10分間測定した。40kPaを10分間維持できなかった場合には、隔膜の主面間耐圧は20kPaと評価した。40kPaを10分間維持できた場合には、第二主面への乾燥空気の圧力を昇圧し、60kPa、80kPa、100kPaの順に同様の測定を行った。第二主面への乾燥空気の圧力を100kPaに昇圧後、100kPaを10分間維持できた場合には、隔膜の主面間耐圧は100kPaと評価した。   After maintaining the above state for 1 hour, pressure adjustment provided in the pipe 49 connected to the flow path 29 while continuing to supply water and dry air as described above and maintaining the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. The opening degree of the apparatus 43 was adjusted, and the pressure of the dry air to the second main surface was increased so that the pressure of the dry air to the second main surface of the diaphragm 2 was 20 kPa. The pressure of the dry air was measured with a pressure gauge 42 provided in the pipe 49. Thereafter, the pressure regulator 43 continues to supply water and dry air as described above, and maintains the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. so that the pressure of the dry air to the second main surface can be maintained at 20 kPa. The opening degree of was adjusted. With the water and dry air supply rates, the temperature of the evaluation cell 100, and the opening degree of the pressure adjusting device 43 maintained, the pressure of the dry air to the second main surface was measured for 10 minutes. When 20 kPa could not be maintained for 10 minutes, the pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm was evaluated as 0 kPa. When 20 kPa can be maintained for 10 minutes, the supply of water and dry air is continued as described above, the opening of the pressure regulator 43 is adjusted while maintaining the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C., and the second main The pressure of the dry air to the second main surface was increased so that the pressure of the dry air to the surface was 40 kPa. Thereafter, the pressure regulator 43 continues to supply water and dry air as described above so that the pressure of the dry air to the second main surface can be maintained at 40 kPa while maintaining the temperature of the evaluation cell 100 at 80 ° C. The opening degree of was adjusted. With the water and dry air supply rates, the temperature of the evaluation cell 100, and the opening degree of the pressure adjusting device 43 maintained, the pressure of the dry air to the second main surface was measured for 10 minutes. When 40 kPa could not be maintained for 10 minutes, the pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm was evaluated as 20 kPa. When 40 kPa could be maintained for 10 minutes, the pressure of dry air to the second main surface was increased, and the same measurement was performed in the order of 60 kPa, 80 kPa, and 100 kPa. When the pressure of dry air on the second main surface was increased to 100 kPa and 100 kPa could be maintained for 10 minutes, the pressure resistance between the main surfaces of the diaphragm was evaluated as 100 kPa.

(E)発電試験
白金担持カーボンを使用した電極を20mmの正方形状に切り出し、エチレンジアミンとエタノールとの混合溶液(重量比でエチレンアミン/エタノール=3/7)に室温雰囲気下12時間以上浸漬させた。この電極を風乾後、40mmの正方形状に切り出した隔膜とガスケットと共に、燃料電池用評価セルを組み立てた。
組み立てた燃料電池用評価セルを用いて、電解質を含む液体燃料としてヒドラジン水和物を10重量%と水酸化カリウムを1mol/L含む水溶液を、酸化剤として乾燥空気を用いて、40℃雰囲気下において発電試験を実施した。アノード側へは毎分2mlの液体燃料を供給し、カソード側へは毎分200mlの乾燥空気を供給した。この試験において、電流掃引の可否、限界電流密度、最大出力密度発現時のセル抵抗(電流遮断法を用いて測定。瞬間的に電流を遮断する際の電圧変化からセルの内部抵抗を測定した。)、及び最大出力密度を比較した。
(E) Power generation test An electrode using platinum-supported carbon was cut into a 20 mm square shape and immersed in a mixed solution of ethylenediamine and ethanol (ethyleneamine / ethanol = 3/7 by weight) for 12 hours or more in a room temperature atmosphere. . After this electrode was air-dried, a fuel cell evaluation cell was assembled together with a diaphragm and a gasket cut into a 40 mm square shape.
Using the assembled fuel cell evaluation cell, an aqueous solution containing 10% by weight of hydrazine hydrate and 1 mol / L of potassium hydroxide as a liquid fuel containing an electrolyte, and dry air as an oxidant in a 40 ° C. atmosphere A power generation test was conducted at 2 ml of liquid fuel per minute was supplied to the anode side, and 200 ml of dry air was supplied to the cathode side. In this test, whether or not current sweep is possible, the limit current density, and the cell resistance when the maximum output density was developed (measured using the current interruption method. The internal resistance of the cell was measured from the voltage change when the current was instantaneously interrupted. ) And the maximum power density were compared.

(実施例1)
実施例1では、高分子基材として、膜厚20μm、空孔率40%、透気度(ガーレー値)173sec/100ml・inch2の超高分子量ポリエチレン基材を用いた。この超高分子量ポリエチレン基材に、45kGyの電子線を照射することで、フリーラジカルを生成させた。電子線照射後の超高分子量ポリエチレン基材を、−70℃に冷却し、次の工程を実施するまでの間保管した。次に、グラフトモノマー(M)であるメタクリル酸250gと、メタノール250gとを混合してグラフトモノマー(M)溶液を調製し、温度を25℃に保ったまま窒素ガスによるバブリングを1時間行うことで、グラフトモノマー(M)溶液に残存していた酸素を除去した。そして、このグラフトモノマー(M)溶液に、上記の電子線を照射した超高分子量ポリエチレン基材を投入し、液温を55℃まで昇温させた。液温を55℃に維持させながら、6分間重合処理を行い、超高分子量ポリエチレン基材にメタクリル酸をグラフト重合させた。その後、得られたグラフト多孔膜を引き上げて、水洗して余分なモノマーを洗い流した後、表面部分の水分を除き、親水性を有する親水性隔膜を得た。得られたグラフト多孔膜のグラフト率は40%であった。この隔膜の各物性を測定した。この隔膜を用いて発電試験を行った。
(Example 1)
In Example 1, an ultrahigh molecular weight polyethylene substrate having a film thickness of 20 μm, a porosity of 40%, and an air permeability (Gurley value) of 173 sec / 100 ml · inch 2 was used as the polymer substrate. By irradiating this ultrahigh molecular weight polyethylene substrate with an electron beam of 45 kGy, free radicals were generated. The ultra-high molecular weight polyethylene base material after electron beam irradiation was cooled to −70 ° C. and stored until the next step was performed. Next, 250 g of methacrylic acid as a graft monomer (M) and 250 g of methanol are mixed to prepare a graft monomer (M) solution, and bubbling with nitrogen gas is performed for 1 hour while maintaining the temperature at 25 ° C. The oxygen remaining in the graft monomer (M) solution was removed. Then, the ultrahigh molecular weight polyethylene substrate irradiated with the electron beam was added to the graft monomer (M) solution, and the liquid temperature was raised to 55 ° C. While maintaining the liquid temperature at 55 ° C., polymerization was performed for 6 minutes, and methacrylic acid was graft-polymerized on the ultrahigh molecular weight polyethylene substrate. Thereafter, the obtained graft porous membrane was pulled up and washed with water to wash away excess monomers, and then water on the surface portion was removed to obtain a hydrophilic diaphragm having hydrophilicity. The resulting graft porous membrane had a graft rate of 40%. Each physical property of this diaphragm was measured. A power generation test was performed using this diaphragm.

(実施例2)
グラフト重合時間を4分にした以外は、実施例1と同様に実施し、グラフト率30%の親水性隔膜を得た。この隔膜の各物性を測定した。また、この隔膜を用いて発電試験を行った。
(Example 2)
Except for making graft polymerization time into 4 minutes, it implemented similarly to Example 1 and obtained the hydrophilic membrane with a graft ratio of 30%. Each physical property of this diaphragm was measured. In addition, a power generation test was performed using this diaphragm.

(比較例1)
実施例1で用いた超高分子量ポリエチレン基材を、未処理のまま隔膜として用い、各物性を測定した。また、この隔膜を用いて発電試験を行った。
(Comparative Example 1)
Each ultra-high molecular weight polyethylene substrate used in Example 1 was used as a diaphragm without treatment, and each physical property was measured. In addition, a power generation test was performed using this diaphragm.

(比較例2)
テトラフルオロエチレンとエチレンの共重合体(ETFE、膜厚50μm)の無孔膜を用いた。このETFE膜に、片面30kGyずつ(計60kGy)の電子線を室温真空下において照射することで、フリーラジカルを生成させた。電子線照射後のETFE膜を、−70℃に冷却し、次の工程を実施するまでの間保管した。4−(クロロメチル)スチレン28gとキシレン12gとを混合してモノマー溶液を調製した。次に、このモノマー溶液を窒素ガスでバブリングすることによって、モノマー溶液内の酸素を除去した。そして、このモノマー溶液に、上記の電子線を照射したETFE膜を投入し、液温を70℃まで昇温させた。液温を70℃に維持させながら、2時間浸漬することによってグラフト重合を行い、ETFE膜にクロロメチルスチレンをグラフト重合させた。得られた膜のグラフト率は43.5%であった。次いで、トリメチルアミン水溶液に、上記グラフト膜を室温で24時間浸漬し、これによって、クロロメチル基の部分の4級化処理を行った。4級化処理後のグラフト膜をエタノールで30分間洗浄した後、1規定の塩酸のエタノール溶液で30分間洗浄し、さらに純水で洗浄した。このようにして、基材がETFEフィルムであり、塩素イオン型の4級アンモニウム塩基を有する膜を得た。この隔膜の各物性を測定した。また、この隔膜を用いて発電試験を行った。
(Comparative Example 2)
A non-porous film of a copolymer of tetrafluoroethylene and ethylene (ETFE, film thickness 50 μm) was used. This ETFE film was irradiated with an electron beam of 30 kGy on each side (total 60 kGy) under vacuum at room temperature to generate free radicals. The ETFE film after electron beam irradiation was cooled to −70 ° C. and stored until the next step was performed. A monomer solution was prepared by mixing 28 g of 4- (chloromethyl) styrene and 12 g of xylene. Next, this monomer solution was bubbled with nitrogen gas to remove oxygen in the monomer solution. And the ETFE film | membrane irradiated with said electron beam was thrown into this monomer solution, and liquid temperature was raised to 70 degreeC. Graft polymerization was performed by immersing for 2 hours while maintaining the liquid temperature at 70 ° C., and chloromethylstyrene was graft-polymerized on the ETFE membrane. The graft ratio of the obtained film was 43.5%. Subsequently, the graft membrane was immersed in an aqueous trimethylamine solution at room temperature for 24 hours, whereby a quaternization treatment of the chloromethyl group portion was performed. The graft membrane after the quaternization treatment was washed with ethanol for 30 minutes, then washed with 1N hydrochloric acid in ethanol for 30 minutes, and further washed with pure water. Thus, the base material was an ETFE film, and a film having a chloride ion type quaternary ammonium base was obtained. Each physical property of this diaphragm was measured. In addition, a power generation test was performed using this diaphragm.

含水率、透水速度、耐圧試験の結果を表1に、発電試験の結果を表2に示す。表1において、PEは超高分子量ポリエチレン、CMSはクロロメチルスチレン、TMAはトリメチルアミンを示す。   Table 1 shows the water content, water transmission rate, and pressure test results, and Table 2 shows the results of the power generation test. In Table 1, PE represents ultrahigh molecular weight polyethylene, CMS represents chloromethylstyrene, and TMA represents trimethylamine.

Figure 2016015287
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Figure 2016015287
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比較例1で得られた隔膜(親水性官能基を有しないポリエチレン多孔膜)を用いて耐圧性試験を行ったところ、第二主面への乾燥空気の圧力80kPaを維持できなかった。ただし、耐圧性試験後の隔膜は、隔膜の外観には変化は見られなかった。比較例1で得られた隔膜を用いて発電試験を行ったところ、電流を取り出せなかったため、他の発電試験を実施できなかった。比較例2(ETFE無孔膜)では、電流は流れたが、セルの内部抵抗が高く限界電流密度が低かった。これに対し実施例1〜2(ポリエチレン多孔膜)では、電流を取り出すことができた。すなわち、断面方向の透水速度と期待に対する耐圧性が良好な実施例1〜2で得られた隔膜は液体燃料電池用隔膜として使用できた。また、実施例1〜2の限界電流密度は、比較例2の限界電流密度と比べて高かった。実施例1〜2の最大出力密度発現時のセル抵抗は、比較例2よりも低くなった。   When the pressure resistance test was performed using the diaphragm (polyethylene porous film having no hydrophilic functional group) obtained in Comparative Example 1, the pressure of dry air of 80 kPa on the second main surface could not be maintained. However, the diaphragm after the pressure resistance test showed no change in the appearance of the diaphragm. When a power generation test was performed using the diaphragm obtained in Comparative Example 1, no current could be taken out, so another power generation test could not be performed. In Comparative Example 2 (ETFE nonporous film), current flowed, but the internal resistance of the cell was high and the limiting current density was low. On the other hand, in Examples 1-2 (polyethylene porous film), an electric current could be taken out. That is, the diaphragms obtained in Examples 1 and 2 having good water permeability in the cross-sectional direction and high pressure resistance against expectation could be used as a diaphragm for a liquid fuel cell. Moreover, the limiting current density of Examples 1 and 2 was higher than the limiting current density of Comparative Example 2. The cell resistance when the maximum output density was developed in Examples 1 and 2 was lower than that in Comparative Example 2.

1 膜−電極接合体(MEA)
2 隔膜
3 アノード触媒層
4 カソード触媒層
11、21 ガスケット
11a、21a 開口部
12、22 セパレータ
12a、22a 流路
13、23 集電板
14、24 エンドプレート
15、25 ラバーヒーター
18、19 流路
28、29 流路
38、39 配管
41 熱電対
42 圧力計
43 圧力調整装置
48、49 配管
100 評価用セル
1 Membrane-electrode assembly (MEA)
2 Diaphragm 3 Anode catalyst layer 4 Cathode catalyst layer 11, 21 Gasket 11 a, 21 a Opening 12, 22 Separator 12 a, 22 a Channel 13, 23 Current collector 14, 24 End plate 15, 25 Rubber heater 18, 19 Channel 28 , 29 Flow path 38, 39 Piping 41 Thermocouple 42 Pressure gauge 43 Pressure adjusting device 48, 49 Piping 100 Evaluation cell

Claims (9)

断面方向の透水速度が40mol/h・g以上であり、
かつ第一主面に水を供給しながら、前記第一主面と反対側の第二主面に空気を供給して、前記空気の圧力を上昇させて測定した主面間耐圧が80kPa以上である、
液体燃料電池用隔膜。
The water transmission rate in the cross-sectional direction is 40 mol / h · g or more,
And while supplying water to the first main surface, air is supplied to the second main surface opposite to the first main surface and the pressure between the main surfaces measured by increasing the pressure of the air is 80 kPa or more. is there,
Liquid fuel cell membrane.
前記液体燃料電池が、アルカリ形である、
請求項1に記載の液体燃料電池用隔膜。
The liquid fuel cell is alkaline;
The diaphragm for liquid fuel cells according to claim 1.
アニオン交換能を有する官能基を実質的に有しない、
請求項1又は2に記載の液体燃料電池用隔膜。
Substantially free of functional groups having anion exchange capacity,
The diaphragm for liquid fuel cells according to claim 1 or 2.
高分子基材と、
前記高分子基材上に存在する親水性官能基と、
を備える、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の液体燃料電池用隔膜。
A polymer substrate;
A hydrophilic functional group present on the polymer substrate;
Comprising
The diaphragm for liquid fuel cells according to any one of claims 1 to 3.
前記高分子基材が、多孔膜である、
請求項4に記載の液体燃料電池用隔膜。
The polymer substrate is a porous membrane;
The diaphragm for liquid fuel cells according to claim 4.
前記親水性官能基が水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、アミノ基、及びリン酸基からなる群より選ばれる少なくとも1つである、
請求項4又は5に記載の液体燃料電池用隔膜。
The hydrophilic functional group is at least one selected from the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfonic acid group, an amino group, and a phosphoric acid group;
The diaphragm for liquid fuel cells according to claim 4 or 5.
前記高分子基材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド及びポリエーテルケトンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、
請求項4〜6のいずれか1項に記載の液体燃料電池用隔膜。
The polymer substrate contains at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyphenylene sulfide and polyether ketone,
The diaphragm for liquid fuel cells according to any one of claims 4 to 6.
前記親水性官能基が、前記高分子基材上にアクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−ビニルピロリドン、N−ビニルピリジン、2−ヒドロキシエチルメタクリレート及びスチレン誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1つのモノマーを重合して得られた、
請求項4〜7のいずれか1項に記載の液体燃料電池用隔膜。
The hydrophilic functional group is at least selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, N-vinyl pyrrolidone, N-vinyl pyridine, 2-hydroxyethyl methacrylate and a styrene derivative on the polymer substrate. Obtained by polymerizing one monomer,
The diaphragm for liquid fuel cells according to any one of claims 4 to 7.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の液体燃料電池用隔膜を備えた膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly provided with the diaphragm for liquid fuel cells of any one of Claims 1-8.
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